基于TMS320F2812的超磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

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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(zhuǎn)換為機(jī)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(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)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(qū)動(dòng)電源是影響系統(tǒng)工作性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。針對(duì)電源控制技術(shù)的數(shù)字化、智能化發(fā)展，文中設(shè)計(jì)了一種基于DSP器件的數(shù)字逆變電源，用以驅(qū)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(jī)中，其對(duì)驅(qū)動(dòng)電源主要技術(shù)指標(biāo)要求為：輸入交流電樂為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(dòng)電源系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，然后分別從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)兩方面進(jìn)行具體闡述，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試并給出結(jié)論。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采用的稀土超磁致伸縮換能器的最佳驅(qū)動(dòng)波形為高頻正弦波，故設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

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(duì)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(hào)電路產(chǎn)生相應(yīng)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，再通過驅(qū)動(dòng)電路使高頻逆變電路的功率開關(guān)管正常工作;匹配濾波電路用以對(duì)SPWM波形進(jìn)行濾波，將SPWM波形轉(zhuǎn)換為正弦波，同時(shí)完成阻抗匹配和調(diào)諧功能;反饋電路則對(duì)換能器的工作電流進(jìn)行采樣，通過軟件可方便實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，同時(shí)根據(jù)電流值進(jìn)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)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(guān)電源芯片L296構(gòu)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(jié)構(gòu)。其中功率場(chǎng)效應(yīng)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，可快速開關(guān)。同時(shí)，上橋臂功率管VT1必須采用懸浮驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行柵極的驅(qū)動(dòng)，在此采用光電隔離及獨(dú)立電源供電來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮驅(qū)動(dòng)。

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(gòu)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(shí)，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(dòng)，在交變電磁場(chǎng)的影響下，超磁致伸縮棒沿軸線方向做伸縮運(yùn)動(dòng)，示意圖如下所示。對(duì)換能器作等效電路分析，超磁致伸縮棒的作用相當(dāng)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(diào)的匹配電容C4，此時(shí)匹配電容C4與交流線圈電感L應(yīng)滿足串聯(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(hào)產(chǎn)生電路、隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路和反饋電路。

DSP信號(hào)電路產(chǎn)生用于控制逆變器的SPWM信號(hào)，同時(shí)完成頻率跟蹤和過流保護(hù)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(nèi)外設(shè)資源。關(guān)鍵是其眾多外設(shè)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(qū)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(qū)動(dòng)保護(hù)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(cè)。同時(shí)16個(gè)信道12位ADC可方便對(duì)反饋的電流信號(hào)進(jìn)行采樣，以完成頻率跟蹤和過流保護(hù)功能。

隔離電路對(duì)信號(hào)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(yīng)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(dòng)電路采用一款高速的單通道功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)芯片EL7104，其開關(guān)過程中的上升(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關(guān)頻率下。隔離驅(qū)動(dòng)電路設(shè)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(hào)的大小，而由于數(shù)字控制部分只能識(shí)別正的電壓信號(hào)，而采樣信號(hào)是交流的，故需要將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)化為DSP能完全識(shí)別的信號(hào)。在此使用集成運(yùn)算放大器OP07搭建升壓電路，實(shí)現(xiàn)電位的移動(dòng)和信號(hào)的放大，同時(shí)VD1、VD2是限幅電路，保證信號(hào)處于0～3.3 V之間，而R5、C1為濾波電路，ADCINA為DSP引腳，信號(hào)輸入DSP進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。