基于TMS320F2812的超磁致伸縮換能器驅動(dòng)電源設計

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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(dòng)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(yōu)點(diǎn)，主要應用在水聲、超聲和主動(dòng)振動(dòng)控制等領(lǐng)域。其中，超磁致伸縮換能器的驅動(dòng)電源是影響系統工作性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。針對電源控制技術(shù)的數字化、智能化發(fā)展，文中設計了一種基于DSP器件的數字逆變電源，用以驅動(dòng)超磁斂伸縮換能器正常工作，同時(shí)進(jìn)行諧振頻率的自動(dòng)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(dòng)電源主要技術(shù)指標要求為：輸入交流電樂(lè )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(dòng)電源系統的總體設計，然后分別從硬件電路設計和軟件實(shí)現兩方面進(jìn)行具體闡述，最后進(jìn)行實(shí)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(dòng)波形為高頻正弦波，故設計的驅動(dòng)電源系統結構如下圖1所示。

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(chǎn)生的SPWM波進(jìn)行功率放大，使其產(chǎn)生指定功率的交流方波;而DSP信號電路產(chǎn)生相應頻率的SPWM波，經(jīng)光耦合電路與功率電路進(jìn)行電氣隔離后，再通過(guò)驅動(dòng)電路使高頻逆變電路的功率開(kāi)關(guān)管正常工作;匹配濾波電路用以對SPWM波形進(jìn)行濾波，將SPWM波形轉換為正弦波，同時(shí)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(jìn)行采樣，通過(guò)軟件可方便實(shí)現過(guò)流保護，同時(shí)根據電流值進(jìn)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(tài)。

2 硬件電路設計與實(shí)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(kāi)關(guān)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(chǎng)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(shí)間都在10～20 ns之間，可快速開(kāi)關(guān)。同時(shí)，上橋臂功率管VT1必須采用懸浮驅動(dòng)電路進(jìn)行柵極的驅動(dòng)，在此采用光電隔離及獨立電源供電來(lái)實(shí)現懸浮驅動(dòng)。

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(shí)，主要是由繞制在超磁致伸縮棒周?chē)€(xiàn)圈上的交變電流驅動(dòng)，在交變電磁場(chǎng)的影響下，超磁致伸縮棒沿軸線(xiàn)方向做伸縮運動(dòng)，示意圖如下所示。對換能器作等效電路分析，超磁致伸縮棒的作用相當于在電路中又并聯(lián)了一個(gè)電感，故換能器整體呈感性阻抗，故在電路中串聯(lián)一個(gè)可調的匹配電容C4，此時(shí)匹配電容C4與交流線(xiàn)圈電感L應滿(mǎn)足串聯(lián)諧振關(guān)系：，其中f為換能器的諧振頻率。

2.2 控制電路

控制電路包括DSP信號產(chǎn)生電路、隔離電路、驅動(dòng)電路和反饋電路。

DSP信號電路產(chǎn)生用于控制逆變器的SPWM信號，同時(shí)完成頻率跟蹤和過(guò)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(shí)具有豐富的片內外設資源。關(guān)鍵是其眾多外設中的事件管理器模塊可方便的產(chǎn)生所需的SPWM波形。每個(gè)事件管理器中有PWM波形產(chǎn)生器和可編程死區產(chǎn)生器，最多可以同時(shí)產(chǎn)生八路PWM輸出波形，并同時(shí)提供亓丁屏蔽的外部供電和驅動(dòng)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(tài)的監測。同時(shí)16個(gè)信道12位ADC可方便對反饋的電流信號進(jìn)行采樣，以完成頻率跟蹤和過(guò)流保護功能。

隔離電路對信號電路與功率電路進(jìn)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(dòng)電路采用一款高速的單通道功率場(chǎng)效應管驅動(dòng)芯片EL7104，其開(kāi)關(guān)過(guò)程中的上升(下降)時(shí)間為10 ns，上升(下降)延遲時(shí)間為18 ns，完全可以工作在幾十至幾百千赫茲的開(kāi)關(guān)頻率下。隔離驅動(dòng)電路設汁如下圖4所示。

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(jìn)行電流大小的采樣，此時(shí)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。在此使用集成運算放大器OP07搭建升壓電路，實(shí)現電位的移動(dòng)和信號的放大，同時(shí)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(jìn)行數模轉換。