開關電源畢業(yè)論文-超磁致伸縮換能器的高頻驅動電源實驗研究

超磁致伸縮換能器的高頻驅動電源實驗研究第一章 緒論1.1研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 傳統(tǒng)的開關電源是采用模擬技術進行控制的,隨著時代的發(fā)展,數(shù)字控制逐漸取代了模擬控制,在高頻開關電源中的應用越來越廣泛。順應這一潮流,技術人員紛紛開發(fā)高性能的智能電源,并在一些領域獲得了初步的應用。開關電源的發(fā)展是與人們對半導體器件以及磁性元件等的研究探索相輔相成的,開關電源的發(fā)展刺激了相關元件的發(fā)展,而相關元件的不斷發(fā)展又反過來為開關電源的發(fā)展提供了強大支持。只有不斷提高功率器件以及高頻電磁元件的性能,才能為高頻開關電源的發(fā)展提供源源不斷的動力。根據(jù)我們課題組的項目需求，需要為一款磁致伸縮換能器設計一個可調頻的高頻電源，為此我們做了相關設計和實驗，下面給出硬件和軟件部分的設計和實驗結果。1.2 實驗目的和意義第二章 硬件電路設計與實驗實驗硬件部分 根據(jù)項目需求，需要做一個可實時調頻的高頻開關電源，要求輸入電壓為工頻220V交流電壓源，輸出為10K-50KHZ的可實時調頻的電壓，采用DSP2812芯片作為主控制芯片。2.1 直流供電電源圖5.1 直流供電電源原理圖該部分為直流供電電源原理圖，主要為驅動電路和運算放大電路提供穩(wěn)定的直流電源信號。首先，工頻220V交流信號經(jīng)過一個帶中心抽頭的變壓器，該變壓器有三根引線，提供18V*2交流電壓，即兩個18V的交流電壓信號，圖5.2為該電壓波形。變壓器二次側輸出的交流信號經(jīng)過橋式整流電路整流成直流電路，電解電容C11起到穩(wěn)壓的作用，相當于一個直流電壓源，其電壓值約為24V，如圖5.3所示。LM7815是三端正穩(wěn)壓器電路，輸出穩(wěn)定的+15V電壓信號，為驅動電路和運算放大電路提供電源信號，圖5.4為穩(wěn)壓管輸出的電壓信號。圖5.2變壓器二次側交流電壓波形圖5.3 電解電容C11兩端電壓波形圖5.4穩(wěn)壓管輸出電壓波形2.2 光電隔離和驅動電路由于DSP2812芯片輸出的PWM控制信號高電平僅為3.3V，驅動能力非常有限，而驅動逆變電路中的全控型整流器件MOSFET需要1020V的驅動電壓，因此如果利用DSP直接控制MOSFET的通斷，需要中間加驅動電路。驅動電路分為直接驅動和隔離驅動。采用隔離驅動時，電路在發(fā)揮驅動功能的同時將控制電路和主電路電氣關系隔離，以免相互影響，本設計采用隔離驅動。隔離方式有光電隔離和電磁隔離。光電隔離具有體積小、結構簡單和隔離效果好等優(yōu)點，但其共模抑制能力差，傳輸速度慳，采用高速光耦成本也比較高。本設電路計中的逆變器采用IR公司的專用驅動芯片IR2110，它兼有光電隔離和電磁隔離的優(yōu)點，工作頻率可達500KHZ，速度快，高端懸浮自舉電源的設計使得電路應用簡便。參考文獻引用驅動電路如圖2.1所示。圖2.1 光電隔離和驅動電路圖2.2 驅動電路實物圖2.2所示是驅動電路實物，采用5個TLP250貼片型光耦隔離芯片，2個直插型IR2110驅動芯片和1個場效應管專用驅動芯片IRS21850貼片型芯片。圖2.3是DSP輸出的PWM信號，由圖可看出這是一對帶有死區(qū)時間的對稱PWM信號，該信號頻率約為20KHZ，占空比為50%，死區(qū)時間約為5。從圖中可以看出，輸出信號整體比較平穩(wěn)，但還存在時間很短的正的和負的尖峰脈沖信號且有一定的擾動。圖2.3 DSP芯片輸出的PWM信號隔離電路采用日本東芝公司生產的TLP250光電隔離芯片，其工作原理圖如圖2.4所示，利用光電耦合原理，2號管腳接DSP開發(fā)板上的+5V信號，3號管腳接DSP開發(fā)板輸出的PWM信號，當輸入PWM信號為低時，發(fā)光二極管通電發(fā)亮，右邊的光敏二極管負責接收左邊2,3腳LED發(fā)出的光，產生一個光電流信號，也就是電信號轉化為光信號，光信號再轉化為電信號，這樣就實現(xiàn)了信號的光電隔離為什么加光電隔離。由于光電流信號一般只有幾微安，所以需要用放大電路將該信號放大，經(jīng)過放大的信號由6，7腳輸出。當輸入PWM信號為高電平時，2,3腳LED不發(fā)光，芯片6,7腳輸出低電平信號。圖2.5為開發(fā)板輸出的PWM信號經(jīng)過光電隔離芯片TLP250輸出的信號，由圖可看出輸出高電平信號變?yōu)?5V，同時信號存在一個18V左右的尖峰脈沖。圖2.4 TLP250工作原理圖圖2.5 經(jīng)過光電隔離電路輸出的PWM信號2.3主電路根據(jù)設計需求，先做了一個測試電路，主電路如圖3所示，220V工頻電壓源經(jīng)過變壓器輸出工頻24V交流電，再經(jīng)過單相橋式整流電路，輸出18V直流電。再經(jīng)過逆變電路，該逆變電路采用單相半橋電壓型逆變電路。采用兩個MOSFET作為全控型器件，該器件采用IR公司的IRFPC40電力MOSFET，利用驅動電路輸出的PWM信號控制MOSFET的關斷，從而實現(xiàn)輸出不同頻率、不同占空比的交流電。圖3 主電路圖4實驗測試平臺 根據(jù)實驗需求搭建了一個實驗平臺，并進行了相關的測試，后面會給出相關測試結果，并且根據(jù)相關測試又進行了進一步的實驗電路的設計，如圖5所示。圖5 進一步主電路設計1. 實驗軟件部分本設計采用TI公司的DSP2812作為控制芯片，用CCS軟件進行相關的程序編寫，實驗用開發(fā)板如圖6所示。該設計主要采用DSP2812芯片的ADC采樣模塊和事件管理器EV模塊，利用中斷模式來進行相應的編寫，下面給出CCS軟件程序編譯界面。2. 實驗結果與分析 根據(jù)原理圖設計，制作了PCB板，并連接各個模塊做了一些實驗，下面是一些實驗結果。圖7是一對可調頻的占空比為50%的PWM輸出波形，這是由DSP2812芯片輸出的可調頻的一對對稱的帶有死區(qū)時間的PWM信號，再經(jīng)過帶光電隔離的驅動電路輸出的電壓為15V的PWM驅動信號。圖7 PWM輸出信號圖8是實驗測試的電源輸出信號，由圖可看出，電壓正負峰值均為20V，頻率約為20KHZ的方波信號。同時也可看出輸出的電壓信號波形有些失真，諧波干擾嚴重，輸出信號不穩(wěn)定。目前存在的問題可能是由以下幾個方面引起的， 一、軟些編寫還存在問題，沒有加入濾波算法，ADC采樣輸入信號不穩(wěn)定，采樣不精確，PWM輸出波形不穩(wěn)定。2、 因為信號頻率比較高，在電磁兼容性等方面存在問題，電磁干擾較大。3、 硬件電路設計還不完善，還需在設計中加入一些濾波電路。4、 信號隔離效果還不太理想，輸入波形和輸出波形之間還存在一定偏差，目前正在考慮加入邏輯門電路和減小輸出電阻來進行調試。如圖，采用了74LS00N與非門邏輯門電路，該芯片有四路獨立的與非門邏輯電路。圖8 實驗測試的電源輸出信號根據(jù)該設計及實驗做出如下總結：1、 進行電路設計必須具備扎實的理論基礎，如果不了解各個器件的特性以及電路原理，就會在設計和實驗過程中出現(xiàn)很多錯誤。2、 現(xiàn)在市場上的器件和芯片種類繁多，封裝結構各異，在做PCB板封裝時必須對所用器件都有所了解，不然在焊接電路板和購買元器件時會出現(xiàn)很多問題。3、 在實驗過