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(lè)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(guò)驅(qū)動(dòng)電路使高頻逆變電路的功率開(kāi)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(guò)軟件可方便實(shí)現(xiàn)過(guò)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(kāi)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(kāi)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?chē)€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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)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。
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(guò)流保護(hù)和頻率跟蹤。
3.1 過(guò)流保護(hù)和頻率跟蹤
系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)功能是通過(guò)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。
3.2 SPWM波形的生成
SPWM波主要用于控制逆變橋各功率場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài),通過(guò)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(guò)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,而其調(diào)制方法采用優(yōu)化的混合脈寬調(diào)制方式。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(kāi)關(guān)損耗,且工作方式基本對(duì)稱(chēng)。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。
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(kāi)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。
4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析
試驗(yàn)中,首先測(cè)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(kāi)關(guān)管的控制信號(hào),與設(shè)計(jì)波形一致。再次測(cè)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。
在驅(qū)動(dòng)電源效率測(cè)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。