PIDDS频率跟踪技术在超声电源中的应用

1、2010 年 7 月power electronicsjuly 2010pi-dds频率跟踪技术在超声电源中的应用屈百达， 张善理（江南大学，江苏 无锡 214122）摘要：针对传统超声电源采用模拟锁相电路进行频率跟踪时，存在锁相范围窄、元器件一致性差、在负载突变时易失锁等缺点。在此提出了一种将数字 pi 控制器和数字频率直接合成（dds）技术相结合的复合控制方法，对其设计方 法、工作原理进行了阐述。实验结果表明，该方法可很好地跟踪负载谐振的变化，使开关器件工作在软开关状态，显 著地减小了功率器件的开关损耗，提高了电源效率。关键词：超声电源；数字频率直接合成；频率跟踪中图分类号：tn86文献标

2、识码：a文章编号：1000-100x（2010）07-0047-02design of ultrasonic power based on pi-dds frequency-tracking strategyqu bai-da， zhang shan-li（jiangnan university，wuxi 214122，china）abstract：traditional frequency-tracking technique of ultrasonic power often adopts analog phase-locked loop circuit.but it has some d

3、efects，such as the narrow locked -in range，poor consistency of components and the tendency to lose phase - locked with a sudden change in load.therefore，this paper proposes a composed control strategy which combines digital pi controller with direct digital synthesis （dds）technique，and the working p

4、rinciple and design method are given.the ex -perimental results show that the ultrasonic power using pi -dds control strategy has good character istics of frequency -tracking.for this reason，the inverter works in the soft-switching status，significantly reduces switching losses and improves the effic

5、iency of the power supply.keywords：ultrasonic power；direct digital synthesis；frequency tracking引言由 c3 稳压，c4 滤去高次谐波整流为直流电。dc/ac逆变部分采用 igbt 开关器件构成全桥逆变器。控 制芯片采用高性能单片机 atmega8 作为控制电路 的核心处理器，采用 pi-dds 复合跟踪策略实现频率跟踪，电压、电流采样信号通过鉴相器获得与其相位差呈正比的脉冲信号，经单片机检测宽度后，由软件 设计的离散化 pi 控制器和 dds 电路，进行相位偏 差调节和校正，达到相位锁定和频率跟踪的

6、目的，从 而使开关管工作于软开关（zvzcs）状态。1在超声逆变电源的实际应用中，由于换能器发热及负载变化等因素的影响，会使换能器的谐振频 率发生漂移，导致声学系统温度升高，功率开关器件 处于硬开关状态，逆变器功耗增大并可能烧毁功率 器件1，因此对换能器进行频率跟踪是超声波电源的 一个关键技术。传统的频率跟踪方法是以 cd4046 芯片为核心的模拟锁相技术。但其存在锁相范围窄、 元器件老化及一致性差等缺点，且在负载突变时，易 失锁，从而导致系统振荡等不足2。提出了一种将 pi 控制器和数字频率直接合成（dds）技术相结合的 pi-dds 复合控制方法。在动态条件下，若逆变器开 关频率与负载固有

7、谐振频率误差值大于或等于偏差 设定值时，采用 pi 控制，可快速地将逆变器的开关 频率引入与谐振频率相差较小的范围内；当频率误 差值小于偏差设定值时，采用 dds 技术，通过鉴相 器实现逆变电源的精确锁相，使逆变器始终锁定负 载谐振频率。通过实验验证了该方法的优越性。图 1逆变电源系统组成3pi-dds 复合跟踪技术原理由于传统锁相环电路，如 pll 过渡过程时间 长，环路进入锁定状态需较长的捕获时间和同步过程，且在电源开启/关闭或负载工况变化较大时，可 能导致 pll 电路失锁，因此提出了 pi-dds 频率跟踪控制方法。令 =|fi-fo|，其中 fi 为逆变器开关频率；fo为负载固有频率

8、，当 0 时，利用数字 pi 控制器进 行频率修正，依靠闭环系统纠偏控制，快速地将逆变器开关频率引入锁相范围；当 0 时，采用 dds 技 术逐赫兹的改变功率管开关频率。处于谐振状态下系统工作原理图 1 示出系统构成，单相交流电经由 c1，c2，l1和 l2 组成的滤波网络进入单相不控全桥整流器，再2定稿日期： 2009-12-16作者简介：屈百达（1956-），男，辽宁北镇人，博士，教授，研究方 向为现代控制技术与应用、模式识别和数据处理。第 44 卷第 7 期2010 年 7 月电力电子技术power electronicsvol.44， no.7july 2010的压电换能器 q 值很高

9、，即换能器的频率-阻抗曲线非常陡峭3，故采用逐赫兹的改变开关频率来锁定谐 振频率。通过鉴相器输出的反馈信号实现精确锁相，既保证了锁相的快速性又提高了锁相精度。图 2 示 出 pi-dds 频率跟踪原理框图。晶振产生的时钟频率。当时钟采用 16 mhz 时，由nyquist 采样定理可知，其最大输出频率为 8 mhz，输出频率分辨率可达 0.1 hz，足以满足超声波频率跟踪的要求。通过 atmeg8 的 pb 口将频率控制字 fc 写入 ad9833 频率寄存器产生频率信号，再通过 驱动电路，控制 igbt 全桥的交替导通。图 4b 示出dds 拓扑结构。图 2 pi-dds 频率跟踪原理数字

10、pi 控制器的设计连续 pi 控制器的一般形式为：4t乙0f（t）=kpe（t）+kie（）d（1）式中：kp 为比例系数；ki 为积分系数；e（）为误差信号。对上式进行 s 变换可得在连续域传递函数为： f（s） ki （2）e（s）=kp+ s图 4 dds 原理与电路图ad9833 进行串行数据传输时，使能引脚 fsync必须置低，然后在串口时钟 sclk 作用下，数据以16 位方式随 sclk 下降沿送至 ad9833 的输入移位当采样周期很短时，映射到 z 域则有： f（z） kit （3）e（z）=kp+ 1-z-1式中：t 为采样时间。进一步化为差分方程为： f（k）=f（k）-

11、f（k-1）=ae（k）-b（k-1）式中：a=kp+kit；b=kp。寄存器，在第 16 个 sclk 的下降沿 fsync 被置高，结束一帧数据传输。也可连续写入多帧数据，仅在最后一帧的第 16 个 sclk 下降沿将 fsync 置高。需 注意，在写数据前，即 fsync 变为低电平前，sclk（4）其工作过程为单片机经 d/a 采样电压 uf，得出误差 e（k），经过离散化 pi 计算，得出 f（k）的值，由 单片机的 pb 口向 ad9833 中写入频率控制字，从而控制输出频率，图 3 示出软件流程。必须为高电平。图 5 示出单片机频率搜索软件流程。图 3 数字 pi 控制器软件流程

12、5 dds 频率跟踪电路设计5.1 dds 电路工作原理采用的 ad9833 型 dds 芯片是一款低功耗、可 编程波形发生器，能产生正弦波、三角波、方波输出，可通过 3 线 spi 接口与微处理器进行数据通讯。图 4a 示出其工作原理。外部时钟每产生一个时钟信 号，相位累加器就将累加器已输出的累积相位与预置相位增量相加，再以相加的结果为地址，对正弦波形rom 表寻址，找出 rom 表中与该相位对应单元中 的量化幅度编码值，经 d/a 转换器转换为模拟量，再 经低通滤波器平滑即可得到符合要求的模拟信号。ad9833 的输出频率 fo=fc fm/228，改变 fc 值即可改 变合成频率值4，其

13、取值范围为 1fc228-1，fm 为有源48图 5频率搜索流程图鉴相器电路的设计频率跟踪电路工作原理为：当压电换能器工作 于谐振状态时，换能器两端电压与流过换能器的电 流相位基本相同。当换能器处于失谐状态时，其两端 电压与电流存在相位差。对电压和电流采样信号进 行滤波后再通过由高速运放构成的过零比较器 lm311 转换为方波，两路方波相通过 异 或 门 sn74ahc1g86 后，即可得占空比与相位差 成正比的脉冲信号，如图 6a 所示。图中 r2，r9 和 c1 组成无源相位校正电路，补偿电流信号传递过程中的延时。鉴相器输出信号如图 6b 所示。由单片机检测鉴5.2相器输出信号的脉宽即可获

14、得电压电流的相位差。再通过频率递增递减运算将此脉冲的（ 下转第 67 页）单相交流斩控补偿调压装置研究验样机，参数如下：输入滤波器 l=2 mh，c=20 f，输出滤波器 l=2 mh，c=40 f，斩波频率 fs=5 khz。死区 时间 td=5 s，补偿变压器变比 n=31，输入电压 us=230 v，rl=10 。实验波形如图 6 所示。流，电压调节过程在一个周期内完成，响应快速，补偿后负载电压，电流无畸变，补偿后电压准确。结论6采用交流斩控电路+补偿变压器设计一款交流补偿式调压器，换流控制策略上采用基于电压 4 步 换流算法，解决交流斩控电路换流开路过压问题，系统结构上采用 pic 单

15、片机+cpld 控制模型。实验结 果表明，此调压器能对系统电压实现无触点，无级电压自动补偿，动态响应快速安全可靠，具有良好的调 压稳压效果。参考文献陈 将.无触点大功率补偿式交流稳压电源的研究d.大连：大连理工大学，2005.江友华，顾胜坚，方 勇基于电力电子技术的新型有载 调压变压器电力电子技术，2007，41（7）：67-68.12张 杰，邹云屏，张允，等基于模块并联的新型交流斩3图 6 实验波形图 6a 中高电平关断，低电平开通，4 路控制信号 采用基于电压的 4 步换流策略，换流过程时序与图 3控制一致，控制信号准确，确保系统安全。图 6b 中，斩控电路输出电压 uo1 无开路过压现象

16、，电源电压本身 稍有畸变，滤波后的电压 uo1 基本跟实验室供电电压 波形一致。电压、电流基本接近正弦。由图 6c，d 可 见，不论正补偿还是负补偿过程，都无冲击电压、电控变换器研究j中国电机工程学报，2008，30（28）：1-4.sam ben-yaakov，yakir hadadl，noam dia-mantsteina fourquadrants hf ac chopper with no deadtime atwenty-first annual ieee apec06c.2006：1461-1465.jorge perez，victor cardenas，homero mirand

17、aoptimization of four step switching sequence used by a single-phase ac/ac converter to compensate voltage sags and swells aieee ciep04c.2004，（9）：212-217.45!（上接第 48 页）占空比消减到几乎为零，即可锁定换能器的谐振频率，从而实现高精度的频率跟踪控制。合，能使逆变器很好地跟踪负载谐振频率，使开关管工作于软开关状态，显著降低了开关损耗。超声电源 在功率因数接近 1 的状态下稳定运行，提高了超声 电源的工作效率。具有良好的工程应用前景。图

18、7 实验波形参考文献图 6 鉴相器电路图与输出波形实验结果及结论根据上述理论分析，试制了一台 1 kw 的超声屈百达，车保川.基于 pi-dpll 的超声波电源频率控制电路的研究j.电力电子技术，2008，42（7）：46-48.惠 晶，臧小惠，张峰久.基于 pi-dpll 复合控制的高频 逆变电源研究j.电力电子技术，2007，41（2）：32-34. 范玲莉，邓 焰，石健将.基于 lm25037 的车载逆变电源设计j.电力电子技术，2009，43（6）：61-33.黄 斌，洪嬴政，朱康生.基于 ad9833 的高精度可编程 波形发生器系统设计j.电子设计工程，2009，（5）：6-7. bal，gungor，erdal bekiroglu.a pwm technique for dspcont