基于PI-DPLL的超声波电源频率控制电路的研究

    1 引 言

    超声波清洗机已广泛用于许多领域。就超声波清洗设备而言，除了换能器自身损耗发热外，清洗液温度也会传至换能器；清洗槽中液面高度的变化或被清洗物件的变化也难以避免。这些因素都会引起换能器谐振频率的漂移。为使超声波电源始终运行在较高的功率因数和输出效率条件下，逆变输出电压频率需实时跟随负载谐振电流频率而变化，即要求逆变器控制电路必须具有自动频率跟踪功能[1]。目前，逆变器大多采用 P 或 PI 控制器或锁相环控制器对整个系统进行控制[2]。但是，单纯的 PI 控制，只能进行频率修正，无法满足高精度要求。传统锁相环频率跟踪系统又存在频率跟踪范围较窄，可靠性较差，PLL过渡时间较长，稳态时若突然加大扰动，有可能导致锁相环失锁等不足。为了很好地解决这一不足，提出了一种基于 PI-DPLL复合控制的频率跟踪控制方法，以实现逆变电源的频率跟踪。该方法不仅实现了频率跟踪数字化，而且克服了传统频率跟踪电路的不足，提高了电源效率，有着重要的推广价值。

    2 超声波电源的硬件电路设计

    逆变式超声波电源主要由主电路和控制电路两部分组成。前者将电能从电网传递给负载的电路，其主要作用是减小变压器的体积和改善电源的动态品质；后者是为逆变电路提供的开关脉冲信号，用以驱动逆变主电路工作，并借助反馈电路实现对逆变器的闭环控制[3]。基于 PI-DPLL控制的超声波电源结构如图 1 所示，其工作原理是将整流和滤波了的单相交流电转换成直流电，再由全桥逆变器将直流电压转换为频率与换能器谐振频率一致的交变电压，以逆变输出正弦交变电流，并通过匹配网络送至负载换能器。

    在全桥式逆变电路中，采用大功率的 IGBT 和反并续流二极管构成 H 型全桥逆变器，高频匹配变压器 T、串联谐振电感和谐振电容组成输出回路。控制电路包括由 DSP 和检测传感器构成的 PI- DPLL锁相环控制和触发驱动，DSP 采用 TMS320LF2407数字信号处理器。电压、电流过零比较器采用LM311 电压比较器。电压、电流过零后经异或门输出，通过 Rf、Cf滤波后移项输出 Uf。图 2 示出了相位检测和补偿电路[4。通过 DSP 的 A/D转换，可获得电压、电流的相位差。再由 DSP 软件设计离散化的 PI控制和 DPLL控制，进行相位偏差调节和校正，以改变 SP 的 EVB 模块，使内置 PWM的控制频率发生改变，达到相位锁定和频率跟踪的目的。

    3 超声波电源的控制策略

    传统锁相环频率跟踪控制电路通常存在一些不足，如 PLL 过渡过程时间长，环路进入锁定状态需要相对较长的捕获时间和同步过程；稳态工作时，若加大负载扰动，可能导致 PLL电路失锁。为此，提出了 PI-DPLL频率跟踪控制方法，即当逆变器开关频率与负载固有谐振频率误差值大于或等于偏差设定值时，采用单纯 PI 控制，只进行频率修正，依靠闭环控制系统纠偏控制，快速将逆变器开关频率引入锁相范围；当频率误差值小于偏差设定值时，采用DPLL控制，同时修正频率和相位。