[發明專利]壓電泵驅動電源

有效

• 申請號: 201410080972.6
• 申請日: 2014-03-07
• 公開（公告）號: CN103812350B
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發明（設計）人: 朱蘭香;齊海英;曲春航;崔立波;伊向超;馮介新;于楓;梁亮
• 申請（專利權）人: 長春建筑學院
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 白冬冬

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、驅動電路和檢測模塊組成 ；

電源模塊 ：P1為低壓電源的輸入接口，輸入的電壓范圍是12V~24V，由開關電源或電池組供電，經過二極管D14和保險絲F1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、二極管 D15 構成的穩壓電路中，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 100uF 和 1000uF， 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、二極管 D16 構成的穩壓電路中，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；

按鍵和液晶顯示模塊 ：按鍵模塊由按鍵S1~S6、104瓷片電容C1~C6和10KΩ的碳膜電阻R1~R6組成，按鍵模塊的KEY1～KEY6與FPGA的6個I/O端口相連；液晶顯示模塊的P41~P46 為控制引腳， DB0~DB7 為數據引腳，分別與 FPGA 的 13 個 I/O 端口相連；

驅動電路 ：驅動電路由2塊功率開關管驅動芯片U3、U4和比較器U6及其外圍電路組成，功率開關管驅動芯片U3、U4型號為IR2110，比較器U6型號為LM393，每片 IR2110驅動全橋中一個橋臂上的上下兩個 MOS 管，在2塊IR2110 的SPWM波輸入端HLN、LIN加入了由三極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_HO1、 SPWM_LO1、 SPWM_HO2、 SPWM_LO2 通過排線接到逆變橋的 4 個 MOS 管控制端 ；比較器LM393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，該過電流信號進入 IR2110 的過電流信號輸入引腳 SD 引 腳，以控制 SPWM 信號的輸出，比較器的閾值電壓由電阻R8、 R9 分壓所得，這里所分得的電壓為 0.65V；

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， TLC2554 芯片的 SDO、SDI、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 ；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；

調壓模塊 ：調壓模塊采用 Boost 電路原理搭建，輸入的被調電壓由電源模塊提供，即電源模塊的第三路輸出，V_pwm 為輸出電壓，連接到逆變模塊的輸入，MOS驅動芯片UCC2732的輸入引腳 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MOS管V5的控制端，V5的型號是IRF840；電感L2、L3、L4和二極管D6～D11組成電感組；電阻R14、R15和二極管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，電壓反饋信號VFB_P由電阻R19與電阻R16~R18分壓所得；L2~L4為線性電感，大小均為200uH；D6～D11為快速恢復整流二極管，型號為1N3940，D12為快速恢復二極管，型號為1N4148 ；C9、 C10為聚酯電容，耐壓為630V，大小分別為47uF、1uF，C11為電解電容，大小為100uF；R14~R19為碳膜電阻，大小分別為4.7Ω、10KΩ、1MΩ、1MΩ、1MΩ、27KΩ；改變PWM的占空比以調節輸出的電壓，在輸入的被調電壓為12V，當占空比在0.5814到0.9174內連續變化時，輸出電壓V_pwm在50V～400V內連續變化；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，以使調壓模塊輸出穩定和準確的電壓；

逆變模塊 ：逆變模塊的輸入電壓與調壓模塊的輸出電壓連接， SPWM_HO1、 SPWM_LO1、 SPWM_ HO2、 SPWM_LO2 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，進入檢測模塊和接口電路中 AD芯片的輸入引腳，驅動信號的輸出端連接壓電泵的輸入端，以驅動壓電泵工作。

2.根據權利要求1所述的壓電泵驅動電源的驅動信號的產生方法，其特征在于：

步驟一：將一個周期的各種信號波和載波進行數字化，信號波是正弦波、方波和三角波，載波是三角波，然后存入 FPGA的內部存儲器中；方法如下：①用 MATLAB 將幅度在0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，以將一個數字化的波形存入FPGA 的內部存儲器中；

步驟二：采用直接數字式頻率合成器DDS原理合成所需數字波形，首先定義一個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位作為步驟一得到的正弦波 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；

步驟三：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4個MOS管。