单电源驱动双超声压缩振子的系统研制

莫远东，温凯林，胡红斐，唐勇军,2，于兆勤

（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006；

2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

单电源驱动双超声压缩振子的系统研制

莫远东1，温凯林1，胡红斐1，唐勇军1,2，于兆勤1

（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006；

2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

传统的单超声电源一般只能驱动单个超声振子，根据实际情况需要，提出了采用单个超声电源同时驱动两个超声振子的新方法。在测试和比较单个超声换能器和双超声换能器的阻抗特性的基础上，进行了基于FPGA的双超声压缩系统的电源设计，设计了电源的硬件电路及以FPGA为核心的控制系统。该控制系统采用最大电流法和相位差法相结合的方法实现频率自动跟踪功能。通过双超声、单超声和无超声压缩生物质的对比实验，验证了该电源能很好地驱动双超声振子有效、稳定地工作，双超声压缩效果优于单超声和无超声压缩。

超声电源；超声压缩生物质；双振子；FPGA

传统的生物质压缩技术主要有螺杆挤压成形、活塞冲压成形和压辊式成形等，但传统的压缩方法一般都需高温蒸汽、高压力和粘接剂，导致其收集、处理、运输与储存成本占纤维素原料总成本的80%以上，很难实现低成本制造。研究表明：超声压缩生物质技术能大幅提高生物质压块的密度、强度、抗冲击性和预处理效率。针对传统的单超声及无超声生物质压缩技术的不足，本文采用双超声压缩生物质技术，并设计了基于FPGA的新型数字式双超声压缩驱动电源。在整个超声压缩纤维素生物质的过程中，超声压缩驱动电源是影响生物质压缩效果的重要因素之一，所以提供一台稳定、可靠、高效、经济的智能化超声电源是极有意义的。由于传统的超声波电源只能驱动一个振子[1]，不能满足对纤维生物质压缩的应用要求。因为双超声振子如果采用两个超声电源进行驱动，首先会大幅提高硬件成本，其次，两台电源分别驱动的两个超声工具头的压缩特性可能会有较大差别，这不利于后续的双超声特性的研究。因此，本文率先提出一台电源同时驱动两个超声压缩振子的系统。该电源能同时驱动两个甚至多个超声振子，这项新技术的成功研发，将对功率超声加工、超声驱动电源技术的提高产生重要影响。

1 双超声压缩驱动电源硬件电路的设计

双超声压缩驱动电源硬件电路主要包括半桥逆变主电路、驱动电路和反馈电路等。双超声压缩系统驱动电源总体结构框图见图1。

图1 双超声压缩驱动电源总体结构框图

1.1 高频逆变主电路设计

逆变电路（DC/AC变换电路）是超声驱动电源硬件设计的关键部分，主要涉及开关频率、输出变压器、阻抗匹配器、换能器之间的参数匹配。如图2所示，Q1、Q2为功率开关管，与电容C1、C4构成半桥逆变电路，R1、R7作为C1、C4的分压电阻，且R1=R7，使C1、C2的分压一样，延长C1、C7的使用寿命，R2、D1、C2和R8、D2、C5构成RCD吸收电路，T1为高频变压器，L1为匹配电感。为防止发生直通故障，导致电流过大而损坏器件，上下桥臂的开通必须存在一定的死区时间[2]。

图2 半桥逆变主电路图

1.2 驱动电路设计

半桥逆变器的驱动模块采用KD301L模块（图3）。PWM信号由FPGA发出，经光耦隔芯片4504，主要是数字地和模拟地隔离，并将信号放大，再经Q1、Q3构成的推挽电路，最后输出给KD301L。三极管Q1、Q3构成互补的射级输出端，其优点是减轻PWM控制IC的负担，特别适合应用在频率较高、被驱动的功率管较大的场合，可满足驱动半桥逆变主电路的要求。

图3 KD301L驱动电路

1.3 反馈电路设计

在超声波驱动电源中，反馈电路是保证电源有效、稳定工作的前提，因此需根据反馈电路提供的真实信号进行自动控制和跟踪，即超声电源应具备频率自动跟踪能力[3]。本电源采用最大电流法和相位差法相结合的反馈思路[4-5]，反馈电路主要包括电流和电压相位采样电路及电流大小采样电路。反馈电路见图4。

图4 反馈电路

2 驱动电源FPGA控制系统的设计

本控制系统的核心器件为FPGA，控制系统见图5，其内部设计包括：FPGA硬件逻辑部分、Nios II软核部分、Analon总线部分及RS232通信部分等。

图5 FPGA控制系统框图

双超声压缩驱动电源的FPGA硬件逻辑设计主要包括：AD采样模块、过流检测模块、鉴相位模块、频率自动跟踪模块及电流扫频模块。

（1）在A/D采样模块中，用FPGA设计逻辑代码，按其时序要求完成对A/D转换的控制，包括提供给TLV1572的串行时钟信号SCLK、CS片选信号及从TLV1572中读取转换完成的串行数据DO。

（2）鉴相器模块是控制系统中非常重要的一部分，它将传输过来的电流电压方波信号变成相位差信号。鉴相器由上升沿检测模块、相位比较输出模块两部分组成。

（3）频率自动跟踪是超声压缩驱动电源中至关重要的一部分，关乎整个压缩驱动电源系统能否稳定有效地工作。换能器在工作时，温度会产生很大的变化，且会导致换能器的固有谐振频率发生变化；当换能器固有谐振频率的变化在几十赫兹以上时，超声振动系统有可能会停止振动。因此，超声波驱动电源能否及时跟踪换能器的谐振频率是非常重要的，即超声波驱动电源要有频率的自适应性。本文主要利用DDS[6]，根据锁相式频率跟踪原理，实现频率自动跟踪。频率自动跟踪模块首先是根据鉴相器的相位差信号输出频率控制数，然后根据频率控制数合成相应的频率脉冲输出给驱动电路。

（4）电流扫频模块在振子开始加工前对振子进行扫频，根据电流最大法找到换能器工作的最佳频率。当电流为最大值时，再进行相位跟踪，可大大减少跟踪时间，且减少电源的工作响应时间，增加整个系统的稳定性[7]。

3 驱动电源人机界面系统的设计

基于触摸屏的人机交互系统设计，在电源操作中可用软件虚拟按钮来替代传统的物理按钮，不仅能节省空间，而且界面更直观友好，操作更方便。此外，采用触摸屏设计更能实现超声波驱动电源的数字化与集成化的设计。本文的人机交互系统设计主要包括：人机界面的设计和通信协议编写。人机界面见图6。

图6 人机界面

4 超声振动的负载特性及匹配设计

两个性能参数相同或相似的振子是本实验成功实现的前提。本实验用到的两个振子分别编号为1和2，用阻抗分析器（WKE6500B）测量两个振子的参数。1号振子为：Fs=28.710 kHz，R1=21.615 Ω，Fp= 29.908，C1=0.429 nf，L1=71.434 mh，C0=4.438 nf；2号振子为：Fs=28.670 kHz，R1=41.172 Ω，Fp=29.917，C1=0.817 nf，L1=162.410 mh，C0=4.843 nf。两个振子的性能参数较一致，符合实验要求。

借助单个振子频率跟踪系统的原则和匹配方式，并对其延伸应用于两个振子并联实现频率跟踪和匹配。在分析双超声振子并联的阻抗特性时，通常关注的参数主要有等效电路的阻抗或导纳特性。压电陶瓷换能器的等效电路有各种各样的形式，但通常可把压电换能器看成一种阻抗系统，其中最简单的是单一模式谐振频率附近的等效形式（图7），从中可得到总阻抗Z=R+jX（R为等效电阻，X为等效电抗）。通过计算可得到阻抗的具体表达式：

式中：θz为阻抗角；ω＝2πf为激励信号的圆频率。

图7 换能器的阻抗变换

实验中，需用到多个振子的并联工作，因此，对两个并联的超声振子在谐振频率附近进行了实际测试，用阻抗分析仪分别对两个压电换能器在并联前后进行了测量，测试参数见表1。通过比较单振子和双振子的串联谐振频率Fs、并联谐振频率Fp和等效电阻值R，通常在换能器前端串联一个电感，不仅可改善负载阻抗特性、提高电源功率因数，也可使超声电源负载成纯阻性。因此，两个超声振子的匹配电感的计算公式也是一样的。

表1 超声振子换能器参数

将本实验用的两个振子并联，经WKE6500B阻抗分析器测量可得：Fs=28.698 kHz，R1=22.053 Ω，C1=1.3281 nf，L1=23.174 mh，C0=15.341 nf。因此，可计算匹配电感值：

但在实际加工中，由于电流的波形含有许多高次谐波，会造成整个超声电源跟踪不稳定，故电感太小，需根据实际波形进行实际调节决定。

5 双超声电源跟踪及压缩密度实验结果

利用超声压缩驱动电源对纤维素燃料（木屑）进行压缩，验证驱动电源在压缩过程中的性能和电源频率跟踪效果。逆变主电路电压为50 V，预压力为0.275 MPa。加工过程中，1号振子单独接超声电源时，驱动电源高频变压器两端输出的电压电流波形见图8a；2号振子单独接驱动电源时，驱动电源高频变压器两端输出的电压电流波形见图8b；1、2号振子并联接驱动电源时，驱动电源高频变压器两端输出的电压电流波形见图8c。可看出，电源输出的电压电流接近同相位，跟踪效果良好。通过以上实验可知，双超声压缩系统的驱动电源具有可行性，无论是单振子接驱动电源还是双振子并联接驱动电源，跟踪效果都很好，且每个振子工作都较稳定。

图8 振子电压电流跟踪波形图

取每个样本的压块质量m为1.5 g、压缩模具的直径d为19 mm，使用千分尺测量每个压块的厚度并求得体积，进而求出每个压块的密度。在与上述条件相同的情况下进行实验，每组实验取3个样本，然后求平均拟合值。通过比较判断双超声、单超声及无超声的压缩效果。图9是压缩密度与压缩时间的关系曲线。可看出，随着压缩时间的增加，每个压块的密度都增大。分析图9d可知，超声对生物质压块的密度影响很大，单超声相对于无超声的压缩密度提高约41%，双超声相对于无超声的压缩密度提高约65%。可见，双超声压缩极有利于获得高密度的生物质压块，可提高压缩效率。

图9 双超声与单超声及无超声压缩密度比较

图10是不同超声加载情况下的生物质压块。从图10a可看出，压块表面较松散，致密性很低，且随着压缩时间的增加，压块厚度变小，但致密性不是很好。从图10b可看出，生物质压块的致密性明显比无超声压缩的效果好，且随着压缩时间的增加，压块厚度明显变小，但其表面有点“变黑”的现象。从图10c可看出，每个压块的致密度都很好，且随着时间的增加，每个压块表面明显都有“变黑”的现象。从图10d可看出，在相同时间内，双超声压缩的生物质压块厚度明显降低，其致密性也很好。

6 结论

通过实验可看出，与单个超声电源驱动特性接近的双超声振子是可行的，电压和电流跟踪波形良好。并研究了有无超声、单超声和双超声对生物质压块密度的影响，从实验结果来看，双超声对压块的压缩密度影响最大，基本达到了设计要求，这说明双超声应用于生物质等纤维素压缩中，其性能明显优于单超声及无超声压缩方式。

图10 不同超声加载情况下的生物质压块对比图

[1]王应彪，刘传绍，赵波．功率超声技术的研究现状及其应用进展[J]．声学技术，2006，19（4）：41-43.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]陈家才.超声水处理功率放大技术研究[D].南京：河海大学，2007.

[4]张其馨，吴建强，冯友彬，等.电流反馈式超声发生器的频率跟踪研究[J].应用声学，1995（5）：56-61.

[5]范世忠，张福成，丁大成.锁相式超声振动系统频率跟踪的初步研究[J].应用声学，1992（1）：28-33.

[6]陈风波，冒燕，李海鸿.基于FPGA的直接数字频率合成器的设计[J].微计算机信息，2006（02Z）：189-190.

[7]姚剑清.锁相环技术[M].3版.北京：人民邮电出版社，2007.

Development on System of Dual-ultrasonic Pelleting Vibrators Driven by One Power Supply

Mo Yuandong1，Wen Kailin1，Hu Hongfei1，Tang Yongjun1,2，Yu Zhaoqin1
（1.Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；
2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The traditional single ultrasonic power supply can only drive a single ultrasonic vibrator. A new idea of using a single ultrasonic power supply to drive two ultrasonic vibrators has been put forward.On the basis of testing and comparing the impedance characteristic between a single ultrasonic transducer and dual-ultrasonic transducers，the design of power supply applying for dual-ultrasonic pelleting system has been carried out based on FPGA.The circuit of the power supply has been designed with FPGA as the controller.The power supply has realized the function of automatic frequency tracking with the method of maximum current and phase difference method.The comparing experiments among the single，dual ultrasonic and no ultrasonic pelleting of biomass proved that the power supply can efficiently and stably drive two ultrasonic vibrators with better pelleting efficiency than single ultrasonic pelleting.

ultrasonic power supply；ultrasonic pelleting biomass；dual vibrators；FPGA

TG663

A

1009－279X（2014）06－0040-05

2014-06-25

国家自然科学基金资助项目（500120068）；国家重点实验室开放基金资助项目（500130026）

莫远东，男，1988年生，硕士研究生。