CN116351686A - 一种可变压可变频超声清洗机发生器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声清洗机技术领域,具体涉及一种可变压可变频超声清洗机发生器及控制方法;可变压可变频超声清洗机发生器包括整流电路、BUCK变换电路和H桥逆变电路;BUCK变换电路和整流电路连接;H桥逆变电路和BUCK变换电路连接;BUCK变换电路和逆变电路H桥为串联结构,分别设计有独立的控制信号,通过对BUCK变换电路和H桥逆变电路进行控制,输出超声换能器所需的高频振荡信号的正脉冲和负脉冲,使用嵌入式控制器等,结合换能器的谐振频率要求,编写控制程序,交替输出脉冲控制信号,H桥逆变电路即可输出与超声清洗机换能器谐振频率相对应的高频振荡电信号,本申请能够根据需要对超声发生器输出信号的幅值和频率进行调节。
Description
技术领域
本发明涉及超声清洗机技术领域,尤其涉及一种可变压可变频超声清洗机发生器及控制方法。
背景技术
超声波清洗机广泛应用于器戒、器皿、试管、烧杯、零部件、装配件或电路板等的清洗。超声波发生器和超声波换能器是超声波清洗机的两大核心组件,而超声波发生器本质上是一类能输出超声振荡信号的电源。超声发生器发出的高频振荡信号,通过换能器转换成高频机械振荡而传播到清洗介质中,超声波换能器具有固定的频率,只有超声发生器和超声换能器的频率相同,才能使超声换能器工作在谐振点,从而具有最好的工作性能。
现有的超声发生器输出的超声振荡信号是固定频率,实现多频超声清洗机需要配备多路超声发生器或在一个超声发生器中设计多路输出,由于超声发生器的频率是固定的,受此限制,如果用户想结合自己的清洗对象,更改超声清洗机的频率,则是无法实现的,同时,超声波清洗机厂家为了生产不同超声频率的清洗机,则需要制造或购置不同频率的超声发生器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变压可变频超声清洗机发生器及控制方法,能够对超声发生器的频率进行变更。
为实现上述目的,第一方面,本发明提供了一种可变压可变频超声清洗机发生器,包括整流电路、BUCK变换电路和H桥逆变电路;
所述BUCK变换电路和所述整流电路连接;所述H桥逆变电路和所述BUCK变换电路连接。
其中,所述BUCK变换电路包括开关管Q0、电感L1、二极管D1和电解电容C1;
所述开关管Q0集电极和所述整流电路正极输出端连接;所述电感L1一端和所述开关管Q0发射极连接,另一端和所述H桥逆变电路连接;所述二极管D1负极和所述开关管Q0发射极连接,所述二极管D1正极和所述整流电路负极输出端连接;所述电解电容C1正极和所述电感L1连接,所述电解电容C1负极和所述二极管D1正极连接。
其中,所述H桥逆变电路包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4;
所述开关管Q1集电极和所述电感L1连接;所述开关管Q2集电极和所述开关管Q1集电极连接;所述开关管Q3集电极和所述开关管Q1发射极连接,所述开关管Q3发射极和所述电解电容C1负极连接;所述开关管Q4集电极和所述开关管Q2发射极连接,所述开关管Q4发射极和所述开关管Q3发射极连接。
第二方面,本发明还提供了一种可变压可变频超声清洗机发生器控制方法,包括:
搭建超声发生器电路,所述超声发生器电路包括整流电路、BUCK变换电路、H桥逆变电路和匹配网络;
将嵌入式处理器的PWM输出引脚,经驱动后分别接入BUCK变换电路的开关管Q0、H桥逆变电路的HP控制端和HN控制端;
编写AOA-MFACu算法程序,将其控制量转化为占空比,以控制BUCK变换电路开关管Q0的导通和关断;
编写AOA-MFACf算法程序,将计算得到的控制量转化为具有相应频率的交替变化的脉冲信号,以交替控制H桥逆变电路的HP控制端和HN控制端。
其中,在所述编写AOA-MFACf算法程序,将计算得到的控制量转化为具有相应频率的交替变化的脉冲信号,以交替控制H桥逆变电路的HP控制端和HN控制端后,还包括:
超声发生器输出的高频振荡信号的电压振幅设定值和频率设定值开放到人机界面上。
其中,在所述超声发生器输出的高频振荡信号的电压振幅设定值和频率设定值开放到人机界面上后,还包括:
将AOA-MFACu和AOA-MFACf算法的控制参数开放到人机界面上。
其中,所述嵌入式处理器采用STM32单片机,在STM32单片机中包含有AOA-MFACu和AOA-MFACf算法程序。
本发明的一种可变压可变频超声清洗机发生器及控制方法,整流电路将市电整流为直流电压ud,BUCK变换电路和逆变电路H桥为串联结构,分别设计有独立的控制信号。BUCK变换电路的输出电压受BUCK变换电路控制,BUCK变换电路的输出电压为u1,其大小等于H桥逆变电路输出的高频振荡信号的正、负脉冲的幅值。使用嵌入式控制器等,结合换能器要求的脉冲电压幅值,编写控制程序给BUCK变换电路施加PWM脉冲,调节其PWM脉冲的占空比,即可调节BUCK变换电路的输出电压u1的大小。通过对BUCK变换电路和H桥逆变电路进行控制,输出超声换能器所需的高频振荡信号的正脉冲和负脉冲,使用嵌入式控制器等,结合换能器的谐振频率要求,编写控制程序,交替输出脉冲控制信号给HP控制端和HN控制端,H桥逆变电路即可输出与超声清洗机换能器谐振频率相对应的高频振荡电信号u2。本申请能够根据需要对超声发生器输出信号的幅值和频率进行调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种可变压可变频超声清洗机发生器、匹配网络和超声换能器的连接结构示意图。
图2是调频与调压之间的相互影响的示意图。
图3是本发明的一种可变压可变频超声清洗机发生器控制方法的流程图。
1-整流电路、2-BUCK变换电路、3-H桥逆变电路、4-开关管Q0控制端、5-开关管Q1控制端、6-开关管Q2控制端、7-开关管Q3控制端、8-开关管Q4控制端、9-匹配网络、10-超声换能器、11-调宽前波形、12-忽略开关管导通时间和关断时间的调宽后波形、13-计及开关管导通时间和关断时间的调宽后波形、14-计及开关管导通时间和关断时间的调频后波形。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1~图3,第一方面,本发明提供一种可变压可变频超声清洗机发生器,包括整流电路1、BUCK变换电路2和H桥逆变电路3;
所述BUCK变换电路2和所述整流电路1连接;所述H桥逆变电路3和所述BUCK变换电路2连接。
在本实施方式中,参考图1,本申请由整流电路1、BUCK变换电路2和H桥逆变电路3三部分组成,匹配网络9和超声换能器10不属于超声发生器的组成环节,但属于超声发生器的关联对象,在图1中使用虚线表示其关联关系,其中匹配网络9用于保护超声换能器10,实现阻抗匹配,滤除谐波,抵消超声换能器10的容性,减小其在串联谐振时的无功损耗等,超声换能器10实现超声发生器电信号与超声波信号的转化,实现高频机械振动和空化效应。整流电路1将市电整流为直流电压ud,BUCK变换电路2和逆变电路H桥为串联结构,分别设计有独立的控制信号。BUCK变换电路2的输出电压受BUCK变换电路2控制,BUCK变换电路2的输出电压为u1,其大小等于H桥逆变电路3输出的高频振荡信号的正、负脉冲的幅值。使用嵌入式控制器等,结合换能器要求的脉冲电压幅值,编写控制程序给BUCK变换电路2施加PWM脉冲,调节其PWM脉冲的占空比,即可调节BUCK变换电路2的输出电压u1的大小。通过对BUCK变换电路2和H桥逆变电路3进行控制,输出超声换能器10所需的高频振荡信号的正脉冲和负脉冲,使用嵌入式控制器等,结合换能器的谐振频率要求,编写控制程序,交替输出脉冲控制信号给HP控制端和HN控制端,H桥逆变电路3即可输出与超声清洗机换能器谐振频率相对应的高频振荡电信号u2。本申请能够根据需要对超声发生器的频率进行调节。
进一步的,所述BUCK变换电路2包括开关管Q0、电感L1、二极管D1和电解电容C1;
所述开关管Q0集电极和所述整流电路1正极输出端连接;所述电感L1一端和所述开关管Q0发射极连接,另一端和所述H桥逆变电路3连接;所述二极管D1负极和所述开关管Q0发射极连接,所述二极管D1正极和所述整流电路1负极输出端连接;所述电解电容C1正极和所述电感L1连接,所述电解电容C1负极和所述二极管D1正极连接。
在本实施方式中,可变压可变频超声发生器输出的高频振荡信号的电压振幅是可变的,即电压振幅设定可以根据用户的要求进行修改。亦即要求超声发生器输出的高频振荡信号的电压振幅测量值能快速跟踪其电压设定值。BUCK变换电路2的输出电压决定超声发生器输出的高频振荡信号的电压振幅。鉴于无模型自适应控制(MFAC,ModelFreeAdaptive Control)能较好地适应控制对象参数的变化,将BUCK变换电路2的元器件参数因老化等因素产生的变化考虑为时变参数,使用无模型自适应控制算法可以克服BUCK变换电路2元器件参数变化对输出电压控制产生的影响,从而使超声发生器输出的高频振荡信号的电压振幅长期跟踪其设定值。再考虑到MFAC涉及到4个可调的控制参数难以整定,采用阿基米德优化算法(AOA,Archimedes OptimizationAlgorithm)对MFAC的控制参数进行优化。将用于BUCK变换电路2输出电压控制,且MFAC控制参数经过阿基米德优化后的无模型自适应控制算法记为AOA-MFACu。该算法的具体实现步骤如下:
第一步:设BUCK变换电路2在k时刻的输出电压为yu(k),则在k+1时刻的输出电压yu(k+1)可以表示为:
第二步:计算BUCK变换电路2的控制量:
式(2)中uB(k)为BUCK变换电路2k时刻的控制量,uB(k-1)为BUCK变换电路2k-1时刻的控制量,yur(k+1)为BUCK变换电路2k+1时刻的输出电压设定值,λB为AOA-MFACu算法权重因子,ρB为AOA-MFACu步长序列。
式(3)中,和/>分别为BUCK变换电路2时变参数在k时刻和k-1的估计值,ΔuB(k-1)为BUCK变换电路2k-1时刻的控制量增量,μB(k-1)为AOA-MFACu算法伪偏导数权重因子,ηB(k-1)为AOA-MFACu算法伪偏导数步长序列。
BUCK变换电路2的控制量的表达式修改为:
使用表达式(6)得到的控制量uB(k)去控制BUCK变换电路2开关管Q0的导通和关断的占空比,即可实现BUCK变换电路2输出电压的调节,并使其实际输出电压快速跟踪输出电压设定值。
进一步的,所述H桥逆变电路3包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4;
所述开关管Q1集电极和所述电感L1连接;所述开关管Q2集电极和所述开关管Q1集电极连接;所述开关管Q3集电极和所述开关管Q1发射极连接,所述开关管Q3发射极和所述电解电容C1负极连接;所述开关管Q4集电极和所述开关管Q2发射极连接,所述开关管Q4发射极和所述开关管Q3发射极连接。
在本实施方式中,可变压可变频超声发生器输出的高频振荡信号的频率也是可变的,即超声发生器输出的高频振荡信号的频率设定值可以修改,亦即超声发生器输出的高频振荡信号的频率测量值能快速跟随频率设定值,以便使其电流信号和电压信号的相位差趋近于零,让换能器工作尽可能工作在谐振状态。H桥逆变电路3决定超声发生器输出高频振荡信号的频率。为了有效克服H桥逆变电路3参数变化对其频率控制的影响,依然采用无模型自适应控制算法。为了简化MFAC控制参数的整定过程,依然使用阿基米德优化算法对H桥逆变电路3MFAC的控制参数进行优化。将用于H桥逆变电路3输出高频振荡信号的频率控制,且MFAC控制参数经过阿基米德优化后的无模型自适应控制算法记为AOA-MFACf。该算法的具体实现步骤如下:
第一步:设H桥逆变电路3在k时刻的输出的高频振荡信号的频率yf(k),则在k+1时刻的高频振荡信号的频率yf(k+1)可以表示为:
第二步:计算H桥逆变电路3的控制量:
式(8)中uH(k)为H桥逆变电路3k时刻的控制量,uH(k-1)为H桥逆变电路3k-1时刻的控制量,yfr(k+1)为H桥逆变电路3在k+1时刻输出的高频振荡信号的频率设定值,λH为AOA-MFACf算法权重因子,ρH为AOA-MFACf步长序列。
式(9)中,和/>分别为H桥逆变电路3时变参数在k时刻和k-1的估计值,ΔuH(k-1)为H桥逆变电路3k-1时刻的控制量增量,μH(k-1)为AOA-MFACf算法伪偏导数权重因子,ηH(k-1)为AOA-MFACf算法伪偏导数步长序列。
H桥逆变电路3的控制量的表达式修改为:
使用表达式(12)得到的控制量uH(k)转换为具有相应频率的脉冲信号,交替控制H桥逆变电路3的HP控制端和HN控制端,即可实现H桥逆变电路3输出高频振荡信号的频率调节,并使其实际输出的高频振荡信号的频率快速跟踪其频率设定值。
本发明的一种可变压可变频超声清洗机发生器,整流电路1将市电整流为直流电压ud。BUCK变换电路2和逆变电路H桥为串联结构,分别设计有独立的控制信号。BUCK变换电路2的输出电压受BUCK变换电路2上的开关管Q0控制端4控制,BUCK变换电路2的输出电压为u1,其大小等于H桥逆变电路3输出的高频振荡信号的正、负脉冲的幅值。使用嵌入式控制器等,结合换能器要求的脉冲电压幅值,编写控制程序给BUCK变换电路2开关管控制端施加PWM脉冲,调节其PWM脉冲的占空比,即可调节BUCK变换电路2的输出电压u1的大小。H桥逆变电路3上的开关管Q1控制端5和H桥逆变电路3上的开关管Q4控制端8组成H桥的其中一条支路的一对控制端(记为HP控制端),控制Q1和Q4同时导通或截止,输出超声换能器10所需的高频振荡信号的正脉冲。H桥逆变电路3上的开关管Q2控制端6和H桥逆变电路3上的开关管Q3控制端7组成H桥的另一条支路的一对控制端(记为HN控制端),控制Q2和Q3同时导通或截止,输出超声换能器10所需的高频振荡信号的负脉冲。使用嵌入式控制器等,结合换能器的谐振频率要求,编写控制程序,交替输出脉冲控制信号给HP控制端和HN控制端,H桥逆变电路3即可输出与超声清洗机换能器谐振频率相对应的高频振荡电信号u2。
现有超声发生器不具备独立的调压功能和调频功能,通过PWM或SPWM的脉宽调整技术实现调压或使用某一固定的电压,通过PWM或SPWM的脉冲频率实现调频。由于开关管存在导通时间和关断时间,调压对调频、调频对调压存在相互影响,如图2所示。如果忽略开关管导通时间和关断时间,则调宽前波形11和调宽后波形12不存在相关影响,能得到预期的调压结果。在高频状态下,开关管的导通时间和关断时间是不能忽略的,考虑开关管导通时间和关断时间的调宽后波形13和考虑开关管导通时间和关断时间调频率后波形14之间是存在相互影响的,调频对调压有影响。同理,如果调频过程中使得脉宽过小,受限于开关管导通时间和关断时间的影响,则会导致脉冲的丢失,充分说明调压对调频有影响。这种相互影响关系可以使用下式表示:
表达式(1)中:
Δuu—电压调节回路控制量的增量(表示开关管导通时间的增加或减少);
Δuf—频率调节回路控制量的增量(表示开关管导通、截止交替频率的增加或减少);
Δyu—Δuu作用时引起的输出电压增量;Δyf—Δuf作用时引起的输出信号频率增量;
ku、kuf、kfu和kf为系数,当kuf不为零时,表示调频对调压有影响,当kfu不为零时,表示调压对调频有影响。
为了克服调压对调频的影响和调频对调压的影响,本发明使用BUCK变换电路2和H桥逆变电路3串联,两者设计有独立的控制信号,BUCK变换电路2按用户的设定电压完成电压调节,H桥逆变电路3按用户的频率设定值完成频率调节,消除了调压对调频的影响以及调频对调压的影响。BUCK变换电路2和H桥逆变电路3分别使用独立控制信号后,表达式(13)则转变为:
该表达式等效于:
上述表达式表明,为了调节电压施加的控制量增量Δuu只引起输出电压的变化,不影响频率的变化;同理,为了调节频率施加的控制量增量Δuf只引起输出信号频率的变化,不影响输出电压的变化。
本发明使用两级电路分别实现超声发生器的调压功能和调频功能,主要解决两大问题:一是超声发生器的可变频问题,具体表现为超声清洗机用户无法结合被清洗器械要求变更超声频率问题,生产不同频率的超声清洗机需要使用不同超声发生器,从而导致超声发生器品种繁多,维修维护需要的备品备件繁多等问题;二是单一逆变电路同时实现调压和调频时,受开关管导通时间和关断时间的制约,难以克服调频对调压、调压对调频相互之间的影响问题。
第二方面,本发明还提供了一种可变压可变频超声清洗机发生器控制方法,包括:
S1搭建超声发生器电路,所述超声发生器电路包括整流电路1、BUCK变换电路2、H桥逆变电路3和匹配网络9;
S2将嵌入式处理器的PWM输出引脚,经驱动后分别接入BUCK变换电路2的开关管Q0、H桥逆变电路3的HP控制端和HN控制端;
S3编写AOA-MFACu算法程序,将其控制量转化为占空比,以控制BUCK变换电路2开关管Q0的导通和关断;
S4编写AOA-MFACf算法程序,将计算得到的控制量转化为具有相应频率的交替变化的脉冲信号,以交替控制H桥逆变电路3的HP控制端和HN控制端;
S5超声发生器输出的高频振荡信号的电压振幅设定值和频率设定值开放到人机界面上;
将超声发生器输出的高频振荡信号的电压振幅设定值和频率设定值开放到人机界面上,便于用户根据要求进行设定。
S6将AOA-MFACu和AOA-MFACf算法的控制参数开放到人机界面上;
将AOA-MFACu和AOA-MFACf算法的控制参数开放到人机界面上,便于用户既可以使用系统优化得到的控制参数,也可以自己整定或微调算法的控制参数。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程,并依本发明权利要求所作的等同变化,仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种可变压可变频超声清洗机发生器,其特征在于,
包括整流电路、BUCK变换电路和H桥逆变电路;
所述BUCK变换电路和所述整流电路连接;所述H桥逆变电路和所述BUCK变换电路连接。
2.如权利要求1所述的一种可变压可变频超声清洗机发生器,其特征在于,
所述BUCK变换电路包括开关管Q0、电感L1、二极管D1和电解电容C1;
所述开关管Q0集电极和所述整流电路正极输出端连接;所述电感L1一端和所述开关管Q0发射极连接,另一端和所述H桥逆变电路连接;所述二极管D1负极和所述开关管Q0发射极连接,所述二极管D1正极和所述整流电路负极输出端连接;所述电解电容C1正极和所述电感L1连接,所述电解电容C1负极和所述二极管D1正极连接。
3.如权利要求2所述的一种可变压可变频超声清洗机发生器,其特征在于,
所述H桥逆变电路包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4;
所述开关管Q1集电极和所述电感L1连接;所述开关管Q2集电极和所述开关管Q1集电极连接;所述开关管Q3集电极和所述开关管Q1发射极连接,所述开关管Q3发射极和所述电解电容C1负极连接;所述开关管Q4集电极和所述开关管Q2发射极连接,所述开关管Q4发射极和所述开关管Q3发射极连接。
4.一种可变压可变频超声清洗机发生器控制方法,应用于如权利要求3所述的一种可变压可变频超声清洗机发生器,其特征在于,包括:
搭建超声发生器电路,所述超声发生器电路包括整流电路、BUCK变换电路、H桥逆变电路和匹配网络;
将嵌入式处理器的PWM输出引脚,经驱动后分别接入BUCK变换电路的开关管Q0、H桥逆变电路的HP控制端和HN控制端;
编写AOA-MFACu算法程序,将其控制量转化为占空比,以控制BUCK变换电路开关管Q0的导通和关断;
编写AOA-MFACf算法程序,将计算得到的控制量转化为具有相应频率的交替变化的脉冲信号,以交替控制H桥逆变电路的HP控制端和HN控制端。
5.如权利要求4所述的一种可变压可变频超声清洗机发生器控制方法,其特征在于,在所述编写AOA-MFACf算法程序,将计算得到的控制量转化为具有相应频率的交替变化的脉冲信号,以交替控制H桥逆变电路的HP控制端和HN控制端后,还包括:
超声发生器输出的高频振荡信号的电压振幅设定值和频率设定值开放到人机界面上。
6.如权利要求5所述的一种可变压可变频超声清洗机发生器控制方法,其特征在于,在所述超声发生器输出的高频振荡信号的电压振幅设定值和频率设定值开放到人机界面上后,还包括:
将AOA-MFACu和AOA-MFACf算法的控制参数开放到人机界面上。
7.如权利要求6所述的一种可变压可变频超声清洗机发生器控制方法,其特征在于,
所述嵌入式处理器采用STM32单片机,在STM32单片机中包含有AOA-MFACu和AOA-MFACf算法程序。
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