基于DSP的超磁致伸缩换能器驱动电源设计

摘要：为了提高稀土超磁致伸缩换能器驱动电源的效率以及实用性，采用DSP器件TMS320F2812作为主控芯片，结合混合脉宽调制方法实现SPWM波形。采用半桥型逆变电路实现SPWM的功率放大，并对隔离驱动电路、反馈电路和滤波匹配电路进行合理而有效的设计，保证了换能器的输出效能。同时使用电流控制频率的方法实现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。
关键词：超磁致伸缩换能器；逆变电源；SPWM；DSP

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。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，用以驱动超磁敛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：输入交流电乐为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。

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。