基于FPGA的寬頻超聲波電源頻率跟蹤系統(tǒng)設計

摘 要： 針對傳統(tǒng)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(xiàn)不了寬頻域內的鎖相和頻率跟蹤的問題，設計了一種基于FPGA的具有自動頻率搜索與跟蹤、動態(tài)匹配不同諧振頻率換能器的寬頻域超聲波電源。根據(jù)換能器的阻抗特性曲線，設計出動態(tài)步長的寬頻域頻率搜索方法，快速跟蹤到換能器的諧振頻率，并根據(jù)反饋電路的電壓電流相位差，實時調整輸出頻率，鎖定整個系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。實驗結果表明，設計的寬頻域超聲波電源頻率搜索快、跟蹤準，動態(tài)匹配換能器適應性好。

超聲波焊接、清洗、檢測技術具有廣泛的應用前景[1]。然而超聲波系統(tǒng)諧振頻率漂移、跟蹤滯后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(xiàn)不了寬頻域內的頻率跟蹤和鎖相[2]。因此，研制一款具有頻率自動跟蹤并能動態(tài)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內頻率自動搜索、跟蹤、動態(tài)匹配換能器的超聲波電源。輸出頻率20~40 kHz，可以驅動在該頻率范圍內的不同應用類型換能器，具有寬頻域的廣泛適用性。

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。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。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(tǒng)的現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)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(shù)字式頻率合成器（DDS）等功能；PS處理器完成界面顯示、輸入?yún)?shù)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，起著變阻調諧的作用，使負載呈純阻性，提高電源的效率。

DDS可簡化為由相位累加器和ROM正弦波存儲表組成。在系統(tǒng)時鐘的控制下，更新頻率控制字，該頻率控制字對應著ROM正弦波表的地址，而該地址存儲的內容就是正弦波的某個合成點對應的幅值，在下一個系統(tǒng)時鐘下，相位累加器的輸出再次增加一個頻率控制字，對應著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后形成一個完整的正弦波[4-5]。該正弦波的頻率隨著頻率控制字的改變而改變，其輸出頻率為：

式中，N為相位累加器位長，fclk為系統(tǒng)時鐘，F(xiàn)word為頻率控制字。

DDS輸出正弦波信號與SPWM生成模塊內部產生的高頻三角載波信號進行調制，輸出脈沖寬度按照正弦波規(guī)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(tǒng)通電后，首先根據(jù)反饋電流有效值I_in進行頻率搜索，在20 kHz~40 kHz頻域內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作為電流閾值，接著啟動頻率跟蹤程序，根據(jù)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致的頻率點，同時PL還實時監(jiān)測反饋電流值與I_max之間的大小，作為判斷系統(tǒng)是否處于諧振狀態(tài)的一個輔助條件。一旦系統(tǒng)更換換能器或者負載突變導致系統(tǒng)失諧，反饋電流值將遠小于I_max，此時PL將選擇頻率搜索程序，重新搜索到換能器的諧振頻率后，轉到頻率跟蹤進行相位鎖定。

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(tǒng)工作最穩(wěn)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(xiàn)諧振頻率搜索。

圖2繪制了諧振頻率為22 kHz和32.32 kHz的換能器在20 kHz~40 kHz頻段內的阻抗特性曲線。由圖2可知，換能器在諧振頻率附近阻抗會發(fā)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平臺上設計了基于電流最大值的頻率搜索法。頻率搜索的FPGA實現(xiàn)如圖3所示。

系統(tǒng)通電后由頻率搜索模塊產生20 kHz輸出頻率所需的頻率控制字，在系統(tǒng)時鐘控制下，比較當前反饋的電流有效值I_in與上一周期反饋的電流值，若二者差值小于設定的閾值Ith，說明此時負載電流變化不明顯，系統(tǒng)頻率遠離換能器的諧振頻率，此時以設定的大步長step1改變DDS的頻率控制字；當二者差值大于Ith，說明此時的系統(tǒng)頻率已接近換能器的諧振頻率，頻率控制字將以設定的小步長step2微調，直到輸出頻率達到40 kHz，頻率搜索功能完成，此時記錄搜索過程中的電流最大值I_max，并輸出電流最大值對應的頻率控制字。頻率搜索的軟件流程圖如圖4所示。圖中各變量的注釋如下：

(1)Freq：搜索頻率范圍(20 kHz~40 kHz)

(2)F_word_rem：諧振頻率控制字

(3)I_in：輸入電流有效值

(4)I_max：電流最大值

(5)step、step1、step2：代表不同步長

(6)Ith：設定閾值

(7)det_I：相鄰采樣周期的電流差值。

系統(tǒng)上電后初始化頻率Freq為20 kHz，在每個采樣周期下，比較輸入電流I_in與I_max的關系。如果輸入電流大于I_max，將輸入電流值賦給I_max，并記錄此時的頻率點賦值給F_word_rem，同時比較相鄰采樣周期內的電流值以產生det_I，隨后比較det_I與Ith的關系。如果det_I大于Ith，說明此時系統(tǒng)的輸出頻率已接近換能器的諧振頻率點，輸出頻率Freq將以小步長step2遞變；反之說明輸出頻率遠離換能器的諧振頻率，為加快搜索速度，應以大步長step1在寬頻域改變輸出頻率。當完成頻域內搜索之后，輸出頻率字為電流值最大時刻對應的諧振頻率點F_word_rem，頻率搜索程序完成。

圖5為頻率搜索程序的ModelSim仿真圖。光標位置代表電流最大值點，即換能器的諧振頻率點。在換能器的諧振頻率附近，輸出的頻率字以小步長step=10變化，逐步搜索到諧振頻率點，并記錄下諧振頻率為20 260以及此時的電流最大值3 471。圖5表明，依據(jù)換能器阻抗特性曲線設計的變步長搜索方法滿足了設計要求。

系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)時，換能器等效負載呈純阻性，電壓電流相位差近似為0。因此可以通過檢測電壓電流相位差判斷電路是否處于諧振狀態(tài)[9]。頻率跟蹤時，F(xiàn)PGA對反饋的電壓電流信號進行相位比較，生成電壓電流相位差信號，根據(jù)相位差信號改變頻率控制字的輸出，從而改變系統(tǒng)輸出頻率，直到反饋的電壓電流相位差趨近0，鎖定整個系統(tǒng)工作在換能器的諧振頻率上。頻率跟蹤的FPGA實現(xiàn)如圖6所示。

反饋電路輸出的Phase_I、Phase_U二路信號分別代表換能器的電流電壓相位信號，二者經過數(shù)字鑒相后，輸出電流電壓相位差值，由脈寬計數(shù)器記錄下相位差大小，結合給定步長step改變DDS的頻率控制字，即改變逆變電路的輸出頻率，從而改變Phase_I與Phase_U的相位差，直到系統(tǒng)穩(wěn)定在諧振頻率點上。頻率跟蹤軟件流程圖如圖7所示。

在搜索到諧振頻率F_word_rem后，系統(tǒng)啟動頻率跟蹤程序，將F_word_rem的值送給Freq作為系統(tǒng)頻率控制字輸出，由FPGA采集反饋的電壓電流信號。當檢測到電流相位超前電壓相位時，以步長step減小頻率控制字Freq，反之增加頻率控制字頻率，改變系統(tǒng)的輸出頻率，直到電壓電流相位差在設定的裕度。

圖8為頻率跟蹤程序的ModelSim仿真圖，光標位置為電壓電流零相位差的頻率點。由圖8可知，在電壓相位超前電流相位時，輸出頻率控制字Freq在諧振頻率F_word_rem的基礎上，以step=1 Hz的步長增加，對應著驅動逆變電路的PWM信號頻率以相應步長遞增，鎖定系統(tǒng)在諧振頻率點；反之當電流相位超前電壓相位時，輸出頻率隨著頻率字Freq以相應步長遞減，直到反饋的電壓電流相位一致。

借助于MATLAB R2014a對設計的系統(tǒng)進行仿真，以20 kHz換能器為例，對反饋的電壓電流信號進行相位差分析，波形如圖9所示。

圖9(a)為偏離諧振頻率點的電壓電流波形，二者存在一定相位差，此時啟動頻率跟蹤程序，改變輸出頻率使電壓電流相位差趨近0，波形如圖9(b)所示，電壓電流相位差幾乎為0。實驗結果表明，設計的寬頻域超聲波電源頻率跟蹤效果良好，換能器工作在諧振狀態(tài)。

在已有超聲波電源的分析基礎上，研制了一款基于XILINX ZYNQ 7000系列FPGA的寬頻域超聲波電源。在分析了換能器阻抗特性曲線的特性后，設計了變步長的頻率搜索方法，快速搜索到換能器的諧振頻率點，根據(jù)電壓電流相位差鎖定系統(tǒng)輸出頻率在換能器的諧振頻率。所設計的超聲波電源頻率搜索快、跟蹤準，并可以動態(tài)匹配不同諧振頻率的換能器。該款FPGA芯片內部集成的大量資源，降低了外圍電路的復雜度，使硬件設計變得簡單穩(wěn)定。實驗結果證明，設計的寬頻超聲波電源可以驅動換能器工作在諧振狀態(tài)，換能器工作穩(wěn)定、溫度低，在頻率跟蹤方面表現(xiàn)良好，并能達到設計要求。