[发明专利]基于模糊PI控制技术的超声波电源输出信号频率跟踪系统

权利要求书

1.一种基于模糊PI控制技术的超声波电源输出信号频率跟踪系统，其特征在于，该跟踪系统由硬件电路和软件程序两部分组成，模糊PI控制技术以软件程序的形式实现，其中：

硬件电路包括：电压电流采样电路、带通滤波电路、鉴相电路、STM32芯片、IGBT驱动电路和显示屏，其中，鉴相电路是用来采集电压和电流的相位差、实现数字锁相环的，电压电流采样电路、带通滤波电路、鉴相电路、STM32芯片和IGBT驱动电路依次通过信号线连接在一起，显示屏通过另外的信号线与STM32芯片连接在一起；

软件程序由STM32芯片执行，STM32芯片的主控程序包括：系统初始化程序、显示屏程序、相位差信息捕获程序以及PWM频率控制输出程序，PWM频率控制输出程序又包括：PWM输出程序和模糊PI算法程序，其中：

在相位差信息捕获程序中，方向信息flag直接送入STM32芯片，经STM32芯片采集处理后输出“1”和“0”两种状态，前者为电压相位超前电流，后者为电压相位滞后电流，数值信息Δθ存在于方波信号中，需要通过对方波信号的占空比进行测量而获得，首先将程序设定为上升沿触发，当进入中断之后，a(t+1)时刻与上次中断a(t)时刻之间的时间间隔即为方波周期T1，然后将程序设定为下降沿，进入中断之后，b(t+1)时刻与上升沿a(t)时刻之差即为高电平时间T2，高电平时间T2除以方波周期T1即为方波信号的占空比，该占空比传给PWM频率控制输出程序处理，经过处理后即可表示Δθ的绝对值的大小；

在模糊PI算法程序中，首先获取相位差Δθ并计算出相位差的变化率e(θ)，随后对相位差和相位差变化率进行模糊化处理，再模糊整定出Kp和Ki两个参数的变化值，然后计算并输出新的Kp和Ki，最后对输出信号频率参数进行调节。

2.根据权利要求1所述的基于模糊PI控制技术的超声波电源输出信号频率跟踪系统，其特征在于，所述电压电流采样电路由霍尔电压传感器P1、霍尔电流传感器P2、电压检测电阻R2、电流采样电阻R1和电压采样电阻R3组成，其中：

霍尔电压传感器P1的1引脚串联电压检测电阻R2后与换能器的一侧连接，3引脚与换能器的另一侧连接，即霍尔电压传感器P1通过1引脚和3引脚并联在换能器的两侧，2引脚与供电电源相连，4引脚与电压采样电阻R3串联后接地，在采样电阻R3与4引脚之间引出采样电压的输出；

霍尔电流传感器P2通过1引脚和3引脚串联在换能器与匹配网络之间，2引脚与供电电源相连，4引脚与电流采样电阻R1串联后接地，在采样电阻R1与4引脚之间引出采样电流的输出。

3.根据权利要求1所述的基于模糊PI控制技术的超声波电源输出信号频率跟踪系统，其特征在于，所述带通滤波电路由两个运放LF444和两个RC滤波网络组成，其中：

前面的运放LF444为高通滤波器，后面的运放LF444为低通滤波器，带通增益设为1；

通过设置RC滤波网络的值即可确定该带通滤波电路的上下限频率。

4.根据权利要求1所述的基于模糊PI控制技术的超声波电源输出信号频率跟踪系统，其特征在于，所述鉴相电路由电路保护单元、鉴相器、触发器74LS74和异或门74LS86组成，其中：

电路保护单元由可调电阻RL1构成，通过调节输入信号的幅值来保护鉴相器；

鉴相器由跟随器LF353、过零比较器LM339及过零比较器LM339的外围电路三部分组成，其中，跟随器LF353是用来提高驱动和抗干扰能力的，过零比较器LM339是用来输出高低电平并形成幅值为3.3V方波信号的，由电路保护单元输出的电压电流信号先经过跟随器LF353，再进入过零比较器LM339；

触发器74LS74的D端和CLK端分别接鉴相器输出的电流信号和电压信号，电压电流信号通过触发器74LS74后产生带有相位差的方向信息flag，电压超前，则电流为高电平，反之电流为低电平，该方向信息flag输入给STM32芯片处理；

异或门74LS86的两个输入端分别接鉴相器输出的电流信号和电压信号，电压电流信号通过异或门74LS86后形成一个同频率的方波信号phase，其占空比表示相位差Δθ的绝对值的大小，该方波信号phase输入给STM32芯片处理。