Page 203 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 胡航溢等： 基于改进粒子群算法的超声雾化电源频率跟踪 199

超声雾化电源的负载适应性，满足不同雾化的需
0 引言
求。硬件电路部分采用基于双路电流反馈与二分
超声波雾化因其效果好、效率高、成本低等优 法扫频设计的频率跟踪电路，结合半桥逆变电路
点拥有很好的应用前景。在超声雾化系统中，超声 输出；软件部分设计基于改进粒子群算法 (Particle
电源是其重要的组成部分。为了使换能器的工作效 swarm optimization, PSO)优化PID参数的频率跟
率达到最佳，超声电源的输出频率需要与换能器的 踪算法。
谐振频率保持一致 [1] 。但是由于换能器负载的变化
和换能器发热等原因，换能器的谐振频率点会发生 1 电源总体设计
漂移。如果不及时改变超声电源的驱动频率，则会
电源系统主要包括整流电路、高频逆变器、高
使换能器失谐，导致效率降低、发热更严重，甚至损
频变压器、匹配电路、主控系统以及检测电路。电
坏换能器 [2] 。因此，在实际应用中要求超声电源具
源采用 STM32F1 单片机作为主控芯片 [6] ，设计半
有自动频率跟踪功能，实时跟踪换能器的谐振频率
桥逆变模块，经过高频变压器升压后驱动换能器工
点，保证换能器在谐振状态下稳定工作。
目前，超声波电源多数采用数字控制 [3] 电路。 作。根据外界负载和温度的变化，采集谐振端的电
数字控制就是用数字信号处理采集到的数字量控 压、电流信号，经过相位差检测电路和电流有效值检
制超声电源的输出状态。采用数字控制的超声波电 测电路来判断当前输出频率与实际谐振频率之间
源能够较好地跟踪换能器的频率变化，也能够应对 的偏差，再通过改变脉冲宽度调制波 (Pulse width
一些负载突变的复杂情况，保护换能器和整个系统。 modulation wave, PWM) 的输出频率来实现高效、
超声电源中数字控制采用的普通 PID 算法由于参 快速的超声电源频率自动跟踪。
数固定，在负载变化时缺乏稳定性和鲁棒性，难以 图 1 是主电路的逆变模块，将单片机输出的
满足快速频率跟踪的要求 [4] 。为了优化超声电源的 PWM 波信号输入至 IR2103 半桥控制芯片，通过时
数字控制，采用模糊PID和粒子群算法比较适合 [5] ， 序逻辑的改变来控制 MOS 管的开关，半桥驱动电
而粒子群算法由于具有动态适应性强、改进方法多 路将输入的24 V直流电压转变成交流电压，该交流
等优点更为推荐。 电压经变压器放大后再通过串联一个电感进行阻
因此，本文在对超声雾化系统整体特性研究的 抗匹配。匹配后换能器的等效负载接近纯阻性时，
基础上，对传统的超声电源进行设计改进，以提高 其有效输出功率达到最大。

D5 C 5 10 mF 24 V IN
12 V +
SS54
IC1
D
1 VCC VB 8 D2
PWM 2 HIN HO 7 G Q1 C 2 4.7 mF/
3 6 IRFP150 100 V
C 6 100 nF 4 LIN VS 5 B5819
COM LO S
R 4 20 W R 2 10 kW
IR2103S
R 6 10 W 6
D3 D
G Q2
C 3 4.7 mF/ 7
IRFP150
100 V
B5819 S C 4 2.2 nF /400 V
R 5 20 W
R 3 10 kW
GND
图 1 主电路: 逆变电路

Fig. 1 Main circuit: inverter circuit