【摘 要】
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磁致伸缩换能器是利用材料的磁致伸缩效应进行能量转换的器件,被应用于低频水声换能器、液位探测、精密致动器等领域,近年来以Terfenol-D、Fe-Ga材料为致动元件的磁致伸缩换
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磁致伸缩换能器是利用材料的磁致伸缩效应进行能量转换的器件,被应用于低频水声换能器、液位探测、精密致动器等领域,近年来以Terfenol-D、Fe-Ga材料为致动元件的磁致伸缩换能器成为研究热点。受材料自身非线性、工作温度、负载变化等因素影响,换能器等效电路参数与谐振频率会发生改变,导致其输出性能和工作效率降低。换能器电源的驱动能力与换能器工作效率和输出性能密切相关,因此研究驱动电源对于推动换能器的发展与应用具有重要意义。本文以Terfenol-D换能器为研究对象,对换能器典型结构进行分析。在PWM逆变电源基础上,结合DSP芯片设计了一种具有自动阻抗匹配功能的磁致伸缩换能器驱动电源。本电源采用220V单相交流电作为输入,对外输出频率100~2000Hz、峰值连续可调的方波电压。首先,基于磁致伸缩换能器典型结构,进行了等效电路分析。利用向量法对比分析串联谐振电路与并联谐振电路工作原理,总结两种电路正常工作所需条件,并结合换能器等效电路,确定了阻抗匹配电路的基本形式。结合品质因数与选频网络带通,优化匹配流程和指导匹配电容的选取。然后,基于DSP芯片结构特点,设计了由主控芯片、电压电流信号采集电路、匹配电容、执行机构四个主要部分组成的阻抗匹配系统。在理论分析结合实验后,设计了阻抗匹配程序的工作流程,通过DSP芯片对匹配电容的控制来实现频率闭环,从而提高电源输出效率与负载电流波形质量。最后,确定主电路基本拓扑结构,对驱动电源总体进行设计,其中包括不可控桥式整流电路、滤波电路、MOSFET驱动电路、光耦合隔离电路、电平转换电路、基础电源、散热控制等。制作样机分别对电源各部分组成电路进行实验测试,包括PWM信号、驱动电路输出信号、主电路输出、相位信号采集电路输出。对驱动电源进行了空载实验和驱动电感线圈与驱动低频换能器的实验,匹配电容的切换能够满足负载供电要求,能够使负载实时工作在谐振状态下,提高了负载电流的正弦度与峰值。
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