基于ARM和FPGA超声波压电陶瓷数字变频驱动

发布时间：2020-04-01 08:06

【摘要】：针对传统超声波压电陶瓷驱动电源存在驱动电源的功率与频率调节不方便等问题,研制实现了一种基于ARM+FPGA的超声波压电陶瓷数字变频驱动电路方案,该方案利用FPGA产生带死区的PWM波,其频率和死区时间独立可调、频段为超声波区域的方波信号;利用专用的自举驱动芯片,驱动大功率IGBT元件。功率驱动电路采用H桥拓扑结构,通过利用变压器实现变压与功率输出;然后利用滤波电容滤波,得到超声波压电陶瓷所需要的正弦波驱动信号,确保了该数字式变频驱动电路频率可调、电压可调。主要工作包括:1)压电陶瓷数字变频驱动的方案设计。主要包括:主控制器模块单元、电源模块单元、通信模块单元与显示模块单元设计。通过以ARM、FPGA、模拟电子技术为理论基础,设计并实现压电陶瓷数字变频驱动电路;可以实现输出电流和频率可调,或电压、功率变化的超声波压电陶瓷驱动系统。2)系统硬件设计。超声波压电陶瓷驱动系统,硬件部分主要是压电陶瓷控制板和压电陶瓷驱动板的电路设计,包括CPU+FPGA电路、光耦隔离电路、IR2136S自举升压电路、IGBT的H桥电路、AD采集电路、LCD显示电路、滤波等电路设计。3)ARM+FPGA的嵌入式软件设计。分为ARM-CPU的程序设计,和FPGA硬件描述语言设计。ARM程序设计使用KEIL C语言,包括人机交互程序、SPI通信程序、A/D采集程序,控制程序等;FPGA的程序设计包括PWM波输出、SPI通信、晶振倍频设计等。实验结果表明,ARM和FPGA相结合的方法可以实现超声波压电陶瓷的数字化输出,产生死区可调的PWM波,实现自动检测、控制输出电流和频率。在工业清洗、工业焊接、金属加工等领域有一定的实用价值。
【图文】：

图１．１微型超声波驱动器逡逑技术的研宄起步晚，工艺水平与国外在该领磁致伸缩换能器、压电换能器、大功率超大学、国防科技大学、浙江大学、吉林工业波技术的研究［１＿６］。内容涉及超声波驱动原算、超声波驱动电路研究、超声波输出控制。其中，哈尔滨工业大学为了解决工业中超进行研究推进创新走质量领先之路，提出了波焊接工艺参数波动包括下降速度、焊接时保持压力，接头质量的一致性差的问题，义。逡逑国实现改革开放以来，市场活跃性增强，这一

．＇：．邋ｊ逡逑图１．１微型超声波驱动器逡逑我国开始对超声波技术的研宄起步晚，工艺水平与国外在该领域的研究水平存在一逡逑段距离，主要研究超声波磁致伸缩换能器、压电换能器、大功率超声波换能器等。先后有逡逑清华大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、浙江大学、吉林工业大学等多家综合实力逡逑强的大学开展了对超声波技术的研究［１＿６］。内容涉及超声波驱动原理、超声波频率输出、逡逑超声波谐振频率匹配计算、超声波驱动电路研究、超声波输出控制方法以及超声波驱动逡逑样机的研制和测试实验。其中，，哈尔滨工业大学为了解决工业中超声波焊接产品大规模逡逑生产投入了大量人力进行研究推进创新走质量领先之路，提出了超声能量模式控制技逡逑术，致力于解决在超声波焊接工艺参数波动包括下降速度、焊接时间、谐振频率、振幅、逡逑焊接压力、保持时间和保持压力，接头质量的一致性差的问题，对保证产品质量的精准逡逑性、稳定性具有重要意义。逡逑２１世纪初，自我过国实现改革开放以来，市场活跃性增强，这为超声波技术研究利逡逑用、发展提供了生存的土壤
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM282;TN791

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