CN107727931B - 基于组合控制器的超声电源相位差检测装置和方法 - Google Patents

基于组合控制器的超声电源相位差检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于组合控制器的超声电源相位差检测装置,电流传感器的输出端通过采样电阻R3接地，相位检测电路的第一输入端连接电流传感器的输出端，相位检测电路的第一输出端连接FPGA芯片的一个输入端；相位检测电路的第二输入端连接电压传感器电路的输出端，相位检测电路的第二输出端连接FPGA芯片的另一个输入端；电流传感器的输出端和电压传感器的输出端还连接DSP芯片的两个输入端，FPGA芯片和DSP芯片相互连接。本发明还公开了基于组合控制器的超声电源相位差检测方法。利用FPGA对电压相位反馈信号进行了滤波，避免了采用逻辑门提取相位差的电路发生错误，有效地测得了相位差信号，为补偿相位差提供了准确的依据。

Description

基于组合控制器的超声电源相位差检测装置和方法
技术领域
本发明属于功率超声换能器的电流和电压的相位差精确检测技术领域，具体涉及了一种基于DSP和FPGA的超声电源相位差检测装置和方法。
背景技术
超声电源在现代工业有着广泛的应用，主要包括清洗、喷雾、食品加工、焊接、机械加工等。超声电源向超声换能器提供超声频交流信号，换能器将电能转换成声能即机械振动，提高超声驱动的转换效率是超声驱动技术的核心问题，而准确采集换能器相位信号，是实现电源恒功率调节和频率自动跟踪的前提，也是保证超声波电源***稳定工作的关键，因此对换能器相位差信号的准确测量显得尤为重要。同时在超声电源工作过程中，需要通过相位检测控制频率来保持换能器的电压和电流相位相同。国内外目前对于高频超声电源的跟随技术主要有两种，一种是采用模拟控制，另一种是采用数字化控制。
利用模拟控制的高频超声电源来实现电路的相位差检测，需要设计大量复杂的控制电路，并且存在电路元件易老化、温漂严重、参数调整不方便，且在动态响应和控制精度等方面不够理想，存在功率损耗大、通用性差和控制不灵活等问题；而由于电压和电流相位检测电路的滞后不一致，导致了目前的数字式高频超声电源的频率跟随无法十分精准的检测出来。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供了基于组合控制器的超声电源相位差检测装置和方法，该方法能够有效地测量相位差。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
包括电流传感器电路和电压传感器电路，电流传感器电路包括电流传感器，电流传感器的输出端通过采样电阻R3接地，电压传感器电路包括电压传感器和差分放大电路；还包括相位检测电路，相位检测电路的第一输入端连接电流传感器的输出端，相位检测电路的第一输出端连接FPGA芯片的一个输入端；相位检测电路的第二输入端连接电压传感器电路的输出端，相位检测电路的第二输出端连接FPGA芯片的另一个输入端；电流传感器的输出端和电压传感器的输出端还连接DSP芯片的两个输入端，FPGA芯片和DSP芯片相互连接。
较佳地，电流传感器的输入端用于连接电流放大器，电压传感器的输入端用于连接受控电压源或信号发生器。
较佳地，相位检测电路包括在第一输入端和第一输出端之间顺次设置的第一阻抗隔离电路、第一偏置电路、第一电压比较器电路和第一电平转换电路；
较佳地，还包括在第二输入端和第二输出端之间顺次设置的第二阻抗隔离电路、第二偏置电路、第二电压比较器电路和第二电平转换电路。
本发明还提供一种基于组合控制器的超声电源相位差检测方法，包括：
步骤1，将电流传感器的输入端和电压传感器的输入端并联在受控电压源或信号发生器的输出端，使定幅值的扫频电压信号以及电流信号输入电流传感器和电压传感器，获取输入电压信号与输出电压信号的相频特性曲线，以及输入电压与相位检测电路输出电压相位信号的相位差
Figure BDA0001417401350000031
其中kU为频率与相位滞后关系的比例系数，bU为关系式中的常数项；以及输入电流信号与输出电流相位信号的相位差
Figure BDA0001417401350000032
其中kI为频率与相位滞后关系的比例系数，bI为关系式中的常数项。
步骤2，通过受控电压源以及电流源分别在电压相位检测电路分别输入不同幅值的定频正弦的电压信号以及电流信号，分别检测输入电压信号与输出电压相位信号的相位滞后，以及检测输入电流信号与输出电流相位信号的相位滞后；先通过信号发生器在电压传感器的输入端输入不同幅值的正弦电压信号，记录对应的电压幅值和电压相位滞得到第一组数据
Figure BDA0001417401350000033
通过电流放大器在电流传感器的输入端输入正弦电流信号，记录对应的电流幅值和电流相位滞后，得到第二组数据
Figure BDA0001417401350000041
其中U0至Um为输入电压信号的幅值，
Figure BDA0001417401350000042
至
Figure BDA0001417401350000043
为电压相位检测电流的滞后，I0至Im为输入电流信号的幅值,
Figure BDA0001417401350000044
至
Figure BDA0001417401350000045
为电流相位检测电路的滞后值，m为·第m次测量的到的数据；
对第一组数据和第二组数据进行描点，并拟合，分别得到电压相位反馈支路以及电流相位反馈支路的相位滞后与输入信号幅值的表达式如下：
Figure BDA0001417401350000046
Figure BDA0001417401350000047
其中U为电压信号的幅值，I为电流信号的幅值，n为任意的正整数，kUn为电压相位滞后表达式中对应n次项的系数，kIn为电流相位滞后表达式中对应n次项的系数，bUC，bIC分别为电压和电流相位滞后表达式的常数项，得到换能器工作中相位滞后误差的表达式
Figure BDA0001417401350000048
步骤3，DSP通过AD分别采样电压传感器以及电流传感器的输出端，得到电压U以及电流I的幅值，代入换能器工作中相位滞后误差
Figure BDA0001417401350000049
的表达式得到要补偿的相位差的值，检测实际相位差
Figure BDA00014174013500000410
则真实电压电流相位差
Figure BDA00014174013500000411
较佳地，还包括对检测结果进行补偿的步骤，具体包括：
判断步骤3所得结果真实电压电流相位差
Figure BDA00014174013500000412
是否等于0，若是，则保持PWM频率输出，若否，
则进一步判断真实电压电流相位差
Figure BDA0001417401350000051
是否超出相位差控制的有效范围，若是，则重新扫频锁定频率，若否，则进行PID运算精确调整PWM的输出频率。
本发明的有益效果在于：利用FPGA对电压相位反馈信号进行了滤波，避免了采用逻辑门提取相位差的电路发生错误，准确测得了电流和电压相位检测电路中存在的相位滞后不一致，并能够实时将相位差信号转换为数字量通过XINTF外部扩展总线发送给DSP，提高DSP处理相位差信号的速度，简化了控制器，有效地测得了相位差信号，为补偿相位差提供了准确的依据。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为高频超声电源控制的流程图；
图3为超声电源整体结构图。
图中：1-电流传感器，2-电压传感器，3-FPGA，4-DSP，5-第一阻抗隔离电路，6-第一偏置电路，7-第一电压比较器电路，8-第一电平转换电路，9-第二阻抗隔离电路，10-第二偏置电路，11-第二电压比较器电路，12-第二电平转换电路，13-换能器，14-匹配电感，15-自举驱动电路，16-全桥逆变电路，17-高频变压器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例一
如图1所示包括电流传感器1电路和电压传感器2电路，电流传感器1电路包括电流传感器1，电流传感器1的输出端通过采样电阻R3接地，电压传感器2电路包括电压传感器2和差分放大电路；还包括相位检测电路，相位检测电路的第一输入端连接电流传感器1的输出端，相位检测电路的第一输出端连接FPGA3芯片的一个输入端；相位检测电路的第二输入端连接电压传感器2电路的输出端，相位检测电路的第二输出端连接FPGA3芯片的另一个输入端；电流传感器1的输出端和电压传感器2的输出端还连接DSP4芯片的两个输入端，FPGA3芯片和DSP4芯片相互连接。
电流传感器1的输入端用于连接电流放大器，电压传感器2的输入端用于连接受控电压源或信号发生器。
相位检测电路包括在第一输入端和第一输出端之间顺次设置的第一阻抗隔离电路5、第一偏置电路6、第一电压比较器电路7和第一电平转换电路8；
还包括在第二输入端和第二输出端之间顺次设置的第二阻抗隔离电路9、第二偏置电路10、第二电压比较器电路11和第二电平转换电路12。
换能器13的输入电压信号则是通过线性光耦电压传感器2，之后同样经过阻第二抗隔离电路、第二偏置电路10、第二电压比较器、第二电平转换电路12后输出到FPGA3。最后FPGA3将相位差信号转换为数字量，通过总线发送到DSP4中。
其中，第一阻抗隔离电路5、第二阻抗隔离电路9、第一偏置电路6和第二偏置电路10均采用双端供电的运放芯片实现，本实施例中采用双端供电的运放芯片的型号为LM318；第一偏置电路6和第二偏置电路10中，以电流信号的偏置电路为例，通过调节电阻R1、R2或R4、R5的阻值，可以改变偏置电压，以及偏置比例。实际中，一般取R1＝R2，R4＝R5。第一电压比较电路和第二电压比较电路均使用电压比较器芯片实现，本实施例中电压比较器芯片采用型号为TLV3202；第一电平转换电路8和第二电平转换电路12使用三态门芯片实现，本实施例采用的型号为SN74LVC1G125。(实际芯片选型根据设计的工作频率选择相应的器件)。将通过交流电流源和电压源在电压传感器2和电流传感器1的输入端分别输入不同幅值的电流及电压信号，利用如实施例二所述具体步骤标定相位检测电路，得到检测回路幅值与相位滞后的函数关系式，进而得到相应的补偿函数关系式。利用DSP4中的AD转换模块对电压和电流的幅值进行检测，将幅值与相位滞后的补偿函数关系式进行具体的软件算法编程，通过电流和电压幅值分别算出流过相位检测电路时引起的电压信号和电流信号相位滞后，进而获得二者相位差，DSP4通过外部总线与FPGA3通信。
如图3所示，在超声电源的整个电路上电后，DSP4产生的PWM信号通过FPGA3移相，连接到自举驱动电路15，驱动全桥逆变电路16工作，将平滑的直流电逆变为高频交流方波电流；高频交流方波通过高频变压器17隔离，输出到图的中的Vin，通过匹配网络的谐振变换，输出高频正弦交流电流作用于换能器13，换能器13将电能转换为超声机械振动输出。同时，通过电压检测电路和电流检测电路分别采集换能器13的电压信号Vin和电流信号，以及DSP4通过检测电压以及电流信号的幅值，确定相位差补偿量，通过与FPGA3的通信，在FPGA3中检测量化并补偿两者相位差将数据发送到DSP4。
实施例二
一种基于组合控制器的超声电源相位差检测方法，包括：
步骤1，将电流传感器1的输入端和电压传感器2的输入端并联在受控电压源或信号发生器的输出端，使定幅值的扫频电压信号以及电流信号输入电流传感器1和电压传感器2，获取输入电压信号与输出电压信号的相频特性曲线，以及输入电压与相位检测电路输出电压相位信号的相位差
Figure BDA0001417401350000081
其中kU为频率与相位滞后关系的比例系数，bU为关系式中的常数项；以及输入电流信号与输出电流相位信号的相位差
Figure BDA0001417401350000082
其中kI为频率与相位滞后关系的比例系数，bI为关系式中的常数项。
步骤2，通过受控电压源以及电流源分别在电压相位检测电路分别输入不同幅值的定频正弦的电压信号以及电流信号，分别检测输入电压信号与输出电压相位信号的相位滞后，以及检测输入电流信号与输出电流相位信号的相位滞后；先通过信号发生器在电压传感器2的输入端输入不同幅值的正弦电压信号，记录对应的电压幅值和电压相位滞得到第一组数据
Figure BDA0001417401350000091
通过电流放大器在电流传感器1的输入端输入正弦电流信号，记录对应的电流幅值和电流相位滞后，得到第二组数据
Figure BDA0001417401350000092
其中U0至Um为输入电压信号的幅值，
Figure BDA0001417401350000093
至
Figure BDA0001417401350000094
为电压相位检测电流的滞后，I0至Im为输入电流信号的幅值,
Figure BDA0001417401350000095
至
Figure BDA0001417401350000096
为电流相位检测电路的滞后值，m为·第m次测量的到的数据；
对第一组数据和第二组数据进行描点，并拟合，分别得到电压相位反馈支路以及电流相位反馈支路的相位滞后与输入信号幅值的表达式如下：
Figure BDA0001417401350000097
Figure BDA0001417401350000098
其中U为电压信号的幅值，I为电流信号的幅值，n为任意的正整数，kUn为电压相位滞后表达式中对应n次项的系数，km为电流相位滞后表达式中对应n次项的系数，bUC，bIC分别为电压和电流相位滞后表达式的常数项，得到换能器13工作中相位滞后误差的表达式
Figure BDA0001417401350000099
步骤3，DSP4通过AD分别采样电压传感器2以及电流传感器1的输出端，得到电压U以及电流I的幅值，代入换能器13工作中相位滞后误差
Figure BDA0001417401350000101
的表达式得到要补偿的相位差的值，检测实际相位差
Figure BDA0001417401350000102
则真实电压电流相位差
Figure BDA0001417401350000103
将该补偿函数在DSP4控制器中编程，并控制FPGA3，可以实现相位差的精确测量，最终实现超声电源的精确控制。
本实施例还包括对检测结果进行补偿的步骤，具体包括：
判断步骤3所得结果真实电压电流相位差
Figure BDA0001417401350000104
是否等于0，若是，则保持PWM频率输出，若否，
则进一步判断真实电压电流相位差
Figure BDA0001417401350000105
是否超出相位差控制的有效范围，若是，则重新扫频锁定频率，若否，则进行PID运算精确调整PWM的输出频率。
如图2所示，本实施例的超声电源的整个控制过程在DSP4中实现，具体包括：首先DSP4通过输出扫频PWM信号，通过图3所示的硬件电路，驱动全桥逆变电路16，激发图3中的匹配电感14以及换能器13。同时，检测换能器13的电流值，确定电流最大值所在的频率点记作f max，并设定该频率点为工作频率。然后采集换能器13的输入电压与输出电流的相位差
Figure BDA0001417401350000106
并引入基于图1的检测电路的相位-电压电流幅值误差检测补偿函数通过DSP4进行AD检测，检测换能器13两端的电压幅值U，以及流经换能器13的电流幅值I，代入得到的补偿函数中，得到更准确的相位差
Figure BDA0001417401350000107
实现精确检测相位差。以相位差为输入，当相位差不等0时，若超出相位差控制的有效范围，则重新扫频锁定频率；若没有超出有效范围，则进行PID运算(比例-积分-微分运算)精确调整PWM的输出频率。当相位差为0时，保持PWM频率输出。实现换能器13谐振频率的精确控制。本实施例中的步骤1至步骤3即为得到图2中相位差与电压电流幅值的补偿函数关系式的具体方法。
本发明在整个超声波电源电路工作过程中，通过分压电路获取换能器13的电压信号，该电压信号经过线性光耦电压传感电路处理后，再分别依次经过阻抗隔离、偏置、过零比较、电平转换后输出到FPGA3；利用电流传感器1采集换能器13电流信号，并通过采样电阻将其转换为电压信号，之后同样经过阻抗隔离、偏置、过零比较、电平转换后输出到FPGA3。由于经过上述各个环节响应速度的不同，会导致电流和电压的相位滞后的不一致，通过标定检测回路特性，得到电流和电压的幅值与其相位滞后之间存在的线性关系，在DSP4和FPGA3中进行了有效的算法运算处理，通过DSP4的AD模块检测电压和电流的幅值大小即可获得其相位滞后量，在FPGA3中对滞后量进行补偿，准确有效的检测了电流和电压的相位差。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于组合控制器的超声电源相位差检测方法，其特征在于，包括：
步骤1，将电流传感器(1)的输入端和电压传感器(2)的输入端并联在受控电压源或信号发生器的输出端，使定幅值的扫频电压信号以及电流信号输入所述电流传感器(1)和所述电压传感器(2)，获取输入电压信号与输出电压信号的相频特性曲线，以及输入电压与相位检测电路输出电压相位信号的相位差
Figure FDA0002260922480000011
其中kU为频率与相位滞后关系的比例系数，bU为关系式中的常数项；以及输入电流信号与输出电流相位信号的相位差
Figure FDA0002260922480000012
其中kI为频率与相位滞后关系的比例系数，bI为关系式中的常数项；
步骤2，通过受控电压源以及电流源分别在电压相位检测电路分别输入不同幅值的定频正弦的电压信号以及电流信号，分别检测输入电压信号与输出电压相位信号的相位滞后，以及检测输入电流信号与输出电流相位信号的相位滞后；先通过信号发生器在电压传感器(2)的输入端输入不同幅值的正弦电压信号，记录对应的电压幅值和电压相位值得到第一组数据
Figure FDA0002260922480000013
通过电流放大器在电流传感器(1)的输入端输入正弦电流信号，记录对应的电流幅值和电流相位滞后，得到第二组数据
Figure FDA0002260922480000021
其中U0至Um为输入电压信号的幅值，
Figure FDA0002260922480000022
至
Figure FDA0002260922480000023
为电压相位检测电流的滞后，I0至Im为输入电流信号的幅值，
Figure FDA0002260922480000024
至
Figure FDA0002260922480000025
为电流相位检测电路的滞后值，m为·第m次测量的到的数据；
对第一组数据和第二组数据进行描点，并拟合，分别得到电压相位反馈支路以及电流相位反馈支路的相位滞后与输入信号幅值的表达式如下：
Figure FDA0002260922480000026
Figure FDA0002260922480000027
其中U为电压信号的幅值，I为电流信号的幅值，n为任意的正整数，kUn为电压相位滞后表达式中对应n次项的系数，kIn为电流相位滞后表达式中对应n次项的系数，bU0，bI0分别为电压和电流相位滞后表达式的常数项，得到换能器(13)工作中相位滞后误差的表达式
Figure FDA0002260922480000028
步骤3，DSP(4)分别采样电压传感器(2)以及电流传感器(1)的输出端，得到电压U以及电流I的幅值，代入换能器(13)工作中相位滞后误差
Figure FDA0002260922480000029
的表达式得到要补偿的相位差的值，检测实际相位差
Figure FDA00022609224800000210
则真实电压电流相位差
Figure FDA00022609224800000211
2.根据权利要求1所述的基于组合控制器的超声电源相位差检测方法，其特征在于，还包括对检测结果进行补偿的步骤，具体包括：
判断所述步骤3所得结果真实电压电流相位差
Figure FDA0002260922480000031
是否等于0，若是，则保持PWM频率输出，若否，
则进一步判断真实电压电流相位差
Figure FDA0002260922480000032
是否超出相位差控制的有效范围，若是，则重新扫频锁定频率，若否，则进行PID运算精确调整PWM的输出频率。
3.一种利用如权利要求1或2所述方法进行基于组合控制器的超声电源相位差检测的装置，其特征在于：包括电流传感器电路和电压传感器电路，电流传感器电路包括电流传感器(1)，所述电流传感器(1)的输出端通过采样电阻R3接地，电压传感器电路包括电压传感器(2)和差分放大电路；还包括相位检测电路，所述相位检测电路的第一输入端连接所述电流传感器(1)的输出端，所述相位检测电路的第一输出端连接FPGA(3)芯片的一个输入端；所述相位检测电路的第二输入端连接所述电压传感器电路的输出端，所述相位检测电路的第二输出端连接所述FPGA(3)芯片的另一个输入端；所述电流传感器(1)的输出端和所述电压传感器(2)的输出端还连接DSP(4)芯片的两个输入端，所述FPGA(3)芯片和所述DSP(4)芯片相互连接。
4.根据权利要求3所述的基于组合控制器的超声电源相位差检测装置，其特征在于：所述电流传感器(1)的输入端用于连接电流放大器，所述电压传感器(2)的输入端用于连接受控电压源或信号发生器。
5.根据权利要求3所述的基于组合控制器的超声电源相位差检测装置，其特征在于：
所述相位检测电路包括在所述第一输入端和所述第一输出端之间顺次设置的第一阻抗隔离电路(5)、第一偏置电路(6)、第一电压比较器电路(7)和第一电平转换电路(8)；
还包括在所述第二输入端和所述第二输出端之间顺次设置的第二阻抗隔离电路(9)、第二偏置电路(10)、第二电压比较器电路(11)和第二电平转换电路(12)。
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