壓電泵驅動電源的制作方法

壓電泵驅動電源的制作方法
【專利摘要】一種壓電泵驅動電源，屬于電源領域。本實用新型的目的是提供一種自帶信號源、采用低壓直流電輸入、成本低、高精度的壓電泵驅動電源。本實用新型是由電源模塊、控制模塊、調壓模塊和逆變模塊組成，其中控制模塊是由FPGA最小系統、液晶顯示模塊、按鍵模塊、驅動電路和檢測電路，調壓模塊和逆變模塊組成。本實用新型采用低壓直流電供電，其內部可自行產生所需的高壓直流電，減少了對外部高壓直流電的依賴，可使用開關電源或電池為其供電，極大的擴大了本實用新型的使用范圍，也擴大了壓電泵的適用范圍。
【專利說明】壓電泵驅動電源【技術領域】
[0001]本實用新型屬于電源領域。
【背景技術】
[0002]壓電泵是壓電驅動器的一個重要分支，具有體積小、結構簡單、質量輕、能耗低、不存在電磁干擾、可根據施加的電壓或頻率控制輸出的流量等優點。因此，其廣泛應用于化學分析、醫療器械、航空航天器、機器人和內燃機燃料供給等領域。
[0003]當壓電泵的結構確定之后，其分辨率和精度則取決于壓電驅動電源的性能，現有的壓電驅動電源大多采用高壓運算放大器構成電壓放大、功率放大或兩者組合式驅動電源，其具有靜態性能好、集成度高、結構簡單等優點，但其輸出電流小，動態性能受到限制，需要從外部提供信號源和高壓直流電，使用條件苛刻，而且高壓運算放大器普遍價格偏高，適用場合有限，大大限制了壓電泵的發展。

【發明內容】

[0004]本實用新型的目的是提供一種自帶信號源、采用低壓直流電輸入、成本低、高精度的壓電泵驅動電源。
[0005]本實用新型是由電源模塊、控制模塊、調壓模塊和逆變模塊組成，其中控制模塊是由FPGA最小系統、液晶顯示模塊、按鍵模塊、驅動電路和檢測電路，調壓模塊和逆變模塊組成；
[0006]電源模塊:P1為低壓電源的輸入接口，經過二級管D14和保險絲Fl后得到的VCC分為三路:第一路給系統中的功率開關管驅動芯片供電；第二路給系統中的其它低壓供電芯片供電；第三路進入調壓模塊，作為被調的電源；
[0007]按鍵和液晶顯示模塊:按鍵模塊的KEYl~KEY6與FPGA的6個I/O端口相連；液晶顯示模塊的DB(TDB7為數據引腳，分別與FPGA的13個I/O端口相連；
[0008]驅動電路:SPWM_A、SPWM_B、SPWM_C、SPWM_D接 FPGA 最小系統的 4 個 SPWM 輸出引腳；SPWM_H01、SPWM_L01、SPWM_H02、SPWM_L02通過排線接到逆變橋的4個MOS管控制端；
[0009]檢測模塊和接口電路:采用四路AD芯片TLC2554，與FPGA通過SPI總線進行通信，Ul芯片的SDO、SD1、SCLK、INT、CS、FS引腳分別與FPGA的6個I/O端口連接;A0~A2為輸入的三路待采樣信號，分別為逆變模塊的溫度反饋信號S_TFB、電壓反饋信號S_VFB和調壓模塊的電壓反饋信號VFB_P，S_TFB、S_VFB與驅動電路中標號相同的線相連；
[0010]調壓模塊:V_pwm為輸出電壓，連接到逆變模塊的輸入，Ul為MOS驅動芯片UCC27324，其輸入引腳INA通過排線連接到FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA接MOSFET的控制端；
[0011]逆變模塊:輸入電壓V_pwm與調壓模塊的輸出電壓連接，SPWM_H01、SPWM_L01、SPWM_H02、SPWM_L02為逆變橋的驅動信號，它們分別連接到驅動電路中U3、U4對應的輸出引腳，SPWM_VS1、SPWM_VS2為高壓側浮動供應偏置電壓，通過排線分別輸入給驅動電路中U3、U4的VS引腳，IFB為電流反饋信號，經過驅動電路中比較器U6后進入U3、U4的SD引腳，VFB為電壓反饋信號，它從輸出端的一相引出，進入檢測模塊和控制模塊接口電路中AD采樣芯片的輸入引腳，P3為驅動信號輸出端，連接壓電泵的輸入端，以驅動壓電泵工作。
[0012]本實用新型的優點和積極效果
[0013]1、本實用新型采用低壓直流電供電，其內部可自行產生所需的高壓直流電，減少了對外部高壓直流電的依賴，可使用開關電源或電池為其供電，極大的擴大了本實用新型的使用范圍，也擴大了壓電泵的適用范圍；
[0014]2、FPGA內部可產生正弦波、方波和三角波，減少了對外部信號源的依賴；這些信號經過調制后作用于逆變橋，可產生正弦波驅動信號、方波驅動信號和三角波驅動信號，同時采用PID控制以保證其輸出信號的穩定和準確，可滿足各種壓電泵的需求；
[0015]3、驅動信號的輸出類型和參數可通過按鍵來設置，可選的輸出信號類型有正弦波、方波和三角波，幅值可調范圍為50?400V，步進為0.5V，頻率可調范圍為10?500Hz，步進為0.1Hz ；
[0016]4、采用模塊化的設計方法，對控制模塊和功率模塊分別進行設計和制板，再通排線連接，以減小模塊間電磁干擾，提高了電源的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型總體結構連接框圖；圖中I為電源模塊，2為FPGA最小系統，3為液晶顯示器，4為按鍵，5為驅動電路，6為逆變模塊，7為調壓模塊，8為檢測電路。
[0018]圖2為本實用新型電源模塊電路圖；
[0019]圖3為本實用新型按鍵和液晶模塊電路圖；
[0020]圖4為本實用新型驅動電路電路圖；
[0021]圖5為本實用新型檢測模塊和接口電路；
[0022]圖6為本實用新型調壓模塊電路圖；
[0023]圖7為本實用新型逆變模塊電路圖。
【具體實施方式】
[0024]本實用新型是由電源模塊、控制模塊、調壓模塊和逆變模塊組成，其中控制模塊是由FPGA最小系統、液晶顯示模塊、按鍵模塊、驅動電路和檢測電路，調壓模塊和逆變模塊組成；
[0025]電源模塊:P1為低壓電源的輸入接口，經過二級管D14和保險絲Fl后得到的VCC分為三路:第一路給系統中的功率開關管驅動芯片供電；第二路給系統中的其它低壓供電芯片供電；第三路進入調壓模塊，作為被調的電源；
[0026]按鍵和液晶顯示模塊:按鍵模塊的KEYl?KEY6與FPGA的6個I/O端口相連；液晶顯示模塊的DB(TDB7為數據引腳，分別與FPGA的13個I/O端口相連；
[0027]驅動電路:SPWM_A、SPWM_B、SPWM_C、SPWM_D接 FPGA 最小系統的 4 個 SPWM 輸出引腳；SPWM_H01、SPWM_L01、SPWM_H02、SPWM_L02通過排線接到逆變橋的4個MOS管控制端；
[0028]檢測模塊和接口電路:采用四路AD芯片TLC2554，與FPGA通過SPI總線進行通信，Ul芯片的SDO、SD1、SCLK、INT、CS、FS引腳分別與FPGA的6個I/O端口連接;A0?A2為輸入的三路待采樣信號，分別為逆變模塊的溫度反饋信號S_TFB、電壓反饋信號S_VFB和調壓模塊的電壓反饋信號VFB_P，S_TFB、S_VFB與驅動電路中標號相同的線相連；
[0029]調壓模塊:V_pwm為輸出電壓，連接到逆變模塊的輸入，Ul為MOS驅動芯片UCC27324，其輸入引腳INA通過排線連接到FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA接MOSFET的控制端；
[0030]逆變模塊:輸入電壓V_pwm與調壓模塊的輸出電壓連接，SPWM_H01、SPWM_L01、SPWM_H02、SPWM_L02為逆變橋的驅動信號，它們分別連接到驅動電路中U3、U4對應的輸出引腳，SPWM_VS1、SPWM_VS2為高壓側浮動供應偏置電壓，通過排線分別輸入給驅動電路中U3、U4的VS引腳，IFB為電流反饋信號，經過驅動電路中比較器U6后進入U3、U4的SD引腳，VFB為電壓反饋信號，它從輸出端的一相引出，進入檢測模塊和控制模塊接口電路中AD采樣芯片的輸入引腳，P3為驅動信號輸出端，連接壓電泵的輸入端，以驅動壓電泵工作。
[0031]以下結合附圖對本實用新型進行詳細的描述:
[0032]一、本實用新型的新型壓電泵驅動電源的總體結構框圖如圖1所示，具體實施步驟如下:
[0033]1、如圖1所示，12V?24V的低壓直流電由開關電源或電池提供，經過內部的保護電路后分為3路。第I路和第2路分別用于產生12V和5V的直流電，給電源中的低壓供電芯片供電；第3路直接進入調壓模塊，用于產生可調的高壓直流。
[0034]2、如圖1所不，控制|旲塊由FPGA最小系統、液晶顯不|旲塊、按鍵|旲塊、驅動電路和檢測電路幾部分組成。所述FPGA最小系統是一塊FPGA核心板，在系統中用作處理器和信號發生器，它可接收按鍵信號和驅動液晶屏顯示。可根據液晶屏上的提示，通過按鍵來選擇輸出波的類型和設置輸出波的頻率、幅值，以及控制電源的啟動和停止。在FPGA內部，將以最終的輸出波形為信號波、三角波為載波合成控制驅動電路的四路SPWM波，用于驅動逆變橋的逆變過程，最終輸出與信號波同頻的驅動信號。而檢測電路則利用AD采樣芯片對逆變模塊和調壓模塊的反饋信號采樣，并傳遞給FPGA，用于構成閉環控制，從而提高了輸出信號的精度。
[0035]3、如圖1所示，調壓模塊的輸入為24V以下的低壓直流電，輸出為50V?400V的可調的直流，它是通過改變由FPGA輸出的PWM波的占空比來實現調壓的。調壓模塊的輸出連接到了逆變模塊，作為待逆變的電壓。當FPGA內部合成的信號波頻率改變時，最終輸出的驅動信號的頻率也隨之改變，當調壓模塊的輸出電壓幅值改變時，最終輸出的驅動信號的幅值也隨之改變。
[0036]4、圖1中電源模塊、調壓模塊和逆變模塊制作在一塊電路板中，稱為功率板，控制模塊單獨制板，稱為控制板，它們之間用排線進行連接。
[0037]二、本實用新型各模塊具體實施步驟如下:
[0038]1、如圖2所示為電源模塊的電路圖。圖2中Pl為低壓電源的輸入接口，輸入的電壓范圍是12疒24V，可由開關電源或電池組供電，該電壓經過二級管D14和保險絲Fl后得到VCC ;VCC分為三路，第一路進入穩壓芯片U2、電容C13、電容C14、電感L5、二級管D15構成的穩壓電路中，用于產生12V的直流電，給系統中的功率開關管驅動芯片供電，U2為LM2576-12，電容C13、C14均為電解電容，大小分別為IOOuF和lOOOuF，L5為工字電感；第二路進入穩壓芯片U3、電容C15、電容C16、電感L6、二級管D16構成的穩壓電路中，用于產生5V的直流電，給系統中的其它低壓供電芯片供電，U3為LM2576-5.0，其它元件與第一路相同；第三路進入調壓模塊，作為被調的電源。
[0039]2、如圖3所示為控制模塊中的按鍵和液晶顯示模塊電路圖，圖3左半部分為按鍵模塊，SI~S6為按鍵，Cl~C6為瓷片電容104，Rl~R6為IOK Ω的碳膜電阻，KEYl~KEY6與FPGA的6個I/O端口相連；圖3右半部分為液晶顯示模塊，IXD為液晶顯示屏12864的插座，液晶屏第I腳和第20腳接地，第2腳和第19腳接5V電源，第3腳和第18腳之間串聯一個220 Ω的電阻，Ρ41~Ρ46為控制引腳，DB0~DB7為數據引腳，它們分別與FPGA的13個I/O端口相連。
[0040]3、如圖4所示為驅動電路的電路圖，圖4中U3、U4為功率開關管驅動芯片IR2110，每片IR2110可驅動全橋中一個橋臂上的上下兩個MOS管，在U3、U4的SPWM波輸入端HLN、LIN加入了由三級管和電阻組成的互鎖電路，以防止一個橋臂上的兩個MOS管同時導通，而造成嚴重后果；SPWM_A、SPWM_B、SPWM_C、SPWM_D接FPGA最小系統的4個SPWM輸出引腳；SPWM_H01、SPWM_L01、SPWM_H02、SPWM_L02通過排線接到逆變橋的4個MOS管控制端。U6為比較器LM393，它具有兩路比較器，在本系統中其輸入信號為逆變橋的電流反饋信號IFB，經過一個比較器后得到過電流信號，該信號進入IR2110的過電流信號輸入引腳SD引腳，以控制SPWM信號的輸出，比較器的閥值電壓由R8、R9分壓所得，這里所分得的電壓為
0.65V。圖4中C31、C32、R32為備用元件，實際電路中不焊接；C7、C8、C22、C24、C27、C29、C33、C34、C36為瓷片電容，耐壓為16V，C33、C36大小依次為0.01uF、1000pF,其它電容大小均為 0.1uF ;C21、C23、C25、C26、C28、C30、C35 為鉭電容，耐壓為 16V，大小均為 IOuF ;D1、D2為快速恢復二級管，型號為FR107 ；Q5~Q8為PNP型三級管，型號為2SA1015，亦可用S8550替代；圖4中電阻均為 碳膜電阻，功率均為0.25W，R9、R22、R24、R26、R28、R30、R31、R34大小均為 IOK Ω，R7、R8 大小為 100 Ω，R33 大小為 IK Ω，R35 大小為 1.5ΚΩ，R23、R25、R27、R29 大小均為 5.1 ΚΩ，R50 為 100KΩ。
[0041]4、圖5所示為檢測模塊和控制模塊接口電路的電路圖，圖5中Ul為四路AD芯片TLC2554，其與FPGA通過SPI總線進行通信，Ul芯片的SDO、SD1、SCLK、INT、CS、FS引腳分別與FPGA的6個I/O端口連接，用于讀取所采集的電壓值。圖中標號相同的導線，在實際電路板中是連接在一起的。Α0-Α2為輸入的三路待采樣信號，它們分別為逆變模塊的溫度反饋信號S_TFB、電壓反饋信號S_VFB和調壓模塊的電壓反饋信號VFB_P，S_TFB、S_VFB與圖4中標號相同的線相連，VFB_P與P3接口對應的端口相連；P3為排線座，各端口均與控制板中相同的信號線或電源線相連，在功率板中也有一個與之對應的排線座，它們之間通過排線相連。
[0042]5、如圖6所示為調壓模塊電路圖，調壓模塊采用Boost電路原理搭建。圖中VCC為被調電壓，由電源模塊提供，V_pwm為輸出電壓，連接到逆變模塊的輸入，圖中Ul為MOS驅動芯片UCC27324，其輸入引腳INA通過排線連接到FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA通過電阻R14后接MOSFET的控制端。電感L2、L3、L4和二級管D6~Dll組成電感組，V5為MOS管，型號是IRF840，電阻R14、R15和二級管D12構成MOS管的保護回路。電容C9~C11構成濾波電路，電阻R16~R19構成電壓反饋回路，反饋電壓VFB_P由R19與R16~R18分壓所得。圖中L2~L4為線性電感，大小均為200uH ；D6~Dll和D13為快速恢復整流二級管，型號為1N3940，D12為快速恢復二級管，型號1N4148 ;C9、ClO為聚酯電容，耐壓為630V，大小分別為47uF、luF，Cll為電解電容，大小為IOOuF, C12為瓷片電容，大小為0.01uF ;R14~R19為碳膜電阻，大小分別為4.7Ω、10ΚΩ、1ΜΩ、1ΜΩ、1ΜΩ、27ΚΩ。
[0043]6、如圖7所示為逆變模塊的電路圖，圖7中輸入電壓V_pwm與圖6中調壓模塊的輸出電壓連接，輸入電壓經過電容Cl、C2濾波后進入逆變橋；SPWM_H01、SPWM_L01、SPWM_H02、SPWM_L02為逆變橋的驅動信號，它們分別通過排線連接到了圖4驅動電路中U3、U4對應的輸出引腳；電感LI起續流和平滑的作用。SPWM_VS1、SPWM_VS2為高壓側浮動供應偏置電壓，通過排線分別輸入給圖4驅動電路中U3、U4的VS引腳；IFB為電流反饋信號，其經過圖4中比較器U6后進入U3、U4的SD引腳，起到過電流保護作用；VFB為電壓反饋信號，它從輸出端的一相引出，經過Rl3、Rl、R2、C6、C7構成的正弦波輸出電壓調整電路調整后最終進入圖5中AD采樣芯片的輸入引腳，可通過定位器Rl來調節其最大輸出電壓，以使其滿足采樣芯片測量范圍；TFB為溫度反饋信號，其值由熱敏電阻RTl與圖4中相應電阻分壓得到，熱敏電阻RTl貼在MOS管Vf V4的散熱片上，以反應MOS管的溫度；P3為驅動信號輸出端，連接壓電泵的輸入端，以驅動壓電泵工作。圖7中C1、C2為電解電容，耐壓為450V，大小分別為47uF、IOOuF ;C3~C5 為 CBB 電容，耐壓為 630V，大小分別為 0.1uF,0.1uF,2.2uF ;C6、C8 為瓷片電容，耐壓為16V，大小分別為0.luF、0.01uF ;C7為電解電容，耐壓為16V，大小為4.7uF ；Dl為快速恢復二級管，型號為1N5408 ;D2~D5為快速恢復二級管，型號為1N4148 ;V1~V4為N溝道MOS管，型號為IRF840 ;R11、R12為康銅絲，直徑為1mm，大小均為0.01 Ω ;R13、R2為碳膜電阻，功率為0.25W，大小分別為200K Ω、IOK Ω ；R1為定位器，大小為IOK Ω ；RT1為NTC型熱敏電阻，大小為IOK Ω。
[0044]三、調壓原理
[0045]由發明專利“ 高升壓電路(申請號:200410049172.4 ) ”可知由三個電感和相應二級管組成的電感組能使調壓模塊的升壓傳輸比(放大倍數)提高3倍，即傳輸比
# = A , D為PWM波的占空比，可知當改變PWM的占空比時，傳輸比隨之改變。以輸入電
I — #
壓為12V的調壓模塊為例進行說明，可知在理想狀態下輸出電壓= 12* & ,當占空
比在0.5814到0.9174內連續變化時，輸出電壓V_pwm可在50V~400V內連續變化。實際應用中，FPGA根據設定值和輸出電壓的反饋值，利用PID算法給出合理的占空比，以使其輸出穩定和準確的電壓。
[0046]四、自帶信號源信號產生原理
[0047]1、首先要將一個周期的各種信號波(正弦波、方波和三角波)和載波(三角波進行數字化，然后存入FPGA的內部存儲器中。方法如下:(I)用MATLAB將幅度在O到2內變化的信號波的一個周期等分為4096份，每個等分點對應一個幅度值，將幅度值放大2048倍并取整，得到一個長為4096、字寬為12位的序列，將這個序列依次保存在HEX文件中；(2)用FPGA的編程環境生成一個大小為4096、位寬為12的ROM塊，調用步驟(1)得到的HEX文件；
(3)在FPGA程序中調用這個ROM塊，就得可將一個數字化的波形存入FPGA的內部存儲器中。
[0048]2、采用直接數字式頻率合成器(DDS)原理，先定義一個40位的整形變量為頻率累加器、一個12位的整形變量為頻率控制字(頻率控制字的初值由所設定的輸出驅動信號的頻率決定)，再定義A、B、C、D為SPWM波的四個輸出引腳。以正弦波為例，說明波形的產生方法:在每個時鐘周期內頻率累加器值加上頻率控制字值得到新的頻率累加器值，取新的頻率累加器值的前12位作為步驟I得到的正弦波ROM塊的地址，利用這個地址從FPGA的內部存儲器中取出對應正弦波的幅度值，如此周而復始，便可得到一個正弦波。載波的頻率控制字值是信號波頻率控制字值的256倍，從而生成的載波頻率是信號波頻率的256倍。
[0049]3,FPGA在每個時鐘周期內產生一個信號波的幅度值和一個載波的幅度值，并進行比較，從而確定A、B、C、D四個輸出引腳的電平。方法如下:當信號波幅值大于等于載波幅值時，A、D引腳輸出高電平，B、C引腳輸出低電平；當信號波幅值小于載波幅值時，A、D引腳輸出低電平，B、C引腳輸出高電平，這樣就產生了用于驅動逆變橋的SPWM信號，A、B、C、D四個輸出引腳分別驅動逆變橋的四個功率開關管VlH
【權利要求】
1.一種壓電泵驅動電源，其特征在于:是由電源模塊、控制模塊、調壓模塊和逆變模塊組成，其中控制模塊是由FPGA最小系統、液晶顯示模塊、按鍵模塊、驅動電路和檢測電路，調壓模塊和逆變模塊組成； 電源模塊:P1為低壓電源的輸入接口，經過二級管D14和保險絲Fl后得到的VCC分為三路:第一路給系統中的功率開關管驅動芯片供電；第二路給系統中的其它低壓供電芯片供電；第三路進入調壓模塊，作為被調的電源； 按鍵和液晶顯示模塊:按鍵模塊的KEYl?KEY6與FPGA的6個I/O端口相連；液晶顯示模塊的DB0?DB7為數據引腳，分別與FPGA的13個I/O端口相連； 驅動電路:SPWM_A、SPWM_B、SPWM_C、SPWM_D接FPGA最小系統的4個SPWM輸出引腳；SPWM_H01、SPWM_L01、SPWM_H02、SPWM_L02通過排線接到逆變橋的4個MOS管控制端；檢測模塊和接口電路:采用四路AD芯片TLC2554，與FPGA通過SPI總線進行通信，Ul芯片的SDO、SD1、SCLK、INT、CS、FS引腳分別與FPGA的6個I/O端口連接;A0?A2為輸入的三路待采樣信號，分別為逆變模塊的溫度反饋信號S_TFB、電壓反饋信號S_VFB和調壓模塊的電壓反饋信號VFB_P，S_TFB、S_VFB與驅動電路中標號相同的線相連； 調壓模塊:V_pwm為輸出電壓，連接到逆變模塊的輸入，Ul為MOS驅動芯片UCC27324，其輸入引腳INA通過排線連接到FPGA的PWM輸出引腳，輸出引腳OUTA接MOSFET的控制端; 逆變模塊:輸入電壓V_pwm與調壓模塊的輸出電壓連接，SPWM_H01、SPWM_L0U SPWM_H02、SPWM_L02為逆變橋的驅動信號，它們分別連接到驅動電路中U3、U4對應的輸出引腳，SPWM_VS1、SPWM_VS2為高壓側浮動供應偏置電壓，通過排線分別輸入給驅動電路中U3、U4的VS引腳，IFB為電流反饋信號，經過驅動電路中比較器U6后進入U3、U4的SD引腳，VFB為電壓反饋信號，它從輸出端的一相引出，進入檢測模塊和控制模塊接口電路中AD采樣芯片的輸入引腳，P3為驅動信號輸出端，連接壓電泵的輸入端，以驅動壓電泵工作。
【文檔編號】H02M3/335GK203747656SQ201420100814
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】朱蘭香, 齊海英, 曲春航, 崔立波, 伊向超, 馮介新, 于楓, 梁亮 申請人:長春建筑學院