超聲波焊接、清洗、(液位計(jì)、液位變送器、電容式液位計(jì)、電容式液位變送器、物位開關(guān)、料位計(jì)、物位計(jì)）的檢測技術(shù)具有廣泛的應(yīng)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(shè)備多為超聲波電源與其配套的換能器工作，單個(gè)超聲波電源無法驅(qū)動(dòng)及鎖頻不同諧振頻率段的換能器，實(shí)現(xiàn)不了寬頻域內(nèi)的頻率跟蹤和鎖相[2]。因此，研制一款具有頻率自動(dòng)跟蹤并能動(dòng)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(yīng)用價(jià)值[3]。
    本文采用XILINX ZYNQ系列的FPGA(XC7Z0201CLG484I)作為主控制器，設(shè)計(jì)了一款具有寬頻域內(nèi)頻率自動(dòng)搜索、跟蹤、動(dòng)態(tài)匹配換能器的超聲波電源。輸出頻率20~40 kHz，可以驅(qū)動(dòng)在該頻率范圍內(nèi)的不同應(yīng)用類型換能器，具有寬頻域的廣泛適用性。
1 超聲波電源系統(tǒng)構(gòu)成
    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。主控制器FPGA集成了一個(gè)雙核ARM Cortex-A9 處理器資源(Processing System，PS)和一個(gè)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(jìn)T型匹配網(wǎng)絡(luò)組成，起著變阻調(diào)諧的作用，使負(fù)載呈純阻性，提高電源的效率。
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    DDS可簡化為由相位累加器和ROM正弦波存儲(chǔ)表組成。在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下，更新頻率控制字，該頻率控制字對應(yīng)著ROM正弦波表的地址，而該地址存儲(chǔ)的內(nèi)容就是正弦波的某個(gè)合成點(diǎn)對應(yīng)的幅值，在下一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘下，相位累加器的輸出再次增加一個(gè)頻率控制字，對應(yīng)著改變波形存儲(chǔ)的地址，從而生成所合成波形的下一個(gè)幅值點(diǎn)，直到相位累加器溢出后形成一個(gè)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：
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式中，N為相位累加器位長，fclk為系統(tǒng)時(shí)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(nèi)部產(chǎn)生的高頻三角載波信號進(jìn)行調(diào)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(jìn)行頻率搜索，在20 kHz~40 kHz頻域內(nèi)快速搜索到換能器的諧振頻率，并記錄諧振頻率時(shí)的最大電流值I_max作為電流閾值，接著啟動(dòng)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(diǎn)，同時(shí)PL還實(shí)時(shí)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(gè)輔助條件。一旦系統(tǒng)更換換能器或者負(fù)載突變導(dǎo)致系統(tǒng)失諧，反饋電流值將遠(yuǎn)小于I_max，此時(shí)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(zhuǎn)到頻率跟蹤進(jìn)行相位鎖定。
2 頻率搜索
    超聲波電源輸出頻率與換能器諧振頻率相等時(shí)，電源工作效率最高，系統(tǒng)工作最穩(wěn)定[6]。實(shí)驗(yàn)表明，換能器工作在諧振頻率Fs時(shí)，其負(fù)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(shí)現(xiàn)諧振頻率搜索。
    諧振頻率為22 kHz和32.32 kHz的換能器在20 kHz~40 kHz頻段內(nèi)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(huì)發(fā)生巨大變化，即電流值變化明顯；而在遠(yuǎn)離諧振頻率時(shí)，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(tái)上設(shè)計(jì)了基于電流最大值的頻率搜索法。