基于FPGA的超声电源振幅控制系统设计与实现

论文摘要

功率超声的应用在国民经济生产中占有重要地位,在某些要求较高的加工中,精确的振幅控制决定了加工效率和效果。传统的功率超声控制方案存在非线性、灵活性差、结构复杂等问题。本文旨在对通过对功率超声控制方式和反馈电路的设计,实时计算并闭环控制能反映振幅的动态支路电流,实现了一种恒振幅控制方案。本文主要研究内容包括:1.根据功率超声电源的相关应用背景和技术发展情况,确立了反谐振点工作频点以及相位法的频率跟踪方案。在此基础上,分析了压电换能器的物理模型,得出了以动态支路电流为闭环控制对象的振幅控制方案。该方案简化了匹配电路和振幅测量装置的设计。2.设计并仿真了功率驱动和检测回路的硬件电路。驱动电路包含逆变电路,滤波电路和变压电路,产生适合于驱动压电换能器的功率信号。在检测回路中,通过双路AD采样反馈换能器电压和电流的幅值,通过鉴相电路反馈换能器电压的相位。3.设计了基于FPGA的鉴相信号和产生PWM波的高精度接口逻辑。鉴相接口逻辑将以电平形式反馈的鉴相信号转化为时间数据,用于体现相位差。PWM生成逻辑负责将控制字转化为两路高精度对称PWM波,用于控制逆变电路。二者的转换精度直接决定了电源的控制精度上限。4.设计了基于FPGA的频率和占空比双闭环控制逻辑。频率闭环方面,根据电流电压的鉴相结果,运用P控制对工作频率进行闭环。振幅闭环方面,对电流电压幅值的高速采样结果进行运算,实时推算能够反映振幅的换能器动态电流,并通过P控制对占空比其进行闭环。通过实验,对电源的工作性能进行了测试。实验结果表明电源频率跟踪性能良好,在不同工况下都能够跟踪至反谐振频率。空载情况下换能器振幅与动态支路电流保持了良好的线性关系,电源在负载变化情况下的能够稳定地输出振幅,经过仪器测量,加负载后最大振幅控制误差为6.2%。该研究成果为功率超声电源的恒振幅设计提供了一种解决方案。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 金家欣

导师: 杨明

关键词: 超声波振动,超声电源,振动控制,动态支路电流

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,工业通用技术及设备,无线电电子学,自动化技术

单位: 上海交通大学

分类号: TB559;TN791;TP273

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.002472

总页数: 103

文件大小: 4204K

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