基于DSP的超磁致伸縮換能器驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率高、響應速度快等優(yōu)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(qū)動電源是影響系統(tǒng)工作性能優(yōu)劣的關鍵因素。針對電源控制技術的數(shù)字化、智能化發(fā)展，文中設計了一種基于DSP器件的數(shù)字逆變電源，用以驅(qū)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(qū)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(qū)動電源系統(tǒng)的總體設計，然后分別從硬件電路設計和軟件實現(xiàn)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(tǒng)總體設計

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

圖1 驅(qū)動電源系統(tǒng)結構Fig.1 System structure of drive power

直流供電模塊由變壓、整流、濾波和穩(wěn)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行電氣隔離后，再通過驅(qū)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(zhuǎn)換為正弦波，同時完成阻抗匹配和調(diào)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(xiàn)過流保護，同時根據(jù)電流值進行頻率跟蹤，軟件調(diào)整正弦波頻率，以使換能器工作在最佳狀態(tài)。

2 硬件電路設計與實現(xiàn)

硬件系統(tǒng)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(wěn)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(qū)動電路進行柵極的驅(qū)動，在此采用光電隔離及獨立電源供電來實現(xiàn)懸浮驅(qū)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(diào)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(diào)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(qū)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(lián)了一個電感，故換能器整體呈感性阻抗，故在電路中串聯(lián)一個可調(diào)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(lián)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(chǎn)生電路、隔離電路、驅(qū)動電路和反饋電路。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(nèi)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(chǎn)生所需的SPWM波形。每個事件管理器中有PWM波形產(chǎn)生器和可編程死區(qū)產(chǎn)生器，最多可以同時產(chǎn)生八路PWM輸出波形，并同時提供可屏蔽的外部供電和驅(qū)動保護中斷。這提高了系統(tǒng)的集成度與可靠性，且有利于系統(tǒng)性能和狀態(tài)的監(jiān)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(qū)動電路采用一款高速的單通道功率場效應管驅(qū)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(qū)動電路設計如下圖4所示。

圖4 隔離驅(qū)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(shù)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(zhuǎn)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(xiàn)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(shù)模轉(zhuǎn)換。

圖5 反饋電路Fig.5 Feedback circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要用于產(chǎn)生控制波形SPWM信號，同時軟件實現(xiàn)過流保護和頻率跟蹤。

3.1 過流保護和頻率跟蹤

系統(tǒng)的過流保護功能是通過DSP軟件控制實現(xiàn)的，當采樣換能器的工作電流大于規(guī)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(tǒng)的功能。頻率跟蹤[6]可轉(zhuǎn)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(tài)下?lián)Q能器阻抗最小，回路電流最大。如果換能器的諧振頻率發(fā)生偏移，電流將因系統(tǒng)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(tài)，通過調(diào)節(jié)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(diào)制方法采用優(yōu)化的混合脈寬調(diào)制方式[8]?；旌厦}寬調(diào)制方式是單極性脈寬調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)制方式使每個橋臂輪流工作在高頻狀態(tài)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(diào)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(shù)據(jù)表，其根據(jù)不同的調(diào)制度和正弦調(diào)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(shù)據(jù)，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(wěn)定度高，失真度小。

圖9 波形實驗圖Fig.9 Experimental waveforms

在驅(qū)動電源效率測試環(huán)節(jié)中，在電阻特性（匹配網(wǎng)絡后的換能器整體阻抗表現(xiàn)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(wǎng)絡始終使換能器工作在電流最大狀態(tài)。

5 結 論

文中基于DSP芯片TMS320F2812設計了一種驅(qū)動稀土超磁致伸縮換能器的逆變電源系統(tǒng)，其中結合混合脈寬調(diào)制方法實現(xiàn)SPWM波形，并對逆變電路、隔離驅(qū)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(qū)動電源對超磁致伸縮換能器的驅(qū)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(qū)動電路輸出頻率穩(wěn)定，波形失真度低，且能量轉(zhuǎn)換效率較高，具有一定的工程應用前景。

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