CN103825471A

CN103825471A - 用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源

Info

Publication number: CN103825471A
Application number: CN201410088092.3A
Authority: CN
Inventors: 黄文美; 石春园; 王博文; 翁玲; 王志华; 孙英; 曹淑瑛
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: CN103825471B

Abstract

本发明为一种用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，该变频电源的组成包括单相交流输入、整流电路、逆变电路、匹配电路、反馈电路、控制面板、控制电路、隔离电路和驱动电路。本发明可用于超声波频率（20-30KHz）、中高频率（1-20KHz）、较低频率（500-1000Hz）宽的频率范围的不同功率（最大输出功率2KW）要求的中小型磁致伸缩换能器的驱动，通过控制面板上的按键进行频率设定，控制电路在反馈电路的辅助下可以快速锁定换能器的谐振频率，满足换能器正弦波电流驱动的需要，具有频率调整范围宽的优点。

Description

用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源

技术领域

本发明涉及专门用于中小型磁致伸缩换能器的变频电源，特别涉及阻抗匹配和频率动态调节的控制系统及其实现方法，具体是采用无控整流、电容滤波、全桥逆变及其控制驱动电路、反馈电路和阻抗匹配部分实现为磁致伸缩换能器供电的变频电源。

背景技术

磁致伸缩换能器是一种利用新型功能材料将电磁能转换为机械振动的机械装置，广泛应用于水声电声发射、微机电系统、超声清洗、精密加工处理等领域，其转化能量的效率与驱动电源的性能有直接关系。用正弦变化的磁场来驱动磁致伸缩换能器能显著提高换能器的效率，这就要求驱动电源输出一定频率范围的正弦电流，现有的一些换能器电源输出多为一定频率的脉冲电流，不能满足换能器的振动要求。采用逆变电源可以产生一定频率的方波电压，再采用阻抗匹配技术使其输出电流为正弦电流，但是目前产品化的逆变电源仍存在不足之处：

1.现有的逆变电源一般输出频率较低；2.工业用的高频电源体积大、造价极高；3.现有磁致伸缩换能器驱动电源的输出频率变化范围小、通用性差。

本发明提供一种用于驱动磁致伸缩换能器的变频电源及其实现方法，其输出方波电压，输出正弦波电流频率在宽频带范围内连续可调（500Hz-30KHz）、最大输出功率可达2000W，可满足不同用途的中小型磁致伸缩换能器的工作需要。

发明内容

本发明提供一种专门用于驱动中小型磁致伸缩换能器的新型变频电源，特别涉及阻抗匹配技术和频率动态调节的控制系统及其实现方法，针对磁致伸缩换能器工作频率范围宽、阻抗随频率变化范围大、要求正弦电流供电等特点，采用单相无控整流、电容滤波、全桥逆变和动态阻抗匹配技术，设计控制电路、驱动电路、反馈电路实现电源的智能控制，研制专为磁致伸缩换能器供电的可输出宽频率范围稳定正弦电流的变频电源。

本发明的技术方案为：

一种用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，该变频电源的组成包括单相交流输入、整流电路、逆变电路、匹配电路、反馈电路、控制面板、控制电路、隔离电路和驱动电路；其连接关系为：

单相交流输入连接至整流电路，整流电路的输出连接至逆变电路，之后逆变电路连接匹配电路，匹配电路连接磁致伸缩换能器；匹配电路同时连接反馈电路输入部分，反馈电路的输出部分连接到控制电路；控制面板连接至控制电路的控制输入端，控制电路连接隔离电路后连接驱动电路，驱动电路输出端连接到逆变电路；控制电路连接至控制面板，控制面板连接匹配电路输出端，控制面板连接单相交流输入；

单相交流输入、整流电路、逆变电路和匹配电路依次级联构成变频电源的供电电路。

所述的电源的单相交流输入为由自耦调压器和熔断器串联组成的输入模块。

所述的整流电路由整流和滤波两部分相互级联组成。

所述的逆变电路由四个开关管S1-S4和四个与之反并联的二极管D1-D4组成，其对应关系为D1与S1、D2与S2、D3与S3、D4与S4进行反并联。

所述的匹配电路为一个功率电阻R与匹配电容C₀组成的电路模块，其中，匹配电容数量为1～10个，各电容之间为并联，匹配电容与功率电阻串联。

电流采样通过采样元件实现，采样元件选用TBC25DS DIP-9型霍尔电流传感器。

所述的反馈电路由补偿电路、过零比较器、微分电路和互补比较电路依次串联组成，其中电容C1，电阻R1、R2进行π型连接组成补偿电路，过零比较器为比较器U7，电容C2与电阻R6组成微分电路，比较器U8_A和比较器U8_B进行并联组成互补比较电路。

所述的控制面板包括按键部分、旋钮部分和显示部分三个独立部分。

所述的控制电路为STC12C4052AD型单片机开发板。

所述的隔离电路主要包括两个相互独立的高速光耦HCPL4504。

所述的驱动电路采用功率MOSFET专用驱动芯片IR2110，该电路部分主要包括两个相互独立的IR2110驱动芯片。

本发明的有益效果为：本发明可用于超声波频率（20-30KHz）、中高频率（1-20KHz）、较低频率（500-1000Hz）宽的频率范围的不同功率（最大输出功率2KW）要求的中小型磁致伸缩换能器的驱动，通过控制面板上的按键进行频率设定，控制电路在反馈电路的辅助下可以快速锁定换能器的谐振频率，满足换能器正弦波电流驱动的需要，具有频率调整范围宽的优点。本发明采用了阻抗匹配电路，在谐振频率下可以产生换能器所需要的正弦电流，并且在低的输入电压下可输出较大的电流。反馈电路对电流进行实时监测并反馈到控制电路部分，使换能器始终工作于谐振或准谐振状态，有效降低换能器的无功损耗，从而显著提高磁致伸缩换能器的工作效率（可由之前的低于50%提高至近70%），使换能器能够广泛应用到低频水声、超声和主动振动控制等领域。

附图说明

图1是换能器驱动电源的整体电路功能模块框图。

图2是供电电路结构图，其中磁致伸缩换能器等效为电感L，C₀为匹配电容，R为功率电阻。

图3是扫频模块流程图。其中fout代表电流输出频率，fres代表电流最大时的频率，fmax表示扫频范围的上限频率值；curm代表电流最大值，curd代表电流大小，cura代表阈值电流；step代表搜索步长，step1代表大步长，step2代表小步长。

图4是PWM波形产生流程图。

图5是隔离电路和驱动电路接线图。其中，Rb为自举电阻和Db为自举二极管，Cb为自举电容，Dgs为稳压管。

图6是反馈电路接线图。

图7是电源用于驱动磁致伸缩换能器，工作于频率为27kHz时的输出电压电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明，但它们不对本发明作任何限制。

本发明为用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，电源整体结构框图如图1中虚线框内所示，其组成包括单相交流输入1、整流电路2、逆变电路3、匹配电路4、反馈电路5、控制面板6、控制电路7、隔离电路8和驱动电路9；

其连接关系为：

电源的单相交流输入1连接至整流电路2进行整流滤波，整流电路2的输出连接至全桥逆变电路3进行逆变实现电源的变频，之后逆变电路3连接匹配电路4，匹配电路4经电源的输出端连接磁致伸缩换能器，此1-4部分构成变频电源的供电电路；匹配电路4同时连接反馈电路5输入部分，反馈电路5的输出部分连接到控制电路7；控制面板6上的按键电路连接至控制电路7的控制输入端，控制电路7的PWM输出端连接隔离电路8后连接驱动电路9，驱动电路9输出端连接到逆变电路3的开关管的控制极；控制电路7的频率检测输出经信号线连接至控制面板6处的频率显示器上，控制面板6上的电压、电流检测仪表连接到匹配电路4输出的输出端，控制面板6上的调压旋钮连接单相交流输入1的自耦调压器上。

变频电源中，单相交流输入1、整流电路2、逆变电路3和匹配电路4依次级联构成变频电源的供电电路，具体如图2所示：

其中，单相交流输入1为由自耦调压器和熔断器串联组成的输入模块，其中自耦调压器选用TDGC2-2型号，熔断器选用带有BLX-A型（5*20）型底座的12A5*20玻璃管保险丝；

所述的整流电路2由整流和滤波两部分相互级联组成，其中整流部分选用GBJ2510集成整流桥，滤波部分为两个电解电容（选用两个450V330uF的电解电容）进行并联。

所述的逆变电路3由四个开关管（S1-S4）和四个与之反并联的二极管（D1-D4）组成，其对应关系为D1与S1、D2与S2、D3与S3、D4与S4进行反并联。开关管选用IRFP460功率型MOSFET（四个开关管均安装铝块TO-220（宽23*15*30cm）型散热片），反并联二极管选用FR307型快恢复二极管，逆变电路3的两个输出端分别定义为a和b。

匹配电路4为功率电阻R与匹配电容C₀串联组成的电路模块，其中功率电阻R选用SGS1Ω50W型的电阻，匹配电容C₀根据不同的换能器匹配不同大小的电容。其中匹配电容固定到匹配电容底座上，通过电容底座与其他部件相连接，具体连接方式为：逆变电路3的输出端a连接功率电阻R一端，功率电阻R的另一端连接电源的输出端c，逆变电路的输出端b连接匹配电容底座输入端，底座的输出端接电源输出端d，电源的两个输出端连接换能器的励磁线圈。其中，电容底座由两个端子排组成，两端子排平行放置，它们的距离为15mm，通过端子排下面的焊接引脚进行焊接并固定于匹配电路板上。两端子排均有10个电容插孔，插孔之间最多可连接10个电容，各电容之间为并联关系，可满足不同容量的薄膜电容尺寸要求，通过选择匹配电容的大小，满足不同换能器谐振频率的要求。

反馈电路5由补偿电路、过零比较器、微分电路和互补比较电路依次串联组成，其中电容C1，电阻R1、R2进行π型连接组成补偿电路，过零比较器为比较器U7，电容C2与电阻R6组成微分电路，比较器U8_A和比较器U8_B进行并联组成互补比较电路，各部分接线方式如图6所示。其中，比较器U7、U8_A、U8_B选用LM339比较器集成芯片。

控制面板6包括按键部分、旋钮部分和显示部分三个独立部分，按键部分（选用双环K18A型号的数字小键盘）用于设定电源的工作频率，旋钮部分进行电源输入调压，用于不同用途的换能器频率和电压调节的需要，显示部分（选用0.36英寸，6位共阳LED数码管）主要显示电源当前工作频率，通过电压表和电流表指示电源输出电压和电流的大小，其中电压表选用正泰42L6-V6L2-V250V型电压表，电流表选用正泰44L1-A15A型电流表。

控制电路7主要包括STC12C4052AD型单片机开发板，嵌入式单片机芯片STC12C4052AD，指令代码完全兼容传统8051单片机，运算速度是8051的8～12倍，处理速度快，主频420MHz，可以实现不同频率（换能器工作需要的频率）PWM脉冲的生成与控制、电源扫频控制、频率跟踪控制与谐振频率锁定以及电源的过流过压保护控制等功能。电源启动后，电源需要寻找换能器的机械固有频率。

其具体实现方案如图3所示：第一步，单片机主程序调用扫频模块，进行参数初始化。包括初始频率（通过按键键盘设定）、搜索步长step和阈值电流值cura。第二步，根据设定的初始参数进行初始化的频率输出。第三步，通过反馈电路部分采集到的采样电流（初次采样进行curm和fres初始化即curm=curd，fres=fout）与之前采集到的curm进行比较，如果curd>curm则对curm和fres进行重新赋值，之后进行curd与cura进行比较；如果curd<curm，则直接进行curd与cura进行比较。第四步，判断curd与cura的大小,当curd<cura时，则使用大搜索步长step1，即step=step1；反之使用小搜索步长step2，即step=step2。此时电源的输出频率调整为fout=fout+step。第五步，进行fout与fmax对比，如果fout>fmax，则扫频结束，将扫频范围内电流最大时的频率fres赋值给fout进行电源输出频率锁定。如果fout<fmax，则返回到第三步继续进行扫频。

确定了输出频率后，控制电路7需要输出该频率两路互补的带有PWM波形，用于驱动逆变电路中的S1、S2、S3、S4四个开关管。但是为了在换路时避免同一桥臂的两个开关管同时导通，引起电源的短路，需要设定一定的死区时间。死区时间的设定根据电源的工作频率和电源所载的负载确定。具体实现方案为：第一步，进行参数初始化包括死区时间，PWM发生引脚状态位P_PWM1和P_PWM2状态设定,其中P_PWM1状态设为1，P_PWM2状态设为0。第二步，将扫频模块的输出频率fout，进行数据处理后作为定时器T1的初始值。第三步，开启定时器计时，通过比较逻辑判断定时器计时t是否到达设定值T1。第四步，当到时后，首先判断两个状态位的状态判断，如果状态为1，直接状态取反（即输出的PWM波有高电平直接变低电平），如果状态为0，则经过一定的时间延时后再状态取反（即经过死区时间后再输出PWM脉冲），之后返回计时阶段进行新的循环。这样就产生两路互补并带有一定死区时间的PWM波。具体流程图如图4所示。

隔离电路8主要包括两个相互独立的高速光耦HCPL4504，控制电路7产生的两路互补PWM加到两个HCPL4504的2脚上，其输入端3引脚需要接接地电阻，输出端的8脚和5脚间接去噪电容，同时8脚与6脚需要接辅助电阻，具体接线方式如图5所示。

驱动电路9采用功率MOSFET专用驱动芯片IR2110，该电路部分主要包括两个相互独立的IR2110驱动芯片，用于驱动逆变电路的四个开关管S1、S2、S3、S4。两个IR2110芯片驱动的PWM信号输入H_in和L_in进行交叉连接（即第一个芯片的H_in引脚连接第二个芯片的L_in引脚，第一个芯片的L_in引脚连接第二个芯片的H_in引脚），之后两个HCPL4504的6脚，两个驱动芯片的输出H_O、L_O经电阻Rg和与Rg反并联的稳压二极管Dg分别连接到逆变电路S1、S3的栅极（G极）和S2、S4的栅极（G极），具体连接方式如图5所示。

该变频电源的运行过程：变频电源的单相交流输入1中的自耦调压器接220V50Hz工频交流电，调压后接整流电路2进行整流滤波进行电能的AC-DC的变换，其输出连接至全桥逆变电路3进行DC-AC的变换实现电源的变频，之后连接匹配电路4与换能器线圈进行阻抗匹配，经电源的输出端连接换能器，构成电源的供电回路。通过调节控制面板6上的旋钮调节自耦调压器改变电压结合匹配电路4进行阻抗匹配对电流的调节，来满足不同功率要求的换能器。将电源输出端经电流传感器进行输出电流采样，之后将采集到的输出电流加到反馈电路5中，反馈电路5将正弦电流信号处理变换为同步脉冲信号，之后反馈到控制电路7的PWM波形发生器的外同步端，控制电路7根据控制面板6上的按键电路设定的频率并结合反馈回路5反馈回的电流信号进行扫频并锁定频率，使输出的驱动脉冲频率和负载谐振回路的电流频率同步，使换能器线圈始终工作在谐振状态下，提高换能器的输出效率。控制面板6上的按键电路可根据换能器不同频率要求（超声波频率（20-30KHz）、中高频率（1-20KHz）、较低频率（500-1000Hz））进行频率设定，控制电路7的PWM波形发生器产生对应频率的触发信号，触发信号经隔离电路8进行隔离后连接驱动电路9，将触发信号转换为能够驱动开关管的驱动信号，其输出端连接到逆变电路3的开关管的控制极，驱动逆变电路3工作。在电源的工作过程中控制面板6上的频率、电流、电压指示器进行电源工作状态的监视。

本设计中STC12C4052AD型开发板具有自带的供电电源，HCPL4504、IR2110和LM339芯片需要15V的供电电源，选择S-100-15型的开关电源。

本设计整体为封闭结构，除自耦调压器、控制面板部分、控制电路外，其他电路部分均集成于同一块电路板上，电路板与输入输出连接的电源线使用线径为1.5mm带有绝缘皮铜线，不同电路板之间连接信号线使用带有插头杜邦线。文中所提到的元器件在市场上均有供应。

将所设计的变频电源用于驱动超声磁致伸缩换能器，实验输出电压电流波形如图7所示。实验证明本发明就有快速的动态频率响应，其工作在27KHz频率下，经过两个周期即可实现电压和电流同步达到谐振状态，输出电流接近正弦波。在电压约为60V时，输出电流峰值可达8A，实验验证了该变频电源能保证超声磁致伸缩换能器的高效率正常工作。

本变频电源所用的电路元器件和外壳结构等在市场上均有充足供应，质量可靠，制造成本低。此外，本发明是一个封闭的系统，可防止外界环境对其性能的破坏，具有很高的可靠性，能够长期使用而无需维护，这也大大降低了使用成本。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims

1.一种用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，其特征为该变频电源的组成包括单相交流输入、整流电路、逆变电路、匹配电路、反馈电路、控制面板、控制电路、隔离电路和驱动电路；其连接关系为：

单相交流输入连接至整流电路，整流电路的输出连接至逆变电路，之后逆变电路连接匹配电路，匹配电路连接磁致伸缩换能器；匹配电路同时连接反馈电路输入部分，反馈电路的输出部分连接到控制电路；控制面板上连接至控制电路的控制输入端，控制电路连接隔离电路后连接驱动电路，驱动电路输出端连接到逆变电路；控制电路连接至控制面板，控制面板连接匹配电路输出端，控制面板连接单相交流输入；

2. 如权利要求1所述的用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，其特征为所述的电源的单相交流输入为由自耦调压器和熔断器串联组成的输入模块。

3. 如权利要求1所述的用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，其特征为所述的整流电路由整流和滤波两部分相互级联组成。

4.如权利要求1所述的用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，其特征为所述的逆变电路由四个开关管S1-S4和四个与之反并联的二极管D1-D4组成，其对应关系为D1与S1、D2与S2、D3与S3、D4与S4进行反并联。

5.如权利要求1所述的用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，其特征为所述的匹配电路为一个功率电阻R与匹配电容C₀组成的电路模块；其中，匹配电容数量为1～10个，各电容之间为并联，匹配电容与功率电阻串联。

6.如权利要求1所述的用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，其特征为所述的反馈电路由补偿电路、过零比较器、微分电路和互补比较电路依次串联组成，其中电容C1，电阻R1、R2进行π型连接组成补偿电路，过零比较器为比较器U7，电容C2与电阻R6组成微分电路，比较器U8_A和比较器U8_B进行并联组成互补比较电路。

7.如权利要求1所述的用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，其特征为所述的控制面板包括按键部分、旋钮部分和显示部分三个独立部分。

8.如权利要求1所述的用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，其特征为所述的控制电路为STC12C4052AD型单片机开发板。

9.如权利要求1所述的用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，其特征为所述的隔离电路主要包括两个相互独立的高速光耦HCPL4504。

10.如权利要求1所述的用于驱动中小型磁致伸缩换能器的变频电源，其特征为驱动电路采用功率MOSFET专用驱动芯片IR2110，该电路部分主要包括两个相互独立的IR2110驱动芯片。