磁致伸縮換能器驅(qū)動電路設(shè)計

褚明學(xué)　榮憲偉

摘 要：文章針對磁致伸縮換能器和工業(yè)管道結(jié)垢的特點，研制了磁致伸縮換能器驅(qū)動電路設(shè)計。文章提出的系統(tǒng)由電源電路、STM32信號發(fā)生電路、IGBT驅(qū)動電路及逆變電路組成。磁致伸縮換能器和文章設(shè)計的驅(qū)動電路組成的系統(tǒng)在實際工業(yè)現(xiàn)場中，取得了良好的除垢效果。

關(guān)鍵詞：PWM；IGBT驅(qū)動；半橋逆變

1 磁致伸縮換能器的應(yīng)用背景

磁致伸縮換能器是由磁致伸縮材料及線圈組成的。磁致伸縮材料是一種新型功能材料，具有比壓電材料高數(shù)十至數(shù)百倍的磁致伸縮應(yīng)變值，并且有輸出功率大、微秒量級響應(yīng)速度、工作頻帶寬等優(yōu)異特性，因而廣泛地應(yīng)用于電子機械、辦公自動化裝置、儀器儀表、減振降噪系統(tǒng)等領(lǐng)域。

用磁致伸縮材料制成的換能器具有以下優(yōu)點：（1）具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率，在靜磁場下，磁致伸縮材料的飽和磁致伸縮應(yīng)變是鎳的30倍或PZT（壓電換能器）的3-5倍，在諧振的情況下，比靜態(tài)應(yīng)變還要高出數(shù)倍；（2）具有非?？斓捻憫?yīng)速度，磁致伸縮材料響應(yīng)時間小于1μs，器件的響應(yīng)時間主要取決于驅(qū)動電路信號的頻率，約為10μs左右；（3）具有性能穩(wěn)定特性，一般說來磁致伸縮材料的居里溫度較高，不會出現(xiàn)高溫極化現(xiàn)象，而且使用磁致伸縮材料制作的換能器可以在較低電壓下工作，不容易出現(xiàn)PZT換能器的高壓擊穿故障；（4）具有寬頻帶響應(yīng)特性，工作頻率范圍可以從幾十赫茲到幾十千赫茲。

由于磁致伸縮換能器具有以上特點，因此在工業(yè)管道除垢領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在國外磁致伸縮換能器驅(qū)動電路比較成熟，特別是俄羅斯、日本及歐美已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)除垢領(lǐng)域，現(xiàn)階段國內(nèi)磁致伸縮換能器驅(qū)動電路主要存在功率小，頻率固定不可調(diào)等問題。文章設(shè)計的驅(qū)動電路解決了功率小，頻率不可調(diào)等問題，與磁致伸縮換能器組成了工業(yè)管道除垢裝置具有無污染、不需要拆卸、操作方便簡單、可在線工作等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 磁致伸縮換能器的驅(qū)動電路設(shè)計

2.1 STM32信號產(chǎn)生電路

文章驅(qū)動IGBT（絕緣柵型晶體管，Insulated Gate Bipolar Transistor）的信號是由STM32f103zet6來完成的，STM32f103zet6是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款32位單片機，該芯片具有精度高，成本低廉，功耗小，性價比高，可以高達(dá)512K的數(shù)據(jù)存儲能力，A/D轉(zhuǎn)換速度更快更精確等優(yōu)點。它具有72MHz的高速處理能力，7個DMA控制器，2個12位ADC，多達(dá)16路的PWM（脈寬調(diào)制，Pulse-Width Modulation ）輸出等功能，文章使用它產(chǎn)生兩路互補帶死區(qū)的PWM信號，并且通過按鍵可以改變PWM信號的頻率（頻率在5k-30k），數(shù)碼管的作用是顯示當(dāng)前的頻率。

2.2 IGBT的驅(qū)動

文章使用IGBT作為換能器驅(qū)動電路的功率元件，是因為其具有耐高壓及大電流特性，高輸出功率滿足了換能器對大能量的要求。因為IGBT大多數(shù)情況下應(yīng)用于高壓、大功率場所，所以整個控制電路與驅(qū)動電路在電位上需要完全隔離。隔離的方法一般有兩種。第一種是采用光電耦合器進行隔離。優(yōu)點是：體積小、結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用方便、輸出脈寬不受限制，缺點是：共模干擾抑制差、響應(yīng)時間較長、不適用于高頻情況下，并且輔助電源需要相互獨立隔離。第二種是采用變壓器進行隔離。優(yōu)點是：響應(yīng)時間短，具有較好的共模干擾抑制效果，缺點是：信號的傳輸會受到磁芯飽和特性的限制、制作工藝復(fù)雜。

文章設(shè)計的IGBT驅(qū)動電路采用第二種方方法，其中Q1～Q4組成變壓器初級驅(qū)動電路，工作原理為Q1、Q4和Q2、Q3的輪流導(dǎo)通，將驅(qū)動信號加至變壓器T1的初級，變壓器的次級通過電阻R1、并聯(lián)的二極管與IGBT的柵極相連，R1、R2的作用有兩個：（1）防止IGBT柵極開路。（2）提供充放電回路。為了提高IGBT的開關(guān)速度，在R1上并聯(lián)了加速二極管。過高的柵射電壓可能導(dǎo)致?lián)舸〇艠O，因此在柵極端加了穩(wěn)壓管VS1、VS2，目的是限制加在IGBT柵極電壓。

2.3 IGBT半橋逆變

因為磁致伸縮換能器中的高頻線圈需要通交流電，所以文章需要將直流電轉(zhuǎn)換成交流電來驅(qū)動換能器。文章采用了IGBT半橋逆變，與IGBT全橋逆變相比具有電路簡單，成本低優(yōu)點。電路的工作過程大體可分為三個階段：第一階段：IGBT-1導(dǎo)通，IGBT-2關(guān)斷，此時線圈兩端的電壓為母線電壓的一半，電流方向由A到B。第二極端：IGBT-1關(guān)斷，IGBT-2關(guān)斷，此時沒有電流。第三階段：IGBT-2關(guān)斷，IGBT-2導(dǎo)通，此時線圈兩端的電壓基本上也為母線電壓的一半，電流方向由B到A，通過三個階段的工作把直流電轉(zhuǎn)換為交流電。為了滿足加載負(fù)載上的流過的正向電流和反向電流一樣，選擇電容C1，C2時量滿足C1=C2。

圖1是流過負(fù)載L1的仿真波形圖。從圖中可知電流的峰值大約為0.48A，其中直流電壓VCC為200伏、C1和C2的值為220μF，L1為100Mh，驅(qū)動信號的頻率為10K。

2.4 電源

文章所需要的電源有：STM32工作所需的3.3V直流電源，驅(qū)動IGBT所需的30V直流電源和半橋逆變所需的200V直流電源。3.3V直流電、30V直流電及200V直流電都要經(jīng)過變壓器變壓，全橋整流和LC濾波。圖2是產(chǎn)生直流200V的電路圖。

3 結(jié)束語

文章實現(xiàn)了應(yīng)用于工業(yè)管道中的磁致伸縮換能器的電路設(shè)計，輸入電壓為交流220V，功率100W，該裝置具有輸出功率大、驅(qū)動信號頻帶寬、適應(yīng)性好（頻率可調(diào)）等特點。由該驅(qū)動電路和磁致伸縮換能器組成的工業(yè)管道中除垢裝置，取得了良好的除垢效果。

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