Suwen Hu, Chen Xun
(Électronique et information, Jiangsu Université des sciences et de la technologie, Zhenjiang, Jiangsu 212003, Chine)
fourniture traditionnelle de puissance ultrasonique ne peut pas être commandé et verrouillé transducteur différentes bandes de fréquences de résonance, le problème ne va pas atteindre le verrouillage de phase et un domaine à large bande de poursuite de fréquence, il a été conçu sur la base de la recherche automatique de fréquence FPGA et de suivi ayant différentes fréquences de résonance correspondant dynamique large transducteur de fréquence d'alimentation ultrasonique. Les caractéristiques d'impédance du transducteur, conçu longue et large fréquence étape du procédé de recherche de fréquence dynamique, accélérée à la fréquence de résonance du transducteur et la tension du circuit de rétroaction de courant de phase, la fréquence de sortie de l'ajustement en temps réel, de verrouillage tout le système à l'état de résonance. Les résultats expérimentaux montrent que la conception du domaine de fréquence d'alimentation par ultrasons à large bande recherche rapide, l'enregistrement de suivi, la capacité d'adaptation dynamique transducteur adapté.
Recherche de fréquences; poursuite de fréquence, large bande d'alimentation à ultrasons
CLC: TN86
Code de document: A
DOI: 10,16157 / j.issn.0258-7998.2017.03.014
format de citation chinois: Suwen Hu, Chen rapide. FPGA basée à large bande de fréquence d'alimentation par ultrasons Système de suivi Technologie électronique, 2017,43 (3): 59-62.
Anglais format de citation: Su Wenhu, Chen Xun. La recherche sur le système de suivi de la fréquence d'alimentation par ultrasons à large bande basée sur FPGA .Application Technique électronique, 2017,43 (3): 59-62.
0 introduction
soudage par ultrasons, le nettoyage, la technique d'inspection a de larges perspectives d'application . Cependant, le système à ultrasons décalage de fréquence de résonance, le décalage de suivi et d'autres problèmes ne sont pas entièrement résolus. Equipement Ultrasons maintenant mis au point une source d'alimentation multiple est un transducteur à ultrasons et son travail de support, une seule source d'alimentation ne peut pas être commandé et verrouillé transducteurs ultrasonores de différentes bandes de fréquences de résonance, et ne peut pas atteindre la technique de poursuite de fréquence à verrouillage de phase à large bande . Ainsi, le développement d'un alignement automatique et ayant une fréquence différente des fréquences de résonance peut être adaptée de manière dynamique la puissance transducteur à large bande à ultrasons possède une importante valeur d'application .
Dans cet article, XILINX Zynq série FPGA (XC7Z0201CLG484I) en tant que dispositif de commande principal, après avoir créé un domaine de fréquence à large bande de recherche automatique, le suivi, l'adaptation dynamique du capteur de puissance des ultrasons. La fréquence de sortie de 20 ~ 40 kHz, peut être entraîné à moins de cette fréquence, le type de transducteurs pour des applications différentes, avec une large applicabilité dans le domaine large bande.
Un système d'alimentation en énergie à ultrasons comprenant
La puissance ultrasonore par le circuit redresseur, un circuit inverseur, un circuit d'adaptation, un circuit de contre-réaction et un circuit de commande principal. schéma de principe du système représenté sur la figure 1. Une commande principale FPGA intégré ARM Cortex-A9 ressources de processeur double coeur (la configuration du système de traitement, PS) et un réseau de portes programmable sur le champ classique (Champ-Programmable Gate Array, FPGA) ressources logiques (Programmable Logic, PL). L'unité principale PL FPGA recherche de fréquence est terminée, poursuite de fréquence, la tension de phase et le courant, la génération de fonctions SPWM, synthétiseur de fréquence numérique direct (DDS), le processeur à effectuer l'affichage de l'interface PS, traitement des paramètres d'entrée et d'autres fonctions. Par le circuit d'adaptation et une amélioration de réseau d'adaptation de type T transformateur de fréquence élevée, qui joue le rôle de la varistance à l'écoute, de façon à pur charge résistive, l'efficacité de l'alimentation.
Simplifié par l'accumulateur de phase DDS et ROM stockant des tables de sinus. Sous le contrôle de l'horloge système, le mot de commande de fréquence de mise à jour, le mot de commande de fréquence correspondant à l'adresse de la table ROM d'onde sinusoïdale, et le contenu de la mémoire d'adresses est une onde sinusoïdale synthétique amplitude correspondant au point, l'horloge suivante du système, sortie de l'accumulateur de phase est augmentée de nouveau à un mot de commande de fréquence, changer la forme d'onde correspondant à l'adresse mémorisée pour générer le prochain point d'amplitude de la forme d'onde composite, pour former une onde sinusoïdale complète jusqu'à ce que le trop-plein de l'accumulateur de phase. La fréquence de l'onde sinusoïdale à la fréquence change le mot de commande est modifié, la sortie de fréquence:
Où N est la longueur de bits de l'accumulateur de phase, est fclk l'horloge système, le mot épée de commande de fréquence.
DDS signal de fréquence de sortie de l'onde sinusoïdale et le module triangulaire de génération de signal de porteuse génère le SPWM interne module l'impulsion de sortie largeur variable en fonction de la loi de commande d'onde sinusoïdale PWM du circuit inverseur en fonction de la fréquence de sortie de la fréquence de l'onde sinusoïdale de sortie DDS est modifiée.
Après que le système est alimenté, d'une part rétroaction RMS recherche courante de fréquence I_in, recherche rapide à la fréquence de résonance du transducteur est dans la 20 kHz ~ 40 kHz dans le domaine des fréquences, et en enregistrant la valeur de courant maximum lorsque la fréquence de résonance I_max que le seuil actuel, puis commencer fréquence programme de suivi, en fonction de la tension de circuit de rétroaction U, phase de courant I, pour verrouiller la fréquence de sortie de la tension de phase de courant dans le même point de fréquence, mais également la surveillance en temps réel de la taille de la PL entre la valeur actuelle et les évaluations de I_max, déterminer si le système est dans un état de résonance une condition secondaire. Une fois que le système ou le remplacement de la mutation de la charge système de transducteur conduit à désaccorder, sensiblement inférieure à la rétroaction valeur courante de I_max, cette fois-PL choisi le programme de recherche de fréquence, la recherche de nouveau à la fréquence de résonance du transducteur, verrouillé en phase à la poursuite de fréquence.
2 recherche de fréquence
Lorsque la fréquence de sortie de l'alimentation à ultrasons est égale à la fréquence de résonance du transducteur, le rendement de puissance maximum, l'opération la plus stable du système de . Les expériences montrent que la valeur actuelle du transducteur à fréquence de résonance Fs du travail, qui est le flux de charge maximale , la recherche de la fréquence de résonance peut être réalisé par détection de la valeur courante du transducteur.
La figure 2 représente graphiquement la impédance caractéristique de la fréquence de résonance de 32,32 kHz à 22 kHz et un transducteur dans une bande de 20 kHz ~ 40 kHz. Vu de la figure 2, le transducteur changements spectaculaires se produisent au voisinage de la fréquence de résonance de l'impédance, à savoir le changement de valeur de courant de manière significative;. Lorsque plus éloignée de la fréquence de résonance, l'impédance n'a pas changé de manière significative, de sorte que son apparente faible variation de courant. Sur la base des caractéristiques d'impédance du transducteur, sur une plate-forme FPGA basé sur la méthode de recherche de fréquence maximale actuelle. Fréquence recherche FPGA mise en uvre représentée sur la figure.
Après mise sous tension est généré par le module de recherche du mot de commande de fréquence de fréquence requise pour la fréquence de sortie de 20 kHz, la valeur de courant sous la commande de l'horloge système, compare la réaction de courant RMS rétroaction I_in actuelle du cycle précédent, si la différence est inférieure à la fois l'ensemble la valeur de seuil Ith, le courant de charge est décrite à l'heure actuelle n'a pas changé de manière significative, la fréquence du système à une distance à partir de la fréquence de résonance du transducteur, cette fois-ci pour modifier la longueur de la foulée step1 définir le mot de commande de fréquence DDS, si à la fois la différence est supérieure à Ith, cette description lorsque la fréquence du système est proche de la fréquence de résonance du transducteur, et un mot de commande de fréquence faible de l'étape sera fixé réglage de la fin de l'étape 2, jusqu'à ce que la fréquence de sortie de 40 kHz, la recherche de fréquence est terminée, le processus de recherche de la valeur maximale de courant d'enregistrement I_max et un courant de sortie correspondant au mot de commande de fréquence maximale. Recherche de fréquence organigramme du logiciel illustré à la figure 4. Figure Notez les variables sont les suivantes:
(1) Freq: plage de fréquences de recherche (20 kHz ~ 40 kHz)
(2) F_word_rem: mot de commande de fréquence de résonance
(3) I_in: RMS courant d'entrée
(4) I_max: courant maximal
(5) l'étape, l'étape 1, étape 2: nom longue de synchronisation
(6) Ith: réglage de seuil
(7) det_I: différence adjacente période d'échantillonnage actuelle.
Après que le système est initialisé fréquence Freq 20 kHz, à chaque période d'échantillonnage, on compare la relation entre le courant d'entrée I_in à I_max. Si le courant d'entrée est supérieure à I_max, affectée à l'entrée valeur de courant I_max et enregistré à ce moment est affecté à des fréquences F_word_rem, tout en comparant la valeur actuelle au cours de la période d'échantillonnage pour produire adjacent det_I, la relation comparaison Ith det_I. Si det_I supérieur à Ith, la fréquence de sortie du système décrit est proche de la fréquence de résonance du transducteur, la sortie sera une petite étape fréquence Freq step2 conique, à l'inverse l'écart de la fréquence de sortie de la fréquence de résonance du transducteur, afin d'accélérer la recherche , la longueur de pas de step1 devrait changer la fréquence de sortie dans un large champ. Lorsque la recherche est terminée dans le domaine des fréquences, la fréquence de sortie de la valeur du mot courant correspondant à une durée maximale de fréquence de résonance F_word_rem, la procédure de recherche de fréquence est terminée.
La figure 5 est une simulation ModelSim montrant les procédures de recherche de fréquence. Représentant le point de courant maximal de la position du curseur, à savoir la fréquence de résonance du transducteur. Aux alentours de la fréquence de résonance du transducteur, la fréquence du mot de sortie à petits pas par pas de 10 changements, la fréquence de résonance recherchée progressivement, et l'enregistrement de la fréquence de résonance de 20260 et 3471 à l'heure actuelle est le maximum actuel. La figure 5 montre que, pour répondre aux exigences de la méthode de recherche de pas variable de conception basée sur la conception caractéristique d'impédance du transducteur.
3 suivi de fréquence
Le système fonctionne dans l'état de résonance, le transducteur équivalent en pur charge résistive, la tension de différence de phase de courant est approximativement égale à zéro. Ainsi, on peut déterminer la différence de phase de détection du circuit de tension-courant est dans l'état de résonance . suivi de fréquence, FPGA tension de rétroaction et la comparaison du courant de phase de signal, générant un signal de différence de tension de phase de courant, le signal de sortie de mot de commande modifie la fréquence de la différence de phase, ce qui modifie la fréquence de sortie du système, jusqu'à ce que la tension de retour et la différence de phase actuelle approche de 0, verrouiller l'ensemble du système fonctionne à la fréquence de résonance du transducteur. suivi des fréquences FPGA mise en uvre représentée sur la figure.
sorties du circuit de contre-réaction Phase_I, Phase_U routier des signaux représentatifs du transducteur de signal de courant de phase de tension, à la fois après la valeur de différence de tension de phase du courant de sortie de phase numérique, la taille de la largeur d'impulsion par le compteur de différence de phase est enregistrée conjointement avec une étape donnée DDS à long terme de commande de fréquence à l'étape de changement, à savoir la fréquence de sortie du circuit onduleur, ce qui modifie la différence de phase avec Phase_I Phase_U jusqu'à ce que le système est stable à la fréquence de résonance. suivi de fréquence organigramme du logiciel illustré à la figure 7.
Une fois la recherche F_word_rem fréquence de résonance, le programme de démarrage du système de recherche de fréquence, la valeur Freq F_word_rem que la fréquence du système à la sortie de mot de commande par la tension de rétroaction et des signaux de courant acquis FPGA. Lors de la détection de la tension phase d'avance de phase en cours, afin de réduire le mot de commande de taille de pas de fréquence étape de Freq, le mot de contrôle de fréquence fréquence augmente et vice versa, de changer la fréquence de sortie du système, la tension et la différence de phase de courant jusqu'à ce que la marge de réglage.
La figure 8 est une poursuite de fréquence ModelSim programme de simulation, la position du curseur est zéro points de fréquence de tension et la différence de phase actuelle. La figure 8 montre que, lorsque la phase de la tension d'avance de phase actuelle, la fréquence de sortie au niveau du mot de commande de fréquence de résonance de base Freq F_word_rem à l'étape = 1 Hz est augmentée par étapes, correspondant à la fréquence de commande du circuit inverseur du signal de PWM à la longueur de pas correspondant incréments, le système de verrouillage de la fréquence de résonance, et vice versa, lorsque les conducteurs de phase de courant de la tension de phase, que la fréquence de sortie correspondant au mot de fréquence pour la fréquence de décrémentation des mesures compatibles avec la tension jusqu'à ce que la rétroaction de phase de courant.
4 résultats
MATLAB R2014a au moyen d'un système conçu pour simuler, dans un exemple de transducteur 20 kHz, la tension de courant signal de rétroaction de phase est analysée, une forme d'onde représentée sur la figure.
. La figure 9 (a) est décalée par rapport à la tension de fréquence de résonance et les formes d'onde de courant, la présence à la fois d'un certain programme de suivi de phase, de fréquence commence à ce moment, modifier la fréquence de sortie de la différence de phase de tension de courant tend vers 0, la forme d'onde sur la Fig. 9 (b) représenté sur la figure. , la tension et le courant de phase est presque nulle. Les résultats expérimentaux montrent que bien conçu domaine de fréquence à bande large effet de suivi de piste d'alimentation en énergie ultrasonique, le transducteur fonctionne dans un état de résonance.
5. Conclusion
Sur la base de l'analyse de l'alimentation par ultrasons existants, nous avons développé une large gamme de fréquences de puissance à ultrasons basée sur XILINX Zynq série 7000 FPGA. Après avoir analysé les caractéristiques des caractéristiques d'impédance du transducteur, la conception de la méthode de recherche de fréquence de pas variable, pour rechercher rapidement la fréquence de résonance du transducteur, de la fréquence de sortie du système de la fréquence de résonance du transducteur à partir de la tension de blocage de courant de phase . La conception de recherche de fréquence d'alimentation ultrasonique voie rapide enregistrement, et sélectionne dynamiquement les différentes fréquences de résonance du transducteur. Quelle puce FPGA intégré quantité de ressources, réduit la complexité d'un circuit périphérique, de sorte que la conception matérielle devient simple et stable. Les résultats expérimentaux montrent que le design de l'alimentation par ultrasons à large bande peuvent conduire le transducteur dans le travail de l'état de résonance, la stabilité du transducteur, à basse température, une bonne performance en termes de suivi de fréquence et peuvent répondre aux exigences de conception.
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