曹建軍， 張興潔， 師 柱

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司， 四川 成都 610000； 2.哈爾濱工程大學(xué)， 黑龍江 哈爾濱 150009；3.哈爾濱電機(jī)廠有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150000)

功率超聲利用換能器產(chǎn)生低頻(60 kHz以下)超聲波，聲波在物體中傳播，在固體內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)和剪切效應(yīng)，在液體內(nèi)產(chǎn)生空化效應(yīng)，從而改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，加速其發(fā)生改變，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少環(huán)境污染，廣泛應(yīng)用于清洗[1]、機(jī)械加工(研磨、拋光、孔加工等)[2-5]、焊接[6-8]、冶金(礦石粉碎、礦物分離等)、環(huán)保(廢水處理、除垢、脫硫、滅菌和材料制備等)[9-10]、醫(yī)療(治療白內(nèi)障、體外碎石)[11]以及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

功率超聲換能器按照其工作原理可分為兩類，即壓電換能器和磁致伸縮換能器。壓電陶瓷材料的導(dǎo)熱能力較差，致動性能受壓電材料居里點(diǎn)的限制[12]，連續(xù)工作性能差，功率不能做的很大，難以滿足功率超聲大功率、連續(xù)工作的需求。磁致伸縮換能器功率大、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱能力強(qiáng)、居里點(diǎn)高、性能穩(wěn)定、可連續(xù)工作，在功率超聲領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。

目前，基于模擬元器件的超聲換能器驅(qū)動電路逐漸被淘汰，集成度高、功能強(qiáng)、受環(huán)境影響小、性能穩(wěn)定的數(shù)字式驅(qū)動電路成為主流，出現(xiàn)了DSP、單片機(jī)或FPGA為核心控制單元的數(shù)字式驅(qū)動電路，其中，DSP驅(qū)動電路精度高、集成度高、存儲空間大、效率高、可靠性高、價(jià)格適中，具有明顯優(yōu)勢。

1 磁致伸縮換能器等效電路

換能器等效電路如圖1所示，R0是由于鐵芯的渦流損失和磁滯損失導(dǎo)致的渦流損耗電阻和磁滯損耗電阻，L0是不考慮損耗電阻換能器線圈的電感，Ld是分布電感，Cd是分布電容，Rd是動態(tài)電阻。R0遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它2個(gè)支路的等效阻抗,計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)。

當(dāng)換能器處于諧振狀態(tài),

(1)

(2)

此時(shí)，超聲波電源輸出功率為

P=U0I0cosφ

(3)

換能器的輸出電壓與電流存在相位差，可串聯(lián)合適的電容對相位進(jìn)行補(bǔ)償，使換能器工作在純電阻性狀態(tài)。串聯(lián)電容的值可由公式(4)確定

(4)

此時(shí)，電路的阻抗模

(5)

相位補(bǔ)償后的等效電路如圖2所示。

圖1 磁致伸縮換能器等效電路 圖2 補(bǔ)償后的換能器等效電路

2 超聲換能器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

超聲換能器驅(qū)動電路主要由高壓直流電源電路(+412 V)、DSP電源電路、功率放大電路、輔助電路等組成部分。高壓直流電源電路和DSP電源電路如圖3和圖4所示。

圖3 高壓直流電源電路

圖4 DSP電源電路

高壓直流電源產(chǎn)生+412 V的直流電，給功率放大電路提供電源如圖5所示，全橋逆變電路采用自動相位控制方式， DSP發(fā)出指令控制功率驅(qū)動器IR2113S，控制信號為方波信號，頻率與換能器正常工作所需基頻頻率一致，占空比為50%；IR2113S驅(qū)動Q1、Q2、Q3、Q4(IGBT，GP50B60)，從而將高壓直流電源電路提供的+412 V高壓直流電轉(zhuǎn)換成與DSP控制指令同頻率(12 kHz)的交流信號驅(qū)動換能器工作 。

功率放大電路由兩個(gè)橋臂組成，兩個(gè)橋臂不會同時(shí)導(dǎo)通，存在180°相位差。每個(gè)橋臂由兩個(gè)IGBT構(gòu)成，這兩個(gè)IGBT成180°相位差互補(bǔ)導(dǎo)通。工作時(shí)，正半周：Q1和Q4導(dǎo)通，Q3和Q2截止，電流由+412 V的直流電源正極經(jīng)Q1、換能器匹配電路、Q4到電源負(fù)極；負(fù)半周：Q3和Q2導(dǎo)通，Q1和Q4截止，電流由+412 V的直流電源正極經(jīng)Q3、換能器匹配電路、Q2到電源負(fù)極。逆變電路必須保證正半軸時(shí)Q1和Q4導(dǎo)通、Q3和Q2截止，負(fù)半周時(shí)Q3和Q2導(dǎo)通、Q1和Q4截止。若Q1、Q3或Q2、Q4同時(shí)導(dǎo)通，則會產(chǎn)生短路，導(dǎo)致IGBT損毀。IR2113S 可對兩個(gè)輸入信號之間產(chǎn)生合適的延時(shí)，保證加到同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的驅(qū)動信號之間有一定互鎖時(shí)間間隔，避免兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通并發(fā)生短路。

圖5 功率放大電路

換能器輔助電路如圖6所示，DSP發(fā)出控制信號(與全橋電路的控制信號和Q7的控制信號頻率相同)經(jīng)光耦6N137傳給驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動器IR2102S驅(qū)動半橋逆變電路，將主電源提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成方波信號，方波信號經(jīng)過濾波，轉(zhuǎn)換為正弦信號，正弦信號經(jīng)半波整流電路(D10)進(jìn)行整流后經(jīng)高頻變壓器(H1)提供給換能器電路。通過控制Q7的導(dǎo)通與截至實(shí)現(xiàn)充放電，正半周時(shí)，DSP輸出高電平，光耦4N35導(dǎo)通，管腳6(發(fā)射極)接通+12 V電壓，驅(qū)動?xùn)艠O驅(qū)動器IR4428S工作， IR4428S經(jīng)管腳7(OUTA)控制Q7導(dǎo)通，逆變電路產(chǎn)生的電信號對BL1充電；負(fù)半周時(shí)，DSP輸出低電平時(shí)，4N35截至，Q7截至，逆變電路對換能器不起作用。

圖6 換能器輔助電路

3 結(jié) 語

本文對磁致伸縮換能器等效電路進(jìn)行分析、對換能器輸出電壓與電流的相位差進(jìn)行補(bǔ)償，并給出了相位補(bǔ)償后的等效電路，求出了換能器的諧振頻率。完成了基于DSP的換能器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)、包括高壓直流電源電路(+412 V)、DSP電源電路、功率放大電路、輔助電路等，對電路的工作原理進(jìn)行研究，分析了電路的工作過程，對設(shè)計(jì)的換能器驅(qū)動電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明，驅(qū)動電路可24 h連續(xù)工作且工作可靠、效率高，能夠滿足振動時(shí)效等場合的應(yīng)用。