基于DSP的超磁致伸缩换能器驱动电源设计

王 松，赵祥模，惠 飞，王润民，张建阳

（长安大学 信息工程学院，陕西 西安 710064）

稀土超磁致伸缩换能器是利用超磁致伸缩材料将电磁能转换为机械振动的器件，与目前广泛使用的压电陶瓷换能器相比，具有工作范围广、转换效率高、响应速度快等优点，主要应用在水声、超声和主动振动控制等领域[1]。其中，超磁致伸缩换能器的驱动电源是影响系统工作性能优劣的关键因素。针对电源控制技术的数字化、智能化发展，文中设计了一种基于DSP器件的数字逆变电源，用以驱动超磁致伸缩换能器正常工作，同时进行谐振频率的自动跟踪。本课题采用的超磁致伸缩换能器主要用于小型超声波清洗机中，其对驱动电源主要技术指标要求为：输入交流电压为220 V，输出频率为15～25 kHz，输出功率为50 W左右。文中首先讨论该驱动电源系统的总体设计，然后分别从硬件电路设计和软件实现两方面进行具体阐述，最后进行实验测试并给出结论。

1 系统总体设计

采用的稀土超磁致伸缩换能器的最佳驱动波形为高频正弦波，故设计的驱动电源系统结构如下图1所示[2]。

图1 驱动电源系统结构Fig.1 System structure of drive power

直流供电模块由变压、整流、滤波和稳压电路组成，为高频逆变电路提供直流工作电压；高频逆变电路采用半桥逆变电路，对DSP产生的SPWM波进行功率放大，使其产生指定功率的交流方波；而DSP信号电路产生相应频率的SPWM波，经光耦合电路与功率电路进行电气隔离后，再通过驱动电路使高频逆变电路的功率开关管正常工作；匹配滤波电路用以对SPWM波形进行滤波，将SPWM波形转换为正弦波，同时完成阻抗匹配和调谐功能；反馈电路则对换能器的工作电流进行采样，通过软件可方便实现过流保护，同时根据电流值进行频率跟踪，软件调整正弦波频率，以使换能器工作在最佳状态。

2 硬件电路设计与实现

硬件系统主要由以下几部分构成。

2.1 逆变主电路

逆变主电路包括直流供电模块、高频逆变电路和匹配滤波电路。

高频逆变电路的直流供电采用大电流开关电源芯片L296构成的稳压电路，其最大输出电流4 A，功率为160 W。逆变主电路采用如图2所示的半桥式结构。其中功率场效应管选用IRF820A，其工作额定电压500 V，额定电流2.5 A，且其上升（下降）时间都在10～20 ns之间，可快速开关。同时，上桥臂功率管VT1必须采用悬浮驱动电路进行栅极的驱动，在此采用光电隔离及独立电源供电来实现悬浮驱动。

图2 逆变主电路Fig.2 Main circuit of the inverter

匹配滤波电路的主要作用是滤波、调谐和阻抗匹配。图中L1、C3构成LC低通滤波器，用以滤除逆变输出SPWM波中的高次谐波分量，而高频变压器具有电气隔离和调整电压比的作用。超磁致伸缩换能器工作时，主要是由绕制在超磁致伸缩棒周围线圈上的交变电流驱动，在交变电磁场的影响下，超磁致伸缩棒沿轴线方向做伸缩运动，示意图如下所示。对换能器作等效电路分析[3]，超磁致伸缩棒的作用相当于在电路中又并联了一个电感，故换能器整体呈感性阻抗，故在电路中串联一个可调的匹配电容C4，此时匹配电容C4与交流线圈电感L应满足串联谐振关系其中f为换能器的谐振频率。

2.2 控制电路

图3 超磁致伸缩换能器工作示意图Fig.3 Working diagram of rare-earth magnetostrictive transducer

控制电路包括DSP信号产生电路、隔离电路、驱动电路和反馈电路。DSP信号电路产生用于控制逆变器的SPWM信号，同时完成频率跟踪和过流保护功能，DSP芯片TMS320F2812为其核心部件。TMS320F2812是32位的高性能微处理器，同时具有丰富的片内外设资源。关键是其众多外设中的事件管理器模块[4]可方便的产生所需的SPWM波形。每个事件管理器中有PWM波形产生器和可编程死区产生器，最多可以同时产生八路PWM输出波形，并同时提供可屏蔽的外部供电和驱动保护中断。这提高了系统的集成度与可靠性，且有利于系统性能和状态的监测。同时16个信道12位ADC可方便对反馈的电流信号进行采样，以完成频率跟踪和过流保护功能。

隔离电路对信号电路与功率电路进行电气隔离，采用的是单通道的高速光耦6N137，其中6N137的电源管脚旁0.1 μF的去耦电容应尽量选择高频特性好的电容，在此选钽电容，并尽量靠近6N137的管脚。驱动电路采用一款高速的单通道功率场效应管驱动芯片EL7104，其开关过程中的上升（下降）时间为 10 ns，上升（下降）延迟时间为 18 ns，完全可以工作在几十至几百千赫兹的开关频率下。隔离驱动电路设计如下图4所示。

图4 隔离驱动电路Fig.4 Isolation and drive circuit

反馈电路主要是采样换能器的工作电流并传递给DSP引脚，电路如图5所示。采用霍尔电流传感器ACS706ELC-20 A进行电流大小的采样，此时电流大小被表示为电压信号的大小，而由于数字控制部分只能识别正的电压信号，而采样信号是交流的，故需要将采样信号转化为DSP能完全识别的信号[5]。在此使用集成运算放大器OP07搭建升压电路，实现电位的移动和信号的放大，同时VD1、VD2是限幅电路，保证信号处于0～3.3 V之间，而R5、C1为滤波电路，ADCINA为DSP引脚，信号输入DSP进行数模转换。

图5 反馈电路Fig.5 Feedback circuit

3 系统软件设计

系统软件设计主要用于产生控制波形SPWM信号，同时软件实现过流保护和频率跟踪。

3.1 过流保护和频率跟踪

系统的过流保护功能是通过DSP软件控制实现的，当采样换能器的工作电流大于规定的额定电流时，停止DSP事件管理器的SPWM信号输出以达到保护系统的功能。频率跟踪[6]可转换为搜索工作电流的最大值，最终将换能器的工作点设定在电流最大处，原因是谐振状态下换能器阻抗最小，回路电流最大。如果换能器的谐振频率发生偏移，电流将因系统失谐而减小，电流搜索程序流程图如图6所示。

图6 电流搜索程序流程图Fig.6 Flow chart of current search program

3.2SPWM波形的生成

SPWM波主要用于控制逆变桥各功率场效应管的开关状态，通过调节SPWM波可改变逆变电路输出电压的频率和幅值。通过分析SPWM波原理，其波形生成算法采用具有较高精度且计算量适中的直接面积等效法[7]，而其调制方法采用优化的混合脉宽调制方式[8]。混合脉宽调制方式是单极性脉宽调制方式的一种变形，是为了达到较理想的正弦输出波形，同时又希望减小开关损耗，且工作方式基本对称。与一般的单相单极性SPWM调制方式不同的是，它并不是固定其中一个桥臂为高频臂，另一个桥臂为低频臂，而是每半个调制波周期切换一次，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，后半个周期工作在高频。这种调制方式使每个桥臂轮流工作在高频状态下，使功率管工作得到均衡，增强了可靠性。针对半桥型逆变电路，其控制波形如图7所示。

图7 混合脉宽调制波形图Fig.7 Hybrid PWM waveform

程序中，使用查表法生成所需的SPWM脉宽数据表，其根据不同的调制度和正弦调制信号的角频率，离线计算出各开关器件的通断时刻，运行时查表读出需要的数据，从而进行实时控制。SPWM波输出程序流程图如图8所示。

图8 SPWM波输出程序流程图Fig.8 Flow chart of SPWM wave output program

4 实验测试与分析

试验中，首先测试DSP输出的控制信号SPWM波形，如图9（a）所示。示波器的两个通道同时显示了半桥型逆变器两个开关管的控制信号，与设计波形一致。再次测量换能器两端的工作电压波形，如图9（b）所示。在此设定的频率为20 kHz，从示波器中可清楚看到为20 kHz的高频正弦波，故其输出波形的稳定度高，失真度小。

图9 波形实验图Fig.9 Experimental waveforms

在驱动电源效率测试环节中，在电阻特性（匹配网络后的换能器整体阻抗表现为纯电阻）下，电源效率在75%以上，利用率较高，同时频率跟踪网络始终使换能器工作在电流最大状态。

5 结 论

文中基于DSP芯片TMS320F2812设计了一种驱动稀土超磁致伸缩换能器的逆变电源系统，其中结合混合脉宽调制方法实现SPWM波形，并对逆变电路、隔离驱动电路、滤波匹配电路和反馈电路等进行了合理而有效的设计，保证了驱动电源对超磁致伸缩换能器的驱动效能，同时采用电流控制频率的方法进行谐振频率的自动跟踪。实验证明，该驱动电路输出频率稳定，波形失真度低，且能量转换效率较高，具有一定的工程应用前景。

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