李 鳴，李 輝，楊大勇

(南昌大學環(huán)境與化學工程學院，江西 南昌 330031)

0 引言

隨著Manz等[1]提出了全分析系統(tǒng)(Micrototal analysis system，μTAS)的概念以來，基于MEMS技術的μTAS越來越引起人們的重視，其最主要分支之一微流控芯片(Microfluidic Chip，MFC)在物理、化學和生物分析、病理診斷和環(huán)境監(jiān)控等領域中有廣闊的應用前景[2]。而基于微流控芯片的微流體驅動與控制技術復雜、多樣，不僅可能出現不同于宏觀流動的規(guī)律，而且許多在宏觀流動中被忽略的因素，將成為主要影響因素[3]。目前，微流體的驅動和控制技術種類很多，電滲驅動就是其方法之一，電滲驅動在微流體驅動與控制中操作方便，無脈動、容易實現，是微流控分析系統(tǒng)中使用最為廣泛的驅動和控制技術，其主要特點就是施加高電壓，施加電場強度通常在50～5000 V/cm，電流一般在1 mA以下[4－5]。而應于實驗研究中的高精密數字高壓直流電源價格昂貴，而現有的大部分高壓直流電源都是輸出電壓可調范圍有限并且控制方式以模擬為主，使得在微流體驅動與控制實驗研究中電壓控制、響應速度等不太便利。文中進行的是基于DSP控制的數字高壓直流電源系統(tǒng)的研究，主要包括2部分的設計:主電路拓撲結構的設計和控制電路的軟硬件設計。

1 主電路拓撲結構設計

電源主電路(如圖1所示)主要有5部分組成，即單相整流濾波、Buck直流變換電路、DC/AC逆變電路、高頻高壓變壓器、倍壓整流電路等[6－8]。工頻單相交流電經全橋整流后得到300 V左右的直流電壓，然后通過對開關信號的占空比進行控制，實現在Buck變換電路輸出端得到合適低壓直流，而后通過逆變電路(DC/AC Inverter)的逆變得到脈沖交流電，再經過高頻變壓器和四倍頻整流電路得到直流高壓，通過限流電阻、濾波等調理電路加至負載兩端 (圖中R0表示負載)。主電路采用開關頻率恒定，通過改變脈沖占空比的PWM技術實現變壓。

后級高壓側電路包括變壓器和倍壓整流電路。由于在逆變器中設計選用的的開關工作頻率高達20 kHz，隨著工作頻率的提高，變壓器體積可以大大減少。而在微流控分析系統(tǒng)研究中，電液驅動泵(電泳泵、電滲泵)均需要外加高電壓和微電流，為了降低變壓器設計和制作的難度，因而在電源設計中采用了倍壓整流的方式將變壓器輸出端電壓放大4倍后輸出。變壓器輸出最高電壓為1.5 kV，變比按1∶10設計，經4倍壓整流電路理論上可以得到6 kV直流電壓。負載時電壓變換Δu和紋波系數 δu可按公式[8－9]計算:

式中:I為負載電流;f為工作頻率;C為倍壓電容;N為倍壓級數。

考慮到電源輸出電壓和紋波系數的要求，倍壓電容值為800 nF，倍壓級數為4級，工作頻率為20 kHz，電容器和硅堆為特種耐高壓器件，選擇時留有足夠的余量。

由于該電源負載為微流體，在間接法測量電滲流實驗中是對微流體中通過的微電流進行測量，因而電流的穩(wěn)定對電滲流的測量產生重要的影響，所以負載前接入高阻值的限流電阻和平滑濾波的電感等調理電路。

圖1 PWM高壓直流電源原理圖

2 數字閉環(huán)控制電路的設計

控制電路[7，10]的主要功能是完成對輸出電壓的采集，通過軟件來實現脈沖寬度調制(PWM)波的生成，驅動Buck變換電路中開關管使其能夠變換直流電壓，同時實現與上位機的通訊。數字閉環(huán)控制最小系統(tǒng)以TMS320F2812為控制核心，賦以外圍電路，完成控制功能。

圖2為整個控制電路的硬件示意圖，AD652芯片將由分壓器采集的電壓信號轉換成頻率信號，通過光纖傳給DSP進行計算，光纖的作用在于良好的隔離高壓電路和控制電路。DSP通過計脈沖個數的方式計算采集電壓值，對采集的電壓進行簡單數字濾波處理，有效防止干擾引入。接著以此光子數(輸出電壓值)為依據，應用數字PID控制算法計算方波占空比，通過PWM口輸出控制信號驅動Buck變換器DC/DC變換，同時將采集到的電壓通過串口通信送上位機程序顯示。電源的運行狀況和輸出電壓由上位機軟件進行監(jiān)測和控制。

圖2 控制電路硬件連接示意圖

為了使控制電路盡可能避免高電壓功率部分的影響，要求控制電路與驅動電路隔離，這里采用高速光耦TLP250作為隔離芯片。

圖2中PWM口共有5路輸出，其中一路驅動Buck變換器中的開關管，另外4路為逆變器中的開關管提供驅動型號。圖3是Buck變換器的開關管驅動電路，其他4路即逆變器內的4個開關管電路類似。

3 軟件設計

根據控制硬件電路結構，軟件設計部分主要為DSP程序部分，控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示，主要包括中斷保護、通訊程序、占空比計算等?？刂扑惴槌Ｒ姷脑隽渴絇ID控制，其控制流程略。

4 高壓直流電源系統(tǒng)建模與仿真

為了驗證主回路結構設計的可行性，對設計進行了仿真驗證。應用MATLAB中的Simulink工具箱、SimpowerSystem工具箱對主回路和控制回路進行了仿真。其仿真的系統(tǒng)結框圖如圖5所示。PWM模塊是根據電壓型PWM逆變電路的調制法實現的，即把希望輸出的波形作為調制信號，把接受調制信號作為載波，通過信號波的調制得到所期望的 PWM波形[11]。Simulink仿真過程中示波器Scope能夠實時監(jiān)測主電路和控制電路的信號值，仿真參數選擇為[12]:仿真時間為4 s，步長選取為Varialble－step，解算器選擇obe23tb.為了加快仿真速度，對仿真系統(tǒng)進行離散化處理，其離散時間為10－6.

由圖5、圖6和圖7可以得出:目標輸出設置為4000 V時，高電壓穩(wěn)定后輸出在(4000±2)V以內，并周期性波動，從圖7可以看出其波動周期大約為0.01 s.由圖6高壓直流波形輸出所示:升壓時間極短，能夠滿足快速響應的要求;由圖7離散放大后的高壓直流波形所示:輸出電壓有較好的穩(wěn)定度，且紋波系數僅為0.0005，能夠實現較精確控制，由此表明設計方案可以滿足設計要求。

圖5 系統(tǒng)仿真結構圖

5 結束語

設計的數字高壓直流電源用于電滲驅動與控制技術實現中，主要特點在于以TMS320F2812為核心設計了一個全數字高壓直流電源的控制系統(tǒng)，使用了高頻開關技術和集成驅動芯片，電路結構簡單清晰。仿真實驗結果表明:該控制系統(tǒng)實時響應快、精度高、可控性好、紋波度小，并能夠較好滿足電滲流自動檢測的實驗要求。

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