3 頻率跟蹤

系統工作在諧振狀態時，換能器等效負載呈純阻性，電壓電流相位差近似為0。因此可以通過檢測電壓電流相位差判斷電路是否處于諧振狀態[9]。頻率跟蹤時，FPGA對反饋的電壓電流信號進行相位比較，生成電壓電流相位差信號，根據相位差信號改變頻率控制字的輸出，從而改變系統輸出頻率，直到反饋的電壓電流相位差趨近0，鎖定整個系統工作在換能器的諧振頻率上。頻率跟蹤的FPGA實現如圖6所示。

反饋電路輸出的Phase_I、Phase_U二路信號分別代表換能器的電流電壓相位信號，二者經過數字鑒相后，輸出電流電壓相位差值，由脈寬計數器記錄下相位差大小，結合給定步長step改變DDS的頻率控制字，即改變逆變電路的輸出頻率，從而改變Phase_I與Phase_U的相位差，直到系統穩定在諧振頻率點上。頻率跟蹤軟件流程圖如圖7所示。

在搜索到諧振頻率F_word_rem后，系統啟動頻率跟蹤程序，將F_word_rem的值送給Freq作為系統頻率控制字輸出，由FPGA采集反饋的電壓電流信號。當檢測到電流相位超前電壓相位時，以步長step減小頻率控制字Freq，反之增加頻率控制字頻率，改變系統的輸出頻率，直到電壓電流相位差在設定的裕度。

圖8為頻率跟蹤程序的ModelSim仿真圖，光標位置為電壓電流零相位差的頻率點。由圖8可知，在電壓相位超前電流相位時，輸出頻率控制字Freq在諧振頻率F_word_rem的基礎上，以step=1 Hz的步長增加，對應著驅動逆變電路的PWM信號頻率以相應步長遞增，鎖定系統在諧振頻率點；反之當電流相位超前電壓相位時，輸出頻率隨著頻率字Freq以相應步長遞減，直到反饋的電壓電流相位一致。

4 實驗結果

借助于MATLAB R2014a對設計的系統進行仿真，以20 kHz換能器為例，對反饋的電壓電流信號進行相位差分析，波形如圖9所示。

圖9(a)為偏離諧振頻率點的電壓電流波形，二者存在一定相位差，此時啟動頻率跟蹤程序，改變輸出頻率使電壓電流相位差趨近0，波形如圖9(b)所示，電壓電流相位差幾乎為0。實驗結果表明，設計的寬頻域超聲波電源頻率跟蹤效果良好，換能器工作在諧振狀態。

5 結論

在已有超聲波電源的分析基礎上，研制了一款基于XILINX ZYNQ 7000系列FPGA的寬頻域超聲波電源。在分析了換能器阻抗特性曲線的特性后，設計了變步長的頻率搜索方法，快速搜索到換能器的諧振頻率點，根據電壓電流相位差鎖定系統輸出頻率在換能器的諧振頻率。所設計的超聲波電源頻率搜索快、跟蹤準，并可以動態匹配不同諧振頻率的換能器。該款FPGA芯片內部集成的大量資源，降低了外圍電路的復雜度，使硬件設計變得簡單穩定。實驗結果證明，設計的寬頻超聲波電源可以驅動換能器工作在諧振狀態，換能器工作穩定、溫度低，在頻率跟蹤方面表現良好，并能達到設計要求。