基于FPGA的超聲波焊接電源頻率跟蹤研究*

劉曉光 劉平峰,2 蔣曉明 王攀 赫亮

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基于FPGA的超聲波焊接電源頻率跟蹤研究*

劉曉光1劉平峰1,2蔣曉明1王攀1赫亮1

（1.廣東省自動化研究所廣東省現代控制技術重點實驗室廣東省現代控制與光機電技術公共實驗室 2.廣東工業大學自動化學院）

超聲波焊接電源設備的頻率跟蹤速度和精度直接影響焊接質量。針對模擬鎖相環頻率跟蹤慢、負載突變易失鎖等缺點，研制一種基于FPGA控制的超聲波焊接電源。簡單介紹超聲波焊接電源系統結構，著重分析電源控制系統的設計，并通過仿真軟件對模塊驗證。最后，搭建超聲波焊接實驗平臺，對相關數據進行測試記錄，對數據加以分析并得出實驗結果。

超聲波焊接電源；數字鑒相器；頻率跟蹤；FPGA

0　前言

隨著計算機技術、信息技術、電子技術及器件的發展，超聲波電源技術得到迅速發展，憑借其功率大、處理速度快、效率高、自動化程度高、成本低等優點，被廣泛應用于集成電路、精密金屬、塑料結構件、塑料制品等領域。在超聲波技術得到廣泛應用的同時，也對其質量提出更高的要求。本文研究了FPGA在超聲波焊接電源上的應用，FPGA作為超聲波焊接電源的核心控制器，克服傳統超聲波電源工作時失鎖及頻率跟蹤速度慢等問題。

1　超聲波焊接電源系統結構

超聲波焊接電源主要由主電路、控制電路和匹配網絡3部分組成[1]，如圖1所示。其中，主電路包括整流電路、濾波電路和逆變電路3部分；控制電路主要由電流電壓反饋電路、信號采樣及調理電路、零點比較電路、故障檢測及保護電路、液晶和開關量輸入輸出電路組成，主要實現頻率跟蹤、功率可調、人機界面和故障檢測保護等功能；匹配網絡由中頻變壓器和T型匹配網絡組成，起著變壓、調諧的作用，能夠提高超聲波焊接電源與換能器之間的功率與功率傳輸。

圖1　超聲波焊接電源系統結構

超聲波焊接電源主電路如圖2所示，220 V單相工頻交流電經過單相整流橋變為直流脈動電壓；再經過電容器組C1平滑濾波后，輸出到由VT1、VT2、VT3、VT4組成的IGBT全橋逆變模塊，轉換成高頻交流電；最后經由高頻變壓器T1和匹配電路轉換為同頻率的正弦交流電驅動換能器。壓電換能器將超聲頻率電能轉換為機械振動能，由超聲振動系統傳遞至工件。

圖2　超聲波焊接電源主電路

2　頻率跟蹤

超聲波焊接電源控制系統核心的部分是頻率跟蹤。本系統采用FPGA（EP4CE15F17C8）作為核心控制芯片。圖3為系統的頻率跟蹤原理框圖[2-3]。

圖3　頻率跟蹤原理框圖

超聲波焊接電源的頻率跟蹤主要由掃頻過程和頻率跟蹤過程組成。掃頻過程是通過將主電路的IGBT驅動信號的頻率從21kHz開始逐漸向下調整，直到19kHz為止。假設在某個頻率下，正好與電路的諧振頻率相等，則電流必然會最大，這時把該頻率作為粗略的諧振頻率，并且系統進入頻率跟蹤過程，該過程為粗調。在進入頻率跟蹤過程后，檢測負載網絡的電壓、電流，并對其相位做比較，根據鎖相環輸出小范圍內對諧振頻率進行調節，進而對四路PWM做出相應調整，該過程為微調。

本文采用軟件Quratus 11.0編寫veriog程序，應用Modelsim仿真軟件，通過編寫測試文本testbench進行仿真。

2.1掃頻模塊

利用阻抗分析儀可快速得到超聲波振子的諧振點和反諧振點的粗略范圍，從而設置掃頻的起始頻率和終止頻率。系統利用掃頻模塊在振子開始加工之前對振子進行掃頻，掃頻的方式根據設定的起始頻率逐步向終止頻率步進。在這過程中通過對副邊變壓器電流進行采樣，并尋找其最大電流值時對應的換能器工作頻率。當電流最大值時，進入頻率跟蹤過程，這樣可大大減少跟蹤時間，并減少電源的工作響應時間，增加整個系統的穩定性[2]。掃頻模塊如圖4所示，Iavg_EOC為采樣狀態信號；SysClk_50MHz為時鐘信號；SysRst_n為異步復位信號；Iavg為電流信號；end_frequency為最大電流時的頻率控制字；current_frequency為當前頻率控制字；Done為掃頻狀態信號。

圖4　掃頻模塊

掃頻模塊啟動時，設0=0，current_frequency=2381（即50000000/2381=21000 Hz），當檢測到SysRst_n為高電平時，掃頻模塊開始工作，Done輸出低電平；當檢測到Iavg_EOC觸發信號為高電平時，記錄電流值Iavg為1，在Iavg_EOC下降沿比較0與1大小。如果1>0，將current_frequency和1值分別賦給end_frequency和0，同時current_frequency增加，即輸出PWM頻率增加；如果1≤0，end_frequency不變，current_frequency增加，Done輸出低電平；重復上述操作直到current_frequency>2631（即50000000/2631=19000 Hz），遵照電流最大法找到_Value=100，并記錄下此時的頻率控制字end_frequency=2571，Done輸出高電平，此時掃頻過程結束。掃頻模塊仿真時序圖如圖5所示。

圖5　掃頻模塊仿真時序圖

2.2數字鑒相器模塊

系統采用鎖相式頻率跟蹤，利用采樣電路獲得電流信號和電壓信號的相位脈沖波形，檢測二者的相位差，根據相位差控制振蕩頻率，使換能器保持在相位差為零的工作狀態。因此，數字鑒相器是整個頻率跟蹤模塊設計的重點。

數字鑒相器模塊如圖6所示，其中SysClk_50MHz為時鐘信號；SysRst_n為異步復位信號；；Pin_1為電流脈沖輸入信號；Pin_2為電壓脈沖輸入信號；dn為電流相位超前電壓相位時的相位差信號；up為電壓相位超前電流相位的相位差信號。

圖6　數字鑒相器模塊

數字鑒相器具體工作原理：對Pin_1和Pin_2的上升沿進行監測，當檢測到Pin_1信號的上升沿時，dn保持低電平不變，判斷此時Pin_2信號的電平，如果為低電平，那么up輸出高電平，否則up也保持低電平不變；當檢測到Pin_2信號的上升沿時，up保持低電平不變，判斷此時Pin_1的電平，如果為低電平，那么dn輸出高電平，否則dn也保持低電平不變[4]。

數字鑒相器模塊仿真時序圖如圖7所示，由圖7可知，光標線1左邊Pin_1相位超前Pin_2相位，此時up輸出高電平，dn輸出低電平；光標線1位置為理想工作點，Pin_1相位和Pin_2相位一致，此時up和dn均輸出低電平；光標線1右邊Pin_2相位超前Pin_1相位，此時up輸出低電平，dn輸出高電平。

圖7　數字鑒相器模塊仿真時序圖

2.3頻率跟蹤模塊

頻率跟蹤模塊如圖8所示，頻率跟蹤模塊是根據鑒相器的相位差信號輸出頻率控制數，當Done信號為高電平時的第一個時間周期將f_in數據傳送給f_cnt，即執行f_cnt≤f_in；接下來對up和dn信號進行檢測，當up信號為高電平時，模塊中的計數器開始計數，輸出的頻率計數值f_cnt在原有的基礎上減1，即執行語句f_cnt≤f_cnt-1；當dn為高電平時，模塊中的計數器開始計數，輸出的頻率計數值f_cnt在原有的基礎上加1，即執行f_cnt≤f_cnt+1。

圖8　頻率跟蹤模塊

頻率跟蹤模塊仿真時序圖如圖9所示，當監測到掃頻狀態信號Done為高電平時，頻率跟蹤模塊啟動，將掃頻結果f_in賦值給f_cnt，之后對相位差信號dn和up進行監控，當檢測到dn信號為高電平，up信號為低電平，此時Pin_1超前Pin_2，鎖相環進入跟蹤狀態，執行語句f_cnt≤f_cnt-1，對頻率控制進行調控，進而控制四路PWM頻率信號使電路達到諧振狀態；當檢測到dn信號和up信號均為低電平，表示Pin_1和Pin_2同相位，鎖相環進入鎖定狀態，此時電路工作在諧振狀態；換能器工作一段時間由于老化發熱導致固有頻率發生變化，鎖相環進入失鎖狀態，當檢測到dn信號為低電平，up為高電平，此時Pin_2超前Pin_1，鎖相環進入跟蹤狀態，執行語句f_cnt≤f_cnt+1，對頻率控制進行調控，進而控制四路PWM頻率信號，使電路達到諧振狀態。

圖9　頻率跟蹤模塊仿真時序圖

3　試驗結果

根據上述理論分析，以IGBT模塊作為逆變器核心部件，以EP4CE15F17C8作為核心控制器件，設計了恒功率的超聲波金屬焊接電源，并搭建了超聲波焊接電源平臺。配備3 kW的超聲波電阻焊接機頭，具備良好的焊接工藝性能，焊接電源的換能器不會因為工作時間的長短出現明顯的功率不匹配現象。圖10為超聲焊接時換能器兩端的電流、電壓波形，其中1為電壓波形、2為電流波形，由圖可知此時電流電壓相位差接近于0，換能器處于諧振狀態。

(a)　振幅60％，2740W????????????(b)　振幅50％，1940W

4　結論

采集換能器電流電壓信號，并將電流電壓信號轉為方波送到FPGA處理，經過FPGA的處理得到電流電壓超前滯后的關系，并利用相應的算法實現了對換能器頻率的跟蹤。

參考文獻

[1] 謝勇,方宇.大功率超聲波逆變電源的研制[J].電力電子技術,2001,35(5):28-31.

[2] 張文.基于全數字鎖相環的感應加熱電源研制[D].濟南:山東大學,2007.

[3] 車保川.基于FPGA應用的超聲波電源的研究[D].江蘇:江南大學,2008.

[4] 胡春華.數字鎖相環路原理與應用[M].上海:上海科學技術出版社,1990.

Research on Frequency Tracking of Ultrasonic Welding Power Supply Based on FPGA

Liu Xiaoguang1Liu Pingfeng1, 2Jiang Xiaoming1Wang Pan1He Liang1

(1.Guangdong Institute of Automation, Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology, Guangdong Open Laboratory of Modern Control & O-M-E Technology 2. Department of Automation, Guangdong University of Technology)

The frequency tracking speed and accuracy of ultrasonic welding power supplies directly affects the quality of welding. For slow of tracking, load mutation volatile lock and other shortcomings of the analog PLL, we develop a kind of ultrasonic welding power source based on FPGA. This study focuses on the design of the power control system, and a simulation software is to verify modules. The ultrasonic welding test platform is set up to record relevant test data and analyze the data.

Ultrasonic Welding Power; All Digital Phase-Locked Loop; Frequency Tracking; FPGA

劉曉光，男，1980年生，碩士，助理研究員，主要研究方向：電力電子技術等。E-mail: xg.liu@gia.ac.cn

廣東省中國科學院全面戰略合作項目（2012B091100262）；廣州市越秀區科技計劃項目（2012-GX-013）。