CN108730167B - 一种往复式气泵及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种往复式气泵，包括驱动装置，用来提供交流电并驱动运动装置往复运动；运动装置，用来往复运动进而实现气泵吸气和排气的循环；所述驱动装置采用直流供电或者交直流供电，并且还包括用于将直流电转变为交流电的转换单元。基于上述往复式气泵，本发明还提出一种往复式气泵的控制方法。本发明的往复式气泵及其控制方法，可以在市电停电后继续提供交流电并驱动运动装置往复运动，进而使气泵实现吸气和排气的循环。

Description

一种往复式气泵及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种气泵，特别涉及一种往复式气泵及其控制方法。

背景技术

现有的用于医疗设备、家用鱼缸等应用场合的气泵，大多采用往复式气泵，即通过电磁线圈驱动磁铁往复运动，进而实现吸气和排气的循环。但是，现有往复式气泵的电源驱动装置，一般直接采用市电交流电，利用电磁线圈接通交流电时产生的交变磁场，驱动磁铁轴向重复移动。一旦停电，则气泵无法工作，给用户带来了诸多不便。市面上的UPS不间断电源，虽然在停电后也能够继续供电，但是其体积大、重量大、能量转换效率低，并且通常一个UPS不间断电源同时驱动多个气泵工作，外部线路连接复杂，用户使用不方便。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的往复式气泵在停电后无法工作的问题，提出一种往复式气泵及其控制方法。

本发明的往复式气泵，包括驱动装置，用来提供交流电并驱动运动装置往复运动；运动装置，用来往复运动进而实现气泵吸气和排气的循环；所述驱动装置采用直流供电或者交直流供电，并且还包括用于将直流电转变为交流电的转换单元，从而使所述气泵在市电停电后也能正常工作。

优选地，所述运动装置包括电磁线圈和磁铁，所述电磁线圈接通交流电时产生交变磁场，驱动所述磁铁轴向往复运动，进而实现气泵吸气和排气的循环。

优选地，所述驱动装置的转换单元为采用单片机控制的全桥驱动电路。

优选地，所述单片机控制的全桥驱动电路包含单片机U5、四个光电耦合器(U1、U2、U3和U4)、两个P型功率场效应管(Q1和Q3)、两个N型功率场效应管(Q2和Q4)、保险丝F1、四个肖特基二极管(D1、D2、D3和D4)、线圈电容C1、线圈对地电容(C2和C3)。

优选地，所述单片机控制的全桥驱动电路，单片机的控制程序为：单片机输出四路控制信号(S1、S2、S3和S4)，其中控制信号S1与控制信号S4同步，控制信号S2与控制信号S3同步，控制信号处于高电平时即为通电，在控制信号S1与控制信号S4从高电平变为低电平后，控制信号S2与控制信号S3变为高电平之前，预留一段死区时间，在所述死区时间内所有控制信号均输出低电平，全桥处于关闭状态。

优选地，所述控制信号S1与控制信号S4输出高电平时，光电耦合器U1和光电耦合器U4导通，场效应管Q1和场效应管Q4导通，电流从电源Vcc，经由场效应管Q1、衔铁线圈M和场效应管Q4流向地，衔铁线圈M上形成正向电气导通，电能转换为正向磁场能。

优选地，所述控制信号S2与控制信号S3输出高电平时，光电耦合器U2和光电耦合器U3导通，场效应管Q2和场效应管Q3导通，电流从电源Vcc，经由场效应管Q3、衔铁线圈M和场效应管Q2流向地，衔铁线圈M上形成反向电气导通，电能转换为反向磁场能。

优选地，当控制信号S1与控制信号S4从高电平突然变换为低电平时，场效应管Q1和场效应管Q4瞬间关闭，肖特基二极管D2和肖特基二极管D3为续流电流提供额外的释放通路；或者，当控制信号S2与控制信号S3从高电平突然变换为低电平时，场效应管Q2和场效应管Q3瞬间关闭，肖特基二极管D1和肖特基二极管D4为续流电流提供额外的释放通路，从而削弱或者消除了产生的反向电动势。

优选地，所述气泵还包括软启动程序，首先初始化气泵的运动周期和驱动装置的初始通电时间，随后逐渐增加驱动装置的通电时间，直至达到预设值。

优选地，所述驱动装置的通电时间能够被更改，从而所述运动装置往复运动的幅度能够被控制，进而所述气泵的出气量和压力输出的大小能够被控制。

本发明还提出一种往复式气泵的控制方法，包括以下步骤：

A1：采用直流供电或者交直流供电为驱动装置供电；

A2：通过所述驱动装置的转换单元将直流电转变为交流电，并将交流电提供给运动装置；

A3：所述运动装置在交流电的驱动作用下往复运动，进而实现气泵吸气和排气的循环。

优选地，所述步骤A2中将直流电转变为交流电，所述转变呈周期循环，其中一个周期包括以下步骤：

A21：单片机输出四路控制信号(S1、S2、S3和S4)，其中控制信号S1与控制信号S4同步，控制信号S2与控制信号S3同步；

A22：控制信号S1与控制信号S4输出高电平，通电时间为t；

A23：t时间后，四路控制信号(S1、S2、S3和S4)均输出低电平，时间长度为D_t；

A24：(t+D_t)时间后，控制信号S2与控制信号S3输出高电平，通电时间为t；

A25：(2t+D_t)时间后，四路控制信号(S1、S2、S3和S4)均输出低电平，时间长度为D_t。

优选地，所述步骤A22中，控制信号S1与控制信号S4输出高电平，光电耦合器U1和光电耦合器U4导通，场效应管Q1和场效应管Q4导通，电流从电源Vcc，经由场效应管Q1、衔铁线圈M和场效应管Q4流向地，衔铁线圈M上形成正向电气导通，电能转换为正向磁场能。

优选地，所述步骤A24中，控制信号S2与控制信号S3输出高电平，光电耦合器U2和光电耦合器U3导通，场效应管Q2和场效应管Q3导通，电流从电源Vcc，经由场效应管Q3、衔铁线圈M和场效应管Q2流向地，衔铁线圈M上形成反向电气导通，电能转换为反向磁场能。

优选地，所述往复式气泵的控制方法还包括软启动步骤：首先初始化气泵的控制周期和控制信号初始通电时间t₀，随后逐渐增加控制信号的通电时间，直至达到预设值t₁，其中，t₀＜t₁。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

本发明的往复式气泵及其控制方法，其驱动装置采用直流供电或者交直流供电，并且还包括用于将直流电转变为交流电的转换单元，可以在市电停电后继续提供交流电并驱动运动装置往复运动，进而使气泵实现吸气和排气的循环。并且当本发明的驱动装置采用交直流供电时，能够通过测量供电电压的高低，检测供电类型是市电供电还是电池供电，从而能够根据用户的需要，持续地为运动装置提供交流电，或者选择性地为运动装置提供交流电，灵活性好。而现有的采用UPS不间断电源的驱动装置，只能够持续地为运动装置提供交流电，不能根据用户的需要选择性供电，灵活性较差。

进一步地，相比于现有的气泵的驱动装置采用UPS不间断电源，本发明的往复式气泵及其控制方法，驱动装置采用单片机控制的全桥驱动电路，体积小、重量轻、能量转换效率高，并且能够独立存在于每一个气泵中，外部线路连接简单，方便用户使用。

进一步地，本发明的往复式气泵及其控制方法，所述转换单元采用单片机控制的全桥驱动电路，从软件层面上，通过设置死区时间来避免全桥同臂侧输出短路；从硬件层面上，通过肖特基二极管削弱或者消除产生的反向电动势，通过高压瓷片电容器吸收线圈瞬态浪涌，保护线圈不受浪涌损害，通过保险丝确保驱动电路不会因桥臂短路和其他电气故障而烧毁。

进一步地，本发明的往复式气泵及其控制方法，所述驱动装置的转换单元采用单片机控制的全桥驱动电路，开机启动时采用软启动，避免了启动瞬间产生大电流，降低了电气故障率，延长了电气部件的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例1的往复式气泵运动装置原理图。

图2是本发明实施例1的往复式气泵运动装置正向运动原理图。

图3是本发明实施例1的往复式气泵运动装置反向运动原理图。

图4是本发明实施例1的往复式气泵驱动装置全桥驱动电路原理图。

图5是本发明实施例1的往复式气泵驱动装置驱动逻辑图。

图6是本发明实施例1的往复式气泵全桥驱动电路正向驱动的工作原理图。

图7是本发明实施例1的往复式气泵全桥驱动电路从正向驱动到关断过程的工作原理图。

图8是本发明实施例2的往复式气泵控制方法的软启动流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本发明的往复式气泵，其运动装置包括电磁线圈和磁铁，所述电磁线圈接通交流电时产生交变磁场，驱动所述磁铁轴向往复运动，进而实现气泵吸气和排气的循环。在本实施例中，往复式气泵的运动装置结构如图1所示。永磁铁4安装在泵芯的运动部件3上，运动部件的两端安装有皮碗2。衔铁线圈1安置在运动部件运动方向的平行位置。衔铁线圈合并引出两根控制线5至驱动装置。此外，每个皮碗上设置有止回阀6，防止气体逆流。

如图2所示，当驱动装置对衔铁线圈正向通电时，衔铁上形成的S极一方面吸引永磁铁上的N极，一方面排斥永磁铁的S极。在二者的共同作用下，带有永磁铁的运动部件向正向运动。左侧皮碗受到来自运动部件的挤压，其容积缩小，内部的气体经由止回阀被压出。与此同时，右侧皮碗受到来自运动部件的拉伸，其容积变大，外部的气体经由止回阀被吸入。

与此相反，如图3所示，当驱动装置对衔铁线圈反向通电时，在衔铁形成的反向磁力作用下，运动部件向反方向运动。左右两侧的皮碗分别收到拉伸和压缩，完成左侧皮碗吸入气体，右侧皮碗压出气体。

当驱动装置不对衔铁线圈通电时，在皮碗自身弹性的作用下，运动部件回到如图1所示的初始位置，称为“复位”。两端的皮碗在驱动装置的循环挤压下，分时工作，输出流量和压力。

在本实施例中，往复式气泵的驱动电路采用全桥(H桥)驱动电路，如图4所示，泵芯的全桥(H桥)驱动电路主要包括三大部分，第一部分10包括单片机U5、第二部分11包括4个光电耦合器(U1、U2、U3和U4)、第三部分12包括2个P型功率场效应管(Q1和Q3)、2个N型功率场效应管(Q2和Q4)、4个肖特基二极管(D1、D2、D3和D4)、线圈电容C1、线圈对地电容(C2和C3)，其他部分还包括保险丝F1以及若干电阻组成。其中，衔铁线圈使用M表示。

本实施例的往复式气泵，其控制方法包括以下步骤：

A1：采用直流供电或者交直流供电为驱动装置供电；

A2：通过所述驱动装置的转换单元将直流电转变为交流电，并将交流电提供给运动装置；

A3：所述运动装置在交流电的驱动作用下往复运动，进而实现气泵吸气和排气的循环。

其中，在所述步骤A2中将直流电转变为交流电，所述转变呈周期循环，其中一个周期包括以下步骤：

A21：单片机输出四路控制信号(S1、S2、S3和S4)，其中控制信号S1与控制信号S4同步，控制信号S2与控制信号S3同步；

A22：控制信号S1与控制信号S4输出高电平，通电时间为t；

A23：t时间后，四路控制信号(S1、S2、S3和S4)均输出低电平，时间长度为D_t；

A24：(t+D_t)时间后，控制信号S2与控制信号S3输出高电平，通电时间为t；

A25：(2t+D_t)时间后，四路控制信号(S1、S2、S3和S4)均输出低电平，时间长度为D_t。

单片机输出的控制逻辑如图5。在图5中，X轴代表时间轴，Y轴代表电压或者电平轴。单片机输出4路控制信号，即S1、S2、S3和S4，控制周期为T。控制信号S1与控制信号S4同步，控制信号S2与控制信号S3同步。控制信号在高电平时即为通电，控制信号输出高电平的时间长度称为通电时间t。为避免全桥同臂侧输出短路，在控制信号S1、控制信号S4从高电平变为低电平后，控制信号S2、控制信号S3变为高电平之前，或者在控制信号S2、控制信号S3从高电平变为低电平后，控制信号S1、控制信号S4变为高电平之前，总是预留一段死区时间D_t，即

T＝2t+2D_t

在死区时间D_t内所有控制信号均输出低电平，全桥处于关闭状态，为硬件电路从软件层面提供了保护。控制信号的周期T决定了运动装置的运动频率，通常与运动装置的固有振动频率相等，通过实验获得最佳值，例如：50Hz。控制信号输出高电平的时间长度称为通电时间t，表征衔铁线圈通电的时间长短，也代表着泵芯运动部件的位移量，以控制信号的周期频率为50Hz为例，通电时间t的范围为：0＜t＜10ms。

全桥驱动电路的工作原理和保护功能如图6所示，控制信号S1和控制信号S4输出高电平，光电耦合器U1和光电耦合器U4导通，P型场效应管Q1的栅极接地从而导致其源漏极导通、N型场效应管Q4的栅极接供电Vcc从而导致其源漏极导通。电流从电源Vcc，经由P型场效应管Q1、衔铁线圈M和N型场效应管Q4流向地。衔铁线圈上形成正向电气导通，电能转换为正向磁场能。反之亦然，控制信号S2和控制信号S3输出高电平时，光电耦合器U2和光电耦合器U3导通，场效应管Q2和场效应管Q3导通，电流从电源Vcc，经由场效应管Q3、衔铁线圈M和场效应管Q2流向地。衔铁线圈上形成反向电气导通，电能转换为反向磁场能。

如图7所示，当控制信号S1和控制信号S4从高电平突然变换为低电平时，场效应管Q1和场效应管Q4瞬间关闭了电气通路。大功率衔铁线圈上寄生的电感将磁场能重新转换成为电能，形成一股续流电流。该电流无流通的通路，故集聚成为数倍于供电电压的高压反向电动势。反之亦然，场效应管Q2和场效应管Q3瞬间关闭时，也产生一股反向续流电流，并产生极性相反的高压反向电动势。电动势的大小根据线圈寄生电感的大小而不同，时长高达几十伏特。高压反向电动势的产生对驱动装置上的电气部件均产生危害，甚至因个别器件的耐压不足，导致击穿。场效应管Q1和场效应管Q4瞬间关闭时，肖特基二极管D2和肖特基二极管D3为上述续流电流提供的额外的释放通路。同理，场效应管Q2和场效应管Q3瞬间关闭时，肖特基二极管D1和肖特基二极管D4为续流电流提供的额外的释放通路。四组肖特基二极管削弱甚至消除了反向电动势的产生，保护驱动装置上的其他电器部件不受高压反向电动势的危害。

另外，衔铁线圈M的两端以及两侧对地分别选用了三个高压瓷片电容器(C1、C2和C3)，吸收线圈瞬态浪涌，保护线圈不受浪涌损害，提供了硬件保护。

全桥(H桥)的供电Vcc上，使用保险丝F1，确保驱动电路不会因桥臂短路和其他电气故障而烧毁，提供了硬件保护。

本发明实施例的往复式气泵，其驱动装置采用交直流供电，并且还包括用于将直流电转变为交流电的转换单元，所述转换单元采用单片机控制的全桥驱动电路，将直流供电变换成为方波形状的交流供电，利用电磁线圈接通交流电时产生的交变磁场，驱动磁铁轴向重复移动。其中，在本实施例中，驱动装置采用交直流供电，即通过市电交流电和电池直流电双重供电，当市电可用时，由外部电源适配器将市电工频交流电转换成为直流电；当市电不可用时，驱动装置立即切换到内部电池供电。

本发明实施例的往复式气泵，其驱动装置采用交直流供电，并且还包括用于将直流电转变为交流电的转换单元，可以在市电停电后继续提供方形交流电并驱动运动装置往复运动，进而使气泵实现吸气和排气的循环。另外，所述转换单元采用单片机控制的全桥驱动电路，从软件层面上，通过设置死区时间来避免全桥同臂侧输出短路；从硬件层面上，通过肖特基二极管削弱或者消除产生的反向电动势，通过高压瓷片电容器吸收线圈瞬态浪涌，保护线圈不受浪涌损害，通过保险丝确保驱动电路不会因桥臂短路和其他电气故障而烧毁。

实施例2

与实施例1相比，本实施例的往复式气泵还具有软启动功能，其控制方法还具有软启动步骤。软启动流程如图8，首先初始化气泵运动频率为50Hz，周期T为20ms、控制信号的通电时间t₀为2ms。由于通电时间短，衔铁线圈励磁时间短，工作电流小。随后每隔300ms，通电时间增加1ms，衔铁线圈励磁时间越来越长，平均工作电流逐步增加，直至通电时间达到预设值t₁，工作电流达到预设值。其中，t₀＜t₁＜10ms。如此以来，通过逐步增加驱动装置的通电时间，实现了气泵从小电流到大电流的软启动过程。

本发明实施例的往复式气泵及其控制方法，驱动装置采用单片机控制的全桥驱动电路，开机启动时采用软启动，避免了启动瞬间产生大电流，降低了电气故障率，延长了电气部件的使用寿命。

实施例3

与实施例1和实施例2相比，本实施例的往复式气泵，驱动装置采用单片机控制的全桥驱动电路，利用单片机输出的控制程序，通过更改控制信号的通电时间t的大小，可以控制气泵运动装置往复运动的幅度大小，从而实现气泵气量和压力输出的大小，提供多种不同的气量和压力输出组合。

实施例4

与实施例1-3相比，本实施例的往复式气泵，驱动装置采用交直流供电，即通过市电交流电和电池直流电双重供电，当市电可用时，由外部电源适配器将市电工频交流电转换成为直流电；当市电不可用时，驱动装置立即切换到内部电池供电。本实施例的往复式气泵，通过测量供电电压的高低，区分供电类型是市电供电还是电池供电，并通过不同颜色的发光二极管指示。

实施例5

与实施例1-4相比，本实施例的往复式气泵，驱动装置采用交直流供电，通过测量供电电压的高低，检测供电类型是市电供电还是电池供电，然后通过单片机控制程序选择性地为运动装置提供交流电，来满足用户不同的需求。例如，用户可能需要气泵在市电可用时不工作，市电不可用时才工作。

本发明实施例的往复式气泵，其驱动装置采用交直流供电和单片机控制的全桥驱动电路，能够持续地为运动装置提供交流电，也能够根据用户的需要，选择性地为运动装置提供交流电，灵活性好。而现有的采用UPS不间断电源的驱动装置，只能够持续地为运动装置提供交流电，不能根据用户的需要选择性供电，灵活性较差。

实施例6

与实施例1-5相比，本实施例的往复式气泵，采用直流供电，即仅通过电池供电，通过转换装置将直流供电变换成为方波形状的交流供电，利用电磁线圈接通交流电时产生的交变磁场，驱动磁铁轴向重复移动。本实施例的往复式气泵，不采用市电供电，可以使气泵在市电停电后也能正常工作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种往复式气泵，包括驱动装置，用来提供交流电并驱动运动装置往复运动；运动装置，用来往复运动进而实现气泵吸气和排气的循环；其特征在于，所述驱动装置采用直流供电或者交直流供电，并且还包括用于将直流电转变为交流电的转换单元，从而使气泵在市电停电后也能正常工作；

所述运动装置包括电磁线圈和磁铁，所述电磁线圈接通交流电时产生交变磁场，驱动所述磁铁轴向往复运动，进而实现气泵吸气和排气的循环；

所述驱动装置的转换单元为采用单片机控制的全桥驱动电路，所述全桥驱动电路包含单片机(U5)、第一至第四光电耦合器(U1、U2、U3、U4)、P型的第一和第三场效应管(Q1、Q3)、N型的第二和第四场效应管(Q2、Q4)、保险丝(F1)、第一至第四肖特基二极管(D1、D2、D3、D4)、线圈电容(C1)、第二和第三线圈对地电容(C2、C3)；

所述单片机输出第一至第四路控制信号(S1、S2、S3、S4)，第一路控制信号(S1)与第四路控制信号(S4)输出高电平时，第一光电耦合器(U1)和第四光电耦合器(U4)导通，第一场效应管(Q1)和第四场效应管(Q4)导通，电流从电源(Vcc)，经由第一场效应管(Q1)、衔铁线圈(M)和第四场效应管(Q4)流向地，衔铁线圈(M)上形成正向电气导通，电能转换为正向磁场能；

第二路控制信号(S2)与第三路控制信号(S3)输出高电平时，第二光电耦合器(U2)和第三光电耦合器(U3)导通，第二场效应管(Q2)和第三场效应管(Q3)导通，电流从电源(Vcc)，经由第三场效应管(Q3)、衔铁线圈(M)和第二场效应管(Q2)流向地，衔铁线圈(M)上形成反向电气导通，电能转换为反向磁场能；

当第一路控制信号(S1)与第四路控制信号(S4)从高电平突然变换为低电平时，第一场效应管(Q1)和第四场效应管(Q4)瞬间关闭，第二肖特基二极管(D2)和第三肖特基二极管(D3)为续流电流提供额外的释放通路；或者，当第二路控制信号(S2)与第三路控制信号(S3)从高电平突然变换为低电平时，第二场效应管(Q2)和第三场效应管(Q3)瞬间关闭，第一肖特基二极管(D1)和第四肖特基二极管(D4)为续流电流提供额外的释放通路，从而削弱或者消除了产生的反向电动势。

2.根据权利要求1所述的往复式气泵，其特征在于，所述第一至第四路控制信号输出高电平的时间长度称为通电时间，所述通电时间能够被更改，从而所述运动装置往复运动的幅度能够被控制，进而所述气泵的出气量和压力输出的大小能够被控制。

3.一种如权利要求1或2所述的往复式气泵的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1：采用直流供电或者交直流供电为驱动装置供电；

A2：通过所述驱动装置的转换单元将直流电转变为交流电，并将交流电提供给运动装置；

A3：所述运动装置在交流电的驱动作用下往复运动，进而实现气泵吸气和排气的循环；

所述步骤A2中将直流电转变为交流电，所述转变呈周期循环，其中一个周期包括以下步骤：

A21：单片机输出第一至第四路控制信号(S1、S2、S3、S4)，其中第一路控制信号(S1)与第四路控制信号(S4)同步，第二路控制信号(S2)与第三路控制信号(S3)同步；

A22：第一路控制信号(S1)与第四路控制信号(S4)输出高电平，通电时间为t；

A23：t时间后，第一至第四路控制信号(S1、S2、S3、S4)均输出低电平，时间长度为D_t；

A24：(t+D_t)时间后，第二路控制信号(S2)与第三路控制信号(S3)输出高电平，通电时间为t；

A25：(2t+D_t)时间后，第一至第四路控制信号(S1、S2、S3、S4)均输出低电平，时间长度为D_t；

所述步骤A22中，第一路控制信号(S1)与第四路控制信号(S4)输出高电平，第一光电耦合器(U1)和第四光电耦合器(U4)导通，第一场效应管(Q1)和第四场效应管(Q4)导通，电流从电源(Vcc)，经由第一场效应管(Q1)、衔铁线圈(M)和第四场效应管(Q4)流向地，衔铁线圈(M)上形成正向电气导通，电能转换为正向磁场能；

所述步骤A24中，第二路控制信号(S2)与第三路控制信号(S3)输出高电平，第二光电耦合器(U2)和第三光电耦合器(U3)导通，第二场效应管(Q2)和第三场效应管(Q3)导通，电流从电源(Vcc)，经由第三场效应管(Q3)、衔铁线圈(M)和第二场效应管(Q2)流向地，衔铁线圈(M)上形成反向电气导通，电能转换为反向磁场能。

4.根据权利要求3所述的往复式气泵的控制方法，其特征在于，还包括软启动步骤：首先初始化气泵的控制周期和控制信号初始通电时间t₀，随后逐渐增加控制信号的通电时间，直至达到预设值t₁，其中，t₀＜t₁。

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