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      磁致伸縮換能器驅(qū)動電路設(shè)計

      2016-05-14 16:43:52褚明學(xué)榮憲偉
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年9期

      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。

      參考文獻

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