电声换能系统及其混频波阻抗匹配方法、控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电声换能系统及其混频波阻抗匹配方法、控制系统，阻抗匹配电路包括单相全桥逆变器以及交流测输出滤波电感L

【技术实现步骤摘要】
电声换能系统及其混频波阻抗匹配方法、控制系统


[0001]本专利技术涉及电气工程中的变流
，特别是一种电声换能系统及其混频波阻抗匹配方法、控制系统。

技术介绍

[0002]超磁致伸缩换能器是电声换能系统的重要组成部分，是实现电声能量转换的关键设备。超磁致伸缩换能器相当于一个阻感负载，因此，功率放大器给换能器供电的过程中不仅传递有功功率，同时也传递了大量的无功功率，从而导致功率放大器的容量没有得到充分利用，同时也没有达到电声换能器要有较高的输出功率和能量转化效率的要求。使功率放大器输出更多有功功率最直接的方法是使用更大容量的功率放大器，但其输出相应的无功功率也成比例增大，并不能降低功率放大器输出的无功功率来提高其功率因数。此外，功率放大器容量的增加要求开关器件能够承受更高的电压、更大的电流或异常热应力。较好的方法是在功率放大器和之间配备阻抗匹配网络，以此来提高整个系统的效率，并减少系统无功传递，减小系统发热，提升系统可靠运行的能力。
[0003]换能器仅发出单频波或者窄频带的声波时，目前常用的阻抗匹配网络多由单个固定电容、电容阵列或多组阻抗匹配电路构成。CN108882108A公开了一种电容组阻抗匹配方法，其可以根据换能器工作环境以及负载变化的情况进行阻抗匹配。但是，其需要多个单电容进行组合，因此具有体积大、以及匹配精度低的缺点，只能实现“有级”调节，不能实现“无级”调节，即所谓的连续调节。此外，对于电容器的投切，还需考虑投切时产生的冲击电流，以防冲击电流对系统稳定性产生影响。CN113037230A公开了一种电声换能系统阻抗匹配控制方法及系统，其采用阻抗匹配网络对无功电压进行补偿，采用此方法进行混频波阻抗匹配时，功率放大器的输出电流较大，功放功率器件的电流应力较大。该方法匹配时需进行负载等效电阻电感参数辨识来获取无功电压，对于等效阻抗易变的换能器负载来说，负载参数辨识结果的波动性影响参考无功电压的计算精度，在混频波下可能存在一定误差，从而影响匹配精度。
[0004]在功率放大器输出频率变化或者负载等效电感发生变化时，负载阻抗也会随之改变，造成传统的固定式阻抗匹配系统的匹配精度差、匹配难度大的问题。而对于多种频率成分叠加构成的混频波下的阻抗匹配方法，单个电容或电容电感组合都不能实现完全阻抗匹配，并且负载阻抗参数也是在实时变化中的，常规匹配方法难以对宽范围变化的负载进行高精度的阻抗匹配，因此，研究一种混频波下的自适应阻抗匹配电路，对于提升电声换能系统的性能具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种电声换能系统及其混频波阻抗匹配方法、控制系统，降低功率放大器输出的无功功率和功率器件的电流应力，提升功率放大器的功率因数和能量传输效率。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种电声换能系统，包括功率放大器和阻抗匹配网络；所述功率放大器包括直流侧电容和逆变器；所述逆变器包括两个并联的桥臂，两个并联的桥臂与直流侧电容并联；所述功率放大器与所述阻抗匹配网络并联后，接入负载网络；所述阻抗匹配网络包括单相全桥逆变器以及交流测输出滤波电感L
f
，所述输出滤波电感L
f
一端接单相全桥逆变器，另一端并联在功率放大器与负载网络之间；
[0007]所述阻抗匹配网络输出的电流实际值i
m
与匹配电流参考值i
m_ref
比较后所得差值输入到PI控制器，将PI控制器的输出与高频三角波进行比较，得到所述单相全桥逆变器中开关器件的触发脉冲；
[0008]其中，对功率放大器输出电压u
s
、负载电流i
L
、阻抗匹配网络输出电流i
m
进行采样，由基于瞬时无功理论的i
p
‑
i
q
算法计算得到各次频率下的负载无功电流，再将各次单频下的无功电流进行叠加，得到总的负载无功电流i
Lq
，即匹配电流i
m
的参考值i
m_ref
。
[0009]本专利技术采用并联有源阻抗匹配网络进行阻抗匹配，阻抗匹配后，功放电流减小，只包含有功电流，仅仅输出有功功率。使功率放大器为负载提供相同有功功率的同时，降低了功率放大器输出的无功功率和功率器件的电流应力，提升了功率放大器的功率因数和能量传输效率。
[0010]本专利技术还提供了一种电声换能系统混频波阻抗匹配方法，电声换能系统包括功率放大器和阻抗匹配网络；所述功率放大器与所述阻抗匹配网络并联后，接入负载网络；其还包括控制器；所述控制器包括：
[0011]采集模块，用于对功率放大器输出电压u
s
、负载电流i
L
、阻抗匹配网络输出电流i
m
进行采样；
[0012]第一计算单元，用于对功率放大器输出电压u
s
中各次单频电压相位进行锁相，得到各次单频电压相位，再构造滞后各次单频电压相位π/2的单位正弦函数sin(kωt)与二倍幅值的单位正弦函数2sin(kωt)；
[0013]第二计算单元，用于将负载电流i
L
与单位正弦函数sin(kωt)相乘后得到瞬时电流i
qk
,经过低通滤波器得到直流分量直流分量大小为无功电流幅值的二分之一，故将此直流分量与二倍幅值的单位正弦函数2sin(kωt)相乘后得到负载各次单频电流的无功电流分量，对各次单频电流的无功分量进行叠加得到总的负载无功电流i
Lq
，即匹配电流参考值i
m_ref
；
[0014]触发单元，用于将匹配电流参考值i
m_ref
与阻抗匹配网络输出的电流实际值i
m
比较后所得差值输入到PI控制器，将PI控制器的输出与高频三角波进行比较，得到所述单相全桥逆变器中开关器件的触发脉冲。
[0015]本专利技术的控制系统还包括功率放大器输出电压控制模块：用于比较参考电压和功率放大器实际输出电压，将比较后的误差信号输入到第一PI控制器，将第一PI控制器的输出作为功率放大器输出滤波电感电流的参考值，将该参考值与功率放大器输出滤波电感电流比较后输入到第二PI控制器，将第二PI控制器的输出输入到PWM模块得到逆变器中开关器件所需触发脉冲，控制功率放大器的输出电压。
[0016]本专利技术中，所述功率放大器输出电压控制模块集成于所述控制器内；或者，所述功率放大器输出电压控制模块单独设置于另一控制器内。
[0017]本专利技术中，瞬时电流i
q1
、i
q2
、
…
、i
qk
、
…
、i
qn
计算公式为：
[0018]i
qk
＝i
L
·
sin(kωt)(k＝1,2,3,...，n)
[0019]经过低通滤波器得到直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电声换能系统，包括功率放大器和阻抗匹配网络；所述功率放大器包括直流侧电容和逆变器；所述逆变器包括两个并联的桥臂，两个并联的桥臂与直流侧电容并联；其特征在于，所述功率放大器与所述阻抗匹配网络并联后，接入负载网络；所述阻抗匹配网络包括单相全桥逆变器以及交流测输出滤波电感，所述输出滤波电感一端接单相全桥逆变器，另一端并联在功率放大器与负载网络之间；所述阻抗匹配网络输出的电流实际值i
m
与匹配电流参考值i
m_ref
比较后所得差值输入到PI控制器，将PI控制器的输出与高频三角波进行比较，得到所述单相全桥逆变器中开关器件的触发脉冲；其中，由基于瞬时无功理论的i
p
‑
i
q
算法计算得到各次频率下的负载无功电流，再将各次频率下的无功电流值进行叠加，得到总的负载无功电流i
Lq
，即得到匹配电流参考值i
m_ref
，i
m_ref
＝i
Lq
。2.一种电声换能系统的混频波阻抗匹配方法，电声换能系统包括功率放大器和阻抗匹配网络；所述功率放大器与所述阻抗匹配网络并联后，接入负载网络；所述功率放大器包括直流侧电容和逆变器；所述逆变器包括两个并联的桥臂，两个并联的桥臂与直流侧电容并联；所述阻抗匹配网络包括单相全桥逆变器以及交流测输出滤波电感L
f
，所述输出滤波电感L
f
一端接单相全桥逆变器，另一端并联在功率放大器与负载网络之间；其特征在于，包括以下步骤：1)对功率放大器输出电压u
s
、负载电流i
L
、阻抗匹配网络输出电流i
m
进行采样；2)由基于瞬时无功理论的i
p
‑
i
q
算法计算得到各次频率下的负载无功电流，再将各次频率下的无功电流值进行叠加，得到总的负载无功电流i
Lq
，即得到匹配电流参考值i
m_ref
，i
m_ref
＝i
Lq
；3)将匹配电流参考值i
m_ref
与阻抗匹配网络输出的电流实际值i
m
比较后所得差值输入到PI控制器，将PI控制器的输出与高频三角波进行比较，得到所述单相全桥逆变器中开关器件的触发脉冲。3.根据权利要求2所述的电声换能系统混频波阻抗匹配方法，其特征在于，步骤2)的具体实现过程包括：对功率放大器输出电压u
s
中各次单频电压相位进行锁相，得到各次单频电压相位，构造滞后各次单频电压相位π/2的单位正弦函数sin(kωt)，将负载电流i
L
与所述单位正弦函数相乘后得到瞬时电流i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雷，于佳文，田伟，张凯，崔永林，吕源，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：