一種稀土超磁致伸縮換能器驅動電源的製作方法
2023-05-21 02:47:26 2
專利名稱：一種稀土超磁致伸縮換能器驅動電源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種換能器的驅動電源，特別是一種稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，該電源用於驅動超聲波頻率範圍內的稀土超磁致伸縮換能器。
背景技術：
目前，市場中出現的換能器主要有壓電換能器和磁致伸縮換能器。近年發現並興起的稀土超磁致伸縮材料，被人們普遍認為是製作低頻、大功率、大深度換能器的理想功能材料，但是與之對應的智能化驅動系統的發展相對緩慢，即超磁致伸縮換能器驅動電源。超磁致伸縮換能器驅動電源主要採用逆變電源，傳統的逆變電源採用模擬控制技術，該方法控制結構比較成熟，但是因採用大量的分散元件和電路板，導致硬體成本偏高， 系統的可靠性下降，且電源的電能利用率低，而且受開關管開關速度的限制，電源的頻率也比較低，一般在20KHz以下。故數位化的逆變電源迅速發展起來，其控制電路結構簡潔緊湊，一旦改變了控制方法，只需修改程序即可，無需變動硬體電路，大大縮短了設計研製周期，且易於採用先進的控制方法和智能控制策略，但傳統的單片機存在速度慢、精度低的缺點，當在超聲波頻率範圍內時，其控制精度不足。由於模擬電路與單片機在控制的速度與精度上存在缺陷，數位化、小型化的超磁致伸縮換能器驅動電源的設計開發勢在必行。
發明內容針對上述現有的超磁致伸縮換能器驅動電源存在的缺陷或不足，本實用新型的目的在於，提供一種基於TMS320F2812的稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，其能夠提供超聲波頻率範圍內的驅動能力，且輸出頻率穩定、能量轉換效率高，可軟體調頻等。為了達到以上目的，本實用新型採用如下的技術解決方案一種稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，其特徵在於，至少包括直流供電模塊、高頻逆變電路、DSP信號發生電路、隔離電路、驅動電路、匹配濾波電路和反饋電路，其中，所述直流供電模塊的輸出端連接所述高頻逆變電路，所述DSP信號產生電路通過所述隔離電路連接所述驅動電路，所述驅動電路的輸出端連接所述高頻逆變電路，高頻逆變電路的輸出端連接所述匹配濾波電路的輸入端，所述反饋電路的輸出端連接所述DSP信號產生電路的輸入端。本實用新型具有以下優點1.系統控制晶片為DSP，採用TMS320F2812，處理速度快，主頻150MHz，時鐘周期 6. 67ns，廣泛應用於工業控制領域。控制晶片的片內外設資源中的事件管理器模塊，可以方便的產生所需的SPWM波形。每個事件管理器中有PWM波形產生器和可編程的死區產生器， 最多可以同時產生八路PWM輸出波形，並同時提供可屏蔽的外部供電和驅動保護中斷。2.在SPWM信號的調製方法中，使用混合脈寬調製，其有效的減少了諧波係數和開關損耗，並且兩橋臂輪流工作在高頻和低頻狀態，使橋臂的功率管得到均衡，提高了穩定性。3.隔離電路、驅動電路分別使用了 6附37和EL7104，在保護了 DSP主控晶片的同時，完成了高頻逆變電路的有效驅動。其中，當MOS門器件作為上橋臂功率管時，必須採用懸浮驅動電路進行柵極的驅動，而且對隔離驅動電路的時間特性要求較高。4.輸出波形頻率穩定，且可以進行軟體調頻，轉換效率高，體積小。本實用新型用於超聲波頻率範圍內(也可用於較低頻率)的換能器驅動，可進行軟體調頻，輸出頻率穩定，能量轉化效率高，使換能器能夠廣泛應用到水聲、超聲和主動振動控制等領域。
圖1為本實用新型的驅動電源的功能模塊方框圖。圖2為本實用新型的驅動電源系統電路框圖。圖3為直流供電模塊電路圖。圖4為高頻逆變電路圖。圖5為反饋電路圖。其中，(a)為電流檢測電路圖，(b)為頻率檢測電路圖。圖6為SP麗主程序流程圖。 圖7為中斷服務程序流程圖。圖8為脈寬開關數據表生成流程圖。圖9為按鍵掃描與顯示程序流程圖。圖10為20KHz時的SPWM波形及其正弦波，其中，(a)為20KHz時的SPWM波形， (b)為20KHz正弦波輸出。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的解釋說明。
具體實施方式
如圖1、圖2所示，超磁致伸縮換能器驅動電源實質是一個功率信號發生器，具體由以下模塊組成直流供電模塊(AC/DC電路)用以為各電路提供工作電壓，為高頻逆變電路提供直流工作電壓。直流供電模塊由變壓模塊、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成。變壓模塊的輸出端連接到整流電路，整流電路的輸出端連接濾波電路，濾波電路的輸出端連接穩壓電路，穩壓電路輸出端連接高頻逆變電路。變壓模塊用以將電網電壓進行電壓轉換，使變壓器次級電壓的有效值與所需直流電壓接近，以便後續電路處理；整流電路用以通過單向導電性能的整流元件將交流電變換成單向脈動的直流電供高頻逆變電路工作；濾波電路用以將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，使輸出電壓成為有紋波的直流電壓。濾波電路由電感電容等儲能元件組成；穩壓電路用以使輸出的直流電壓在電網電壓或負載電流發生變化時保持穩定。高頻逆變電路用以實現DC/AC轉換，將AC/DC電路提供的直流電轉化為所需的高頻交流電。[0030]DSP信號發生電路用以產生SPWM波，以使逆變濾波後形成正弦波輸出。DSP信號發生電路包括DSP主控晶片，還包括顯示電路和按鍵電路。按鍵電路用以選擇頻率大小，顯示電路用以顯示頻率。SPWM波形控制信號、顯示信號和按鍵信號這三種信號的控制都通過 DSP信號發生電路完成；隔離電路用以隔離DSP信號發生電路和驅動電路，以保護DSP主控晶片。驅動電路用以對SPWM波進行功率放大，以使其產生所需功率的交流方波，從而驅動高頻逆變電路中的功率開關管。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；用以進行超磁致伸縮換能器的匹配，使超磁致伸縮換能器將電信號轉化為機械振動。匹配濾波電路完成阻抗匹配和調諧匹配，以使超磁致伸縮換能器工作在最佳狀態。反饋電路用以對DSP信號發生電路所產生的信號進行功率反饋和頻率反饋，以使驅動電源跟隨超磁致伸縮換能器，使超磁致伸縮換能器保持最佳工作狀態。其中，直流供電模塊的輸出端連接高頻逆變電路，DSP信號產生電路通過隔離電路連接驅動電路，驅動電路的輸出端連接高頻逆變電路，高頻逆變電路的輸出端連接匹配濾波電路的輸入端，反饋電路的輸出端連接DSP信號產生電路的輸入端。匹配濾波電路的輸出端連接超磁致伸縮換能器，超磁致伸縮換能器通過反饋電路連接DSP信號產生電路的輸入端。超磁致伸縮換能器帶動負載工作。具體電路的實現如圖3所示，直流供電模塊由變壓模塊、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成。變壓模塊採用220V-18V的變壓器，整流電路採用單相整流電路(使用4個IN4007 二極體)，濾波電路採用電容濾波電路(使用2000uf的電解電容)，穩壓電路使用W7800系列的集成穩壓器7805/7812或者集成開關穩壓器CW4962。因為電路供電需要雙向電壓，所以直流供電電路設計為正負雙向電源。如圖4所示，高頻逆變電路選用半橋型電路，能夠減少開關管及其相對應的隔離與驅動電路，且所使用的混合脈寬調製方法也可以用半橋實現。使用的功率管是IRF820A， 其最大電壓值是500V，最大電流值是2. 5A，功耗是50W，上升延遲時間8. Ins,上升時間 12ns，下降延遲時間16ns，下降時間13ns，導通電阻為3。DSP信號發生電路採用TI公司的TMS320F2812，處理速度快，主頻150MHz，時鐘周期6. 67ns，廣泛應用於工業控制，特別是應用於處理速度、處理精度方面要求較高的領域。 控制晶片的片內外設資源中的事件管理器模塊，可方便的產生所需的SPWM波形。每個事件管理器中有PWM波形產生器和可編程的死區產生器，最多可以同時產生八路PWM輸出波形， 並同時提供可屏蔽的外部供電和驅動保護中斷。隔離電路採用高速光耦6N137，需要注意的是，在6N137光耦合器的電源管腳旁應有一個0. IuF的去耦電容。在選擇類型時，應儘量選擇高頻特性好的電容，在此選擇鉭電容，且儘量靠近6N137的管腳；另外，輸入使能管腳在晶片內部已有上拉電阻，無需再外接上拉電阻。6W37光耦合器的第六腳輸出電路屬於集電極開路電路，必須上拉一個電阻，在此選擇IK歐的電阻；6附37光耦合器的輸入2引腳和3引腳之間是一個LED，需串接一個限流電阻，但DSP輸出電流只有4mA，故可省略。驅動電路選用EL7104，EL7104是一款高速的單通道功率場效應管驅動晶片，其中比較重要的參數是其上升時間(Tr)、下降時間(Tf )、上升延遲時間(Td-on)和下降延遲時間(Td-off)。而 EL7104 的 Tr=IOns, Tf=IOns, Td_on=18ns，Td_ofT=18ns，完全可以滿足超聲波頻率範圍內的應用。匹配濾波電路採用的是LC 二階濾波電路，根據所選用的超磁致伸縮換能器的自身匹配特點，選用不同參數的LC濾波電路。如圖5所示，反饋電路對輸出的波形進行功率的檢測與頻率的檢測，反饋到DSP主控晶片的相應引腳。其中，功率的檢測主要體現在對電流大小的檢測，在此輸出端連接霍爾電流傳感器ACS706ELC-20A，並連接到集成晶片0P07搭建的零點升壓電路，然後連接到DSP 的A/D埠完成電流大小的採集。ACS706ELC-20A的靈敏度典型值為100mV/A，輸入最大電流為20A的動態電流檢測範圍，50KHz帶寬，可滿足實用的要求。頻率檢測將輸出端連接到 0P07集成運算放大器構成的過零限幅比較器，再連接到DSP晶片的I/O埠中進行相應高低電平的計數，即可完成頻率檢測功能。對於使用的SPWM波形的產生，其波形生成使用等面積法，調製為混合脈寬調製， 其主程序流程圖如圖6所示，SPWM主程序完成DSP的初始化工作，對各個應用的寄存器進行相關設置，以使DSP能夠按要求進行正常的工作。中斷服務程序根據定時器的周期中斷，每次調用新的脈寬數據，然後與最小刪除脈衝進行比較，小於最小脈衝寬度(或大於最大脈衝寬度)的脈衝置零(或置載波周期)，其流程如圖7所示。脈衝開關數據表是根據等面積法生成的，其實現流程如圖8所示。按鍵掃描與顯示程序用以改變輸出的正弦波頻率，更新脈寬數據表，並相應的進行顯示，其流程如圖9所示。依照上述的設計流程，即可實現稀土超磁致伸縮換能器驅動電源的設計。圖10 是實驗過程中所實現的20KHz的SPWMA波形，以及最後電路驅動超磁致伸縮換能器的驅動波形(20KHz的正弦波)。
權利要求1.一種稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，其特徵在於，至少包括直流供電模塊、高頻逆變電路、DSP信號發生電路、隔離電路、驅動電路、匹配濾波電路和反饋電路，其中，所述直流供電模塊的輸出端連接所述高頻逆變電路，所述DSP信號產生電路通過所述隔離電路連接所述驅動電路，所述驅動電路的輸出端連接所述高頻逆變電路，高頻逆變電路的輸出端連接所述匹配濾波電路的輸入端，所述反饋電路的輸出端連接所述DSP信號產生電路的輸入端。
2.如權利要求1所述的稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，其特徵在於，DSP信號發生電路包括DSP主控晶片，還包括顯示電路和按鍵電路。
3.如權利要求1所述的稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，其特徵在於，所述直流供電模塊包括變壓模塊、整流電路、濾波電路和穩壓電路，變壓模塊採用220V-18V的變壓器，整流電路採用單相整流電路，濾波電路採用電容濾波電路，穩壓電路使用W7800系列的集成穩壓器7805/7812或集成開關穩壓器CW4962。
4.如權利要求1所述的稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，其特徵在於，所述高頻逆變電路選用半橋型電路。
5.如權利要求1所述的稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，其特徵在於，所述隔離電路採用高速光耦6N137。
6.如權利要求1所述的稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，其特徵在於，所述驅動電路選用 EL7104。
7.如權利要求1所述的稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，其特徵在於，所述匹配濾波電路採用的是LC 二階濾波電路。
專利摘要本實用新型公開了一種稀土超磁致伸縮換能器驅動電源，至少包括直流供電模塊、高頻逆變電路、DSP信號發生電路、隔離電路、驅動電路、匹配濾波電路和反饋電路，其中，直流供電模塊的輸出端連接高頻逆變電路，DSP信號產生電路通過隔離電路連接驅動電路，驅動電路的輸出端連接高頻逆變電路，高頻逆變電路的輸出端連接匹配濾波電路的輸入端，反饋電路的輸出端連接DSP信號產生電路的輸入端。本實用新型用於超聲波頻率範圍內的換能器驅動，可進行軟體調頻，輸出頻率穩定，能量轉化效率高，使換能器能夠廣泛應用到水聲、超聲和主動振動控制等領域。
文檔編號H02M5/458GK202004661SQ20112010584
公開日2011年10月5日 申請日期2011年4月12日 優先權日2011年4月12日
發明者張建陽, 徐志剛, 王松, 郗瑤穎 申請人:長安大學