CN112170105B - 一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于点胶阀控制的技术领域，尤其是一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，包括控制器与压电陶瓷阀，所述的控制器中具有MCU、双通道加热单元、四通道温度采集单元、输入输出单元、操作键入单元、显示单元、电源控制单元，所述的压电陶瓷阀中内置一颗单线EEPROM芯片，连接到MCU上用于记录压电陶瓷阀的喷胶信息，所述的压电陶瓷阀与控制器之间还设有半桥驱动器单元。本发明能量转换效率更高，动态响应速度更快,并且可支持更高的驱动频率，控制器发热量很小，由于省掉了昂贵的高压运算放大器，节省了电子BOM成本，具有很好的经济性,控制器结构设计可以做到更加小型化，集成化。

Description

一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统

技术领域

本发明属于点胶阀控制的技术领域，尤其是一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统。

背景技术

随着工业的发展和科技的进步，各个行业越来越智能化，产品的使用寿命以及稳定性也越来越受用户重视。目前点胶技术广泛应用于微电子封装、生命科学、快速制造等领域。在微电子封装 过程中，点胶技术主要用于芯片粘接、芯片涂层、底部填充、LED封装等。根据其工作原理，点胶技术可以分成两大类：接触式点胶和非接触式点胶。非接触点胶具有胶点一致性好、工作 频率高、胶滴体积小和胶液范围广等优点，因此将成为未来的主流点胶方式。其中压电陶瓷点胶技术是点胶行业兴起的一种新型非接触式喷射点胶技术，以压电陶瓷为核心动作器件，因其高速高效率动作执行，较之传统的电磁阀、气动阀点胶技术，有更快的点胶速度和效能，当前工业点胶所用压电陶瓷驱动器主要是以电压控制压电陶瓷输出位移为设计方案。

目前，在双组份阀的应用中，为了提升出胶量控制的精准度，压电陶瓷驱动器的控制方案通常采用线性高压运算放大器，以及后级功放电路组成的线性放大电路，这种驱动电路适合对压电陶瓷进行静态定位或低速往复震动，由于喷针与放大传动机构为一体化的结构，喷针导向性差，易产生干涉，易松动，喷针运动行程无法精确调节，胶液腔密封性差，点胶阀不能持续稳定工作，且高压运算放大器成本昂贵，并且放大器效率低下，发热严重，输出带载能力受限制，高速动态响应慢，无法满足进一步提升出胶量精准度占的工艺要求，因此，急需对现有压电喷射阀体的驱动控制器进行改进。

发明内容

本发明的目的之一在于针对现有技术的缺陷和不足,提供一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，其能够增大陶瓷的输出行程，提高压电陶瓷的输出能力，具有高精确度的控制，更好地促进点胶技术的发展。

本发明的技术方案如下：

该一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，包括控制器与压电陶瓷阀，所述的控制器中具有MCU、双通道加热单元、四通道温度采集单元、输入输出单元、操作键入单元、显示单元、电源控制单元，所述的压电陶瓷阀中内置一颗单线EEPROM芯片，连接到MCU上用于记录压电陶瓷阀的喷胶信息，所述的压电陶瓷阀与控制器之间还设有半桥驱动器单元，输入来自MCU的PWM梯形波脉宽调制信号，在功率器件输出级进行电压转换和低通滤波，输出驱动压电陶瓷阀的梯形波电压源，其中：

所述的双通道加热单元包括用于对胶筒与喷嘴分别进行恒温加热的双通道加热器以及加热电路，所述的控制器的软件采用PID算法对双通道加热器进行恒温控制，所述的双通道加热单元与MCU建立连接；

所述的四通道温度采集单元包括四个采集模块与一个采集芯片，第一采集模块与第二采集模块用于采集双通道加热单元的温度，第三采集模块用于采集压电陶瓷阀内陶瓷表面温度，第四采集模块用于采集功率器件散热温度，采集芯片将采集到的四个采集模块接收的参数传送至MCU中用于执行温度控制或者高温保护；

所述的输入输出单元用于基本的开关信号输入端与开关信号输出端，输入输出单元内部通过设置光耦与控制器电气隔离，所述的输入输出单元与MCU建立连接；

所述的操作键入单元用于操作控制器，设置点胶参数，手动操作驱动压电陶瓷阀喷胶的功能选择，操作键入单元与MCU建立连接；

所述的显示单元用于显示操作界面，显示当前四通道温度采集单元采集到的温度值，显示用户设置的点胶参数，显示压电陶瓷阀打点数量和累积点胶数量的信息，显示单元与MCU建立连接；

所述的电源控制单元包括两路电源，一路电源用于MCU与低压小信号模块供电，另一路电源用于压电陶瓷阀功率输出电路供电。

优选的，所述的控制器还包括过载保护单元，用于压电陶瓷阀驱动电压过压保护、电流过流保护、高温保护、短路保护、高压电源检测保护、功率输出电路高温保护、加热器过载短路保护，过载保护单元MCU建立连接。

优选的，所述的控制器还包括校准功能单元，用于显示压电陶瓷阀喷嘴校准参数和最佳位置，来指导用户拧喷嘴松紧达最佳位置角度。

优选的，所述的控制器还包括双通道232单元，一路通道接口用于与控制平台的PC上位机端进行双工通讯，在PC端设置控制控制器参数和控制动作，另一路通道接口用于软件升级及其他功能备用。

优选的，所述的输入输出单元具有三路开关信号输入端与六路开关信号输出端，其中有一路开关信号输入端被设置为外部触发喷胶信号输入，与压电陶瓷阀的运动平台连接，实现运动平台自动控制点胶功能，另外八路通道作为备用通道，用于后续的新功能开发。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、通过PWM合成梯形波来驱动压电陶瓷。相对于高压线性放大器驱动方案，新方案能量转换效率更高，动态响应速度更快,并且可支持更高的驱动频率，控制器发热量小，由于省掉了昂贵的高压运算放大器，节省了电子BOM成本，具有很好的经济性,使得控制器结构设计可以做到更加小型化，集成化。

2、通过在设置半桥驱动器单元形成自举升压，在功率输出电路输出负压，使压电陶瓷阀的驱动电压在正电压和负电压之间变化，在陶瓷的额定安全工作电压范围之内，增大了陶瓷的输出行程，提高了压电陶瓷阀的输出力。

3、系统自带两路恒温控制电路，不用外接加热控制器，四通道温度采集单元对双通道加热器以的加热电路进行测温和负反馈控制，MCU采用PID算法对双通道加热器进行恒温控制，所以温度控制精准，避免了常用K电偶探头测量温度时要进行冷端补偿所产生的误差，保证了测量温度的准确性，有效提升生产的稳定性与安全性，进而直接提升了产品的市场竞争力。

附图说明

图1为本发明一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统的结构框图。

图2为本发明双通道加热单元的控制电路的接线示意图。

图3为本发明四通道温度采集单元的控制电路的接线示意图。

图4为本发明半桥驱动器单元的控制电路的接线示意图。

图5为本发明PWM调制合成梯形波示意图。

图6为本发明校准功能单元与压电陶瓷阀的接线示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1、图4所示，本发明所述一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，包括控制器与压电陶瓷阀，所述的控制器中具有MCU、双通道加热单元、四通道温度采集单元、输入输出单元、操作键入单元、显示单元、电源控制单元，所述的压电陶瓷阀中内置一颗单线EEPROM芯片，连接到MCU上用于记录压电陶瓷阀的喷胶信息，所述的压电陶瓷阀与控制器之间还设有半桥驱动器单元，所述的半桥驱动器单元由HVIC高压浮动MOSFET驱动芯片和大功率开关MOS管组成，输入来自MCU的PWM梯形波脉宽调制信号，在功率器件输出级进行电压转换和低通滤波，输出驱动压电陶瓷阀的梯形波电压源，通过在设置半桥驱动器单元形成自举升压，在功率输出电路输出负压，使压电陶瓷阀的驱动电压在正电压和负电压之间变化，在陶瓷的额定安全工作电压范围之内，增大了陶瓷的输出行程，提高了压电陶瓷阀的输出力，其中：

如图2所示，所述的双通道加热单元包括胶筒加热棒与喷嘴加热棒以及加热电路，所述的加热电路中具有推挽驱动，且电源选择24V与150V两种供电，所述的控制器的软件采用PID算法对胶筒加热棒与喷嘴加热棒进行恒温控制，所述的双通道加热单元与MCU建立连接，系统自带两路恒温控制电路，不用外接加热控制器，四通道温度采集单元对双通道加热器以的加热电路进行测温和负反馈控制，MCU采用PID算法对双通道加热器进行恒温控制，所以温度控制精准，避免了常用K电偶探头测量温度时要进行冷端补偿所产生的误差，保证了测量温度的准确性，有效提升生产的稳定性与安全性，；

如图3所示，所述的四通道温度采集单元包括四个采集模块与一个采集芯片，第一采集模块与第二采集模块用于采集双通道加热单元的温度，第三采集模块用于采集压电陶瓷阀内陶瓷表面温度，第四采集模块用于采集功率器件散热温度，采集芯片将采集到的四个采集模块接收的参数传送至MCU中用于执行温度控制或者高温保护，具体的，所述的第一采集模块、第二采集模块、第三采集模块、第四采集模块均采用PT1000铂电阻温度传感器，采集芯片为24位专用4通道ADC温度采集芯片；

所述的输入输出单元用于基本的开关信号输入端与开关信号输出端，输入输出单元内部通过设置光耦与控制器电气隔离，所述的输入输出单元与MCU建立连接，所述的输入输出单元具有三路开关信号输入端与六路开关信号输出端，其中有一路开关信号输入端被设置为外部触发喷胶信号输入，与压电陶瓷阀的运动平台连接，实现运动平台自动控制点胶功能，另外八路通道作为备用通道，用于后续的新功能开发；

所述的操作键入单元用于操作控制器，设置点胶参数，手动操作驱动压电陶瓷阀喷胶的功能选择，操作键入单元与MCU建立连接；

所述的显示单元用于显示操作界面，显示当前四通道温度采集单元采集到的温度值，显示用户设置的点胶参数，显示压电陶瓷阀打点数量和累积点胶数量的信息，显示单元与MCU建立连接；

所述的电源控制单元包括两路电源，控制器电源，内部有两路电源，12V低压电源一路电源用于MCU等低压小信号模块供电，另一路150V单电源用于压电陶瓷功率输出电路供电。

具体的，MCU是整个控制器的核心部件，采用32位CORTEX-M4架构嵌入式微控制器，片上资源丰富，集成了多路高速ADC功能单元，高级DMA定时器PWM输出单元，UART，SPI接口，以太网模块接口，TFT控制器等模块，可实现用户按键操作响应，LCD界面显示，PWM高速调制信号输出，加热器恒温控制和过载保护，喷嘴位置校准，外部喷胶触发输入等功能，且扩展了18位全彩TFT LCD液晶触摸屏接口，可开发触摸控制显示和彩色用户界面，提升用户使用体验。

在上述实施例中，如图5所示，所述的PWM(脉冲宽度调制)波是一种被调制过的幅值和频率固定，占空比可变的载波序列，PWM波形过惯性系统(容性/感性负载)后能够还原来的低频调制波形。PWM通过适当的合成算法可以合成任意的波形信号。因为PWM功率驱动器件一直处于开关工作状态，所以具有高效率，低热功率损耗的优点，通常能保持90%以上的能量转换效率。本产品方案是通过主控制器MCU定时器计算输出的高精度PWM脉冲来合成梯形波输出。

PWM调制控制算法：设定梯形波最大值为Um，梯形波在某一采样点时刻的瞬时值为u，PWM波形的峰峰值为Vpp，则在此采样点时刻对应的PWM波形的占空比δ为：

δ=u/Um*100% ，

最大占空比 δmax=（Um/Vpp）*100%。

进一步的，为了提升运行的安全性，所述的控制器还包括过载保护单元，用于压电陶瓷阀驱动电压过压保护、电流过流保护、高温保护、短路保护、高压电源检测保护、功率输出电路高温保护、加热器过载短路保护，过载保护单元MCU建立连接，通过设计完善丰富的保护电路，可以保护贵重的压电陶瓷阀免受极限过载情况造成的物理性损伤，使控制器更安全可靠地工作。

在一种较佳的实施方式中，如图6所示，所述的控制器还包括校准功能单元，用于显示压电陶瓷阀喷嘴校准参数和最佳位置，来指导用户拧喷嘴松紧达最佳位置角度，提高用户的操作体验。

在一种较佳的实施方式中，所述的控制器还包括双通道232单元，一路通道接口用于与控制平台的PC上位机端进行双工通讯，在PC端设置控制控制器参数和控制动作，另一路通道接口用于软件升级及其他功能备用。

通过上述技术方案，控制器内部采用低成本的功率开关取代加热控制器，使控制器功能更丰富完善，集成度更高，可取代外接扩展加热控制器的成本，降低使用成本，且通过PWM合成梯形波来驱动压电陶瓷，相对于高压线性放大器驱动方案，新方案能量转换效率更高，动态响应速度更快,并且可支持更高的驱动频率，控制器发热量小，由于省掉了昂贵的高压运算放大器，节省了电子BOM成本，具有很好的经济性,使得控制器结构设计可以做到更加小型化，集成化。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，包括控制器与压电陶瓷阀，其特征在于：所述的控制器中具有MCU、双通道加热单元、四通道温度采集单元、输入输出单元、操作键入单元、显示单元、电源控制单元、校准功能单元，所述的压电陶瓷阀中内置一颗单线EEPROM芯片，连接到MCU上用于记录压电陶瓷阀的喷胶信息，所述的压电陶瓷阀与控制器之间还设有半桥驱动器单元，输入来自MCU的PWM梯形波脉宽调制信号，在功率器件输出级进行电压转换和低通滤波，输出驱动压电陶瓷阀的梯形波电压源，其中：

所述校准功能单元用于显示压电陶瓷阀喷嘴校准参数和最佳位置，来指导用户拧喷嘴松紧达最佳位置角度；

所述的双通道加热单元包括用于对胶筒与喷嘴分别进行恒温加热的双通道加热器以及加热电路，所述的控制器的软件采用PID算法对双通道加热器进行恒温控制，所述的双通道加热单元与MCU建立连接；

所述的四通道温度采集单元包括四个采集模块与一个采集芯片，第一采集模块与第二采集模块用于采集双通道加热单元的温度，第三采集模块用于采集压电陶瓷阀内陶瓷表面温度，第四采集模块用于采集功率器件散热温度，采集芯片将的四个采集模块接收的参数传送至MCU中用于执行温度控制或者高温保护；

所述的输入输出单元包括一路开关信号输入端被设置为外部触发喷胶信号输入，与压电陶瓷阀的运动平台连接，实现运动平台自动控制点胶功能。

2.如权利要求1所述的一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，其特征在于：所述的控制器还包括过载保护单元，用于压电陶瓷阀驱动电压过压保护、电流过流保护、高温保护、短路保护、高压电源检测保护、功率输出电路高温保护、加热器过载短路保护，过载保护单元MCU建立连接。

3.如权利要求1所述的一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，其特征在于：所述的控制器还包括双通道232单元，一路通道接口用于与控制平台的PC上位机端进行双工通讯，在PC端设置控制控制器参数和控制动作，另一路通道接口用于软件升级及其他功能备用。

4.如权利要求3所述的一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，其特征在于：所述的输入输出单元具有三路开关信号输入端与六路开关信号输出端，其中有一路开关信号输入端被设置为外部触发喷胶信号输入，与压电陶瓷阀的运动平台连接，实现运动平台自动控制点胶功能，另外八路通道作为备用通道，用于后续的新功能开发。

5.如权利要求4所述的一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，其特征在于：所述的操作键入单元用于操作控制器，设置点胶参数，手动操作驱动压电陶瓷阀喷胶的功能选择，操作键入单元与MCU建立连接。

6.如权利要求5所述的一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，其特征在于：所述的显示单元用于显示操作界面，显示当前四通道温度采集单元采集到的温度值，显示用户设.置的点胶参数，显示压电陶瓷阀打点数量和累积点胶数量的信息，显示单元与MCU建立连接。

7.如权利要求6所述的一种新型压电陶瓷阀驱动控制系统，其特征在于：所述的电源控制单元包括两路电源，一路电源用于MCU与低压小信号模块供电，另一路电源用于压电陶瓷阀功率输出电路供电。

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