CN104868365A - 一种数字化负离子发生器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化负离子发生器，包括功率变换电路、主控制器和电压转换电路，以及保护电路和负高压反馈电路；功率变换电路由依次连接的LC半桥谐振电路、压电陶瓷变压器和二倍压电路组成；保护电路包括过流保护电路和过热保护电路；负高压反馈电路由依次连接的分压电路、半波整流电路和电压限幅电路组成；主控制器的输入端还接有A/D转换电路，A/D转换电路的输入端还接有电压给定电路；主控制器的输出端接有驱动电路，LC半桥谐振电路与驱动电路的输出端连接；本发明还公开了一种数字化负离子发生器的控制方法。本发明设计新颖合理，工作可靠性高，功能完备，故障率低，可维护性强，实用性强，便于推广使用。

Description

一种数字化负离子发生器及其控制方法

技术领域

本发明属于空气净化器技术领域，具体涉及一种数字化负离子发生器及其控制方法。

背景技术

随着环境污染的日益严重和人们环境意识的加强，空气质量己成为全世界关注的焦点。尤其在最近，全国各大城市公布的PM值都在2.0以上，甚至超过了2.5，这将会直接威胁到我们的生命与健康。

作为人们居住的室内环境，同样地受到大气环境质量的影响，不仅如此，更受到室内具体环境的直接影响，但其污染因素越来越不明显，情况也不容乐观。室内空气污染主要是由于各种原因导致室内空气有害物质超标，因而影响人体健康状况，随着污染程度的加剧，人体会产生亚健康状态。家具问题、建筑问题、装饰装修问题等都已经成为室内环境污染的三大主要问题。

随着空气有害物质的种类和数量的不断增加，国内外对空气净化器产品的不断研制和生产，越来越多的室内空气净化器产品走向市场，按照净化原理可分为:机械过滤式与吸附式净化器、静电式净化器、负离子空气净化器。其技术特点如下:

机械过滤式与吸附式空气净化器，是通过风机换气加压，空气逐层透过过滤材料，主要净化了颗粒状污染物，净化效果根据设计的过滤材料和性质决定，当然局限性很大，不能彻底过滤有害化学物质和杀菌作用。

静电式空气净化器，是一种通过静电使空气中污染物带电，然后用集尘装置捕集吸附了带电粒子的空气尘埃，达到净化空气目的。但是这种净化器不仅成本和运行费用较高还会造成二次污染。

负离子发生器利用自身产生的负离子实现对空气的净化。空气的主要成分是氮和氧，通常氮、氧分子电性能呈中性，所带正、负电荷相等。空气负离子是指空气中带负电荷的分子或原子。但当空气分子电离产生的电子和氧分子结合后，即可形成化学性质活泼的负氧离子。负氧离子在未和其他物质发生快速反应前，可通过呼吸、神经和血液系统作用于人体，改善肺功能、促进新陈代谢、增强抗病能力、改善睡眠、杀灭病毒和细菌、得到清新空气、消烟除尘，改善室内的空气质量状况。而且它的副作用较小，杀菌效果明显，得到了广泛的认同。而目前市场上常见的负离子发生器均由模拟器件搭建构成，该种负离子发生器虽然具有电路简单、价格低廉的优点，但同时也存在故障率偏高、温漂严重、常常因为温升过高导致离子发生器失效等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电路结构简单、设计新颖合理、工作可靠性高、功能完备、故障率低、可维护性强、实用性强的数字化负离子发生器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种数字化负离子发生器，其特征在于：包括用于将24V直流电源输出的24V直流电压变换为-6.5kV～-11kV的直流负高压的功率变换电路、用于对功率变换电路进行控制的主控制器和用于为数字化负离子发生器中各用电电路供电的电压转换电路，以及保护电路和用于将所述功率变换电路输出的直流负高压信号反馈给主控制器的负高压反馈电路；所述功率变换电路由依次连接的LC半桥谐振电路、压电陶瓷变压器和二倍压电路组成，所述LC半桥谐振电路与24V直流电源的输出端连接；所述保护电路包括与LC半桥谐振电路的电流信号采样端连接且用于对压电陶瓷变压器过流进行保护的过流保护电路和用于对压电陶瓷变压器过热进行保护的过热保护电路；所述负高压反馈电路由依次连接的分压电路、半波整流电路和电压限幅电路组成，所述分压电路的输入端与二倍压电路的输出端连接；所述过流保护电路的输出端与主控制器的输入端相接，所述主控制器的输入端还接有A/D转换电路，所述过热保护电路的输出端和电压限幅电路的输出端均与A/D转换电路的输入端连接，所述A/D转换电路的输入端还接有用于给定所述功率变换电路输出的直流负高压大小的电压给定电路；所述主控制器的输出端接有驱动电路，所述LC半桥谐振电路与驱动电路的输出端连接；所述电压转换电路包括用于将24V直流电源输出的24V直流电压转换为5V的5V电压转换电路、用于将5V电压转换电路输出的5V直流电压转换为3.3V的3.3V电压转换电路和用于将3.3V电压转换电路输出的3.3V直流电压转换为1.5V的1.5V电压转换电路，所述主控制器与3.3V电压转换电路和1.5V电压转换电路的输出端均相接，所述过流保护电路、过热保护电路、A/D转换电路、电压给定电路和驱动电路均与5V电压转换电路的输出端相接。

上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述LC半桥谐振电路包括NMOS功率管Q3、电感L1、非极性电容C3、非极性电容C4和非极性电容C5，所述NMOS功率管Q3的栅极通过电阻R12与驱动电路的输出端相接，所述电感L1的一端与24V直流电源的输出端相接，所述NMOS功率管Q3的源极与电感L1的另一端、非极性电容C3的一端和非极性电容C5的一端相接且为LC半桥谐振电路的输出端，所述NMOS功率管Q3的漏极通过电阻R13接地，所述NMOS功率管Q3的漏极与电阻R13的连接端为LC半桥谐振电路的电流信号采样端，所述非极性电容C3的另一端通过非极性电容C4接地，所述非极性电容C5的另一端接地；所述压电陶瓷变压器为多层压电陶瓷变压器MPT1，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的初级压电振子的一端与LC半桥谐振电路的输出端相接，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的初级压电振子的另一端接地，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的次级压电振子的一端为压电陶瓷变压器的输出端；所述二倍压电路由二极管D1、二极管D2和非极性电容C6组成，所述二极管D1的阳极和二极管D2的阴极均与压电陶瓷变压器的输出端相接，所述二极管D1的阴极接地，所述二极管D2的阳极为二倍压电路的输出端且通过非极性电容C6接地。

上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述主控制器为FPGA芯片EP2C5T144C8N。

上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述A/D转换电路包括模数转换芯片AD7862，所述模数转换芯片AD7862的Verf引脚和VDD引脚均与5V电压转换电路的输出端相接，所述模数转换芯片AD7862的DB0引脚、DB1引脚、DB2引脚、DB3引脚、DB4引脚、DB5引脚、DB6引脚、DB7引脚、DB8引脚、DB9引脚、DB10引脚和DB11引脚依次对应与FPGA芯片EP2C5T144C8N的第94引脚、第93引脚、第92引脚、第87引脚、第86引脚、第81引脚、第80引脚、第79引脚、第76引脚、第75引脚、第74引脚和第73引脚相接，所述模数转换芯片AD7862的引脚、BUSY引脚、RD引脚、CS引脚和A0引脚依次对应与FPGA芯片EP2C5T144C8N的第4引脚、第3引脚、第7引脚、第8引脚和第24引脚相接，所述模数转换芯片AD7862的VB1引脚与电压限幅电路的输出端相接且通过非极性电容C1接地，所述模数转换芯片AD7862的VA1引脚与过热保护电路的输出端相接，所述模数转换芯片AD7862的VB2引脚与电压给定电路的输出端相接；所述电压给定电路由滑动变阻器VR1和非极性电容C2组成，所述滑动变阻器VR1的一端接5V电压转换电路的输出端，所述滑动变阻器VR1的另一端接地，所述滑动变阻器VR1的滑动端为电压给定电路的输出端，且通过非极性电容C2接地。

上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述驱动电路由对称三极管Q1、三极管Q2、电阻R1和电阻R2组成，所述对称三极管Q1由NPN型上三极管Q1-1和PNP型下三极管Q1-2组成；所述三极管Q2的基极为驱动电路的输入端且与FPGA芯片EP2C5T144C8N的第9引脚相接，所述三极管Q2的集电极、NPN型上三极管Q1-1的基极和PNP型下三极管Q1-2的基极均通过电阻R2与5V电压转换电路的输出端相接，所述NPN型上三极管Q1-1的集电极通过电阻R1与5V电压转换电路的输出端相接，所述三极管Q2的发射极和PNP型下三极管Q1-2的集电极均接地，所述NPN型上三极管Q1-1的发射极和PNP型下三极管Q1-2的发射极相接且为驱动电路的输出端。

上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述分压电路由串联的电阻R16和电阻R17组成，所述电阻R16和电阻R17串联后的一端为分压电路的输入端，另一端接地；所述半波整流电路由二极管D5、二极管D6和非极性电容C13组成，所述二极管D5的阳极和二极管D6的阴极均与电阻R16和电阻R17的连接端相接，所述二极管D6的阳极和非极性电容C13的另一端均接地；所述电压限幅电路由稳压二极管DZ3构成，所述稳压二极管DZ3的阴极与二极管D5的阴极相接且为电压限幅电路的输出端，所述稳压二极管DZ3的阳极接地。

上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述过流保护电路包括比较器U8B、三极管Q1、与比较器U8B的同相输入端相接的参考电压电路和与比较器U8B的反相输入端相接的信号采集放大电路，所述参考电压电路由电阻R19、电阻R20、稳压二极管DZ4和非极性电容C14组成，所述电阻R19和电阻R20串联后的一端与5V电压转换电路的输出端相接，另一端接地，所述电阻R19和电阻R20的连接端为参考电压电路的参考电压输出端，所述稳压二极管DZ4的阴极和非极性电容C14的一端均与5V电压转换电路的输出端相接，所述稳压二极管DZ4的阳极和非极性电容C14的另一端均接地；所述信号采集放大电路由运算放大器U8A、电阻R21、电阻R22和非极性电容C15组成，所述运算放大器U8A的同相输入端为电流信号输入端且与LC半桥谐振电路的电流信号采样端相接，所述运算放大器U8A的反相输入端通过电阻R22接地，所述电阻R21和非极性电容C15并联在运算放大器U8A的反相输入端与输出端之间，所述运算放大器U8A的输出端为信号采集放大电路的输出端；所述三极管Q1的基极与比较器U8B的输出端相接，所述三极管Q1的集电极接地，所述三极管Q1的发射极为过流保护电路的输出端且通过电阻R18与5V电压转换电路的输出端相接；所述过热保护电路由温度传感器MCP9701构成。

上述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述5V电压转换电路包括降压开关稳压器MCP16301、开关二极管D3、开关二极管D4、稳压二极管DZ1、稳压二极管DZ2和电感L2，所述降压开关稳压器MCP16301的第4引脚和第5引脚均通过保险F1与开关二极管D3的阴极相接，且通过极性电容C7接地；所述开关二极管D3的阳极和稳压二极管DZ1的阴极均与24V直流电源的输出端相接，所述稳压二极管DZ1的阳极接地，所述降压开关稳压器MCP16301的第1引脚与开关二极管D4的阴极相接，且通过非极性电容C12与稳压二极管DZ2的阴极和电感L2的一端相接，所述稳压二极管DZ2的阳极接地，所述开关二极管D4的阳极和电感L2的另一端相接且为5V电压转换电路的输出端，且通过极性电容C8接地；所述5V电压转换电路的输出端与地之间接有串联的电阻R14和电阻R15，所述降压开关稳压器MCP16301的第3引脚与电阻R14和电阻R15的连接端相接；所述3.3V电压转换电路包括芯片AMS1117-3.3V，所述芯片AMS1117-3.3V的第3引脚与5V电压转换电路的输出端相接，且通过极性电容C9接地，所述芯片AMS1117-3.3V的第1引脚接地，所述芯片AMS1117-3.3V的第2引脚为3.3V电压转换电路的输出端，且通过极性电容C10接地；所述1.5V电压转换电路包括芯片AMS1117-1.5V，所述芯片AMS1117-1.5V的第3引脚与3.3V电压转换电路的输出端相接，所述芯片AMS1117-1.5V的第1引脚接地，所述芯片AMS1117-1.5V的第2引脚为1.5V电压转换电路的输出端，且通过极性电容C11接地。

本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便、控制精度高的数字化负离子发生器的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、参数设置：将预先测定的主控制器输出的频率与数字化负离子发生器输出的电压的关系表存储在主控制器中，并设定主控制器对其输出的频率进行PID控制的比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数K_d和电压电压偏差阈值M，以及压电陶瓷变压器的电流设定值I_s、压电陶瓷变压器的温度设定值T_s和电压上下偏差ΔU，且存储在主控制器中；

步骤二、启动数字化负离子发生器：操作电压给定电路，输入电压设定值U_s给主控制器，主控制器查询存储在其中的主控制器输出的频率与数字化负离子发生器输出的电压的关系表，找到电压设定值U_s对应的主控制器输出的频率f，并输出频率f给驱动电路，驱动电路驱动LC半桥谐振电路工作，再经过压电陶瓷变压器变压、二倍压电路倍压后输出直流负高压信号；而且，主控制器还根据公式U_max＝U_s+ΔU计算得到电压上限值U_max并存储，还根据U_min＝U_s-ΔU计算得到电压上限值U_max并存储；

步骤三、信号采集及存储：所述过热保护电路对压电陶瓷变压器的温度进行实时检测并将检测到的信号输出给A/D转换电路，同时，所述过流保护电路对LC半桥谐振电路的电流信号进行实时检测并将检测到的信号输出给主控制器，所述负高压反馈电路对所述功率变换电路输出的直流负高压信号进行实时检测并将检测到的信号输出给A/D转换电路，所述主控制器按周期t对过流保护电路检测到的LC半桥谐振电路的电流信号进行采样，并按周期t对A/D转换电路进行模数转换得到的压电陶瓷变压器的温度信号和所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号进行采样，且对当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号和当前前一次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号进行存储；其中将当前采样时刻记为第k个采样时刻，将当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号记为U(k)，将当前前一次采样时刻记为第k-1个采样时刻，将当前前一次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号记为U(k-1)，k为不小于2的正整数；

步骤四、过流判断：所述主控制器比较第k个采样时刻LC半桥谐振电路的电流信号I(k)与电流设定值I_s，当I(k)≤I_s时，执行步骤五；否则，当I(k)>I_s时，主控制器输出频率f(k)＝0；然后返回步骤三；

步骤五、过热判断：所述主控制器比较第k个采样时刻压电陶瓷变压器的温度信号T(k)与温度设定值T_s，当T(k)≤T_s时，执行步骤六；否则，当T(k)>T_s时，主控制器输出频率f(k)＝0；然后返回步骤三；

步骤六、反馈电压比对：首先，所述主控制器比较当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号U(k)与当前前一次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号U(k-1)，得到当前采样时刻与当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)＝U(k)-U(k-1)；然后，所述主控制器比较当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号U(k)与电压上限值U_max，当U(k)≥U_max时，再比较当前采样时刻和当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)与电压偏差阈值M，当|e(k)|≤M时，执行步骤七，当|e(k)|≥M时，执行步骤八；否则，当U(k)<U_max时，再比较当前采样时刻和当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)与电压下限值U_min，当U(k)>U_min时，执行步骤七，当U(k)≤U_min时，再比较当前采样时刻与当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)与电压偏差阈值M，当|e(k)|≥M时，执行步骤八，当|e(k)|<M时，执行步骤七；

步骤七、主控制器输出频率f(k)＝f(k-1)，然后返回步骤三；其中，f(k-1)为主控制器当前前一次采样时刻输出的频率；

步骤八、主控制器输出频率f(k)＝f(k-1)+C₀e(k)+C₁e(k-1)+C₂e(k-2)；然后返回步骤三；其中，C₀为比例放大折合系数且C₀＝1.2K_p+K_i+K_d，C₁为积分放大折合系数且C₁＝-(K_p+2K_d)，C₂为微分放大折合系数且C₂＝K_d；e(k-1)为当前前一次采样时刻与当前前两次采样时刻的反馈电压偏差且e(1)＝0，当k≥3时，e(k-1)＝U(k-1)-U(k-2)，U(k-2)为当前前两次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号；e(k-2)为当前前两次采样时刻与当前前三次采样时刻的反馈电压偏差且e(0)＝e(1)＝0，当k≥4时，e(k-2)＝U(k-2)-U(k-3)，U(k-3)为当前前三次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号。

上述的一种数字化负离子发生器的控制方法，其特征在于：步骤一中所述预先测定主控制器输出的频率与数字化负离子发生器输出的电压的关系表的具体过程为：

步骤101、所述主控制器输出的频率f在65Hz～75Hz的范围内从65Hz开始以0.1Hz递增的方式变化，输出频率f给驱动电路，驱动电路驱动LC半桥谐振电路工作，再经过压电陶瓷变压器变压、二倍压电路倍压后输出直流负高压信号；

步骤102、所述负高压反馈电路对二倍压电路输出的直流负高压信号进行实时检测并将检测到的信号输出给A/D转换电路，A/D转换电路对信号进行A/D转换后输出给主控制器，主控制器分析处理得到数字化负离子发生器输出的电压；

步骤103、所述主控制器记录主控制器输出的频率f与数字化负离子发生器输出的电压的关系表。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明数字化负离子发生器的电路结构简单，设计新颖合理，实现方便。

2、本发明的数字化负离子发生器，利用压电陶瓷变压器作为主要的功率变换器，其具有驱动电路简单、体积小、无电磁辐射等优点，克服了当前线绕式变压器负离子发生器的电路结构较复杂、要求倍压级数较多，高频振荡电路对通讯、家用电路还会产生干扰、怕短路，不安全，不稳定，还会引起燃烧等缺点。

3、本发明采用FPGA(现场可编程门阵列)芯片作为主要核心控制单元，具有编程简单、外围电路简单的优点。

4、本发明的工作可靠性高，功能完备，具有过热、过流保护功能，确保了离子发生器的可靠性和耐用性。

5、本发明将数字增量式PID闭环控制技术应用于了负离子发生器中，该方法在处理过程中不用对误差进行累加，具有运算量小、响应速度快的特点，能够有效的避免失控现象的发生，实现了负离子发生器的快速响应性及动态稳定性，实现了负离子发生器的智能控制，克服了传统模拟负离子发生器难于调试，一致性差、故障率高的缺点，提高了负离子发生器的生产效率。

6、本发明数字化负离子发生器的控制方法的方法步骤简单，实现方便，控制精度高。

7、本发明的可维护性强，能够应用于酒店、居家、办公室、医院等场所，美化环境，净化空气，实用性强，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，工作可靠性高，功能完备，故障率低，可维护性强，实用性强，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明数字化负离子发生器的电路原理框图。

图2为本发明功率变换电路的电路原理图。

图3为本发明主控制器、A/D转换电路、电压给定电路和驱动电路的电路连接图。

图4为本发明负高压反馈电路的电路原理图。

图5为本发明过流保护电路的电路原理图。

图6为本发明电压转换电路的电路原理图。

图7为本发明数字化负离子发生器的控制方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—主控制器；         2—LC半桥谐振电路；  3—压电陶瓷变压器；

4—二倍压电路；       5—过流保护电路；    6—过热保护电路；

7—分压电路；         8—半波整流电路；    9—电压限幅电路；

10—A/D转换电路；     11—电压给定电路；   12—驱动电路；

13—5V电压转换电路；  14—5V电压转换电路；

15—1.5V电压转换电路； 16—24V直流电源。

具体实施方式

如图1所示，本发明的数字化负离子发生器，包括用于将24V直流电源16输出的24V直流电压变换为-6.5kV～-11kV的直流负高压的功率变换电路、用于对功率变换电路进行控制的主控制器1和用于为数字化负离子发生器中各用电电路供电的电压转换电路，以及保护电路和用于将所述功率变换电路输出的直流负高压信号反馈给主控制器1的负高压反馈电路；所述功率变换电路由依次连接的LC半桥谐振电路2、压电陶瓷变压器3和二倍压电路4组成，所述LC半桥谐振电路2与24V直流电源16的输出端DV24V连接；所述保护电路包括与LC半桥谐振电路2的电流信号采样端连接且用于对压电陶瓷变压器3过流进行保护的过流保护电路5和用于对压电陶瓷变压器3过热进行保护的过热保护电路6；所述负高压反馈电路由依次连接的分压电路7、半波整流电路8和电压限幅电路9组成，所述分压电路7的输入端与二倍压电路4的输出端连接；所述过流保护电路5的输出端与主控制器1的输入端相接，所述主控制器1的输入端还接有A/D转换电路10，所述过热保护电路6的输出端和电压限幅电路9的输出端均与A/D转换电路10的输入端连接，所述A/D转换电路10的输入端还接有用于给定所述功率变换电路输出的直流负高压大小的电压给定电路11；所述主控制器1的输出端接有驱动电路12，所述LC半桥谐振电路2与驱动电路12的输出端连接；所述电压转换电路包括用于将24V直流电源16输出的24V直流电压转换为5V的5V电压转换电路13、用于将5V电压转换电路13输出的5V直流电压转换为3.3V的3.3V电压转换电路14和用于将3.3V电压转换电路14输出的3.3V直流电压转换为1.5V的1.5V电压转换电路15，所述主控制器1与3.3V电压转换电路14和1.5V电压转换电路15的输出端均相接，所述过流保护电路5、过热保护电路6、A/D转换电路10、电压给定电路11和驱动电路12均与5V电压转换电路13的输出端相接。

如图2所示，本实施例中，所述LC半桥谐振电路2包括NMOS功率管Q3、电感L1、非极性电容C3、非极性电容C4和非极性电容C5，所述NMOS功率管Q3的栅极通过电阻R12与驱动电路12的输出端PFM相接，所述电感L1的一端与24V直流电源16的输出端DV24V相接，所述NMOS功率管Q3的源极与电感L1的另一端、非极性电容C3的一端和非极性电容C5的一端相接且为LC半桥谐振电路2的输出端，所述NMOS功率管Q3的漏极通过电阻R13接地，所述NMOS功率管Q3的漏极与电阻R13的连接端为LC半桥谐振电路2的电流信号采样端CUR_FB，所述非极性电容C3的另一端通过非极性电容C4接地，所述非极性电容C5的另一端接地；FPGA芯片EP2C5T144C8N输出的驱动信号经过驱动电路12进行功率放大后控制NMOS功率管Q3的导通与关段，当FPGA芯片EP2C5T144C8N输出的驱动信号为高电平时，驱动电路12输出低电平，NMOS功率管Q3导通；当FPGA芯片EP2C5T144C8N输出的驱动信号为低电平时，驱动电路12输出高电平，NMOS功率管Q3关断，从而使LC半桥谐振电路2输出谐振信号。

如图2所示，本实施例中，所述压电陶瓷变压器3为多层压电陶瓷变压器MPT1，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的初级压电振子的一端与LC半桥谐振电路2的输出端相接，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的初级压电振子的另一端接地，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的次级压电振子的一端为压电陶瓷变压器3的输出端；所述压电陶瓷变压器3用于对LC半桥谐振电路2输出的谐振信号进行功率放大。

如图2所示，本实施例中，所述二倍压电路4由二极管D1、二极管D2和非极性电容C6组成，所述二极管D1的阳极和二极管D2的阴极均与压电陶瓷变压器3的输出端相接，所述二极管D1的阴极接地，所述二极管D2的阳极为二倍压电路4的输出端HV且通过非极性电容C6接地。所述二倍压电路4的输出端HV即为所述功率变换电路的输出端，所述功率变换电路的输出端即为该数字化负离子发生器的-6.5kV～-11kV直流负高压输出端。

如图3所示，本实施例中，所述主控制器1为FPGA芯片EP2C5T144C8N。

如图3所示，本实施例中，所述A/D转换电路10包括模数转换芯片AD7862，所述模数转换芯片AD7862的Verf引脚和VDD引脚均与5V电压转换电路13的输出端DC5V相接，所述模数转换芯片AD7862的DB0引脚、DB1引脚、DB2引脚、DB3引脚、DB4引脚、DB5引脚、DB6引脚、DB7引脚、DB8引脚、DB9引脚、DB10引脚和DB11引脚依次对应与FPGA芯片EP2C5T144C8N的第94引脚、第93引脚、第92引脚、第87引脚、第86引脚、第81引脚、第80引脚、第79引脚、第76引脚、第75引脚、第74引脚和第73引脚相接，所述模数转换芯片AD7862的引脚、BUSY引脚、RD引脚、CS引脚和A0引脚依次对应与FPGA芯片EP2C5T144C8N的第4引脚、第3引脚、第7引脚、第8引脚和第24引脚相接，所述模数转换芯片AD7862的VB1引脚与电压限幅电路9的输出端FB相接且通过非极性电容C1接地，所述模数转换芯片AD7862的VA1引脚与过热保护电路6的输出端OTP相接，所述模数转换芯片AD7862的VB2引脚与电压给定电路11的输出端ADJ相接；所述电压给定电路11由滑动变阻器VR1和非极性电容C2组成，所述滑动变阻器VR1的一端接5V电压转换电路13的输出端，所述滑动变阻器VR1的另一端接地，所述滑动变阻器VR1的滑动端为电压给定电路11的输出端ADJ，且通过非极性电容C2接地。A/D转换电路10用于对过热保护电路6和电压限幅电路9输出的信号进行A/D转换后输出给FPGA芯片EP2C5T144C8N。

如图3所示，本实施例中，所述驱动电路12由对称三极管Q1、三极管Q2、电阻R1和电阻R2组成，所述对称三极管Q1由NPN型上三极管Q1-1和PNP型下三极管Q1-2组成；所述三极管Q2的基极为驱动电路12的输入端且与FPGA芯片EP2C5T144C8N的第9引脚相接，所述三极管Q2的集电极、NPN型上三极管Q1-1的基极和PNP型下三极管Q1-2的基极均通过电阻R2与5V电压转换电路13的输出端DC5V相接，所述NPN型上三极管Q1-1的集电极通过电阻R1与5V电压转换电路13的输出端DC5V相接，所述三极管Q2的发射极和PNP型下三极管Q1-2的集电极均接地，所述NPN型上三极管Q1-1的发射极和PNP型下三极管Q1-2的发射极相接且为驱动电路12的输出端PFM。所述驱动电路12主要用于完成对FPGA芯片EP2C5T144C8N输出的驱动信号的功率放大，FPGA芯片EP2C5T144C8N输出的驱动信号通过三极管Q2的开关作用，在三极管Q2的集电极输出开关脉冲信号，驱动对称三极管Q1的开通，从而输出功率放大后的驱动信号给功率变换电路，具体而言，当FPGA芯片EP2C5T144C8N输出的驱动信号为高电平时，三极管Q2导通，对称三极管Q1中的NPN型上三极管Q1-1截止，PNP型下三极管Q1-2导通，驱动电路12的输出端输出为低电平；当FPGA芯片EP2C5T144C8N输出的驱动信号为低电平时，三极管Q2截止，对称三极管Q1中的NPN型上三极管Q1-1导通，PNP型下三极管Q1-2截止，驱动电路12的输出端输出为高电平。

如图4所示，本实施例中，所述分压电路7由串联的电阻R16和电阻R17组成，所述电阻R16和电阻R17串联后的一端为分压电路7的输入端HV_FB，另一端接地；所述半波整流电路8由二极管D5、二极管D6和非极性电容C13组成，所述二极管D5的阳极和二极管D6的阴极均与电阻R16和电阻R17的连接端相接，所述二极管D6的阳极和非极性电容C13的另一端均接地；所述电压限幅电路9由稳压二极管DZ3构成，所述稳压二极管DZ3的阴极与二极管D5的阴极相接且为电压限幅电路9的输出端FB，所述稳压二极管DZ3的阳极接地。所述分压电路7将二倍压电路4输出的信号分压后输出给半波整流电路8，半波整流电路8将半波整流变成脉动的直流，再经过稳压二极管DZ3的限幅，防止输出反馈电压过高损坏主控制器1，限幅后的负高压反馈信号输出给A/D转换电路10。

如图5所示，本实施例中，所述过流保护电路5包括比较器U8B、三极管Q1、与比较器U8B的同相输入端相接的参考电压电路和与比较器U8B的反相输入端相接的信号采集放大电路，所述参考电压电路由电阻R19、电阻R20、稳压二极管DZ4和非极性电容C14组成，所述电阻R19和电阻R20串联后的一端与5V电压转换电路13的输出端DC5V相接，另一端接地，所述电阻R19和电阻R20的连接端为参考电压电路的参考电压输出端，所述稳压二极管DZ4的阴极和非极性电容C14的一端均与5V电压转换电路13的输出端DC5V相接，所述稳压二极管DZ4的阳极和非极性电容C14的另一端均接地；所述信号采集放大电路由运算放大器U8A、电阻R21、电阻R22和非极性电容C15组成，所述运算放大器U8A的同相输入端为电流信号输入端且与LC半桥谐振电路2的电流信号采样端CUR_FB相接，所述运算放大器U8A的反相输入端通过电阻R22接地，所述电阻R21和非极性电容C15并联在运算放大器U8A的反相输入端与输出端之间，所述运算放大器U8A的输出端为信号采集放大电路的输出端；所述三极管Q1的基极与比较器U8B的输出端相接，所述三极管Q1的集电极接地，所述三极管Q1的发射极为过流保护电路5的输出端OCP且通过电阻R18与5V电压转换电路13的输出端DC5V相接；具体实施时，所述过流保护电路5的输出端OCP与FPGA芯片EP2C5T144C8N的第2引脚相接；所述信号采集放大电路用于对来自LC半桥谐振电路2的电阻R13两端的电压进行采集及线性放大，将线性放大后的信号再送入比较器U8B的反相输入端；所述参考电压电路将参考电压信号送入比较器U8B的同相输入端，当电阻R13两端的电压大于参考电压时，比较器U8B输出为低电平，此时三极管Q1导通，过流保护电路5输出低电平给主控制器1；

本实施例中，所述过热保护电路6由温度传感器MCP9701构成。温度传感器MCP9701为线性测温元件，其供电电压范围为3.1V～5.5V，温度测量范围为-40℃～125℃，不需要其他外接器件，就能独立完成温度的检测。所述温度传感器MCP9701的输出端即为过热保护电路6的输出端OTP。

如图6所示，本实施例中，所述5V电压转换电路13包括降压开关稳压器MCP16301、开关二极管D3、开关二极管D4、稳压二极管DZ1、稳压二极管DZ2和电感L2，所述降压开关稳压器MCP16301的第4引脚和第5引脚均通过保险F1与开关二极管D3的阴极相接，且通过极性电容C7接地；所述开关二极管D3的阳极和稳压二极管DZ1的阴极均与24V直流电源16的输出端DV24V相接，所述稳压二极管DZ1的阳极接地，所述降压开关稳压器MCP16301的第1引脚与开关二极管D4的阴极相接，且通过非极性电容C12与稳压二极管DZ2的阴极和电感L2的一端相接，所述稳压二极管DZ2的阳极接地，所述开关二极管D4的阳极和电感L2的另一端相接且为5V电压转换电路13的输出端DC5V，且通过极性电容C8接地；所述5V电压转换电路13的输出端DC5V与地之间接有串联的电阻R14和电阻R15，所述降压开关稳压器MCP16301的第3引脚与电阻R14和电阻R15的连接端相接；具体实施时，所述降压开关稳压器MCP16301的第2引脚接地；所述5V电压转换电路13的工作原理为：当降压开关稳压器MCP16301的第4引脚输入电压高于3.5V时，降压开关稳压器MCP16301开始工作，降压开关稳压器MCP16301内部内置了一个低电阻N沟道MOSFET，当低电阻N沟道MOSFET断开时，电感L2经过开关二极管D4给非极性电容C12充电，使得低电阻N沟道MOSFET的栅极电压高于漏极电压，低电阻N沟道MOSFET才可能导通；具体电压调节过程是当输出反馈电压通过电阻R14和电阻R15送入降压开关稳压器MCP16301的第3引脚，当降压开关稳压器MCP16301的第3引脚电压低于0.8V时，低电阻N沟道MOSFET闭合，电感电流增大，输出电压增加；当降压开关稳压器MCP16301的第3引脚电压高于0.8V时，低电阻N沟道MOSFET打开，电感电流减小，输出电压降低，实现了稳压。

如图6所示，本实施例中，所述3.3V电压转换电路14包括芯片AMS1117-3.3V，所述芯片AMS1117-3.3V的第3引脚与5V电压转换电路13的输出端DC5V相接，且通过极性电容C9接地，所述芯片AMS1117-3.3V的第1引脚接地，所述芯片AMS1117-3.3V的第2引脚为3.3V电压转换电路14的输出端DC3.3V，且通过极性电容C10接地；

如图6所示，本实施例中，所述1.5V电压转换电路15包括芯片AMS1117-1.5V，所述芯片AMS1117-1.5V的第3引脚与3.3V电压转换电路14的输出端DC3.3V相接，所述芯片AMS1117-1.5V的第1引脚接地，所述芯片AMS1117-1.5V的第2引脚为1.5V电压转换电路15的输出端DC1.5V，且通过极性电容C11接地。

如图7所示，本发明的数字化负离子发生器的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、参数设置：将预先测定的主控制器1输出的频率与数字化负离子发生器输出的电压的关系表存储在主控制器1中，并设定主控制器1对其输出的频率进行PID控制的比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数K_d和电压偏差阈值M，以及压电陶瓷变压器3的电流设定值I_s、压电陶瓷变压器3的温度设定值T_s和电压上下偏差ΔU，且存储在主控制器1中；具体实施时，所述ΔU的取值为0.1kV；

本实施例中，步骤一中所述预先测定主控制器1输出的频率与数字化负离子发生器输出的电压的关系表的具体过程为：

步骤101、所述主控制器1输出的频率f在65Hz～75Hz的范围内从65Hz开始以0.1Hz递增的方式变化，输出频率f给驱动电路12，驱动电路12驱动LC半桥谐振电路2工作，再经过压电陶瓷变压器3变压、二倍压电路4倍压后输出直流负高压信号；

步骤102、所述负高压反馈电路对二倍压电路4输出的直流负高压信号进行实时检测并将检测到的信号输出给A/D转换电路10，A/D转换电路10对信号进行A/D转换后输出给主控制器1，主控制器1分析处理得到数字化负离子发生器输出的电压；

步骤103、所述主控制器1记录主控制器1输出的频率f与数字化负离子发生器输出的电压的关系表。

步骤二、启动数字化负离子发生器：操作电压给定电路11，输入电压设定值U_s给主控制器1，主控制器1查询存储在其中的主控制器1输出的频率与数字化负离子发生器输出的电压的关系表，找到电压设定值U_s对应的主控制器1输出的频率f，并输出频率f给驱动电路12，驱动电路12驱动LC半桥谐振电路2工作，再经过压电陶瓷变压器3变压、二倍压电路4倍压后输出直流负高压信号；而且，主控制器1还根据公式U_max＝U_s+ΔU计算得到电压上限值U_max并存储，还根据U_min＝U_s-ΔU计算得到电压上限值U_max并存储；

步骤三、信号采集及存储：所述过热保护电路6对压电陶瓷变压器3的温度进行实时检测并将检测到的信号输出给A/D转换电路10，同时，所述过流保护电路5对LC半桥谐振电路2的电流信号进行实时检测并将检测到的信号输出给主控制器1，所述负高压反馈电路对所述功率变换电路输出的直流负高压信号进行实时检测并将检测到的信号输出给A/D转换电路10，所述主控制器1按周期t对过流保护电路5检测到的LC半桥谐振电路2的电流信号进行采样，并按周期t对A/D转换电路10进行模数转换得到的压电陶瓷变压器3的温度信号和所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号进行采样，且对当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号和当前前一次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号进行存储；其中将当前采样时刻记为第k个采样时刻，将当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号记为U(k)，将当前前一次采样时刻记为第k-1个采样时刻，将当前前一次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号记为U(k-1)，k为不小于2的正整数；具体实施时，所述周期t的取值为100us～1ms；

步骤四、过流判断：所述主控制器1比较第k个采样时刻LC半桥谐振电路2的电流信号I(k)与电流设定值I_s，当I(k)≤I_s时，执行步骤五；否则，当I(k)>I_s时，主控制器1输出频率f(k)＝0；然后返回步骤三；

步骤五、过热判断：所述主控制器1比较第k个采样时刻压电陶瓷变压器3的温度信号T(k)与温度设定值T_s，当T(k)≤T_s时，执行步骤六；否则，当T(k)>T_s时，主控制器1输出频率f(k)＝0；然后返回步骤三；

步骤六、反馈电压比对：首先，所述主控制器1比较当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号U(k)与当前前一次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号U(k-1)，得到当前采样时刻与当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)＝U(k)-U(k-1)；然后，所述主控制器1比较当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号U(k)与电压上限值U_max，当U(k)≥U_max时，再比较当前采样时刻和当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)与电压偏差阈值M，当|e(k)|≤M时，执行步骤七，当|e(k)|≥M时，执行步骤八；否则，当U(k)<U_max时，再比较当前采样时刻和当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)与电压下限值U_min，当U(k)>U_min时，执行步骤七，当U(k)≤U_min时，再比较当前采样时刻与当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)与电压偏差阈值M，当|e(k)|≥M时，执行步骤八，当|e(k)|<M时，执行步骤七；

步骤七、主控制器1输出频率f(k)＝f(k-1)，然后返回步骤三；其中，f(k)即为主控制器1当前采样时刻输出的频率，f(k-1)为主控制器1当前前一次采样时刻输出的频率；

步骤八、主控制器1输出频率f(k)＝f(k-1)+C₀e(k)+C₁e(k-1)+C₂e(k-2)；然后返回步骤三；其中，C₀为比例放大折合系数且C₀＝1.2K_p+K_i+K_d，C₁为积分放大折合系数且C₁＝-(K_p+2K_d)，C₂为微分放大折合系数且C₂＝K_d；e(k-1)为当前前一次采样时刻与当前前两次采样时刻的反馈电压偏差且e(1)＝0，当k≥3时，e(k-1)＝U(k-1)-U(k-2)，U(k-2)为当前前两次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号；e(k-2)为当前前两次采样时刻与当前前三次采样时刻的反馈电压偏差且e(0)＝e(1)＝0，当k≥4时，e(k-2)＝U(k-2)-U(k-3)，U(k-3)为当前前三次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种数字化负离子发生器，其特征在于：包括用于将24V直流电源(16)输出的24V直流电压变换为-6.5kV～-11kV的直流负高压的功率变换电路、用于对功率变换电路进行控制的主控制器(1)和用于为数字化负离子发生器中各用电电路供电的电压转换电路，以及保护电路和用于将所述功率变换电路输出的直流负高压信号反馈给主控制器(1)的负高压反馈电路；所述功率变换电路由依次连接的LC半桥谐振电路(2)、压电陶瓷变压器(3)和二倍压电路(4)组成，所述LC半桥谐振电路(2)与24V直流电源(16)的输出端连接；所述保护电路包括与LC半桥谐振电路(2)的电流信号采样端连接且用于对压电陶瓷变压器(3)过流进行保护的过流保护电路(5)和用于对压电陶瓷变压器(3)过热进行保护的过热保护电路(6)；所述负高压反馈电路由依次连接的分压电路(7)、半波整流电路(8)和电压限幅电路(9)组成，所述分压电路(7)的输入端与二倍压电路(4)的输出端连接；所述过流保护电路(5)的输出端与主控制器(1)的输入端相接，所述主控制器(1)的输入端还接有A/D转换电路(10)，所述过热保护电路(6)的输出端和电压限幅电路(9)的输出端均与A/D转换电路(10)的输入端连接，所述A/D转换电路(10)的输入端还接有用于给定所述功率变换电路输出的直流负高压大小的电压给定电路(11)；所述主控制器(1)的输出端接有驱动电路(12)，所述LC半桥谐振电路(2)与驱动电路(12)的输出端连接；所述电压转换电路包括用于将24V直流电源(16)输出的24V直流电压转换为5V的5V电压转换电路(13)、用于将5V电压转换电路(13)输出的5V直流电压转换为3.3V的3.3V电压转换电路(14)和用于将3.3V电压转换电路(14)输出的3.3V直流电压转换为1.5V的1.5V电压转换电路(15)，所述主控制器(1)与3.3V电压转换电路(14)和1.5V电压转换电路(15)的输出端均相接，所述过流保护电路(5)、过热保护电路(6)、A/D转换电路(10)、电压给定电路(11)和驱动电路(12)均与5V电压转换电路(13)的输出端相接。

2.按照权利要求1所述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述LC半桥谐振电路(2)包括NMOS功率管Q3、电感L1、非极性电容C3、非极性电容C4和非极性电容C5，所述NMOS功率管Q3的栅极通过电阻R12与驱动电路(12)的输出端相接，所述电感L1的一端与24V直流电源(16)的输出端相接，所述NMOS功率管Q3的源极与电感L1的另一端、非极性电容C3的一端和非极性电容C5的一端相接且为LC半桥谐振电路(2)的输出端，所述NMOS功率管Q3的漏极通过电阻R13接地，所述NMOS功率管Q3的漏极与电阻R13的连接端为LC半桥谐振电路(2)的电流信号采样端，所述非极性电容C3的另一端通过非极性电容C4接地，所述非极性电容C5的另一端接地；所述压电陶瓷变压器(3)为多层压电陶瓷变压器MPT1，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的初级压电振子的一端与LC半桥谐振电路(2)的输出端相接，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的初级压电振子的另一端接地，所述多层压电陶瓷变压器MPT1的次级压电振子的一端为压电陶瓷变压器(3)的输出端；所述二倍压电路(4)由二极管D1、二极管D2和非极性电容C6组成，所述二极管D1的阳极和二极管D2的阴极均与压电陶瓷变压器(3)的输出端相接，所述二极管D1的阴极接地，所述二极管D2的阳极为二倍压电路(4)的输出端且通过非极性电容C6接地。

3.按照权利要求1所述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述主控制器(1)为FPGA芯片EP2C5T144C8N。

4.按照权利要求3所述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述A/D转换电路(10)包括模数转换芯片AD7862，所述模数转换芯片AD7862的Verf引脚和VDD引脚均与5V电压转换电路(13)的输出端相接，所述模数转换芯片AD7862的DB0引脚、DB1引脚、DB2引脚、DB3引脚、DB4引脚、DB5引脚、DB6引脚、DB7引脚、DB8引脚、DB9引脚、DB10引脚和DB11引脚依次对应与FPGA芯片EP2C5T144C8N的第94引脚、第93引脚、第92引脚、第87引脚、第86引脚、第81引脚、第80引脚、第79引脚、第76引脚、第75引脚、第74引脚和第73引脚相接，所述模数转换芯片AD7862的引脚、BUSY引脚、RD引脚、CS引脚和A0引脚依次对应与FPGA芯片EP2C5T144C8N的第4引脚、第3引脚、第7引脚、第8引脚和第24引脚相接，所述模数转换芯片AD7862的VB1引脚与电压限幅电路(9)的输出端相接且通过非极性电容C1接地，所述模数转换芯片AD7862的VA1引脚与过热保护电路(6)的输出端相接，所述模数转换芯片AD7862的VB2引脚与电压给定电路(11)的输出端相接；所述电压给定电路(11)由滑动变阻器VR1和非极性电容C2组成，所述滑动变阻器VR1的一端接5V电压转换电路(13)的输出端，所述滑动变阻器VR1的另一端接地，所述滑动变阻器VR1的滑动端为电压给定电路(11)的输出端，且通过非极性电容C2接地。

5.按照权利要求3所述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述驱动电路(12)由对称三极管Q1、三极管Q2、电阻R1和电阻R2组成，所述对称三极管Q1由NPN型上三极管Q1-1和PNP型下三极管Q1-2组成；所述三极管Q2的基极为驱动电路(12)的输入端且与FPGA芯片EP2C5T144C8N的第9引脚相接，所述三极管Q2的集电极、NPN型上三极管Q1-1的基极和PNP型下三极管Q1-2的基极均通过电阻R2与5V电压转换电路(13)的输出端相接，所述NPN型上三极管Q1-1的集电极通过电阻R1与5V电压转换电路(13)的输出端相接，所述三极管Q2的发射极和PNP型下三极管Q1-2的集电极均接地，所述NPN型上三极管Q1-1的发射极和PNP型下三极管Q1-2的发射极相接且为驱动电路(12)的输出端。

6.按照权利要求1所述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述分压电路(7)由串联的电阻R16和电阻R17组成，所述电阻R16和电阻R17串联后的一端为分压电路(7)的输入端，另一端接地；所述半波整流电路(8)由二极管D5、二极管D6和非极性电容C13组成，所述二极管D5的阳极和二极管D6的阴极均与电阻R16和电阻R17的连接端相接，所述二极管D6的阳极和非极性电容C13的另一端均接地；所述电压限幅电路(9)由稳压二极管DZ3构成，所述稳压二极管DZ3的阴极与二极管D5的阴极相接且为电压限幅电路(9)的输出端，所述稳压二极管DZ3的阳极接地。

7.按照权利要求1所述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述过流保护电路(5)包括比较器U8B、三极管Q1、与比较器U8B的同相输入端相接的参考电压电路和与比较器U8B的反相输入端相接的信号采集放大电路，所述参考电压电路由电阻R19、电阻R20、稳压二极管DZ4和非极性电容C14组成，所述电阻R19和电阻R20串联后的一端与5V电压转换电路(13)的输出端相接，另一端接地，所述电阻R19和电阻R20的连接端为参考电压电路的参考电压输出端，所述稳压二极管DZ4的阴极和非极性电容C14的一端均与5V电压转换电路(13)的输出端相接，所述稳压二极管DZ4的阳极和非极性电容C14的另一端均接地；所述信号采集放大电路由运算放大器U8A、电阻R21、电阻R22和非极性电容C15组成，所述运算放大器U8A的同相输入端为电流信号输入端且与LC半桥谐振电路(2)的电流信号采样端相接，所述运算放大器U8A的反相输入端通过电阻R22接地，所述电阻R21和非极性电容C15并联在运算放大器U8A的反相输入端与输出端之间，所述运算放大器U8A的输出端为信号采集放大电路的输出端；所述三极管Q1的基极与比较器U8B的输出端相接，所述三极管Q1的集电极接地，所述三极管Q1的发射极为过流保护电路(5)的输出端且通过电阻R18与5V电压转换电路(13)的输出端相接；所述过热保护电路(6)由温度传感器MCP9701构成。

8.按照权利要求1所述的一种数字化负离子发生器，其特征在于：所述5V电压转换电路(13)包括降压开关稳压器MCP16301、开关二极管D3、开关二极管D4、稳压二极管DZ1、稳压二极管DZ2和电感L2，所述降压开关稳压器MCP16301的第4引脚和第5引脚均通过保险F1与开关二极管D3的阴极相接，且通过极性电容C7接地；所述开关二极管D3的阳极和稳压二极管DZ1的阴极均与24V直流电源(16)的输出端相接，所述稳压二极管DZ1的阳极接地，所述降压开关稳压器MCP16301的第1引脚与开关二极管D4的阴极相接，且通过非极性电容C12与稳压二极管DZ2的阴极和电感L2的一端相接，所述稳压二极管DZ2的阳极接地，所述开关二极管D4的阳极和电感L2的另一端相接且为5V电压转换电路(13)的输出端，且通过极性电容C8接地；所述5V电压转换电路(13)的输出端与地之间接有串联的电阻R14和电阻R15，所述降压开关稳压器MCP16301的第3引脚与电阻R14和电阻R15的连接端相接；所述3.3V电压转换电路(14)包括芯片AMS1117-3.3V，所述芯片AMS1117-3.3V的第3引脚与5V电压转换电路(13)的输出端相接，且通过极性电容C9接地，所述芯片AMS1117-3.3V的第1引脚接地，所述芯片AMS1117-3.3V的第2引脚为3.3V电压转换电路(14)的输出端，且通过极性电容C10接地；所述1.5V电压转换电路(15)包括芯片AMS1117-1.5V，所述芯片AMS1117-1.5V的第3引脚与3.3V电压转换电路(14)的输出端相接，所述芯片AMS1117-1.5V的第1引脚接地，所述芯片AMS1117-1.5V的第2引脚为1.5V电压转换电路(15)的输出端，且通过极性电容C11接地。

9.一种对如权利要求1所述的数字化负离子发生器的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、参数设置：将预先测定的主控制器(1)输出的频率与数字化负离子发生器输出的电压的关系表存储在主控制器(1)中，并设定主控制器(1)对其输出的频率进行PID控制的比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数K_d和电压偏差阈值M，以及压电陶瓷变压器(3)的电流设定值I_s、压电陶瓷变压器(3)的温度设定值T_s和电压上下偏差ΔU，且存储在主控制器(1)中；

步骤二、启动数字化负离子发生器：操作电压给定电路(11)，输入电压设定值U_s给主控制器(1)，主控制器(1)查询存储在其中的主控制器(1)输出的频率与数字化负离子发生器输出的电压的关系表，找到电压设定值U_s对应的主控制器(1)输出的频率f，并输出频率f给驱动电路(12)，驱动电路(12)驱动LC半桥谐振电路(2)工作，再经过压电陶瓷变压器(3)变压、二倍压电路(4)倍压后输出直流负高压信号；而且，主控制器(1)还根据公式U_max＝U_s+ΔU计算得到电压上限值U_max并存储，还根据U_min＝U_s-ΔU计算得到电压上限值U_max并存储；

步骤三、信号采集及存储：所述过热保护电路(6)对压电陶瓷变压器(3)的温度进行实时检测并将检测到的信号输出给A/D转换电路(10)，同时，所述过流保护电路(5)对LC半桥谐振电路(2)的电流信号进行实时检测并将检测到的信号输出给主控制器(1)，所述负高压反馈电路对所述功率变换电路输出的直流负高压信号进行实时检测并将检测到的信号输出给A/D转换电路(10)，所述主控制器(1)按周期t对过流保护电路(5)检测到的LC半桥谐振电路(2)的电流信号进行采样，并按周期t对A/D转换电路(10)进行模数转换得到的压电陶瓷变压器(3)的温度信号和所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号进行采样，且对当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号和当前前一次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号进行存储；其中将当前采样时刻记为第k个采样时刻，将当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号记为U(k)，将当前前一次采样时刻记为第k-1个采样时刻，将当前前一次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号记为U(k-1)，k为不小于2的正整数；

步骤四、过流判断：所述主控制器(1)比较第k个采样时刻LC半桥谐振电路(2)的电流信号I(k)与电流设定值I_s，当I(k)≤I_s时，执行步骤五；否则，当I(k)>I_s时，主控制器(1)输出频率f(k)＝0；然后返回步骤三；

步骤五、过热判断：所述主控制器(1)比较第k个采样时刻压电陶瓷变压器(3)的温度信号T(k)与温度设定值T_s，当T(k)≤T_s时，执行步骤六；否则，当T(k)>T_s时，主控制器(1)输出频率f(k)＝0；然后返回步骤三；

步骤六、反馈电压比对：首先，所述主控制器(1)比较当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号U(k)与当前前一次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号U(k-1)，得到当前采样时刻与当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)＝U(k)-U(k-1)；然后，所述主控制器(1)比较当前采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号U(k)与电压上限值U_max，当U(k)≥U_max时，再比较当前采样时刻和当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)与电压偏差阈值M，当|e(k)|≤M时，执行步骤七，当|e(k)|>M时，执行步骤八；否则，当U(k)<U_max时，再比较当前采样时刻和当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)与电压下限值U_min，当U(k)>U_min时，执行步骤七，当U(k)≤U_min时，再比较当前采样时刻与当前前一次采样时刻的反馈电压偏差e(k)与电压偏差阈值M，当|e(k)|≥M时，执行步骤八，当|e(k)|<M时，执行步骤七；

步骤七、主控制器(1)输出频率f(k)＝f(k-1)，然后返回步骤三；其中，f(k-1)为主控制器(1)当前前一次采样时刻输出的频率；

步骤八、主控制器(1)输出频率f(k)＝f(k-1)+C₀e(k)+C₁e(k-1)+C₂e(k-2)；然后返回步骤三；其中，C₀为比例放大折合系数且C₀＝1.2K_p+K_i+K_d，C₁为积分放大折合系数且C₁＝-(K_p+2K_d)，C₂为微分放大折合系数且C₂＝K_d；e(k-1)为当前前一次采样时刻与当前前两次采样时刻的反馈电压偏差且e(1)＝0，当k≥3时，e(k-1)＝U(k-1)-U(k-2)，U(k-2)为当前前两次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号；e(k-2)为当前前两次采样时刻与当前前三次采样时刻的反馈电压偏差且e(0)＝e(1)＝0，当k≥4时，e(k-2)＝U(k-2)-U(k-3)，U(k-3)为当前前三次采样时刻所述功率变换电路输出的直流负高压反馈信号。

10.按照权利要求9所述的控制方法，其特征在于：步骤一中所述预先测定主控制器(1)输出的频率与数字化负离子发生器输出的电压的关系表的具体过程为：

步骤101、所述主控制器(1)输出的频率f在65Hz～75Hz的范围内从65Hz开始以0.1Hz递增的方式变化，输出频率f给驱动电路(12)，驱动电路(12)驱动LC半桥谐振电路(2)工作，再经过压电陶瓷变压器(3)变压、二倍压电路(4)倍压后输出直流负高压信号；

步骤102、所述负高压反馈电路对二倍压电路(4)输出的直流负高压信号进行实时检测并将检测到的信号输出给A/D转换电路(10)，A/D转换电路(10)对信号进行A/D转换后输出给主控制器(1)，主控制器(1)分析处理得到数字化负离子发生器输出的电压；

步骤103、所述主控制器(1)记录主控制器(1)输出的频率f与数字化负离子发生器输出的电压的关系表。