基于FPGA的双超声振子压缩驱动电源系统设计

发布时间：2017-07-16 01:20

  本文关键词：基于FPGA的双超声振子压缩驱动电源系统设计

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【摘要】：纤维素燃料能源是属于新能源的一种,可以通过农作物秸秆经过粉碎与压缩得到,可以弥补我国能源紧张的局面,化解我国能源需求紧张的危机,不但符合当今社会发展的需求,而且还可以大大降低我国大气污染指数。本课题意识到传统的压缩成型环节技术不够完善,压缩出来的生物质压块体积过大,导致运输和储存成本过高,于是提出利用一台超声电源同时驱动两个性能参数相同或相近的超声振子,其中一个可以移动的,另一个固定在工作台。利用工作台与工具头同步振动的双超声振子压缩系统,以减小压块的体积。此压缩系统的研究包括以下内容：首先本论文在对超声波电源的工作原理进行充分分析的基础上,设计以FPGA为控制核心的双超声振子压缩驱动电源总体方案,对电源各个模块进行做了详细的设计,确定了以电流和相位组合频率跟踪法作为本课题的双超声振子压缩驱动电源的频率跟踪方法。其次本论文在确定双超声振子压缩驱动电源总体方案的基础上,确定了超声电源的匹配网络并对所选用的串联匹配网络做了详尽的说明。对电源的输出高频变压器进行了详细的参数设计以及其绕制做了详细的介绍。然后对驱动电源在调试过程所需的动态电感进行详尽的设计。最后本论文对双超声振子压缩驱动电源控制电路进行了详细的介绍,确定了变步长电流最大值扫频思想和相位差原理频率自动跟踪方案。还有对A/D采样模块、输出功率调节模块等FPGA硬件模块进行详细的设计。完成了人机交互界面系统设计,其中包括人机界面和通信协议。然后在对FPGA核心板进行二次开发的基础上,创建Nios Ⅱ软核及SOPC系统,使触摸屏与FPGA之间能进行良好的通信。接着对驱动电源各个模块进行PCB板设计并进行装箱,最后通过压缩装置对电源进行检验。第一,分别在无超声、单超声与双超声的情况下,对不同压缩时间压缩得到生物质压块的体积大小进行对比；第二,在不同压缩时间与输入电压下,双超声对压块的体积的影响。最后对工艺参数进行正交实验。实验结果证明了双超声对减少生物质压块体积有很大作用,进而证实了一台超声电源能良好地驱动两个超声振子,其运行状态和频率自动跟踪效果良好,达到本课题的要求。
【关键词】：双超声振子 FPGA 超声电源 频率自动跟踪 压缩
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN791;TK16
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 课题研究背景及意义14-18
• 1.1.1 课题研究背景14-15
• 1.1.2 课题研究的意义15-18
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势18-22
• 1.2.1 超声波驱动电源的国外研究现状18-19
• 1.2.2 超声波驱动电源的国内研究现状19-20
• 1.2.3 超声波驱动电源的应用现状20-22
• 1.3 课题研究的主要内容22-24
• 1.3.1 课题来源22
• 1.3.2 课题研究内容22-23
• 1.3.3 课题拟解决的关键问题23-24
• 第二章 双超声压缩驱动电源总体方案24-34
• 2.1 超声波电源的工作原理24-25
• 2.2 双超声振子压缩装置介绍以及其驱动电源的原理25-28
• 2.2.1 双超声压缩装置原理25-26
• 2.2.2 双超声振子压缩驱动电源的工作原理26-28
• 2.3 双超声振子压缩驱动电源频率跟踪方案的确定28-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 双超声振子驱动电源硬件电路设计34-53
• 3.1 调功电路的设计34-38
• 3.2 高频逆变电路的设计38-43
• 3.2.1 半桥逆变电路拓扑结构分析39
• 3.2.2 功率开关元器件的选择39-40
• 3.2.3 功率开关管吸收回路的选型及元件参数计算40-43
• 3.3 驱动电路选型及设计43-46
• 3.3.1 驱动电路的选型43-44
• 3.3.2 驱动电路的设计44-46
• 3.4 保护电路设计46-48
• 3.4.1 欠过流保护电路设计47
• 3.4.2 过温保护电路设计47-48
• 3.5 反馈电路的设计48-52
• 3.5.1 电流和电压采样电路设计48-49
• 3.5.2 真有效值转换电路设计49-50
• 3.5.3 电压电流采样信号处理与整形电路设计50-51
• 3.5.4 A/D转换电路设计51-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第四章 双超声振子压缩驱动电源输出高频变压器及换能器匹配网络设计53-71
• 4.1 高频变压器的制作53-62
• 4.2 超声换能器结构和特性分析以及其匹配网络选型62-68
• 4.3 动态电感的设计68-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第五章 双超声振子压缩驱动电源控制电路设计71-89
• 5.1 FPGA相关介绍71-72
• 5.2 双超声振子压缩驱动电源的FPGA控制系统硬件设计72-81
• 5.2.1 双超声振子压缩驱动电源的FPGA控制系统总体方案设计72
• 5.2.2 A/D采样电路模块设计72-74
• 5.2.3 数字鉴相器模块设计74-75
• 5.2.4 频率跟踪模块设计75-78
• 5.2.5 扫频模块设计78-80
• 5.2.6 输出功率调节模块设计80-81
• 5.2.7 欠过流及温度保护模块设计81
• 5.3 双超声振子驱动电源的FPGA控制系统软件设计81-84
• 5.3.1 SOPC系统技术的介绍81-82
• 5.3.2 NIOS Ⅱ软核设计82-83
• 5.3.3 NIOS Ⅱ软核外设IP设计83-84
• 5.4 双超声振子压缩驱动电源人机交互界面系统设计84-88
• 5.4.1 人机交互界面设计85-86
• 5.4.2 人机交互通信协议设计86-88
• 5.5 本章小结88-89
• 第六章 双超声振子压缩驱动电源系统实验结果及分析89-103
• 6.1 实验平台介绍89-93
• 6.1.1 超声振动系统之超声振子性能参数介绍89-92
• 6.1.2 整个双超声振子压缩系统实验装置介绍92-93
• 6.2 双超声振子压缩驱动电源试验波形输出93-97
• 6.3 双超声振子压缩驱动电源试验97-99
• 6.4 双超声振子压缩生物质工艺实验99-100
• 6.4.1 电源输入电压对压块体积的影响99-100
• 6.4.2 压缩时间对压块体积的影响100
• 6.5 实验工艺参数的正交实验100-102
• 6.6 本章小结102-103
• 结论与展望103-105
• 参考文献105-110
• 攻读学位期间发表论文110-112
• 致谢11

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本文编号：546580