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脈沖渦流熱成像技術(shù)具有非接觸、成像直觀、檢測效率高和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于航空航天、交通運輸、石油化工等領(lǐng)域[1-4]。感應(yīng)加熱電源是脈沖渦流熱成像技術(shù)的重要組成部分，電源性能直接影響缺陷特征信號的提取、系統(tǒng)檢測靈敏度和缺陷檢出率。

脈沖式感應(yīng)加熱電源，是一種特殊的感應(yīng)加熱電源，其特征在于非常快速地搜索到諧振頻率，然后在弱感性或諧振狀態(tài)下輸出短時持續(xù)脈沖。近年來，國內(nèi)外研究人員圍繞電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5-8]、電磁耦合探頭[9-11]及頻率跟蹤技術(shù)[12-19]等感應(yīng)加熱電源關(guān)鍵技術(shù)展開了深入研究，其中電流過零點同步檢測[12,13]和鎖相環(huán)技術(shù)[14-19]是兩種典型的頻率跟蹤技術(shù)。

文獻[13]采用電流過零點同步技術(shù)進行頻率跟蹤，該技術(shù)具有過渡時間短、超調(diào)量小等優(yōu)點，但是感應(yīng)加熱電源在開關(guān)過程中，由于寄生參數(shù)的影響會使電流過零時出現(xiàn)高頻振蕩信號，導(dǎo)致系統(tǒng)跟蹤異常。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)頻率跟蹤技術(shù)在感應(yīng)加熱電源中得到了廣泛應(yīng)用，鎖相環(huán)頻率跟蹤技術(shù)的性能直接影響著電源系統(tǒng)的工作效率、穩(wěn)定性以及抗干擾能力。

文獻[15,16]提出的基于FPGA的自動變模控制感應(yīng)加熱電源全數(shù)字鎖相環(huán)，在FPGA內(nèi)嵌的數(shù)字鎖相環(huán)模塊74297的基礎(chǔ)上，設(shè)計了中心頻率拓展模塊Counter32B，采用N值檢測計數(shù)器Counter32B對輸入信號進行計數(shù)并將計數(shù)結(jié)果作為N模分頻器分頻值，實現(xiàn)鎖相環(huán)中心頻率頻帶拓展。

文獻[17]中提出的鎖相環(huán)為了增加鎖相的范圍，根據(jù)監(jiān)測負(fù)載電流的頻率隨時修改設(shè)計N分頻模塊的參數(shù)值。

文獻[18]提出了一種基于FPGA的數(shù)字鎖相環(huán)，使感應(yīng)加熱電源工作在零電壓開通（Zero Voltage Switching, ZVS）狀態(tài)，提高了電源的效率。

上述文獻中數(shù)字鎖相環(huán)的分頻參數(shù)N都是通過負(fù)載電流獲取，而電流采樣電路在過零點處通常存在高頻振蕩信號，將會導(dǎo)致分頻參數(shù)異常，使鎖相環(huán)電路失鎖，影響電源的工作安全。

針對上述兩種頻率跟蹤技術(shù)存在穩(wěn)定性差和抗干擾能力弱及不能人為設(shè)置頻率跟蹤策略等問題，本文提出一種基于FPGA的改進型全數(shù)字定角頻率跟蹤技術(shù)。

首先介紹了脈沖式感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)及工作原理，在此基礎(chǔ)上對改進型定角頻率跟蹤技術(shù)進行詳細的理論分析；建立控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，并仿真分析品質(zhì)因數(shù)、起動頻率和頻率步進值等不同參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響；最后通過實驗驗證了改進型定角頻率跟蹤技術(shù)適用于脈沖式感應(yīng)加熱電源中。

圖10 脈沖式感應(yīng)加熱電源平臺系統(tǒng)實物

結(jié)論

本文提出了一種基于FPGA的適用于脈沖式感應(yīng)加熱電源的改進型全數(shù)字定角頻率跟蹤控制技術(shù)。該控制系統(tǒng)的N分頻參數(shù)根據(jù)頻率發(fā)生器的控制策略來獲取，有效地解決了全數(shù)字鎖相環(huán)中分頻模塊受高頻振蕩信號干擾以及電流過零同步技術(shù)受電流在過零時刻振蕩的影響，提高了電源的抗干擾能力，增強了電源的穩(wěn)定性。

通過設(shè)置相位控制值S使負(fù)載穩(wěn)定的工作在弱感性狀態(tài)，并且通過步進值控制器實現(xiàn)不同的控制策略，增加了系統(tǒng)的可控性，提高頻率跟蹤速度。

本文對控制系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)建模，利用Matlab軟件進行仿真，并在硬件平臺進行實驗，驗證了改進型定角頻率跟蹤控制系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，成本低，可以更好地應(yīng)用到基于FPGA的脈沖式感應(yīng)加熱電源中。