磁致伸缩换能器驱动电路设计

2016-05-14褚明学荣宪伟

科技创新与应用 2016年9期

褚明学　荣宪伟

摘要：文章针对磁致伸缩换能器和工业管道结垢的特点，研制了磁致伸缩换能器驱动电路设计。文章提出的系统由电源电路、STM32信号发生电路、IGBT驱动电路及逆变电路组成。磁致伸缩换能器和文章设计的驱动电路组成的系统在实际工业现场中，取得了良好的除垢效果。

关键词：PWM；IGBT驱动；半桥逆变

1 磁致伸缩换能器的应用背景

磁致伸缩换能器是由磁致伸缩材料及线圈组成的。磁致伸缩材料是一种新型功能材料，具有比压电材料高数十至数百倍的磁致伸缩应变值，并且有输出功率大、微秒量级响应速度、工作频带宽等优异特性，因而广泛地应用于电子机械、办公自动化装置、仪器仪表、减振降噪系统等领域。

用磁致伸缩材料制成的换能器具有以下优点：（1）具有较高的能量转化效率，在静磁场下，磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩应变是镍的30倍或PZT（压电换能器）的3-5倍，在谐振的情况下，比静态应变还要高出数倍；（2）具有非常快的响应速度，磁致伸缩材料响应时间小于1μs，器件的响应时间主要取决于驱动电路信号的频率，约为10μs左右；（3）具有性能稳定特性，一般说来磁致伸缩材料的居里温度较高，不会出现高温极化现象，而且使用磁致伸缩材料制作的换能器可以在较低电压下工作，不容易出现PZT换能器的高压击穿故障；（4）具有宽频带响应特性，工作频率范围可以从几十赫兹到几十千赫兹。

由于磁致伸缩换能器具有以上特点，因此在工业管道除垢领域得到了广泛应用。在国外磁致伸缩换能器驱动电路比较成熟，特别是俄罗斯、日本及欧美已经广泛应用于工业除垢领域，现阶段国内磁致伸缩换能器驱动电路主要存在功率小，频率固定不可调等问题。文章设计的驱动电路解决了功率小，频率不可调等问题，与磁致伸缩换能器组成了工业管道除垢装置具有无污染、不需要拆卸、操作方便简单、可在线工作等优点，具有广泛的应用前景。

2 磁致伸缩换能器的驱动电路设计

2.1 STM32信号产生电路

文章驱动IGBT（绝缘栅型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor）的信号是由STM32f103zet6来完成的，STM32f103zet6是意法半导体公司生产的一款32位单片机，该芯片具有精度高，成本低廉，功耗小，性价比高，可以高达512K的数据存储能力，A/D转换速度更快更精确等优点。它具有72MHz的高速处理能力，7个DMA控制器，2个12位ADC，多达16路的PWM（脉宽调制，Pulse-Width Modulation ）输出等功能，文章使用它产生两路互补带死区的PWM信号，并且通过按键可以改变PWM信号的频率（频率在5k-30k），数码管的作用是显示当前的频率。

2.2 IGBT的驱动

文章使用IGBT作为换能器驱动电路的功率元件，是因为其具有耐高压及大电流特性，高输出功率满足了换能器对大能量的要求。因为IGBT大多数情况下应用于高压、大功率场所，所以整个控制电路与驱动电路在电位上需要完全隔离。隔离的方法一般有两种。第一种是采用光电耦合器进行隔离。优点是：体积小、结构简单、应用方便、输出脉宽不受限制，缺点是：共模干扰抑制差、响应时间较长、不适用于高频情况下，并且辅助电源需要相互独立隔离。第二种是采用变压器进行隔离。优点是：响应时间短，具有较好的共模干扰抑制效果，缺点是：信号的传输会受到磁芯饱和特性的限制、制作工艺复杂。

文章设计的IGBT驱动电路采用第二种方方法，其中Q1～Q4组成变压器初级驱动电路，工作原理为Q1、Q4和Q2、Q3的轮流导通，将驱动信号加至变压器T1的初级，变压器的次级通过电阻R1、并联的二极管与IGBT的栅极相连，R1、R2的作用有两个：（1）防止IGBT栅极开路。（2）提供充放电回路。为了提高IGBT的开关速度，在R1上并联了加速二极管。过高的栅射电压可能导致击穿栅极，因此在栅极端加了稳压管VS1、VS2，目的是限制加在IGBT栅极电压。

2.3 IGBT半桥逆变

因为磁致伸缩换能器中的高频线圈需要通交流电，所以文章需要将直流电转换成交流电来驱动换能器。文章采用了IGBT半桥逆变，与IGBT全桥逆变相比具有电路简单，成本低优点。电路的工作过程大体可分为三个阶段：第一阶段：IGBT-1导通，IGBT-2关断，此时线圈两端的电压为母线电压的一半，电流方向由A到B。第二极端：IGBT-1关断，IGBT-2关断，此时没有电流。第三阶段：IGBT-2关断，IGBT-2导通，此时线圈两端的电压基本上也为母线电压的一半，电流方向由B到A，通过三个阶段的工作把直流电转换为交流电。为了满足加载负载上的流过的正向电流和反向电流一样，选择电容C1，C2时量满足C1=C2。

图1是流过负载L1的仿真波形图。从图中可知电流的峰值大约为0.48A，其中直流电压VCC为200伏、C1和C2的值为220μF，L1为100Mh，驱动信号的频率为10K。

2.4 电源

文章所需要的电源有：STM32工作所需的3.3V直流电源，驱动IGBT所需的30V直流电源和半桥逆变所需的200V直流电源。3.3V直流电、30V直流电及200V直流电都要经过变压器变压，全桥整流和LC滤波。图2是产生直流200V的电路图。

3 结束语

文章实现了应用于工业管道中的磁致伸缩换能器的电路设计，输入电压为交流220V，功率100W，该装置具有输出功率大、驱动信号频带宽、适应性好（频率可调）等特点。由该驱动电路和磁致伸缩换能器组成的工业管道中除垢装置，取得了良好的除垢效果。

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