CN109578253A - 多级高频压电泵及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于压电泵技术领域，尤其涉及一种多级高频压电泵及其控制系统。本发明的压电泵结构紧凑、体积小巧，高频输出性能好，其输出流量远好于传统多级串联泵，低频输出性能与传统串联泵想接近，且输出压力平稳，压力等级较高，具有良好的的应用前景；本发明的多级高频压电泵控制系统，频率准确度高，在15分钟之内频率漂移率非常小，该控制系统能够产生正弦波、三角波和方波波形，通过键盘输入频率，满足可调节的要求。结合腔串联压电泵可变增益控制系统方案，通过调节数字电位器MAX5424来改变放大电路的增益，运用FPGA芯片控制多腔串联压电泵流量的恒定输出，该系统简单可靠，效果好。

Description

多级高频压电泵及其控制系统

技术领域

本发明属于压电泵技术领域，尤其涉及一种多级高频压电泵及其控制系统。

背景技术

压电泵是一种结构小巧、低耗无噪音的新型驱动泵，压电泵的工作方式独特，它通过 压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为机械能，使压电振子产生变形，进而使泵腔的容积发 生变化实现流体输出；或者利用压电振子产生波动来传输流体。随着材料以及生产工艺的 进步，压电泵应用范围也越来越广泛，用于医疗、精确控制等领域小微型压电泵的需求不 断提高，而上述领域中对压电泵的工作状态稳定性、控制的精度、工作效率等均有苛刻的 要求，导致在上述领域压电泵的应用无法满足市场需求。

发明内容

本发明创造的目的在于，基于现状，提供一种结构紧凑、流道短、体积小巧的多级高 频压电泵，并基于该多级高频压电泵设计一种频率精度高、漂移率小、输出波形可控的串 联泵控制系统。

为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。

本发明的一种多级高频压电泵，包括：上阀盖、下阀盖、压电振子以及中间阀体；中间阀体设置在上阀盖和下阀盖中间，上阀盖下端面和下阀盖上端面分别与中间阀体的上下端面贴合；串联泵的表面设置有进阀道和出阀道、串联泵的内部设置有多个阀室以及用于连接阀室的单向阀；

其中，进阀道和阀道的出口分别设置在上阀盖或者下阀盖的外表面，或者设置在中间 阀体外表面；

阀室由控制腔以及压力腔围成，控制腔从上阀盖的下端面或者下阀盖的上端面向其内 部挖出，压力腔从中间阀体的上端面或者下端面向其内部挖出；压力腔与控制腔的位置相 互对应以围成阀室，控制腔以及压力腔之间设置有压电振子；

单向阀设置在中间阀体上，阀室依次通过单向阀连通，流体从进阀道进入后经过各阀 室最后从出阀道流出，各单向阀的出口朝向流体流动方向。

对上述方案的进一步改进还包括，压电振子安装在从压力腔边缘挖出的安装槽内，安 装槽内还设置有密封圈，上/下阀盖和中间阀体的贴紧面之间还设置有密封涂层。

对上述方案的进一步改进还包括，上/下阀盖与中间阀体之间通过铆接或者扣接。

对上述方案的进一步改进还包括，包括两个压电振子，进阀道和出阀道分别设置在上 阀盖和下阀盖，阀室为下上分布；串联泵工作时，两个压电振子工作的相位差180。

对上述方案的进一步改进还包括，包括三个压电振子，进阀道和出阀道同时设置在上/ 下阀盖，串联的阀室依次轮流设置在中间体的上端面和下端面，阀室位置依次为上下上分 布；三联串联泵工作时，第一压电振子和第二压电振子同步工作，第三压电振子异步工作。

对上述方案的进一步改进还包括，包括四个压电振子，其中进阀道和出阀道同时设置 在中间阀体上，依次串联的阀室两两设置在中间体两侧，阀室位置依次为上上下下分布。

多级高频压电泵控制系统，包括用于驱动串联泵工作的驱动电源，驱动电源之后依次 设有保护电路、电压控制电路、升压电路最后连接至串联泵；控制系统还设置有流量采集 装置，流量采集装置采集多级串联泵的输出流量并将其转换为电压形式的流量信号；通过 将流量信号反馈至电压控制电路进而实现对串联泵的闭环控制；

驱动电源结构包括EPGA模块、输入扫描模块、波形输出模块以及数模转换模块组成： EPGA模块包括EP1C12Q240C可编程逻辑器，EP1C12Q240C可编程逻辑器内部嵌有基于VHDL的DDS驱动电源的IP核；输入扫描模块用于接收控制指令以控制DDS驱动电源的输 出信号，包括其频率范围、输出频率值以及输出波形；波形输出模块用于显示和输出DDS 驱动电源的输出波形；数模转换器用于将DDS驱动电源的数字量转换为模拟量以便于驱动 压电振子；其中DDS驱动电源由EP1C12Q240C中的VHDL编写的相位累加器、波形查找表， 以及EP1C12Q240C外部的A/D转换器、低通滤波器电路组成；

输入扫描模块由译码器以及矩阵式键盘构成。

电压控制电路，包括调幅电路和放大电路，调幅电路由运算放大器、数字电位器构成。 数字电位器接入运算放大器的反相端，数字电位器的滑动端触头的位置由EP1C12Q240C芯 片控制，通过调整电阻值控制数字电位器滑动端输出电压，进而控制运算放大器的输入电 压。本实施例中具体使用的是UA741运算放大器以及MAX5424数字电位器。

升压电路是指升压器，升压器包括初级线圈、次级线圈和磁芯。

流量采集包括设置在串联泵输出端的流量传感器

其有益效果在于：

本发明的压电泵结构紧凑、体积小巧，高频输出性能好，其输出流量远好于传统多级 串联泵，低频输出性能与传统串联泵想接近，且输出压力平稳，压力等级较高，具有良好的的应用前景；本发明的多级高频压电泵控制系统，频率准确度高，在15分钟之内频率 漂移率非常小，该控制系统能够产生正弦波、三角波和方波波形，通过键盘输入频率，满 足可调节的要求。结合腔串联压电泵可变增益控制系统方案，通过调节数字电位器 MAX5424来改变放大电路的增益，运用FPGA芯片控制多腔串联压电泵流量的恒定输出， 该系统简单可靠，效果好。

附图说明

图1是的本发明的一种双联串联压电泵的结构示意图；

图2是的本发明的一种三联串联压电泵的结构示意图；

图3是的本发明的一种四联串联压电泵的结构示意图；

图4是本发明中串联压电泵控制系统的原理图；

图5是本发明中控制系统的稳压控制流程图。

具体实施方式

本发明的多级高频压电泵，是一种利用压电泵构成的串联泵系统。

其结构包括：上阀盖1a、下阀盖1b、压电振子1c以及中间阀体1d；中间阀体1d设 置在上阀盖1a和下阀盖1b中间，上阀盖1a下端面和下阀盖1b上端面分别与中间阀体1d 的上下端面贴合；串联泵的表面设置有进阀道1e和出阀道1f、串联泵的内部设置有多个 阀室以及用于连接阀室的单向阀1i；其中，进阀道1e和阀道的出口分别设置在上阀盖1a 或者下阀盖1b的外表面，或者设置在中间阀体1d外表面；阀室由控制腔1g以及压力腔 1h围成，控制腔1g从上阀盖1a的下端面或者下阀盖1b的上端面向其内部挖出，压力腔 1h从中间阀体1d的上端面或者下端面向其内部挖出；压力腔1h与控制腔1g的位置相互 对应以围成阀室，控制腔1g以及压力腔1h之间设置有压电振子1c；单向阀1i设置在中间 阀体1d上，阀室依次通过单向阀1i连通，流体从进阀道1e进入后经过各阀室最后从出阀 道1f流出，各单向阀1i的出口朝向流体流动方向；对本发明的改进内容还包括，压电振 子1c安装在从压力腔1h边缘挖出的安装槽内，安装槽内还设置有密封圈，上/下阀盖1b 和中间阀体1d的贴紧面之间还设置有密封涂层；上/下阀盖1b与中间阀体1d之间通过铆 接或者扣接。

为便于更准确的对上述方案进行描述，以下述几个实施方式对本发明的技术方案进行 介绍。

如图1所示，本发明提供一种双联串联泵，其基本结构进阀道1e和出阀道1f分别设置在上阀盖1a和下阀盖1b，阀室位置依次为上下分布；还可以设置为图2所示结构，进 阀道1e和出阀道1f分别设置在上/下阀盖1b和中间阀体1d，阀室位置依次为下上分布； 两种设置方式根据进阀道1e和出阀道1f的位置进行设置以满足不同结构需求；串联泵工 作时，两个压电振子1c工作的相位差180，即给它们施加的交变电压相位相反，压电泵开 始工作。流体都是从进阀道1e进入，从出阀道1f流出，形成串联流动。串联泵中不带有 其他导流结构，整个串联泵的尺寸以及流体流道减小。

在上述结构的基础上进一步提出一种三联串联泵的基本结构如图2所示：其中进阀道 1e和出阀道1f同时设置在上/下阀盖1b，串联的阀室依次轮流设置在中间体两端面，阀室 位置依次为上下上分布；三联串联泵工作时，可以令第一压电振子1c和第三压电振子1c 同步，第二压电振子1c异步工作，或者第一压电振子1c和第二压电振子1c同步工作，第三压电振子1c异步工作，当使用第二种工作方式模式下，第二压电振子1c对应腔室的入 口处的单向阀1i2处于常开状态，因此可以省去并设置成通道；因此可以进一步简化结构， 减少流体紊乱，同时该工作模式下流量输出过程较前一种更好，输出能力更强；

在上述结构的基础上进一步提出一种四联串联泵的基本结构如图3所示：其中进阀道 1e和出阀道1f同时设置在中间阀体1d上，依次串联的阀室两两设置在中间体两侧，阀室 位置依次为上上下下分布，四联串联泵的结构乐意分为上下两部分，每一部分都相当于一 个带有导流槽1l的双腔串联泵。

在具体实施过程中，还在各压电振子以及腔室的连接面处均设置有密封圈1j或者垫片 以实现密封，还设置有用于安装压电振子驱动机构的安装室1k。

为了提高上述多级串联泵的工作性能，改善串联泵的输出特性，本发明还提供用于上 述串联泵的控制系统，其控制原理如图4所示；

控制系统的基本结构如图多级高频压电泵及其控制系统所示，包括用于驱动串联泵工 作的驱动电源，驱动电源之后依次设有保护电路、电压控制电路、升压电路最后连接至串 联泵；控制系统还设置有流量采集装置，流量采集装置采集多级串联泵的输出流量并将其 转换为电压形式的流量信号；通过将流量信号反馈至电压控制电路进而实现对串联泵的闭 环控制；

本发明中的驱动电源结构原理如图多级高频压电泵及其控制系统所示，包括EPGA模 块、输入扫描模块、波形输出模块以及数模转换模块组成：EPGA模块包括EP1C12Q240C可编程逻辑器，EP1C12Q240C可编程逻辑器内部嵌有基于VHDL的DDS驱动电源的IP核； 输入扫描模块用于接收控制指令以控制DDS驱动电源的输出信号，包括其频率范围、输出 频率值以及输出波形；波形输出模块用于显示和输出DDS驱动电源的输出波形；数模转换 器用于将DDS驱动电源的数字量转换为模拟量以便于驱动压电振子；其中DDS驱动电源由EP1C12Q240C中的VHDL编写的相位累加器、波形查找表，以及EP1C12Q240C外部的D/A 转换器、低通滤波器电路组成；

本实施例中，输入扫描模块由74LS138译码器以及矩阵式键盘构成，矩阵式键盘的行 输入线与74LS138译码器输出相连，列输出线与EP1C12Q240C相连，作为FPGA的键盘输入信息数据线，从而节省I/O端口线数目；74LS138的输入端与FPGA的键盘扫描输出信号 线相连，使动态扫描键盘获得FPGA发出的扫描信息。按键位于行和列的交叉点上，无键 按下时，列输出线悬空，无键盘信息输入到EP1C12Q240C。当有按键按下时，按键就会将 按键所在行的信息传递到相应的列线上，当EP1C12Q240C获得列输入线输入的低电平时， 停止输出扫描信息，输入到EP1C12Q240C的信息也保持不变，根据输入/输出线数据的组 合就可以判断出是那个按键按下，进而获取输入信号。波形输出模块用于显示输出驱动信 号以及流量信号等数据以便于检测控制，其具体结构可以是显示屏等显示装置。数模转换 模块选用DAC0832作为D/A转换器来完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。由于从 D/A转换器输出的波形中含有谐波噪音，导致输出数据失真。所以，因此本实施例中还包 括设置在转换器之后的滤波器。

电压控制电路，包括调幅电路和放大电路，调幅电路由运算放大器、数字电位器构成。 数字电位器接入运算放大器的反相端，数字电位器的滑动端触头的位置由EP1C12Q240C芯 片控制，通过调整电阻值控制数字电位器滑动端输出电压，进而控制运算放大器的输入电 压。本实施例中具体使用的是UA741运算放大器以及MAX5424数字电位器。

升压电路是指升压器，升压器包括初级线圈、次级线圈和磁芯。

流量采集包括设置在串联泵输出端的流量传感器

控制系统的原理是，驱动电源输出的信号首先经过电压控制电路分压后，经过功率放 大器进行放大，放大后的输出信号经过升压器进行再次放大后驱动串联泵中的压电振子工 作，当串联泵工作在动态电压范围内工作时，流量传感器采集压电泵输出流量并转换为电 压信号，将电压信号与参考电压进行比较判断，若存在偏差，则通过改变电压控制电路中 数字电位器滑动触头端的位置，改变运算放大器的输入电压，进而调节运算放大器的输出 电压，使串联泵的输出流量保持在相对稳定的幅值范围内，该控制原理具有成本低廉，电 路简单，容易实现等特点。

如图5所示为本发明中控制系统的稳压控制流程：

其中DDS驱动电源输出的信号，首先经过调幅电路分压后，进入到功率放大电路进行 功率放大，然后其输出信号再经过升压变压器进行2次放大后，驱动多腔串联压电泵工作。 采集压电泵流量传感器的输出信号，转换成电压信号后，与参考电压进行比较后，判断是 否有差值。如果存在偏差，则对输出信号进行幅值的再调整。

本实施例中，数字电位器对DDS输入信号的第一次调整：经过缓冲级，DDS加到数字电位器上的电压为256mV。数字电位器共计有256个抽头点，每变换一个抽头点，数字电 位器抽头输出电压变化1mV。设n是FPGA芯片写入到数字电位器寄存器的8位二进制数， 将n控制在50～110之间，数字电位器输入到信号电压放大级的电压就在50～110mV范围 内。电压幅值的第二次调整：在调幅电路中uA741构成了反相比例电压放大器，其放大倍 数为：其输出电压u₀₁＝A₁×u_i1＝10u_il；功率放大电路的增益放大倍数 A_uF＝10，升压变压器的变比为1：100，则加在多腔压电泵上的工作电压为： u＝A₁×u_uf×100×u_il；

系统启动时，首先进行初始化设置，通过键盘设定多腔压电泵的流量参数，即数字电 位器MAX5424的抽头位置。系统正常工作时，读取流量传感器的数据并换算成电压值，然后ADC0809将流量传感器测得的流量换算成数字量送给FPGA。FPGA根据给定的参考电压 值与ADC0809输入的电压信息，判断是否需要电压调整；根据偏差信号的大小，向数字电 位器写入电压调节代码，进而调整了压电泵输出流量，此过程循环直到输出的流量信号保 持恒定。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创 造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技 术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明 创造技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.多级高频压电泵，其特征在于，包括：上阀盖、下阀盖、压电振子以及中间阀体；中间阀体设置在上阀盖和下阀盖中间，上阀盖下端面和下阀盖上端面分别与中间阀体的上下端面贴合；串联泵的表面设置有进阀道和出阀道、串联泵的内部设置有多个阀室以及用于连接阀室的单向阀；

其中，进阀道和阀道的出口分别设置在上阀盖或者下阀盖的外表面，或者设置在中间阀体外表面；

阀室由控制腔以及压力腔围成，控制腔从上阀盖的下端面或者下阀盖的上端面向其内部挖出，压力腔从中间阀体的上端面或者下端面向其内部挖出；压力腔与控制腔的位置相互对应以围成阀室，控制腔以及压力腔之间设置有压电振子；

单向阀设置在中间阀体上，阀室依次通过单向阀连通，流体从进阀道进入后经过各阀室最后从出阀道流出，各单向阀的出口朝向流体流动方向。

2.根据权利要求1所述多级高频压电泵，其特征在于，压电振子安装在从压力腔边缘挖出的安装槽内，安装槽内还设置有密封圈，上/下阀盖和中间阀体的贴紧面之间还设置有密封涂层。

3.根据权利要求1所述多级高频压电泵，其特征在于，上/下阀盖与中间阀体之间通过铆接或者扣接。

4.根据权利要求1所述多级高频压电泵，其特征在于，包括两个压电振子，进阀道和出阀道分别设置在上阀盖和下阀盖，阀室为下上分布；串联泵工作时，两个压电振子工作的相位差为180。

5.根据权利要求1所述多级高频压电泵，其特征在于，包括三个压电振子，进阀道和出阀道同时设置在上/下阀盖，串联的阀室依次轮流设置在中间体的上端面和下端面，阀室位置依次为上下上分布；三联串联泵工作时，第一压电振子和第二压电振子同步工作，第三压电振子异步工作。

6.根据权利要求1所述多级高频压电泵，其特征在于，包括四个压电振子，其中进阀道和出阀道同时设置在中间阀体上，依次串联的阀室两两设置在中间体两侧，阀室位置依次为上上下下分布。

7.多级高频压电泵控制系统，其特征在于，包括用于驱动串联泵工作的驱动电源，驱动电源之后依次设有保护电路、电压控制电路、升压电路最后连接至串联泵；控制系统还设置有流量采集装置，流量采集装置采集多级串联泵的输出流量并将其转换为电压形式的流量信号；通过将流量信号反馈至电压控制电路进而实现对串联泵的闭环控制；

驱动电源结构包括EPGA模块、输入扫描模块、波形输出模块以及数模转换模块组成：EPGA模块包括EP1C12Q240C可编程逻辑器，EP1C12Q240C可编程逻辑器内部嵌有基于VHDL的DDS驱动电源的IP核；输入扫描模块用于接收控制指令以控制DDS驱动电源的输出信号，包括其频率范围、输出频率值以及输出波形；波形输出模块用于显示和输出DDS驱动电源的输出波形；数模转换器用于将DDS驱动电源的数字量转换为模拟量以便于驱动压电振子；其中DDS驱动电源由EP1C12Q240C中的VHDL编写的相位累加器、波形查找表，以及EP1C12Q240C外部的A/D转换器、低通滤波器电路组成；

输入扫描模块由译码器以及矩阵式键盘构成；

电压控制电路，包括调幅电路和放大电路，调幅电路由运算放大器、数字电位器构成。数字电位器接入运算放大器的反相端，数字电位器的滑动端触头的位置由EP1C12Q240C芯片控制，通过调整电阻值控制数字电位器滑动端输出电压，进而控制运算放大器的输入电压；本实施例中具体使用的是UA741运算放大器以及MAX5424数字电位器；

升压电路是指升压器，升压器包括初级线圈、次级线圈和磁芯；

流量采集包括设置在串联泵输出端的流量传感器。