基于ARM和FPGA超聲波壓電陶瓷數(shù)字變頻驅(qū)動(dòng)*

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(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2. 長(zhǎng)沙億旭智能科技有限公司；3.近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與建模湖南省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

引　言

壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械動(dòng)能和電能之間互相轉(zhuǎn)換的陶瓷材料，它的原理是壓電效應(yīng)，壓電陶瓷具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)[1]。通過(guò)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)可以生成超聲波信號(hào)，且功率可調(diào)，廣泛應(yīng)用于超聲換能器、超聲波焊接、超聲波清洗、醫(yī)學(xué)美容、超聲馬達(dá)等[3]。目前國(guó)內(nèi)主要壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)存在精度、發(fā)熱、低頻特性低和零點(diǎn)漂移等問(wèn)題[4]，因此研究一種頻率精度高、功率大的壓電陶瓷是本設(shè)計(jì)的主要目的。本文研究的是利用ARM控制FPGA產(chǎn)生死區(qū)可調(diào)的PWM波，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出頻率、輸出電壓的功能設(shè)計(jì)。通過(guò)以IGBT為驅(qū)動(dòng)元件的H橋輸出，經(jīng)濾波后變?yōu)轭l率、電壓可變的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波探頭。

1　相關(guān)原理介紹

1.1　超聲波壓電陶瓷數(shù)字變頻驅(qū)動(dòng)原理

壓電陶瓷材料是工業(yè)發(fā)展過(guò)程中可以進(jìn)行機(jī)械能和電能之間互相轉(zhuǎn)化的材料，它的原理是壓電效應(yīng)，所謂壓電效應(yīng)就是壓電陶瓷材料(微位移器)可以對(duì)電能和機(jī)械能進(jìn)行互相轉(zhuǎn)化[2]。當(dāng)把電能與壓電陶瓷作用它會(huì)發(fā)生形變，如果作用的電能是持續(xù)性的，那么壓電陶瓷就可以不斷形變產(chǎn)生不同的頻率波；如果頻率超過(guò)20 kHz就生成了超聲波，這就是壓電材料逆壓電效應(yīng)。

利用逆壓電效應(yīng)可以把高頻電壓轉(zhuǎn)化為高頻率的振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電路中ARM芯片采用STM32F103系列CPU。

圖1　超聲波壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)原理圖

系統(tǒng)主要分為控制板和驅(qū)動(dòng)板兩個(gè)部分:控制板主要是通過(guò)FPGA產(chǎn)生4路PWM波輸出(UH/UL/WH/WL)，頻率在16～40 kHz之間變化。 FPGA產(chǎn)生的PWM輸出信號(hào)，其輸出頻率、占空比、死區(qū)時(shí)間等數(shù)據(jù)由ARM通過(guò)SPI總線通信送來(lái)。而改變輸出數(shù)據(jù)，或者停止PWM輸出的控制，均由ARM負(fù)責(zé)。ARM通過(guò)RS485串口連接LCD觸摸屏或者PC電腦上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。因此超聲波陶瓷所需要的輸出頻率和電壓、功率等參數(shù)均可通過(guò)LCD來(lái)設(shè)置。另外CPU通過(guò)交流電流、電壓傳感器采集壓電陶瓷的工作電流與電壓并計(jì)算出實(shí)際輸出功率，ARM將它與設(shè)定的輸出功率比較，通過(guò)PID控制方法改變輸出PWM波的占空比，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓與功率的目的。

驅(qū)動(dòng)板采用了工頻交流電直接供電，220 V/50 Hz的交流電通過(guò)全橋整流和電容濾波后，獲得一個(gè)約310 V的直流電壓。控制板產(chǎn)生的PWM波經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路74HC245芯片增強(qiáng)信號(hào)后，通過(guò)光耦隔離電路后引入驅(qū)動(dòng)板，然后4路信號(hào)通過(guò)IR2136S自舉升壓驅(qū)動(dòng)后由IGBT組成H橋電路。最后通過(guò)變壓器隔離降壓，電容濾波后輸出驅(qū)動(dòng)超聲波壓電陶瓷產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波。

1.2　PWM波原理

PWM的基本原理是：以正弦波作為逆變器的調(diào)制輸出期望單極性PWM波形,然后用頻率比期望波形高很多的等腰三角波來(lái)作為載波(Carrier wave) ,再用頻率與所要形成的波形相互統(tǒng)一的正弦波作為調(diào)制波(Modulation wave)。

當(dāng)調(diào)制三角波與正弦波曲線發(fā)生相交時(shí),在其相交時(shí)刻輸出控制信號(hào), 用于控制功率器件的開(kāi)通與關(guān)斷, 通過(guò)這樣的方式就可以獲得一系列所需要的幅度相等且脈寬正比于對(duì)應(yīng)區(qū)間正弦波曲線的函數(shù)值的矩形脈沖。即把正弦波平均分成n等分，再用與其等面積的矩形脈沖來(lái)替換每等分的正弦曲線，用以替換的矩形脈沖的幅值恒定，各脈沖的中點(diǎn)與每等分的中點(diǎn)重合，這樣所得到的矩形波就與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制,這種序列的矩形波稱作PWM波[9]。單極性PWM的原理圖如圖2所示。

圖2　單極性PWM原理圖

本設(shè)計(jì)中，通過(guò)IR2136S驅(qū)動(dòng)兩對(duì)IGBT功率管，共4路PWM輸出，分別是UH、UL、WH、WL，無(wú)重疊的PWM信號(hào)UH/UL為一對(duì)，稱為上管與下管，上管和下管不能同時(shí)導(dǎo)通，利用輸出波的死區(qū)時(shí)間來(lái)設(shè)置導(dǎo)通時(shí)間，死區(qū)可以改變PWM波的輸出大小從而也可以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓大小、調(diào)節(jié)輸出功率的目的。

圖3　死區(qū)產(chǎn)生原理圖

由于本設(shè)計(jì)中使用的開(kāi)關(guān)器件的特性，在這里需要設(shè)置死區(qū)。死區(qū)時(shí)間被插入到一個(gè)開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷和另一個(gè)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通之間。設(shè)置死區(qū)其實(shí)就是用來(lái)保證在任何情況下，每條支路上在一個(gè)開(kāi)關(guān)器件沒(méi)有完全關(guān)斷時(shí)，另一個(gè)開(kāi)關(guān)器件不導(dǎo)通。極端的情況包括用戶裝載了一個(gè)比占空周期更大的死區(qū)值或占空比為100%或0%的死區(qū)值。設(shè)置死區(qū)也就是產(chǎn)生某種延時(shí)，這種延時(shí)使得一個(gè)開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)啟前，另一個(gè)開(kāi)關(guān)器件已完全關(guān)斷。所需要的延時(shí)時(shí)間是由開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)啟或關(guān)斷特性和負(fù)載的特性所決定的即設(shè)置合適的死區(qū)值[7]。死區(qū)產(chǎn)生的波形如圖3所示。圖3中輸入的是FPGA的主頻時(shí)序，然后利用程序設(shè)計(jì)輸出的一對(duì)(兩路)PWM波如UH/UL，輸出兩路波形的波峰和波谷，它們是利用死區(qū)時(shí)間錯(cuò)開(kāi)的，避免同時(shí)導(dǎo)通，虛線時(shí)間段表示兩路波的死區(qū)時(shí)間。

2　硬件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路硬件部分主要分為4大模塊：主控制器模塊、電源模塊、通信模塊與顯示模塊，主控制器模塊采用FPGA+ARM系統(tǒng)架構(gòu)，主要用于產(chǎn)生PWM信號(hào)。

2.1　主控制器模塊

主控制器模塊的ARM處理器通過(guò)RS485與上位機(jī)連接，再通過(guò)Modbus通信協(xié)議的方式接收上位機(jī)發(fā)送的頻率、死區(qū)時(shí)間等參數(shù)，然后利用SPI總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，產(chǎn)生所需要的PWM波?？紤]到FPGA驅(qū)動(dòng)能力有限，此處加入74HC245驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力，隨后輸出4路PWM波?？刂撇糠纸Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　控制部分結(jié)構(gòu)圖

FPGA產(chǎn)生的4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)光耦隔離電路后引入驅(qū)動(dòng)板，通過(guò)IR2136S自舉后驅(qū)動(dòng)由IGBT組成的H橋電路。最后通過(guò)變壓器隔離降壓，電容濾波后輸出驅(qū)動(dòng)超聲波壓電陶瓷產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波。驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)圖

2.2　電源模塊

超聲波壓電陶瓷數(shù)字變頻驅(qū)動(dòng)的輸入端采用工頻交流電直接供電，220 V/50 Hz的交流電通過(guò)全橋整流和電容濾波后，得到一個(gè)310 V左右的直流電壓，電路如圖6所示。

圖6　輸入電源整流電路

主電路通過(guò)控制IGBT開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)DC-AC的轉(zhuǎn)換。這里利用FPGA產(chǎn)生的帶死區(qū)的PWM波來(lái)控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷[7-8]。采用單相H橋電路，下面來(lái)說(shuō)明基本原理。H橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖7所示。

圖7　H橋驅(qū)動(dòng)電路

圖7中輸入直流電壓為E，RL代表負(fù)載。當(dāng)開(kāi)關(guān)Q1、Q4接通，Q2、Q3斷開(kāi)時(shí)，電流流過(guò)Q1、RL、Q4時(shí)，負(fù)載上的電壓極性是左正右負(fù)，電流從左流向右；當(dāng)開(kāi)關(guān)Q2、Q3接通，Q1、Q4斷開(kāi)時(shí)，電流流過(guò)Q3、RL、Q2時(shí)，負(fù)載上的電壓極性是左負(fù)右正，電流從右流向左，電壓和電流極性與之前反相。若兩組開(kāi)關(guān)Q1、Q4和Q2、Q3以某個(gè)頻率f交替切換工作時(shí)，負(fù)載RL上就可得到頻率為f的交變電壓Uo，其數(shù)值等于E[9-10]。本設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)Q1、Q2 、Q3、Q4是由開(kāi)關(guān)器件IGBT來(lái)代替的。輸入的控制信號(hào)是帶死區(qū)的PWM波形，由FPGA產(chǎn)生。H橋IGBT具體驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。

圖8　H橋IGBT驅(qū)動(dòng)電路

2.3　通信與顯示模塊

電源輸出頻率、功率在LCD觸控顯示屏上顯示，ARM將數(shù)據(jù)通過(guò)串口線傳送給LCD觸控顯示屏，通信采用的是Modbus協(xié)議。LCD觸控顯示屏，而電源控制板作為從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)可以互相請(qǐng)求和應(yīng)答。LCD觸控屏界面主要顯示輸出電壓、頻率。通信模塊由RS485器件及其外部電路組成。 RS485通信模塊電路圖如圖9所示。

圖9　RS485通信模塊電路圖

圖10　電路原理圖

在輸出顯示部分，本設(shè)計(jì)加入了電流電壓傳感器用于檢測(cè)輸出電流和輸出的電壓，由CPU的DMA做A/D采集。主控CPU采集處理后送LCD顯示，同時(shí)能改變電流值進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，提高電路輸出穩(wěn)定性[10]。本設(shè)計(jì)的超聲波頻率在20 kHz以上，A/D采集范圍過(guò)高。采用單運(yùn)放T型全波整流可以很好地解決問(wèn)題，整流、濾波后輸出電流電壓在A/D采樣范圍內(nèi)，整流電路R1=R2=2R3，設(shè)置增益為1/2,輸出端是同相放大器，增益設(shè)置為2。具體電路及仿真如圖10和圖11所示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件要完成PWM波的產(chǎn)生、RS485數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)處理通信等功能，因此主程序設(shè)計(jì)包括了FPGA信號(hào)產(chǎn)生、STM32數(shù)據(jù)控制處理、數(shù)據(jù)校正和顯示等。該系統(tǒng)的主程序流程圖如圖12所示，兩路光電數(shù)據(jù)的采集是在FPGA中完成，采集數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)為光電信號(hào)的低電平脈沖時(shí)間，包括標(biāo)準(zhǔn)棒的時(shí)間和待測(cè)工件的時(shí)間。FPGA將計(jì)數(shù)時(shí)間通過(guò)SPI協(xié)議傳輸給STM32微控制器，STM32接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，再將計(jì)算的工件結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)中，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，還可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正調(diào)試。

3.1　FPGA生成PWM波程序設(shè)計(jì)

通過(guò)SPI發(fā)送4個(gè)字節(jié)給FPGA來(lái)控制PWM輸出的占空比。.spi接收4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),暫時(shí)只用了兩個(gè),預(yù)留兩個(gè)做備用。T0:設(shè)置頻率,地址為0；T1:設(shè)置電壓,地址為1。相當(dāng)于放到一個(gè)數(shù)組中,有4個(gè)16位的元素。

module PWM_Out(

sys_clk,

圖11　Proeus仿真波形

圖12　主程序流程圖

sys_rst_n,

mosi,//定義spi的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、片選

sck,

Rstn_T,

T0_clk,

clk_25m,

LED3,

LED4,

testpin_bank4,

testpin_bank3,

testpin_bank2,

testpin_bank1,

clk_out,

F_STOP,//停止驅(qū)動(dòng)芯片

F_ERROR,//驅(qū)動(dòng)芯片報(bào)

//錯(cuò)信號(hào)輸入

clr_error_in,//CPU 的報(bào)警

//清除信號(hào)

F_ERROR_OUT,//驅(qū)動(dòng)器報(bào)錯(cuò)

//信號(hào)輸出CPU

jumper_new_pcb,//IR2136=1,IR2131=0;

cpu_clk,

pwm_out_UH,

pwm_out_UL,

pwm_out_VH,

pwm_out_VL,

rs232_tx//串口發(fā)送

);

3.2　FPGA和單片機(jī) SPI數(shù)據(jù)傳輸模塊

實(shí)現(xiàn)STM32發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA，使FPGA芯片輸出的SPW波按正弦信號(hào)輸出，同時(shí)將輸出信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)板。代碼。

通過(guò)改變Modbus的設(shè)定頻率改變輸出信號(hào)的頻率，輸出PWM的頻率在16～50 kHz之間可以調(diào)節(jié)。改變Modbus的電壓控制死區(qū)的范圍，死區(qū)越大則輸出功率越低，死區(qū)越小輸出功率越大。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1　FPGA計(jì)數(shù)、晶振倍頻

FPGA的晶振50 MHz倍頻到150 MHz，計(jì)數(shù)150 MHz主時(shí)鐘，計(jì)數(shù)值設(shè)置為T，則對(duì)應(yīng)超聲波輸出的頻率為150 M/T。例如輸出頻率設(shè)置為20 kHz則150 000 000/7 500=20 000 ，也就是FPGA計(jì)數(shù)7 500次。

例化PLL產(chǎn)生模塊：

//50 MHz倍頻150 MHz

pll pll_inst {

CLKI(sys_clk),//PLL輸入時(shí)鐘50 MHz

STDBY(locked),

//PLL輸出有效標(biāo)志位，低表示PLL輸出有效

RST(pll_rst),//PLL復(fù)位信號(hào),高電平復(fù)位

CLKOP(clk_150m),//PLL輸出150 MHz時(shí)鐘

CLKOS(clk_200m)//PLL輸出200 MHz時(shí)鐘

};

endmodule

4.2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

為了測(cè)試產(chǎn)生的超聲波信號(hào)是否可以驅(qū)動(dòng)換能器，對(duì)普通的一款超聲波換能器進(jìn)行測(cè)試，其共振頻率在28.34 kHz，然后對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)設(shè)置FPGA的計(jì)數(shù)值從而改變其輸出頻率。設(shè)計(jì)數(shù)值為T，相關(guān)值如表1所列。

表1　超聲波換能器測(cè)試數(shù)碼

圖13　頻率與輸出電壓

實(shí)際輸入的電壓為310 V，考慮測(cè)試安全性采用的輸入電壓為30 V，輸出電壓和諧振頻率特性圖如圖13所示。當(dāng)頻率在27.772 kHz附近時(shí),輸出的電壓是最小值，說(shuō)明此時(shí)換能器處于共振狀態(tài)，也就是處于它的工作頻率，這說(shuō)明測(cè)試的這個(gè)換能器(28.34 kHz)實(shí)際工作頻率應(yīng)該在27.772 kHz。

結(jié)　語(yǔ)