基于谐波抑制的多频信号的仿真与实现

金属检测设备主要利用平衡线圈的原理，实现微弱金属信号的检测和金属杂质的剔除，广泛应用于矿业、安防、食品等行业。目前国内食品金属检测机厂商普遍使用单频信号作为发射信号，频率多为50~300 kHz，由于不同种类的金属异物检测灵敏度随频率变化不一致，且含水含盐量高的产品效应类似于铁磁性物质，因此难以实现单个频率下较好的带产品检测精度。为了弥补单频信号的不足，本文旨在实现多频发射信号的产生。首先分析选择性谐波抑制脉宽调制技术的原理，建立固定频率分量时的数学模型，通过MATLAB求解优化问题，求出输出波形导通角序列。建立Simulink电路仿真模型，通过生成的导通角，对该方法进行仿真验证，仿真表明，可以通过该方法在线圈负载上产生预期的多频信号。最后通过FPGA控制全桥D类功率放大电路驱动发射线圈，对硬件系统测试的结果显示，能够在金属探头的发射线圈上实现需要的PWM波形，实现同步多频的金属发射信号的产生。通过这样的方法产生多频信号，弥补单频金属检测机的不足。

食品金属检测系统的主要目标在于有效检测出产品中混入的金属颗粒。如何提高系统的检测精度， 是近来的研究热点。在检测原理方面，主要利用平衡线圈式的传感器结构，通过分析接收线圈上的差分信号判断金属异物的有无[1] [2]。

在检测算法方面， 早期研究主要是通过分析差分信号的幅值信息来判断金属异物有无，分辨被测物和金属异物的能力较弱，后期研究结合信号的幅度和相位信息，从两个维度综合判断金属有无， 大幅度提升了金属检测的带产品精度[3] [4]。

周若臣等人分析了不同材料的金属信号随频率的变化，提出不同频率适合检测不同种类的金属[5]。目前国外企业如梅特勒·托利多、赛默飞世尔、安立等都已实现多频同步检测，多频检测同时利用多个频率的幅度和相位信息，当被测产品和金属异物通过线圈产生的信号的幅度和相位比较接近的时候，多频检测可以有效提高此时的带产品精度。国内多是双频切换使用，本质仍是单频检测。

SHEPWM 是一种管控逆变器谐波的脉宽调制方法，广泛应用于电力电子领域，主要用来消除有害低次谐波，提升逆变器输出波形质量[6] [7] [8]。高丽辉等人分析了不同输出波形，如1/4 周期对称、1/2 周期对称和全周期不对称情况下方程组的建立，以及SHEPWM 电磁激励方法在地形勘探方面的应用实例[9]。

基于国内现有研究的不足，提出一种产生同步多频发射信号的方法，该方法基于选择性谐波消除技术(SHEPWM)。首先根据金属材料选择需要的谐波频率，根据需要的谐波频率和分量，构建选择性谐波