基于可編程片上系統的寬頻帶超聲波電源系統設計

屈百達，屈環宇，廖建慶,2

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基于可編程片上系統的寬頻帶超聲波電源系統設計

屈百達1，屈環宇1，廖建慶1,2

(1. 江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇無錫214122; 2. 寧德師范學院物理與電氣工程系，福建寧德352100)

針對當前超聲波處理裝置的頻率單一、專機專用等問題，提出了一種基于可編程片上系統(System-On-a- Programmable-Chip，SOPC)的新型寬頻帶超聲波電源系統。該系統基于現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)可編程邏輯及數學運算等方面的優勢，移植了NIOS II軟核作為主控制器，移相脈寬調制(Phase-Shifted Pulse-Width-Modulation，PS-PWM)用于調頻調功，正交相關電路檢測輸出電壓與電流間的相位差。實驗結果表明，該方案能在指定帶寬范圍內(20 ~40 kHz)使超聲波振子工作狀態趨近于諧振狀態。

超聲波電源；寬頻帶；可編程片上系統；移相脈寬調制；正交相關；

0 引言

目前市場上的超聲波電源系統僅能產生某一較小帶寬的超聲波，且在處理過程中沒有反饋或者反饋功能不完善，在一些對頻率帶寬要求較高的場合則無法滿足需求[1]。若超聲波振子工作于非諧振狀態，其工作效率低下且嚴重發熱，甚至導致振子損壞。為解決上述情況，研究人員提出了多種方案，但大都局限于某一較小帶寬的超聲波電源研究。

超聲波因其屬于機械振動波、對目標物體無附加污染、安全等特性[2]而在制藥、清洗等方面有著越來越廣泛的應用趨勢，生物酶或化合物均有其特有的共振頻率，分離過程中需相應頻率的超聲波對溶液進行處理。因此，設計一個寬頻帶的超聲波電源具有一定的實用價值和市場前景。

1 系統方案

寬頻超聲波電源系統的總體框圖如圖1所示，圖中K1-K5為繼電器，Lr1-Lr5為匹配電感，超聲波振子P1-P5的帶寬范圍分別為20~24 kHz、24~28 kHz、28~32 kHz、32~36 kHz、36~40 kHz。

本文以FPGA為核心元件，對寬頻帶超聲波電源的關鍵技術和實現方法進行研究。設計中移植了ALTERA公司的NIOS II軟核構建微處理器[3]，設計PS-PWM信號源作為高頻逆變電路的激勵源，驅動超聲波振子的同時，實現移相調功功能。電源運行過程中的關鍵數據存儲于EERPOM，供用戶后期查看，系統的運行參數由觸摸屏控制和顯示，溫度控制模塊調整待處理液的溫度范圍。試驗結果表明，所設計的寬頻帶超聲波電源可在指定帶寬范圍內實現調功和調頻的功能。

2 模塊設計

2.1 高頻逆變

圖2為系統的高頻逆變等效電路。VT1、VT2，VT3、VT4為逆變橋的橋臂，圖中的、、串聯電路為超聲波振子的等效阻抗模型。系統工作時，FPGA產生兩組互補帶死區的PS-PWM作為逆變橋的驅動信號。

采用移相調功控制策略時，逆變器同一橋臂上的MOSFET在半個正弦周期內互補導通。例如VT1、VT2構成定相臂，VT3、VT4構成移相臂，定相臂上的MOSFET先于移相臂導通，導通相差稱為移相角(見圖3)。調節移相角的大小，可改變逆變橋的導通時間寬度，進而改變流經超聲波振子的電流時間[4]。PS-PWM的死區角和移相角受NIOSII軟核控制，系統的調頻和調功功能由此實現。

MOSFET有關斷延遲時間d(off)和關斷下降時間f，若死區時間設置過小，則導致逆變橋的上下橋臂直接導通，損壞MOSFET。若死區時間過大，則輸出功率可調范圍被縮小。因此，設置一個合適的死區時間至關重要[5]。

死區時間的設置需考慮到MOSFET并聯的電容，該電容用于實現MOSFET的軟開關效應。例如C1放電尚未結束，此時VT1導通，則C1中的電荷流經VT1，累計效應后導致VT1容易損壞。若C1放電結束后，VT1導通，此時VD1為負載電流提供續流通路，實現零電壓導通。

最小死區時間應包括緩沖吸收電容的放電時間和MOSFET的關斷時間，緩沖吸收電容的放電時間與輸出電壓和電容值成正比，與負載電流成反比：

其中為比例系數。

2.2 NIOS II軟核

本系統選用的FPGA型號為EP4CE15E22C8，有15 K個可編程邏輯單元和82個用戶可配置引腳用于外設控制。其中約3 K個邏輯單元用于NIOS II 32位軟核的構建，實現MCU的控制功能，其他邏輯單元用于PS-PWM信號源、數學計算模塊、信號處理模塊等的構建，如圖4所示。

NIOS II軟核的功能設計在Quartus II軟件的SOPC builder模塊中實現，由NIOS II Processor作為CPU，支持部分用戶自定義功能的指令，以硬件電路的形式實現這些指令功能，這些指令與CPU的內部指令地位等價。Avalon總線是NIOS II系統中的重要組成部分，CPU的指令總線、數據總線、外設的主從關系、中斷裁決等功能，均由該總線負責。

構建的SOPC系統架構如圖5所示，包含時鐘輸入、NIOS II 軟核、系統ID、JTAG、FLASH、SDRAM、TIMER、IO引腳、AVALON總線。

由于觸摸屏和SDRAM的數據線為并行總線[6]，因此共定義了64個輸入輸出引腳用于FPGA與外設間的數據通信。

2.3 相位檢測

系統檢測高頻逆變電路輸出端的電壓電流實時值，獲取相位檢測的相關信息并計算。

根據頻率信號的周期性以及噪聲信號的隨機性特點，通過自相關和互相關(見圖6)濾除噪聲，將有效信號從混雜信號中提取。

設待測信號

(3)

式中噪聲與信號是不相關的，即：

噪聲是無規律的，其長時間的均值為0，即

(4)

互相關檢測:

則互相關函數是

式中，由于噪聲信號與參考信號不相關，有

公式(5)與公式(4)相比，少了噪聲項，因而互相關檢測方法比自相關檢測方法的抗噪聲能力要好。

在互相關檢測原理中，參考信號因與有效信號的頻率相同而相關，與噪聲信號頻率不同而無關。理論上參考信號的理想值為頻率可調的正弦波信號，但其需額外的D/A轉換芯片。因此，分析了由FPGA產生的PS-PWM信號中VT1的驅動信號，即PWM作為參考信號的可行性。

有效信號：

對延遲后的PWM信號經過傅里葉級數分析得：

(7)

計算乘法器的輸出：

圖7為設計中的乘法器電路。其中電阻R為負反饋電阻，R5用于調節鏡像電流的大小，電路中的三極管均為NPN型。輸入信號為，參考信號為，輸出為。中包含的直流分量為原信號的平均值。

圖7 乘法器電路圖

Fig.7 Diagram of multiplier circuit

由于乘法器與積分器相連能起到低通濾波的效果，高頻分量被濾除，可得直流分量表示為

公式(9)只能得到有效信號的幅值，不能檢測有效信號相對于參考信號的相角。正交相關檢測方法可以彌補這個缺陷。如圖8所示。正交相關檢測方法是改進型的互相關檢測方法，在待測信號輸入后，通過前置放大器和帶通濾波器將微弱信號放大，并濾除部分噪聲信號。

3 實驗結果分析

實驗過程中設置了27.0 kHz的額定頻率，首先對高頻逆變電路的控制電壓進行采樣，即VT1與VT2的死區區間約為2μs。VT1與VT3的移相角度為15°，VT1與VT4的移相角度為195°。高頻逆變電路的電壓電流輸出狀態如圖9所示，通道1為逆變模塊的輸出電流，波形有失真，但基本工作在正弦狀態，通道2為逆變模塊的輸出電壓()，頻率較輸入時有微小偏差。()經傅里葉變換后，其基波電壓表達式為

此時功率為

(12)

當系統額定頻率設置為34.8 kHz時，其波形如圖10所示，系統工作于諧振狀態，實現了預期的功能。

4 結論

本系統在FPGA上構建了SOPC控制模塊、PS-PWM波形發生模塊、數學運算模塊等，在單個處理槽底部安裝了5組超聲波振子以應對寬頻帶的處理需求，采用移相調功策略對輸出功率進行調節，相關參數在液晶控制面板中設置。正交相關檢測電路檢測工作時的電壓電流相位差和頻率，頻率跟蹤精度度可達50 Hz，調節電感量使振子電路工作狀態趨向于諧振狀態，從而提高能效。

[1] 吳曉霞, 李建科, 張研宇. 蠶蛹油超聲波輔助萃取及其抗氧化穩定性[J]. 中國農業科學, 2010, 43(8): 1678-1685.

WU Xiaoxia, LI Jianke, ZHANG Yanyu. Ultrasonund-assised extraction and antioxidation stability of silkworm pupa oil[J]. Scientia Agricatultura Sinica, 2010, 43(8): 1678-1685.

[2] Ville Kaajakari, Amit Lal. Micromachined ultrasonic motor based on parametric polycrystalline silicon plate excitation[J]. Sensors and Actuators, 2007, 13 (7): 120-128.

[3] 李蘭英. NiosⅡ嵌入式軟核: SOPC設計原理及應用[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2006. LI Lanyin. NiosⅡembedded soft-core: Design and application of SOPC[M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics & Astronautics Press, 2006.

[4] 吳衛華, 沈錦飛. PSPWM控制超聲電源的研究[J]. 計算機仿真, 2007, 24(5): 225-229.

WU Weihua, SHEN Jinfei.Research on the PSPWM Control in ultrasonic power[J]. Computer Simulation, 2007, 24(5): 225-229.

[5] 胡紅林, 李春華, 邵波. 移相全橋零電壓PWM軟開關電路的研究[J]. 電力電子技術, 2009, 43(1): 12-15.

HU Honglin, LI Chunhua, SHAO Bo.Reseach on phase shifted full bridge ZVS converter[J].Power Electronics, 2009, 43(1):12-15.

[6] 陳建軍, 金強寧, 章鵬, 等. 基于FPGA的TFT液晶顯示時序控制器設計[J]. 液晶與顯示, 2015, 30(4): 647-654.

CHEN Jianjun, JIN Qiangning, ZHANG Peng, et al. FPGA-based TFT LCD timing controller design [J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2015, 30(4): 647-654.

[7] Kuang Y, Jin Y, Cochran S, et al. Resonance tracking and vibration stablilization for high power ultrasonic ransducers[J]. Utrasonics, 2014, 54(1): 187-194.

Design of broadband ultrasonic power supply system based on SOPC

QU Bai-da, QU Huan-yu,LIAO Jian-qing

(1. Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi214122,Jiangsu,China;2. Department of Physics & Electrical Engineering, Ningde Normal University,Ningde 352100, Fujian, China)

In view of the problem that the current ultrasonic processing device is usually operated at a single frequency and used for a special purpose, a new type of broadband ultrasonic power supply system based on System-On-a-Pro- grammable-Chip(SOPC) is proposed. With the advantage of the field programmable gate array (FPGA) in programming logic and math operations, this system transplants Nios II soft core as main controller and PS-PWM for adjusting frequency and power, and uses the orthogonal circuit for detecting the phase difference between output voltage and current. The experimental results show that the proposed scheme can make the ultrasonic oscillator working at an approximate resonant state in a specified frequency band of 20 ~40 kHz.

ultrasonic power; broadband ultrasonic; SOPC; PS-PWM; orthogonal correlation

TB517

A

1000-3630(2016)-03-0243-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.03.012

2015-09-20;

2015-12-30

高等學校學科創新引智計劃資助(B12018)、江蘇省產學研聯合創新資金項目(120767)、福建省自然科學基金項目(2015J01661)資助。

屈百達(1956－), 男, 遼寧北鎮人, 博士, 教授, 主要研究方向為控制理論與應用。

屈環宇, E-mail: 522430192@qq.com