王　宇，孔維正，靳寶全，張紅娟，王　東

(太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原　030024)

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Buck－Boost型本安超聲驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

王宇，孔維正，靳寶全，張紅娟，王東

(太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030024)

摘要:針對常規(guī)超聲設(shè)備非本質(zhì)安全問題，提出了一種基于降壓升壓(Buck－Boost)變換器輸出與多通道復(fù)用高壓切換方法相融合的本質(zhì)安全型超聲驅(qū)動系統(tǒng)。首先通過計算驅(qū)動系統(tǒng)中儲能元件的最小點(diǎn)燃能量來分析系統(tǒng)的本安性能，對Buck－Boost電路的元件參數(shù)進(jìn)行了本安化研究，再設(shè)計出滿足本安要求的供電單元、升壓單元、切換單元和控制單元的電路結(jié)構(gòu)，最后通過超聲驅(qū)動平臺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證驅(qū)動系統(tǒng)的實(shí)際效果，并與傳統(tǒng)的中頻變壓器驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行對比。結(jié)果表明，在16～36 V驅(qū)動電壓下兩種系統(tǒng)驅(qū)動效果接近，采用靈敏超聲探頭檢測兩種驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)射信號的絕對誤差可控制在4 mV以內(nèi)，由此判定Buck－Boost電路基本實(shí)現(xiàn)了超聲驅(qū)動的本質(zhì)安全要求，可對各類在危險環(huán)境下應(yīng)用的超聲波接收與發(fā)送設(shè)備提供參考。

關(guān)鍵詞:Buck－Boost;本質(zhì)安全;超聲驅(qū)動

王宇，孔維正，靳寶全，等．Buck－Boost型本安超聲驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計［J］．煤炭學(xué)報，2016，41(6):1582－1588．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0229

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超聲波具有不受光線影響、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，適用于高濕度、強(qiáng)腐蝕、多灰塵等各類特殊工業(yè)現(xiàn)場中的物位測量、機(jī)械手控制、倒車?yán)走_(dá)和機(jī)器人避障等［1－4］。煤礦井下存在較多的燃爆性氣體，電氣電子設(shè)備和煤礦開采設(shè)備必須進(jìn)行防爆設(shè)計，以滿足安全生產(chǎn)的需求［5－8］。各類超聲系統(tǒng)在礦井下工作時，由于機(jī)械能－電能轉(zhuǎn)換效率受限，驅(qū)動超聲波換能器需要提供較大的供電電壓。傳統(tǒng)方法是利用中頻變壓器進(jìn)行升壓驅(qū)動，由于中頻變壓器初級和次級線圈互感電感值很大，工作時中頻變壓器兩級電感線圈瞬間儲存很高電能［9］，其發(fā)生故障時釋放的能量會遠(yuǎn)高于環(huán)境中物質(zhì)的最小點(diǎn)燃能量，從而引燃煤礦井下的易燃易爆氣體，造成安全事故。為此，基于中頻變壓器升壓驅(qū)動的超聲波電路在礦井下使用時通常采用隔爆外殼將驅(qū)動系統(tǒng)與外界易燃易爆氣體隔離開來。

目前，本質(zhì)安全設(shè)備因其安全性最好、使用最方便而成為最佳的防爆手段［10－11］，同時可省去隔爆外殼及其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，兼有質(zhì)量輕、尺寸小、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)［12－13］。但針對超聲波應(yīng)用場合而進(jìn)行本質(zhì)安全設(shè)計與分析的設(shè)備數(shù)量極少，為此開展了基于降壓升壓(Buck－Boost)變換器的升壓技術(shù)研究，以期替代傳統(tǒng)的中頻變壓器升壓技術(shù)。

Buck－Boost變換器輸出電壓與輸入電壓極性相反，可方便地實(shí)現(xiàn)升壓輸出，被廣泛應(yīng)用于電力、通信及儀器儀表等領(lǐng)域，并受到研究人員的廣泛關(guān)注［14－15］。本文通過分析Buck－Boost變化器在電流連續(xù)模式(CCM)和電流斷續(xù)模式(DCM)下的短路釋放能量，得出變換器在驅(qū)動超聲波換能器負(fù)載時的最大短路電流，以此作為電路本質(zhì)安全判斷依據(jù)。隨后以Buck－Boost DC－DC［16］電路為基礎(chǔ)，配合高壓切換芯片，設(shè)計出一種本質(zhì)安全型超聲驅(qū)動系統(tǒng)，對于各類在危險環(huán)境下應(yīng)用的超聲波設(shè)備具有重要參考意義。

1　中頻變壓器驅(qū)動電路本安分析

圖1為隔爆超聲驅(qū)動系統(tǒng)及其電路和波形。其圖1(a)為中頻變壓器升壓型超聲驅(qū)動裝置，圖1(b)為中頻變壓器升壓驅(qū)動電路，其中，Vi為初級電路電壓;Ri為初級調(diào)理電阻;Li為中頻變壓器初級電感;Lo為中頻變壓器次級電感;Vo為電感Lo輸出電壓;R1為次級電路調(diào)理電阻;Lm，Rm，Cm為換能器T的動態(tài)支路電感、電阻、電容;Co為換能器T靜態(tài)支路電容。圖1(c)為中頻變壓器兩級電壓圖形，Vq為驅(qū)動脈沖電壓;Vt為三極管BJT集電極電壓。

圖1　隔爆型中頻變壓器超聲驅(qū)動系統(tǒng)及其電路和波形Fig.1　Flame proof ultrasonic driving system based on interme diate-frequency transformer and its circuit and waveforms

低壓驅(qū)動脈沖經(jīng)過電感Lo和電阻Ri調(diào)理后經(jīng)中頻變壓器升壓輸出高電壓送入換能器，由于中頻變壓器兩級電感線圈的非線性電感特征［17－18］，勵磁電流急劇上升時，會瞬間釋放或存儲大量電能。

電感儲能公式如下:

其中，L為電感;I為流經(jīng)電感L電流。依據(jù)圖1(b)電路，計算出中頻變壓器初級電感電流Ii和中頻變壓器次級電流Io如下:

其中，f為驅(qū)動信號頻率，由式(1)，(2)計算出中頻變壓器初級電感Li儲能Wi和中頻變壓器次級電感Lo儲能Wo為

中頻變壓器驅(qū)動電路參數(shù)如下:Vi=5 V，Ri= 1 kΩ，Li=1.5 mH，Vo=50 V，Lo=12 mH，R1=2 kΩ，f=40 kHz，Rm=200 Ω。對電路進(jìn)行本安分析應(yīng)考慮安全系數(shù) k［4］，一般 k=1.5。由此計算出:kIi= 0.008 A，kIo=0.5 A;Wi=6 μJ，Wo=1.5 mJ，電感電路最小點(diǎn)燃電流和I類(甲烷－空氣)點(diǎn)燃最小能量［4］: Imin=0.145 A，Wmin=0.28 mJ，對比可得:kIoImin，WoWmin。

由此分析計算可知中頻變壓器升壓驅(qū)動電路明顯不符合本質(zhì)安全特性要求。

2　Buck－Boost變換電路分析與設(shè)計

Buck－Boost變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路如圖2所示，其中，Ui為輸入直流電壓;S為開關(guān)管，負(fù)責(zé)整個電路的通斷;D為二極管;C，L分別為電容、電感;U0為輸出電壓;RL為負(fù)載電阻。

圖2　Buck－Boost變換電路Fig.2　Buck-Boost transforming circuit

當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時，由于二極管D的反相截止功能，電源Ui向電感L供電;當(dāng)S關(guān)斷時，電感電流iL通過二極管D正向?qū)ɡm(xù)流，向負(fù)載供電。當(dāng)S導(dǎo)通和關(guān)斷時間不同時，在L兩端電壓不同，即輸出電壓Uo與輸入電壓Ui不同。

若一個開關(guān)周期Ts結(jié)束時，流經(jīng)電感L電流iL＞0，則認(rèn)為變換器工作于電流連續(xù)模式(CCM);反之，開關(guān)周期Ts結(jié)束時iL=0，則認(rèn)為變換器工作于電流斷續(xù)模式(DCM)。Buck－Boost變換器工作于CCM 和DCM的臨界電感［19］表達(dá)式如下:

式中，DR(Duty Ratio)為開關(guān)S閉合與斷開時間比;f0為開關(guān)頻率。

2.1Buck－Boost負(fù)載換能器最大電感電流分析

由圖1(b)換能器T的等效電路可知，當(dāng)超聲波換能器不驅(qū)動時，T對外為靜態(tài)支路容性負(fù)載，T的阻抗無窮大，設(shè)換能器等效靜態(tài)阻抗為 Z0，此時Buck－Boost變換電路負(fù)載超聲波換能器T等效電路如圖3(a)所示。

當(dāng)超聲波換能器的驅(qū)動頻率等于其諧振頻率時，由圖1(b)可知，驅(qū)動時換能器T的動態(tài)支路工作，此時換能器阻抗最小，設(shè)此時換能器等效動態(tài)阻抗為Zm，Buck－Boost變換電路負(fù)載超聲波換能器T等效電路如圖3(b)所示。

依據(jù)以上分析，Buck－Boost變換電路負(fù)載換能器的阻抗變化范圍為:Zm≤ZL≤Z0。設(shè)ZLC為Buck－Boost變換電路L=LC時，變換器工作在DCM和CCM的臨界阻抗，由式(4)計算出阻抗ZLC為

圖3　非驅(qū)動狀態(tài)和驅(qū)動狀態(tài)下，負(fù)載為超聲換能器時Buck－Boost等效電路Fig.3　Buck-Boost equivalent circuit while the load is ultrasonic transducer for the case of non-driving state and driving state

設(shè)Buck－Boost變換電路輸入電壓范圍為Ui－min≤Ui≤Ui－max，而Buck－Boost變換電路負(fù)載阻抗變換范圍為Zm≤ZL≤Z0，依據(jù)式(5)可得Buck－Boost變換電路的ZL－Ui關(guān)系如圖4所示。

圖4　ZL－Ui關(guān)系曲線Fig.4　Relationship graph of ZL－Ui

由圖4可以看出:當(dāng)換能器不驅(qū)動時，負(fù)載阻抗Z0＞ZLC，Buck－Boost變換負(fù)載電路工作在DCM模式;驅(qū)動時，負(fù)載阻抗ZLC＞Zm，負(fù)載電路工作在CCM模式;因此可以知道在整個驅(qū)動前后動態(tài)變化范圍內(nèi)，流過Buck－Boost變換負(fù)載電路電感的最大電流Imax［20］如下:

其中，Ui－min為最小輸入電壓，由式(6)可以看出，最大電流Imax與輸入電壓Ui和電感L有關(guān)。當(dāng)電路輸入電壓Ui增大時，最大電流Imax減小;當(dāng)電感L增大時，最大電流Imax減小。因此通過改變輸入電壓Ui和電路電感L參數(shù)可以設(shè)計出所需Buck－Boost負(fù)載超聲波換能器電路，使其達(dá)到本質(zhì)安全的要求。

2.2Buck－Boost負(fù)載換能器儲能電感分析

由2.1節(jié)得到Buck－Boost電路負(fù)載換能器T的最大電感電流Imax，得到整個驅(qū)動前后動態(tài)范圍內(nèi)電路最大能量如下:

其中，Co為輸出電壓濾波電容。為使驅(qū)動電路達(dá)到本質(zhì)安全規(guī)則要求，驅(qū)動電路最大能量應(yīng)該小于I 類(甲烷－空氣)點(diǎn)燃最小能量Wmin，即:Wmax＜Wmin，代入式(7)有不等式:

由此計算出電感L取值范圍如下:

式(9)中參數(shù)a，b，c的表達(dá)式如下:

可以看出電路電感L取值和Co有關(guān)，在輸出電壓Uo不考慮紋波要求時Co［20］選取如下:

其中，CB為電容性電路最小點(diǎn)燃電流曲線中Imax對應(yīng)的電路最大電容［5］，由式(6)，(8)～(11)可得LCo函數(shù)曲線如圖5所示，y1為式(11)，y2為式(8)。

圖5　L－Co關(guān)系曲線Fig.5　Relationship graph of L－Co

2.3Buck－Boost電路設(shè)計

按照2.2節(jié)中電路參數(shù)計算要求，設(shè)計了基于芯片Max5025的Buck－Boost電路，如圖6所示，其中虛線框內(nèi)為芯片Max5025內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

Max5025的參數(shù)選擇為Ui－min=4.5 V，Uo=36 V。當(dāng)CB=4 μF，WK=0.28 mJ時，由式(8)可以計算電感L取值范圍為:12.7≤L≤195.4 μH。當(dāng)電感L取最小值12.7 μH時，由式(11)得到的Co最大值為3.93 μF，設(shè)計電路如圖6所示。

圖6　基于Max5025的Buck－Boost電路Fig.6　Buck-Boost circuit based on Max5025

主要器件設(shè)計參數(shù)見表1，當(dāng)選取如下參數(shù)時，所設(shè)計Buck－Boost電路負(fù)載換能器電路符合本質(zhì)安全要求。輸出電壓VOUT可調(diào)，與電阻R1，R2，R3和芯片內(nèi)部參考電壓VREF(其中VREF=1.25 V)存在如下關(guān)系:

表1　Buck－Boost變換電路設(shè)計參數(shù)Table 1　Designed parameters of Buck-Boost circuit

3　Buck－Boost本安驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)

3.1Buck－Boost驅(qū)動總電路

驅(qū)動電路如圖7所示，電路分為4個單元:供電單元、升壓單元、切換單元和控制單元。圖7中紅線為電壓流向:供電單元給控制單元和升壓單元供電，升壓單元給切換單元供電。藍(lán)線為控制流向:單片機(jī)通過引腳 P1.0，P1.1對切換單元控制，通過引腳P1.2對升壓單元控制。

(1)供電單元。

外部DC電壓驅(qū)動芯片LM7809可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)壓功能。LM7809輸出電壓經(jīng)芯片Ams117－3.3降壓后可供電給需要較小直流電壓的單片機(jī)。由于LM7809輸出電壓接近Max5025輸入電壓Vin的最大值，依據(jù)2.1節(jié)的結(jié)論可知Buck－Boost電路更容易達(dá)到本安要求。

圖7　Buck-Boost驅(qū)動超聲換能器整體電路Fig.7　Whole Buck-Boost circuit while driving the ultrasonic transducer

(2)升壓單元。

依照圖 6中 Buck－Boost電路，Max5025引腳SHDN為變換控制引腳，對 SHDN置高電平時Max5025啟動升壓轉(zhuǎn)換，反之低電平時停止轉(zhuǎn)換。

(3)切換單元。

Max14753為一種高壓型多通道復(fù)用器芯片，能夠完成低壓控制信號對高壓信號的選通，通過對輸入控制端口S0，S1施加不同電平以實(shí)現(xiàn)引腳OUTA和OUTB對相應(yīng)引腳INAx和INBx的選通。

(4)控制單元。

單片機(jī)MSP430F5438A作為控制單元，該類型單片機(jī)供電電壓低、功耗小，能夠?qū)Τ曭?qū)動的所需高頻切換信號進(jìn)行精確控制。

3.2驅(qū)動電路控制時序

具體驅(qū)動控制時序如圖8所示，TA為整個周期，TB為一個脈沖周期，TC為驅(qū)動時段。一個驅(qū)動周期開始時，單片機(jī)置P1.2=1來控制SHDN的電平，從而啟動Buck－Boost電路的升壓轉(zhuǎn)換功能。在一個脈沖周期TB的前半個驅(qū)動周期，置引腳P1.0=0和P1.1=1，引腳OUTA選擇引腳INA0，引腳OUTB選擇引腳INB0。圖7中，引腳INA0電壓值等同VOUT，引腳INB0電壓值為0，這時換能器正端連VOUT的高壓，負(fù)端接地，并持續(xù)半個脈沖時間，即 1/2×TB= 12.5 μs。

在一個脈沖周期TB的后半個驅(qū)動周期，置引腳P1.0=1和P1.1=0，引腳OUTA選擇引腳INA1，引腳OUTB選擇引腳INB1。圖7中，INA1電壓值為0，引腳INB1電壓值為VOUT。換能器正端接地，負(fù)端連接VOUT的高壓，并持續(xù)1/2×TB=12.5 μs。

經(jīng)過脈沖數(shù)量N為16個TB的周期之后，具有頻率f=40 kHz和幅值為VOUT的一串高壓驅(qū)動脈沖被送入換能器，驅(qū)動換能器發(fā)射出超聲波。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計

為驗(yàn)證驅(qū)動電路的驅(qū)動效果，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺如圖9所示，圖9(a)中，a0輸出可調(diào)直流電源;b0為中頻變壓器驅(qū)動電路板;a1為本安直流電源;b1為Buck－Boost驅(qū)動電路板;c1為滑動電阻器。

圖9　超聲驅(qū)動實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9　Experiment setup of ultrasonic driving

圖9(b)為實(shí)物，將收發(fā)一體防水型換能器作為發(fā)射換能器T，具有超聲波接收功能的靈敏探頭作為接收換能器R，T和R高度相同，正對放置在精密光學(xué)導(dǎo)軌上且水平相隔50 cm。實(shí)驗(yàn)操作過程如下:

①用單片機(jī)MSP430F5438A控制Buck－Boost升壓電路負(fù)載換能器T，采用換能器R作為接收端并使用示波器檢測R端口信號幅值VR大小。

②通過a1改變R1數(shù)值，使Buck－Boost電路輸出電壓VOUT每隔2 V輸出，并依次測量VOUT不同時所對應(yīng)換能器R端口信號幅值VR。選取了VOUT為16，26，36 V時驅(qū)動波形和相應(yīng)檢測波形VR，如圖10所示。

圖10　VOUT為16，26和36 V時驅(qū)動波形和檢測波形Fig.10　Driving waveforms and detection waveforms while VOUTis 16，26 and 36 V

③按照圖9(b)電路，用中頻變壓器升壓驅(qū)動電路負(fù)載相同換能器T，利用a0逐步改變輸入Vi，使驅(qū)動電壓Vo每隔2 V增加，測量Vo不同時對應(yīng)V'R。

④將步驟②，③重復(fù)3次并將VR與V'R取平均值，作差取絕對值得到VR與V'R的絕對誤差。

4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

VR與V'R數(shù)據(jù)對比得到圖11。由圖11分析可得到:采用Buck－Boost驅(qū)動電路和中頻變壓器升壓驅(qū)動兩種驅(qū)動方式驅(qū)動能力隨著驅(qū)動電壓的增大而增大，呈現(xiàn)良好的線性效果。同時最大輸出電壓V'R與VR的絕對差值控制在4 mV以內(nèi)，由此判定采用此種Buck－Boost驅(qū)動的驅(qū)動效果與中頻變壓器升壓驅(qū)動效果相差不大，說明采用Buck－Boost電路驅(qū)動能力良好。

圖11　兩種驅(qū)動效果對比Fig.11　Comparison results of two driving systems

5　結(jié)　　論

(1)通過對Buck－Boost電感L和輸出電壓電容的參數(shù)設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)Buck－Boost電路負(fù)載超聲波換能器的本安設(shè)計，計算分析表明Buck－Boost輸入電壓越大，電路越容易達(dá)到本安要求。

(2)Buck－Boost驅(qū)動電路可以實(shí)現(xiàn)16～36 V范圍內(nèi)對收發(fā)一體防水型超聲波換能器的有效驅(qū)動，此種驅(qū)動方法和中頻變壓器升壓驅(qū)動方法效果相近，但是Buck－Boost驅(qū)動電路可以36 V以內(nèi)達(dá)到本安要求。

(3)由于各種超聲電路最難達(dá)到本安要求的是驅(qū)動電路部分，所設(shè)計的本質(zhì)安全型超聲驅(qū)動系統(tǒng)為各種超聲設(shè)備實(shí)現(xiàn)本安要求提供了非常有利的基礎(chǔ)，使超聲波測距系統(tǒng)在煤礦等惡劣復(fù)雜環(huán)境下得到更為廣闊的應(yīng)用。

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中圖分類號:TB552

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1582－07

收稿日期:2016－02－26修回日期:2016－05－19責(zé)任編輯:許書閣

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51504161)

作者簡介:王宇(1986—)，男，山西忻州人，講師，博士。E－mail:wangyu@tyut.edu.cn。通訊作者:靳寶全(1972—)，男，山西忻州人，教授，博士。E－mail:jbq_007@163.com

The design of intrinsic safety Buck-Boost ultrasonic driving system

WANG Yu，KONG Wei-zheng，JIN Bao-quan，ZHANG Hong-juan，WANG Dong
(Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System，Ministry of Education and Shanxi Province，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract:In terms of the none intrinsic safety problem of conventional ultrasonic equipment，a novel intrinsic safety ultrasonic driving system is proposed based on the integration of Buck-Boost converter output and multiplexing high voltage switching circuit．The intrinsic safety property of the system is analyzed with the calculation of minimum ignition energy of the energy storage component of driving circuit．Also，the intrinsic safety component parameters of Buck-Boost circuit is studied．The design of the circuit structure is applied according to intrinsic safety requirements，including the power supply unit，boosting unit，switching unit and controlling unit．In addition，the ultrasonic driving experiment is carried out to verify the actual driving effect and the comparison with the conventional intermediate-frequency transformer driving system is also applied．The results show that two driving systems can achieve the similar effect while the driving voltage varies from 16 to 36 V，and the absolute voltage error is within the range of 4 mV by means of the signal detection of two driving systems with the sensitive probe．Thus，the intrinsic safety requirements can be satisfied by this novel driving system based on the Buck-Boost circuit，which is of significance to different ultrasonic equipment in dangerous environment．

Key words:Buck-Boost;intrinsic safety;ultrasonic driving