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

摘要：為了提高稀土超磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)電源的效率以及實(shí)用性，采用DSP器件TMS320F2812作為主控芯片，結(jié)合混合脈寬調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)SPWM波形。采用半橋型逆變電路實(shí)現(xiàn)SPWM的功率放大，并對(duì)隔離驅(qū)動(dòng)電路、反饋電路和濾波匹配電路進(jìn)行合理而有效的設(shè)計(jì)，保證了換能器的輸出效能。同時(shí)使用電流控制頻率的方法實(shí)現(xiàn)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。
關(guān)鍵詞：超磁致伸縮換能器；逆變電源；SPWM；DSP

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)。