(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 109546991 A(43)申请公布日 2019.03.29
(21)申请号 201811452090.2(22)申请日 2018.11.30
(71)申请人 杭州国彪超声设备有限公司
地址 310000 浙江省杭州市经济技术开发
区6号大街260号3F幢4楼(72)发明人 陈华葵 郑松
(74)专利代理机构 北京高沃律师事务所 11569
代理人 程华(51)Int.Cl.
H03J 7/02(2006.01)G06N 5/04(2006.01)
权利要求书4页 说明书12页 附图3页
(54)发明名称
应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法及系统(57)摘要
本发明公开了一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法及系统，主要包括判断当前时刻电流有效值与当前时刻之前检测到的电流有效值的最大值的差的绝对值是否大于第一阈值，若是采用模糊推理变步长算法计算下一时刻搜索频率值，否则采用线性变步长算法计算；判断下一时刻搜索频率值是否达到最高搜索频率值，若是则将电流最大值对应的搜索频率值确定为谐振频率值，否则继续迭代直到满足；根据谐振频率值调整当前时刻频率值直到满足超声波换能器处于谐振频率点时电压相位与电流相位同相特性，实现更宽频域内超声波换能器谐振频率的搜索匹配跟踪，提高搜索跟踪时效性和精准性，保证谐振系统一直处于稳定谐振状态。
CN 109546991 ACN 109546991 A
权 利 要 求 书
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1.一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，其特征在于，所述频率搜索匹配跟踪方法包括：
获取当前时刻电流有效值、当前时刻搜索频率值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值；所述电流最大值为从起始时刻到当前时刻期间所检测到的最大的电流有效值；
计算第一绝对值；所述第一绝对值为所述当前时刻电流有效值与所述电流最大值的差值的绝对值；
判断所述第一绝对值是否大于设定的第一阈值，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述第一绝对值大于所述第一阈值，则采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长；
若所述第一判断结果表示所述第一绝对值小于或者等于所述第一阈值，则采用线性变步长算法计算下一时刻步长；
根据所述下一时刻步长以及所述当前时刻搜索频率值，计算下一时刻搜索频率值；判断所述下一时刻搜索频率值是否达到设定的最高搜索频率值，得到第二判断结果；若所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值未达到所述最高搜索频率值，则获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值、下一时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回计算第一绝对值步骤；
若所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值达到所述最高搜索频率值，则将整个搜索过程中的电流最大值对应的搜索频率值确定为谐振频率值；
比较当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位；
若所述当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位同相，则实现宽频超声波电源的谐振频率跟踪；
若所述当前时刻频率值对应的电流相位超过电压相位，则根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，减少步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回比较当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位步骤；
若所述当前时刻频率值对应的电压相位超过电流相位，则根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，增加步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回比较当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位步骤。
2.根据权利要求1所述的应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，其特征在于，在获取当前时刻电流有效值、当前时刻搜索频率值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值之前，所述频率搜索匹配跟踪方法还包括：对步长、电流最大值和谐振频率值进行初始化；电流最大值的初始值为0；谐振频率值的初始值为20KHz。
3.根据权利要求1所述的应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，其特征在于，所述获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值、下一时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回计算第
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一绝对值步骤，具体包括：
获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值；
判断所述下一时刻电流有效值是否大于所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果表示所述下一时刻电流有效值大于所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，则将所述下一时刻电流有效值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值，将所述下一时刻搜索频率值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回计算第一绝对值步骤；
若所述第三判断结果表示所述下一时刻电流有效值小于或者等于所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，则将所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值，将所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回计算第一绝对值步骤。
4.根据权利要求1所述的应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，其特征在于，所述根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，减少步长，得到更新后的当前时刻频率值，具体包括：
计算第二绝对值；所述第二绝对值为所述谐振频率值与所述当前时刻频率值的差值的绝对值；
判断所述第二绝对值是否大于设定的第二阈值，得到第四判断结果；若所述第四判断结果表示所述第二绝对值小于或者等于所述第二阈值，则采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长；
若所述第四判断结果表示所述第二绝对值大于所述第二阈值，则采用线性变步长算法计算下一时刻步长；
将所述当前时刻频率值与所述下一时刻步长的差值确定为更新后的当前时刻频率值。5.根据权利要求1所述的应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，其特征在于，所述根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，增加步长，得到更新后的当前时刻频率值，具体包括
计算第二绝对值；所述第二绝对值为所述谐振频率值与所述当前时刻频率值的差值的绝对值；
判断所述第二绝对值是否大于设定的第二阈值，得到第五判断结果；若所述第五判断结果表示所述第二绝对值小于或者等于所述第二阈值，则采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长；
若所述第五判断结果表示所述第二绝对值大于所述第二阈值，则采用线性变步长算法计算下一时刻步长；
将所述当前时刻频率值与所述下一时刻步长的和确定为更新后的当前时刻频率值。6.根据权利要求1、4、5任意一项所述的应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，其特征在于，所述采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长，具体包括：
建立模糊推理规则和变步长模糊推理系统；所述变步长模糊推理系统为
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其中，ik为k时刻电流有效值，ik+1为k+1时刻电流有效
值，Δek为k+1时刻电流有效值与k时刻电流有效值的电流差值；Dk为控制器输出的反馈电流
误差ej与控制器输出的当前时刻电流有效值ij的相关度函数，其中j＝k-n，n为所选取的所选取控制器阶数；Ffis为模糊推理函数，usk+1为推理得到的k+1时刻基步长，Δuk+1为k+1时刻步长变化量；
根据所述当前时刻电流有效值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，确定相关度函数Dk推理级别和电流差值Δek推理级别；
结合所述变步长模糊推理系统，根据所述电流差值Δek推理级别、所述相关度函数Dk推理级别分别确定下一时刻基步长推理级别和下一时刻步长变化量推理级别；
根据所述下一时刻基步长推理级别和所述下一时刻步长变化量推理级别，结合所述模糊推理规则，确定下一时刻基步长和下一时刻步长变化量；
根据所述下一时刻基步长和所述下一时刻步长变化量，计算下一时刻初步步长；根据所述下一时刻初步步长以及预先设定的临界频率附近步长的最大值和最小值，确定下一时刻步长。
7.根据权利要求1、4、5任意一项所述的应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，其特征在于，所述采用线性变步长算法计算下一时刻步长，具体包括：
建立线性变步长系统；所述线性变步长系统为其中，ub为距离谐
振频率较远时的基步长，u0为初始步长；imax表示当前时刻及之前所检测到的电流最大值，ik为k时刻电流有效值，Δikmax表示当前时刻及之前所检测到的电流最大值与k时刻电流有效值的差值；ik-1为k-1时刻电流有效值，m为确定系数；uk为k时刻步长，Δuk为k时刻步长变化量；u'k+1为k+1时刻初步步长；
将当前时刻电流有效值、上一时刻电流有效值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及当前时刻步长输入到所述线性变步长系统中，得到下一时刻初步步长；
根据所述下一时刻初步步长以及设定的谐振系统临界稳定时步长的最大值和最小值，计算下一时刻步长。
8.根据权利要求1所述的应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，其特征在
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于，所述根据所述下一时刻步长以及当前时刻搜索频率值，计算下一时刻搜索频率值，具体包括：
将所述下一时刻步长与所述当前时刻搜索频率值的和确定为下一时刻搜索频率值。9.根据权利要求1所述的应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，其特征在于，所述最高搜索频率值为100KHz。
10.一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪系统，其特征在于，所述频率搜索匹配跟踪系统包括：
第一获取模块，用于获取当前时刻电流有效值、当前时刻搜索频率值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值；所述电流最大值为从起始时刻到当前时刻期间所检测到的最大的电流有效值；
第一绝对值计算模块，用于计算第一绝对值；所述第一绝对值为所述当前时刻电流有效值与所述电流最大值的差值的绝对值；
第一判断结果得到模块，用于判断所述第一绝对值是否大于设定的第一阈值，得到第一判断结果；
下一时刻步长计算模块，用于当所述第一判断结果表示所述第一绝对值大于所述第一阈值时采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长，或者当所述第一判断结果表示所述第一绝对值小于或者等于所述第一阈值时采用线性变步长算法计算下一时刻步长；
下一时刻搜索频率值计算模块，用于根据所述下一时刻步长以及所述当前时刻搜索频率值，计算下一时刻搜索频率值；
第二判断结果得到模块，用于判断所述下一时刻搜索频率值是否达到设定的最高搜索频率值，得到第二判断结果；
第一返回模块，用于当所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值未达到所述最高搜索频率值时，获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值、下一时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，返回第一绝对值计算模块；
谐振频率值确定模块，用于当若所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值达到所述最高搜索频率值时，将整个搜索过程中的电流最大值对应的搜索频率值确定为谐振频率值；
比较模块，用于比较当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位；跟踪实现模块，用于当所述当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位同相时，实现宽频超声波电源的谐振频率跟踪；
第二返回模块，用于当所述当前时刻频率值对应的电流相位超过电压相位时，根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，减少步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回比较模块，或者当所述当前时刻频率值对应的电压相位超过电流相位时，根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，增加步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回比较模块。
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应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法及系统
技术领域
[0001]本发明涉及超声波电源技术领域，具体涉及一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法及系统。
背景技术
[0002]超声波电源通常称为超声波发生器，现阶段超声波电源广泛应用于超声波清洗、加工、诊断等领域。超声波电源的作用是将电能转换成与超声波换能器匹配的高频交流信号，其中，超声波换能器是一种将超音频的电能转变为机械振动的器件。由于超声波换能器是一种容性负载，所以超声波换能器与超声波发生器之间需要进行阻抗匹配才能工作在最佳状态。但是传统的超声波电源因为含有高次谐波会使输出电压出现畸变，且环境温度或者元器件的老化等原因会导致超声波换能器的谐振频率发生飘移，使谐振系统失谐。传统的解决办法是频率跟踪，但是传统的超声波频率跟踪方法往往需要在一定频率范围内搜索超声波电源谐振频率，需要花费大量的计算时间，导致谐振系统的过度周期很长。[0003]尤其在宽频超声波电源中，传统的超声波电源的频率搜索匹配和跟踪算法往往难以实现宽频域内的不同谐振频段的超声波换能器的频率跟踪问题，而且在宽频段信号的搜索过程中，对于离谐振点频率较远的信号往往信号较差，所以现有方法对宽频带的频率信号的搜索与检测很不理想。
发明内容
[0004]为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法及系统。[0005]为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0006]一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，所述频率搜索匹配跟踪方法包括：
[0007]获取当前时刻电流有效值、当前时刻搜索频率值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值；所述电流最大值为从起始时刻到当前时刻期间所检测到的最大的电流有效值；[0008]计算第一绝对值；所述第一绝对值为所述当前时刻电流有效值与所述电流最大值的差值的绝对值；[0009]判断所述第一绝对值是否大于设定的第一阈值，得到第一判断结果；[0010]若所述第一判断结果表示所述第一绝对值大于所述第一阈值，则采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长；
[0011]若所述第一判断结果表示所述第一绝对值小于或者等于所述第一阈值，则采用线性变步长算法计算下一时刻步长；
[0012]根据所述下一时刻步长以及所述当前时刻搜索频率值，计算下一时刻搜索频率值；
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判断所述下一时刻搜索频率值是否达到设定的最高搜索频率值，得到第二判断结
果；
若所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值未达到所述最高搜索频率值，
则获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值、下一时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回计算第一绝对值步骤；
[0015]若所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值达到所述最高搜索频率值，则将整个搜索过程中的电流最大值对应的搜索频率值确定为谐振频率值；[0016]比较当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位；
[0017]若所述当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位同相，则实现宽频超声波电源的谐振频率跟踪；
[0018]若所述当前时刻频率值对应的电流相位超过电压相位，则根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，减少步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回比较当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位步骤；
[0019]若所述当前时刻频率值对应的电压相位超过电流相位，则根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，增加步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回比较当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位步骤。
[0020]可选的，在获取当前时刻电流有效值、当前时刻搜索频率值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值之前，所述频率搜索匹配跟踪方法还包括：对步长、电流最大值和谐振频率值进行初始化；电流最大值的初始值为0；谐振频率值的初始值为20KHz。[0021]可选的，所述获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值、下一时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回计算第一绝对值步骤，具体包括：[0022]获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值；[0023]判断所述下一时刻电流有效值是否大于所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，得到第三判断结果；
[0024]若所述第三判断结果表示所述下一时刻电流有效值大于所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，则将所述下一时刻电流有效值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值，将所述下一时刻搜索频率值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回计算第一绝对值步骤；
[0025]若所述第三判断结果表示所述下一时刻电流有效值小于或者等于所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，则将所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值，将所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回计算第一绝对值步骤。[0026]可选的，所述根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，减少步长，得到更新后
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的当前时刻频率值，具体包括：[0027]计算第二绝对值；所述第二绝对值为所述谐振频率值与所述当前时刻频率值的差值的绝对值；[0028]判断所述第二绝对值是否大于设定的第二阈值，得到第四判断结果；[0029]若所述第四判断结果表示所述第二绝对值小于或者等于所述第二阈值，则采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长；
[0030]若所述第四判断结果表示所述第二绝对值大于所述第二阈值，则采用线性变步长算法计算下一时刻步长；
[0031]将所述当前时刻频率值与所述下一时刻步长的差值确定为更新后的当前时刻频率值。
[0032]可选的，所述根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，增加步长，得到更新后的当前时刻频率值，具体包括[0033]计算第二绝对值；所述第二绝对值为所述谐振频率值与所述当前时刻频率值的差值的绝对值；[0034]判断所述第二绝对值是否大于设定的第二阈值，得到第五判断结果；[0035]若所述第五判断结果表示所述第二绝对值小于或者等于所述第二阈值，则采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长；
[0036]若所述第五判断结果表示所述第二绝对值大于所述第二阈值，则采用线性变步长算法计算下一时刻步长；
[0037]将所述当前时刻频率值与所述下一时刻步长的和确定为更新后的当前时刻频率值。
[0038]可选的，所述采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长，具体包括：[0039]建立模糊推理规则和变步长模糊推理系统；所述变步长模糊推理系统为
其中，ik为k时刻电流有效值，ik+1为k+1时刻电流有效
值，Δek为k+1时刻电流有效值与k时刻电流有效值的电流差值；Dk为控制器输出的反馈电流误差ej与控制器输出的当前时刻电流有效值ij的相关度函数，其中j＝k-n，n为所选取的所选取控制器阶数；Ffis为模糊推理函数，usk+1为推理得到的k+1时刻基步长，Δuk+1为k+1时刻步长变化量；
[0040]根据所述当前时刻电流有效值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，确定相关度函数Dk推理级别和电流差值Δek推理级别；[0041]结合所述变步长模糊推理系统，根据所述电流差值Δek推理级别、所述相关度函数Dk推理级别分别确定下一时刻基步长推理级别和下一时刻步长变化量推理级别；[0042]根据所述下一时刻基步长推理级别和所述下一时刻步长变化量推理级别，结合所述模糊推理规则，确定下一时刻基步长和下一时刻步长变化量；
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根据所述下一时刻基步长和所述下一时刻步长变化量，计算下一时刻初步步长；
[0044]根据所述下一时刻初步步长以及预先设定的临界频率附近步长的最大值和最小值，确定下一时刻步长。[0045]可选的，所述采用线性变步长算法计算下一时刻步长，具体包括：
[0046]建立线性变步长系统；所述线性变步长系统为其中，ub为
距离谐振频率较远时的基步长，u0为初始步长；imax表示当前时刻及之前所检测到的电流最大值，ik为k时刻电流有效值，Δik max表示当前时刻及之前所检测到的电流最大值与k时刻电流有效值的差值；ik-1为k-1时刻电流有效值，m为确定系数；uk为k时刻步长，Δuk为k时刻步长变化量；u'k+1为k+1时刻初步步长；[0047]将当前时刻电流有效值、上一时刻电流有效值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及当前时刻步长输入到所述线性变步长系统中，得到下一时刻初步步长；
[0048]根据所述下一时刻初步步长以及设定的谐振系统临界稳定时步长的最大值和最小值，计算下一时刻步长。[0049]可选的，所述根据所述下一时刻步长以及当前时刻搜索频率值，计算下一时刻搜索频率值，具体包括：
[0050]将所述下一时刻步长与所述当前时刻搜索频率值的和确定为下一时刻搜索频率值。
[0051]可选的，所述最高搜索频率值为100KHz。
[0052]一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪系统，所述频率搜索匹配跟踪系统包括：[0053]第一获取模块，用于获取当前时刻电流有效值、当前时刻搜索频率值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值；所述电流最大值为从起始时刻到当前时刻期间所检测到的最大的电流有效值；[0054]第一绝对值计算模块，用于计算第一绝对值；所述第一绝对值为所述当前时刻电流有效值与所述电流最大值的差值的绝对值；[0055]第一判断结果得到模块，用于判断所述第一绝对值是否大于设定的第一阈值，得到第一判断结果；
[0056]下一时刻步长计算模块，用于当所述第一判断结果表示所述第一绝对值大于所述第一阈值时采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长，或者当所述第一判断结果表示所述第一绝对值小于或者等于所述第一阈值时采用线性变步长算法计算下一时刻步长；[0057]下一时刻搜索频率值计算模块，用于根据所述下一时刻步长以及所述当前时刻搜
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索频率值，计算下一时刻搜索频率值；[0058]第二判断结果得到模块，用于判断所述下一时刻搜索频率值是否达到设定的最高搜索频率值，得到第二判断结果；[0059]第一返回模块，用于当所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值未达到所述最高搜索频率值时，获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值、下一时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，返回第一绝对值计算模块；
[0060]谐振频率值确定模块，用于当若所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值达到所述最高搜索频率值时，将整个搜索过程中的电流最大值对应的搜索频率值确定为谐振频率值；
[0061]比较模块，用于比较当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位；[0062]跟踪实现模块，用于当所述当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位同相时，实现宽频超声波电源的谐振频率跟踪；[0063]第二返回模块，用于当所述当前时刻频率值对应的电流相位超过电压相位时，根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，减少步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回比较模块，或者当所述当前时刻频率值对应的电压相位超过电流相位时，根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，增加步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回比较模块。
[0064]根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0065]本发明提供了一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法及系统。本发明在实现宽频超声波的超声波换能器的谐振频率搜索和谐振频率匹配及跟踪中，基于模糊推理变步长与线性变步长融合算法实现了谐振频率快速搜索，并且可以使宽频超声波电源一直稳定在谐振频率状态下。相比传统超声波电源，本发明实现了更宽频域内超声波换能器谐振频率的搜索，提高了搜索跟踪时效性和精准性，并且还保证谐振系统一直处于稳定谐振状态。
附图说明
[0066]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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0067]图1为本发明实施例应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法的流程示意图；
[0068]图2为本发明实施例模糊推理规则图；
[0069]图3为本发明实施例应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪系统的结构示意图。
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具体实施方式
[0070]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0071]本发明的目的是提供一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法及系统，能够实现更宽频域内谐振频率的搜索，提高搜索跟踪时效性和精准性，并且保证谐振系统一直处于稳定谐振状态。
[0072]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0073]本发明提供了一种针对宽频域20KHz-100KHz的超声波电源的谐振频率快速搜索跟踪，动态匹配超声波换能器的方法及系统。首先依据超声波换能器的电阻特性，设计出基于模糊推理的自适应变步长与线性变步长两种方法融合的动态变步长的宽频域频率搜索方法，可以实现对较宽频域内超声波换能器的谐振频率的快速搜索，然后对步长进行幅值限定，实现快速跟踪锁定超声波换能器的谐振频率，实现动态匹配超声波换能器，并根据超声波换能器的谐振状态下电压电流同相位特性，采用设计的基于模糊推理的自适应变步长与线性变步长两种方法融合的动态变步长的方法实时调整输出频率，使锁定超声波电源系统一直稳定在谐振状态。
[0074]基于超声波电源换能器阻抗的特性，在谐振频率附近时，阻抗变化明显，电流值变化明显，会出现电流最大值；而远离谐振频率时，阻抗变化不明显，电流变化较为微弱。根据这一特性，本发明在谐振频率附近时采用模糊推理变步长算法确定动态步长；在远离谐振频率时，采用线性变步长算法来确定动态补偿。[0075]基于以上原理，本发明实施例提供的一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪方法，如图1所示，包括：[0076]步骤101：获取当前时刻电流有效值、当前时刻搜索频率值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值；所述电流最大值为从起始时刻到当前时刻期间所检测到的最大的电流有效值。[0077]步骤102：计算第一绝对值；所述第一绝对值为所述当前时刻电流有效值与所述电流最大值的差值的绝对值。[0078]步骤103：判断所述第一绝对值是否大于设定的第一阈值，得到第一判断结果。若所述第一判断结果表示所述第一绝对值大于所述第一阈值，则执行步骤104。若所述第一判断结果表示所述第一绝对值小于或者等于所述第一阈值，则执行步骤105。[0079]步骤104：采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长。[0080]步骤105：采用线性变步长算法计算下一时刻步长。[0081]步骤106：根据所述下一时刻步长以及所述当前时刻搜索频率值，计算下一时刻搜索频率值，即将所述下一时刻步长与所述当前时刻搜索频率值的和确定为下一时刻搜索频率值。
[0082]步骤107：判断所述下一时刻搜索频率值是否达到设定的最高搜索频率值，得到第二判断结果。若所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值未达到所述最高搜索频率
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值，则执行步骤108；若所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值达到所述最高搜索频率值，则执行步骤109。所述最高搜索频率值为100KHz。[0083]步骤108：获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值、下一时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回，并返回步骤102。[0084]步骤109：将整个搜索过程中的电流最大值对应的搜索频率值确定为谐振频率值。[0085]步骤110：比较当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位。[0086]步骤111：若所述当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位同相，则实现宽频超声波电源的谐振频率跟踪。[0087]步骤112：若所述当前时刻频率值对应的电流相位超过电压相位，则根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，减少步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回步骤110。[0088]步骤113：若所述当前时刻频率值对应的电压相位超过电流相位，则根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，增加步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回步骤110。[0089]在执行步骤101之前，所述频率搜索匹配跟踪方法还包括：[0090]对步长、电流最大值和谐振频率值进行初始化；电流最大值的初始值为0；谐振频率值的初始值为20KHz。[0091]步骤108具体包括：
[0092]获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值。[0093]判断所述下一时刻电流有效值是否大于所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，得到第三判断结果。
[0094]若若所述第三判断结果表示所述下一时刻电流有效值大于所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，则将所述下一时刻电流有效值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值，将所述下一时刻搜索频率值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回步骤102。
[0095]若所述第三判断结果表示所述下一时刻电流有效值小于或者等于所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，则将所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值，将所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值确定为下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，并返回步骤102。
[0096]步骤110至步骤113的实现原理为在搜索到电流值最大对应的谐振频率之后，根据超声波换能器处于谐振频率点时电压电流相位相同的特性，基于模糊推理变步长算法与线性变步长算法融合实现谐振频率的稳定和跟踪，使谐振系统稳定在谐振点处。当电流相位超过电压相位时，需减少变步长，当电压相位超过电流相位时，需增加变步长，具体是通过当前时刻频率值与谐振频率值的差值的绝对值|ΔF|与设定的频率阈值Fy的大小比较确定选择动态变步长算法，进而实现频率的稳定快速跟踪，使超声波电源换能器一直稳定处在谐振频率匹配状态下。
[0097]步骤112具体包括：
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计算第二绝对值；所述第二绝对值为所述谐振频率值与所述当前时刻频率值的差
值的绝对值。[0099]判断所述第二绝对值是否大于设定的第二阈值，得到第四判断结果。[0100]若所述第四判断结果表示所述第二绝对值小于或者等于所述第二阈值，则采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长。
[0101]若所述第四判断结果表示所述第二绝对值大于所述第二阈值，则采用线性变步长算法计算下一时刻步长。
[0102]将所述当前时刻频率值与所述下一时刻步长的差值确定为更新后的当前时刻频率值。
[0103]步骤113具体包括：[0104]计算第二绝对值；所述第二绝对值为所述谐振频率值与所述当前时刻频率值的差值的绝对值。[0105]判断所述第二绝对值是否大于设定的第二阈值，得到第五判断结果。[0106]若所述第五判断结果表示所述第二绝对值小于或者等于所述第二阈值，则采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长。
[0107]若所述第五判断结果表示所述第二绝对值大于所述第二阈值，则采用线性变步长算法计算下一时刻步长。
[0108]将所述当前时刻频率值与所述下一时刻步长的和确定为更新后的当前时刻频率值。
[0109]变步长模糊推理系统，用于实现基于模糊推理变步长算法，快速完成在谐振频率附近时的谐振频率搜索与匹配，主要包括输入量输出量的选取，各个输入量输出量隶属函数的定义。选取Δek和Dk作为变步长模糊推理系统的输入量，k+1时刻基步长usk+1、k+1时刻步长变化量Δuk+1作为变步长模糊推理系统的输出量，推导公式如公式(1)。建立如图2的模糊推理规则，当Δek的隶属度选择小(S)的时候，对应的步长u也选择小(S)，并以此类推。[0110]采用模糊推理变步长算法，可以快速在谐振频率附近确定相应动态步长，实现谐振频率的快速搜索、匹配及跟踪。另外在模糊推理变步长算法中，通过对步长的幅值进行限定，在保证较快的响应速度的同时又能保证较小的稳态误差。[0111]线性变步长算法，实现离谐振频率较远时对于频率信号的快速搜索，推导公式如公式(4)。通过确定系数m来确定某一周期时刻的动态步长，实现距离谐振频率较远时的搜索与匹配。在线性变步长算法中，通过对步长的幅值进行限定，在保证较快的响应速度的同时又能保证较小的稳态误差。
[0112]本发明基于模糊推理变步长算法与线性变步长算法融合的谐振频率搜索算法。通过判断某一时刻电流有效值与电流最大值的差值的绝对值大小Δik max与设定的阈值iy进行比较，进行算法组合，当Δik max小于iy时，说明距离谐振频率较远选择线性变步长算法；当Δik max大于iy时，说明在谐振频率附近，选择模糊推理变步长算法。与传统算法相比，加快了谐振频率的搜索，并且在频率搜索结束之后，输出对应电流值最大时对应的频率值Fi max。
[0113]下面详细讲解下采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长步骤。[0114]首先建立变步长模糊推理系统，所述变步长模糊推理系统推导公式如下：
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其中，ik为k时刻电流有效值，ik+1为k+1时刻电流有效值，Δek为k+1时刻电流有效值与k时刻电流有效值的电流差值；Dk为控制器输出的反馈电流误差ej与控制器输出的当前时刻电流有效值ij的相关度函数，其中j＝k-n，n为所选取的所选取控制器阶数；Ffis为模糊推理函数，usk+1为推理得到的k+1时刻基步长，Δuk+1为k+1时刻步长变化量。[0116]其次，建立如图2所示的模糊推理规则。模糊推理变步长算法是指按照建立的模糊推理规则的模糊控制器的原理机制设计的变步长算法。
[0117]选用三角形模糊函数来描述输入变量和输出变量，输入变量、输出变量均分为小(S)、中(M)、大(L)三个等级，中心分别对应Sc,Mc,Lc。[0118]各输入变量、输出变量的隶属度选取方法如下：Dk为电流差值和当前时刻电流值在选定数据窗口下的相关度函数，其大小等级也是分为SML三个等级，每个等级中心是通过反复实验得出来的常数，即s，m，l是实验得出来的常数。那么，输入相关度函数Dk的大小等级通过反复试验获得，满足Dk：{Sc＝s,Mc＝m,Lc＝l}。
[0119]输入误差取决于k时刻电流有效值与k时刻及之前检测到的电流最大值的大小，满足Δek：{Sc＝sek,Mc＝mek,Lc＝lek}。
[0120]输出步长的大小等级参照公式(3)中选取的临界频率附近步长最大值及最小值，满足u:{Sc＝us min,Mc＝0.5us max,Lc＝us max}。
[0121]输出步长变化量Δuk的大小等级根据最大临界步长的大小来确定，大小等级满足如下Δuk：{Sc＝0.01us max,Mc＝0.05us max,Lc＝0.1us max}。[0122]当Δek的隶属度选择小(S)的时候，对应的步长u也选择小(S)，并以此类推。[0123]再者，根据所述当前时刻电流有效值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值，确定相关度函数Dk推理级别和电流差值Δek推理级别。[0124]结合所述变步长模糊推理系统，根据所述相关度函数Dk推理级别确定下一时刻步长变化量推理级别，根据所述电流差值Δek推理级别确定下一时刻基步长推理级别。根据相关度函数Dk的大小，当相关度小时，说明在谐振点附近，需要用小步长细致搜索，当相关度较大时，说明相对于谐振点较远，需要用较大步长搜索。
[0125]根据所述下一时刻基步长推理级别和所述下一时刻步长变化量推理级别，结合所述模糊推理规则，确定下一时刻基步长和下一时刻步长变化量。
[0126]然后根据所述下一时刻基步长和所述下一时刻步长变化量，计算下一时刻初步步长。
[0127]在谐振点频率附近时设定基步长us0，得到下一时刻初步步长u'k+1：
[0128]
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最后，由于在模糊推理变步长算法中，还需要对步长的幅值进行限定，在保证较快
的响应速度的同时又能保证较小的稳态误差。所以还需要根据实际的控制器确定临界频率附近步长的最大值和最小值。
[0130]根据所述下一时刻初步步长以及预先设定的临界频率附近步长的最大值和最小值，确定下一时刻步长。
[0131]
其中，us max为在谐振点附近的系统临界稳定的步长最大值，us min为兼顾系统稳态、失调以及收敛速度的步长最小值。
[0133]所述采用线性变步长算法计算下一时刻步长具体包括：[0134]首先，建立线性变步长系统，所述线性变步长系统实现了线性变步长算法，实现离谐振频率较远时对于频率信号的快速搜索。通过确定系数m来确定某一周期时刻的动态步长，实现距离谐振频率较远时的搜索与匹配。
[0132]
[0135]所述线性变步长系统为
其中，ub为距离谐振频率较远时的基步长，u0为初始步长；imax表示当前时刻及之前所检测到的电流最大值，ik为k时刻电流有效值，Δik max表示当前时刻及之前所检测到的电流最大值与k时刻电流有效值的差值；ik-1为k-1时刻电流有效值，m为确定系数；uk为k时刻步长，Δuk为k时刻步长变化量；u'k+1为k+1时刻初步步长。[0136]其次，将当前时刻电流有效值、上一时刻电流有效值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及当前时刻步长输入到所述线性变步长系统中，得到下一时刻初步步长。[0137]再者，需要对步长的幅值进行限定以保证较快的响应速度的同时又能保证较小的稳态误差。所以根据所述下一时刻初步步长以及设定的谐振系统临界稳定时步长的最大值和最小值，计算下一时刻步长。
[0138]其计算公式为
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其中，ub max为在距离谐振频率较远时的系统临界稳定的步长最大值，ub min为兼顾
系统稳态、失调以及收敛速度的步长最小值。[0140]为实现本发明的目的，本发明实施例还提供了一种应用于宽频超声波电源的频率搜索匹配跟踪系统，如图3所示，所述频率搜索匹配跟踪系统包括：[0141]第一获取模块100，用于获取当前时刻电流有效值、当前时刻搜索频率值、当前时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述当前时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值；所述电流最大值为从起始时刻到当前时刻期间所检测到的最大的电流有效值。
[0142]第一绝对值计算模块200，用于计算第一绝对值；所述第一绝对值为所述当前时刻电流有效值与所述电流最大值的差值的绝对值。[0143]第一判断结果得到模块300，用于判断所述第一绝对值是否大于设定的第一阈值，得到第一判断结果。
[0144]下一时刻步长计算模块400，用于当所述第一判断结果表示所述第一绝对值大于所述第一阈值时采用模糊推理变步长算法计算下一时刻步长，或者当所述第一判断结果表示所述第一绝对值小于或者等于所述第一阈值时采用线性变步长算法计算下一时刻步长。[0145]下一时刻搜索频率值计算模块500，用于根据所述下一时刻步长以及所述当前时刻搜索频率值，计算下一时刻搜索频率值。[0146]第二判断结果得到模块600，用于判断所述下一时刻搜索频率值是否达到设定的最高搜索频率值，得到第二判断结果。[0147]第一返回模块700，用于当所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值未达到所述最高搜索频率值时，获取下一时刻电流有效值、下一时刻搜索频率值、下一时刻及之前所检测到的电流最大值以及所述下一时刻及之前所检测到的电流最大值对应的搜索频率值，返回第一绝对值计算模块。[0148]谐振频率值确定模块800，用于当若所述第二判断结果表示所述下一时刻搜索频率值达到所述最高搜索频率值时，将整个搜索过程中的电流最大值对应的搜索频率值确定为谐振频率值。
[0149]比较模块900，用于比较当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位。[0150]跟踪实现模块1000，用于当所述当前时刻频率值对应的电压相位与电流相位同相时，实现宽频超声波电源的谐振频率跟踪。[0151]第二返回模块1100，用于当所述当前时刻频率值对应的电流相位超过电压相位时，根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，减少步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回比较模块，或者当所述当前时刻频率值对应的电压相位超过电流相位时，根据所述谐振频率值和所述当前时刻频率值，增加步长，得到更新后的当前时刻频率值，并将所述更新后的当前时刻频率值替换所述当前时刻频率值，返回比较模块900。
[0152]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说
明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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