基于DSP的超磁致伸縮換能器驅動電源設計

王 松，趙祥模，惠 飛，王潤民，張建陽

（長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064）

稀土超磁致伸縮換能器是利用超磁致伸縮材料將電磁能轉換為機械振動的器件，與目前廣泛使用的壓電陶瓷換能器相比，具有工作范圍廣、轉換效率高、響應速度快等優點，主要應用在水聲、超聲和主動振動控制等領域[1]。其中，超磁致伸縮換能器的驅動電源是影響系統工作性能優劣的關鍵因素。針對電源控制技術的數字化、智能化發展，文中設計了一種基于DSP器件的數字逆變電源，用以驅動超磁致伸縮換能器正常工作，同時進行諧振頻率的自動跟蹤。本課題采用的超磁致伸縮換能器主要用于小型超聲波清洗機中，其對驅動電源主要技術指標要求為：輸入交流電壓為220 V，輸出頻率為15～25 kHz，輸出功率為50 W左右。文中首先討論該驅動電源系統的總體設計，然后分別從硬件電路設計和軟件實現兩方面進行具體闡述，最后進行實驗測試并給出結論。

1 系統總體設計

采用的稀土超磁致伸縮換能器的最佳驅動波形為高頻正弦波，故設計的驅動電源系統結構如下圖1所示[2]。

圖1 驅動電源系統結構Fig.1 System structure of drive power

直流供電模塊由變壓、整流、濾波和穩壓電路組成，為高頻逆變電路提供直流工作電壓；高頻逆變電路采用半橋逆變電路，對DSP產生的SPWM波進行功率放大，使其產生指定功率的交流方波；而DSP信號電路產生相應頻率的SPWM波，經光耦合電路與功率電路進行電氣隔離后，再通過驅動電路使高頻逆變電路的功率開關管正常工作；匹配濾波電路用以對SPWM波形進行濾波，將SPWM波形轉換為正弦波，同時完成阻抗匹配和調諧功能；反饋電路則對換能器的工作電流進行采樣，通過軟件可方便實現過流保護，同時根據電流值進行頻率跟蹤，軟件調整正弦波頻率，以使換能器工作在最佳狀態。

2 硬件電路設計與實現

硬件系統主要由以下幾部分構成。

2.1 逆變主電路

逆變主電路包括直流供電模塊、高頻逆變電路和匹配濾波電路。

高頻逆變電路的直流供電采用大電流開關電源芯片L296構成的穩壓電路，其最大輸出電流4 A，功率為160 W。逆變主電路采用如圖2所示的半橋式結構。其中功率場效應管選用IRF820A，其工作額定電壓500 V，額定電流2.5 A，且其上升（下降）時間都在10～20 ns之間，可快速開關。同時，上橋臂功率管VT1必須采用懸浮驅動電路進行柵極的驅動，在此采用光電隔離及獨立電源供電來實現懸浮驅動。

圖2 逆變主電路Fig.2 Main circuit of the inverter

匹配濾波電路的主要作用是濾波、調諧和阻抗匹配。圖中L1、C3構成LC低通濾波器，用以濾除逆變輸出SPWM波中的高次諧波分量，而高頻變壓器具有電氣隔離和調整電壓比的作用。超磁致伸縮換能器工作時，主要是由繞制在超磁致伸縮棒周圍線圈上的交變電流驅動，在交變電磁場的影響下，超磁致伸縮棒沿軸線方向做伸縮運動，示意圖如下所示。對換能器作等效電路分析[3]，超磁致伸縮棒的作用相當于在電路中又并聯了一個電感，故換能器整體呈感性阻抗，故在電路中串聯一個可調的匹配電容C4，此時匹配電容C4與交流線圈電感L應滿足串聯諧振關系其中f為換能器的諧振頻率。

2.2 控制電路

圖3 超磁致伸縮換能器工作示意圖Fig.3 Working diagram of rare-earth magnetostrictive transducer

控制電路包括DSP信號產生電路、隔離電路、驅動電路和反饋電路。DSP信號電路產生用于控制逆變器的SPWM信號，同時完成頻率跟蹤和過流保護功能，DSP芯片TMS320F2812為其核心部件。TMS320F2812是32位的高性能微處理器，同時具有豐富的片內外設資源。關鍵是其眾多外設中的事件管理器模塊[4]可方便的產生所需的SPWM波形。每個事件管理器中有PWM波形產生器和可編程死區產生器，最多可以同時產生八路PWM輸出波形，并同時提供可屏蔽的外部供電和驅動保護中斷。這提高了系統的集成度與可靠性，且有利于系統性能和狀態的監測。同時16個信道12位ADC可方便對反饋的電流信號進行采樣，以完成頻率跟蹤和過流保護功能。

隔離電路對信號電路與功率電路進行電氣隔離，采用的是單通道的高速光耦6N137，其中6N137的電源管腳旁0.1 μF的去耦電容應盡量選擇高頻特性好的電容，在此選鉭電容，并盡量靠近6N137的管腳。驅動電路采用一款高速的單通道功率場效應管驅動芯片EL7104，其開關過程中的上升（下降）時間為 10 ns，上升（下降）延遲時間為 18 ns，完全可以工作在幾十至幾百千赫茲的開關頻率下。隔離驅動電路設計如下圖4所示。

圖4 隔離驅動電路Fig.4 Isolation and drive circuit

反饋電路主要是采樣換能器的工作電流并傳遞給DSP引腳，電路如圖5所示。采用霍爾電流傳感器ACS706ELC-20 A進行電流大小的采樣，此時電流大小被表示為電壓信號的大小，而由于數字控制部分只能識別正的電壓信號，而采樣信號是交流的，故需要將采樣信號轉化為DSP能完全識別的信號[5]。在此使用集成運算放大器OP07搭建升壓電路，實現電位的移動和信號的放大，同時VD1、VD2是限幅電路，保證信號處于0～3.3 V之間，而R5、C1為濾波電路，ADCINA為DSP引腳，信號輸入DSP進行數模轉換。

圖5 反饋電路Fig.5 Feedback circuit

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要用于產生控制波形SPWM信號，同時軟件實現過流保護和頻率跟蹤。

3.1 過流保護和頻率跟蹤

系統的過流保護功能是通過DSP軟件控制實現的，當采樣換能器的工作電流大于規定的額定電流時，停止DSP事件管理器的SPWM信號輸出以達到保護系統的功能。頻率跟蹤[6]可轉換為搜索工作電流的最大值，最終將換能器的工作點設定在電流最大處，原因是諧振狀態下換能器阻抗最小，回路電流最大。如果換能器的諧振頻率發生偏移，電流將因系統失諧而減小，電流搜索程序流程圖如圖6所示。

圖6 電流搜索程序流程圖Fig.6 Flow chart of current search program

3.2SPWM波形的生成

SPWM波主要用于控制逆變橋各功率場效應管的開關狀態，通過調節SPWM波可改變逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。通過分析SPWM波原理，其波形生成算法采用具有較高精度且計算量適中的直接面積等效法[7]，而其調制方法采用優化的混合脈寬調制方式[8]。混合脈寬調制方式是單極性脈寬調制方式的一種變形，是為了達到較理想的正弦輸出波形，同時又希望減小開關損耗，且工作方式基本對稱。與一般的單相單極性SPWM調制方式不同的是，它并不是固定其中一個橋臂為高頻臂，另一個橋臂為低頻臂，而是每半個調制波周期切換一次，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻，后半個周期工作在高頻。這種調制方式使每個橋臂輪流工作在高頻狀態下，使功率管工作得到均衡，增強了可靠性。針對半橋型逆變電路，其控制波形如圖7所示。

圖7 混合脈寬調制波形圖Fig.7 Hybrid PWM waveform

程序中，使用查表法生成所需的SPWM脈寬數據表，其根據不同的調制度和正弦調制信號的角頻率，離線計算出各開關器件的通斷時刻，運行時查表讀出需要的數據，從而進行實時控制。SPWM波輸出程序流程圖如圖8所示。

圖8 SPWM波輸出程序流程圖Fig.8 Flow chart of SPWM wave output program

4 實驗測試與分析

試驗中，首先測試DSP輸出的控制信號SPWM波形，如圖9（a）所示。示波器的兩個通道同時顯示了半橋型逆變器兩個開關管的控制信號，與設計波形一致。再次測量換能器兩端的工作電壓波形，如圖9（b）所示。在此設定的頻率為20 kHz，從示波器中可清楚看到為20 kHz的高頻正弦波，故其輸出波形的穩定度高，失真度小。

圖9 波形實驗圖Fig.9 Experimental waveforms

在驅動電源效率測試環節中，在電阻特性（匹配網絡后的換能器整體阻抗表現為純電阻）下，電源效率在75%以上，利用率較高，同時頻率跟蹤網絡始終使換能器工作在電流最大狀態。

5 結 論

文中基于DSP芯片TMS320F2812設計了一種驅動稀土超磁致伸縮換能器的逆變電源系統，其中結合混合脈寬調制方法實現SPWM波形，并對逆變電路、隔離驅動電路、濾波匹配電路和反饋電路等進行了合理而有效的設計，保證了驅動電源對超磁致伸縮換能器的驅動效能，同時采用電流控制頻率的方法進行諧振頻率的自動跟蹤。實驗證明，該驅動電路輸出頻率穩定，波形失真度低，且能量轉換效率較高，具有一定的工程應用前景。

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