CN103457533B - 一种可控直线电机控制驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控直线电机控制驱动电路。温度信号读出单元读取测温二极管电压降，经处理后的信号通过光电耦合器输出到脉宽调制电路；脉宽调制单元中的MCU根据温度信号读出电路的输出，控制组合逻辑电路产生SPWM波；SPWM波经缓冲驱动电路后生成四路SPWM，分别作为H桥中的四只VDMOS管的控制信号，使VDMOS管轮流导通对24VDC斩波，通过输出滤波电路整形后提取出50Hz交流电压供给直线电机工作。本发明的电路将控制部分和驱动部分物理分开，有效地抑制了电磁噪声及相互干扰；结构简单，成本低，易于实施，使用灵活。采用单片机为控制核心，软件实现正弦脉宽调制，驱动控制电路参数调整方便，工作效率高。

Description

一种可控直线电机控制驱动电路

技术领域

本发明涉及可控直线电机控制驱动电路，属于电路技术领域。

背景技术

随着光电技术的发展，红外探测器件在军事侦察、热像、预警、遥感和气象方面的应用愈来愈广泛，斯特林制冷机主要为红外探测器件工作提供冷源，而直线伺服电机作为动力源是斯特林制冷机的关键部件，直线伺服电机及其控制器的性能直接影响到整个制冷机系统。电机驱动控制器是制冷机系统的神经中枢，它不仅为制冷机提供驱动能力，同时在制冷机冷头温度达到红外探测器件工作所需温度时，调节制冷机输入功率使得冷头温度能稳定在温控点上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可控直线电机控制驱动电路，其采用通用元器件，以较低成本实现可靠的制冷机的温度控制。

为解决上述技术问题，本发明提供一种可控直线电机控制驱动电路，其特征是，包括温度信号读出单元、脉宽调制单元、功率驱动单元，并将功率驱动单元独立布局在一块PCB，保证相互间的电磁影响到最小；

温度信号读出单元的一端与脉宽调制电路连接，温度信号读出单元的另一端与外置的测温二极管连接；功率驱动单元的一端与脉宽调制电路连接，功率驱动单元的另一端与制冷机的直线电机连接；

所述温度信号读出单元读取测温二极管的电压降，经处理后的输出信号通过光电耦合器输出到所述脉宽调制电路；

脉宽调制单元中的MCU根据温度信号读出电路的输出，控制组合逻辑电路产生SPWM波，并调节SPWM波形的脉冲宽度；

功率驱动单元包括缓冲驱动电路、H桥电路；脉宽调制电路产生的SPWM波经缓冲驱动电路后生成四路SPWM，分别作为H桥中的四只VDMOS管的控制信号，使VDMOS管轮流导通对24VDC斩波，通过输出滤波电路整形后提取出50Hz交流电压供给直线电机工作。

SPWM到50Hz交流电的转变：脉宽调制电路输出的SPWM经过缓冲驱动电路后，生成两路反相的SPWM，这两路SPWM再经过两只有两个次级输出的脉冲耦合变压器，生成四路SPWM，分别作为H桥中的四只VDMOS的控制信号。

脉宽调制电路中的MCU同时还根据环境温度信号和采样到的电源电压的大小，对SPWM的每个脉冲宽度进行补偿。

所述补偿的方式为：当环境温度升高，则制冷机的负载增加，那么脉宽调制增加SPWM的平均占空比，使输出的交流电压升高；反之，则脉宽调制器减小SPWM的平均占空比，使输出的交流电压降低；

若电源电压下降，则脉宽调制增加SPWM的平均占空比，使输出的交流电压保持不变；反之则脉宽调制器减小SPWM的平均占空比，使输出的交流电压保持不变。

所述脉宽调制器电路中由两只可预置减法计数器和两只与非门构成组合逻辑，两只计数器在第一计数器D3结束时同时预置数，第一计数器D3重复置数为：01100011，第二计数器D2的预置数Y则由MCU在第一计数器D3记数结束时预置；

令第一计数器D3的输出信号为A，第二计数器D2的输出信号为B，则SPWM的输出信号为：

$\mathrm{Qn}+1=\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{A\·\mathrm{Qn}}\·B};$

SPWM的占空比D为：

D=（99-Y）/（99+1）。

缓冲驱动电路包括使用同一个使能信号的两个反相驱动器和一个同相驱动器；两个反相器通过级联，完成相互间的控制时序；

所述同相驱动器的四个输出端分别对应与两个脉冲耦合变压器的初级输入端连接；同时，每个反相驱动器的四个输出端分别对应与一个脉冲耦合变压器的初级输入端连接；

每个脉冲耦合变压器耦合为两个次级输出端；次级输出端输出的SPWM信号控制H桥中的VDMOS管的导通或截止；两个脉冲耦合变压器次级输出端输出的两组SPWM信号为同幅反相，且任一脉冲耦合变压器次级输出端输出的两个SPWM信号同幅同相；

同相驱动器与反相驱动器的使能端有效信号相反；

反相驱动器的使能端有效时，脉冲耦合变压器输出端产生四路有序的SPWM信号，使H桥中的四个VDMOS管轮留导通；

同相驱动器的使能端有效时，同相驱动器的四个输出端向脉冲耦合变压器的初级输入端提供低电平，使H桥中的四个VDMOS管同时处于截止状态。本发明所达到的有益效果：

（1）本发明的直线电机控制驱动电路由控制部分和驱动部分两块PCB板组合为一个整体。将控制部分和驱动部分物理分开，通过上下排针互联，两块PCB之间还加了金属分隔板，有效地抑制了电磁噪声及相互干扰。结构简单，采用通用元器件设计，成本低，易于实施，使用灵活。

（2）本直线电机控制驱动电路采用单片机为核心，软件实现正弦脉宽调制(SPWM)，采用数字PID控制算法实现制冷机的温度控制。驱动控制电路参数调整方便，工作效率高。成本低，适合工业场合使用。

（3）本直线电机控制驱动电路在分置式红外成像器中使用时，控制效果明显。

附图说明

图1直线电机控制驱动原理框图；

图2温度读出电路功能图；

图3脉宽调制器电路图；

图4触发器输出的逻辑时序图；

图5缓冲驱动电路及驱动保护电路；

图6H桥输出及输出滤波电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种可控直线电机控制驱动电路，该电路由3个部分组成：温度信号读出单元、脉宽调制单元、功率驱动单元，见图1。其中，温度信号读出单元的一端与脉宽调制电路连接，温度信号读出单元的另一端与外置的测温二极管连接；功率驱动单元的一端与脉宽调制电路连接，功率驱动单元的另一端与斯特林制冷机的直线电机连接。本发明采用模块化设计，使控制电路与直线电机保持隔离状态，有效地抑制了噪声；通过PID控制方式，使控制器具有较高的控制精度和稳定度；采用单片机作控制器便于工程应用。

实现本次发明的技术方案原理分析：

该控制驱动器电路由3个部分组成：（1）温度信号读出单元、（2）脉宽调制单元、（3）功率驱动单元。

温度信号读出单元读取测温二极管电压降，经差动放大，通过求和电路，对图2中的E、B、C点的电压V_E、V_B、V_C求和得到D点电压V_D，D电压通过比较器D3D与B点电压比较产生一信号（温度信号读出电路的最终输出信号），该信号通过光电耦合器输出到脉宽调制电路。

脉宽调制单元中的MCU（AT89C51）根据温度信号读出电路的输出，执行相应的程序，控制组合逻辑电路产生需要的SPWM（SPWM平均占空比决定了输出的交流电压大小），也就是通过程序调节SPWM波形中的每个脉冲的宽度达到合适的状态。同时MCU还会根据环境温度信号和采样到的电源电压的大小，对SPWM的每个脉宽进行必要的补偿。

功率驱动单元包括H桥及输出滤波电路构成。H桥的对角两对VDMOS轮流导通对24VDC斩波，通过输出滤波器的整形，提取出50Hz交流电供给直线电机工作。

可控直线电机控制驱动电路具有两路直流电源输入分别是：24VDC、15VDC。24VDC为H桥驱动电路提供电源，同时24VDC通过两只电压调节器提供两路5VDC，其中电压调节器LM117输出的5VDC为CPU、组合逻辑电路、缓冲驱动电路，测量环境温度的传感器电路提供工作电源；为了保证A/D转换器（LTC1091）能稳定工作，采用精度较高的电压调节器LP2950为A/D转换器单独供5VDC电源。

补偿的方式：当环境温度升高，则制冷机的负载增加，那么脉宽调制增加SPWM的平均占空比，使控制器输出的交流电压升高,反之，则脉宽调制器减小SPWM的平均占空比，使控制器输出的交流电压降低；若电源电压下降，则脉宽调制器增加SPWM的平均占空比，使控制器输出的交流电压保持不变，就可以了，反之则脉宽调制器减小SPWM的平均占空比，也使控制器输出的交流电压保持不变,从而实现补偿。

SPWM到50Hz交流电的转变：脉宽调制器综合输出的SPWM（本电路中是调制了50Hz正弦信号的矩形波），SPWM经过缓冲驱动电路后，生成两路反相的SPWM，这两路SPWM再经过两只脉冲耦合变压器（有两个次级输出），生成四路SPWM，分别作为H桥的四只VMOS的控制信号。

电路参数设计

（1）温度信号读出单元，如图2所示。

温度信号读出单元由OP413单片四运放N3A、N3B、N3C、D3D和电阻、电容及外接测温二极管以及直流偏置电路构成。

偏置电路为测温二极管提供电流偏置。C点电压VC可由MCU控制在3.095V和1.652V两个参考电压状态变化，当MCU输出低电平，C点电压VC为3.095V；当MCU输出高电平，C点电压VC为1.652V。设二极管的电压降为VT，A点电压为VA，根据图2电路原理则可得到下式：

VE=VT×（R10/R7）－VA×（R10/R29）

VD=VB×（R13+R11//R29）/（R11//R29）－VE×（R13/R11）－VC×（R13/R29）

图2中电阻R23和R24为平衡电阻。由于VC可取两个值，则其中的单片四运放D3D起比较器的作用，这里称比较器D3D，比较器D3D可以在测温二极管的两个电压下进行比较输出，MCU利用这两次比较输出信号，通过软件实现慢启动功能。

慢启动阶段，C点电压V_C通过MCU设定为3.095V,同时MCU控制电路输出电压缓慢升高的交流电，制冷温度降低到使比较器D3D反转为高电平之后，MCU控制C点电压V_C转变为1.652V,则比较器反转为低电平，MCU此时控制电路输出稳定上升的交流电，直到比较器D3D再一次变为高电平，控制器此时锁定比较器D3D的变化，使输出交流电压跟随温度以保持恒温控制。

（2）脉宽调制单元，如图3所示。

脉宽调制单元主要由MCU(AT89C51)、温度传感器AD590、串行A/D转换器TLC1091、74HC40103可预置减法计数器D2、D3、74HC00与非门DIC、DID、串行数据存储器等元件构成，MCU时钟信号采用10MHz。

温度传感器AD590将环境温度通过串行A/D转换器TLC1091转化成数字量送给MCU，TLC1091的另一通道将电源采样电路的采样信号转化成数字量送给MCU，MCU根据环境温度和电源电压控制脉宽调制器的输出，达到控制输出交流电压；脉宽调制器中由MCU、两只可预置减法计数器74CHC40103和两只74HC00与非门构成组合逻辑，脉宽调制器的输出由两只计数器74CHC40103预置数决定，其中一只74CHC40103计数器的预置数为01100011（十进制数99，由硬件置数），决定了矩形波的周期为100KHz，另一只74CHC40103计数器的预置数由单片机按一定的规律提供（小于十进制数99），决定脉冲的宽度，则SPWM的波形完全可由MCU控制。

SPWM的波形产生电路如图3所示，CLK为时钟信号，可预置减法计数器D2和D3的14脚为减法计数结束标志，计数结束保持一个时钟周期的低电平，其他时间为高电平。15脚为预置数使能端，低电平有效。由图3电路可分析得出，两只可预置减法计数器D2、D3在可预置减法计数器D3结束时同时预置数，不同的是可预置减法计数器D3由硬件重复置数为：01100011，可预置减法计数器D2的预置数（Y）则由CPU在可预置减法计数器D3记数结束时按照一定的规律预置。与非门D1D、D1C构成一个触发器。令可预置减法计数器D3的输出信号为A，可预置减法计数器D2的输出信号为B，则触发器的输出信号为：输出真值表见表1，输出逻辑时序图见图4。由图4可以得出SPWM的占空比为：

D=（99-Y）/（99+1）。

表1触发器输出真值表:

由真值表可绘出Qn+1的输出（就是需要的SPWM）如图4所示。

（3）功率驱动单元

功率驱动单元由缓冲驱动电路及驱动保护电路、H桥及输出滤波电路部分组成。

缓冲驱动电路及驱动保护电路见图5。其中74AC240为反相驱动器D5、D6，具有反相驱动功能，和变压器T1、T2完成：由一路SPWM信号到四路SPWM信号的转变，分别为SPWM1、SPWM2、SPWM3、SPWM4。其中，SPWM1、SPWM2同幅同相，SPWM3、SPWM4同幅同相，而SPWM1、SPWM3同幅反相。

74AC126为同相驱动器D7，具有同相驱动功能，输入端由电路置为低电平，则同相驱动器D1工作时，输出为低电平。同相驱动器D1的使能端为高电平有效，反相驱动器的使能端为低电平有效，由于使用同一个使能信号EN，所以当74AC240反相驱动器工作的时候，产生四路有序的SPWM信号，则74AC126同相驱动器D1不工作。当74AC240反相驱动器不工作时，则74AC126同相驱动器D1工作，74AC126同相驱动器D1的四个输出端向脉冲耦合变压器T1、T2的初级输入端提供低电平，使H桥的四个VDMOS同时处于截止状态。如此可以避免H桥的误启动。

另外，该直线电机控制驱动电路具有一个慢启动功能，防止制冷机在降温阶段运动部件撞击到汽缸端部。当接通控制驱动电路时，慢启动功能就开始工作，输出电压慢慢升高，达到最大输出电压大约需3分钟。慢启动时间分两个阶段：在第一阶段输出电压在6秒内达到最大电压的一半；在第二阶段，输出电压慢慢升高一直达到最大输出电压（最大输出电压根据环境温度由软件调整）。当制冷温度到达设置的控温点15K之前时，慢启动功能不再起作用，控制器控制输出电压维持在一个低电压，使电机驱动变缓，制冷温度维持恒定。

在电路中，为了保证温度控制的精度，温度读出电路通过光电耦合器与控制单元隔离，使用独立电源供电。温度读出电路包括差动放大电路、光电耦合器和提供电源的电压调节器。测温二极管的电压降与被测温度成一种对应关系，脉宽调制器根据温度读出电路的输出信号和环境温度检测电路的输出及对电源电压的采样信号的大小，实行补偿，控制输出SPWM的各个脉冲宽度，使输出的交流电压有效值得到补偿，从而控制电机直线运动速率，实现温度控制。

将用于控制部分的温度信号读出单元和脉宽调制单元制作在一块PCB板上，将用于驱动部分的功率驱动单元制作在另一块PCB板上，实现控制部分和驱动部分物理分开，两块PCB之间通过上下排针互联，两块PCB之间还设置金属分隔板，有效地抑制了电磁噪声及相互干扰。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种可控直线电机控制驱动电路，其特征是，包括温度信号读出单元、脉宽调制单元、功率驱动单元部分；

温度信号读出单元的一端与脉宽调制单元连接，温度信号读出单元的另一端与外置的测温二极管连接；功率驱动单元的一端与脉宽调制单元连接，功率驱动单元的另一端与制冷机的直线电机连接；

所述的温度信号读出单元读取测温二极管的电压降，经处理后的输出信号通过光电耦合器输出到所述脉宽调制单元；

脉宽调制单元中的MCU根据温度信号读出单元的输出，控制组合逻辑电路产生SPWM波，并调节SPWM波形的脉冲宽度；

功率驱动单元包括缓冲驱动电路及驱动保护电路、H桥电路；脉宽调制单元产生的SPWM波经缓冲驱动电路及驱动保护电路后生成四路SPWM，分别作为H桥中的四只VDMOS管的控制信号，使VDMOS管轮流导通对24VDC斩波，通过输出滤波电路整形后提取出50Hz交流电压供给直线电机工作；

所述脉宽调制单元中由两只可预置减法计数器和两只与非门构成组合逻辑，

两只计数器在第一计数器D3结束时同时预置数，第一计数器D3重复置数为：01100011，第二计数器D2的预置数Y则由MCU在第一计数器D3记数结束时预置；

令第一计数器D3的输出信号为A，第二计数器D2的输出信号为B，则SPWM的输出信号为：

$\mathrm{Qn}+1=\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{A\·\mathrm{Qn}}\·B};$

SPWM的占空比D为：

D＝(99-Y)/(99+1)。

2.根据权利要求1所述的可控直线电机控制驱动电路，其特征是，SPWM到50Hz交流电的转变：脉宽调制单元输出的SPWM经过缓冲驱动电路后，生成两路反相的SPWM，这两路SPWM再经过两只有两个次级输出的脉冲耦合变压器，生成四路SPWM，分别作为H桥中的四只VDMOS的控制信号。

3.根据权利要求1所述的可控直线电机控制驱动电路，其特征是，脉宽调制单元中的MCU同时还根据环境温度信号和采样到的电源电压的大小，对SPWM的每个脉冲宽度进行补偿。

4.根据权利要求3所述的可控直线电机控制驱动电路，其特征是，所述补偿的方式为：当环境温度升高，则制冷机的负载增加，那么脉宽调制增加SPWM的平均占空比，使输出的交流电压升高；反之，则脉宽调制减小SPWM的平均占空比，使输出的交流电压降低；

若电源电压下降，则脉宽调制增加SPWM的平均占空比，使输出的交流电压保持不变；反之则脉宽调制减小SPWM的平均占空比，使输出的交流电压保持不变。

5.根据权利要求1所述的可控直线电机控制驱动电路，其特征是，缓冲驱动电路及驱动保护电路包括使用同一个使能信号的两个反相驱动器和一个同相驱动器；

所述同相驱动器的四个输出端分别对应与两个脉冲耦合变压器的初级输入端连接；同时，每个反相驱动器的四个输出端分别对应与一个脉冲耦合变压器的初级输入端连接；

每个脉冲耦合变压器耦合为两个次级输出端；次级输出端输出的SPWM信号控制H桥中的VDMOS管的导通或截止；两个脉冲耦合变压器次级输出端输出的两组SPWM信号为同幅反相，且任一脉冲耦合变压器次级输出端输出的两个SPWM信号同幅同相；

同相驱动器与反相驱动器的使能端有效信号相反；

反相驱动器的使能端有效时，脉冲耦合变压器输出端产生四路有序的SPWM信号，使H桥中的四个VDMOS管轮流导通；

同相驱动器的使能端有效时，同相驱动器的四个输出端向脉冲耦合变压器的初级输入端提供低电平，使H桥中的四个VDMOS管同时处于截止状态。