[發明專利]基于組合控制器的超聲電源相位差檢測裝置和方法

有效

• 申請號: 201710872505.0
• 申請日: 2017-09-25
• 公開（公告）號: CN107727931B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 程鑫;陳強;胡業發;吳華春;王曉光;張林;王博
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01R25/00
• 分類號: G01R25/00
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 潘杰;胡藝

本發明公開了一種基于組合控制器的超聲電源相位差檢測裝置,電流傳感器的輸出端通過采樣電阻R3接地，相位檢測電路的第一輸入端連接電流傳感器的輸出端，相位檢測電路的第一輸出端連接FPGA芯片的一個輸入端；相位檢測電路的第二輸入端連接電壓傳感器電路的輸出端，相位檢測電路的第二輸出端連接FPGA芯片的另一個輸入端；電流傳感器的輸出端和電壓傳感器的輸出端還連接DSP芯片的兩個輸入端，FPGA芯片和DSP芯片相互連接。本發明還公開了基于組合控制器的超聲電源相位差檢測方法。利用FPGA對電壓相位反饋信號進行了濾波，避免了采用邏輯門提取相位差的電路發生錯誤，有效地測得了相位差信號，為補償相位差提供了準確的依據。

技術領域

本發明屬于功率超聲換能器的電流和電壓的相位差精確檢測技術領域，具體涉及了一種基于DSP和FPGA的超聲電源相位差檢測裝置和方法。

背景技術

超聲電源在現代工業有著廣泛的應用，主要包括清洗、噴霧、食品加工、焊接、機械加工等。超聲電源向超聲換能器提供超聲頻交流信號，換能器將電能轉換成聲能即機械振動，提高超聲驅動的轉換效率是超聲驅動技術的核心問題，而準確采集換能器相位信號，是實現電源恒功率調節和頻率自動跟蹤的前提，也是保證超聲波電源系統穩定工作的關鍵，因此對換能器相位差信號的準確測量顯得尤為重要。同時在超聲電源工作過程中，需要通過相位檢測控制頻率來保持換能器的電壓和電流相位相同。國內外目前對于高頻超聲電源的跟隨技術主要有兩種，一種是采用模擬控制，另一種是采用數字化控制。

利用模擬控制的高頻超聲電源來實現電路的相位差檢測，需要設計大量復雜的控制電路，并且存在電路元件易老化、溫漂嚴重、參數調整不方便，且在動態響應和控制精度等方面不夠理想，存在功率損耗大、通用性差和控制不靈活等問題；而由于電壓和電流相位檢測電路的滯后不一致，導致了目前的數字式高頻超聲電源的頻率跟隨無法十分精準的檢測出來。

發明內容：

為了克服上述背景技術的缺陷，本發明提供了基于組合控制器的超聲電源相位差檢測裝置和方法，該方法能夠有效地測量相位差。

為了解決上述技術問題本發明的所采用的技術方案為：

包括電流傳感器電路和電壓傳感器電路，電流傳感器電路包括電流傳感器，電流傳感器的輸出端通過采樣電阻R3接地，電壓傳感器電路包括電壓傳感器和差分放大電路；還包括相位檢測電路，相位檢測電路的第一輸入端連接電流傳感器的輸出端，相位檢測電路的第一輸出端連接FPGA芯片的一個輸入端；相位檢測電路的第二輸入端連接電壓傳感器電路的輸出端，相位檢測電路的第二輸出端連接FPGA芯片的另一個輸入端；電流傳感器的輸出端和電壓傳感器的輸出端還連接DSP芯片的兩個輸入端，FPGA芯片和DSP芯片相互連接。

較佳地，電流傳感器的輸入端用于連接電流放大器，電壓傳感器的輸入端用于連接受控電壓源或信號發生器。

較佳地，相位檢測電路包括在第一輸入端和第一輸出端之間順次設置的第一阻抗隔離電路、第一偏置電路、第一電壓比較器電路和第一電平轉換電路；

較佳地，還包括在第二輸入端和第二輸出端之間順次設置的第二阻抗隔離電路、第二偏置電路、第二電壓比較器電路和第二電平轉換電路。

本發明還提供一種基于組合控制器的超聲電源相位差檢測方法，包括：

步驟1，將電流傳感器的輸入端和電壓傳感器的輸入端并聯在受控電壓源或信號發生器的輸出端，使定幅值的掃頻電壓信號以及電流信號輸入電流傳感器和電壓傳感器，獲取輸入電壓信號與輸出電壓信號的相頻特性曲線，以及輸入電壓與相位檢測電路輸出電壓相位信號的相位差其中k_U為頻率與相位滯后關系的比例系數，b_U為關系式中的常數項；以及輸入電流信號與輸出電流相位信號的相位差其中k_I為頻率與相位滯后關系的比例系數，b_I為關系式中的常數項。