基于DSP的超磁致伸縮換能器驅動電源設計

摘要：為了提高稀土超磁致伸縮換能器驅動電源的效率以及實用性，采用DSP器件TMS320F2812作為主控芯片，結合混合脈寬調制方法實現SPWM波形。采用半橋型逆變電路實現SPWM的功率放大，并對隔離驅動電路、反饋電路和濾波匹配電路進行合理而有效的設計，保證了換能器的輸出效能。同時使用電流控制頻率的方法實現諧振頻率的自動跟蹤。實驗證明，該驅動電路輸出頻率穩定，波形失真度低，且能量轉換效率較高。
關鍵詞：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換為機械振動的器件，與目前廣泛使用的壓電陶瓷換能器相比，具有工作范圍廣、轉換效率高、響應速度快等優點，主要應用在水聲、超聲和主動振動控制等領域。其中，超磁致伸縮換能器的驅動電源是影響系統工作性能優劣的關鍵因素。針對電源控制技術的數字化、智能化發展，文中設計了一種基于DSP器件的數字逆變電源，用以驅動超磁斂伸縮換能器正常工作，同時進行諧振頻率的自動跟蹤。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中，其對驅動電源主要技術指標要求為：輸入交流電樂為220 V，輸出頻率為15～25 kHz，輸出功率為50 W左右。文中首先討論該驅動電源系統的總體設計，然后分別從硬件電路設計和軟件實現兩方面進行具體闡述，最后進行實驗測試并給出結論。

1 系統總體設計
采用的稀土超磁致伸縮換能器的最佳驅動波形為高頻正弦波，故設計的驅動電源系統結構如下圖1所示。

直流供電模塊由變壓、整流、濾波和穩壓電路組成，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DSP產生的SPWM波進行功率放大，使其產生指定功率的交流方波；而DSP信號電路產生相應頻率的SPWM波，經光耦合電路與功率電路進行電氣隔離后，再通過驅動電路使高頻逆變電路的功率開關管正常工作；匹配濾波電路用以對SPWM波形進行濾波，將SPWM波形轉換為正弦波，同時完成阻抗匹配和調諧功能；反饋電路則對換能器的工作電流進行采樣，通過軟件可方便實現過流保護，同時根據電流值進行頻率跟蹤，軟件調整正弦波頻率，以使換能器工作在最佳狀態。