[发明专利]基于FPGA的多功能压电泵驱动电源及驱动方法

摘要

一种多功能压电泵驱动电源及驱动方法，属于电源领域。提供可实现两路正弦波输出，其输出频率、幅值和相位均可调节的多功能压电泵驱动电源及驱动方法。本发明是由输入回路、前级AC-DC模块、前级PWM调压模块、两路DC-AC功率模块、控制及驱动模块组成。本发明可输出两路正弦波，并且其幅值、频率和相位均可调，其中幅值可调范围为80～350V，步进为1V，频率可调范围为50～800Hz，步进为1Hz，相位可调范围为0～360°，步进为1°；可扩展性强，只要在DC-AC功率模块中再加一路或两路逆变桥，在控制模块中加上相应的驱动电路，修改一下程序，就可以设计出3路、4路输出的驱动电源。

主权项

一种基于FPGA的多功能压电泵驱动电源，其特征在于：是由输入回路、前级AC‑DC模块、前级PWM调压模块、两路DC‑AC功率模块、控制及驱动模块组成，电源经过保护回路和低通滤波回路组成的输入回路进入，然后分为两路，其中一路经过降压、整流、稳压和滤波组成的供电模块后产生低压直流电，为系统中的低压芯片供电；另一路经过整流后进入功率因数校正回路，从而实现390V直流电压的输出，并且提高了电源的功率因数，其输出的390V直流电压进入前级PWM调压模块进行调压；C8051F340与电脑（PC）间和与FPGA间均采用串口通信，C8051F340接收按键信号和驱动液晶屏显示，根据液晶屏上的提示，通过按键来设置最终输出正弦波电压的频率、幅值、相位及控制电源的启动和停止；C8051F340利用其内部的AD模块对两路DC‑AC功率模块的反馈信号和前级PWM高压模块的反馈信号采样，并将采样结果通过串口传递给FPGA，实现输出的闭环控制；FPGA输出的PWM波作用于PWM调压模块，输出的SPWM波通过驱动电路后作用于两路DC‑AC功率模块； PWM调压模块的输出为直流电压，输出连接到了两路DC‑AC功率模块，作为待逆变的电压；两路DC‑AC功率模块具有两路逆变桥，可输出两路正弦波；上位机监控软件运行在电脑上，通过软件界面操作实现与按键同样的功能，其指令通过电脑的串口传递给C8051F340，从而实现控制操作，同时软件界面可对输出波形进行监控；输入回路：P2为电源输入端，输入端P2与输出端AC_220H、AC_220L间有保险丝F1、功率型NTC热敏电阻RT1、薄膜电容C101、C102、 C103、C104、共模电感L_power，电容C101、C102、C103、C104和电感L_power构成低通滤波器；供电模块：通过AC_220H、AC_220L与输入回路连接，设置有电源变压器AC‑DC_T1、整流桥AC‑DC_D1、集成稳压芯片AC‑DC_U1、稳压二级管AC‑DC_D2、集成稳压芯片AD‑DC_U2和AC‑DC_U3、六个用于滤波的电解电容、用于限流的电阻AC‑DC_R1、用于电源指示灯的发光二极管LED；前级AC‑DC模块的整流和功率因数校正回路：其输入端的两个接线端分别接输入回路的输出端的AC_220H、AC_220L，其电源输入端接供电模块的直流输出端；前级PWM调压模块：对应于PWM调压模块和反馈回路，MOSFET驱动芯片U1的电源输入端VDD接输入电路的输出端，其输入引脚INA接FPGA的PWM输出引脚，输出引脚OUTA通过电阻R3后接MOSFET的控制端；T1为变压器；输入电压VIN为功率因数校正电路；电阻R1、电容C1和快速恢复二级管D1构成变压器一次测的放电回路；变压器副边的输出电压经过快速恢复二级管D2整流和电容C4、C5及扼流圈L1滤波后作为模块的输出直流电压；电容C3和电阻R2构成快速恢复二级管D2的保护回路；电阻R6～R9构成反馈回路；VFB接C8051F340的模拟信号输入引脚； 最小系统电路C8051F340：C8051F340的引脚P0.0、P0.1作为串口1的输入输出引脚，经过电平转换芯片MAX232后连接到DB9接口上；P0.4、P0.5为串口0的输入输出引脚，分别连接到FPGA的串口输出输入引脚上；P1.0～P1.5为六个按键的输入端口；P1.7接前级PWM调压模块的电压反馈信号VFB；P2.0～P2.2接第二路逆变桥的电流、电压、温度反馈信号；P2.3、P2.5、P2.6接第一路逆变桥的电压、温度、电流反馈信号；P2.4、P2.7接D5、D6指示灯；P3.0～P3.7接12864液晶屏的数据端串口中，P4.1～P4.6接12864液晶屏的各控制端口；C2D、C2CK为C2接口，连接到了JK2端口；按键、串口通信、稳压及液晶接口电路：按键电路的S1～S6按键通过KEY1～KEY6与C8051F340的KEY1～KEY6分别相连；U8为电平转换芯片MAX232，J1为DB9接口；U9为稳压芯片，由U9组成的稳压电路为C8051F340单片机供电；液晶显示屏LCD接C8051F340单片机的P3口，P41～P46与C8051F340单片机P41~P46相连； FPGA系统：PWM引脚接前级PWM调压模块的PWM输入引脚，SPWM1_A～SPWM2_D为两路SPWM输出引脚，分别接两路DC‑AC逆变桥，RX0、TX0为串口输入输出引脚，接C8051F340单片机的TX0、RX0引脚； 第一路驱动电路：U1的SPWM波输入端HLN、LIN均加入了由三级管Q1、Q2和电阻R15、R16组成的互锁电路；U2与此同理；SPWM1_A、SPWM1_B 、SPWM1_C、SPWM1_D接FPGA系统的四个SPWM输出引脚，即 FPGA系统中的SPWM1_A～SPWM1_D引脚；SPWM1_HO1、SPWM1_LO1、SPWM1_HO2、SPWM1_LO2通过排线接到两路DC‑AC功率模块第一路逆变桥的四个MOSFET；U5为比较器LM393，其输入信号为第一路逆变桥的电流反馈信号IFB_1，信号进入IR2110的过电流信号输入引脚SD引脚，电压反馈信号VFB1经过限流电阻后进入C8051F340的模拟信号采集引脚，温度反馈信号TFB1经电阻分压、限流后也进入C8051F340的模拟信号采集引脚，即C8051F340中的SPWM1_VFB、SPWM1_TFB引脚；第二路驱动电路与第一路相同；第一路DC‑AC逆变桥：DC‑AC逆变桥中端口P3通过排线连接到第一路驱动电路P3端口；输入电压VIN接前级PWM调压模块的输出电压Vout，输入电压经过电容C1、C2滤波后进入逆变桥；第一路逆变桥SPWM输入信号SPWM1_HO1、SPWM1_LO1、SPWM1_HO2、SPWM1_LO2连接到第一路驱动电路中U1、U2的对应输出引脚；VFB_1为电压反馈信号，经过R13、R14、R15、C6、C7进入单片机C8051F340的AD输入引脚；TFB_1为温度反馈信号；P5端口输出的为第一路正弦波电压；第二路DC‑AC逆变桥与第一路相同。