基于FPGA-DDS步进追频技术的超声电源设计

针对压电换能器谐振频率受焊接工具头发热的影响而产生漂移的问题,设计了一种以现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心,并结合了直接数字式频率合成器(DDS)的步进追频超声电源。利用FPGA的并行运算方式实时处理电压及电流相位数据并对驱动频率做出实时反馈调节;利用DDS输出的高分辨频率对驱动频率实现精确的步进调节;FPGA的高速性及DDS的精确性避免了谐振相位失锁及频率超调的现象发生。实验结果表明,所设计的超声驱动电源能够在500μs内完成一次数据处理,频率跟踪精度可达2 Hz。该电源实现了在换能器阻抗及谐振频率不断随焊接工具头温度变化的情况下,仍能保证换能器以谐振频率工作。     

一种超声治疗仪的自动跟踪锁频电路设计

针对超声治疗仪中压电超声换能器因制造工艺导致固有频率出厂误差的问题，以及因温度变化等因素导致频率漂移，使其工作在非谐振状态下影响压电超声换能器电-声转化效率降低、治疗波形变化以及输出功率不稳定，从而影响超声治疗仪的治疗效果的问题，设计了一种超声治疗仪的自动跟踪锁频电路。该系统采用STM32F103ZET6作为微控制器。利用压电超声换能器逆向压电效应特性原理和最大电压式反馈法，通过扫频采样将最大电压值和谐振频率进行实时反馈，使得压电超声换能器始终工作在谐振点上，以实现自动跟踪锁频。实验测试证明，基于该自动跟踪锁频电路的超声治疗仪能够保持较稳定的输出功率以及良好的治疗波形、频率跟踪精准且成本低，能够达到良好的治疗效果。因此本课题具有较好的创新性和应用前景及广泛的适用价值。     

基于模糊控制的超声理疗仪频率自动跟踪技术

针对超声理疗仪中压电超声换能器谐振频率漂移问题,提出了一种频率自动跟踪技术。该技术以模糊控制器为核心,通过比较计算超声换能器两端电压、电流信号的相位差,实时调整超声理疗仪DDS信号发生器的输出频率,保证超声换能器始终工作在谐振点上。测试表明,基于模糊控制的频率自动跟踪技术跟踪准确,超声理疗仪的工作效率得到了提高,输出超声强度可达3 W。     

指数化模糊PD频率搜索算法

为了避免换能器失谐带来的换能器发热、效率低等问题,提出一种模糊PD超声频率跟踪算法。模糊PD超声频率跟踪算法采用模糊控制的思想,使用指数法实时整定PD控制器的参数,以达到对谐振频率的快速、精确跟踪。模糊控制的输入为相角差和相角差变化率,模糊控制器按照预设规则识别换能器当前状态,并对增量式PD控制器的参数进行指数化整定,最终输出经过模糊PD调节后的驱动频率。仿真实验显示,该频率搜索算法能从任意频域开始,在30步内完成对任意超声换能器谐振频率的搜索。将该算法与二分法和PD变步长等算法比较,验证其在搜索准确率、搜索速度上的优越性,该算法适合于换能器谐振频率的搜索和全频域超声电源的设计。     

超磁致伸缩换能器谐振频率自动跟踪方法

为了能有效地减小换能器的体积,实现同位控制及对换能器工作频率的自动调节,提高换能器的工作效率,提出了超磁致伸缩换能器的谐振频率自动跟踪方法。根据超磁致伸缩材料压磁方程,建立了超磁致伸缩换能器速度、阻抗及所受外力的自感知模型;分析了利用感知阻抗自动搜索谐振频率的工作原理,在无需安装检测谐振频率传感器的条件下,实现换能器谐振工作点的自感知,并能方便、快速地自动跟踪系统的谐振频率。在研制的实验装置上,比较分析了扫频方式和搜索感知阻抗方式跟踪谐振频率的一致性,验证了换能器谐振频率自动跟踪方法的可行性与正确性。     

超声波电源智能频率跟踪系统应用研究

传统超声加工电源不具备多频率段自动跟踪的特点,其在工作过程中存在频率跟踪精度过低的现象,而且传统超声波电源的结构决定其输出频率特性单一,无法驱动不同频率特性的超声波换能器。对此采用搜索电流最大值技术与基于数字信号处理器(DSP)TMS320F2812的软件锁相技术结合的复合频率跟踪策略,以直接数字式频率合成(DDS)芯片作为输出频率源,实现自动查找换能器谐振频率及频率自动跟踪的功能,依据超声波换能器的反馈信息同步调节功率和阻抗匹配网络,动态响应不同特性的超声波换能器,维持恒振幅输出。给出具体实现方法,通过实验验证该方法的可行性和有效性。     

基于DSP的大功率感应加热电源设计

分析了负载串联谐振的工作过程,根据流过直流母线的电流极性变化情况,提出了一种串联谐振式感应加热电源频率跟踪和输出功率调节的方法,设计了基于DSP的大功率感应加热电源。试验结果表明,所设计的电源可以完成频率自动跟踪,且工作稳定可靠。     

基于模糊PI并联控制的超声传输系统频率跟踪

针对换能器频率偏移值与相位差的关系无法用精确时域模型表达,基于模型进行设计的经典控制器适用性降低,提出模糊PI并联控制实现超声传输系统频率跟踪。推导得出换能器两端电压与电流关系的时域模型,基于频谱分析法,设计鉴相器得到两者的相位差用于频率跟踪仿真分析。搭建超声传输系统,利用Lab VIEW设计扫频程序得到在工作电压下超声传输系统的初始谐振频率。仿真和实验结果验证了该控制方法的有效性。实验结果表明相比于传统的PI控制,模糊PI并联控制提高了控制精度,使超调量减少超过60%,最大误差减小超过50%,悬浮滑块加速度值提高2.1%。     

行波超声电动机驱动电源的设计研究

基于行波超声电动机驱动系统的工作原理，利用现代开关电源技术，设计出了一种推挽式智能型高频动电源。实验结果表明该电源可自动跟踪电动机的谐振频率，也可较好地满足行波超声电动机的工作要求。     

超声波电源频率闭环跟踪控制方法

频率跟踪是超声波电源非常重要的技术指标,跟踪速度直接影响焊接质量与效率。传统的根据电压电流相位锁相跟踪、检测电流的变步长跟踪等存在换能器失谐、参数难调、跟踪速度慢等不足。为解决超声波电源动态响应慢,频率偏移导致的跟踪不准确,根据超声波换能器负载的阻抗特性,通过分析超声波电源的匹配电路系统的特性与换能器负载谐振点特性,得出电路中两组可测量的信号对输入的传递函数。并进一步分析其幅频特性得出两者之间的关系,提出一种基于PI快速调节的给定与反馈跟踪系统。经过仿真验证与实验得出,此方法能够快速锁定谐振频率并跟踪负载动态变化,速度达到毫秒级。     

永磁直线振荡电机及谐振频率跟踪驱动研究

近年,直线电机因结构简单而获得了广泛应用。为了研究其频率特性,该文介绍了一种小型空压机驱动用永磁直线振荡电机。电机采用特殊结构的盘式弹簧轴承,使电机谐振频率的设计与调整灵活方便。文中讨论了驱动电源特性与电机固有谐振频率的匹配问题,研制了电流反馈式谐振频率跟踪驱动器,使电源效率自动跟踪机电系统的谐振频率,并进行了实验调试,效果较好。     

自动搜索谐振频率的洁牙机驱动电源设计

针对洁牙机驱动电源难以搜索到换能器谐振点、振荡不稳定、不能长时间工作的状况,设计通过STC89LE516AD单片机控制输出步进的频率值,根据电流的反馈值来搜索换能器的谐振频率,驱动电源以搜索到的频率进行工作,同时实时监控工作点的漂移情况,由STC89LE516AD单片机对工作点进行有效的调节,使系统始终处于最佳工作点,在单片机的控制及TL494的配合下设计出超声洁牙机电路与控制软件。实验结果表明自动搜索到的频率处于谐振频带,并且能长时间连续工作。     

基于串联谐振的电子束焊机灯丝电源的研究

传统的电子束焊机阴极灯丝加热电源采用PWM硬开关逆变,存在着开关管损耗过大、发热严重的问题。为了减小开关管的损耗,利用串联谐振变换器在开关频率小于1/2谐振频率的情况下具有恒流线性输出和软开关的特性,研制了一台基于全桥串联谐振结构的PFM调制型灯丝电源样机。实验结果表明,该电源样机输出电流0~15 A可调,实现了开关管的零电流开启和准零电流/电压关断,提高了逆变器的效率。最后提出了一些解决灯丝电源灯丝断路时电压虚高的改进方案。     

简单、高效串联谐振逆变电源研究

针对脉冲密度调制功率调节方式实现复杂的缺点,提出了基于时间分割法的串联谐振逆变电源功率调节方式,该方法可确保串联谐振逆变电源输出电压频率和幅值恒定,开关管工作在零压开通和近似零电流关断状态,开关损耗小,电源效率高;同时给出了相应的频率自动跟踪电路,详细分析了其工作原理。时间分割法功率调节方式尤其适合于负载要求串联谐振逆变电源的输出电压频率和幅值恒定的场合。电源长期运行结果表明,所提功率调节方式和频率自动跟踪电路具有简单、可靠、高效、成本低、工程应用价值高等优点。     

一种基波串联谐振式混合型有源滤波器

提出一种基波串联谐振式混合型有源滤波器,利用大容量无源滤波器实现谐波抑制和无功补偿;采用有源滤波器改善系统滤波效果并阻尼无源滤波器与系统阻抗之间的串、并联谐振。在介绍该混合型有源滤波器的拓扑结构和主要特点的基础上,分析基于检测电网电流控制策略时的工作原理;研究谐波参考信号的产生及其跟踪控制算法;讨论基于DSP的数字化控制器实现问题。相关实验结果及工程应用效果均证明该基波串联谐振式混合型有源滤波器对于同时进行谐波抑制和无功补偿的可行性。     

LLCL滤波的单相光伏并网逆变器控制技术研究

采用新型LLCL滤波器对单相光伏并网逆变器进行滤波,LLCL滤波器通过在传统LCL滤波器的电容支路中串联一个小电感达到在开关频率处产生串联谐振,相比LCL滤波器能够更大程度地对串联谐振频率处的电流谐波进行衰减,可进一步减小总电感值。分析表明LCL滤波器双电流环控制同样适用于LLCL滤波器,并网电流外环采用带谐波补偿的准比例谐振(PR)控制器能够有效跟踪并网电流指令的同时可对特定次谐波进行补偿,但谐振控制器在谐振频率处存在180°相角跳变,随着谐波补偿的次数增加易导致系统不稳定。在准PR控制器之后增加一个超前校正环节,对谐振频率处进行相位补偿的同时能够提高系统的相位裕量,增强系统稳定性。此外,引入电网电压前馈控制增强系统对电网电压的抗干扰能力。仿真结果表明系统具有较好的稳态性能和抗干扰性能。     

环形行波式超声马达变频特性的分析

超声马达通常都工作在谐振频率附近,因此,工作频率的变化对超声马达的输出特性有着非常重要的影响。利用匹配电感和压电陶瓷组成的谐振电路,分析了变频对超声马达驱动电路输出特性的影响;利用超声马达的二维解析模型,仿真了激励频率对超声马达输出特性的影响。仿真和实验结果表明：频率与超声马达输出特性的关系为二次函数。激励频率在超声马达谐振频率附近变化时,驱动电路输出电压的幅值可近似认为不变。     

超声波电源的改进频率跟踪方法

针对传统超声波电源频率跟踪方法计算周期数多、过渡时间长的缺点,提出了一种基于谐振频率自动识别的改进型超声波电源变步长频率跟踪控制方法。该方法通过2次采样,计算得到负载的谐振频率,进而利用变步长控制对换能器谐振状态进行保持。实验证明,基于该控制方法的系统可以提升频率跟踪速度,减少系统过渡时间,改善动态响应特性,能更好地满足超声电源的性能要求。     

基于STM32的超声波发生器扫频信号源的实现

扫频信号源采用以STM32F103单片机为核心,实现高精度锯齿波扫频。由于超声波电源换能器串联谐振频率在正常工作条件下波动不会超出3k Hz范围,为了节约开机扫频时间,设置扫频范围为4k Hz,扫描起点为26k Hz,扫频精度达到10Hz,100us扫描一个频率点。利用STM32单片机的高级定时器TIM1输出2路可调频调占空比的带死区时间互补PWM波,死区时间设置为110ns,通过定时器中断控制扫描速度,外部按键电路控制占空比。     

脉冲涡流热成像电源的快速频率跟踪算法

针对传统感应加热电源频率跟踪响应慢、跟踪误差大的问题,提出了一种结合二分法和PI控制的频率跟踪算法。通过二分法快速地将工作频率调整到谐振频率附近,再运用PI数字锁相控制实现稳定的频率跟踪。使用功率为1 kW的高频感应加热电源进行实验,结果表明该算法具有启动快、跟踪精度高的优点。