CN105499109B - 超声阻垢除垢控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种超声阻垢除垢控制系统，包括依次连接的控制器，功率放大电路和匹配电路，还包括电流电压反馈电路，包括：采样模块，相位差提取模块，根据接收的采样模块输出端输出的电压信号和电流信号而输出相位差信号；阻抗特性判断模块，判断匹配电路输出信号的阻抗特性，并输出阻抗特性判断信号；以及信号处理模块，接收电流信号、相位差信号及阻抗特性判断信号，根据所述相位差信号和阻抗特性判断信号进行频率追踪以获得多个初定谐振点，根据所述电流信号确定所需谐振点，输出所述所需谐振点的谐振信号，并将所述谐振信号反馈给所述控制器。本发明能够解决传统技术中超声除垢阻垢装置负载变化时不能实时工作在谐振频率上的问题。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理领域，特别涉及的是超声波阻垢除垢的信号控制技术。
背景技术
现有的超声除垢阻垢系统包括控制器，驱动电路，功放电路，匹配电路和超声除垢阻垢装置。控制器用于产生控制信号以及处理电路的报警信号，驱动电路将会根据控制器所给出的控制信号驱动功率放大电路，而匹配电路则负责匹配功率和系统阻抗，使得超声除垢阻垢装置能够谐振并工作。
超声换能器是超声除垢阻垢装置的一种，它是一种有别于电机、电炉等负载的非线性谐振负载，它的谐振点会随着施加在超声换能器上的负载的变化而变化。
而在传统方案中超声换能器大多采用固定频率或来回扫动频率的方式工作(我们分别称这两种工作方式为定频工作和扫频工作)。无论定频工作还是扫频工作换能器都不能够始终工作在谐振点上，所以传统工作方式中超声换能器的电声效率并不高，甚至在负载变化幅度较大的时候会出现几乎没有超声输出的情况。
此外，传统方案中系统的匹配电路较为复杂，在大功率驱动的时候，匹配电路的体积会比较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超声阻垢除垢控制系统，解决传统技术中超声除垢阻垢装置负载变化时不能实时工作在谐振频率上的问题，实现控制系统对负载变化的自适应频率调整。
为解决上述问题，本发明提出一种超声阻垢除垢控制系统，包括依次连接的控制器，功率放大电路和匹配电路，还包括电流电压反馈电路，所述电流电压反馈电路包括：
采样模块，采样并输出所述匹配电路输出端的电压信号和电流信号；
相位差提取模块，根据接收的采样模块输出端输出的电压信号和电流信号而提取出所述电压信号和电流信号的相位差，并输出相位差信号；
阻抗特性判断模块，根据接收的采样模块输出端输出的电压信号和电流信号判断所述匹配电路输出端的输出信号的阻抗特性，并输出阻抗特性判断信号；以及
信号处理模块，接收所述采样模块输出的电流信号、所述相位差提取模块输出的相位差信号及所述阻抗特性判断模块输出的阻抗特性判断信号，根据所述相位差信号和阻抗特性判断信号进行频率追踪以获得多个初定谐振点，根据所述电流信号确定所需谐振点，输出所述所需谐振点的谐振信号，并将所述谐振信号反馈给所述控制器。
根据本发明的一个实施例，所述信号处理模块根据所述相位差信号选择相位差大体最小的位置作为可能谐振点，并根据所述阻抗特性判断信号在所述可能谐振点中选择阻抗特性为感性的作为所述多个初定谐振点，从而根据所述电流信号选择所述初定谐振点中电流最大的作为所述所需谐振点。
根据本发明的一个实施例，所述信号处理模块为模糊PID控制器。
根据本发明的一个实施例，所述相位差提取模块包括：
第一信号整形电路，接收所述采样模块输出的电流信号并将其整形为第一方波信号输出；
第二信号整形电路，接收所述采样模块输出的电压信号并将其整形为第二方波信号输出；
时差获取电路，接收并确定所述第一方波信号和第二方波信号的时差；
脉宽获取电路，接收所述第二方波信号，并获取所述第二方波信号的脉宽时长；
除法器，接收所述时差获取电路的时差及所述脉宽获取电路的脉宽时长，将所述时差除以所述脉宽时长以获得所述相位差。
根据本发明的一个实施例，所述时差获取电流根据所述第一方波信号上升沿和第二方波信号上升沿的时差、或所述第一方波信号下降沿和第二方波信号下降沿的时差来确定所述第一方波信号和第二方波信号的时差。
根据本发明的一个实施例，所述阻抗特性判断模块根据电压信号和电流信号判断电流超前或电压超前以确定阻抗特性为容性或感性。
根据本发明的一个实施例，所述匹配电路输出端连接超声换能器，所述控制器根据信号处理模块反馈的谐振信号控制超声换能器在所需谐振点上工作。
根据本发明的一个实施例，所述匹配电路为功率匹配电路。
根据本发明的一个实施例，所述匹配电路包括一变压器，用以将输入信号变压输出。
根据本发明的一个实施例，所述匹配电路还包括用于保护所述变压器的保护电路。
采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：本发明增加电流电压反馈电路部分，用于超声换能器谐振状况的反馈并实时调整谐振频率。传统系统中也可能会有电压和电流的反馈，但是传统方案中的电流电压反馈主要用于对电压电流的监测或者是对功率的调节反馈。本发明通过采样模块对匹配电路输出信号的电压和电流，相位差提取模块提取出采样的电压信号和电流信号的相位差，阻抗特性判断模块判断该输出端输出信号的阻抗特性，从而信号处理模块根据电流信号、相位差信号和阻抗特性判断信号确定所需谐振点。由于本发明能够使超声除垢阻垢装置的负载变化时始终工作在谐振点上，所以功率因数较高，即有功部分比重较大，能够极大程度上提升电声转化效率；本发明能够跟踪甚至预判超声除垢阻垢装置负载的变化，从而调整超声除垢阻垢装置的工作状态，所以在负载变化较为剧烈的时候，依然能够使超超声除垢阻垢装置始终工作在较良好的情况。
此外，本发明采用变压器作为匹配电路，能够使得系统始终在接近纯电阻性状态下工作，所以不需要进行系统阻抗匹配。
附图说明
图1为本发明一实施例的超声阻垢除垢控制系统的结构框图；
图2为本发明一实施例的电流电压反馈电路的结构框图；
图3为本发明一实施例的相位差提取模块的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
图1示出本发明的一种超声阻垢除垢控制系统，包括依次连接的控制器1，功率放大电路3、匹配电路4和电流电压反馈电路6，控制器1输出控制信号，功率放大电路3对控制信号进行功率放大，功率放大电路3可以由驱动电路2驱动，驱动电路2接收并根据控制信号驱动功率放大电路3导通关断工作，匹配电路4接收功率放大电路3并实现与超声除垢阻垢装置的匹配，匹配电路4输出信号输出给超声除垢阻垢装置，使得超声除垢阻垢装置能够谐振工作。
在一个实施例中，超声除垢阻垢装置为超声换能器5，超声换能器5工作时，谐振点会随施加在其上的负载变化而自适应变化，从而改善传统定频工作或扫频工作中超声换能器5电声效率不高的问题。匹配电路4输出端连接超声换能器5，控制器1根据信号处理模块(电流电压反馈电路6)反馈的谐振信号输出响应控制信号，控制信号经过功率放大及功率匹配，从而控制超声换能器5在所需谐振点上工作，电流电压反馈电路6在超声换能器5工作过程中实时反馈匹配电路4输出的信号，因而可以在超声换能器5负载变化时捕获到变化情况并根据该变化情况确定所需谐振点，以自适应调整超声换能器5谐振频率。
参看图2，电流电压反馈电路6连接在匹配电路4和控制器1之间，包括：采样模块61，相位差提取模块62，阻抗特性判断模块63和信号处理模块64。
其中，采样模块61采样匹配电路4输出端的输出信号，并输出采样形成的电压信号Sv和电流信号Si。采样电路61可以采用现有的任意电压电流采样电路，可以是采样保持电路，采样保持电路获得的采样信号通常来说是离散的，也可以仅通过串联或并联在匹配电路4输出端而获得模拟采样信号，本发明优选的是采用串联并联的方式，串联在匹配电路4输出端获得模拟的电流信号Si，并联在匹配电路4的输出端获得模拟的电压信号Sv。
相位差提取模块62接收采样模块61输出端输出的电压信号Sv和电流信号Si，提取出电压信号Sv和电流信号Si的相位差，并输出相位差信号Ph。电压信号Sv和电流信号Si在不同时间点的相位差不同，且具有最大值和最小值，理论最大值为90度，理论最小值为0度，当相位差为0度时，匹配电路4输出信号处于理想谐振点，实际信号可能有不稳定因素，相位差最小值有可能达不到0度。
在一个优选的实施例中，参看图3，相位差提取模块62包括：第一信号整形电621，第二信号整形电路622，时差获取电路623，脉宽获取电路624和除法器625。其中，第一信号整形电路621接收采样模块61输出的电流信号，并将其整形为第一方波信号输出；第二信号整形电路622接收采样模块61输出的电压信号，并将其整形为第二方波信号输出。两个整形电路例如可以通过比较电路实现，通过比较器的一端输入电流信号或电压信号、而另一端输入预设比较值，从而输出高低电平的方波信号。时差获取电路623接收第一方波信号和第二方波信号，由于为方波信号，因而容易确定第一方波信号和第二方波信号的时差。脉宽获取电路624接收第二方波信号，并获取第二方波信号的脉宽时长，脉宽时长提供时差的参照单位。除法器625接收时差获取电路623的时差及脉宽获取电路624的脉宽时长，将时差除以脉宽时长以获得相位差信号Ph，该相位差信号Ph作为相位差提取模块的输出信号，相位差信号Ph传输到信号处理模块64中。
可选的，时差获取电流623根据第一方波信号上升沿和第二方波信号上升沿的时差、或根据第一方波信号下降沿和第二方波信号下降沿的时差来确定第一方波信号和第二方波信号的时差，时差例如可以通过计时器来获取。
阻抗特性判断模块63接收采样模块61输出端输出的电压信号Sv和电流信号Si，并根据电压信号Sv和电流信号Si判断匹配电路4输出端的输出信号的阻抗特性，并输出阻抗特性判断信号Im。
阻抗特性判断模块63根据电压信号Sv和电流信号Si，判断电流超前还是电压超前，从而确定阻抗特性为容性或感性。
信号处理模块64接收采样模块61输出的电流信号Si、相位差提取模块62输出的相位差信号Ph及阻抗特性判断模块63输出的阻抗特性判断信号Im，根据相位差信号Ph和阻抗特性判断信号Im进行频率追踪以获得多个初定谐振点，根据电流信号Si确定所需谐振点，信号处理模块64确定所需谐振点后，输出所需谐振点的谐振信号，将谐振信号反馈给控制器1，控制器1根据接收的谐振信号实时调整输出的控制信号，以使超声换能器5工作在所需谐振频率上。
信号处理模块64根据相位差信号选择相位差大体最小的位置(当然理想情况下是0度)作为可能谐振点，一连续信号中可能具有多个谐振点，但是这些可能谐振点并非都适合超声换能器5的工作，因而，在选定可能谐振点的基础上，信号处理模块64根据阻抗特性判断信号在可能谐振点中选择阻抗特性为感性的作为多个初定谐振点，较佳的，选择阻抗特性为弱感性的点，可能谐振点中包括感性和容性，因而选定感性的谐振点，仍旧有多个，这些初定谐振点依然不是都适合超声换能器5的工作，因而在选定初定谐振点后，信号处理模块64根据电流信号选择初定谐振点中电流最大的作为所需谐振点，电流最大点为最佳工作谐振点。信号处理模块64将所需谐振点反馈回控制器后，便可控制超声换能器5进入最佳工作谐振点进行谐振工作。
较佳的，信号处理模块64为模糊PID控制器，模糊PID控制器为现有较为成熟的技术，可以通过输入参数的调整，根据输入的相位差信号和信号的阻抗特性进行频率调整，实现频率追踪，而使得超声换能器5能够快速的达到所需谐振点，电路信号用来进一步判断超声换能器5的谐振点是否是所需的谐振点。
超声换能器5在本发明控制系统的控制下，可以始终工作在谐振点上，因而功率因数较高，能够在超声换能器5负载变化很大的情况下良好工作，并较好地输出超声。
进一步的，匹配电路4可以为功率匹配电路，而不需要阻抗匹配，本发明的控制系统始终在接近纯电阻性状态下工作，所以不需要进行系统阻抗匹配。具体的，匹配电路包括一变压器，用以将输入信号变压输出。较佳的，匹配电路还包括用于保护变压器的保护电路。
一般而言，传统的匹配电路需要实现功率匹配和阻抗匹配，而由于本发明的超声除垢阻垢控制系统接收电压电路反馈电路的反馈信号，从而超声除垢阻垢装置，因而在超声除垢阻垢装置负载变化时能够自适应调整谐振频率，在此基础上，系统始终在接近纯电阻性状态下工作，可以省去阻抗匹配部分，也就是匹配电路可以省去很多电路部件，从而做到体积较小，电路结构较为简单。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种超声阻垢除垢控制系统，包括依次连接的控制器，功率放大电路和匹配电路，其特征在于，还包括电流电压反馈电路，所述电流电压反馈电路包括：
采样模块，采样并输出所述匹配电路输出端的电压信号和电流信号；
相位差提取模块，根据接收的采样模块输出端输出的电压信号和电流信号而提取出所述电压信号和电流信号的相位差，并输出相位差信号；
阻抗特性判断模块，根据接收的采样模块输出端输出的电压信号和电流信号判断所述匹配电路输出端的输出信号的阻抗特性，并输出阻抗特性判断信号；以及
信号处理模块，接收所述采样模块输出的电流信号、所述相位差提取模块输出的相位差信号及所述阻抗特性判断模块输出的阻抗特性判断信号，根据所述相位差信号和阻抗特性判断信号进行频率追踪以获得多个初定谐振点，根据所述电流信号确定所需谐振点，输出所述所需谐振点的谐振信号，并将所述谐振信号反馈给所述控制器。
2.如权利要求1所述的超声阻垢除垢控制系统，其特征在于，所述信号处理模块根据所述相位差信号选择相位差大体最小的位置作为可能谐振点，并根据所述阻抗特性判断信号在所述可能谐振点中选择阻抗特性为感性的作为所述多个初定谐振点，从而根据所述电流信号选择所述初定谐振点中电流最大的作为所述所需谐振点。
3.如权利要求1或2所述的超声阻垢除垢控制系统，其特征在于，所述信号处理模块为模糊PID控制器。
4.如权利要求1所述的超声阻垢除垢控制系统，其特征在于，所述相位差提取模块包括：
第一信号整形电路，接收所述采样模块输出的电流信号并将其整形为第一方波信号输出；
第二信号整形电路，接收所述采样模块输出的电压信号并将其整形为第二方波信号输出；
时差获取电路，接收并确定所述第一方波信号和第二方波信号的时差；
脉宽获取电路，接收所述第二方波信号，并获取所述第二方波信号的脉宽时长；
除法器，接收所述时差获取电路的时差及所述脉宽获取电路的脉宽时长，将所述时差除以所述脉宽时长以获得所述相位差。
5.如权利要求4所述的超声阻垢除垢控制系统，其特征在于，所述时差获取电流根据所述第一方波信号上升沿和第二方波信号上升沿的时差、或所述第一方波信号下降沿和第二方波信号下降沿的时差来确定所述第一方波信号和第二方波信号的时差。
6.如权利要求1所述的超声阻垢除垢控制系统，其特征在于，所述阻抗特性判断模块根据电压信号和电流信号判断电流超前或电压超前以确定阻抗特性为容性或感性。
7.如权利要求1所述的超声阻垢除垢控制系统，其特征在于，所述匹配电路输出端连接超声换能器，所述控制器根据信号处理模块反馈的谐振信号控制超声换能器在所需谐振点上工作。
8.如权利要求1或7所述的超声阻垢除垢控制系统，其特征在于，所述匹配电路为功率匹配电路。
9.如权利要求8所述的超声阻垢除垢控制系统，其特征在于，所述匹配电路包括一变压器，用以将输入信号变压输出。
10.如权利要求9所述的超声阻垢除垢控制系统，其特征在于，所述匹配电路还包括用于保护所述变压器的保护电路。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |