基于TMS320F2812的超磁致伸缩换能器驱动电源设计

3 系统软件设计

系统软件设计主要用于产生控制波形SPWM信号，同时软件实现过流保护和频率跟踪。

3．1 过流保护和频率跟踪

系统的过流保护功能是通过DSP软件控制实现的，当采样换能器的工作电流大于规定的额定电流时，停止DSP事件管理器的SPWM信号输出以达到保护系统的功能。频率跟踪可转换为搜索工作电流的最大值，最终将换能器的工作点设定在电流最大处，原因是谐振状态下换能器阻抗最小，回路电流最大。如果换能器的谐振频率发生偏移，电流将因系统失谐而减小，电流搜索程序流程图如图6所示。


3．2 SPWM波形的生成

SPWM波主要用于控制逆变桥各功率场效应管的开关状态，通过调节SPWM波可改变逆变电路输出电压的频率和幅值。通过分析SPWM波原理，其波形生成算法采用具有较高精度且计算量适中的直接面积等效法，而其调制方法采用优化的混合脉宽调制方式。混合脉宽调制方式是单极性脉宽调制方式的一种变形，是为了达到较理想的正弦输出波形，同时又希望减小开关损耗，且工作方式基本对称。与一般的单相单极性SPWM调制方式不同的是，它并不是固定其中一个桥臂为高频臂，另一个桥臂为低频臂，而是每半个调制波周期切换一次，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，后半个周期工作在高频。这种调制方式使每个桥臂轮流工作在高频状态下，使功率管工作得到均衡，增强了可靠性。针对半桥型逆变电路，其控制波形如图7所示。

程序中，使用查表法生成所需的SPWM脉宽数据表，其根据不同的调制度和正弦调制信号的角频率，离线计算出各开关器件的通断时刻，运行时查表读出需要的数据，从而进行实时控制。SPWM波输出程序流程图如图8所示。


4 实验测试与分析

试验中，首先测试DSP输出的控制信号SPWM波形，如图9(a)所示。示波器的两个通道同时显示了半桥型逆变器两个开关管的控制信号，与设计波形一致。再次测量换能器两端的工作电压波形，如图9(b)所示。在此设定的频率为20 kHz，从示波器中可清楚看到为20 kHz的高频正弦波，故其输出波形的稳定度高，失真度小。

在驱动电源效率测试环节中，在电阻特性(匹配网络后的换能器整体阻抗表现为纯电阻)下，电源效率在75％以上，利用率较高，同时频率跟踪网络始终使换能器工作在电流最大状态。

5 结论

文中基于DSP芯片TMS320F2812设计了一种驱动稀土超磁致伸缩换能器的逆变电源系统，其中结合混合脉宽调制方法实现SPWM波形，并对逆变电路、隔离驱动电路、滤波匹配电路和反馈电路等进行了合理而有效的设计，保证了驱动电源对超磁致伸缩换能器的驱动效能，同时采用电流控制频率的方法进行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，具有一定的工程应用前景。