基于可編程片上系統(tǒng)的寬頻帶超聲波電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

屈百達(dá)，屈環(huán)宇，廖建慶,2

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基于可編程片上系統(tǒng)的寬頻帶超聲波電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

屈百達(dá)1，屈環(huán)宇1，廖建慶1,2

(1. 江南大學(xué)輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122; 2. 寧德師范學(xué)院物理與電氣工程系，福建寧德352100)

針對(duì)當(dāng)前超聲波處理裝置的頻率單一、專機(jī)專用等問題，提出了一種基于可編程片上系統(tǒng)(System-On-a- Programmable-Chip，SOPC)的新型寬頻帶超聲波電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)可編程邏輯及數(shù)學(xué)運(yùn)算等方面的優(yōu)勢(shì)，移植了NIOS II軟核作為主控制器，移相脈寬調(diào)制(Phase-Shifted Pulse-Width-Modulation，PS-PWM)用于調(diào)頻調(diào)功，正交相關(guān)電路檢測輸出電壓與電流間的相位差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能在指定帶寬范圍內(nèi)(20 ~40 kHz)使超聲波振子工作狀態(tài)趨近于諧振狀態(tài)。

超聲波電源；寬頻帶；可編程片上系統(tǒng)；移相脈寬調(diào)制；正交相關(guān)；

0 引言

目前市場上的超聲波電源系統(tǒng)僅能產(chǎn)生某一較小帶寬的超聲波，且在處理過程中沒有反饋或者反饋功能不完善，在一些對(duì)頻率帶寬要求較高的場合則無法滿足需求[1]。若超聲波振子工作于非諧振狀態(tài)，其工作效率低下且嚴(yán)重發(fā)熱，甚至導(dǎo)致振子損壞。為解決上述情況，研究人員提出了多種方案，但大都局限于某一較小帶寬的超聲波電源研究。

超聲波因其屬于機(jī)械振動(dòng)波、對(duì)目標(biāo)物體無附加污染、安全等特性[2]而在制藥、清洗等方面有著越來越廣泛的應(yīng)用趨勢(shì)，生物酶或化合物均有其特有的共振頻率，分離過程中需相應(yīng)頻率的超聲波對(duì)溶液進(jìn)行處理。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)寬頻帶的超聲波電源具有一定的實(shí)用價(jià)值和市場前景。

1 系統(tǒng)方案

寬頻超聲波電源系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，圖中K1-K5為繼電器，Lr1-Lr5為匹配電感，超聲波振子P1-P5的帶寬范圍分別為20~24 kHz、24~28 kHz、28~32 kHz、32~36 kHz、36~40 kHz。

本文以FPGA為核心元件，對(duì)寬頻帶超聲波電源的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)中移植了ALTERA公司的NIOS II軟核構(gòu)建微處理器[3]，設(shè)計(jì)PS-PWM信號(hào)源作為高頻逆變電路的激勵(lì)源，驅(qū)動(dòng)超聲波振子的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)移相調(diào)功功能。電源運(yùn)行過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于EERPOM，供用戶后期查看，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)由觸摸屏控制和顯示，溫度控制模塊調(diào)整待處理液的溫度范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的寬頻帶超聲波電源可在指定帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)功和調(diào)頻的功能。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 高頻逆變

圖2為系統(tǒng)的高頻逆變等效電路。VT1、VT2，VT3、VT4為逆變橋的橋臂，圖中的、、串聯(lián)電路為超聲波振子的等效阻抗模型。系統(tǒng)工作時(shí)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生兩組互補(bǔ)帶死區(qū)的PS-PWM作為逆變橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

采用移相調(diào)功控制策略時(shí)，逆變器同一橋臂上的MOSFET在半個(gè)正弦周期內(nèi)互補(bǔ)導(dǎo)通。例如VT1、VT2構(gòu)成定相臂，VT3、VT4構(gòu)成移相臂，定相臂上的MOSFET先于移相臂導(dǎo)通，導(dǎo)通相差稱為移相角(見圖3)。調(diào)節(jié)移相角的大小，可改變逆變橋的導(dǎo)通時(shí)間寬度，進(jìn)而改變流經(jīng)超聲波振子的電流時(shí)間[4]。PS-PWM的死區(qū)角和移相角受NIOSII軟核控制，系統(tǒng)的調(diào)頻和調(diào)功功能由此實(shí)現(xiàn)。

MOSFET有關(guān)斷延遲時(shí)間d(off)和關(guān)斷下降時(shí)間f，若死區(qū)時(shí)間設(shè)置過小，則導(dǎo)致逆變橋的上下橋臂直接導(dǎo)通，損壞MOSFET。若死區(qū)時(shí)間過大，則輸出功率可調(diào)范圍被縮小。因此，設(shè)置一個(gè)合適的死區(qū)時(shí)間至關(guān)重要[5]。

死區(qū)時(shí)間的設(shè)置需考慮到MOSFET并聯(lián)的電容，該電容用于實(shí)現(xiàn)MOSFET的軟開關(guān)效應(yīng)。例如C1放電尚未結(jié)束，此時(shí)VT1導(dǎo)通，則C1中的電荷流經(jīng)VT1，累計(jì)效應(yīng)后導(dǎo)致VT1容易損壞。若C1放電結(jié)束后，VT1導(dǎo)通，此時(shí)VD1為負(fù)載電流提供續(xù)流通路，實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。

最小死區(qū)時(shí)間應(yīng)包括緩沖吸收電容的放電時(shí)間和MOSFET的關(guān)斷時(shí)間，緩沖吸收電容的放電時(shí)間與輸出電壓和電容值成正比，與負(fù)載電流成反比：

其中為比例系數(shù)。

2.2 NIOS II軟核

本系統(tǒng)選用的FPGA型號(hào)為EP4CE15E22C8，有15 K個(gè)可編程邏輯單元和82個(gè)用戶可配置引腳用于外設(shè)控制。其中約3 K個(gè)邏輯單元用于NIOS II 32位軟核的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)MCU的控制功能，其他邏輯單元用于PS-PWM信號(hào)源、數(shù)學(xué)計(jì)算模塊、信號(hào)處理模塊等的構(gòu)建，如圖4所示。

NIOS II軟核的功能設(shè)計(jì)在Quartus II軟件的SOPC builder模塊中實(shí)現(xiàn)，由NIOS II Processor作為CPU，支持部分用戶自定義功能的指令，以硬件電路的形式實(shí)現(xiàn)這些指令功能，這些指令與CPU的內(nèi)部指令地位等價(jià)。Avalon總線是NIOS II系統(tǒng)中的重要組成部分，CPU的指令總線、數(shù)據(jù)總線、外設(shè)的主從關(guān)系、中斷裁決等功能，均由該總線負(fù)責(zé)。

構(gòu)建的SOPC系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示，包含時(shí)鐘輸入、NIOS II 軟核、系統(tǒng)ID、JTAG、FLASH、SDRAM、TIMER、IO引腳、AVALON總線。

由于觸摸屏和SDRAM的數(shù)據(jù)線為并行總線[6]，因此共定義了64個(gè)輸入輸出引腳用于FPGA與外設(shè)間的數(shù)據(jù)通信。

2.3 相位檢測

系統(tǒng)檢測高頻逆變電路輸出端的電壓電流實(shí)時(shí)值，獲取相位檢測的相關(guān)信息并計(jì)算。

根據(jù)頻率信號(hào)的周期性以及噪聲信號(hào)的隨機(jī)性特點(diǎn)，通過自相關(guān)和互相關(guān)(見圖6)濾除噪聲，將有效信號(hào)從混雜信號(hào)中提取。

設(shè)待測信號(hào)

(3)

式中噪聲與信號(hào)是不相關(guān)的，即：

噪聲是無規(guī)律的，其長時(shí)間的均值為0，即

(4)

互相關(guān)檢測:

則互相關(guān)函數(shù)是

式中，由于噪聲信號(hào)與參考信號(hào)不相關(guān)，有

公式(5)與公式(4)相比，少了噪聲項(xiàng)，因而互相關(guān)檢測方法比自相關(guān)檢測方法的抗噪聲能力要好。

在互相關(guān)檢測原理中，參考信號(hào)因與有效信號(hào)的頻率相同而相關(guān)，與噪聲信號(hào)頻率不同而無關(guān)。理論上參考信號(hào)的理想值為頻率可調(diào)的正弦波信號(hào)，但其需額外的D/A轉(zhuǎn)換芯片。因此，分析了由FPGA產(chǎn)生的PS-PWM信號(hào)中VT1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即PWM作為參考信號(hào)的可行性。

有效信號(hào)：

對(duì)延遲后的PWM信號(hào)經(jīng)過傅里葉級(jí)數(shù)分析得：

(7)

計(jì)算乘法器的輸出：

圖7為設(shè)計(jì)中的乘法器電路。其中電阻R為負(fù)反饋電阻，R5用于調(diào)節(jié)鏡像電流的大小，電路中的三極管均為NPN型。輸入信號(hào)為，參考信號(hào)為，輸出為。中包含的直流分量為原信號(hào)的平均值。

圖7 乘法器電路圖

Fig.7 Diagram of multiplier circuit

由于乘法器與積分器相連能起到低通濾波的效果，高頻分量被濾除，可得直流分量表示為

公式(9)只能得到有效信號(hào)的幅值，不能檢測有效信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的相角。正交相關(guān)檢測方法可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。如圖8所示。正交相關(guān)檢測方法是改進(jìn)型的互相關(guān)檢測方法，在待測信號(hào)輸入后，通過前置放大器和帶通濾波器將微弱信號(hào)放大，并濾除部分噪聲信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置了27.0 kHz的額定頻率，首先對(duì)高頻逆變電路的控制電壓進(jìn)行采樣，即VT1與VT2的死區(qū)區(qū)間約為2μs。VT1與VT3的移相角度為15°，VT1與VT4的移相角度為195°。高頻逆變電路的電壓電流輸出狀態(tài)如圖9所示，通道1為逆變模塊的輸出電流，波形有失真，但基本工作在正弦狀態(tài)，通道2為逆變模塊的輸出電壓()，頻率較輸入時(shí)有微小偏差。()經(jīng)傅里葉變換后，其基波電壓表達(dá)式為

此時(shí)功率為

(12)

當(dāng)系統(tǒng)額定頻率設(shè)置為34.8 kHz時(shí)，其波形如圖10所示，系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)在FPGA上構(gòu)建了SOPC控制模塊、PS-PWM波形發(fā)生模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊等，在單個(gè)處理槽底部安裝了5組超聲波振子以應(yīng)對(duì)寬頻帶的處理需求，采用移相調(diào)功策略對(duì)輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，相關(guān)參數(shù)在液晶控制面板中設(shè)置。正交相關(guān)檢測電路檢測工作時(shí)的電壓電流相位差和頻率，頻率跟蹤精度度可達(dá)50 Hz，調(diào)節(jié)電感量使振子電路工作狀態(tài)趨向于諧振狀態(tài)，從而提高能效。

[1] 吳曉霞, 李建科, 張研宇. 蠶蛹油超聲波輔助萃取及其抗氧化穩(wěn)定性[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 43(8): 1678-1685.

WU Xiaoxia, LI Jianke, ZHANG Yanyu. Ultrasonund-assised extraction and antioxidation stability of silkworm pupa oil[J]. Scientia Agricatultura Sinica, 2010, 43(8): 1678-1685.

[2] Ville Kaajakari, Amit Lal. Micromachined ultrasonic motor based on parametric polycrystalline silicon plate excitation[J]. Sensors and Actuators, 2007, 13 (7): 120-128.

[3] 李蘭英. NiosⅡ嵌入式軟核: SOPC設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006. LI Lanyin. NiosⅡembedded soft-core: Design and application of SOPC[M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics & Astronautics Press, 2006.

[4] 吳衛(wèi)華, 沈錦飛. PSPWM控制超聲電源的研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2007, 24(5): 225-229.

WU Weihua, SHEN Jinfei.Research on the PSPWM Control in ultrasonic power[J]. Computer Simulation, 2007, 24(5): 225-229.

[5] 胡紅林, 李春華, 邵波. 移相全橋零電壓PWM軟開關(guān)電路的研究[J]. 電力電子技術(shù), 2009, 43(1): 12-15.

HU Honglin, LI Chunhua, SHAO Bo.Reseach on phase shifted full bridge ZVS converter[J].Power Electronics, 2009, 43(1):12-15.

[6] 陳建軍, 金強(qiáng)寧, 章鵬, 等. 基于FPGA的TFT液晶顯示時(shí)序控制器設(shè)計(jì)[J]. 液晶與顯示, 2015, 30(4): 647-654.

CHEN Jianjun, JIN Qiangning, ZHANG Peng, et al. FPGA-based TFT LCD timing controller design [J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2015, 30(4): 647-654.

[7] Kuang Y, Jin Y, Cochran S, et al. Resonance tracking and vibration stablilization for high power ultrasonic ransducers[J]. Utrasonics, 2014, 54(1): 187-194.

Design of broadband ultrasonic power supply system based on SOPC

QU Bai-da, QU Huan-yu,LIAO Jian-qing

(1. Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi214122,Jiangsu,China;2. Department of Physics & Electrical Engineering, Ningde Normal University,Ningde 352100, Fujian, China)

In view of the problem that the current ultrasonic processing device is usually operated at a single frequency and used for a special purpose, a new type of broadband ultrasonic power supply system based on System-On-a-Pro- grammable-Chip(SOPC) is proposed. With the advantage of the field programmable gate array (FPGA) in programming logic and math operations, this system transplants Nios II soft core as main controller and PS-PWM for adjusting frequency and power, and uses the orthogonal circuit for detecting the phase difference between output voltage and current. The experimental results show that the proposed scheme can make the ultrasonic oscillator working at an approximate resonant state in a specified frequency band of 20 ~40 kHz.

ultrasonic power; broadband ultrasonic; SOPC; PS-PWM; orthogonal correlation

TB517

A

1000-3630(2016)-03-0243-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.03.012

2015-09-20;

2015-12-30

高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助(B12018)、江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目(120767)、福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015J01661)資助。

屈百達(dá)(1956－), 男, 遼寧北鎮(zhèn)人, 博士, 教授, 主要研究方向?yàn)榭刂评碚撆c應(yīng)用。

屈環(huán)宇, E-mail: 522430192@qq.com