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振动．测试与诊断 2020年第4期40卷 663-667,820页

作者：金家欣杨明朱远飞米浩杨天悦上海交通大学仪器工程与科学系上海200240

在功率超声的应用中,精确的振幅控制是决定加工质量的重要因素。传统的检测控制结构需要复杂的外部仪器或检测电路,可能存在灵活性差及非线性等问题。针对此问题,提出了一种轻量级振幅检测与控制方案。该方案采用高速AD转换器采样换能... 详细信息

在功率超声的应用中,精确的振幅控制是决定加工质量的重要因素。传统的检测控制结构需要复杂的外部仪器或检测电路,可能存在灵活性差及非线性等问题。针对此问题,提出了一种轻量级振幅检测与控制方案。该方案采用高速AD转换器采样换能器的工作电流和电压,实时计算可以反映振幅的动态支路电流。采用现场可编程逻辑门阵列(field-programmablegatearray,简称FPGA)作为超声电源控制器,同时对换能器工作频率和动态支路电流进行闭环控制。在本设计中,超声电源工作在反谐振点以获取较高的能量传输效率。实验结果表明,该方案能够准确地控制振幅,并能在负载变化较大时稳定振幅。

关键词：超声波振动电源振动控制动态支路电流现场可编程逻辑门阵列

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面向超声切割止血刀的自适应控制策略

面向超声切割止血刀的自适应控制策略

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作者：魏鹏程重庆理工大学

学位级别：硕士

目前,超声切割止血刀被越来越广泛地应用于手术治疗中,其优势在于手术过程中造成的创伤小,患者恢复快。但其在实际使用过程中,存在输出效率难以稳定、温度过高造成谐振频率失调损伤刀头等问题。超声切割止血刀的本质是利用超声波的物理... 详细信息

目前,超声切割止血刀被越来越广泛地应用于手术治疗中,其优势在于手术过程中造成的创伤小,患者恢复快。但其在实际使用过程中,存在输出效率难以稳定、温度过高造成谐振频率失调损伤刀头等问题。超声切割止血刀的本质是利用超声波的物理特性使手术刀夹持的生物组织发生组织变性,从而达到切割止血的目的。其核心主要体现在主机频率自动跟踪和恒功率输出控制上,为了保证功率超声设备的正常工作,必须要对超声换能器进行阻抗匹配,以实现调谐和阻抗变换的功能,这些技术都是功率超声驱动系统中的难点和研究热点。本文通过对超声切割止血刀的自适应控制技术研究,意在提升手术刀性能延长刀头使用寿命。针对串联谐振频率自适应追踪以及自适应恒功率输出控制两方面研究,并设计样机验证,有效解决上述问题。主要研究内容和完成的工作如下:首先,分析传统的PI控制无法在有效的响应时间内减小超调量这一问题,结合模糊规则表,设计了模糊规则增量式PI控制模型,并通过研究传统LC匹配模型,设计了一种新型的串并联LC匹配网络配合模糊PI控制器完成自适应谐振频率追踪,该控制方案可以有效降低增量式PI引起的超调量,避免系统失调造成的一系列不可控问题。其次,针对主机由于负载变化输出功率不稳定的问题,经过对超声换能器BVD等效电路图的研究,结合文献阅读总结,设计了一种基于换能器动态支路的电流有效值的恒功率输出方案,相较于传统的基于流经换能器的电流有效值控制换能器输出功率,可以在换能器负载温升的情况下,仍旧有效控制振幅,防止换能器输出功率不可控。最后,基于FPGA开发板Zynq-7000系列7020搭建实验平台。实验结果表明,经过新型的串并联LC匹配后,电流电压相位差明显减少,抗负载变动能力有效提升;基于模糊增量式PI控制的谐振频率追踪方案可以在40ms内完成谐振频率追踪,相位差稳定在6°;基于动态支路电流的自适应恒功率方案可以在负载变化的情况下,控制支路电流不变,保证换能器的实际振幅不变。

关键词：模糊增量式PI 串联谐振频率追踪动态支路电流自适应功率控制 FPGA

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基于FPGA的超声电源振幅控制系统设计与实现

基于FPGA的超声电源振幅控制系统设计与实现

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作者：金家欣上海交通大学

学位级别：硕士

功率超声的应用在国民经济生产中占有重要地位,在某些要求较高的加工中,精确的振幅控制决定了加工效率和效果。传统的功率超声控制方案存在非线性、灵活性差、结构复杂等问题。本文旨在对通过对功率超声控制方式和反馈电路的设计,实时... 详细信息

功率超声的应用在国民经济生产中占有重要地位,在某些要求较高的加工中,精确的振幅控制决定了加工效率和效果。传统的功率超声控制方案存在非线性、灵活性差、结构复杂等问题。本文旨在对通过对功率超声控制方式和反馈电路的设计,实时计算并闭环控制能反映振幅的动态支路电流,实现了一种恒振幅控制方案。本文主要研究内容包括:1.根据功率超声电源的相关应用背景和技术发展情况,确立了反谐振点工作频点以及相位法的频率跟踪方案。在此基础上,分析了压电换能器的物理模型,得出了以动态支路电流为闭环控制对象的振幅控制方案。该方案简化了匹配电路和振幅测量装置的设计。2.设计并仿真了功率驱动和检测回路的硬件电路。驱动电路包含逆变电路,滤波电路和变压电路,产生适合于驱动压电换能器的功率信号。在检测回路中,通过双路AD采样反馈换能器电压和电流的幅值,通过鉴相电路反馈换能器电压的相位。3.设计了基于FPGA的鉴相信号和产生PWM波的高精度接口逻辑。鉴相接口逻辑将以电平形式反馈的鉴相信号转化为时间数据,用于体现相位差。PWM生成逻辑负责将控制字转化为两路高精度对称PWM波,用于控制逆变电路。二者的转换精度直接决定了电源的控制精度上限。4.设计了基于FPGA的频率和占空比双闭环控制逻辑。频率闭环方面,根据电流电压的鉴相结果,运用P控制对工作频率进行闭环。振幅闭环方面,对电流电压幅值的高速采样结果进行运算,实时推算能够反映振幅的换能器动态电流,并通过P控制对占空比其进行闭环。通过实验,对电源的工作性能进行了测试。实验结果表明电源频率跟踪性能良好,在不同工况下都能够跟踪至反谐振频率。空载情况下换能器振幅与动态支路电流保持了良好的线性关系,电源在负载变化情况下的能够稳定地输出振幅,经过仪器测量,加负载后最大振幅控制误差为6.2%。该研究成果为功率超声电源的恒振幅设计提供了一种解决方案。

关键词：超声波振动超声电源振动控制动态支路电流 FPGA

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