CN107359781A - 一种低功率电脉冲发生装置及其脉冲调制与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功率电脉冲发生装置，包括上位机、数字信号处理器、驱动电路、全桥逆变电路和信号采集调理电路。脉冲调制与控制方法：上位机将控制参考值通过脉宽调制信号输送给数字信号处理器，数字信号处理器通过闭环控制分别生成对应于偏置电压和交流峰值电压的调制量，并通过不对称移相脉冲调制算法生成四路PWM信号，驱动全桥变换器，全桥变换器的输出信号经LC滤波得到一路幅值可调，直流偏置可调的输出电压。本装置可用于生物电子实验领域。

Description

一种低功率电脉冲发生装置及其脉冲调制与控制方法

技术领域

本发明涉及一种低功率电脉冲发生装置及其脉冲调制与控制方法。

背景技术

在现有技术中，电脉冲发生装置大多应用于生物电子实验领域，一般利用处理器产生的周期性PWM信号，但此类脉冲信号生成电路复杂，幅值和偏置调节不灵活、波形稳定性不够，若用数字信号处理器进行闭环控制和适当的PWM信号调制，便使得脉冲信号幅值可调，直流偏置可调。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可产生一路幅值可调，直流偏置可调的低功率电脉冲发生装置及其脉冲调制与控制方法，该装置可以很好地解决上述问题。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种低功率电脉冲发生装置及其脉冲调制与控制方法，该脉冲发生装置包括：上位机、数字信号处理器、驱动电路、全桥逆变电路和信号采集调理电路；上位机经由数字信号处理器、驱动电路连接全桥逆变电路，全桥逆变电路通过信号调理电路连接数字信号处理器，全桥逆变电路、信号采集调理电路、数字信号处理器、驱动电路形成的闭环形成闭环控制。

本发明还提供了一种低功率电脉冲发生装置的脉冲调制与控制方法，上位机将控制参考值通过脉宽调制信号输送给数字信号处理器，数字信号处理器通过闭环控制分别生成对应于偏置电压和交流峰峰值电压的调制量，并通过不对称移相脉冲调制算法生成四路PWM信号，驱动全桥变换器，全桥变换器的输出信号经LC滤波得到一路幅值可调，直流偏置可调的输出电压。

在上述方案中，所述数字信号处理器采用输出电压闭环反馈控制系统，接收上位机发送来的脉宽调制信号解调成偏置电压参考值V_Bais和交流峰峰值电压参考值V_max，参考值分别与信号采集调理电路输出的偏置电压测量值和交流峰峰值电压测量值比较，分别得到偏置电压和交流峰峰值电压的误差量，再分别经过PI调节器生成相位角ψ和脉冲宽度D，并通过PWM调制和控制算法生成四路PWM信号驱动S1、S2、S3、S4。

作为本发明的进一步改进，所述数字信号处理器PWM调制和控制算法生成的四路PWM信号驱动S1、S2、S3、S4，S1(S4)与S2(S3)的驱动信号互补，S1、S4和S2、S3周期性的改变通、断状态，周期为T，；S1无起始相位角ψ，脉冲宽度为D，且0≤D≤1；S4有起始相位角ψ，脉冲宽度为T/2，且

所述的S1、S2、S3、S4的驱动信号，在开关电路输出的交流电压可用傅里叶级数表达，公式1-1为傅里叶级数表达式：

在公式1-1左右两边取积分，可以得到a_n、b_n

结合实际，公式变换为公式2-1、2-2、2-3：

计算得：

当移相角ψ不变时，脉宽D对电脉冲的影响如公式3-1：

C₁＝V_dc*((2*V_dc/π+(2*V_dc*sin(πD)^2)/pi)^2/225+sin(2πD)^2/π^2)^(1/2)

(公式3-1)

可以看出，脉宽D对电脉冲的偏置电压影响，且变化幅度不大；

当脉宽D不变时，移相角ψ对电脉冲的影响如下公式：

当D＝0.1时，脉冲值为：

当D＝0.2时，脉冲值为：

当D＝0.3时，脉冲值为：

当D＝0.4时，脉冲值为：

当D＝0.5时，脉冲值为：

当D＝0.6时，脉冲值为：

当D＝0.7时，脉冲值为：

当D＝0.8时，脉冲值为：

当D＝0.9时，脉冲值为：

当D＝1.0时，脉冲值为：

当移相角ψ一定，占空比D变化时，输出的交流电压峰峰值不变，如图5所示；当脉宽D不变时，移相角ψ对电脉冲的峰峰值有明显影响如图6所示；由此可见，改变PWM起始相位角ψ，和改变PWM整流的脉宽D，很容易实现输出交流电压的峰峰值和偏置量控制的独立控制。PWM整流的脉宽D在0≤D≤0.5的范围内，若要产生交流电，移相角ψ范围不再是而是随着移相角ψ的增大呈线性递增变化；PWM整流的脉宽D在的范围内，移相角ψ不受PWM整流的脉宽D的影响。

本发明的有益效果为：本发明应用数字信号处理器调节脉冲宽度、脉冲移相角，使得脉冲信号的偏置、幅值产生变化。

附图说明

图1为本发明的一种原理逻辑结构图；

图2为本发明中全桥逆变电路图；

图3为本发明中数字信号处理器输出电压控制框图；

图4a为本发明中应避免的调制模式，即D1﹤ψ；

图4b为本发明中数字信号处理器脉冲调制算法图，输出负直流偏压且ψ﹤D1﹤ψ+1/2；

图4c为本发明中数字信号处理器脉冲调制算法图，输出零直流偏压且ψ﹤D1﹤ψ+1/2；

图4d为本发明中数字信号处理器脉冲调制算法图，输出正直流偏压且D1﹥ψ+1/2；

图5为本发明中脉冲信号移相角不变，C1随着占空比变化图；

图6为本发明中脉冲信号占空比不变，C1随着移相角变化图。

具体实施方式

本发明的低功率电脉冲发生装置结构如图1所示，该电脉冲发生装置包括：上位机、数字信号处理器及其PWM调制和控制算法、驱动电路、全桥逆变电路和信号采集调理电路；上位机将控制参考值通过脉宽调制信号输送给数字信号处理器，数字信号处理器通过闭环控制分别生成对应于偏置电压和交流峰峰值电压的调制量，并通过不对称移相脉冲调制算法生成四路PWM信号，驱动全桥变换器，全桥变换器的输出信号经LC滤波得到一路幅值可调，直流偏置可调的输出电压。

驱动电路，本发明采用MIC4605驱动芯片，输入信号为两对PWM1L、PWM1H和PWM2L、PWM2H信号由本地数字信号处理器经计算产生，接入两块MIC4605驱动芯片来分别驱动两对桥臂。

全桥逆变电路，如图2所示，利用开关电路的通、断控制，实现将直流电变为交流电的基本逆变电路；直流电源接至开关电路的输入端，开关电路的输出端电压经LC滤波后输出交-直流混合叠加的电压波形。

数字信号处理器包括如图3所示的电压控制框图，输出电压控制策略和不对称移相脉冲调制算法，采用输出电压闭环反馈控制系统，改变相控整流的起始相位角ψ、改变S1的脉冲宽度D，可以实现不对称移相脉冲调制；在数字信号处理器中进行上位机的控制信号、信号调理电路的电压采样信号的正反馈调节，来实现电压控制策略。

在图3中的PWM调制算法，可以用图4所示的波形图解释，情况1所述的是的情况下输出电压都为负值或无输出，使得不能满足要求；情况2所述的是的情况下输出交直流混合的电压波形，且随着脉冲宽度D与起始相位角ψ差值越大使得输出电压的正脉宽越大，反之；情况3所述的是的情况下输出交流电，且输出电压的正脉宽很大；结合情况2、3，只要脉冲宽度D与起始相位角ψ满足就能满足要求输出交直流混合的电压波形。

图5、6所示的脉冲宽度D与起始相位角ψ关系图，如图5所示当移相角ψ不变时，脉宽D对电脉冲的影响几乎不变；如图6所示当脉宽D不变时，移相角ψ对电脉冲有影响；由此可见，改变S4的相位角ψ和S1的脉冲脉宽D，可以实现输出幅值可调，直流偏置正负赋值可调的输出电压；图6中一族曲线的拐点确定了在不同S1占空比D的情况下，有效S4移相角ψ的移相范围，即最大值为每天曲线的拐点处。

Claims (4)

1.一种低功率电脉冲发生装置包括：上位机、数字信号处理器、驱动电路、全桥逆变电路和信号采集调理电路；其特征在于：上位机经由数字信号处理器、驱动电路连接全桥逆变电路，全桥逆变电路通过信号调理电路连接数字信号处理器，全桥逆变电路、信号采集调理电路、数字信号处理器、驱动电路形成的闭环形成闭环控制。

2.权利要求1所述的一种低功率电脉冲发生装置的脉冲调制与控制方法，其特征是，所述脉冲调制与控制方法为：上位机将偏置电压和交流峰峰值电压的控制参考值通过脉宽调制信号输送给数字信号处理器，数字信号处理器通过闭环控制分别生成对应于偏置电压和交流峰峰值电压的调制量，并通过不对称移相脉冲调制算法生成四路PWM信号，驱动全桥逆变电路，全桥逆变电路的输出信号经LC滤波得到一路幅值可调、直流偏置可调的输出电压。

3.根据权利要求2所述的一种低功率电脉冲发生装置的脉冲调制与控制方法，其特征在于，所述数字信号处理器采用输出电压闭环反馈控制系统，接收上位机发送来的脉宽调制信号解调成偏置电压参考值V_Bais和交流峰峰值电压参考值V_max，参考值分别与信号采集调理电路输出的偏置电压测量值和交流峰峰值电压测量值比较，分别得到偏置电压和交流峰峰值电压的误差量，再分别经过PI调节器生成相位角ψ和脉冲宽度D，并通过PWM调制和控制算法生成四路PWM信号驱动全桥逆变电路的4个开关电路S1、S2、S3、S4。

4.根据权利要求3所述的一种低功率电脉冲发生装置的脉冲调制与控制方法，其特征在于，所述数字信号处理器PWM调制和控制算法生成的四路PWM信号驱动开关电路S1、S2、S3、S4，S1与S2的驱动信号互补，S4与S3的驱动信号互补，S1、S4和S2、S3周期性的改变通、断状态，周期为T；S1无起始相位角ψ，占空比为D，且0≤D≤1；S4有起始相位角ψ，脉冲宽度为T/2，且