CN106774583B - 一种具有高精度和高效响应的电压输出控制系统 - Google Patents

一种具有高精度和高效响应的电压输出控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其包括DSP控制器、隔离驱动电路模块、软启动电路模块、高精度采样电路模块、信号隔离电路模块、一阶滤波电路模块以及二阶滤波电路模块，DSP控制器与隔离驱动电路模块电信号连接，隔离驱动电路模块与软启动电路模块电信号连接，软启动电路模块与一阶滤波电路模块电信号连接，一阶滤波电路模块与二阶滤波电路模块电信号连接，一阶滤波电路模块与述DSP控制器之间通过信号隔离电路模块电信号连接，二阶滤波电路模块与DSP控制器之间通过高精度采样电路模块电信号连接。本发明能够快速反应、高精度、稳定地将输入电压调整成所需电源，安全度高且成本较低，体积小且适用范围广。

Description

一种具有高精度和高效响应的电压输出控制系统
【技术领域】
本发明属于激光电源调节技术领域，特别是涉及一种具有高精度和高效响应的电压输出控制系统。
【背景技术】
随着激光技术的快速发展和工业自动化的快速普及。精密焊接需求逐年增加，要达到精密焊接的目的，就必须有稳定可靠的可调电源，但是，当前市场通用电源输出固定，而且纹波很大，直接导致激光输出能量的波动，导致激光焊接面凹凸不平，影响焊接效果。同时，由于激光设备系统化、小型化的发展，寻求更高效的电源成为必然。现有技术中的激光高精度电源结构复杂且成本较高。
因此，有必要提供一种新的具有高精度和高效响应的电压输出控制系统来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，能够高效、高精度、稳定地将输入电压调整成所需电源，安全度高且成本较低。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其包括DSP控制器、隔离驱动电路模块、软启动电路模块、高精度采样电路模块、信号隔离电路模块、一阶滤波电路模块以及二阶滤波电路模块，所述DSP控制器与所述隔离驱动电路模块电信号连接，所述隔离驱动电路模块与所述软启动电路模块电信号连接，所述软启动电路模块与所述一阶滤波电路模块电信号连接，所述一阶滤波电路模块与所述二阶滤波电路模块电信号连接，所述一阶滤波电路模块与所述DSP控制器之间通过所述信号隔离电路模块电信号连接，所述二阶滤波电路模块与所述DSP控制器之间通过所述高精度采样电路模块电信号连接。
进一步的，在所述DSP控制器上集成设计了第一PWM波、第二PWM波以及第三PWM波三路PWM脉冲波。
进一步的，所述软启动电路模块包括与所述一阶滤波电路模块输入端连接的上下桥臂驱动电路与软启动回路。
进一步的，所述上下桥臂驱动电路包括与电源连通的第一MOS管、与所述第一MOS管输出端连接的第三MOS管、驱动所述第一MOS管的第一驱动电路、驱动所述第三MOS管的第三驱动电路以及与所述第一MOS管并联的第一电容。
进一步的，所述第一驱动电路包括与所述第一PWM波信号连接的第一二极管、与所述第一二极管串联的第一电阻、以及与所述第一二极管和所述第一电阻串联电路并联设置的第三电阻。
进一步的，所述第三驱动电路包括与所述第三PWM波信号连接的第六二极管、与所述第六二极管串联的第七电阻、以及与所述第六二极管和所述第七电阻串联电路并联设置的第八电阻。
进一步的，所述软启动回路包括与电源连通的第二MOS管、驱动所述第二MOS管的第二驱动电路、与所述第二MOS管串联的第三电感、与所述第三电感并联的第四电容、与所述第四电容串联的第四二极管、以及一端连接在所述第四电容与所述第四二极管之间且另一端接地的第五二极管。
进一步的，所述第二驱动电路包括与所述第二PWM波信号连接的第二二极管、与所述第二二极管串联的第四电阻、以及与所述第二二极管和所述第四电阻串联电路并联设置的第六电阻。
进一步的，所述一阶滤波电路模块包括第一电感以及与所述第一电感并联的第二电容，所述二阶滤波电路模块包括与所述第一电感串联的第二电感、以及与所述第二电感并联的第三电容，所述第二电感的输出端构成了系统的电压输出连接端。
进一步的，所述第一电感的输入端与所述第一电容和所述第一MOS管并联的输出交汇处连接；且与所述第三电感和所述第四电容并联的输出交汇处连接；且与所述第三MOS管的输入端连接；所述信号隔离电路模块与所述第一电感的输出端连接；所述高精度采样电路模块与所述第二电感的输出端连接。
与现有技术相比，本发明一种具有高精度和高效响应的电压输出控制系统的有益效果在于：解决了目前激光高精度电源结构复杂且成本较高的问题；提供了一种高精度反馈系统结构的稳压电源，通过产生三路PWM输出，协同实现BUCK软启动电路功能，最大化BUCK效率，满负载情况下可达99％；能够高效、高精度、稳定地将输入电压调整成所需电源，安全度高且成本较低。具体的，
1)通过设计一阶滤波电路模块，并与DSP控制器连接，使得系统具有快速的响应能力，速度越快，滤波器体积越小，从而降低了系统的成本；
2)通过设计二阶滤波电路模块，并采用高精度采样模块获得输出端的精确电源，同时反馈给DSP控制器，为DSP控制器提供电压调整方向，大大提高了系统输电电压的精度，从而实现高精度电压输出；
3)在软启动电路模块设计的三个驱动电路，以所述第一驱动电路结构为例，当需要导通第一MOS管Q1时，通过第三电阻R3驱动实现；当需要关闭第一MOS管Q1时，通过第一电阻R1与第三电阻R3并联一起驱动实现，从而缩短了第一MOS管Q1关闭所需时间，提高了系统效率，从而降低了系统的功率损耗，损耗率降低到1％以下，实现了绿色能源，提高了电源利用效率；
4)在提高电源利用效率的同时，可以实现在更小的空间内实现更大功率的设计，从而大大扩展了使用范围；
5)本实施例基于DSP控制器实现了三路PWM波形的输出，为形成软启动电路提供了条件。
【附图说明】
图1为本发明实施例的控制示意图；
图2为本发明实施例的电路模块控制示意图；
图3为本发明实施例中控制波形图。
【具体实施方式】
实施例：
请参照图1，本实施例为具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其包括DSP控制器、隔离驱动电路模块、软启动电路模块、高精度采样电路模块、信号隔离电路模块、一阶滤波电路模块以及二阶滤波电路模块。所述DSP控制器与所述隔离驱动电路模块电信号连接；所述隔离驱动电路模块与所述软启动电路模块电信号连接；所述软启动电路模块与所述一阶滤波电路模块电信号连接；所述一阶滤波电路模块与所述二阶滤波电路模块电信号连接；所述一阶滤波电路模块与所述DSP控制器之间通过所述信号隔离电路模块电信号连接；所述二阶滤波电路模块与所述DSP控制器之间通过所述高精度采样电路模块电信号连接。
所述DSP控制器主要用于生成PWM1(第一PWM波)、PWM2(第二PWM波)、PWM3(第三PWM波)三路PWM脉冲波。所述DSP控制器采用DSP片上集成功能模块设计出来，系统采用的DSP芯片是TMS320F2806X。所述DSP控制器采用事件管理器提供的对称PWM波形产生机制，选用一个通用定时器作为两个相关比较寄存器的基准时钟，并设定三个比较寄存器值之和为周期寄存器值，从而为软启动功能提供条件。
所述隔离驱动电路模块主要用将所述DSP控制器与所述软启动电路模块进行电气隔离，从而保护所述DSP控制器的电气安全，防止被烧坏。
请参照图2，所述软启动电路模块包括与所述一阶滤波电路模块输入端连接的上下桥臂驱动电路以及软启动回路。
请参照图2，所述上下桥臂驱动电路包括与电源连通的第一MOS管Q1、第三MOS管Q3、驱动第一MOS管Q1的第一驱动电路、驱动第三MOS管Q3的第三驱动电路以及与第一MOS管Q1并联的第一电容C1。所述第一驱动电路包括与PWM1信号连接的第一二极管D1、与第一二极管D1串联的第一电阻R1、以及与第一二极管D1和第一电阻R1串联电路并联设置的第三电阻R3。所述第三驱动电路包括与PWM3信号连接的第六二极管D6、与第六二极管D6串联的第七电阻R7、以及与第六二极管D6和第七电阻R7串联电路并联设置的第八电阻R8。第一MOS管Q1处设置有第一保护电阻R2；第三MOS管Q3处设置有第三保护电阻R9。
请参照图2，所述软启动回路包括与电源连通的第二MOS管Q2、驱动第二MOS管Q2的第二驱动电路、与第二MOS管Q2串联的第三电感L3、与第三电感L3并联的第四电容C4、与第四电容C4串联的第四二极管D4、以及一端连接在第四电容C4与第四二极管D4之间且另一端接地的第五二极管D5。所述第二驱动电路包括与所述第二PWM波PWM2信号连接的第二二极管D2、与第二二极管D2串联的第四电阻R4、以及与第二二极管D2和第四电阻R4串联电路并联设置的第六电阻R6。第二MOS管Q2处设置有第二保护电阻R5。与第四电容C4并联的第三电感L3电路上设置有与第三电感L3串联的第三二极管D3。
请参照图2，所述一阶滤波电路模块包括第一电感L1以及与第一电感L1并联的第二电容C2。第一电感L1的一端与第一电容C1和第一MOS管Q1并联输出交汇处连接；且与第三二极管D3和第四电容C4并联输出交汇处连接；且与第三MOS管Q3的输入端连接。第二电容C2的另一端接地。
请参照图2，所述二阶滤波电路模块包括与第一电感L1串联的第二电感L2、以及与第二电感L2并联的第三电容C3。第三电容C3的另一端接地。第二电感L2的输出端构成了系统的电压输出连接端。
所述信号隔离电路模块与第一电感L1的输出端连接。所述高精度采样电路模块与第二电感L2的输出端连接。
所述信号隔离电路模块与所述一阶滤波电路模块构成了一阶电压反馈系统。所述高精度采样电路模块与所述二阶滤波电路模块构成了二阶高精度电压反馈系统，实现对输出电压的实时反馈与高精度控制。所述一阶滤波电路模块利用隔离放大器直接输入到DSP的ADC端口上；所述二阶滤波电路模块利用高精度的ADC进行采样检测，供DSP系统进行反馈参考和显示用。
请参照图1、图2、图3，本实施例具有高精度和高效响应的电压输出控制系统的逻辑控制原理为：在初始状态下，第一电容C1两端的电压为UC1是系统输入电压；第三MOS管Q3有电流IQ3流过，PWM3是打开的；在t0时刻，PWM2打开，此时路过第三电感L3的电流IL3逐渐增大，IQ3逐渐减少，t2时刻IQ3为零时，零电流关闭PWM3，此时第一电容C1端电压UC1逐渐减少，t3时刻，第一电容C1端电压UC1为零的时候，零电压开启PWM1，同时关闭PWM2；此时路过第三电感L3的电流IL3给第四电容C4充电，t4时刻，第一电容C1两端的电压UC1为零；在t4～t5段是所述软启动电路模块正向输出时间，t5时刻关闭PWM1，同时打开PWM3；在t6时刻IQ3电流达到系统最大值，在t6～t7是所述软启动电路模块的负向输出时间，在此过程中，结合一阶电压反馈系统和二阶高精度电压反馈系统，从而通过调节正向和负向时间来产生不同电压输出。
本实施例具有高精度和高效响应的电压输出控制系统的有益效果在于：解决了目前激光高精度电源结构复杂且成本较高的问题；提供了一种高精度反馈系统结构的稳压电源，通过产生三路PWM输出，协同实现BUCK软启动电路功能，最大化BUCK效率，满负载情况下可达99％；能够高效、高精度、稳定地将输入电压调整成所需电源，安全度高且成本较低。具体的，
1)通过设计一阶滤波电路模块，并与DSP控制器连接，使得系统具有快速的响应能力，速度越快，滤波器体积越小，从而降低了系统的成本；
2)通过设计二阶滤波电路模块，并采用高精度采样模块获得输出端的精确电源，同时反馈给DSP控制器，为DSP控制器提供电压调整方向，大大提高了系统输电电压的精度，从而实现高精度电压输出；
3)在软启动电路模块设计的三个驱动电路，以所述第一驱动电路结构为例，当需要导通第一MOS管Q1时，通过第三电阻R3驱动实现；当需要关闭第一MOS管Q1时，通过第一电阻R1与第三电阻R3并联一起驱动实现，从而缩短了第一MOS管Q1关闭所需时间，提高了系统效率，从而降低了系统的功率损耗，损耗率降低到1％以下，实现了绿色能源，提高了电源利用效率；
4)在提高电源利用效率的同时，可以实现在更小的空间内实现更大功率的设计，从而大大扩展了使用范围；
5)本实施例基于DSP控制器实现了三路PWM波形的输出，为形成软启动电路提供了条件。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其特征在于：其包括DSP控制器、隔离驱动电路模块、软启动电路模块、高精度采样电路模块、信号隔离电路模块、一阶滤波电路模块以及二阶滤波电路模块，所述DSP控制器与所述隔离驱动电路模块电信号连接，所述隔离驱动电路模块与所述软启动电路模块电信号连接，所述软启动电路模块与所述一阶滤波电路模块电信号连接，所述一阶滤波电路模块与所述二阶滤波电路模块电信号连接，所述一阶滤波电路模块与所述DSP控制器之间通过所述信号隔离电路模块电信号连接，所述二阶滤波电路模块与所述DSP控制器之间通过所述高精度采样电路模块电信号连接，所述软启动电路模块包括与所述一阶滤波电路模块输入端连接的上下桥臂驱动电路与软启动回路，所述软启动回路包括与电源连通的第二MOS管、驱动所述第二MOS管的第二驱动电路、与所述第二MOS管串联的第三电感、与所述第三电感并联的第四电容、与所述第四电容串联的第四二极管、以及一端连接在所述第四电容与所述第四二极管之间且另一端接地的第五二极管。
2.如权利要求1所述的具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其特征在于：在所述DSP控制器上集成设计有三路PWM脉冲波，分别为第一PWM波、第二PWM波以及第三PWM波。
3.如权利要求2所述的具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其特征在于：所述上下桥臂驱动电路包括与电源连通的第一MOS管、与所述第一MOS管输出端连接的第三MOS管、驱动所述第一MOS管的第一驱动电路、驱动所述第三MOS管的第三驱动电路以及与所述第一MOS管并联的第一电容。
4.如权利要求3所述的具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其特征在于：所述第一驱动电路包括与所述第一PWM波信号连接的第一二极管、与所述第一二极管串联的第一电阻、以及与所述第一二极管和所述第一电阻串联电路并联设置的第三电阻。
5.如权利要求3所述的具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其特征在于：所述第三驱动电路包括与所述第三PWM波信号连接的第六二极管、与所述第六二极管串联的第七电阻、以及与所述第六二极管和所述第七电阻串联电路并联设置的第八电阻。
6.如权利要求2所述的具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其特征在于：所述第二驱动电路包括与所述第二PWM波信号连接的第二二极管、与所述第二二极管串联的第四电阻、以及与所述第二二极管和所述第四电阻串联电路并联设置的第六电阻。
7.如权利要求3所述的具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其特征在于：所述一阶滤波电路模块包括第一电感以及与所述第一电感并联的第二电容，所述二阶滤波电路模块包括与所述第一电感串联的第二电感、以及与所述第二电感并联的第三电容，所述第二电感的输出端构成了系统的电压输出连接端。
8.如权利要求7所述的具有高精度和高效响应的电压输出控制系统，其特征在于：所述第一电感的输入端与所述第一电容和所述第一MOS管并联的输出交汇处连接；且与所述第三电感和所述第四电容并联的输出交汇处连接；且与所述第三MOS管的输入端连接；所述信号隔离电路模块与所述第一电感的输出端连接；所述高精度采样电路模块与所述第二电感的输出端连接。
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