基于FPGA铝半连续铸造用超声波电源的研究

摘要

随着我国现代化的进一步深化,对铝合金产品的数量和质量都有了很高的要求。在铝合金的半连续铸造过程中,将功率超声波导入其熔液中能够显著地改善凝固组织的微观结构,提高产品的铸造质量。而超声波铸造电源是其铸造工艺中的关键设备,研究如何提高其自动化、智能化水平对超声铸造技术大规模应用到工业现场有重要意义。
　　 本文通过研究分析换能器的工作特点,得出了控制对象的性能需求。综合对比不同电路的特点,确定了单相不可控桥式整流、Buck调压方式和全桥逆变的主电路拓扑结构,以满足铸造工艺的要求,保证系统安全、可靠地运行。
　　 针对分立式嵌入系统所带来的局限性,结合电子器件发展趋势,提出了片上可编程系统(SoPC)的解决方案,在一块.ACTEL FPGA芯片上集成了软核处理器、Flash存储器、A/D转换器以及PWM发生电路等模块。由于其可编程的特性,在不改变硬件的条件下,用VerilogHDL语言可以方便地编写加入需要扩展的功能模块,大大增强了系统灵活性。同时设计了MOSFET驱动电路、缓冲电路、整形电路以及人机接口电路等外围电路构成了一套完整的系统。
　　 由于换能器本身具有较大的阻抗,因而利用变压器的阻抗变换特性,设计了高频脉冲变压器,以提高电源的输出效率。而且换能器工作时是以谐振方式来传递能量的,工作环境导致系统参数的变化都会改变其谐振频率,本文利用FPGA器件设计了全数字的模糊锁相频率跟踪方式,能够根据相位差的大小改变输出的频率增量,并通过数字口调节数字电感的大小,这种数字化动态电感的频率跟踪方式能够有效地抑制超调和提高锁相的快速性。
　　 仿真及部分现场调试结果表明:超声电源的输出频率能够快速地跟随谐振频率的变化,使换能系统长期工作而不失谐,可以保证铸造过程的顺利进行。同时调谐频率宽,性能升级灵活方便使系统能够适应多种应用场合。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景及来源

1.2 铝半连续铸造技术及超声波的引入

1.3 超声波在铝半连续铸造中的作用原理

1.4 超声铸造电源的研究现状

1.5 论文的研究内容章节安排

第二章 超声波电源总体方案和主电路设计

2.1 电源总体方案和主电路的拓扑结构

2.1.1 整流电路

2.1.2 逆变电路设计

2.1.3 调功电路

2.1.4 主电路的具体结构

2.2 主电路的主要参数及计算

2.3 MOSFET驱动及保护

2.4 高频变压器设计

2.4.1 高频变压器变比

2.4.2 原副边匝数

2.4.3 磁芯材料及铁芯

2.5 动态电感匹配

2.5.1 超声波换能器的等效电路

2.5.2 阻抗匹配形式

2.5.3 动态匹配原理

2.5.4 数字电感设计

2.6 本章小结

第三章 基于FPGA的SoPC控制核心的设计

3.1 SoPC技术概述

3.1.1 嵌入式系统

3.1.2 片上系统

3.1.3 片上可编程系统

3.2 基于FPGA的SoPC系统搭建

3.2.1 FPGA及Fusion-M1AFS600

3.2.2 AMBA总线

3.2.3 Libero集成开发环境下的FPGA.开发流程

3.2.4 基于软核处理器的系统设计

3.3 超声波电源系统IP核的设计

3.3.1 PWM发生模块

3.3.2 ADC模块

3.3.3 Flash memory模块

3.3.4 LCD模块

3.4 FPGA外围电路设计

3.4.1 电压电流检测电路

3.4.2 人机接口电路

3.5 本章小结

第四章 超声波铸造电源自动频率跟踪控制算法研究

4.1 引言

4.2 锁相环原理

4.2.1 锁相环的基本原理

4.2.2 锁相环的数学模型

4.3 鉴相-环路滤波器的IP核设计

4.3.1 全数字锁相环的引入

4.3.2 数字鉴相器

4.3.3 数字环路滤波器

4.3.4 IP核的封装

4.4 智能模糊控制器的设计

4.4.1 模糊控制原理

4.3.2 输入输出变量的量化

4.3.3 模糊控制规则库的设计

4.3.4 基于模糊控制的自动频率跟踪

4.4 本章小结

第五章 系统仿真及实验结果

5.1 电路谐振状态分析

5.1.1 整流-Buck斩波模块

5.1.2 逆变模块

5.1.3 系统仿真

5.2 现场实验及结果分析

5.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的成果