CN114389470B - 一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，它包括：AC/DC开关电源(101)、IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)、谐振电感L1(106)、霍尔电压传感器(107)、谐振电容C1(108)、压电陶瓷(109)、隔离驱动电路(110)、PWM产生电路(111)、单片机控制电路(112)、保护电路(113)、人机交互界面(114)；本发明所述的基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，结构科学，工艺性好，具有广阔推广应用价值。
Description
技术领域
本发明提供一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，特别是一种用于驱动压电陶瓷液体或金属粉末等雾化装置的谐振频率跟踪电路，属于特种电源技术领域。
背景技术
压电陶瓷超声雾化技术具有无机械驱动、无噪声干扰、无污染、能耗低，且雾化效率高、稳定性好、雾化效果极佳(雾滴分布均匀且极细)等优点，在国民生产和生活的各个领域得到广泛应用。超声驱动电源就是用来驱动压电陶瓷换能器，将电功率转换成机械功率再通过超声雾化喷头传递至液滴或粉末并使其雾化，是压电陶瓷超声雾化技术的重要组成部分。超声雾化效果好坏的关键在于超声雾化喷头是否能够工作在谐振状态，喷头的工作频率越接近谐振频率，超声震动雾化和破碎雾化越好，雾滴分布将会更加均匀和细小。
为了使超声雾化喷头工作在最佳谐振状态，传统的方法是检测谐振回路的电压、电流波形的相位差，然后通过谐振频率调节电路来改变驱动电源输出波形的工作频率，以减小谐振回路电压和电流的相位差，使超声驱动电源输出波形的工作频率尽量接近超声雾化喷头的谐振频率，从而实现超声雾化喷头的谐振工作。由于驱动电源的工作频率是动态的逼近超声雾化喷头的谐振频率，即在谐振点的附近动态变化，超声驱动电源的工作频率通常会有几十甚至上百赫兹的微小变化。但是，由于超声雾化喷头采用的压电陶瓷的Q值一般都比较大，超声驱动电源的工作频率在谐振点附近微小变化都会使得压电陶瓷换能器的超声振动强度变化很大，从而对超声雾化效果产生较大的影响，因此驱动电源工作频率在几十甚至上百赫兹的微小变化，将会导致超声雾化效果的不稳定。
另一方面，由于超声驱动电源工作在LC串联回路和压电陶瓷换能器谐振频率附近，并动态地逼近压电陶瓷换能器的谐振点，同时压电陶瓷换能器的Q值较高，当超声驱动电源的工作频率在谐振点附近微小变化时，压电陶瓷两端的电压幅值变化较大，可达几十伏甚至上百伏的变化。由此可见，对于谐振点附近的频率微小变化，压电陶瓷的端电压具有很高的灵敏度。因此，检测压电陶瓷两端的电压，并根据该电压闭环调节超声驱动电源的工作频率，当压电陶瓷电压稳定时，可以使超声驱动电源的工作频率稳定在压电陶瓷换能器的最佳谐振点附近且频率的波动范围很小，从而稳定超声雾化效果。
发明内容
1、发明目的：本发明针对传统谐振频率跟踪电路存在工作频率动态变化，并由此导致超声雾化效果不稳定的问题，本发明提供了一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，通过检测压电陶瓷两端的电压，并根据该电压闭环调节超声驱动电源的工作频率，当压电陶瓷电压稳定时，可以使超声驱动电源的工作频率稳定在压电陶瓷换能器的最佳谐振点附近且频率的波动范围很小，从而稳定超声雾化效果，具有压电陶瓷电压信号灵敏度高、检测电路简单、谐振频率调节精度高且波动范围小和超声雾化效果稳定等优点。
2、技术方案：本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
基于上述目的，本发明提供了一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，即一种高压高精度大电流压电陶瓷恒流驱动电路，它包括：AC/DC开关电源(101)、IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)、谐振电感L1(106)、霍尔电压传感器(107)、谐振电容C1(108)、压电陶瓷(109)、隔离驱动电路(110)、PWM产生电路(111)、单片机控制电路(112)、保护电路(113)、人机交互界面(114)；
所述的“AC/DC开关电源”是指：是开关电源的其中一类，AC是交流，DC是直流，该类电源就是将交流电压变换成直流电压输出；
所述的“IGBT功率开关管”是指绝缘栅双极型晶体管，一种电压控制型大功率开关器件；
所述的“PWM”是指脉冲宽度调节电路，是一种开关电源输出控制的电路方法；
它们之间的位置关系是：AC/DC开关电源(101)输出的直流电压连接至由IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)组成的全桥逆变主电路，然后变换成频率在30kHz～40kHz之间可调的交流方波，该交流方波再连接至由谐振电感L1(106)和谐振电容C1(108)组成的LC串联谐振回路，当全桥逆变主电路输出的交流方波接近LC串联回路的谐振频率时电路谐振，此时在谐振电容C1(108)的两端可以得到谐振放大后的正弦交流电压；超声雾化喷头的压电陶瓷(109)并联在谐振电容C1(108)的两端，在谐振电容C1(108)两端的正弦交流电压激励下产生振动，特别是当该正弦交流电压的工作频率接近超声雾化喷头的谐振频率时，超声雾化效果最佳；霍尔电压传感器(107)并联在谐振电容C1(108)和压电陶瓷(109)两端，采集压电陶瓷(109)两端的电压，输出的电压信号Ufin再连接至单片机控制电路(112)，经单片机控制电路处理后输出工作频率调整信号UFM，该信号再连接至PWM产生电路(111)对其输出PWM波形的频率进行调节，调节后的PWM波形再连接至隔离驱动电路(110)进行光电隔离和输出电流放大，然后再分别连接至四个IGBT功率开关管，控制全桥逆变主电路功率开关管的导通和关断，实现高频交流方波的变换；当超声驱动电源出现的过载、过流和过压等故障时，保护电路(113)输出保护信号连接至PWM产生电路(111)封锁PWM输出波形，从而实现驱动电源的保护；该人机交互界面(114)主要是用来设置压电陶瓷(109)的工作电压Ug、启动和停止驱动电源，设置的工作电压Ug输出至单片机控制电路(112)，作为压电陶瓷(109)工作电压的设定值；
所述的AC/DC开关电源(101)采用的是通用AC/DC开关电源，其输入电压为交流220V，输出电压为+50V～+110V可调；
所述的IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)均采用FAIRCHILD公司的型号为FGA25N120ANTD的IGBT功率开关管,最高耐压值为1200V，最大输出电流为25A，可以满足压电陶瓷驱动的需求；
所述的“FAIRCHILD公司”是指：美国仙童半导体公司(FairchildSemiconductor)，曾经是世界上最大、最富创新精神和最令人振奋的半导体生产企业；
所述的谐振电感L1(106)采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成，用来与谐振电容串联，构成LC串联谐振回路；
所述的霍尔电压传感器(107)采用LEM公司生产的型号为LV25-P的霍尔电压传感器，功能是并联在压电陶瓷(109)两端采集压电陶瓷的电压，然后将采集到的电压信号传输至单片机控制电路(112)进行电压闭环调节超声驱动电源输出逆变方波的工作频率；
所述的谐振电容C1(108)采用多个高频薄膜电容并联组成，与谐振电感L1(106)组成串联谐振回路；
所述的压电陶瓷(109)为多片圆形压电陶瓷串联在一起，然后装配在超声雾化喷头结构上组成压电陶瓷换能器；
所述的隔离驱动电路(110)采用FAIRCHILD公司生产的型号为FOD3182隔离光电耦合驱动电路，可以实现5000V电压隔离，输出驱动电流可达3A，用来实现全桥逆变电路中的IGBT功率开关管的可靠驱动；
所述的PWM产生电路(111)采用美国硅通用公司生产的型号为SG3525A的PWM集成电路及其外围电路组成，包括PWM产生集成电路SG3525A(201)、充电电阻R3(202)、放电电阻R4(203)、充电电容C1(204)、调频电阻R2(205)、晶体管Q1(206)、调频电阻R1(207)；其中，充电电阻R3(202)、放电电阻R4(203)、充电电容C1(204)共同决定SG3525A输出PWM波形的基本频率，调频电阻R2(205)、晶体管Q1(206)和调频电阻R1(207)构成SG3525A输出PWM波形频率动态调节电路；启动超声驱动电源输出后，UFM输出的初始电压值为设定的最大电压值，SG3525A输出PWM波形的工作频率最高，此时的超声驱动电源的工作频率远高于LC谐振回路的谐振频率，压电陶瓷(109)两端的电压低于设定的工作电压；然后单片机控制电路(112)通过电压闭环逐步减小UFM输出，PWM波形的工作频率从高频率逐渐降低，逐步逼近压电陶瓷的谐振点，同时压电陶瓷两端的电压逐渐升高，当检测到压电陶瓷(109)端电压与设定电压相等时，表明压电陶瓷换能器工作在谐振点，超声雾化喷头雾化效果最佳，此时维持当前UFM输出；
所述的单片机控制电路(112)采用MICROCHIP公司的PIC18F2423单片机及其外围电路组成，包括PIC18F2423单片机电路(301)、高速高精度DA转换电路(302)、信号放大电路(303)、电压信号调理电路(304)；霍尔电压传感器(107)采集的压电陶瓷端电压信号Ufin输入电压信号调理电路(304)进行信号处理，然后输出信号Uf连接至PIC18F2423单片机电路(301)的AD输入端口转换成数字信号，再经基于电压闭环的频率自动跟踪控制方法计算，输出当前频率调节的数字控制量，该控制量再经SPI串行总线连接至高度高精度DA转换电路(302)进行模拟量转换，转换后输出频率调节控制量UFAD，该信号再经信号放大电路(303)放大后输出频率调节控制信号UFM连接至PWM产生电路(111)实现超声驱动电源输出波形工作频率的调整；
所述的“MICROCHIP公司”是指：美国微芯科技公司，该公司成立于1989年，美国上市公司，是全球领先的单片机和模拟半导体供应商；
所述的“PIC18F2423”是指MICROCHIP公司生产的型号为PIC18F2423的单片机集成电路，是一种8位的单片机控制器；
所述的电压信号调理电路(304)由通用运放、电阻和电容组成，主要功能是将霍尔电压传感器(107)反馈的电压信号Ufin进行整流、放大和滤波，输出信号Uf再连接至PIC18F2423单片机电路(301)的AD输入端口；
所述的高速高精度DA转换电路(302)采用DAC8560集成DA转换电路，主要功能是将PIC18F2423单片机电路(301)传输过来的SPI串行通讯信号转换成模拟电压信号UFAD输出；
所述的“DAC8560”是指：一种SPI串行通讯DA转换集成电路的型号，DAC8560该集成电路是一款低功耗、电压输出、单通道，16位、3线制串行DA转换电路，串行通讯速率30MHz的集成电路；
所述的“AD”是指：模拟信号(Analog)转换成数字信号(Digital)，简写为AD；
所述的“DA”是指：数字信号(Digital)转换成模拟信号(Analog)，简写为DA；
所述的信号放大电路(303)由通用运放、电阻和电容组成，主要功能是将DAC8560集成DA转换电路输出的频率调节信号UFAD，进行放大，然后再连接至PWM产生电路(111)；
所述的保护电路(113)用来实现超声驱动电源的保护，当超声驱动电源出现的过载、过流和过压等故障时，保护电路(113)输出保护信号连接至PWM产生电路(111)封锁PWM输出波形，从而实现驱动电源的保护；
所述的人机交互界面(114)主要是用来设置压电陶瓷(109)的工作电压Ug、启动和停止驱动电源，设置的工作电压Ug输出至单片机控制电路(112)，作为压电陶瓷(109)工作电压的设定值；
上面所述的运放、电阻、电容均选用通用型电阻、电容。
3、优点及功效：
(1)本发明提供了一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，通过检测压电陶瓷两端的电压，并根据该电压闭环调节超声驱动电源的工作频率，减小了超声驱动电源工作频率的波动范围，使压电陶瓷换能器工作更加稳定，提高了超声雾化效果稳定性；
(2)本发明设计了电压闭环的谐振频率跟踪控制算法，根据电压误差的大小采用不同的频率调节倍率，大大提高了谐振频率跟踪电路的动态响应速度；
(3)本发明结合电压闭环反馈调节、单片机数字控制和SG3525A模拟调节PWM波形输出频率的方法，实现了超声驱动电源工作频率连续、无级、微小范围的精细调节，从而保证了超声雾化效果的高效和稳定；
(4)本发明采用压电陶瓷电压信号闭环调节超声驱动电源的工作频率，具有频率调节精度高、灵敏度高、检测电路简单的优点；
(5)本发明所述的基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，结构科学，工艺性好，具有广阔推广应用价值。
附图说明
图1为本发明基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路的工作示意图。
图2为本发明PWM产生电路的频率调节电路示意图。
图3为本发明单片机控制电路的电压闭环调节谐振频率电路示意图。
图4为本发明电压闭环调节谐振频率的算法示意图。
图中序号代号符号说明如下：
101为AC/DC开关电源；
102为IGBT功率开关管T1；
103为IGBT功率开关管T2；
104为IGBT功率开关管T3；
105为IGBT功率开关管T4；
106为谐振电感L1；
107为霍尔电压传感器；
108为谐振电容C1；
109为压电陶瓷；
110为隔离驱动电路；
111为PWM产生电路；
112为单片机控制电路；
113为保护电路；
114为人机交互界面；
201为PWM产生集成电路SG3525A；
202为充电电阻R3；
203为放电电阻R4；
204为充电电容C1；
205为调频电阻R2；
206为晶体管Q1；
207为调频电阻R1；
301为PIC18F2423单片机集成电路；
302为高速高精度DA转换电路；
303为信号放大电路；
304为电压信号调理电路；
上述电阻、电容均选用通用型电阻、电容。
具体实施方式
本发明提供了一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，其具体实施方式是：
所述的基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路包括：
参见图1所示，AC/DC开关电源(101)、IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)、谐振电感L1(106)、霍尔电压传感器(107)、谐振电容C1(108)、压电陶瓷(109)、隔离驱动电路(110)、PWM产生电路(111)、单片机控制电路(112)、保护电路(113)、人机交互界面(114)；它们之间的位置关系是：AC/DC开关电源(101)输出的直流电压连接至由IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)组成的全桥逆变主电路，然后变换成频率在30kHz～40kHz之间可调的交流方波，该交流方波再连接至由谐振电感L1(106)和谐振电容C1(108)组成的LC串联谐振回路，当全桥逆变主电路输出的交流方波接近LC串联回路的谐振频率时电路谐振，此时在谐振电容C1(108)的两端可以得到谐振放大后的正弦交流电压；超声雾化喷头的压电陶瓷(109)并联在谐振电容C1(108)的两端，在谐振电容C1(108)两端的正弦交流电压激励下产生振动，特别是当该正弦交流电压的工作频率接近超声雾化喷头的谐振频率时，超声雾化效果最佳；霍尔电压传感器(107)并联在谐振电容C1(108)和压电陶瓷(109)两端，采集压电陶瓷(109)两端的电压，输出的电压信号Ufin再连接至单片机控制电路(112)，经单片机控制电路处理后输出工作频率调整信号UFM，该信号再连接至PWM产生电路(111)对其输出PWM波形的频率进行调节，调节后的PWM波形再连接至隔离驱动电路(110)进行光电隔离和输出电流放大，然后再分别连接至四个IGBT功率开关管，控制全桥逆变主电路功率开关管的导通和关断，实现高频交流方波的变换；当超声驱动电源出现的过载、过流和过压等故障时，保护电路(113)输出保护信号连接至PWM产生电路(111)封锁PWM输出波形，从而实现驱动电源的保护；人机交互界面(114)主要是用来设置压电陶瓷(109)的工作电压Ug、启动和停止驱动电源，设置的工作电压Ug输出至单片机控制电路(112)，作为压电陶瓷(109)工作电压的设定值。
参见图2所示，所述的PWM产生电路(111)采用美国硅通用公司生产的型号为SG3525A的PWM集成电路及其外围电路组成，包括PWM产生集成电路SG3525A(201)、充电电阻R3(202)、放电电阻R4(203)、充电电容C1(204)、调频电阻R2(205)、晶体管Q1(206)、调频电阻R1(207)；其中，充电电阻R3(202)、放电电阻R4(203)、充电电容C1(204)共同决定SG3525A输出PWM波形的基本频率，调频电阻R2(205)、晶体管Q1(206)和调频电阻R1(207)构成SG3525A输出PWM波形频率动态调节电路；启动超声驱动电源输出后，UFM输出的初始电压值为设定的最大电压值，SG3525A输出PWM波形的工作频率最高，此时的超声驱动电源的工作频率远高于LC谐振回路的谐振频率，压电陶瓷(109)两端的电压低于设定的工作电压；然后单片机控制电路(112)通过电压闭环逐步减小UFM输出，PWM波形的工作频率从高频率逐渐降低，逐步逼近压电陶瓷的谐振点，同时压电陶瓷两端的电压逐渐升高，当检测到压电陶瓷(109)端电压与设定电压相等时，表明压电陶瓷换能器工作在谐振点，超声雾化喷头雾化效果最佳，此时维持当前UFM输出；
参见图3所示，所述的单片机控制电路(112)采用MICROCHIP公司的PIC18F2423单片机及其外围电路组成，包括PIC18F2423单片机电路(301)、高速高精度DA转换电路(302)、信号放大电路(303)、电压信号调理电路(304)；霍尔电压传感器(107)采集的压电陶瓷端电压信号Ufin输入电压信号调理电路(304)进行信号处理，然后输出信号Uf连接至PIC18F2423单片机电路(301)的AD输入端口转换成数字信号，再经基于电压闭环的频率自动跟踪控制算法计算，输出当前频率调节的数字控制量，该控制量再经SPI串行总线连接至高度高精度DA转换电路(302)进行模拟量转换，转换后输出频率调节控制量UFAD，该信号再经信号放大电路(303)放大后输出频率调节控制信号UFM连接至PWM产生电路(111)实现超声驱动电源输出波形工作频率的调整；；
参见图4所示，为本发明中所述的基于电压闭环的谐振频率跟踪控制算法；当通过人机交互界面启动超声驱动电源输出后，UFM的初始电压设置为最大电压值，SG3525A输出PWM波形的工作频率最高，此时的超声驱动电源的工作频率远高于LC谐振回路的谐振频率，电路不谐振，使得压电陶瓷(109)电压低于设定工作电压；经过处理后的压电陶瓷电压Uf输入PIC18F2423单片机(301)，模数转换后与电压给定Ug进行误差运算，然后再根据电压反馈和电压给定的误差ΔU大小来调节；当压电陶瓷电压低于设定电压时，降低驱动电源输出频率：①当Ug-Uf≥200V，采用超强控制，UFM输出值为前一次输出值减去10Δx，其中Δx为每次调节的最小步进量，即UFMn＝UFMn-1-10Δx；②当Ug-Uf≥50V，采用强控制，UFMn＝UFMn-1-5Δx；③当Ug-Uf≥5V，采用一般控制，UFMn＝UFMn-1-Δx；④当0V≤Ug-Uf＜5V，无控制，维持当前工作频率，UFMn＝UFMn-1。当压电陶瓷电压高于设定电压时，增大驱动电源输出频率：当0V≤Uf-Ug＜5V，无控制，维持当前工作频率，UFMn＝UFMn-1；当Uf-Ug≥5V，采用一般控制，UFMn＝UFMn-1+Δx；当Uf-Ug≥50V，采用强控制，UFMn＝UFMn-1+5Δx；当Uf-Ug≥200V，采用超强控制，FMn＝UFMn-1+10Δx。
所述的基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路通过检测压电陶瓷两端的电压，并根据该电压闭环调节超声驱动电源的工作频率，减小了超声驱动电源工作频率的波动范围，使压电陶瓷换能器工作更加稳定，提高了超声雾化效果稳定性；
所述的基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路设计了电压闭环的谐振频率跟踪控制算法，根据电压误差的大小采用不同的频率调节倍率，大大提高了谐振频率跟踪电路的动态响应速度；
所述的基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路结合电压闭环反馈调节、单片机数字控制和SG3525A模拟调节PWM波形输出频率的方法，实现了超声驱动电源工作频率连续、无级、微小范围的精细调节，从而保证了超声雾化效果的高效和稳定；
所述的基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路采用压电陶瓷电压信号闭环调节超声驱动电源的工作频率，具有灵敏度高、检测电路简单的优点；
本发明针对传统谐振频率跟踪电路存在工作频率动态变化，并由此导致超声雾化效果不稳定的问题，本发明提供了一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，通过检测压电陶瓷两端的电压，并根据该电压闭环调节超声驱动电源的工作频率，当压电陶瓷电压稳定时，可以使超声驱动电源的工作频率稳定在压电陶瓷换能器的最佳谐振点附近且频率的波动范围很小，从而稳定超声雾化效果，具有压电陶瓷电压信号灵敏度高、检测电路简单、谐振频率调节精度高且波动范围小和超声雾化效果稳定等优点。
就本发明而言，包括AC/DC开关电源(101)、IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)、谐振电感L1(106)、霍尔电压传感器(107)、谐振电容C1(108)、压电陶瓷(109)、隔离驱动电路(110)、PWM产生电路(111)、单片机控制电路(112)、保护电路(113)、人机交互界面(114)。
AC/DC开关电源(101)输出的直流电压连接至由IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)组成的全桥逆变主电路，然后变换成频率在30kHz～40kHz之间可调的交流方波，该交流方波再连接至由谐振电感L1(106)和谐振电容C1(108)组成的LC串联谐振回路，当全桥逆变主电路输出的交流方波接近LC串联回路的谐振频率时电路谐振，此时在谐振电容C1(108)的两端可以得到谐振放大后的正弦交流电压；超声雾化喷头的压电陶瓷(109)并联在谐振电容C1(108)的两端，在谐振电容C1(108)两端的正弦交流电压激励下产生振动，特别是当该正弦交流电压的工作频率接近超声雾化喷头的谐振频率时，超声雾化效果最佳；霍尔电压传感器(107)并联在谐振电容C1(108)和压电陶瓷(109)两端，采集压电陶瓷(109)两端的电压，输出的电压信号Ufin再连接至单片机控制电路(112)，经单片机控制电路处理后输出工作频率调整信号UFM，该信号再连接至PWM产生电路(111)对其输出PWM波形的频率进行调节，调节后的PWM波形再连接至隔离驱动电路(110)进行光电隔离和输出电流放大，然后再分别连接至四个IGBT功率开关管，控制全桥逆变主电路功率开关管的导通和关断，实现高频交流方波的变换；当超声驱动电源出现的过载、过流和过压等故障时，保护电路(113)输出保护信号连接至PWM产生电路(111)封锁PWM输出波形，从而实现驱动电源的保护；人机交互界面(114)主要是用来设置压电陶瓷(109)的工作电压Ug、启动和停止驱动电源，设置的工作电压Ug输出至单片机控制电路(112)，作为压电陶瓷(109)工作电压的设定值。
所述的AC/DC开关电源(101)采用的是通用AC/DC开关电源，其输入电压为交流220V，输出电压为+50V～+110V可调；
所述的IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)均采用FAIRCHILD公司的型号为FGA25N120ANTD的IGBT功率开关管,最高耐压值为1200V，最大输出电流为25A，可以满足压电陶瓷驱动的需求。
所述的谐振电感L1(106)采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成，用来与谐振电容串联，构成LC串联谐振回路；
所述的霍尔电压传感器(107)采用LEM公司生产的型号为LV25-P的霍尔电压传感器，功能是并联在压电陶瓷(109)两端采集压电陶瓷的电压，然后将采集到的电压信号传输至单片机控制电路(112)进行电压闭环调节超声驱动电源输出逆变方波的工作频率；
所述的谐振电容C1(108)采用多个高频薄膜电容并联组成，与谐振电感L1(106)组成串联谐振回路；
所述的压电陶瓷(109)为多片圆形压电陶瓷串联在一起，然后装配在超声雾化喷头结构上组成压电陶瓷换能器；
所述的隔离驱动电路(110)采用FAIRCHILD公司生产的型号为FOD3182隔离光电耦合驱动电路，可以实现5000V电压隔离，输出驱动电流可达3A，用来实现全桥逆变电路中的IGBT功率开关管的可靠驱动；
所述的PWM产生电路(111)采用美国硅通用公司生产的型号为SG3525A的PWM集成电路及其外围电路组成，包括PWM产生集成电路SG3525A(201)、充电电阻R3(202)、放电电阻R4(203)、充电电容C1(204)、调频电阻R2(205)、晶体管Q1(206)、调频电阻R1(207)；其中，充电电阻R3(202)、放电电阻R4(203)、充电电容C1(204)共同决定SG3525A输出PWM波形的基本频率，调频电阻R2(205)、晶体管Q1(206)和调频电阻R1(207)构成SG3525A输出PWM波形频率动态调节电路；启动超声驱动电源输出后，UFM输出的初始电压值为设定的最大电压值，SG3525A输出PWM波形的工作频率最高，此时的超声驱动电源的工作频率远高于LC谐振回路的谐振频率，压电陶瓷(109)两端的电压低于设定的工作电压；然后单片机控制电路(112)通过电压闭环逐步减小UFM输出，PWM波形的工作频率从高频率逐渐降低，逐步逼近压电陶瓷的谐振点，同时压电陶瓷两端的电压逐渐升高，当检测到压电陶瓷(109)端电压与设定电压相等时，表明压电陶瓷换能器工作在谐振点，超声雾化喷头雾化效果最佳，此时维持当前UFM输出；
所述的单片机控制电路(112)采用MICROCHIP公司的PIC18F2423单片机及其外围电路组成，包括PIC18F2423单片机电路(301)、高速高精度DA转换电路(302)、信号放大电路(303)、电压信号调理电路(304)；霍尔电压传感器(107)采集的压电陶瓷端电压信号Ufin输入电压信号调理电路(304)进行信号处理，然后输出信号Uf连接至PIC18F2423单片机电路(301)的AD输入端口转换成数字信号，再经基于电压闭环的频率自动跟踪控制算法计算，输出当前频率调节的数字控制量，该控制量再经SPI串行总线连接至高度高精度DA转换电路(302)进行模拟量转换，转换后输出频率调节控制量UFAD，该信号再经信号放大电路(303)放大后输出频率调节控制信号UFM连接至PWM产生电路(111)实现超声驱动电源输出波形工作频率的调整；
所述的电压信号调理电路(304)由通用运放、电阻和电容组成，主要功能是将霍尔电压传感器(107)反馈的电压信号Ufin进行整流、放大和滤波，输出信号Uf再连接至PIC18F2423单片机电路(301)的AD输入端口；
所述的高速高精度DA转换电路(302)采用DAC8560集成DA转换电路，主要功能是将PIC18F2423单片机电路(301)传输过来的SPI串行通讯信号转换成模拟电压信号UFAD输出；
所述的信号放大电路(303)由通用运放、电阻和电容组成，主要功能是将DAC8560集成DA转换电路输出的频率调节信号UFAD，进行放大，然后再连接至PWM产生电路(111)；
所述的保护电路(113)用来实现超声驱动电源的保护，当超声驱动电源出现的过载、过流和过压等故障时，保护电路(113)输出保护信号连接至PWM产生电路(111)封锁PWM输出波形，从而实现驱动电源的保护；
所述的人机交互界面(114)主要是用来设置压电陶瓷(109)的工作电压Ug、启动和停止驱动电源，设置的工作电压Ug输出至单片机控制电路(112)，作为压电陶瓷(109)工作电压的设定值。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路的工作示意图，包括AC/DC开关电源(101)、IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)、谐振电感L1(106)、霍尔电压传感器(107)、谐振电容C1(108)、压电陶瓷(109)、隔离驱动电路(110)、PWM产生电路(111)、单片机控制电路(112)、保护电路(113)、人机交互界面(114)。
参考图1，AC/DC开关电源(101)输出的直流电压连接至由IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)组成的全桥逆变主电路，然后变换成频率在30kHz～40kHz之间可调的交流方波，该交流方波再连接至由谐振电感L1(106)和谐振电容C1(108)组成的LC串联谐振回路，当全桥逆变主电路输出的交流方波接近LC串联回路的谐振频率时电路谐振，此时在谐振电容C1(108)的两端可以得到谐振放大后的正弦交流电压；超声雾化喷头的压电陶瓷(109)并联在谐振电容C1(108)的两端，在谐振电容C1(108)两端的正弦交流电压激励下产生振动，特别是当该正弦交流电压的工作频率接近超声雾化喷头的谐振频率时，超声雾化效果最佳；霍尔电压传感器(107)并联在谐振电容C1(108)和压电陶瓷(109)两端，采集压电陶瓷(109)两端的电压，输出的电压信号Ufin再连接至单片机控制电路(112)，经单片机控制电路处理后输出工作频率调整信号UFM，该信号再连接至PWM产生电路(111)对其输出PWM波形的频率进行调节，调节后的PWM波形再连接至隔离驱动电路(110)进行光电隔离和输出电流放大，然后再分别连接至四个IGBT功率开关管，控制全桥逆变主电路功率开关管的导通和关断，实现高频交流方波的变换；当超声驱动电源出现的过载、过流和过压等故障时，保护电路(113)输出保护信号连接至PWM产生电路(111)封锁PWM输出波形，从而实现驱动电源的保护；人机交互界面(114)主要是用来设置压电陶瓷(109)的工作电压Ug、启动和停止驱动电源，设置的工作电压Ug输出至单片机控制电路(112)，作为压电陶瓷(109)工作电压的设定值。
图2是PWM产生电路的频率调节电路示意图，包括PWM产生集成电路SG3525A(201)、充电电阻R3(202)、放电电阻R4(203)、充电电容C1(204)、调频电阻R2(205)、晶体管Q1(206)、调频电阻R1(207)。
参考图2，充电电阻R3(202)、放电电阻R4(203)、充电电容C1(204)共同决定SG3525A输出PWM波形的基本频率，调频电阻R2(205)、晶体管Q1(206)和调频电阻R1(207)构成SG3525A输出PWM波形频率动态调节电路；启动超声驱动电源输出后，UFM输出的初始电压值为设定的最大电压值，SG3525A输出PWM波形的工作频率最高，此时的超声驱动电源的工作频率远高于LC谐振回路的谐振频率，压电陶瓷(109)两端的电压低于设定的工作电压；然后单片机控制电路(112)通过电压闭环逐步减小UFM输出，PWM波形的工作频率从高频率逐渐降低，逐步逼近压电陶瓷的谐振点，同时压电陶瓷两端的电压逐渐升高，当检测到压电陶瓷(109)端电压与设定电压相等时，表明压电陶瓷换能器工作在谐振点，超声雾化喷头雾化效果最佳，此时维持当前UFM输出；
图3是单片机控制电路的电压闭环调节谐振频率电路示意图，包括PIC18F2423单片机电路(301)、高速高精度DA转换电路(302)、信号放大电路(303)、电压信号调理电路(304)。
参考图3，霍尔电压传感器(107)采集的压电陶瓷端电压信号Ufin输入电压信号调理电路(304)进行信号处理，然后输出信号Uf连接至PIC18F2423单片机电路(301)的AD输入端口转换成数字信号，再经基于电压闭环的频率自动跟踪控制算法计算，输出当前频率调节的数字控制量，该控制量再经SPI串行总线连接至高度高精度DA转换电路(302)进行模拟量转换，转换后输出频率调节控制量UFAD，该信号再经信号放大电路(303)放大后输出频率调节控制信号UFM连接至PWM产生电路(111)实现超声驱动电源输出波形工作频率的调整。
图4为本发明电压闭环调节谐振频率的算法示意图。
参考图4，当通过人机交互界面启动超声驱动电源输出后，UFM的初始电压设置为最大电压值，SG3525A输出PWM波形的工作频率最高，此时的超声驱动电源的工作频率远高于LC谐振回路的谐振频率，电路不谐振，使得压电陶瓷(109)电压低于设定工作电压；经过处理后的压电陶瓷电压Uf输入PIC18F2423单片机(301)，模数转换后与电压给定Ug进行误差运算，然后再根据电压反馈和电压给定的误差ΔU大小来调节；当压电陶瓷电压低于设定电压时，降低驱动电源输出频率：①当Ug-Uf≥200V，采用超强控制，UFM输出值为前一次输出值减去10Δx，其中Δx为每次调节的最小步进量，即UFMn＝UFMn-1-10Δx；②当Ug-Uf≥50V，采用强控制，UFMn＝UFMn-1-5Δx；③当Ug-Uf≥5V，采用一般控制，UFMn＝UFMn-1-Δx；④当0V≤Ug-Uf＜5V，无控制，维持当前工作频率，UFMn＝UFMn-1。当压电陶瓷电压高于设定电压时，增大驱动电源输出频率：当0V≤Uf-Ug＜5V，无控制，维持当前工作频率，UFMn＝UFMn-1；当Uf-Ug≥5V，采用一般控制，UFMn＝UFMn-1+Δx；当Uf-Ug≥50V，采用强控制，UFMn＝UFMn-1+5Δx；当Uf-Ug≥200V，采用超强控制，FMn＝UFMn-1+10Δx。
本发明提供了一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，通过检测压电陶瓷两端的电压，并根据该电压闭环调节超声驱动电源的工作频率，当压电陶瓷电压稳定时，可以使超声驱动电源的工作频率稳定在压电陶瓷换能器的最佳谐振点附近且频率的波动范围很小，从而稳定超声雾化效果，具有压电陶瓷电压信号灵敏度高、检测电路简单、谐振频率调节精度高且波动范围小，以及超声雾化效果稳定等优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于电压闭环的压电陶瓷谐振频率跟踪电路，其特征在于：它包括：AC/DC开关电源(101)、IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)、谐振电感L1(106)、霍尔电压传感器(107)、谐振电容C1(108)、压电陶瓷(109)、隔离驱动电路(110)、PWM产生电路(111)、单片机控制电路(112)、保护电路(113)及人机交互界面(114)；
该AC/DC开关电源(101)输出的直流电压连接至由IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)组成的全桥逆变主电路，然后变换成频率在30kHz～40kHz之间可调的交流方波，该交流方波再连接至由谐振电感L1(106)和谐振电容C1(108)组成的LC串联谐振回路，当全桥逆变主电路输出的交流方波接近LC串联回路的谐振频率时电路谐振，此时在谐振电容C1(108)的两端能得到谐振放大后的正弦交流电压；超声雾化喷头的压电陶瓷(109)并联在谐振电容C1(108)的两端，在谐振电容C1(108)两端的正弦交流电压激励下产生振动，当该正弦交流电压的工作频率接近超声雾化喷头的谐振频率时，超声雾化效果最佳；霍尔电压传感器(107)并联在谐振电容C1(108)和压电陶瓷(109)两端，采集压电陶瓷(109)两端的电压，输出的电压信号Ufin再连接至单片机控制电路(112)，经单片机控制电路处理后输出工作频率调整信号UFM，该信号再连接至PWM产生电路(111)对其输出PWM波形的频率进行调节，调节后的PWM波形再连接至隔离驱动电路(110)进行光电隔离和输出电流放大，然后再分别连接至四个IGBT功率开关管，控制全桥逆变主电路功率开关管的导通和关断，实现高频交流方波的变换；当超声驱动电源出现的过载、过流和过压诸故障时，保护电路(113)输出保护信号连接至PWM产生电路(111)封锁PWM输出波形，从而实现驱动电源的保护；该人机交互界面(114)主要是用来设置压电陶瓷(109)的工作电压Ug、启动和停止驱动电源，设置的工作电压Ug输出至单片机控制电路(112)，作为压电陶瓷(109)工作电压的设定值；
所述的AC/DC开关电源(101)采用的是通用AC/DC开关电源，其输入电压为交流220V，输出电压为+50V～+110V可调；
所述的IGBT功率开关管T1(102)、IGBT功率开关管T2(103)、IGBT功率开关管T3(104)、IGBT功率开关管T4(105)均采用型号为FGA25N120ANTD的IGBT功率开关管,最高耐压值为1200V，最大输出电流为25A，满足压电陶瓷驱动的需求；
所述的谐振电感L1(106)采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成，用来与谐振电容串联，构成LC串联谐振回路；
所述的霍尔电压传感器(107)采用型号为LV25-P的霍尔电压传感器，功能是并联在压电陶瓷(109)两端采集压电陶瓷的电压，然后将采集到的电压信号传输至单片机控制电路(112)进行电压闭环调节超声驱动电源输出逆变方波的工作频率；
所述的谐振电容C1(108)采用复数个高频薄膜电容并联组成，与谐振电感L1(106)组成串联谐振回路；
所述的压电陶瓷(109)为复数片圆形压电陶瓷串联在一起，然后装配在超声雾化喷头结构上组成压电陶瓷换能器；
所述的隔离驱动电路(110)采用型号为FOD3182隔离光电耦合驱动电路，实现5000V电压隔离，输出驱动电流能达3A，用来实现全桥逆变电路中的IGBT功率开关管的可靠驱动；
所述的PWM产生电路(111)采用型号为SG3525A的PWM集成电路及其外围电路组成，包括PWM产生集成电路SG3525A(201)、充电电阻R3(202)、放电电阻R4(203)、充电电容C1(204)、调频电阻R2(205)、晶体管Q1(206)和调频电阻R1(207)；其中，充电电阻R3(202)、放电电阻R4(203)、充电电容C1(204)共同决定SG3525A输出PWM波形的基本频率，调频电阻R2(205)、晶体管Q1(206)和调频电阻R1(207)构成SG3525A输出PWM波形频率动态调节电路；启动超声驱动电源输出后，UFM输出的初始电压值为设定的最大电压值，SG3525A输出PWM波形的工作频率最高，此时的超声驱动电源的工作频率远高于LC谐振回路的谐振频率，压电陶瓷(109)两端的电压低于设定的工作电压；然后单片机控制电路(112)通过电压闭环逐步减小UFM输出，PWM波形的工作频率从高频率逐渐降低，逐步逼近压电陶瓷的谐振点，同时压电陶瓷两端的电压逐渐升高，当检测到压电陶瓷(109)端电压与设定电压相等时，表明压电陶瓷换能器工作在谐振点，超声雾化喷头雾化效果最佳，此时维持当前UFM输出；
所述的单片机控制电路(112)采用PIC18F2423单片机及其外围电路组成，包括PIC18F2423单片机电路(301)、高速高精度DA转换电路(302)、信号放大电路(303)和电压信号调理电路(304)；霍尔电压传感器(107)采集的压电陶瓷端电压信号Ufin输入电压信号调理电路(304)进行信号处理，然后输出信号Uf连接至PIC18F2423单片机电路(301)的AD输入端口转换成数字信号，再经基于电压闭环的频率自动跟踪控制方法计算，输出当前频率调节的数字控制量，该控制量再经SPI串行总线连接至高速高精度DA转换电路(302)进行模拟量转换，转换后输出频率调节控制量UFAD，该信号再经信号放大电路(303)放大后输出频率调节控制信号UFM连接至PWM产生电路(111)实现超声驱动电源输出波形工作频率的调整；
所述的电压信号调理电路(304)由通用运放、电阻和电容组成，是将霍尔电压传感器(107)反馈的电压信号Ufin进行整流、放大和滤波，输出信号Uf再连接至PIC18F2423单片机电路(301)的AD输入端口；
所述的高速高精度DA转换电路(302)采用DAC8560集成DA转换电路，是将PIC18F2423单片机电路(301)传输过来的SPI串行通讯信号转换成模拟电压信号UFAD输出；
所述的信号放大电路(303)由通用运放、电阻和电容组成，是将DAC8560集成DA转换电路输出的频率调节信号UFAD进行放大，然后再连接至PWM产生电路(111)；
所述的保护电路(113)用来实现超声驱动电源的保护，当超声驱动电源出现的过载、过流和过压诸故障时，保护电路(113)输出保护信号连接至PWM产生电路(111)封锁PWM输出波形，从而实现驱动电源的保护；
所述的人机交互界面(114)主要是用来设置压电陶瓷(109)的工作电压Ug、启动和停止驱动电源，设置的工作电压Ug输出至单片机控制电路(112)，作为压电陶瓷(109)工作电压的设定值。
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