超声波功率驱动与测量装置设计-DSP
摘 要：在超声波法测量的理论基础上开发设计了一次风煤粉浓度测量系统。测量系统的硬件部分主要包括超声波传感器驱动电路、超声波接收电路和控制电路部分。驱动电路的主要拓扑结构为单相全桥逆变电路，接收电路主要由两级放大电路和滤波电路实现。控制芯片选择TI公司的TMS320F2812型号的DSP芯片，其内部程序在CCS3.3环境下编写。
关键词：超声波； 单相全桥； 功率变换； DSP； 带通滤波
在火力发电厂的锅炉运行中，一次风煤粉的准确测量对锅炉的安全经济运行起着重要的作用。缺乏可靠的一次风煤粉浓度的监测手段，锅炉极易发生火焰中心偏斜、燃烧不稳等情况，从而导致锅炉局部结焦、高温腐蚀，锅炉热效率下降，严重时直接引起锅炉灭火事故[1-3]。煤粉颗粒在一次风中的运动过程是非常复杂的气固两相流动，煤粉浓度的测量一直是工程上的前沿问题之一，也是工程技术人员致力解决的难题[2,4]。因此，研究一次风煤粉浓度测量技术，寻求适合电厂锅炉在线测量煤粉浓度的方法，有着十分重要的意义。从已经发表的文献来看[5],应用计算机对煤粉锅炉风粉系统进行在线监测的技术改造已经非常普遍，在监测对象和流量测量方式上各有特色，但是主要集中在各个支路的风量的准确测量和监测系统的数字化，对煤粉浓度准确测量和煤粉浓度在线测量系统的研究开发比较少。
本文将电力电子技术与计算机控制技术相结合，设计了一种超声波收发装置的测量系统。该装置的发射电路以型号为TMS320F2812的DSP为核心控制芯片，采用单相全桥逆变电路,发射端的频率可以精确控制，采用Boost升压电路使发射端的驱动电压灵活可调，接收电路使用四阶有源模拟滤波器,抗干扰能力强。
1 测量原理
声速法是利用不同固相浓度条件下具有不同声速来完成相浓度测量。与现有的各种方法相比，它具有一些特殊的优点，如测量结果与固相成分、颗粒的粒度分布以及当地流速无关；自清洁作用可防止传感器污染；没有堵塞问题等。
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超声波发射与接收电路的硬件框图如图1所示。DSP芯片TMS320F2812是整个系统的核心控制部件，用来产生40 kHz的超声波信号源，并控制相应的电路对所发出的超声波形进行调节控制，超声波接收传感器接收到的信号被放大器放大后，经过四阶有源带通滤波器，使接收的信号更加稳定可靠。
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发射电路的功能是在外接的压电式超声传感器上施加40 kHz的交流电压，进而发射出超声波；接收电路的功能是对压电式传感器输出的微弱感应电动势进行调理输出。
3 超声波发射装置
发射电路由单相全桥逆变电路和Boost电路组成，整体由DSP芯片进行控制。单相全桥逆变电路使发射频率可以精确控制,Boost电路使得驱动传感器的电压灵活可调。
图2为单相全桥硬件电路设计图，图中Q1～Q4选用的是MOSFET管 IRF630,它能承受200 V电压，25℃时承受电流9.0 A，90℃时承受电流5.7 A，满足设计要求，栅极和源极之间的驱动电压在10 V～20 V之间，而且其关断与开通电压的时间都在17 ns左右,相比设计中超声波的周期25 μs(频率40 kHz)已经足够快了，能够满足设计要求。这四只管子构成了单相全桥电路的两个桥臂，当开关Q1、Q4闭合，Q2、Q3断开时单相全桥之间有一个回路，此时的输出电压Uo为+Ud；当开关Q2、Q3闭合，Q1、Q4断开时，单相全桥电路之间又出现一个回路，此时的输出电压Uo为-Ud，这样就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率；改变桥臂两端的电压就可以改变输出交流电压的峰峰值的大小，基于这样的原理就可以产生所需要的超声波传感器发生端所需要的交流电[6]。
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