CN102231626A

CN102231626A - 一种大电流脉冲产生分配器

Info

Publication number: CN102231626A
Application number: CN2011100580696A
Authority: CN
Inventors: 卢刚; 李声晋; 张玉峰; 孟凡军; 周勇; 周奇勋; 皇甫剑锋; 沈锐; 常建军; 吕志宽
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2011-11-02

Abstract

本发明公开了一种大电流脉冲产生分配器，将大电流脉冲的产生与分配整合在一起，利用数字信号处理器通过接收CAN报文信息一方面发送脉冲控制信号，经驱动放大器放大，驱动逆变器中的绝缘栅双极晶体管的栅极实现逆变器主电路的通断，从而形成大电流脉冲；另一方面分配继电器控制信号经隔离驱动放大器驱动继电器实现通断，最终实现大电流脉冲的灵活分配。本发明有效地减小了脉冲的延时和噪声，提高了脉冲的同步性和可重复性并且大大增加了系统的隔离度、性价比和应用灵活性。数字信号处理器通过对电压、电流的隔离检测以及对驱动放大器的有效保护又大大提高了系统的安全性及其可靠性。

Description

一种大电流脉冲产生分配器

技术领域

本发明属于一种基于控制器局域网(CAN)总线接口的脉冲产生分配器。

背景技术

在工业生产控制系统中，经常需要精确的大电流脉冲信号，特别是在对控制性能要求较高的电子点火系统中，要求能输出精确的大电流脉冲。目前，国内通常采用电磁继电器或者电磁式接触器来对大电流信号进行斩波形成脉冲，但是此种方式产生的脉冲无法满足电子点火系统中对于脉冲的噪声小、延时小、同步性和可重复性高等要求。

开关型器件中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种双极MOS复合型功率器件，集MOSFET和GTR的优点于一体，既具有功率MOSFET高输入阻抗、高速、热稳定性好、驱动功率小的特点，又具有GTR通态电压低、导电损耗小而耐压高的优点，能很好地满足电子点火装置对于大电流脉冲的要求。

脉冲分配问题也是工业生产过程控制中常遇到的一个问题，根据对脉冲分配的不同要求，人们设计出各种不同形式的脉冲分配器，最典型的就是以计数器和译码器为基础的脉冲分配器，这种脉冲分配器最大的缺点是，脉冲分配的路数受计数器和译码器的限制，不能是任意的，另外，它还要有专门的控制和功放电路，其应用灵活性差。

发明内容

为了克服现有技术所形成的大电流脉冲噪声和延时大、同步性和可重复性差以及对于大电流脉冲的分配问题中的应用灵活性差等不足，本发明提供一种基于控制器局域网CAN总线的大电流脉冲产生分配器，将脉冲的产生与分配整合在一起，有效地减小了延时，消除了噪声，并且具有较高的同步性和可重复性，而且大大增加了系统的隔离度、性价比和应用灵活性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括能够输出0～50A电流的大电流程控电源、CAN总线收发器、数字信号处理器、驱动放大器、逆变器、隔离驱动器、驱动保护器、电压调理器、采样电阻器、电流传感器、电压隔离调理器和继电器。

大电流程控电源输出15～35V的电压信号，一方面作为由绝缘栅双极晶体管组成的逆变器的输入直流电源，给逆变器供电，另一方面经过电压隔离调理器的高压隔离和以及其中的运算放大器电阻参数的调整，最终输入到数字信号处理器的模拟电压检测端。电流传感器感应的电流信号经采样电阻器变成电压信号形式，输入到电压调理器中，将信号转换成数字信号处理器可识别的模拟信号，最后输入到数字信号处理器的模拟电流检测端。CAN总线收发器接收CAN总线上的CAN报文，并发送到数字信号处理器的内嵌CAN控制器中。数字信号处理器接收到CAN报文后，根据报文信息一方面发送脉冲控制信号，经驱动放大器的功率放大，驱动逆变器中的绝缘栅双极晶体管的栅极实现逆变器主电路的通断，从而形成大电流脉冲；另一方面分配继电器控制信号经隔离驱动器对信号进行高压隔离和功率放大，驱动继电器实现通断，最终实现大电流脉冲的灵活分配。逆变器将直流电源斩波成大电流脉冲，然后经过四个继电器控制与变阻值负载相连。驱动保护器检测并报警驱动放大器的不正常输出到数字信号处理器。

本发明的有益效果是：本发明利用数字信号处理器通过CAN总线与PC上位机进行通讯，将程控电源的输出信号进行逆变斩波生成电流最大为50A的大电流脉冲，并且通过CAN报文信息有选择地通过对继电器的控制完成大电流脉冲的分配。

本发明的特点在于(1)采用CAN现场总线作为通讯总线，大大提高了系统的快速性、实时性与可靠性，并通过CAN报文灵活完成大电流脉冲的产生与分配；(2)采用绝缘栅双极晶体管作为电子开关斩波生成脉冲的办法，有效地减小了延时，消除了噪声，并且使脉冲具有较高的同步性和可重复性；(3)数字信号处理器通过对电压、电流的隔离检测以及对驱动放大器的有效保护可大大提高了系统的安全性及其可靠性。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明所述大电流脉冲产生分配器的结构示意图；

图中，1-大电流程控电源；2-电流传感器；3-逆变器；4-驱动放大器；5-数字信号处理器；6-CAN总线收发器；7-采样电阻器；8-电压调理器；9-电压隔离调理器；10-驱动保护器；11-隔离驱动器；12-继电器一；13-继电器二；14-继电器三；15-继电器四；16-变阻值负载一；17-变阻值负载二；18-变阻值负载三；19-变阻值负载四。

具体实施方式

本发明包括有大电流程控电源1(可控输出电压15～35V，电流0～50A)、电流传感器2(LA55-P)、逆变器3(由4个绝缘栅双极晶体管IRFP4232组成)、驱动放大器4(由4个HCPL316J驱动模块组成)、数字信号处理器5(dsPIC30F6010A)、CAN总线收发器6(PCA82C250)、采样电阻器7(精度为1％、阻值为135欧姆的电阻)、电压调理器8(由运算放大器TL082以及外围电阻组成)、电压隔离调理器9(主要由高精度低功耗隔离放大器ISO124P/122P和运算放大器TL082组成，将电压调理成dsPIC30F6010A芯片可识别的0～5V的模拟信号并进行高压隔离)、驱动保护器10、隔离驱动器11(主要由光电耦合器PS2801和高速功率MOSFET驱动器TC4426A以及功率MOSFET IRF540N组成)、继电器一12、继电器二13、继电器三14、继电器四15。

本发明中大电流程控电源1输出电压范围为15～35V的信号U1至逆变器3和电压隔离调理器9。

电流传感器2检测信号源电流转变为电流信号IA，幅值在-60mA～+60mA。

采样电阻器7将电流传感器2输出的电流信号IA变为电压信号UA，幅值在-10mV～+10mV。

电压调理器8将采样电阻器7输出的电压信号UA调理为0～5V的电压信号UB至数字信号处理器5模拟输入端AN_IC。

电压隔离调理器9将电压范围为15～35V的U1信号经过隔离调理成0～5V的电压信号U2至数字信号处理器5模拟输入端AN_UC。

驱动保护器10检测驱动放大器4供电电压FLTV并与数字信号处理器5数字输入端RE9相连。

CAN总线收发器6接收CAN报文至数字信号处理器5接口C1RX。

隔离驱动器11将数字信号处理器5的控制信号S1、S2、S3、S4隔离驱动为5A的继电器一12、继电器二13、继电器三14、继电器四15的控制信号A1、A2、A3、A4。

数字信号处理器5可采用微芯公司生产的dsPIC30F6010A芯片，它接收来自CAN总线收发器6的CAN报文，通过报文信息，发送驱动放大器4控制信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4和继电器一12、继电器二13、继电器三14、继电器四15的控制信号S1、S2、S3、S4的高低电平，从而实现大电流脉冲的产生与分配。

驱动放大器4将数字信号处理器5的控制信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4驱动放大为绝缘栅双极晶体管栅极驱动电压信号G1、G2、G3、G4至逆变器3。

逆变器3通过绝缘栅双极晶体管栅极驱动电压信号G1、G2、G3、G4控制绝缘栅双极晶体管的通断，将直流电压U1斩波为大电流脉冲。

通过上述的外围硬件电路可灵活地实现大电流脉冲的产生与分配，脉冲宽度范围为20ms～20s，脉冲宽度范围为20ms～20s，脉冲电压范围15V～35V，电流最高可达50A。系统在大电流脉冲产生之前就提前分配好四个继电器的通断，大大减少了脉冲延时，因为此时的脉冲延时仅仅包括绝缘栅双极晶体管纳米级的开关延时，从而保证了脉冲的波形。硬件电路中添加了各种隔离保护电路和检测电路，从而大大提高了系统的可靠性和安全性。

Claims

1.一种大电流脉冲产生分配器，包括能够输出0～50A电流的大电流程控电源、CAN总线收发器、数字信号处理器、驱动放大器、逆变器、隔离驱动器、驱动保护器、电压调理器、采样电阻器、电流传感器、电压隔离调理器和继电器，其特征在于：大电流程控电源输出15～35V的电压信号，一方面作为由绝缘栅双极晶体管组成的逆变器的输入直流电源，给逆变器供电，另一方面经过电压隔离调理器的高压隔离和以及其中的运算放大器电阻参数的调整，最终输入到数字信号处理器的模拟电压检测端；电流传感器感应的电流信号经采样电阻器变成电压信号形式，输入到电压调理器中，将信号转换成数字信号处理器可识别的模拟信号，最后输入到数字信号处理器的模拟电流检测端；CAN总线收发器接收CAN总线上的CAN报文，并发送到数字信号处理器的内嵌CAN控制器中，数字信号处理器接收到CAN报文后，根据报文信息一方面发送脉冲控制信号，经驱动放大器的功率放大，驱动逆变器中的绝缘栅双极晶体管的栅极实现逆变器主电路的通断，从而形成大电流脉冲；另一方面分配继电器控制信号经隔离驱动器对信号进行高压隔离和功率放大，驱动继电器实现通断，最终实现大电流脉冲的灵活分配；逆变器将直流电源斩波成大电流脉冲，然后经过四个继电器控制与变阻值负载相连；驱动保护器检测并报警驱动放大器的不正常输出到数字信号处理器。