内容发布更新时间 : 2024/11/20 4:57:05星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

大学生挑战杯科技制作超声波振动筛自动控制电源

来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

3.2 单片机采集数据的设计

数据采集是分析模拟信号量数据的有效方法。而实时显示数据是自动化检测系统的现实需求。在测试空空导弹导引头的过程中，导引头的响应信号包括内部二次电源信号和模拟量电压信号。检测过程中要求检测系统实时显示导引头的工作状态，显示二次电源和模拟量响应电压信号，判断导引头性能，同时保证在非常情况下人为对导引头做出应急处理，保护导引头。对于模拟量电压信号，通常采用模数转换、事后数据标定的方法实现。根据现实需求，研制相应检测系统可作为导引头日常维护和修理的重要工具。

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3.3 PID算法

在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。控制点目前包含三种比较简单的ＰＩＤ控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 这三种ＰＩＤ算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。

PID增量式算法

离散化公式： 注：各符号含义如下 u(t)控制器的输出值。

e(t) 控制器输入与设定值之间的误差。 Kp 比例系数。 Ti积分时间常数。

Td 微分时间常数。 T调节周期 3.4 自动跟踪频率

在超声振动加工中, 为得到大的振幅以提高加工质量, 发挥超声加工的优越性, 要求振动系统工作在谐振状态。一般, 换能器振动系

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统工作前, 通过调节电源的电频率, 可满足系统处于共振的工作条件

但是, 在实际加工中, 由于负载的变化、系统发热等一系列因素 影响, 使振动系统的固有频率发生变化, 此时, 若不及时调整换能器的电源频率 即不采用自动频率跟踪 , 振动系统将工作在非谐振状态, 从而使振动系统的输出振幅减小, 造成加工质量下降, 当失谐严重时, 超声振动加工的优越性消失 因此, 在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要的。

所谓自动频率跟踪, 是指在加工过程中, 当由换能器、变幅杆、刀具组成的振动系统在外界因素影响下, 其固有振动频率发生变化时, 控制系统能立即发现变化后的固有频率并及时调整供电频率与变化后的固有频率相同, 使振动系统始终工作在谐振状态, 以维持振动系统的最大振幅 或者说是维持最大振动速度 。若在所有情况下, 均能保证供电频率 fg 与振动系统固有频率fo 相等, 则自动频率跟踪系统是理想的, 但这是非常困难和不易实现的。对于一个实际的跟踪系统来说, 只要能使供电频率fg 与振动系统的固有频率fo 比较接近, 频率失调f1= f o - f g 较小 f 1 ≤f即可。2f称为振动系统的有效带宽, 在此带宽范围内, 系统的振幅不会下降

3.5 DDS高精度振荡源的应用

一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分（如Q2220）。频率控制寄存器可以串行或并行

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的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据 频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号频率分辨率高，输出频点多，可达2的N次方个频点(N为相位累加器位数)；

频率切换速度快，可达us量级； 频率切换时相位连续； 可以输出宽带正交信号；

输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用； 可以产生任意波形；

全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。

在各行各业的测试应用中，信号源扮演着极为重要的作用。但信号源具有许多不同的类型，不同类型的信号源在功能和特性上各不相同，分别适用于许多不同的应用。目前，最常见的信号源类型包括任意波形发生器，函数发生器，RF信号源，以及基本的模拟输出模块。信号源中采用DDS技术在当前的测试测量行业已经逐渐称为一种主流的做法。

系统流程图

核心A：频率跟踪，调整程序

开机——频段一初始化扫描——谐振电流是否合适（否转B）——A

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——电流是否合适——继续原频率——转至A

B ：切换频段2——谐振频率是否合适（否转C）——A——电流是否合适（否转D）——继续原频率——转至A C ：LED显示错误信息 D ：PID算法送出新的频率

作品创新点与技术指标

创新点：

采用PID控制算法实现振动系统频率的自动跟踪，从而自动调节振源频率，程序中有频率扫描和跟踪功能，并快速分析出频率变化和功率变化的区别，匹配调整电路，可以方便的根据负载的变化为换能器找到最佳的工作点，从而自动调节振源频率和占空比，巧妙地避免了因为频率的失谐而造成的设备工作缺陷。 技术关键：

1：PID算法的单片机实现。 2：PMW控制芯片的实现

3：频率跟踪和功率调整电路的实现。 4：DDS高精度振荡源的应用。 5：12864显示屏的应用。 6：单片机AD和DA的应用 技术指标： 1.跟踪时间：2秒钟 2.频率调整精度：3赫兹

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