超声磁致伸缩换能器驱动电源的研究

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超声磁致伸缩换能器是利用超磁致伸缩材料将电磁能转化为机械振动的一种机械装置。它具有结构紧凑、能量密度高、输出功率大的特点,在工业、生物医学和军事防御等行业有很好的应用前景。然而相对于国外,我国在超声磁致伸缩换能器的研究方面还属于刚刚起步的阶段。因此,研制新型的超声磁致伸缩换能器驱动电源,对于超声磁致伸缩换能器的广泛应用具有重要的现实意义。  根据超声磁致伸缩换能器的结构,应用四端网络法对超声磁致伸缩换能器进行结构分析。根据机-电类比的方法分析了磁致伸缩棒的等效电路,之后加上换能器的前端盖、后盖及磁致伸缩棒外围缠绕的线圈的阻抗,构成超声磁致伸缩换能器总体的等效电路图,分析得超声磁致伸缩换能器是一个感性负载。对超声磁致伸缩换能器驱动电源的硬件部分进行了设计,硬件部分主要分为整流滤波电路、全桥逆变电路及辅助电源、保护电路。其中整流采用单相桥式整流桥,滤波部分采用铝电解电容并联的方式滤波。逆变部分根据超声磁致伸缩换能器为感性负载,通过对串联谐振逆变与并联谐振逆变的分析,初步确定驱动电源采用串联谐振逆变方式。辅助电源选择上海嘉尚公司的JS158,对电源进行了保护电路的设计。  根据超声磁致伸缩换能器的等效电路,本文对超声磁致伸缩换能器进行了静态的串联与并联电路匹配进行分析,得出匹配方式采用串联谐振。在静态匹配分析的基础上,对超声磁致伸缩换能器与电源的动态调谐匹配电路进行分析,提出了耦合振荡理论,通过对耦合震荡模型的分析,得到动态匹配时换能器效率与工作频率的关系,从而确定换能器效率最高时的工作频率。最后对基于DSPTMS320F2812的驱动电源进行了系统设计,利用2812的PWM模块实现驱动电源的逆变控制。又利用数字锁相环达到频率跟踪的目的。稳态时,系统为单纯的DPLL锁相,动态时,则改变匹配电容,搜索出最大电流,使得超声磁致伸缩换能器一直保持工作在最佳频率,并给出程序流程图。还对电源进行了仿真分析与实验波形分析,证实了本文所设计的超声磁致伸缩换能器驱动电源的可行性,具有实际的应用价值。
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