CN112462653A - 一种并行通用的超声波驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并行通用的超声波驱动装置，所述并行通用的超声波驱动装置与第一负载和第二负载连接。所述并行通用的超声波驱动装置通过FPGA波形产生电路产生第一驱动信号和第一控制信号，并将所述第一驱动信号发送至运放电路，将所述第一控制信号发送至所述驱动电路；运放电路对第一驱动信号进行功率放大，得到第二驱动信号并发送至第一负载；驱动电路与逆变电路连接，驱动电路将第一控制信号发送至逆变电路，并对逆变电路进行隔离驱动；逆变电路在第一控制信号的控制下进行逆变，得到交流信号并发送至第二负载。本发明基于FPGA的并行运算逻辑，适用于不同类型的换能器的并行驱动，提高了超声波驱动装置的通用性。

Description

一种并行通用的超声波驱动装置
技术领域
本发明涉及超声波驱动领域，特别是涉及一种并行通用的超声波驱动装置。
背景技术
目前，超声波驱动方案大体上可分为由硬件集成电路组成的模拟驱动方案和带有数控芯片的数控驱动方案。模拟驱动通过选用IC(Integrated Circuit集成电路)器件来产生驱动换能器所需的波形；数控驱动采用数字控制技术对数控芯片进行编程来产生所需的波形。其中，数控驱动的具体形式主要有MCU(Micro Control Unit微控制单元)控制、DSP(Digital SignalProcessing数字信号处理)控制及FPGA(FieldProgrammable GateArray现场可编程逻辑门阵列)控制。
不同压电陶瓷换能器具有不同的谐振频率，因此通用的超声波发生器其频率要能够变化。以IC为主的模拟驱动电路通过选用不同的电阻和电容实现驱动波形频率的变化；带有数控芯片的驱动电路大多通过DDS(Direct Digital Synthesizer直接数字式频率合成器)技术实现频率的变化。
现有超声波发生器的数控驱动方案通用性不好，对于不同驱动信号波形及频率范围要求的换能器不能并行驱动。采用数控驱动方案的超声波发生器，其功率放大模块采用全桥逆变电路，其逆变电路输出的波形为方波，驱动波形种类单一。功率调节模块则是通过采用降压或升压电路改变逆变电路输入电压的幅值来实现，调节精度不高，不能实现稳定的功率输出。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种并行通用的超声波驱动装置，基于FPGA的并行运算逻辑，适用于不同类型换能器的并行驱动。
为达上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种并行通用的超声波驱动装置与第一负载和第二负载连接；
所述并行通用的超声波驱动装置包括：现场可编程逻辑门阵列FPGA波形产生电路、运放电路、驱动电路及逆变电路；
其中，所述现场可编程逻辑门阵列FPGA波形产生电路用于产生频率可调的第一驱动信号和第一控制信号；
所述运放电路分别与所述FPGA波形产生电路及第一负载连接；所述运放电路用于对所述第一驱动信号进行功率放大，得到第二驱动信号，并将所述第二驱动信号发送至所述第一负载，以驱动所述第一负载工作；
所述驱动电路分别与所述FPGA波形产生电路及所述逆变电路连接；所述驱动电路用于将所述第一控制信号发送至所述逆变电路，并对所述逆变电路进行隔离驱动；
所述逆变电路与所述第二负载连接；所述逆变电路在所述第一控制信号的控制下进行逆变，得到交流信号，并将所述交流信号发送至所述第二负载。
可选地，所述并行通用的超声波驱动装置还包括：
前级功率放大电路，所述前级功率放大电路的输入端与所述FPGA波形产生电路连接，所述前级功率放大电路的输出端分别与所述运放电路及所述驱动电路连接；所述前级功率放大电路用于改变所述第一驱动信号和所述第一控制信号的电压幅值。
可选地，所述第一驱动信号和/或所述第一控制信号的电压幅值范围为0～5V。
可选地，所述并行通用的的超声波驱动装置还包括：
采样反馈电路，所述采样反馈电路的输入端与所述逆变电路连接，所述采样反馈电路的输出端与所述FPGA波形产生电路连接；所述采样反馈电路用于对所述逆变电路的交流信号进行采样，得到采样结果，并根据所述采样结果得到反馈信号并发送至所述FPGA波形产生电路；
所述FPGA波形产生电路还用于根据所述反馈信号调节所述第一控制信号的占空比。
可选地，所述采样反馈电路包括：
电压采样电路，与所述逆变电路连接，用于对所述交流信号进行采样；
算法调节电路，所述算法调节电路的输入端与所述电压采样电路连接，所述算法采样电路的输出端与所述FPGA波形产生电路连接；所述算法调节电路用于根据采样结果得到所述反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述FPGA波形产生电路。
可选地，所述算法调节电路使用的算法为PID比例微分积分控制算法。
可选地，所述并行通用的超声波驱动装置还包括：
第一匹配电路，所述第一匹配电路的输入端与所述运放电路连接，所述第一匹配电路的输出端与所述第一负载连接；所述第一匹配电路用于使所述运放电路和所述第一负载匹配。
可选地，所述并行通用的超声波驱动装置还包括：
第二匹配电路，所述第二匹配电路的输入端与所述逆变电路连接，所述第二匹配电路的输出端与所述第二负载连接；所述第二匹配电路用于使所述逆变电路和所述第二负载匹配。
可选地，所述逆变电路为全桥逆变电路。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明并行通用的超声波驱动装置通过FPGA波形产生电路产生第一驱动信号和第一控制信号，将第一驱动信号发送至运放电路，将第一控制信号发送至驱动电路；运放电路对第一驱动信号进行功率放大，得到第二驱动信号，并将第二驱动信号发送至第一负载；驱动电路与逆变电路连接，将第一控制信号发送至逆变电路，并对逆变电路进行隔离驱动；逆变电路在第一控制信号的控制下进行逆变，得到交流信号并发送至第二负载。本发明基于FPGA的并行运算逻辑，实现不同负载的并行驱动，提高了超声波驱动装置的通用性。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明并行通用的超声波驱动装置的原理示意图。
图2为本发明并行通用的超声波驱动装置的具体实施例的原理框图。
符号说明：
1—FPGA波形产生电路，2—运放电路，3—驱动电路，4—逆变电路，5—第一负载，6—第二负载，7—前级功率放大电路，8—采样反馈电路，9—第一匹配电路，10—第二匹配电路，81—电压采样电路，82—算法调节电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种并行通用的超声波驱动装置，通过FPGA波形产生电路产生第一驱动信号和第一控制信号，并将所述第一驱动信号发送至运放电路，将所述第一控制信号发送至所述驱动电路；运放电路对第一驱动信号进行功率放大，得到第二驱动信号并发送至第一负载；驱动电路与逆变电路连接，驱动电路将第一控制信号发送至逆变电路，并对逆变电路进行隔离驱动；逆变电路在第一控制信号的控制下进行逆变，得到交流信号并发送至第二负载。本发明基于FAPA的并行运算逻辑，提高超声波驱动装置的通用性，实现了不同负载的并行驱动。
为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对对本发明作进一步详细的说明。
本发明并行通用的超声波驱动装置与第一负载和第二负载连接。
如图1所示，本发明并行通用的超声波驱动装置包括：FPGA波形产生电路1、运放电路2、驱动电路3及逆变电路4；
其中，所述FPGA波形产生电路1用于产生频率可调的第一驱动信号和第一控制信号；所述运放电路2分别与所述FPGA波形产生电路1及第一负载5连接；所述运放电路2用于对所述第一驱动信号进行功率放大，得到第二驱动信号，并将所述第二驱动信号发送至所述第一负载5，以驱动所述第一负载5工作；
所述驱动电路3分别与所述FPGA波形产生电路1及所述逆变电路4连接；所述驱动电路3用于将所述第一控制信号发送至所述逆变电路4，并对所述逆变电路4进行隔离驱动；所述逆变电路4与所述第二负载6连接；所述逆变电路4在所述第一控制信号的控制下进行逆变，得到交流信号，并将所述交流信号发送至所述第二负载6。
优选地，所述逆变电路4为全桥逆变电路4。
在本实施例中，FPGA波形产生电路1通过FPGA芯片的DDS模块产生多路频率可调的方波、正弦波、三角波及锯齿波等多种类型的第一驱动信号，同时也产生多路频率可调的推挽SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation正弦脉宽调制)控制信号，即第一控制信号。
进一步地，本发明并行通用的超声波驱动装置还包括前级功率放大电路7；所述前级功率放大电路7的输入端与所述FPGA波形产生电路1连接，所述前级功率放大电路7的输出端分别与所述运放电路2及所述驱动电路3连接；所述前级功率放大电路7用于改变所述第一驱动信号和所述第一控制信号的电压幅值。
优选地，所述第一驱动信号和/或所述第一控制信号的电压幅值范围为0～5V。
进一步地，本发明并行通用的的超声波驱动装置还包括采样反馈电路8，所述采样反馈电路8的输入端与所述逆变电路4连接，所述采样反馈电路8的输出端与所述FPGA波形产生电路1连接；所述采样反馈电路8用于对所述逆变电路4的交流信号进行采样，得到采样结果，并根据所述采样结果得到反馈信号并发送至所述FPGA波形产生电路1；所述FPGA波形产生电路1还用于根据所述反馈信号调节所述第一控制信号的占空比。
具体地，所述采样反馈电路8包括电压采样电路81和算法调节电路82。
所述电压采样电路81与所述逆变电路4连接，所述电压采样电路81用于对所述交流信号进行采样；
所述算法调节电路82的输入端与所述电压采样电路81连接，所述算法采样电路的输出端与所述FPGA波形产生电路1连接；所述算法调节电路82用于根据所述采样结果得到所述反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述FPGA波形产生电路1。
优选地，所述算法调节电路82使用的算法为PID(ProportionIntegralDifferential比例微分积分控制器)算法。
在本实施例中，通过根据所述反馈信号调节所述第一控制信号的占空比，进一步实现第二负载6的输出功率稳定。
具体地，由于DDS模块根据Nyquist采样定理将单周期模拟信号离散化，然后以二进制形式存放在存储器中，通过查找法产生波形，并且运放电路2的功率大小与第一驱动信号的占空比有关，逆变电路4的功率大小与第一控制信号的占空比有关，所以通过改变存储器中单周期离散数字信号的占空比实现精确的功率调节。运放电路2的功率稳定是通过前级功率放大电路7改变第一驱动信号的电压幅值；逆变电路4的功率稳定则是通过引入PID算法，对SPWM控制信号占空比作进一步调整。
优选地，本发明并行通用的超声波驱动装置还包括第一匹配电路9。
所述第一匹配电路9的输入端与所述运放电路2连接，所述第一匹配电路9的输出端与所述第一负载5连接；所述第一匹配电路9用于使所述运放电路2和所述第一负载5匹配。
进一步地，本发明并行通用的超声波驱动装置还包括第二匹配电路10。
所述第二匹配电路10的输入端与所述逆变电路4连接，所述第二匹配电路10的输出端与所述第二负载6连接；所述第二匹配电路10用于使所述逆变电路4和所述第二负载6匹配。
在一个具体实施例中，首先需要将设定好占空比及多种波形的离散数字信号存储至FPGA所读取的存储器中；FPGA波形产生电路1中FPGA芯片的DDS模块产生多路频率可调的方波、正弦波、三角波及锯齿波等多种类型的第一驱动信号给多级运放电路，同时也产生多路频率可调的推挽SPWM第一控制信号给驱动电路3；
所述第一驱动信号及所述第一控制信号通过前级功率放大电路7调节电压幅值，并且所述电压幅值范围为0～5V；
多级运放电路对输入的第一驱动信号进行功率放大，通过调节前级功率放大电路7的输出电压，使功率稳定输出；
驱动电路对全桥逆变电路的4个全桥功率开关管进行隔离驱动；所述全桥逆变电路的开关频率由SPWM第一控制信号的频率决定；所述全桥逆变电路中的直流高压在第一控制信号的控制下进行逆变，得到目标频率的交流信号。
电压采样电路81对全桥逆变电路的输出端进行电压采样，将采样的电压信号发送至算法调节电路进行PID运算，并将得到的运算结果发送至FPGA波形产生电路1；
FPGA波形产生电路1根据运算结果进一步调节SPWM控制信号的占空比，使其输出功率稳定。
针对不同阻抗的换能器，本实施例使用不同的阻抗匹配电路，使并行通用的超声波驱动装置与换能器相匹配。基于FPGA的并行运算逻辑，同时驱动多路电路对驱动信号波形、频率范围及功率调节有不同要求的换能器负载。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种并行通用的超声波驱动装置，其特征在于，所述并行通用的超声波驱动装置与第一负载和第二负载连接；
所述并行通用的超声波驱动装置包括：现场可编程逻辑门阵列FPGA波形产生电路、运放电路、驱动电路及逆变电路；
其中，所述现场可编程逻辑门阵列FPGA波形产生电路用于产生频率可调的第一驱动信号和第一控制信号；
所述运放电路分别与所述FPGA波形产生电路及第一负载连接；所述运放电路用于对所述第一驱动信号进行功率放大，得到第二驱动信号，并将所述第二驱动信号发送至所述第一负载，以驱动所述第一负载工作；
所述驱动电路分别与所述FPGA波形产生电路及所述逆变电路连接；所述驱动电路用于将所述第一控制信号发送至所述逆变电路，并对所述逆变电路进行隔离驱动；
所述逆变电路与所述第二负载连接；所述逆变电路在所述第一控制信号的控制下进行逆变，得到交流信号，并将所述交流信号发送至所述第二负载。
2.根据权利要求1所述的并行通用的超声波驱动装置，其特征在于，所述并行通用的超声波驱动装置还包括：
前级功率放大电路，所述前级功率放大电路的输入端与所述FPGA波形产生电路连接，所述前级功率放大电路的输出端分别与所述运放电路及所述驱动电路连接；所述前级功率放大电路用于改变所述第一驱动信号和所述第一控制信号的电压幅值。
3.根据权利要求2所述的并行通用的超声波驱动装置，其特征在于，所述第一驱动信号和/或所述第一控制信号的电压幅值范围为0～5V。
4.根据权利要求1所述的并行通用的超声波驱动装置，其特征在于，所述并行通用的的超声波驱动装置还包括：
采样反馈电路，所述采样反馈电路的输入端与所述逆变电路连接，所述采样反馈电路的输出端与所述FPGA波形产生电路连接；所述采样反馈电路用于对所述逆变电路的交流信号进行采样，得到采样结果，并根据所述采样结果得到反馈信号并发送至所述FPGA波形产生电路；
所述FPGA波形产生电路还用于根据所述反馈信号调节所述第一控制信号的占空比。
5.根据权利要求4所述的并行通用的超声波驱动装置，其特征在于，所述采样反馈电路包括：
电压采样电路，与所述逆变电路连接，用于对所述交流信号进行采样；
算法调节电路，所述算法调节电路的输入端与所述电压采样电路连接，所述算法采样电路的输出端与所述FPGA波形产生电路连接；所述算法调节电路用于根据所述采样结果得到所述反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述FPGA波形产生电路。
6.根据权利要求5所述的并行通用的超声波驱动装置，其特征在于，所述算法调节电路使用的算法为PID比例微分积分控制算法。
7.根据权利要求1所述的并行通用的超声波驱动装置，其特征在于，所述并行通用的超声波驱动装置还包括：
第一匹配电路，所述第一匹配电路的输入端与所述运放电路连接，所述第一匹配电路的输出端与所述第一负载连接；所述第一匹配电路用于使所述运放电路和所述第一负载匹配。
8.根据权利要求1所述的并行通用的超声波驱动装置，其特征在于，所述并行通用的超声波驱动装置还包括：
第二匹配电路，所述第二匹配电路的输入端与所述逆变电路连接，所述第二匹配电路的输出端与所述第二负载连接；所述第二匹配电路用于使所述逆变电路和所述第二负载匹配。
9.根据权利要求1所述的并行通用的超声波驱动装置，其特征在于，所述逆变电路为全桥逆变电路。
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