王 松，趙祥模，惠 飛，王潤民，張建陽

（長安大學(xué) 信息工程學(xué)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(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[1]。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)超磁致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(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[2]。

圖1 驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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)立電源供電來實(shí)現(xiàn)懸浮驅(qū)動(dòng)。

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(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[3]，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

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(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[4]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)提供可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。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)計(jì)如下圖4所示。

圖4 隔離驅(qū)動(dòng)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(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)[5]。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。

圖5 反饋電路Fig.5 Feedback circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要用于產(chǎn)生控制波形SPWM信號(hào)，同時(shí)軟件實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)和頻率跟蹤。

3.1 過流保護(hù)和頻率跟蹤

系統(tǒng)的過流保護(hù)功能是通過DSP軟件控制實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)采樣換能器的工作電流大于規(guī)定的額定電流時(shí)，停止DSP事件管理器的SPWM信號(hào)輸出以達(dá)到保護(hù)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(diǎn)設(shè)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(yīng)管的開關(guān)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(jì)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]。混合脈寬調(diào)制方式是單極性脈寬調(diào)制方式的一種變形，是為了達(dá)到較理想的正弦輸出波形，同時(shí)又希望減小開關(guān)損耗，且工作方式基本對(duì)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(gè)橋臂為高頻臂，另一個(gè)橋臂為低頻臂，而是每半個(gè)調(diào)制波周期切換一次，即同一個(gè)橋臂在前半個(gè)周期工作在低頻，后半個(gè)周期工作在高頻。這種調(diào)制方式使每個(gè)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(qiáng)了可靠性。針對(duì)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(hào)的角頻率，離線計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，運(yùn)行時(shí)查表讀出需要的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)測試與分析

試驗(yàn)中，首先測試DSP輸出的控制信號(hào)SPWM波形，如圖9（a）所示。示波器的兩個(gè)通道同時(shí)顯示了半橋型逆變器兩個(gè)開關(guān)管的控制信號(hào)，與設(shè)計(jì)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(shè)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(shí)驗(yàn)圖Fig.9 Experimental waveforms

在驅(qū)動(dòng)電源效率測試環(huán)節(jié)中，在電阻特性（匹配網(wǎng)絡(luò)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(shí)頻率跟蹤網(wǎng)絡(luò)始終使換能器工作在電流最大狀態(tài)。

5 結(jié) 論

文中基于DSP芯片TMS320F2812設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)稀土超磁致伸縮換能器的逆變電源系統(tǒng)，其中結(jié)合混合脈寬調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)SPWM波形，并對(duì)逆變電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、濾波匹配電路和反饋電路等進(jìn)行了合理而有效的設(shè)計(jì)，保證了驅(qū)動(dòng)電源對(duì)超磁致伸縮換能器的驅(qū)動(dòng)效能，同時(shí)采用電流控制頻率的方法進(jìn)行諧振頻率的自動(dòng)跟蹤。實(shí)驗(yàn)證明，該驅(qū)動(dòng)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(yīng)用前景。

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