基于DSP的超声波转换能器跟踪系统研究

• 作 者: 薛小龙
• 机 构: 江苏大学
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 超声波换能器 匹配分析 频率跟踪 运行机制

随着超声波换能器在各行各业的应用越来越广泛，目前超声波换能器谐振频率和输出功率的自动跟踪是超声波换能器需要解决的两个问题。由于超声波换能器工作时有一个固定的工作频率，只有在这个固定频率下工作效率才会最高。然而在实际应用操作过程中，随着周围温度湿度的变化以及自身的老化等因素使得超声换能器的工作频率可能会发生显著变化，从而引起自发热和输入功率的变化，导致系统运行不稳定以及效率降低。同时超声波换能器随着负载的变化，输出功率也随着不断变化，超声波换能器能够高效的完成任务，就需要输出功率跟给定的功率始终保持一致。因此，开发一种能够自动跟踪谐振频率和输出功率的跟踪系统，对换能器高效稳定运行具有深远的意义。　　本文首先分析了超声波换能器工作在谐振频率附近的等效电学电路，并且进行阻抗特性和电气匹配分析，通过理论推导得到超声波换能器是否需要电气匹配的判断依据。然后基于全桥逆变电路，通过该变PWM驱动信号的频率和移相角来实现频率和功率调整。　　将PI控制算法运用到超声波换能器跟踪系统中，目前频率的跟踪控制基本上都是通过锁相环等纯硬件电路来实现的。相对于硬件跟踪灵活度不够，软件就体现出了优势。对于频率跟踪控制，将电压与电流的相位差作为PI反馈控制量来实现跟踪;对于功率跟踪控制，传统的方法将输出功率作为反馈量进行跟踪控制，本文将输出电流作为模糊PI反馈控制量来实现功率跟踪，省去了计算功率的环节，提高了闭环控制的快速性和稳定性。　　然后在LabVIEW仿真环境下搭建仿真模型验证了超声波换能器频率和功率控制策略的可行性，接着对整个跟踪系统主电路进行硬件设计计算。最后基于TMS320F28335核心控制器和硬件电路平台，对前面的理论分析进行实验验证。实验结果表明，本文提出的超声波换能器跟踪系统能够很好的实现频率和功率自动跟踪功能。　　本文对超声波换能器频率和功率的跟踪研究工作，为以后的研究提供了参考。