CN111262579A - 基于fpga的二维超声装置频率跟踪与相位控制电路 - Google Patents

基于fpga的二维超声装置频率跟踪与相位控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的二维超声装置频率跟踪与相位控制电路。本发明包含频率调节控制器、频率发生器、相位调节控制器三个模块，频率调节控制器模块根据输入的换能器电压电流反馈信号判断换能器当前工作状态，并产生不同的频率控制字输出。频率发生器根据输入的频率控制字的大小产生不同频率的方波，相位调节控制器将频率发生器产生的频率信号复制为两路，一路直接用于输出，另一路根据输入的设定相位值，对该波形进行对应相位的延时后输出。本发明将FPGA的并行控制优势应用到双路超声的频率跟踪与相位控制中，实现了对二维超声装置刀头振动轨迹的精确控制，通过高速硬件电路对反馈信号的同步采样与处理保证了控制的实时性与精确性。

Description

基于FPGA的二维超声装置频率跟踪与相位控制电路
技术领域
本发明涉及超声电源技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的二维超声装置频率跟踪与相位控制电路。
背景技术
超声换能器采用压电陶瓷制成，利用压电陶瓷的逆压电效应，即当压电陶瓷两端外加高频交变电场时压电陶瓷晶体发生极化，同时产生物理形变，从而产生超声波。
超声换能器相当于一个RLC谐振电路，只有在换能器工作于谐振频率点附近时，换能器才能够实现较高的输出功率。个体差异、负载大小、温度等因素都会影响该谐振电路中的电学参数，使得换能器具有不同的谐振频率。
二维超声辅助加工就是在传统的切削机床刀头上，分别施加x轴和y轴两个方向上的超声振动，使得刀头在原本的运动方向上叠加一个微米级的椭圆振动。在加工过程中，刀头与切削面产生周期性的接触与分离，从而能够显著减小切削力，提高加工表面质量，并且延长刀头寿命。针对于不同的加工材质以及加工需求，可以通过调节椭圆振动的轨迹来得到最佳的加工效果。两换能器需要保持相同的工作频率并处于相似的工作状态，才能通过对于换能器振幅与相位的调节来改变合成后的椭圆振动轨迹。
传统的MCU控制方式通过执行程序实现控制操作，本质为顺序指令执行，多换能器应用场景中，信号的采样处理以及输出调节等工作量加倍，这就增加了系统反馈调节的时间。而双路超声控制应用中对于控制的实时性快速性要求较高，使用硬件电路进行控制可以将两个换能器的信号采集处理过程并行化，并且使用流水线的设计方式循环执行，保证了控制的实时性与精确性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于FPGA的二维超声振动装置频率跟踪与相位控制电路，本发明的技术方案如下：
本发明通过使用FPGA中的逻辑资源搭建电路实现双路超声同步跟频与相位控制功能，电路中的内部模块划分主要包括：
频率调节控制器，分别根据两路换能器采样反馈回来的电压电流信号之间的相位差，判断其失谐角度以及失谐方向，若电流相位超前电压相位，则记为负向失谐；若电流相位滞后电压相位，则记为正向失谐。将两换能器的失谐角度相加，得到换能器总体失谐角度，并根据总体失谐方向调整输出的频率控制字大小。
频率发生器，通过改变计数器计数值产生不同频率的方波，达到调节输出频率的功能。计数器的计数值由频率调节控制器的输入决定。
相位调节控制器，用于根据频率发生器产生的频率信号产生两路用于驱动换能器逆变电路的控制信号。其中一路直接输送给其中一路换能器的驱动电路，另外一路经过相应的计数器延时后输出送给另一路换能器的驱动电路，以达到相位调节控制的作用。
进一步说，所述的频率调节控制器包含四个信号输入端口，分别为两路换能器的电压及电流反馈信号；包含一个输出端口，为输出到频率发生器的频率控制字。频率调节控制器内部包含用于检测输入信号上升沿的上升沿检测电路、用于检测相位差大小的计数器、用于计算总体失谐角度的有符号加法器，以及频率控制字寄存器。
进一步说，所述的频率发生器包含有一个频率控制字输入端口，一个频率波形输出端口，频率发生器内部包含一个用于计数延时的计数器，一个控制波形发生变化的比较器。
进一步说，所述的相位调节控制器，包含两个数据输入端口，分别为频率信号输入端口和用于换能器相位设定的相位值输入端口；以及两个数据输出端口，分别为两个用于控制换能器工作的逆变电路驱动波形输出端口。相位调节控制器内部包含有检测信号边沿到达的边沿检测电路，用于根据设定相位差计算延时时间的乘/除法器、用于波形延时的计数器及比较器，用于寄存输出波形值的输出寄存器。
进一步说，该电路均采用FPGA系统所输入的时钟与复位信号，其中时钟信号采用50MHz晶振产生，该电路中所有寄存器均与系统复位总线相连，当FPGA系统处于复位状态时，电路停止工作并且关闭波形输出。
本发明的有益效果：
本发明能够驱动二维超声辅助加工装置中的双路超声换能器，使刀头部位产生椭圆超声振动，电路能够实时调节频率输出使换能器工作在最佳的工作频率上，并能根据设定输入调节两换能器振动相位差。
本发明将FPGA的并行控制优势应用到双路超声的频率跟踪与相位控制中，实现了对二维超声刀头振动轨迹的精确控制，通过高速硬件电路对反馈信号的同步采样与处理保证了控制的实时性与精确性，从而提升了二维超声设备的性能与可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，附图均基于FPGA内部功能模块进行划分连接，每个内部逻辑模块均与FPGA的50MHz时钟输入以及复位输入端口连接，采用统一的时钟及复位信号。
图1为本发明的整体系统框图，包括系统的输入与输出，以及FPGA内部主要电路模块连接结构示意；
图2为频率调节控制器的内部模块连接说明；
图3为上升沿检测电路；
图4为频率发生器的内部模块连接说明；
图5为相位调节控制器内部模块连接说明；
图6为边沿检测电路。
具体实施方式
本发明设计了一种基于FPGA(现场可编程门阵列)的控制电路，其能够驱动二维超声辅助加工装置中的双路超声换能器，使刀头部位产生椭圆超声振动。电路能够实时调节频率输出使换能器工作在最佳的工作频率上，并能根据设定输入调节两换能器振动相位差。
本发明主要包含频率调节控制器、频率发生器、相位调节控制器三个模块，其中频率调节控制器模块根据输入的换能器电压电流反馈信号判断换能器当前工作状态，并产生不同的频率控制字输出。频率发生器根据输入的频率控制字的大小产生不同频率的方波，相位调节控制器将频率发生器产生的频率信号复制为两路，一路直接用于输出，另一路根据输入的设定相位值，对该波形进行对应相位的延时后输出。
具体的：
频率调节控制器采集输入到FPGA中的四路方波，分别为两换能器各自的电压信号、电流信号。分别检测同一换能器电压电流信号的上升沿，判断换能器的工作状态。根据电路原理可知，若电流相位超前电压则该换能器处于容性状态；若换能器电压超前电流则该换能器处于感性状态。若换能器处于容性状态，则记换能器为负向失谐，计数器中的计数值设为负数；若换能器处于感性状态，则记换能器为正向失谐，计数器中的计数值设为正数。
在检测到换能器的电流信号上升沿到达后，启动计数器开始计数，直到电压信号上升沿到达，以此反映换能器电压电流之间的相位差。若电流相位超前电压超过半个周期，则记为电压相位超前电流，反之则为电流超前电压。
模块中存在有频率控制寄存器，其中存有频率控制字，根据两换能器相位差寄存器中的计数值判断判断换能器整体工作状态，将两个有符号数相加，结果为负数则减小频率控制寄存器中的数据，以增加输出频率，结果为正数则增加频率控制寄存器中的数据，以减小输出频率。
模块中设定了一定的调节阈值，避免在整体零相位点处反复调节。若两计数器相加结果小于该阈值，不对频率控制寄存器中的数值进行调节。
频率发生器中的计数器随时钟沿的到来不断增加计数值，频率发生器中比较器的设定值为频率控制寄存器中设定的频率控制字。当计数器计数值与比较器中的数值相同时，计数器清零，重新开始计数。同时，频率发生器中含有的一个单比特寄存器中的数据发生翻转。该寄存器的输出信号即为频率发生器产生的原始频率信号。
产生的原始频率信号最后输入到相位调节控制器中。首先将该信号复制为相同的两路信号，其中一路信号直接输出，用于控制一路换能器的逆变驱动电路。另外一路信号与此路信号形成参照，进行移相操作。分别读取输入的设定移相角以及当前频率寄存器中的数值。使移相角除以π再乘上频率寄存器的数值得到移相计数器的计数值。此路信号分别进行上升沿和下降沿检测，每当边沿到来时，启动计数器，当到达计数值后，计数器清零，并使输出信号跟踪该信号。实现另外一路信号的延迟移相操作。
下面详细描述本发明的实施例，如图1所示，系统反馈信号输入中包含四路信号，分别为采样到的两换能器电流电压信号，记为wave_A_I，wave_A_U，wave_B_I，wave_B_U。控制信号输入为7位的二进制数ang[6:0]，代表设定的输出波形移相角，范围为0°到180°。输出为两换能器的控制驱动信号，分别为wave_A，wave_B。
如图2所示的wave_A_I与wave_A_U，wave_B_I与wave_B_U均首先经过模块中的相位差检测器。其中包含有上升沿检测器，上升沿检测器电路如图3所示，由D触发器、非门、与门构成。D触发器输出信号经过非门后跟原始信号一起经过与门。上升沿到来时，与门输出端会得到一个时钟周期的高电平。使用电流上升沿信号作为两个计数器计数的开始信号，使用电压上升沿信号作为两计数器计数的终止信号。在50MHz的时钟频率下，计数一个20KHz左右的超声频率信号约需要计数
Figure BDA0002432765150000051
次，因此计数器的最小位宽为12位，两个计数器分别命名为count1[11:0],count2[11:0]。设此时频率控制字为frq_num[11:0]，若count1，count2均小于
Figure BDA0002432765150000052
则说明此换能器电流超前电压，反之则说明换能器电流滞后电压。使用两个相位差寄存器存储两换能器相位差状态，使用有符号数表示，若电流超前电压则为负，反之则为正。记为count3[12:0],count4[12:0]。以代表换能器A状态的count1与count3为例进行说明，若
Figure BDA0002432765150000053
则count3＝-count1，若
Figure BDA0002432765150000061
则count3＝frp_num-count1。之后采用相同的方法计算count4；最后使用加法器将count3与count4相加，得到add1[11:0]。该数值反映了换能器整体失谐情况。将该数值与换能器频率控制调节阈值相比较，如果add1的绝对值小于该阈值，则不进行调节。阈值设定为失谐角为5°时的计数值，记为thre_val，计算过程如下：
Figure BDA0002432765150000062
由于谐振频率变化不会太大，所以阈值计算时按照20KHz频率输出时的计数值计算，即按frq_num固定为2500计算，结果thre_val固定为38，模块对于输出的frq_num按照如下规律经行调节。
Figure BDA0002432765150000063
频率控制字送入到如图4所示的频率发生器中，使用一个比较器将其与内部的计数器进行数值比较，当数值相同时，比较器输出一个时钟周期的高电平信号，该信号将计数器置位，使其重新开始计数。同时该信号作为一个触发信号连接到后端的D触发器的时钟端，触发器输出信号经过反相器后连接到输入端，使得每个计数周期完成后，频率发生器的输出均发生改变，从而产生占空比为50％的频率信号输出，将该信号名记为wave。
如图5所示为电路的最后一个模块，相位调节控制器模块，包含三个输入信号，两个输出信号，其中输入信号分别为频率信号wave，移相角设定值ang，以及频率控制字frq_num；输出信号为两换能器的控制驱动信号wave_A及wave_B。首先将wave信号复制为两路，其中一路直接赋值给wave_A后输出，作为没有移相的固定信号。另外一路信号以此信号作为对比，经过后级模块进行移相操作。该信号首先经过如图6所示的边沿检测电路，由上升沿检测电路，下降沿检测电路以及与门组成。当输入信号存在上升沿或下降沿时，边沿检测电路输出端均能够产生一个时钟周期的高电平脉冲，该信号会触发计数延时器开始工作。计数延时器同样由计数器以及比较器构成，其中比较器的设定值由图5中的移相延时模块根据移相角设定值ang以及频率控制字wave计算，计算公式如下:
Figure BDA0002432765150000071
乘除法计算过程中所使用的乘除法器采用ALTERA公司提供的IP核设计。当延时计数器完成计数后，计数器清零，并使输出波形跟踪输入波形，从而使得输出wave_B相对于wave_A产生移相。

Claims (5)

1.基于FPGA的二维超声装置频率跟踪与相位控制电路，其特征在于通过使用FPGA中的逻辑资源搭建电路，实现二维超声装置中的双路超声同步跟频与相位控制，包括：
频率调节控制器，分别根据两路换能器采样反馈回来的电压、电流信号之间的相位差，判断其失谐角度以及失谐方向；将两换能器的失谐角度相加，得到换能器总体失谐角度，并根据总体失谐方向调整输出的频率控制字大小；
频率发生器，通过改变计数器计数值产生不同频率的方波，达到调节输出频率的功能，所述计数器的计数值由所述频率调节控制器的输入决定；
相位调节控制器，用于根据频率发生器产生的频率信号产生两路用于驱动换能器逆变电路的控制信号，其中一路控制信号直接输送给一路换能器，另外一路控制信号经过相应的计数器延时后输出送给另一路换能器，以达到相位调节控制的作用。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的二维超声装置频率跟踪与相位控制电路，其特征在于，
所述的频率调节控制器包含四个信号输入端口，分别为两路换能器的电压及电流反馈信号；包含一个输出端口，为输出到频率发生器的频率控制字；
频率调节控制器内部包含用于检测输入信号上升沿的上升沿检测电路、用于检测相位差大小的计数器、用于计算总体失谐角度的有符号加法器，以及频率控制字寄存器。
3.如权利要求1的基于FPGA的二维超声装置频率跟踪与相位控制电路，其特征在于，
所述的频率发生器包含有一个频率控制字输入端口，一个频率波形输出端口；
频率发生器内部包含一个用于计数延时的计数器，一个控制波形发生变化的比较器。
4.如权利要求1的基于FPGA的二维超声装置频率跟踪与相位控制电路，其特征在于，
所述的相位调节控制器，包含两个数据输入端口，分别为频率信号输入端口和用于换能器相位设定的相位值输入端口；以及两个数据输出端口，分别为两个用于控制换能器工作的逆变电路驱动波形输出端口；
相位调节控制器内部包含有检测信号边沿到达的边沿检测电路，用于根据设定相位差计算延时时间的乘/除法器、用于波形延时的计数器及比较器，用于寄存输出波形值的输出寄存器。
5.如权利要求1的基于FPGA的二维超声装置频率跟踪与相位控制电路，其特征在于，
该电路均采用FPGA系统所输入的时钟与复位信号，其中时钟信号采用50MHz晶振产生，该电路中所有寄存器均与系统复位总线相连，当FPGA系统处于复位状态时，电路停止工作并且关闭波形输出。
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