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(dòng)化研究所廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室 2.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院）

超聲波焊接電源設(shè)備的頻率跟蹤速度和精度直接影響焊接質(zhì)量。針對(duì)模擬鎖相環(huán)頻率跟蹤慢、負(fù)載突變易失鎖等缺點(diǎn)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)，著重分析電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過仿真軟件對(duì)模塊驗(yàn)證。最后，搭建超聲波焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試記錄，對(duì)數(shù)據(jù)加以分析并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

超聲波焊接電源；數(shù)字鑒相器；頻率跟蹤；FPGA

0　前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、電子技術(shù)及器件的發(fā)展，超聲波電源技術(shù)得到迅速發(fā)展，憑借其功率大、處理速度快、效率高、自動(dòng)化程度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于集成電路、精密金屬、塑料結(jié)構(gòu)件、塑料制品等領(lǐng)域。在超聲波技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也對(duì)其質(zhì)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(yīng)用，F(xiàn)PGA作為超聲波焊接電源的核心控制器，克服傳統(tǒng)超聲波電源工作時(shí)失鎖及頻率跟蹤速度慢等問題。

1　超聲波焊接電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲波焊接電源主要由主電路、控制電路和匹配網(wǎng)絡(luò)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(hào)采樣及調(diào)理電路、零點(diǎn)比較電路、故障檢測(cè)及保護(hù)電路、液晶和開關(guān)量輸入輸出電路組成，主要實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤、功率可調(diào)、人機(jī)界面和故障檢測(cè)保護(hù)等功能；匹配網(wǎng)絡(luò)由中頻變壓器和T型匹配網(wǎng)絡(luò)組成，起著變壓、調(diào)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(jīng)過單相整流橋變?yōu)橹绷髅}動(dòng)電壓；再經(jīng)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(zhuǎn)換成高頻交流電；最后經(jīng)由高頻變壓器T1和匹配電路轉(zhuǎn)換為同頻率的正弦交流電驅(qū)動(dòng)換能器。壓電換能器將超聲頻率電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)能，由超聲振動(dòng)系統(tǒng)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(tǒng)核心的部分是頻率跟蹤。本系統(tǒng)采用FPGA（EP4CE15F17C8）作為核心控制芯片。圖3為系統(tǒng)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(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率從21kHz開始逐漸向下調(diào)整，直到19kHz為止。假設(shè)在某個(gè)頻率下，正好與電路的諧振頻率相等，則電流必然會(huì)最大，這時(shí)把該頻率作為粗略的諧振頻率，并且系統(tǒng)進(jìn)入頻率跟蹤過程，該過程為粗調(diào)。在進(jìn)入頻率跟蹤過程后，檢測(cè)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流，并對(duì)其相位做比較，根據(jù)鎖相環(huán)輸出小范圍內(nèi)對(duì)諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)四路PWM做出相應(yīng)調(diào)整，該過程為微調(diào)。

本文采用軟件Quratus 11.0編寫veriog程序，應(yīng)用Modelsim仿真軟件，通過編寫測(cè)試文本testbench進(jìn)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(diǎn)和反諧振點(diǎn)的粗略范圍，從而設(shè)置掃頻的起始頻率和終止頻率。系統(tǒng)利用掃頻模塊在振子開始加工之前對(duì)振子進(jìn)行掃頻，掃頻的方式根據(jù)設(shè)定的起始頻率逐步向終止頻率步進(jìn)。在這過程中通過對(duì)副邊變壓器電流進(jìn)行采樣，并尋找其最大電流值時(shí)對(duì)應(yīng)的換能器工作頻率。當(dāng)電流最大值時(shí)，進(jìn)入頻率跟蹤過程，這樣可大大減少跟蹤時(shí)間，并減少電源的工作響應(yīng)時(shí)間，增加整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。掃頻模塊如圖4所示，Iavg_EOC為采樣狀態(tài)信號(hào)；SysClk_50MHz為時(shí)鐘信號(hào)；SysRst_n為異步復(fù)位信號(hào)；Iavg為電流信號(hào)；end_frequency為最大電流時(shí)的頻率控制字；current_frequency為當(dāng)前頻率控制字；Done為掃頻狀態(tài)信號(hào)。

圖4　掃頻模塊

掃頻模塊啟動(dòng)時(shí)，設(shè)0=0，current_frequency=2381（即50000000/2381=21000 Hz），當(dāng)檢測(cè)到SysRst_n為高電平時(shí)，掃頻模塊開始工作，Done輸出低電平；當(dāng)檢測(cè)到Iavg_EOC觸發(fā)信號(hào)為高電平時(shí)，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(shí)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(fù)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(shí)的頻率控制字end_frequency=2571，Done輸出高電平，此時(shí)掃頻過程結(jié)束。掃頻模塊仿真時(shí)序圖如圖5所示。

圖5　掃頻模塊仿真時(shí)序圖

2.2數(shù)字鑒相器模塊

系統(tǒng)采用鎖相式頻率跟蹤，利用采樣電路獲得電流信號(hào)和電壓信號(hào)的相位脈沖波形，檢測(cè)二者的相位差，根據(jù)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(tài)。因此，數(shù)字鑒相器是整個(gè)頻率跟蹤模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

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

圖6　數(shù)字鑒相器模塊

數(shù)字鑒相器具體工作原理：對(duì)Pin_1和Pin_2的上升沿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到Pin_1信號(hào)的上升沿時(shí)，dn保持低電平不變，判斷此時(shí)Pin_2信號(hào)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(dāng)檢測(cè)到Pin_2信號(hào)的上升沿時(shí)，up保持低電平不變，判斷此時(shí)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(shù)字鑒相器模塊仿真時(shí)序圖如圖7所示，由圖7可知，光標(biāo)線1左邊Pin_1相位超前Pin_2相位，此時(shí)up輸出高電平，dn輸出低電平；光標(biāo)線1位置為理想工作點(diǎn)，Pin_1相位和Pin_2相位一致，此時(shí)up和dn均輸出低電平；光標(biāo)線1右邊Pin_2相位超前Pin_1相位，此時(shí)up輸出低電平，dn輸出高電平。

圖7　數(shù)字鑒相器模塊仿真時(shí)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(jù)鑒相器的相位差信號(hào)輸出頻率控制數(shù)，當(dāng)Done信號(hào)為高電平時(shí)的第一個(gè)時(shí)間周期將f_in數(shù)據(jù)傳送給f_cnt，即執(zhí)行f_cnt≤f_in；接下來對(duì)up和dn信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)up信號(hào)為高電平時(shí)，模塊中的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，輸出的頻率計(jì)數(shù)值f_cnt在原有的基礎(chǔ)上減1，即執(zhí)行語句f_cnt≤f_cnt-1；當(dāng)dn為高電平時(shí)，模塊中的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，輸出的頻率計(jì)數(shù)值f_cnt在原有的基礎(chǔ)上加1，即執(zhí)行f_cnt≤f_cnt+1。

圖8　頻率跟蹤模塊

頻率跟蹤模塊仿真時(shí)序圖如圖9所示，當(dāng)監(jiān)測(cè)到掃頻狀態(tài)信號(hào)Done為高電平時(shí)，頻率跟蹤模塊啟動(dòng)，將掃頻結(jié)果f_in賦值給f_cnt，之后對(duì)相位差信號(hào)dn和up進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到dn信號(hào)為高電平，up信號(hào)為低電平，此時(shí)Pin_1超前Pin_2，鎖相環(huán)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，執(zhí)行語句f_cnt≤f_cnt-1，對(duì)頻率控制進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而控制四路PWM頻率信號(hào)使電路達(dá)到諧振狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到dn信號(hào)和up信號(hào)均為低電平，表示Pin_1和Pin_2同相位，鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，此時(shí)電路工作在諧振狀態(tài)；換能器工作一段時(shí)間由于老化發(fā)熱導(dǎo)致固有頻率發(fā)生變化，鎖相環(huán)進(jìn)入失鎖狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到dn信號(hào)為低電平，up為高電平，此時(shí)Pin_2超前Pin_1，鎖相環(huán)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，執(zhí)行語句f_cnt≤f_cnt+1，對(duì)頻率控制進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而控制四路PWM頻率信號(hào)，使電路達(dá)到諧振狀態(tài)。

圖9　頻率跟蹤模塊仿真時(shí)序圖

3　試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)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(shè)計(jì)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(tái)。配備3 kW的超聲波電阻焊接機(jī)頭，具備良好的焊接工藝性能，焊接電源的換能器不會(huì)因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)間的長短出現(xiàn)明顯的功率不匹配現(xiàn)象。圖10為超聲焊接時(shí)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(shí)電流電壓相位差接近于0，換能器處于諧振狀態(tài)。

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

4　結(jié)論

采集換能器電流電壓信號(hào)，并將電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為方波送到FPGA處理，經(jīng)過FPGA的處理得到電流電壓超前滯后的關(guān)系，并利用相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)換能器頻率的跟蹤。

參考文獻(xiàn)

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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(shù)等。E-mail: xg.liu@gia.ac.cn

廣東省中國科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作項(xiàng)目（2012B091100262）；廣州市越秀區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012-GX-013）。