基于FPGA的大功率超声波电源研究

发布时间：2017-06-29 17:18

  本文关键词：基于FPGA的大功率超声波电源研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超声波焊接具备操作简便、焊接速度快、接头强度高、生产效率高等特点已在医疗器材、包装、汽配、手机等行业广泛应用。由于超声波焊接电源设备存在频率跟踪慢、负载突变易失锁等缺点,因此设计稳定性强、频率跟踪速度快、人机界面友好的超声波电源将有非常重要的显示意义。本课题以设计基于FPGA控制的2kW的超声波焊接电源为目标,并详细介绍设计过程。首先,本文对超声波电源系统原理做了简要概述。并通过对多种整流电路、逆变电路、谐振匹配电路、功率调节方式进行分析,最终确定了单相不可控整流电路、全桥逆变电路、串联谐振匹配电路、移相调控方式。接着对超声波电源硬件的总体框架做了简要说明。随后对硬件电路进行了具体设计,包括整流电路、逆变电路、谐振匹配电路、高频变压器、驱动电路、采样电路、保护电路、脉冲捕捉电路、真有效值变换电路、通信电路。此外,还对电路中器件相关参数进行计算和其工艺进行选择。然后设计了以FPGA为核心控制器的总体控制方案,采用顶层到底层的设计方式,将控制系统分为若干子模块进行设计实现。分别对AD模块、采样模块、扫频模块、鉴相模块、选择器模块、跟踪模块、RS232通信模块、PWM发生器模块等模块进行设计,并且进行仿真验证。随后对超声波电源的人机界面系统进行了介绍与设计。最后搭建了超声波电源的实验平台,对超声波电源的驱动信号、频率跟踪及功率调节进行实验测试,并对测试结果进行分析。实验结果表明该超声波电源工作稳定可靠,频率跟踪快,达到预期设计效果。
【关键词】：超声波电源 FPGA 频率跟踪 阻抗匹配
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG43
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-18
• 1.1 课题研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状及发展14-15
• 1.3 超声技术的应用现状15-17
• 1.4 课题主要研究内容17-18
• 第二章 超声波电源主电路的研究18-32
• 2.1 超声波电源总体方案18-19
• 2.2 整流电路的选择19-21
• 2.3 逆变电路拓扑和功率开关的选择21-25
• 2.3.1 逆变电路拓扑的选择21-24
• 2.3.2 逆变电路功率开关的选择24-25
• 2.4 匹配网络25-28
• 2.4.1 换能器的等效电路25-26
• 2.4.2 匹配网络的作用26
• 2.4.3 谐振匹配的选择26-28
• 2.4.4 阻抗匹配原理28
• 2.5 功率控制电路的选择28-31
• 2.5.1 直流调功28-30
• 2.5.2 逆变调功30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第三章 超声波电源的硬件电路设计32-48
• 3.1 硬件总体结构32-33
• 3.2 主电路板硬件电路设计33-41
• 3.2.1 整流滤波电路参数的确定33-34
• 3.2.2 逆变电路功率开关管参数的确定34-36
• 3.2.3 谐振匹配电感参数的确定36
• 3.2.4 高频变压器的设计36-41
• 3.3 超声波电源主控制板的设计41-46
• 3.3.1 电压采样电路41
• 3.3.2 电流采样电路41-42
• 3.3.3 保护电路42-44
• 3.3.6 真有效值测量电路44
• 3.3.7 通信电路44-45
• 3.3.8 相位检测电路45
• 3.3.9 A/D转换电路45-46
• 3.4 驱动电路板的设计46
• 3.5 本章小结46-48
• 第四章 控制系统及人机界面的设计48-67
• 4.1 FPGA概述48-51
• 4.1.1 FPGA的基本结构48-49
• 4.1.2 FPGA的开发流程49-50
• 4.1.3 FPGA选型50
• 4.1.4 系统开发环境50-51
• 4.2 超声波电源控制系统的设计51-60
• 4.2.1 AD采样模块51-53
• 4.2.2 扫频模块53-54
• 4.2.3 数字鉴相器模块54-56
• 4.2.4 频率跟踪模块56-57
• 4.2.5 选择器模块57
• 4.2.6 PWM信号发生器模块57-58
• 4.2.7 RS232串口通信模块58-60
• 4.3 FPGA资源分配60-61
• 4.4 人机界面系统的设计61-66
• 4.4.1 人机界面的设计62-65
• 4.4.2 通信协议65-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第五章 实验验证及结果分析67-71
• 5.1 实验平台搭建67
• 5.2 驱动信号测试67-68
• 5.3 功率调节测试68-69
• 5.4 频率跟踪测试69
• 5.5 试验结论69-70
• 5.6 本章小结70-71
• 结论与展望71-72
• 参考文献72-75
• 攻读学位期间发表论文75-77
• 致谢77

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