CN103683967A - 一种直线驱动器的宏微驱动电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线驱动器的宏微驱动电源及其控制方法，该电源包括控制电路、电压变换电路、放大电路、半桥模块、光耦隔离驱动电路，控制电路处理系统输入的信号，然后将产生的控制信号发送到放大电路和光耦隔离驱动电路。电压变换电路用于输出系统需要的各种幅值的直流电。放大电路用于输出半桥模块所需的幅值可调的直流高压电。半桥模块包括由六个IGBT构成的三路半桥拓扑结构电路，根据光耦隔离驱动电路给出的驱动信号，工作在宏驱动状态或微驱动状态，工作在宏驱动状态时，输出高频高压的交流电，工作在微驱动状态时，输出高压直流电。本发明实现了超声换能器驱动电源、压电陶瓷驱动电源一体化，输出具有交直流可变，频率、幅值可调等特点。

Description

一种直线驱动器的宏微驱动电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及超声功率电源研究领域，特别涉及一种直线驱动器的宏微驱动电源及其控制方法。

背景技术

目前大行程驱动和传动（精密丝杠传动、直线电机、音圈电机等）的精度一般限制在微米级。而以压电陶瓷微驱动为代表的微驱动器的定位精度能够达到纳米级，但行程只能达到几十微米。如何较好地实现大行程、高速机械运动系统的精密定位已成为一个亟待解决的问题。

现有高分辨率直线推进运动绝大部分由电磁电机完成，普遍借助于旋转电动机的旋转运动，加上滚珠丝杠而获得直线运动，再加上微动台，但是由于存在中间变换环节，导致了一系列不良后果，例如整个系统的体积和重量增加，效率降低，传动精度降低，同时还不可避免的存在传统电磁电机的诸多缺点，如电磁场干扰、体积庞大、结构复杂、传动链长等等，难以满足当今电子信息产业对直线电机精度、速度及结构等要求，使机构进一步小型化和提高运动精度都十分困难。

直线超声电机是直接将电能转换成直线运动机械能的新型电动机，具有直接驱动、易控制、低噪声、无磁场干扰、可以做到短、小、轻薄等独特的优点，因此在航空航天、光学仪器、武装装备、生物医疗、精密工业仪器、机器人等领域有广阔的应用前景。

如果借鉴现有微驱动和直线型超声电机原理和技术，将宏动与微动有机结合并集成创新为集宏微运动于一体的新型直线电机，同时实现宏微直线运动，就可以使传动系统体积变小、分辨率和可靠性提高，加上与之相适应的一套伺服控制系统，使其具有位置分辨率（可达纳米级）高、体积小、比推力大、控制简便、响应速度快、低噪声、可靠性好等特点。

新型宏微直线驱动器作为一种执行机构，需要与之对应的新型宏微驱动电源及控制方法。因为这不仅直接影响到新型直线驱动器的性能发挥，而且影响到新型直线驱动器的使用寿命。目前有关压电微驱动器及超声电机电源的研究很多，涉及到驱动电源的电路结构、超声频率信号发生器、驱动电源控制方式、供电方式等方面，并取得了一系列的成果。压电微驱动器及超声电机都是利用压电陶瓷的逆压电效应，把电能转换成机械能，纵观现有的压电微驱动器及超声电机驱动电源的研究现状，目前还没有相关文献或专利报道，试图把这两部分的驱动电源结合到一起实现新型宏微直线驱动器的驱动与控制。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种直线驱动器的宏微驱动电源，该电源解决了传统超声换能器与压电微驱动器不能共用驱动电源的问题，实现了超声换能器驱动电源、压电陶瓷驱动电源一体化，且其输出具有交直流可变、频率、幅值及相位可调等特点。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述宏微驱动电源的控制方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种直线驱动器的宏微驱动电源，包括控制电路、电压变换电路、放大电路、半桥模块、光耦隔离驱动电路，其中控制电路用于接收并处理系统输入的信号，然后产生的控制信号一路发送到放大电路，另一路经光耦隔离驱动电路进行信号隔离后，驱动半桥模块；电压变换电路用于向放大电路输出宏微驱动电源需要的各种幅值的直流，以及为宏微驱动电源中各芯片供电；放大电路包括数模转换电路及双级运算放大电路，放大电路用于在控制电路控制下输出半桥模块所需的幅值可调的直流高压电；半桥模块包括由六个IGBT构成的三路半桥拓扑结构电路，根据光耦隔离驱动电路给出的不同驱动信号，工作在宏驱动状态或微驱动状态，工作在宏驱动状态时，输出高频高压的交流电，工作在微驱动状态时，输出高压直流电。控制电路通过调节放大电路中双级运算放大电路即可实现对电源输出的频率、幅值及相位的调节，通过光耦隔离驱动电路和半桥模块中的半桥拓扑结构，可以实现交直流的转变，同时，通过控制电路控制，可以通过光耦隔离驱动电路驱动半桥模块工作在宏驱动状态或微驱动状态，实现了超声换能器驱动电源、压电陶瓷驱动电源一体化。

优选的，所述控制电路包括输入电路、控制器及状态显示模块，其中控制器用于接收输入电路的输入信号，并初始化宏微驱动电源的各项参数，作宏驱动时，初始化超声驱动信号的幅值、频率、相位和占空比；作微驱动时，初始化输出直流信号的幅值、方向；同时，根据输入信号的变化，改变输出信号的各项参数；所述输入电路包括模拟信号处理单元和数字信号处理单元，模拟信号处理单元采用电阻分压原理，输出模拟信号给控制器，用于改变控制电路输出信号的幅值、频率及相位差，数字信号处理单元利用开关输出数字信号给控制器，控制宏微驱动电源的宏微驱动切换；所述状态显示模块用于显示系统的所处状态。

作为一种优选的方式，所述电压变换电路包括升压变换模块和降压变换模块，其中升压变换模块包括依次相连的升压变压器、高压整流电路、高压稳压电路，降压变换模块包括依次相连的降压变压器、低压整流电路与低压稳压电路，用于对市电分别进行升压、降压变换，然后整流稳压后输出不同幅值的直流电。

更进一步的，所述升压变压器用于对市电AC220V进行升压变换，并且在升压后输出高压交流电；所述高压整流电路采用全桥整流电路，用于把高压交流电整流成高压直流；所述高压稳压电路采用集成稳压芯片构成的悬浮式调压技术，用于对高压整流电路输出的纹波较大的高压直流电进行稳压，并且将稳定后的高压直流输出到双级运算放大电路；所述降压变压器用于对市电AC220V进行降压变换，并且在降压后输出低压交流电；所述低压整流电路采用全桥整流电路，用于将低压交流电进行整流滤波后输出低压直流电；所述低压稳压电路采用包括若干种型号的集成稳压芯片的稳压电路，用于对低压整流电路输出的纹波较大的低压直流电进行稳压，输出幅值稳定的直流电，这些直流电作为宏微驱动电源中各芯片的供电电源。

优选的，所述放大电路中的数模转换电路采用集成数模转换芯片，用于将控制器输出的数字量转换成模拟量然后输出给双级运算放大电路；双级运算放大电路，采用双级放大结构，其中前置低压误差放大器采用双极性运算放大器集成电路，后置双端不对称电源供电的MOSFET运算放大器，用于放大信号的电压及功率，并将输出的连续可调的直流电供给半桥模块；控制器输出的信号包括12位数字信号及6路IGBT驱动信号，其中12位数字信号输送给数模转换电路，用于调节宏微驱动电源输出信号的幅值大小，6路IGBT驱动信号输送给光耦隔离驱动电路，经光耦隔离电路进行信号隔离放大后，输送给半桥模块。双极性运算放大器集成电路，用以获得较小的输入偏置电压与较高带宽，后置采用双端不对称电源供电的高压功率放大器用于获得大输出功率及高耐压特性。

作为另一种优选的方式，所述电压变换电路包括升压变换模块、独立电源模块和低压电源模块，其中升压变换模块包括依次相连的第一推挽逆变电路、高频升压变压器与高频整流电路，用于对24V直流电源进行DC-DC变换，然后输出高压直流电；独立电源模块包括依次相连的第二推挽逆变电路、若干路变压器、若干路低压整流稳压电路，低压整流稳压电路分别与光耦隔离驱动电路的上半桥驱动电路相连；低压电源模块包括低压稳压电路，该电路分别与控制器、输入电路、光耦隔离驱动电路的下半桥驱动电路、数模转换电路、双级运算放大电路相连，用于为上述各电路供电；控制器发送4路独立的控制信号经光耦隔离驱动电路进行信号隔离、放大后，将上述控制信号转换为驱动信号发送到第一推挽逆变电路和第二推挽逆变电路。

更进一步的，所述第一推挽逆变电路采用推挽拓扑结构，用于对低压直流电进行高频逆变；所述高频升压变压器用于对第一推挽逆变电路输出的低压交流信号进行升压，并且在升压后输出高频高压的交流电；所述高频整流电路为全桥整流电路，用于将高频升压变压器输出的高频高压交流电整流滤波后输出高压直流电，并且将高压直流作为双级运算放大电路的直流输入；

所述第二推挽逆变电路采用推挽拓扑结构，用于对低压直流电进行逆变；变压器用于对第二推挽逆变电路输出的交流信号进行隔离，并且在变压器二次端输出交流电；低压整流稳压电路为全桥整流电路，用于将变压器输出的交流电整流滤波后输出直流电，并且将输出的直流作为光耦隔离驱动电路上半桥驱动电路的独立供电电源；

所述低压稳压电路采用集成稳压芯片，用于对低压直流输入进行降压稳压，输出各种低压幅值稳定的直流电，这些直流电作为宏微驱动电源中各芯片的供电电源。

优选的，所述放大电路中的数模转换电路采用集成数模转换芯片，用于将控制器输出的数字量转换成模拟量，作为双级运算放大电路的输入；双级运算放大电路，采用双级放大结构，其中前置低压误差放大器采用非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，后置采用单电源供电的高压功率放大器；控制器输出的信号包括12位数字信号及10路IGBT驱动信号，其中12位数字信号输送给数模转换电路，用于调节宏微驱动电源输出信号的幅值大小，10路IGBT驱动信号输送给光耦隔离驱动电路，经光耦隔离驱动电路进行信号隔离、放大后，将其中的6路IGBT驱动信号用于驱动半桥模块，另外4路IGBT驱动信号用于驱动第一推挽逆变电路和第二推挽逆变电路。

优选的，所述半桥模块的输入电源为双级运算放大电路输出的高压直流电，其有3个输出端，分别为第一输出端、COM端、第二输出端；半桥模块包括六个IGBT，分别为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，上述6个IGBT组成三路半桥拓扑结构；Q1、Q2构成一半桥电路，Q5及Q6构成一半桥电路，二者结构相同。

优选的，所述光耦隔离驱动电路由若干片IGBT门驱动光电耦合器组成，其中上半桥光耦隔离驱动电路包括3个IGBT门驱动光电耦合器，分别由专门的独立电源供电。

一种基于上述宏微驱动电源的控制方法，包括步骤：

（1）用户通过控制电路中的输入电路输入要工作的状态和参数，控制电路中的控制器根据上述状态和参数对外输出控制信号，一路发送到放大电路，另一路经光耦隔离驱动电路进行信号隔离、放大后输出给半桥模块；

（2）电压变换电路向放大电路输出宏微驱动电源需要的直流高压电，并向宏微驱动电源中各芯片提供需要的各种幅值的直流电；

（3）放大电路根据控制信号对电压变换电路输入的直流幅值进行调整，然后将直流高压电发送到半桥模块；

（4）光耦隔离驱动电路根据控制电路所发送的控制信号，对半桥模块中的六个IGBT分别进行驱动，使半桥模块工作在宏驱动状态时，输出频率、幅值、占空比均可调的高频高压的交流电，工作在微驱动状态时，输出幅值可调、方向可变的高压直流电。

优选的，所述半桥模块的输入电源为放大电路中双级运算放大电路输出的高压直流电，其有3个输出端，分别为第一输出端、COM端、第二输出端；半桥模块包括六个IGBT，分别为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，上述6个IGBT组成三路半桥拓扑结构；Q1、Q2构成一半桥电路，Q5及Q6构成一半桥电路，二者结构相同；

作宏驱动时，Q3、Q4处于截止状态，Q1、Q2、Q5及Q6组成的两路半桥逆变结构工作在DC—AC逆变状态，采用PWM或PFM控制方式，第一输出端、第二输出端均对外输出高频高压的交流电；第一输出端、第二输出端输出的高压交流电的峰峰值随着双极运算放大电路输出的高压直流电的幅值改变而改变；

作微驱动时，当Q4处于导通状态，Q3处于截止状态，若Q5导通，则在第一输出端输出高压直流电，若Q1导通，则在第二输出端输出高压直流电，若Q5、Q1同时导通，则在第一、二输出端同时输出高压直流电；当Q3处于导通状态，Q4处于截止状态，若Q6导通，则在第一输出端输出方向相反的高压直流电，若Q2导通，则在第二输出端输出方向相反的高压直流电，若Q2、Q6导通，则在第一输出端、第二输出端同时输出方向相反的高压直流电；第一输出端、第二输出端输出高压直流电的幅值随着双极运算放大电路输出的高压直流电的幅值改变而改变。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明中半桥模块采用三路半桥拓扑机构作为新型直线驱动器电路结构，同时控制器作为超声频率信号发生器和信号处理器，功能上包括了压电微驱动器及超声电机电源的功能，而且还可以根据实际的需要单独作为超声电机或者压电微驱动器的电源。电路结构与传统的超声电机驱动电源相比，不仅能实现宽频输出、相位可调，而且幅值可变。与压电微驱动器驱动电源相比，不仅能实现输出电压线性可调，而且输出电压纹波小。系统不仅可以满足新型直线驱动器的宏微驱动的要求，也可以满足超声电机或者压电微驱动器的驱动电源的要求，从而扩大了驱动电源的应用范围。

2、本发明中的放大电路采用双级放大结构，放大器输出的高压直流连续可调，放大电路输出的电压是作为半桥模块的输入电源，使得半桥模块的输入电源可调，因此可以借此改变驱动电源输出信号的幅值，即在作宏驱动时，不仅能实现宽频输出，而且输出的幅值、相位都可调，能驱动各种频率的超声电机以及需要两相驱动信号的超声波电机。作微驱动时，输出的高压直流线性可调，能驱动各种压电微驱动器。

3、本发明中半桥模块采用三路半桥结构，解决了电路输出交、直流不同信号的问题，能同时实现超声电机、压电微驱动器的驱动电源的功能。

4、本发明当作为超声电机驱动电源时，其输出交流电的频率、相位、幅值可调，当作为压电微驱动器驱动电源时，其幅值可调，方向可变。

附图说明

图1为实施例1的系统原理框图；

图2为实施例1中输入电路的电路原理图；

图3为实施例1中升压变换模块的电路原理图；

图4为实施例1中降压变换模块的电路原理图；

图5为实施例1中数模转换电路的电路原理图；

图6为实施例1中双级运算放大电路的电路原理图；

图7为实施例1中光耦隔离驱动电路的电路原理图；

图8为实施例1中光耦隔离驱动电路上半桥驱动电路所对应的专门的独立电源的电路原理图；

图9为实施例1中半桥模块的电路原理图；

图10为实施例2的系统原理框图；

图11为实施例2中升压变换模块的电路原理图；

图12为实施例2光耦隔离驱动电路上半桥驱动电路所对应的专门的独立电源的电路原理图；

图13为实施例2双级运算放大电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例直线驱动器的宏微驱动电源，包括控制电路、电压变换电路、放大电路、半桥模块、光耦隔离驱动电路和两个匹配电路，其中控制电路包括一控制器、一输入电路和一状态显示模块。电压变换电路包括升压变换模块和降压变换模块，其中升压变换模块一升压变压器、一高压整流电路、一高压稳压电路，降压变换模块包括一降压变压器、一低压整流电路、一低压稳压电路。放大电路包括一数模转换电路和一双级运算放大电路。半桥模块包括由六个IGBT（Q1～Q6）构成的三路半桥拓扑结构电路，半桥模块有3个输出端，分别为第一输出端（A端）、COM端、第二输出端（B端）。控制器分别与输入电路、状态显示模块、数模转换电路及光耦隔离驱动电路相连，升压变压器、高压整流电路、高压稳压电路依次相连，高压稳压电路与双级运算放大电路相连，降压变压器、低压整流电路、低压稳压电路依次相连，低压稳压电路分别与数模转换电路及双级运算放大电路相连，数模转换电路与双级运算放大电路相连，双级运算放大电路与半桥模块相连，光耦隔离驱动电路与半桥模块相连，半桥模块第一输出端、第二输出端分别与一匹配电路相连。此外，低压稳压电路分别与控制器、输入电路、光耦隔离驱动电路相连，用于为上述模块供电。

本实施例中，控制电路还包括一个人机界面模块，用户能够通过人机界面模块中的键盘及鼠标准确设定宏微驱动电源的运行参数，还可以包括一个通信接口，便于系统进行升级。

本实施例中，控制电路包括输入电路、控制器及状态显示模块，其中控制器可以采用DSP、ARM或者单片机等高性能微处理器来实现，用于接收输入电路的输入信号，并初始化宏微驱动电源的各项参数，作宏驱动时，初始化超声驱动信号的幅值、频率、相位和占空比；作微驱动时，初始化输出直流信号的幅值、方向；同时，根据输入信号的变化，改变输出信号的各项参数；所述状态显示模块采用液晶显示模块或者PC机中的专用人机界面显示模块，二者可单独使用，用于显示系统的所处状态。所述输入电路包括模拟信号处理单元和数字信号处理单元，模拟信号处理单元采用电阻分压原理，输出模拟信号给控制器，用于改变控制电路输出信号的幅值、频率及相位差，数字信号处理单元利用开关输出数字信号给控制器，控制宏微驱动电源的宏微驱动切换，输入电路的原理图如图2所示。

本实施例中，电压变换电路中的升压变换模块电路原理如图3所示，其中升压变压器用于对市电AC220V进行升压变换，并且在升压后输出高压交流电。高压整流电路采用全桥整流电路，用于把高压交流电整流成高压直流。高压稳压电路采用集成稳压芯片构成的悬浮式调压技术，用于对高压整流电路输出的纹波较大的高压直流电进行稳压，并且将稳定后的高压直流输出到双级运算放大电路。

本实施例中，电压变换电路中的降压变换模块电路原理如图4所示，其中降压变压器用于对市电AC220V进行降压变换，并且在降压后输出低压交流电。低压整流电路采用全桥整流电路，用于将低压交流电进行整流滤波后输出低压直流电。低压稳压电路采用包括多种型号的集成稳压芯片的稳压电路，用于对低压整流电路输出的纹波较大的低压直流电进行稳压，输出幅值为-25V、-15V、3.3V、5V、10V、12V、15V等稳定的直流电，这些直流电作为宏微驱动电源中各芯片的供电电源。

本实施例中，放大电路中的数模转换电路的电路原理如图5所示，采用集成数模转换芯片，用于将控制器输出的数字量转换成模拟量然后输出给双级运算放大电路。

本实施例中，放大电路中的双级运算放大电路的电路原理如图6所示，采用双级放大结构，其中前置低压误差放大器采用低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，用于获得较小的输入偏置电压及较高的带宽，后置双端不对称电源供电的高压功率放大器，采用高压、大带宽的MOSFET运算放大器，用于放大信号的电压及功率，并将输出的连续可调的直流电供给半桥模块，用于获得大输出功率及高耐压特性。控制器输出的信号包括12位数字信号及6路IGBT驱动信号，其中12位数字信号输送给数模转换电路，用于调节宏微驱动电源输出信号的幅值大小。

本实施例中，光耦隔离驱动电路的电路原理如图7所示，用于对控制器输出的6路IGBT的控制信号进行信号隔离、放大，然后输送给半桥模块，输出的驱动信号S1～S6控制Q1～Q6的IGBT的通断。其中，光耦隔离驱动电路包括上半桥驱动电路和下半桥驱动电路，上半桥驱动电路包括3个IGBT门驱动光电耦合器，分别由专门的独立电源供电，对应分别驱动Q1、Q3、Q5开关管。,每个IGBT门驱动光电耦合器对应采用的专门的独立电源的电路原理如图8所示，该独立电源直接与AV220V连接。下半桥驱动电路也包括3个IGBT门驱动光电耦合器，采用统一电源供电，对应分别驱动Q2、Q4、Q6开关管。

本实施例中，半桥模块的电路原理如图9所示，由6个IGBT构成的三路半桥电路组成，其中由Q1、Q2构成的半桥电路与Q5、Q6构成的半桥电路结构相同，实现的功能也相同。

本实施例的目的是：以交流市电220V作为电源输入，通过降压变换、整流、稳压后，输出-25V、-15V、3.3V、5V、10V、12V、15V等直流，给各个集成芯片供电；通过升压变换、整流、稳压后，输出430V的直流电，给双级运算放大电路供电，双级运算放大电路输出的可调电压给半桥电路供电，通过控制器输出特定的控制信号，即可实现电路分时输出两相交流电及高压直流电。

本实施例的工作流程为：

（1）上电后，由控制器初始化各个模块，初始化输入模块、数模转换电路及光耦隔离驱动电路。

（2）初始化后，控制器检测输入电路的各输入信号，根据输入电路的数字控制信号，决定是作宏驱动还是微驱动。根据输入电路的模拟控制信号，启动AD转换，根据转换后的数字信号，输出信号到数模转换电路及光耦隔离驱动电路。当作宏驱动时，控制器需要初始化宏驱动的参数，即初始化宏驱动信号的频率、相位、占空比及电压峰峰值。当作微驱动时，控制器需要初始化微驱动的参数，即初始化微驱动输出的直流电压幅值及方向。

（3）当作宏驱动时，初始化完参数后，控制器产生的幅值控制信号经数模转换电路转换后，输送给双级运算放大电路，经双级运算放大电路线性放大后，输出可调高压直流，这个可调高压直流作为半桥模块的直流输入。控制器输出的宏驱动信号经光耦隔离驱动电路进行信号隔离、放大后输出给半桥模块，输出的驱动信号S1～S6控制Q1～Q6的IGBT的通断。其中Q3、Q4处于截止状态，由Q1、Q2、Q5及Q6组成的两路半桥工作在DC-AC逆变状态，将高压直流逆变直接输出，在A端、B端两端输出高频高压的交流电，可用PWM、PFM控制方式，改变A、B端输出交流电的频率、相位差等，改变双极运算放大电路输出的高压直流电的幅值，就可以改变A、B两端输出交流电的峰峰值。A、B端输出交流电分别通过一匹配电路后，驱动新型直线驱动器或者各种超声电机。

（4）当作微驱动时，初始化完参数后，控制器产生的幅值控制信号经数模转换电路转换后，输送给双级运算放大电路，经双级运运算放大电路线性放大后，输出可调的高压直流电，这个可调高压直流电作为半桥模块的输入电源。控制器输出的微驱动信号经光耦隔离驱动电路进行信号隔离、放大后输出给半桥模块。半桥模块中，当Q4处于导通状态，Q3处于截止状态，若Q5导通，则在第一输出端输出高压直流电，若Q1导通，则在第二输出端输出高压直流电，若Q5、Q1同时导通，则在第一、二输出端同时输出高压直流电；当Q3处于导通状态，Q4处于截止状态，若Q6导通，则在第一输出端输出方向相反的高压直流电，若Q2导通，则在第二输出端输出方向相反的高压直流电，若Q2、Q6导通，则能在第一输出端、第二输出端输出方向相反的高压直流电；第一输出端、第二输出端输出高压直流电的幅值随着双极运算放大电路输出的高压直流电的幅值改变而改变。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：如图10所示，本实施例直线驱动器的宏微驱动电源，包括控制电路、电压变换电路、放大电路、半桥模块、光耦隔离驱动电路和两个匹配电路。与实施例1相比有以下区别：电压变换电路包括升压变换模块、独立电源模块和低压电源模块，其中升压变换模块包括依次相连的第一推挽逆变电路、高频升压变压器与高频整流电路，独立电源模块包括第二推挽逆变电路、若干路变压器、若干路低压整流稳压电路。低压电源模块包括低压稳压电路。高频整流电路与双级运算放大电路相连，低压整流稳压电路与光耦隔离驱动电路的上半桥驱动电路分别相连，低压稳压电路分别与控制器、输入电路、光耦隔离驱动电路的下半桥驱动电路、数模转换电路、双级运算放大电路相连，用于为上述各电路供电。

本实施例中，电压变换电路中的升压变换模块电路原理如图11所示，升压变换模块用于对24V直流电源进行DC-DC变换，然后输出高压直流电。其中第一推挽逆变电路采用推挽拓扑结构，用于对低压直流电进行高频逆变。控制器发送2路独立的控制信号经光耦隔离驱动电路进行信号隔离放大后，将控制信号转换为驱动信号发送到第一推挽逆变电路。高频升压变压器用于对第一推挽逆变电路输出的低压交流信号进行升压，并且在升压后输出高频高压的交流电。高频整流电路为全桥整流电路，用于将高频升压变压器输出的高频高压交流电整流滤波后输出高压直流电，并且将高压直流作为双级运算放大电路的直流输入。

本实施例中，电压变换电路中的独立电源模块电路原理如图12所示，独立电源模块采用三路DC_DC变换结构，独立电源模块用于对24V直流电源进行DC-DC变换，然后输出三路独立直流电。其中第二推挽逆变电路采用推挽拓扑结构，用于对低压直流电进行逆变。控制器发送2路独立的控制信号经光耦隔离驱动电路进行信号隔离放大后，将控制信号转换为驱动信号发送到第二推挽逆变电路。三个变压器用于对第二推挽逆变电路输出的交流信号进行隔离，并且在变压器二次端输出交流电。三路低压整流稳压电路为全桥整流电路，用于将变压器输出的交流电整流滤波后输出直流电，并且将输出的直流作为光耦隔离驱动电路上半桥驱动电路的独立供电电源。

本实施例中，低压稳压电路采用多片三端集成稳压芯片，用于对低压直流输入进行降压稳压，输出幅值为3.3V、5V、10V、15V等稳定的直流电，这些幅值的直流电作为各芯片的供电电源。

本实施例中，双级运算放大电路原理如图13所示，采用双级放大结构，其中前置低压误差放大器采用低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，后置采用单电源供电的高压功率放大器；控制器输出的信号包括12位数字信号及10路IGBT驱动信号，其中12位数字信号输送给数模转换电路，用于调节宏微驱动电源输出信号的幅值大小，10路IGBT驱动信号输送给光耦隔离驱动电路，经光耦隔离驱动电路进行信号隔离、放大后，将其中的6路IGBT驱动信号用于驱动半桥模块，另外4路IGBT驱动信号用于驱动第一推挽逆变电路和第二推挽逆变电路。

本实施例中，光耦隔离驱动电路用于放大控制器产生的10路驱动信号，并将隔离放大后的驱动信号S1～S6输送给半桥模块的Q1～Q6，另外4路输送给第一推挽逆变电路和第二推挽逆变电路。光耦隔离驱动电路由若干片IGBT门驱动光电耦合器组成，光耦隔离驱动电路的电路原理如图7所示，光耦隔离驱动电路输出的驱动信号S1～S6分别控制Q1～Q6的IGBT的通断，另外4路分别控制两个推挽电路的4个IGBT的通断。

本实施例的目的是：以DC24V作为电源输入，通过稳压后，输出3.3V、5V、10V、15V及三路独立的15V等直流，给各个集成芯片供电；通过DC-AC逆变、升压、整流后，输出430V的直流电，给双级运算放大电路供电，双级运算放大电路输出的可调电压给半桥电路供电，通过控制器输出特定的控制信号，即可实现电路分时输出两相交流电及高压直流电。

本实施例的工作流程为：

（1）上电后，由控制器初始化各个模块，初始化输入模块、数模转换电路及光耦隔离驱动电路。

（2）初始化完成后，控制器输出4路PWM脉冲波形，经过光耦隔离驱动电路进行信号隔离放大后，输出给第一推挽逆变电路和第二推挽逆变电路，其中第一推挽逆变电路将低压直流电进行高频逆变，经高频升压器升压后输出高频高压的交流信号，此信号再经高频整流电路整流滤波后输出高压直流电作为双级运算放大电路的高压直流输入；第二推挽电路对低压直流电进行逆变，然后经三路变压器隔离，信号通过三路低压整流稳压电路稳压后输出三路独立的15V直流电，此三路独立的直流电作为光耦隔离驱动电路上半桥驱动电路的供电电源。

（3）初始化后，控制器检测输入电路的各输入信号，根据输入电路的数字控制信号，决定是作宏驱动还是微驱动。根据输入电路的模拟控制信号，启动控制器内部的AD转换，根据转换后的数字信号，输出信号到数模转换电路及光耦隔离驱动电路。当作宏驱动时，控制器需要初始化宏驱动的参数，即初始化宏驱动信号的频率、相位、占空比及电压峰峰值。当作微驱动时，控制器需要初始化微驱动的参数，即初始化微驱动输出的直流电压幅值及方向。

（4）根据实施例1中的步骤，通过控制半桥模块中各个IGBT的通断实现宏驱动或微驱动。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直线驱动器的宏微驱动电源，其特征在于，包括控制电路、电压变换电路、放大电路、半桥模块、光耦隔离驱动电路，其中控制电路用于接收并处理系统输入的信号，然后产生的控制信号一路发送到放大电路，另一路经光耦隔离驱动电路进行信号隔离后，驱动半桥模块；电压变换电路用于向放大电路输出宏微驱动电源需要的各种幅值的直流电，以及为宏微驱动电源中各芯片供电；放大电路包括数模转换电路及双级运算放大电路，放大电路用于在控制电路控制下输出半桥模块所需的幅值可调的直流高压电；半桥模块包括由六个IGBT构成的三路半桥拓扑结构电路，根据光耦隔离驱动电路给出的不同驱动信号，工作在宏驱动状态或微驱动状态，工作在宏驱动状态时，输出高频高压的交流电，工作在微驱动状态时，输出高压直流电。

2.根据权利要求1所述的直线驱动器的宏微驱动电源，其特征在于，所述控制电路包括输入电路、控制器及状态显示模块，其中控制器用于接收输入电路的输入信号，并初始化宏微驱动电源的各项参数，作宏驱动时，初始化超声驱动信号的幅值、频率、相位和占空比；作微驱动时，初始化输出直流信号的幅值、方向；同时，根据输入信号的变化，改变输出信号的各项参数；

所述输入电路包括模拟信号处理单元和数字信号处理单元，模拟信号处理单元采用电阻分压原理，输出模拟信号给控制器，用于改变控制电路输出信号的幅值、频率及相位差，数字信号处理单元利用开关输出数字信号给控制器，控制宏微驱动电源的宏微驱动切换；

所述状态显示模块用于显示系统的所处状态；

所述半桥模块的输入电源为双级运算放大电路输出的高压直流电，其有3个输出端，分别为第一输出端、COM端、第二输出端；半桥模块包括六个IGBT，分别为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，上述6个IGBT组成三路半桥拓扑结构；Q1、Q2构成一半桥电路，Q5及Q6构成一半桥电路，二者结构相同；

所述光耦隔离驱动电路由若干片IGBT门驱动光电耦合器组成，其中上半桥光耦隔离驱动电路包括3个IGBT门驱动光电耦合器，分别由专门的独立电源供电。

3.根据权利要求1所述的直线驱动器的宏微驱动电源，其特征在于，所述电压变换电路包括升压变换模块和降压变换模块，其中升压变换模块包括依次相连的升压变压器、高压整流电路、高压稳压电路，降压变换模块包括依次相连的降压变压器、低压整流电路与低压稳压电路，用于对市电分别进行升压、降压变换，然后整流稳压后输出不同幅值的直流电。

4.根据权利要求3所述的直线驱动器的宏微驱动电源，其特征在于，所述升压变压器用于对市电AC220V进行升压变换，并且在升压后输出高压交流电；所述高压整流电路采用全桥整流电路，用于把高压交流电整流成高压直流；所述高压稳压电路采用集成稳压芯片构成的悬浮式调压技术，用于对高压整流电路输出的纹波较大的高压直流电进行稳压，并且将稳定后的高压直流输出到双级运算放大电路；所述降压变压器用于对市电AC220V进行降压变换，并且在降压后输出低压交流电；所述低压整流电路采用全桥整流电路，用于将低压交流电进行整流滤波后输出低压直流电；所述低压稳压电路采用包括若干种型号的集成稳压芯片的稳压电路，用于对低压整流电路输出的纹波较大的低压直流电进行稳压，输出幅值稳定的直流电，这些直流电作为宏微驱动电源中各芯片的供电电源。

5.根据权利要求4所述的直线驱动器的宏微驱动电源，其特征在于，所述放大电路中的数模转换电路采用集成数模转换芯片，用于将控制器输出的数字量转换成模拟量然后输出给双级运算放大电路；双级运算放大电路，采用双级放大结构，其中前置低压误差放大器采用双极性运算放大器集成电路，后置双端不对称电源供电的MOSFET运算放大器，用于放大信号的电压及功率，并将输出的连续可调的直流电供给半桥模块；控制器输出的信号包括12位数字信号及6路IGBT驱动信号，其中12位数字信号输送给数模转换电路，用于调节宏微驱动电源输出信号的幅值大小，6路IGBT驱动信号输送给光耦隔离驱动电路，经光耦隔离电路进行信号隔离放大后，输送给半桥模块。

6.根据权利要求1所述的直线驱动器的宏微驱动电源，其特征在于，所述电压变换电路包括升压变换模块、独立电源模块和低压电源模块，其中升压变换模块包括依次相连的第一推挽逆变电路、高频升压变压器与高频整流电路，用于对24V直流电源进行DC-DC变换，然后输出高压直流电；独立电源模块包括依次相连的第二推挽逆变电路、若干路变压器、若干路低压整流稳压电路，低压整流稳压电路分别与光耦隔离驱动电路的上半桥驱动电路相连；低压电源模块包括低压稳压电路，该电路分别与控制器、输入电路、光耦隔离驱动电路的下半桥驱动电路、数模转换电路、双级运算放大电路相连，用于为上述各电路供电；控制器发送4路独立的控制信号经光耦隔离驱动电路进行信号隔离、放大后，将上述控制信号转换为驱动信号发送到第一推挽逆变电路和第二推挽逆变电路。

7.根据权利要求6所述的直线驱动器的宏微驱动电源，其特征在于，所述第一推挽逆变电路采用推挽拓扑结构，用于对低压直流电进行高频逆变；所述高频升压变压器用于对第一推挽逆变电路输出的低压交流信号进行升压，并且在升压后输出高频高压的交流电；所述高频整流电路为全桥整流电路，用于将高频升压变压器输出的高频高压交流电整流滤波后输出高压直流电，并且将高压直流作为双级运算放大电路的直流输入；

所述第二推挽逆变电路采用推挽拓扑结构，用于对低压直流电进行逆变；变压器用于对第二推挽逆变电路输出的交流信号进行隔离，并且在变压器二次端输出交流电；低压整流稳压电路为全桥整流电路，用于将变压器输出的交流电整流滤波后输出直流电，并且将输出的直流作为光耦隔离驱动电路上半桥驱动电路的独立供电电源；

所述低压稳压电路采用集成稳压芯片，用于对低压直流输入进行降压稳压，输出各种低压幅值稳定的直流电，这些直流电作为宏微驱动电源中各芯片的供电电源。

8.根据权利要求7所述的直线驱动器的宏微驱动电源，其特征在于，所述放大电路中的数模转换电路采用集成数模转换芯片，用于将控制器输出的数字量转换成模拟量，作为双级运算放大电路的输入；双级运算放大电路，采用双级放大结构，其中前置低压误差放大器采用非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，后置采用单电源供电的高压功率放大器；控制器输出的信号包括12位数字信号及10路IGBT驱动信号，其中12位数字信号输送给数模转换电路，用于调节宏微驱动电源输出信号的幅值大小，10路IGBT驱动信号输送给光耦隔离驱动电路，经光耦隔离驱动电路进行信号隔离、放大后，将其中的6路IGBT驱动信号用于驱动半桥模块，另外4路IGBT驱动信号用于驱动第一推挽逆变电路和第二推挽逆变电路。

9.一种基于权利要求1所述的直线驱动器的宏微驱动电源的控制方法，根据，其特征在于，包括步骤：

（1）用户通过控制电路中的输入电路输入要工作的状态和参数，控制电路中的控制器根据上述状态和参数对外输出控制信号，一路发送到放大电路，另一路经光耦隔离驱动电路进行信号隔离、放大后输出给半桥模块；

（2）电压变换电路向放大电路输出宏微驱动电源需要的直流高压电，并向宏微驱动电源中各芯片提供需要的各种幅值的直流电；

（3）放大电路根据控制信号对电压变换电路输入的直流幅值进行调整，然后将直流高压电发送到半桥模块；

（4）光耦隔离驱动电路根据控制电路所发送的控制信号，对半桥模块中的六个IGBT分别进行驱动，使半桥模块工作在宏驱动状态时，输出频率、幅值、占空比均可调的高频高压的交流电，工作在微驱动状态时，输出幅值可调、方向可变的高压直流电。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述半桥模块的输入电源为放大电路中双级运算放大电路输出的高压直流电，其有3个输出端，分别为第一输出端、COM端、第二输出端；半桥模块包括六个IGBT，分别为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，上述6个IGBT组成三路半桥拓扑结构；Q1、Q2构成一半桥电路，Q5及Q6构成一半桥电路，二者结构相同；

作宏驱动时，Q3、Q4处于截止状态，Q1、Q2、Q5及Q6组成的两路半桥逆变结构工作在DC—AC逆变状态，采用PWM或PFM控制方式，第一输出端、第二输出端均对外输出高频高压的交流电；第一输出端、第二输出端输出的高压交流电的峰峰值随着双极运算放大电路输出的高压直流电的幅值改变而改变；

作微驱动时，当Q4处于导通状态，Q3处于截止状态，若Q5导通，则在第一输出端输出高压直流电，若Q1导通，则在第二输出端输出高压直流电，若Q5、Q1同时导通，则在第一、二输出端同时输出高压直流电；当Q3处于导通状态，Q4处于截止状态，若Q6导通，则在第一输出端输出方向相反的高压直流电，若Q2导通，则在第二输出端输出方向相反的高压直流电，若Q2、Q6导通，则在第一输出端、第二输出端同时输出方向相反的高压直流电；第一输出端、第二输出端输出高压直流电的幅值随着双极运算放大电路输出的高压直流电的幅值改变而改变。

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