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基于FPGA的寬頻超聲波電源頻率跟蹤系統設計 [2017/5/3]

    超聲波焊接、清洗、(液位計液位變送器電容式液位計電容式液位變送器物位開關料位計物位計)的檢測技術具有廣泛的應用前景[1]。然而超聲波系統諧振頻率漂移、跟蹤滞後等問題并沒有得到完全解決。目前研制的超聲波設備多為超聲波電源與其配套的換能器工作,單個超聲波電源無法驅動及鎖頻不同諧振頻率段的換能器,實現不了寬頻域内的頻率跟蹤和鎖相[2]。因此,研制一款具有頻率自動跟蹤并能動态匹配不同諧振頻率換能器的寬頻超聲波電源具有重要的應用價值[3]。
    本文采用XILINX ZYNQ系列的FPGA(XC7Z0201CLG484I)作為主控制器,設計了一款具有寬頻域内頻率自動搜索、跟蹤、動态匹配換能器的超聲波電源。輸出頻率20~40 kHz,可以驅動在該頻率範圍内的不同應用類型換能器,具有寬頻域的廣泛适用性。
1 超聲波電源系統構成
    超聲波電源由整流電路、逆變電路、匹配電路、反饋電路和主控制電路組成。主控制器FPGA集成了一個雙核ARM Cortex-A9 處理器資源(Processing System,PS)和一個傳統的現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)邏輯資源(Programmable Logic,PL)。FPGA的PL單元主要完成頻率搜索、頻率跟蹤、電壓電流鑒相、SPWM生成、直接數字式頻率合成器(DDS)等功能;PS處理器完成界面顯示、輸入參數處理等功能。匹配電路由高頻變壓器和改進T型匹配網絡組成,起着變阻調諧的作用,使負載呈純阻性,提高電源的效率。
qrs4-t1.gif
    DDS可簡化為由相位累加器和ROM正弦波存儲表組成。在系統時鐘的控制下,更新頻率控制字,該頻率控制字對應着ROM正弦波表的地址,而該地址存儲的内容就是正弦波的某個合成點對應的幅值,在下一個系統時鐘下,相位累加器的輸出再次增加一個頻率控制字,對應着改變波形存儲的地址,從而生成所合成波形的下一個幅值點,直到相位累加器溢出後形成一個完整的正弦波[4-5]。該正弦波的頻率随着頻率控制字的改變而改變,其輸出頻率為:
    qrs4-gs1.gif
式中,N為相位累加器位長,fclk為系統時鐘,Fword為頻率控制字。
    DDS輸出正弦波信号與SPWM生成模塊内部産生的高頻三角載波信号進行調制,輸出脈沖寬度按照正弦波規律變化的PWM波,控制逆變電路輸出頻率按照DDS輸出的正弦波頻率改變。
    系統通電後,首先根據反饋電流有效值I_in進行頻率搜索,在20 kHz~40 kHz頻域内快速搜索到換能器的諧振頻率,并記錄諧振頻率時的最大電流值I_max作為電流阈值,接着啟動頻率跟蹤程序,根據反饋電路的電壓U、電流I相位差,鎖定輸出頻率在電壓電流相位一緻的頻率點,同時PL還實時監測反饋電流值與I_max之間的大小,作為判斷系統是否處于諧振狀态的一個輔助條件。一旦系統更換換能器或者負載突變導緻系統失諧,反饋電流值将遠小于I_max,此時PL将選擇頻率搜索程序,重新搜索到換能器的諧振頻率後,轉到頻率跟蹤進行相位鎖定。
2 頻率搜索
    超聲波電源輸出頻率與換能器諧振頻率相等時,電源工作效率最高,系統工作最穩定[6]。實驗表明,換能器工作在諧振頻率Fs時,其負載流過的電流值最大[7-8],因此可以通過檢測換能器的電流值實現諧振頻率搜索。
    諧振頻率為22 kHz和32.32 kHz的換能器在20 kHz~40 kHz頻段内的阻抗特性曲線。由圖2可知,換能器在諧振頻率附近阻抗會發生巨大變化,即電流值變化明顯;而在遠離諧振頻率時,阻抗變化不明顯,從而可知其電流變化微弱。基于換能器的這一阻抗特性,在FPGA平台上設計了基于電流最大值的頻率搜索法。