超声波焊接、清洗、(液位计、液位变送器、电容式液位计、电容式液位变送器、物位开关、料位计、物位计）的检测技术具有广泛的应用前景[1]。然而超声波系统谐振频率漂移、跟踪滞后等问题并没有得到完全解决。目前研制的超声波设备多为超声波电源与其配套的换能器工作，单个超声波电源无法驱动及锁频不同谐振频率段的换能器，实现不了宽频域内的频率跟踪和锁相[2]。因此，研制一款具有频率自动跟踪并能动态匹配不同谐振频率换能器的宽频超声波电源具有重要的应用价值[3]。
本文采用XILINX ZYNQ系列的FPGA(XC7Z0201CLG484I)作为主控制器，设计了一款具有宽频域内频率自动搜索、跟踪、动态匹配换能器的超声波电源。输出频率20~40 kHz，可以驱动在该频率范围内的不同应用类型换能器，具有宽频域的广泛适用性。
1 超声波电源系统构成
超声波电源由整流电路、逆变电路、匹配电路、反馈电路和主控制电路组成。主控制器FPGA集成了一个双核ARM Cortex-A9 处理器资源(Processing System，PS)和一个传统的现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)逻辑资源(Programmable Logic，PL)。FPGA的PL单元主要完成频率搜索、频率跟踪、电压电流鉴相、SPWM生成、直接数字式频率合成器（DDS）等功能；PS处理器完成界面显示、输入参数处理等功能。匹配电路由高频变压器和改进T型匹配网络组成，起着变阻调谐的作用，使负载呈纯阻性，提高电源的效率。
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DDS可简化为由相位累加器和ROM正弦波存储表组成。在系统时钟的控制下，更新频率控制字，该频率控制字对应着ROM正弦波表的地址，而该地址存储的内容就是正弦波的某个合成点对应的幅值，在下一个系统时钟下，相位累加器的输出再次增加一个频率控制字，对应着改变波形存储的地址，从而生成所合成波形的下一个幅值点，直到相位累加器溢出后形成一个完整的正弦波[4-5]。该正弦波的频率随着频率控制字的改变而改变，其输出频率为：
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式中，N为相位累加器位长，fclk为系统时钟，Fword为频率控制字。
DDS输出正弦波信号与SPWM生成模块内部产生的高频三角载波信号进行调制，输出脉冲宽度按照正弦波规律变化的PWM波，控制逆变电路输出频率按照DDS输出的正弦波频率改变。
系统通电后，首先根据反馈电流有效值I_in进行频率搜索，在20 kHz~40 kHz频域内快速搜索到换能器的谐振频率，并记录谐振频率时的最大电流值I_max作为电流阈值，接着启动频率跟踪程序，根据反馈电路的电压U、电流I相位差，锁定输出频率在电压电流相位一致的频率点，同时PL还实时监测反馈电流值与I_max之间的大小，作为判断系统是否处于谐振状态的一个辅助条件。一旦系统更换换能器或者负载突变导致系统失谐，反馈电流值将远小于I_max，此时PL将选择频率搜索程序，重新搜索到换能器的谐振频率后，转到频率跟踪进行相位锁定。
2 频率搜索
超声波电源输出频率与换能器谐振频率相等时，电源工作效率最高，系统工作最稳定[6]。实验表明，换能器工作在谐振频率Fs时，其负载流过的电流值最大[7-8]，因此可以通过检测换能器的电流值实现谐振频率搜索。
谐振频率为22 kHz和32.32 kHz的换能器在20 kHz~40 kHz频段内的阻抗特性曲线。由图2可知，换能器在谐振频率附近阻抗会发生巨大变化，即电流值变化明显；而在远离谐振频率时，阻抗变化不明显，从而可知其电流变化微弱。基于换能器的这一阻抗特性，在FPGA平台上设计了基于电流最大值的频率搜索法。 |
