PIDDS頻率跟蹤技術(shù)在超聲電源中的應(yīng)用

1、2010 年 7 月power electronicsjuly 2010pi-dds頻率跟蹤技術(shù)在超聲電源中的應(yīng)用屈百達(dá)， 張善理（江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122）摘要：針對(duì)傳統(tǒng)超聲電源采用模擬鎖相電路進(jìn)行頻率跟蹤時(shí)，存在鎖相范圍窄、元器件一致性差、在負(fù)載突變時(shí)易失鎖等缺點(diǎn)。在此提出了一種將數(shù)字 pi 控制器和數(shù)字頻率直接合成（dds）技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合控制方法，對(duì)其設(shè)計(jì)方 法、工作原理進(jìn)行了闡述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可很好地跟蹤負(fù)載諧振的變化，使開關(guān)器件工作在軟開關(guān)狀態(tài)，顯 著地減小了功率器件的開關(guān)損耗，提高了電源效率。關(guān)鍵詞：超聲電源；數(shù)字頻率直接合成；頻率跟蹤中圖分類號(hào)：tn86文獻(xiàn)標(biāo)

2、識(shí)碼：a文章編號(hào)：1000-100x（2010）07-0047-02design of ultrasonic power based on pi-dds frequency-tracking strategyqu bai-da， zhang shan-li（jiangnan university，wuxi 214122，china）abstract：traditional frequency-tracking technique of ultrasonic power often adopts analog phase-locked loop circuit.but it has some d

3、efects，such as the narrow locked -in range，poor consistency of components and the tendency to lose phase - locked with a sudden change in load.therefore，this paper proposes a composed control strategy which combines digital pi controller with direct digital synthesis （dds）technique，and the working p

4、rinciple and design method are given.the ex -perimental results show that the ultrasonic power using pi -dds control strategy has good character istics of frequency -tracking.for this reason，the inverter works in the soft-switching status，significantly reduces switching losses and improves the effic

5、iency of the power supply.keywords：ultrasonic power；direct digital synthesis；frequency tracking引言由 c3 穩(wěn)壓，c4 濾去高次諧波整流為直流電。dc/ac逆變部分采用 igbt 開關(guān)器件構(gòu)成全橋逆變器。控 制芯片采用高性能單片機(jī) atmega8 作為控制電路 的核心處理器，采用 pi-dds 復(fù)合跟蹤策略實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，電壓、電流采樣信號(hào)通過鑒相器獲得與其相位差呈正比的脈沖信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)檢測(cè)寬度后，由軟件 設(shè)計(jì)的離散化 pi 控制器和 dds 電路，進(jìn)行相位偏 差調(diào)節(jié)和校正，達(dá)到相位鎖定和頻率跟蹤的

6、目的，從 而使開關(guān)管工作于軟開關(guān)（zvzcs）狀態(tài)。1在超聲逆變電源的實(shí)際應(yīng)用中，由于換能器發(fā)熱及負(fù)載變化等因素的影響，會(huì)使換能器的諧振頻 率發(fā)生漂移，導(dǎo)致聲學(xué)系統(tǒng)溫度升高，功率開關(guān)器件 處于硬開關(guān)狀態(tài)，逆變器功耗增大并可能燒毀功率 器件1，因此對(duì)換能器進(jìn)行頻率跟蹤是超聲波電源的 一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的頻率跟蹤方法是以 cd4046 芯片為核心的模擬鎖相技術(shù)。但其存在鎖相范圍窄、 元器件老化及一致性差等缺點(diǎn)，且在負(fù)載突變時(shí)，易 失鎖，從而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩等不足2。提出了一種將 pi 控制器和數(shù)字頻率直接合成（dds）技術(shù)相結(jié)合的 pi-dds 復(fù)合控制方法。在動(dòng)態(tài)條件下，若逆變器開 關(guān)頻率與負(fù)載固有

7、諧振頻率誤差值大于或等于偏差 設(shè)定值時(shí)，采用 pi 控制，可快速地將逆變器的開關(guān) 頻率引入與諧振頻率相差較小的范圍內(nèi)；當(dāng)頻率誤 差值小于偏差設(shè)定值時(shí)，采用 dds 技術(shù)，通過鑒相 器實(shí)現(xiàn)逆變電源的精確鎖相，使逆變器始終鎖定負(fù) 載諧振頻率。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性。圖 1逆變電源系統(tǒng)組成3pi-dds 復(fù)合跟蹤技術(shù)原理由于傳統(tǒng)鎖相環(huán)電路，如 pll 過渡過程時(shí)間 長(zhǎng)，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)需較長(zhǎng)的捕獲時(shí)間和同步過程，且在電源開啟/關(guān)閉或負(fù)載工況變化較大時(shí)，可 能導(dǎo)致 pll 電路失鎖，因此提出了 pi-dds 頻率跟蹤控制方法。令 =|fi-fo|，其中 fi 為逆變器開關(guān)頻率；fo為負(fù)載固有頻率

8、，當(dāng) 0 時(shí)，利用數(shù)字 pi 控制器進(jìn) 行頻率修正，依靠閉環(huán)系統(tǒng)糾偏控制，快速地將逆變器開關(guān)頻率引入鎖相范圍；當(dāng) 0 時(shí)，采用 dds 技 術(shù)逐赫茲的改變功率管開關(guān)頻率。處于諧振狀態(tài)下系統(tǒng)工作原理圖 1 示出系統(tǒng)構(gòu)成，單相交流電經(jīng)由 c1，c2，l1和 l2 組成的濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入單相不控全橋整流器，再2定稿日期： 2009-12-16作者簡(jiǎn)介：屈百達(dá)（1956-），男，遼寧北鎮(zhèn)人，博士，教授，研究方 向?yàn)楝F(xiàn)代控制技術(shù)與應(yīng)用、模式識(shí)別和數(shù)據(jù)處理。第 44 卷第 7 期2010 年 7 月電力電子技術(shù)power electronicsvol.44， no.7july 2010的壓電換能器 q 值很高

9、，即換能器的頻率-阻抗曲線非常陡峭3，故采用逐赫茲的改變開關(guān)頻率來鎖定諧 振頻率。通過鑒相器輸出的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確鎖相，既保證了鎖相的快速性又提高了鎖相精度。圖 2 示 出 pi-dds 頻率跟蹤原理框圖。晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率。當(dāng)時(shí)鐘采用 16 mhz 時(shí)，由nyquist 采樣定理可知，其最大輸出頻率為 8 mhz，輸出頻率分辨率可達(dá) 0.1 hz，足以滿足超聲波頻率跟蹤的要求。通過 atmeg8 的 pb 口將頻率控制字 fc 寫入 ad9833 頻率寄存器產(chǎn)生頻率信號(hào)，再通過 驅(qū)動(dòng)電路，控制 igbt 全橋的交替導(dǎo)通。圖 4b 示出dds 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖 2 pi-dds 頻率跟蹤原理數(shù)字

10、pi 控制器的設(shè)計(jì)連續(xù) pi 控制器的一般形式為：4t乙0f（t）=kpe（t）+kie（）d（1）式中：kp 為比例系數(shù)；ki 為積分系數(shù)；e（）為誤差信號(hào)。對(duì)上式進(jìn)行 s 變換可得在連續(xù)域傳遞函數(shù)為： f（s） ki （2）e（s）=kp+ s圖 4 dds 原理與電路圖ad9833 進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，使能引腳 fsync必須置低，然后在串口時(shí)鐘 sclk 作用下，數(shù)據(jù)以16 位方式隨 sclk 下降沿送至 ad9833 的輸入移位當(dāng)采樣周期很短時(shí)，映射到 z 域則有： f（z） kit （3）e（z）=kp+ 1-z-1式中：t 為采樣時(shí)間。進(jìn)一步化為差分方程為： f（k）=f（k）-

11、f（k-1）=ae（k）-b（k-1）式中：a=kp+kit；b=kp。寄存器，在第 16 個(gè) sclk 的下降沿 fsync 被置高，結(jié)束一幀數(shù)據(jù)傳輸。也可連續(xù)寫入多幀數(shù)據(jù)，僅在最后一幀的第 16 個(gè) sclk 下降沿將 fsync 置高。需 注意，在寫數(shù)據(jù)前，即 fsync 變?yōu)榈碗娖角?，sclk（4）其工作過程為單片機(jī)經(jīng) d/a 采樣電壓 uf，得出誤差 e（k），經(jīng)過離散化 pi 計(jì)算，得出 f（k）的值，由 單片機(jī)的 pb 口向 ad9833 中寫入頻率控制字，從而控制輸出頻率，圖 3 示出軟件流程。必須為高電平。圖 5 示出單片機(jī)頻率搜索軟件流程。圖 3 數(shù)字 pi 控制器軟件流程

12、5 dds 頻率跟蹤電路設(shè)計(jì)5.1 dds 電路工作原理采用的 ad9833 型 dds 芯片是一款低功耗、可 編程波形發(fā)生器，能產(chǎn)生正弦波、三角波、方波輸出，可通過 3 線 spi 接口與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。圖 4a 示出其工作原理。外部時(shí)鐘每產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信 號(hào)，相位累加器就將累加器已輸出的累積相位與預(yù)置相位增量相加，再以相加的結(jié)果為地址，對(duì)正弦波形rom 表尋址，找出 rom 表中與該相位對(duì)應(yīng)單元中 的量化幅度編碼值，經(jīng) d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，再 經(jīng)低通濾波器平滑即可得到符合要求的模擬信號(hào)。ad9833 的輸出頻率 fo=fc fm/228，改變 fc 值即可改 變合成頻率值4，其

13、取值范圍為 1fc228-1，fm 為有源48圖 5頻率搜索流程圖鑒相器電路的設(shè)計(jì)頻率跟蹤電路工作原理為：當(dāng)壓電換能器工作 于諧振狀態(tài)時(shí)，換能器兩端電壓與流過換能器的電 流相位基本相同。當(dāng)換能器處于失諧狀態(tài)時(shí)，其兩端 電壓與電流存在相位差。對(duì)電壓和電流采樣信號(hào)進(jìn) 行濾波后再通過由高速運(yùn)放構(gòu)成的過零比較器 lm311 轉(zhuǎn)換為方波，兩路方波相通過 異 或 門 sn74ahc1g86 后，即可得占空比與相位差 成正比的脈沖信號(hào)，如圖 6a 所示。圖中 r2，r9 和 c1 組成無源相位校正電路，補(bǔ)償電流信號(hào)傳遞過程中的延時(shí)。鑒相器輸出信號(hào)如圖 6b 所示。由單片機(jī)檢測(cè)鑒5.2相器輸出信號(hào)的脈寬即可獲

14、得電壓電流的相位差。再通過頻率遞增遞減運(yùn)算將此脈沖的（ 下轉(zhuǎn)第 67 頁(yè)）單相交流斬控補(bǔ)償調(diào)壓裝置研究驗(yàn)樣機(jī)，參數(shù)如下：輸入濾波器 l=2 mh，c=20 f，輸出濾波器 l=2 mh，c=40 f，斬波頻率 fs=5 khz。死區(qū) 時(shí)間 td=5 s，補(bǔ)償變壓器變比 n=31，輸入電壓 us=230 v，rl=10 。實(shí)驗(yàn)波形如圖 6 所示。流，電壓調(diào)節(jié)過程在一個(gè)周期內(nèi)完成，響應(yīng)快速，補(bǔ)償后負(fù)載電壓，電流無畸變，補(bǔ)償后電壓準(zhǔn)確。結(jié)論6采用交流斬控電路+補(bǔ)償變壓器設(shè)計(jì)一款交流補(bǔ)償式調(diào)壓器，換流控制策略上采用基于電壓 4 步 換流算法，解決交流斬控電路換流開路過壓?jiǎn)栴}，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用 pic 單

15、片機(jī)+cpld 控制模型。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明，此調(diào)壓器能對(duì)系統(tǒng)電壓實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)，無級(jí)電壓自動(dòng)補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速安全可靠，具有良好的調(diào) 壓穩(wěn)壓效果。參考文獻(xiàn)陳 將.無觸點(diǎn)大功率補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源的研究d.大連：大連理工大學(xué)，2005.江友華，顧勝堅(jiān)，方 勇基于電力電子技術(shù)的新型有載 調(diào)壓變壓器電力電子技術(shù)，2007，41（7）：67-68.12張 杰，鄒云屏，張?jiān)?，等基于模塊并聯(lián)的新型交流斬3圖 6 實(shí)驗(yàn)波形圖 6a 中高電平關(guān)斷，低電平開通，4 路控制信號(hào) 采用基于電壓的 4 步換流策略，換流過程時(shí)序與圖 3控制一致，控制信號(hào)準(zhǔn)確，確保系統(tǒng)安全。圖 6b 中，斬控電路輸出電壓 uo1 無開路過壓現(xiàn)象

16、，電源電壓本身 稍有畸變，濾波后的電壓 uo1 基本跟實(shí)驗(yàn)室供電電壓 波形一致。電壓、電流基本接近正弦。由圖 6c，d 可 見，不論正補(bǔ)償還是負(fù)補(bǔ)償過程，都無沖擊電壓、電控變換器研究j中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，30（28）：1-4.sam ben-yaakov，yakir hadadl，noam dia-mantsteina fourquadrants hf ac chopper with no deadtime atwenty-first annual ieee apec06c.2006：1461-1465.jorge perez，victor cardenas，homero mirand

17、aoptimization of four step switching sequence used by a single-phase ac/ac converter to compensate voltage sags and swells aieee ciep04c.2004，（9）：212-217.45!（上接第 48 頁(yè)）占空比消減到幾乎為零，即可鎖定換能器的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)高精度的頻率跟蹤控制。合，能使逆變器很好地跟蹤負(fù)載諧振頻率，使開關(guān)管工作于軟開關(guān)狀態(tài)，顯著降低了開關(guān)損耗。超聲電源 在功率因數(shù)接近 1 的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，提高了超聲 電源的工作效率。具有良好的工程應(yīng)用前景。圖

18、7 實(shí)驗(yàn)波形參考文獻(xiàn)圖 6 鑒相器電路圖與輸出波形實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論根據(jù)上述理論分析，試制了一臺(tái) 1 kw 的超聲屈百達(dá)，車保川.基于 pi-dpll 的超聲波電源頻率控制電路的研究j.電力電子技術(shù)，2008，42（7）：46-48.惠 晶，臧小惠，張峰久.基于 pi-dpll 復(fù)合控制的高頻 逆變電源研究j.電力電子技術(shù)，2007，41（2）：32-34. 范玲莉，鄧 焰，石健將.基于 lm25037 的車載逆變電源設(shè)計(jì)j.電力電子技術(shù)，2009，43（6）：61-33.黃 斌，洪嬴政，朱康生.基于 ad9833 的高精度可編程 波形發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)j.電子設(shè)計(jì)工程，2009，（5）：6-7. bal，gungor，erdal bekiroglu.a pwm technique for dspcont