丁艳华，郑 宏，肖 凤，马海乐

(1.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏大学食品与生物工程学院，江苏 镇江 212013；3.江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013)

目前功率超声已应用于医学检测与治疗、超声清洗、超声辅助制备化工材料、超声生物处理等诸多领域[1－2]。但大部分场所使用的超声波电源存在技术老化，多数采用单纯的模拟控制，存在频率模式单一、频率漂移严重、能耗高、体积大等缺点[3－5]。因此，如何使超声电源将电能最大幅度地转换成声能，作用于超声对象，已成为超声技术的重要课题[6]。已有研究学者将数字控制取代传统超声中常用的模拟电路闭环控制，并发现可使输出频率在负载突变时较好地跟踪超声换能器的频率变化，可减小损耗，提高效率[7]。但是单一的经典比例积分微分(proportional integral derivative，PID)闭环控制参数整定过程繁琐，缺乏较好的实时性和鲁棒性[8]，需要不断实时调整参数，难以满足超声电源快速频率跟踪的要求。而粒子群算法在众多的优化算法中由于其稳定可靠、动态适应性强，针对不同的系统可做改进，在闭环控制中应用及其广泛[9]。

本文设计了一种可用于食品原料辅助加工的超声波电源，主电路拓扑为可控硅调节功率结合全桥逆变结构，满足不同条件下的食品物料处理的要求。控制部分采用高速微控制器联合直接数字式频率合成器(digital frequency synthesizer，DDS)，频率的快速跟踪采用改进的粒子群算法(particle swarm optimization，PSO)结合PID 闭环控制，使频率跟踪更加快速、精确。

1 主电路拓扑结构

图1 所示为超声波电源主电路的拓扑结构，分为前级整流、中间逆变级和后级阻抗匹配及调谐三个部分。……