[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

说明书

本发明公开了一种基于模糊PI控制技术的超声波电源输出信号频率跟踪系统，其由硬件电路和软件程序两部分组成，硬件电路包括：依次连接在一起的电压电流采样电路、带通滤波电路、鉴相电路(采集电压和电流的相位差、实现数字锁相环)、STM32芯片和IGBT驱动电路以及与STM32芯片连接在一起的显示屏，模糊PI控制技术以软件程序的形式实现，软件程序由STM32芯片执行，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和PWM频率控制输出程序(包括：PWM输出程序和模糊PI算法程序)。本发明公开的频率跟踪系统，可使超声波电源输出信号频率随着换能器谐振频率变化而变化，实现对换能器谐振频率自动、精确和快速跟踪。

技术领域

本发明涉及一种超声波电源输出信号频率跟踪系统，具体涉及一种基于模糊PI控制技术的超声波电源输出信号频率跟踪系统，属于电学技术领域。

背景技术

超声波电源通常称为超声波发生源、超声波发生器，它的作用是把电能转换成与超声波换能器(以下简称换能器)相匹配的高频交流电信号。

超声波电源作为超声技术的重要产物之一，在清洗、医疗、焊接等领域的应用极为广泛。随着超声技术的快速发展，人们对超声波电源的效率、精度、寿命等性能的要求也越来越高。为了提高超声波电源的工作效率，逆变器输出的信号频率应与换能器谐振频率一致。可是，对于工业大功率超声波电源来说，换能器在工作时发热明显、负载变化范围大且由于工作环境的原因换能器机械损耗也极为严重，这些都会导致换能器固有的谐振频率漂移，为了极大地提高大功率超声波电源的生产效率和使用寿命，大功率超声波电源要有精准、快速、自动跟踪换能器谐振频率的功能。

传统的超声波电源输出信号频率跟踪系统多采用模拟锁相环式，但该种方式频率跟踪范围窄、响应慢、控制不灵活且无法对不同频率特性的换能器实现跟踪。

目前，无论是通过相位差还是通过电流最大值控制实现频率自动跟踪，大多都采用传统的PI算法，但换能器谐振频率漂移的影响因素众多，且偏移量很难用精确的数学模型来表示，所以，经典控制理论方法并不能满足频率跟踪校正高精度、快响应的需求。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可使超声波电源输出信号频率随着换能器谐振频率变化而变化，实现对换能器谐振频率自动、精确和快速跟踪的超声波电源输出信号频率跟踪系统。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

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；