褚明學(xué)　榮憲偉

摘 要：文章針對(duì)磁致伸縮換能器和工業(yè)管道結(jié)垢的特點(diǎn)，研制了磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。文章提出的系統(tǒng)由電源電路、STM32信號(hào)發(fā)生電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路及逆變電路組成。磁致伸縮換能器和文章設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路組成的系統(tǒng)在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，取得了良好的除垢效果。

關(guān)鍵詞：PWM；IGBT驅(qū)動(dòng)；半橋逆變

1 磁致伸縮換能器的應(yīng)用背景

磁致伸縮換能器是由磁致伸縮材料及線圈組成的。磁致伸縮材料是一種新型功能材料，具有比壓電材料高數(shù)十至數(shù)百倍的磁致伸縮應(yīng)變值，并且有輸出功率大、微秒量級(jí)響應(yīng)速度、工作頻帶寬等優(yōu)異特性，因而廣泛地應(yīng)用于電子機(jī)械、辦公自動(dòng)化裝置、儀器儀表、減振降噪系統(tǒng)等領(lǐng)域。

用磁致伸縮材料制成的換能器具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率，在靜磁場(chǎng)下，磁致伸縮材料的飽和磁致伸縮應(yīng)變是鎳的30倍或PZT（壓電換能器）的3-5倍，在諧振的情況下，比靜態(tài)應(yīng)變還要高出數(shù)倍；（2）具有非常快的響應(yīng)速度，磁致伸縮材料響應(yīng)時(shí)間小于1μs，器件的響應(yīng)時(shí)間主要取決于驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的頻率，約為10μs左右；（3）具有性能穩(wěn)定特性，一般說(shuō)來(lái)磁致伸縮材料的居里溫度較高，不會(huì)出現(xiàn)高溫極化現(xiàn)象，而且使用磁致伸縮材料制作的換能器可以在較低電壓下工作，不容易出現(xiàn)PZT換能器的高壓擊穿故障；（4）具有寬頻帶響應(yīng)特性，工作頻率范圍可以從幾十赫茲到幾十千赫茲。

由于磁致伸縮換能器具有以上特點(diǎn)，因此在工業(yè)管道除垢領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在國(guó)外磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)電路比較成熟，特別是俄羅斯、日本及歐美已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)除垢領(lǐng)域，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)電路主要存在功率小，頻率固定不可調(diào)等問(wèn)題。文章設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路解決了功率小，頻率不可調(diào)等問(wèn)題，與磁致伸縮換能器組成了工業(yè)管道除垢裝置具有無(wú)污染、不需要拆卸、操作方便簡(jiǎn)單、可在線工作等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 磁致伸縮換能器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32信號(hào)產(chǎn)生電路

文章驅(qū)動(dòng)IGBT（絕緣柵型晶體管，Insulated Gate Bipolar Transistor）的信號(hào)是由STM32f103zet6來(lái)完成的，STM32f103zet6是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款32位單片機(jī)，該芯片具有精度高，成本低廉，功耗小，性價(jià)比高，可以高達(dá)512K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，A/D轉(zhuǎn)換速度更快更精確等優(yōu)點(diǎn)。它具有72MHz的高速處理能力，7個(gè)DMA控制器，2個(gè)12位ADC，多達(dá)16路的PWM（脈寬調(diào)制，Pulse-Width Modulation ）輸出等功能，文章使用它產(chǎn)生兩路互補(bǔ)帶死區(qū)的PWM信號(hào)，并且通過(guò)按鍵可以改變PWM信號(hào)的頻率（頻率在5k-30k），數(shù)碼管的作用是顯示當(dāng)前的頻率。

2.2 IGBT的驅(qū)動(dòng)

文章使用IGBT作為換能器驅(qū)動(dòng)電路的功率元件，是因?yàn)槠渚哂心透邏杭按箅娏魈匦?，高輸出功率滿足了換能器對(duì)大能量的要求。因?yàn)镮GBT大多數(shù)情況下應(yīng)用于高壓、大功率場(chǎng)所，所以整個(gè)控制電路與驅(qū)動(dòng)電路在電位上需要完全隔離。隔離的方法一般有兩種。第一種是采用光電耦合器進(jìn)行隔離。優(yōu)點(diǎn)是：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、輸出脈寬不受限制，缺點(diǎn)是：共模干擾抑制差、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、不適用于高頻情況下，并且輔助電源需要相互獨(dú)立隔離。第二種是采用變壓器進(jìn)行隔離。優(yōu)點(diǎn)是：響應(yīng)時(shí)間短，具有較好的共模干擾抑制效果，缺點(diǎn)是：信號(hào)的傳輸會(huì)受到磁芯飽和特性的限制、制作工藝復(fù)雜。

文章設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用第二種方方法，其中Q1～Q4組成變壓器初級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，工作原理為Q1、Q4和Q2、Q3的輪流導(dǎo)通，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)加至變壓器T1的初級(jí)，變壓器的次級(jí)通過(guò)電阻R1、并聯(lián)的二極管與IGBT的柵極相連，R1、R2的作用有兩個(gè)：（1）防止IGBT柵極開(kāi)路。（2）提供充放電回路。為了提高IGBT的開(kāi)關(guān)速度，在R1上并聯(lián)了加速二極管。過(guò)高的柵射電壓可能導(dǎo)致?lián)舸〇艠O，因此在柵極端加了穩(wěn)壓管VS1、VS2，目的是限制加在IGBT柵極電壓。

2.3 IGBT半橋逆變

因?yàn)榇胖律炜s換能器中的高頻線圈需要通交流電，所以文章需要將直流電轉(zhuǎn)換成交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)換能器。文章采用了IGBT半橋逆變，與IGBT全橋逆變相比具有電路簡(jiǎn)單，成本低優(yōu)點(diǎn)。電路的工作過(guò)程大體可分為三個(gè)階段：第一階段：IGBT-1導(dǎo)通，IGBT-2關(guān)斷，此時(shí)線圈兩端的電壓為母線電壓的一半，電流方向由A到B。第二極端：IGBT-1關(guān)斷，IGBT-2關(guān)斷，此時(shí)沒(méi)有電流。第三階段：IGBT-2關(guān)斷，IGBT-2導(dǎo)通，此時(shí)線圈兩端的電壓基本上也為母線電壓的一半，電流方向由B到A，通過(guò)三個(gè)階段的工作把直流電轉(zhuǎn)換為交流電。為了滿足加載負(fù)載上的流過(guò)的正向電流和反向電流一樣，選擇電容C1，C2時(shí)量滿足C1=C2。

圖1是流過(guò)負(fù)載L1的仿真波形圖。從圖中可知電流的峰值大約為0.48A，其中直流電壓VCC為200伏、C1和C2的值為220μF，L1為100Mh，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為10K。

2.4 電源

文章所需要的電源有：STM32工作所需的3.3V直流電源，驅(qū)動(dòng)IGBT所需的30V直流電源和半橋逆變所需的200V直流電源。3.3V直流電、30V直流電及200V直流電都要經(jīng)過(guò)變壓器變壓，全橋整流和LC濾波。圖2是產(chǎn)生直流200V的電路圖。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于工業(yè)管道中的磁致伸縮換能器的電路設(shè)計(jì)，輸入電壓為交流220V，功率100W，該裝置具有輸出功率大、驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻帶寬、適應(yīng)性好（頻率可調(diào)）等特點(diǎn)。由該驅(qū)動(dòng)電路和磁致伸縮換能器組成的工業(yè)管道中除垢裝置，取得了良好的除垢效果。

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