摘要：  针对超声波电源的反馈环节在使用传感器进行信号采样时存在响应延迟，导致频率跟踪准确度下降的问题，本文设计了一种应用高频脉冲变压器作为电压采样器件的超声波电源系统。论文介绍了超声波电源的主电路与控制电路，设计了用于该系统电压采样的高频脉冲变压器。试验表明，本方案可以有效的解决系统在电压采样过程中存在的响应延迟问题，提高了系统频率跟踪的准确度。

关键字：  频率跟踪，谐振，高频脉冲变压器，超声波电源

1 引言
超声波电源是超声设备的重要组成部分，担负着向超声波换能器提供电能的任务。为了使超声波换能器能够高效率地工作，不但要求超声波电源提供的电能有足够的功率，而且要求其频率与换能器的谐振频率一致。由于换能器的谐振频率会因其工作环境的变化而发生漂移，如果不及时调整超声波电源输出电压的频率，换能器的工作状态就会发生变化，轻则效率低下，重则停止振动[1]。因此，如何快速、准确的跟踪换能器的谐振频率显得非常重要。本文基于PWM技术，应用TMS320LF2407型DSP组成智能控制系统，采用相位法对超声波电源的制造技术进行了研究。
2 换能器简介
换能器是超声波设备中的核心器件，它是一种可以将超声频率的电能转换为机械振动的器件，其特性参数决定了整个设备的性能[2]。目前超声波换能器主要为压电换能器，其等效电路如图1所示。
在图1中，C0为换能器的静态电容，它所在的支路称作并联支路，是在远低于其谐振频率的频率点上测量出来的换能器电容，是一个真实的电学量；R1、Ll和C1分别是动态电阻、动态电感和动态电容，它们所在的支路则称作串联支路，它们仅仅是根据换能器的机械特性、质量、和损耗折算过来的等效参数，是随着工作环境以及负载的变化而变化的。
3 超声波电源的系统构成
3.1 超声波电源的工作原理
超声波电源又叫超声波发生器，是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。其目的是把我们的市电（220V或380V，50Hz或60Hz）转换成可以与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号。
3.2 超声波电源的系统框图
超声波电源主要由功率主电路和控制电路两部分组成。功率主电路的作用是将从电网传输来的电能转换成可供换能器工作的高频电能，主要由220V电源、整流滤波、高频逆变单元、匹配网络组成。控制电路则为功率主电路中的高频逆变单元提供高频开关脉冲信号，驱动功率主电路工作，并借助采样电路来实现换能器谐振频率的跟踪。主要由检测与鉴相电路、PWM波产生电路和驱动电路组成。系统图如图2所示。
3.3 超声波电源功率主电路
高频逆变电路是超声波电源功率主电路的核心，担负着输出高频脉冲电压的任务。本系统采用半桥逆变形式的电路拓扑结构[3]。功率主电路的原理图如图3所示。首先由220V、50Hz市电经过由二极管组成的不控整流桥以及桥臂电容的滤波作用得到平滑的直流电压，该电压加在由MOSFET管VTl、VT2组成的高频半桥逆变电路上，半桥电路的输出为高频脉冲电压。高频变压器T和调谐匹配电感Ls组成匹配网络，半桥逆变单元输出的高频脉冲电压经过匹配网络的阻抗变换以及调谐之后，供给超声波换能器工作。
图3中，本系统采用的MOSFET管VTl、VT2型号为IRFP460，其额定电压为500V，额定电流为20A；D1、D2为外接的快速恢复二极管，C1、C2为半桥臂，T为高频变压器，起到阻抗变换的作用，Ls为串联调谐匹配电感。主电路中采用RCD形式的缓冲保护电路，其中R=1kΩ，C=3.3nF，D为快恢复二极管。
3.4 超声波电源的控制电路
控制电路以DSP为核心，首先将采样来的电压、电流信号经鉴相处理，得到二者的相位差信息，然后DSP以相位差信息为根据，相应的改变输出PWM波的频率，通过驱动电路，改变电源输出电压的频率，实现换能器谐振频率的跟踪。
3.4.1 采样电路
采样电路是为了获取与电源输出电压、电流成比例的电压信号的电路。本文中，电流采样采用的是电阻法，通过在电源的输出端串接一个无感电阻，通过该电阻上的电压获取电源的输出电流信号。对于电压采样，本文提出了一种新方法，即在电压采样的时候，采用高频脉冲变压器Ts，将超声波电源输出的脉冲电压降至合适的电压值，然后送给鉴相电路。根据技术指标要求，本方案所使用的高频采样脉冲变压器Ts的设计过程如下[4]：
(1)确定变比：采样脉冲变压器Ts的原边接至超声波电源的脉冲电压输出端，因此原边输入的电压幅值为90V，其频率约为21kHz脉冲变压器的副边输出电压幅值为5V，则变压器变比为：
                              (1)
(2)利用AP法确定磁芯尺寸，其磁芯的面积乘积为：

(2)
  根据新康达磁芯手册选取EE10型磁芯，磁芯有效截面积Ae=10.6mm2，窗口面积Aw=19.32mm2，因此Ae×Aw=204.8mm2，满足Ae×Aw>AP，该磁芯符合设计要求。
(3)在高频的时候．还应考虑到集肤效应的因素。此时高频电流的穿透深度为：
                         (3)

为减小集肤效应的影响，所选导线的直径必须小于两倍穿透深度Δ，因此原边采用直径为0.54mm的铜导线，原边绕18匝，副边采用直径为0.72mm的铜导线，副边绕1匝。
通过应用上面设计的高频脉冲变压器Ts，可将超声波电源主电路输出电压幅值降至频率跟踪电路需要的电压大小，并且可将功率电路与控制隔离。由于高频脉冲变压器在电压变换时其变换时间很短，几乎为零，因此可将在电压采样过程中存在的响应延迟时间降到几乎为零，从而消除了在电压采样过程中存在的时间延迟。其采样电路原理图如图4所示。[#page#]
3.4.2 鉴相电路以及频率跟踪的实现
本系统采用相位方案进行频率跟踪。由于当换能器处于谐振状态时，整个电路表现为纯阻性，超声波电源的输出电压与输出电流保持同相位；当换能器的谐振频率发生变化时，换能器不再保持谐振状态，超声波电源的输出电压与电流的相位不再相同。这时，将采样得到的电压和电流信号分别送给鉴相电路，如图5所示，DSP根据鉴相电路输出的相位差信息，相应的调整输出PWM波的频率，进而改变输出电压的频率，使得换能器重新处于谐振状态，超声波电源的输出电压与输出电流也重新保持同相位，达到频率跟踪的目的。
在图5中，首先，将采样来的电压、电流信号变换为方波信号，然后分别送给D触发器和异或门，得到电压与电流之间的相位差信息。其中，D触发器74LS74输出的相位差符号FLAG接DSP的I/O口，异或门74LS86的输出信号U-cap接DSP的CAP口，计算出相位差大小θ。当相位差θ不等于零时，若FLAG=0，表示电压超前电流，此时应该减小电源输出电压的频率；若FLAG≠0，表示电压滞后电流，此时应该增加电源输出电压的频率。
4 实验结果   
根据以上的分析，设计了一套实验装置，在电压采样时，分别使用了传感器与高频脉冲变压器采样电压。如图6、图7所示。从图6中可以看出，使用传感器采样得到的电压波形，与电源输出电压相比，大概延迟6μs，而且波形变形严重，而采用脉冲变压器采样得到的电压，与输出电压相比，几乎没有延迟，且没有变形，如图7所示。图8为采用高频脉冲变压器进行电压采样，换能器谐振频率为20.1kHz时，超声波电源的输出电压与输出电流的波形。
5 结语
采用高频脉冲变压器作为电压采样的重要器件，克服了在电压相位测量中存在的响应延迟问题，提高了系统对相位差测量的准确性，减小了系统误差，因此本电源在信号发生、频率跟踪方面具有良好的效果，主要表现为输出波形稳定可靠，输出功率恒定，实时跟踪能力较好，由于高频脉冲变压器相对于传感器来说，体积较小、重量较轻，价格比较便宜，因此具有较好的实际应用前景。

参考文献
[1] 鲍善惠，王敏慧．超声波发生器的频率跟踪电路[J]．洗净技术，2003年12M期。
[2] 翟伟翔，白焰，翟玲玲．智能化功率超声电源的研制[J]. 电力电子技术，2006年12月第40卷第6期：65～67．
[3] 陈坚．电力电子学(第二版)[M]．北京，高等教育出版社，2004年12月．
[4] 赵彩凤，于志，王智勇．高频功率脉冲变压器的设计[J]．变压器，2003年10月第40卷第10期：6～8．

作者简介
马春江，男，1985年生，硕士，研究方向为电力电子与电力传动。
葛红娟，女，1966年生，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子与电力传动、电机与电器。