对于fpga的超声波焊接电源频率跟踪研究

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1、圆经验交流基于FPGA的超声波焊接电源频率跟踪研究刘晓光刘平峰’，蒋晓明王攀赫亮(1．广东省自动化研究所广东省现代控制技术重点实验室广东省现代控制与光机电技术公共实验室2．广东工业大学自动化学院)摘要：超声波焊接电源设备的频率跟踪速度和精度直接影响焊接质量。针对模拟锁相环频率跟踪慢、负载突变易失锁等缺点，研制一种基于FPGA控制的超声波焊接电源。简单介绍超声波焊接电源系统结构，着重分析电源控制系统的设计，并通过仿真软件对模块验证。最后，搭建超声波焊接实验平台，对相关数据进行测试记录，对数据加以分析并得出实验结果。关键词：超声波焊接电源

2、；数字鉴相器：频率跟踪；FPGA0前言1超声波焊接电源系统结构随着计算机技术、信息技术、电子技术及器件的超声波焊接电源主要由主电路、控制电路和匹配发展，超声波电源技术得到迅速发展，凭借其功率大、网络3部分组成【JJ，如图1所示。其中，主电路包括处理速度快、效率高、自动化程度高、成本低等优点，整流电路、滤波电路和逆变电路3部分：控制电路主被广泛应用于集成电路、精密金属、塑料结构件、塑要由电流电压反馈电路、信号采样及调理电路、零点料制品等领域。在超声波技术得到广泛应用的同时，比较电路、故障检测及保护电路、液晶和开关量输入也对其质量提出更高

3、的要求。本文研究了FPGA在超输出电路组成，主要实现频率跟踪、功率可调、人机声波焊接电源上的应用，FPGA作为超声波焊接电源界面和故障检测保护等功能；匹配网络由中频变压器的核心控制器，克服传统超声波电源工作时失锁及频和T型匹配网络组成，起着变压、调谐的作用，能够率跟踪速度慢等问题。提高超声波焊接电源与换能器之间的功率与功率传输。输入整流滤波器IGBT：I~变互感器图I超声波焊接电源系统结构2015年第36卷第4期自动化与信息工程39·基金项目：广东省中国科学院全面战略合作项目(2012B091100262)；广州市越秀区科技计划项目(

4、2012．GX．013)。超声波焊接电源主电路如图2所示，220V单相交流电；最后经由高频变压器Tl和匹配电路转换为工频交流电经过单相整流桥变为直流脉动电压；再经同频率的正弦交流电驱动换能器。压电换能器将超声过电容器组C1平滑滤波后，输出到由VTl、Vr2、频率电能转换为机械振动能，由超声振动系统传递至Ⅵ3、Vr4组成的IGBT全桥逆变模块，转换成高频工件。一一l--vT1LOCORO220VC150Hz》=VT3ti"—久．图2超声波焊接电源主电路2频率跟踪踪。本系统采用FPGA(EP4CE15F17C8)作为核心控制芯片。图3为系

5、统的频率跟踪原理框图口。超声波焊接电源控制系统核心的部分是频率跟f一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1一三一恼篓副边羹电压翠脉冲：母I鉴相器卜I图3频率跟踪原理框图超声波焊接电源的频率跟踪主要由扫频过程和用Modelsim仿真软件，通过编写测试文本testbench频率跟踪过程组成。扫频过程是通过将主电路的进行仿真。IGBT驱动信号的频率从21kHz开始逐渐向下调整，2．1扫频模块直到19kHz为止。假设在某个频率下，正好与电路利用阻抗分析仪可快速得到超声波振子的谐振的谐振频率相等，则电流必然会最大，这时把该频率点和反谐

6、振点的粗略范围，从而设置扫频的起始频率作为粗略的谐振频率，并且系统进入频率跟踪过程，和终止频率。系统利用扫频模块在振子开始加工之前该过程为粗调。在进入频率跟踪过程后，检测负载网对振子进行扫频，扫频的方式根据设定的起始频率逐络的电压、电流，并对其相位做比较，根据锁相环输步向终止频率步进。在这过程中通过对副边变压器电出小范围内对谐振频率进行调节，进而对四路PWM流进行采样，并寻找其最大电流值时对应的换能器工做出相应调整，该过程为微调。作频率。当电流最大值时，进入频率跟踪过程，这样本文采用软件Quratus11．0编写veriog程序，应可

7、大大减少跟踪时间，并减少电源的工作响应时问，