CN202004661U

CN202004661U - 一种稀土超磁致伸缩换能器驱动电源

Info

Publication number: CN202004661U
Application number: CN2011201058463U
Authority: CN
Inventors: 徐志刚; 王松; 张建阳; 郗瑶颖
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2021-04-12

Abstract

本实用新型公开了一种稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，至少包括直流供电模块、高频逆变电路、DSP信号发生电路、隔离电路、驱动电路、匹配滤波电路和反馈电路，其中，直流供电模块的输出端连接高频逆变电路，DSP信号产生电路通过隔离电路连接驱动电路，驱动电路的输出端连接高频逆变电路，高频逆变电路的输出端连接匹配滤波电路的输入端，反馈电路的输出端连接DSP信号产生电路的输入端。本实用新型用于超声波频率范围内的换能器驱动，可进行软件调频，输出频率稳定，能量转化效率高，使换能器能够广泛应用到水声、超声和主动振动控制等领域。

Description

一种稀土超磁致伸缩换能器驱动电源

技术领域

本实用新型涉及一种换能器的驱动电源，特别是一种稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，该电源用于驱动超声波频率范围内的稀土超磁致伸缩换能器。

背景技术

目前，市场中出现的换能器主要有压电换能器和磁致伸缩换能器。近年发现并兴起的稀土超磁致伸缩材料，被人们普遍认为是制作低频、大功率、大深度换能器的理想功能材料，但是与之对应的智能化驱动系统的发展相对缓慢，即超磁致伸缩换能器驱动电源。

超磁致伸缩换能器驱动电源主要采用逆变电源，传统的逆变电源采用模拟控制技术，该方法控制结构比较成熟，但是因采用大量的分散元件和电路板，导致硬件成本偏高，系统的可靠性下降，且电源的电能利用率低，而且受开关管开关速度的限制，电源的频率也比较低，一般在20KHz以下。

故数字化的逆变电源迅速发展起来，其控制电路结构简洁紧凑，一旦改变了控制方法，只需修改程序即可，无需变动硬件电路，大大缩短了设计研制周期，且易于采用先进的控制方法和智能控制策略，但传统的单片机存在速度慢、精度低的缺点，当在超声波频率范围内时，其控制精度不足。

由于模拟电路与单片机在控制的速度与精度上存在缺陷，数字化、小型化的超磁致伸缩换能器驱动电源的设计开发势在必行。

发明内容

针对上述现有的超磁致伸缩换能器驱动电源存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于，提供一种基于TMS320F2812的稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，其能够提供超声波频率范围内的驱动能力，且输出频率稳定、能量转换效率高，可软件调频等。

为了达到以上目的，本实用新型采用如下的技术解决方案：

一种稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于，至少包括直流供电模块、高频逆变电路、DSP信号发生电路、隔离电路、驱动电路、匹配滤波电路和反馈电路，其中，所述直流供电模块的输出端连接所述高频逆变电路，所述DSP信号产生电路通过所述隔离电路连接所述驱动电路，所述驱动电路的输出端连接所述高频逆变电路，高频逆变电路的输出端连接所述匹配滤波电路的输入端，所述反馈电路的输出端连接所述DSP信号产生电路的输入端。

本实用新型具有以下优点：

1. 系统控制芯片为DSP，采用TMS320F2812，处理速度快，主频150MHz，时钟周期6.67ns，广泛应用于工业控制领域。控制芯片的片内外设资源中的事件管理器模块，可以方便的产生所需的SPWM波形。每个事件管理器中有PWM波形产生器和可编程的死区产生器，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。

2.在SPWM信号的调制方法中，使用混合脉宽调制，其有效的减少了谐波系数和开关损耗，并且两桥臂轮流工作在高频和低频状态，使桥臂的功率管得到均衡，提高了稳定性。

3. 隔离电路、驱动电路分别使用了6N137和EL7104，在保护了DSP主控芯片的同时，完成了高频逆变电路的有效驱动。其中，当MOS门器件作为上桥臂功率管时，必须采用悬浮驱动电路进行栅极的驱动，而且对隔离驱动电路的时间特性要求较高。

4.输出波形频率稳定，且可以进行软件调频，转换效率高，体积小。

本实用新型用于超声波频率范围内（也可用于较低频率）的换能器驱动，可进行软件调频，输出频率稳定，能量转化效率高，使换能器能够广泛应用到水声、超声和主动振动控制等领域。

附图说明

图1为本实用新型的驱动电源的功能模块方框图。

图2为本实用新型的驱动电源系统电路框图。

图3为直流供电模块电路图。

图4为高频逆变电路图。

图5为反馈电路图。其中，（a）为电流检测电路图，（b）为频率检测电路图。

图6为SPWM主程序流程图。

图7为中断服务程序流程图。

图8为脉宽开关数据表生成流程图。

图9为按键扫描与显示程序流程图。

图10为 20KHz时的SPWM波形及其正弦波，其中，(a)为20KHz时的SPWM波形，(b)为20KHz正弦波输出。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的解释说明。

具体实施方式

如图1、图2所示，超磁致伸缩换能器驱动电源实质是一个功率信号发生器，具体由以下模块组成：

直流供电模块（AC/DC电路）：用以为各电路提供工作电压，为高频逆变电路提供直流工作电压。

直流供电模块由变压模块、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。变压模块的输出端连接到整流电路，整流电路的输出端连接滤波电路，滤波电路的输出端连接稳压电路，稳压电路输出端连接高频逆变电路。变压模块用以将电网电压进行电压转换，使变压器次级电压的有效值与所需直流电压接近，以便后续电路处理；整流电路用以通过单向导电性能的整流元件将交流电变换成单向脉动的直流电供高频逆变电路工作；滤波电路用以将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为有纹波的直流电压。滤波电路由电感电容等储能元件组成；稳压电路用以使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。

高频逆变电路：用以实现DC/AC转换，将AC/DC电路提供的直流电转化为所需的高频交流电。

DSP信号发生电路：用以产生SPWM波，以使逆变滤波后形成正弦波输出。DSP信号发生电路包括DSP主控芯片，还包括显示电路和按键电路。按键电路用以选择频率大小，显示电路用以显示频率。SPWM波形控制信号、显示信号和按键信号这三种信号的控制都通过DSP信号发生电路完成；

隔离电路：用以隔离DSP信号发生电路和驱动电路，以保护DSP主控芯片。

驱动电路：用以对SPWM波进行功率放大，以使其产生所需功率的交流方波，从而驱动高频逆变电路中的功率开关管。

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；用以进行超磁致伸缩换能器的匹配，使超磁致伸缩换能器将电信号转化为机械振动。匹配滤波电路完成阻抗匹配和调谐匹配，以使超磁致伸缩换能器工作在最佳状态。

反馈电路：用以对DSP信号发生电路所产生的信号进行功率反馈和频率反馈，以使驱动电源跟随超磁致伸缩换能器，使超磁致伸缩换能器保持最佳工作状态。

其中，直流供电模块的输出端连接高频逆变电路，DSP信号产生电路通过隔离电路连接驱动电路，驱动电路的输出端连接高频逆变电路，高频逆变电路的输出端连接匹配滤波电路的输入端，反馈电路的输出端连接DSP信号产生电路的输入端。

匹配滤波电路的输出端连接超磁致伸缩换能器，超磁致伸缩换能器通过反馈电路连接DSP信号产生电路的输入端。超磁致伸缩换能器带动负载工作。

具体电路的实现：

如图3所示，直流供电模块由变压模块、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。变压模块采用220V-18V的变压器，整流电路采用单相整流电路（使用4个IN4007二极管），滤波电路采用电容滤波电路（使用2000uf的电解电容），稳压电路使用W7800系列的集成稳压器7805/7812或者集成开关稳压器CW4962。因为电路供电需要双向电压，所以直流供电电路设计为正负双向电源。

如图4所示，高频逆变电路选用半桥型电路，能够减少开关管及其相对应的隔离与驱动电路，且所使用的混合脉宽调制方法也可以用半桥实现。使用的功率管是IRF820A，其最大电压值是500V，最大电流值是2.5A，功耗是50W，上升延迟时间8.1ns，上升时间12ns，下降延迟时间16ns，下降时间13ns，导通电阻为3。

DSP信号发生电路采用TI公司的TMS320F2812，处理速度快，主频150MHz，时钟周期6.67ns，广泛应用于工业控制，特别是应用于处理速度、处理精度方面要求较高的领域。控制芯片的片内外设资源中的事件管理器模块，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的死区产生器，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。

隔离电路采用高速光耦6N137，需要注意的是，在6N137光耦合器的电源管脚旁应有一个0.1uF的去耦电容。在选择类型时，应尽量选择高频特性好的电容，在此选择钽电容，且尽量靠近6N137的管脚；另外，输入使能管脚在芯片内部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。6N137光耦合器的第六脚输出电路属于集电极开路电路，必须上拉一个电阻，在此选择1K欧的电阻；6N137光耦合器的输入2引脚和3引脚之间是一个LED，需串接一个限流电阻，但DSP输出电流只有4mA，故可省略。

驱动电路选用EL7104，EL7104是一款高速的单通道功率场效应管驱动芯片，其中比较重要的参数是其上升时间（Tr）、下降时间（Tf）、上升延迟时间（Td-on）和下降延迟时间（Td-off）。而EL7104的Tr=10ns，Tf=10ns，Td-on=18ns，Td-off=18ns，完全可以满足超声波频率范围内的应用。

匹配滤波电路采用的是LC二阶滤波电路，根据所选用的超磁致伸缩换能器的自身匹配特点，选用不同参数的LC滤波电路。

如图5所示，反馈电路对输出的波形进行功率的检测与频率的检测，反馈到DSP主控芯片的相应引脚。其中，功率的检测主要体现在对电流大小的检测，在此输出端连接霍尔电流传感器ACS706ELC-20A，并连接到集成芯片OP07搭建的零点升压电路，然后连接到DSP的A/D端口完成电流大小的采集。ACS706ELC-20A的灵敏度典型值为100mV/A,输入最大电流为20A的动态电流检测范围，50KHz带宽，可满足实用的要求。频率检测将输出端连接到OP07集成运算放大器构成的过零限幅比较器，再连接到DSP芯片的I/O端口中进行相应高低电平的计数，即可完成频率检测功能。

对于使用的SPWM波形的产生，其波形生成使用等面积法，调制为混合脉宽调制，其主程序流程图如图6所示，SPWM主程序完成DSP的初始化工作，对各个应用的寄存器进行相关设置，以使DSP能够按要求进行正常的工作。

中断服务程序根据定时器的周期中断，每次调用新的脉宽数据，然后与最小删除脉冲进行比较，小于最小脉冲宽度（或大于最大脉冲宽度）的脉冲置零（或置载波周期），其流程如图7所示。

脉冲开关数据表是根据等面积法生成的，其实现流程如图8所示。

按键扫描与显示程序用以改变输出的正弦波频率，更新脉宽数据表，并相应的进行显示，其流程如图9所示。

依照上述的设计流程，即可实现稀土超磁致伸缩换能器驱动电源的设计。图10是实验过程中所实现的20KHz的SPWMA波形，以及最后电路驱动超磁致伸缩换能器的驱动波形（20KHz的正弦波）。

Claims

1.一种稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于，至少包括直流供电模块、高频逆变电路、DSP信号发生电路、隔离电路、驱动电路、匹配滤波电路和反馈电路，其中，所述直流供电模块的输出端连接所述高频逆变电路，所述DSP信号产生电路通过所述隔离电路连接所述驱动电路，所述驱动电路的输出端连接所述高频逆变电路，高频逆变电路的输出端连接所述匹配滤波电路的输入端，所述反馈电路的输出端连接所述DSP信号产生电路的输入端。

2.如权利要求1所述的稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于，DSP信号发生电路包括DSP主控芯片，还包括显示电路和按键电路。

3.如权利要求1所述的稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于，所述直流供电模块包括变压模块、整流电路、滤波电路和稳压电路，变压模块采用220V-18V的变压器，整流电路采用单相整流电路，滤波电路采用电容滤波电路，稳压电路使用W7800系列的集成稳压器7805/7812或集成开关稳压器CW4962。

4.如权利要求1所述的稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于，所述高频逆变电路选用半桥型电路。

5.如权利要求1所述的稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于，所述隔离电路采用高速光耦6N137。

6.如权利要求1所述的稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于，所述驱动电路选用EL7104。

7.如权利要求1所述的稀土超磁致伸缩换能器驱动电源，其特征在于，所述匹配滤波电路采用的是LC二阶滤波电路。