学位：工学硕士
学科：机械设计及理论
论文题目：基于FPGA的冲击式超声波钻驱动器研制
- 分析了从驱动器输出的驱动信号到超声波钻产生机械振动的能量转换过程，建立了等效电路模型，得到了换能器的阻抗特性参数，确定出驱动器的驱动信号形式和工作频率位置。由负载特性研究表明，当换能器所受负载不同时，换能器的谐振频率会发生漂移，整体阻抗状态发生变化。基于负载特性建立了特性匹配网络，采用串联电感降低换能器谐振状态阻抗，维持高振幅的有效驱动效果。
- 构建了基于FPGA的冲击式超声波钻驱动器硬件电路。设计出了具有硬件闭环控制功能的DC 100 V开关型稳压电源、实现单相半桥逆变的驱动电路、采集超声波钻实时状态参数的信号采集电路、实现阻抗匹配和调谐匹配功能的匹配电路、基于FPGA的主控制电路，满足了DC 28 V供电输入、输出功率不高于200 W、以FPGA作控制器的设计要求，联合调试验证了驱动器硬件输出的有效性。
- 基于建立的驱动器谐振控制方法设计了FPGA控制程序。将冲击式超声波钻驱动器的控制流程分为自动扫描谐振频率阶段和数字锁相频率跟踪阶段，采用监测扫频区间内最大电流对应的频率点的方法，设计了自动扫频的FPGA逻辑控制单元。在频率跟踪阶段，采用数字鉴相的原理，针对超声波钻工作负载变化引起的谐振状态漂移情况，实现了将工作相角调节至最小阻抗对应的相角附近。
- 进行了常温常压和高低温环境下的冲击式超声波钻驱动钻进试验，验证了驱动器硬件整体在FPGA程序控制下的输出有效性。根据试验得到，冲击式超声波钻在驱动作用下，功率消耗都在100 W以下，由于模拟星岩样本和高低温试验环境的不同，超声波钻的阻抗状态会发生变化，对钻进速率产生一定影响，但都可以实现20 mm/min以上的稳定钻进效果。
所获奖项:
- 硕士研究生一等奖学金
- 哈尔滨工业大学硕士研究生优秀毕业论文