基于FPGA应用的超声波电源的研究

论文摘要

随着FPGA技术的出现,凭借着它在设计上的优越性在各电子设计领域上备受关注。近年来,FPGA在通信领域得到了广泛的应用,在电力电子系统中却并不多,基于这种情况,本课题研究了FPGA在电源系统中的应用,用FPGA来实现超声波电源系统的控制器。本文首先对超声波电源的基本原理、发展现状等做了简要概述。接着介绍了超声波电源的基本结构组成,分析了超声波电源两种不同类型的主电路结构形式及其各自的优缺点,阐述了串联谐振型超声波电源的调功方式。在此基础上确定了本文的设计方案。设计了超声波电源的主电路并计算了各个组成部分器件的参数,同时对主电路做了PSIM仿真,为以后的实验奠定了基础。文中着重分析研究了电源控制电路的原理及其具体实现方法,给出了详细的硬件电路设计原理图和各自的工作原理说明,并且设计了超声波电源的驱动及保护电路。最后给出超声波电源的实验结果及结论。本文主要有三个重点。重点之一是阐述超声波电源移相调功方式的逆变电路控制技术。重点之二是在超声波电源的主电路分析。重点之三,即本课题的首要创新点,是基于FPGA设计系统控制电路模块,如区别于模拟电路锁相环的全数字锁相环的设计、PWM信号发生器等,对各模块进行软件仿真并且把各模块整合到系统中进行了实验验证。该点的意义在于实现了超声波电源由模拟电路控制系统向数字化控制系统的转变。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 超声波电源的发展概况及发展趋势
• 1.1.1 超声波电源的发展概况
• 1.1.2 超声波电源的发展趋势
• 1.2 电力电子及控制技术在超声波电源中的应用
• 1.2.1 电力电子技术的应用
• 1.2.2 控制技术的应用
• 1.3 课题的意义
• 1.4 本文所做的工作
• 第二章 超声波电源原理及分析
• 2.1 超声波电源的原理
• 2.2 逆变电路拓扑方案的选择
• 2.2.1 压电换能器的等效电路
• 2.2.2 负载谐振逆变器的分析与选择
• 2.3 串联谐振逆变器的功率控制
• 2.3.1 功率控制方案的确定
• 2.3.2 输出功率、负载频率与驱动脉宽之间的关系
• 2.3.3 谐振回路电流与PWM 调制电压的关系
• 2.4 频率跟踪控制原理
• 2.4.1 锁相环的原理及数学模型
• 2.4.2 锁相环频率跟踪控制的实现
• 2.5 本章小结
• 第三章 超声波电源的主电路的分析及主要参数计算
• 3.1 主电路拓扑结构的设计
• 3.2 超声波电源的主电路参数分析计算
• 3.3 主电路分析
• 3.3.1 逆变器软开关实现及移相控制原理
• 3.3.2 主电路工作状态分析
• 3.4 超声波电源主电路的PSIM 仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于FPGA 的超声波电源研制
• 4.1 FPGA 的简单介绍
• 4.1.1 FPGA 的结构
• 4.1.2 FPGA 的开发流程
• 4.1.3 VHDL 语言简介
• 4.2 控制电路原理
• 4.2.1 数字锁相环模块的设计
• 4.2.2 他激转自激
• 4.2.3 扫频电路
• 4.2.4 PWM 产生电路
• 4.3 驱动与保护电路
• 4.3.1 IGBT 驱动电路
• 4.3.2 过压过流过热保护电路
• 4.4 单片机在超声波电源中的应用
• 4.5 本章小结
• 第五章 实验结果与结论
• 5.1 实验波形
• 5.2 试验结论
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文