微流體電滲泵數(shù)字高壓直流電源

李 鳴，李 輝，楊大勇

(南昌大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)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(shù)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(xué)和生物分析、病理診斷和環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景[2]。而基于微流控芯片的微流體驅(qū)動與控制技術(shù)復(fù)雜、多樣，不僅可能出現(xiàn)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(qū)動和控制技術(shù)種類很多，電滲驅(qū)動就是其方法之一，電滲驅(qū)動在微流體驅(qū)動與控制中操作方便，無脈動、容易實(shí)現(xiàn)，是微流控分析系統(tǒng)中使用最為廣泛的驅(qū)動和控制技術(shù)，其主要特點(diǎn)就是施加高電壓，施加電場強(qiáng)度通常在50～5000 V/cm，電流一般在1 mA以下[4－5]。而應(yīng)于實(shí)驗(yàn)研究中的高精密數(shù)字高壓直流電源價格昂貴，而現(xiàn)有的大部分高壓直流電源都是輸出電壓可調(diào)范圍有限并且控制方式以模擬為主，使得在微流體驅(qū)動與控制實(shí)驗(yàn)研究中電壓控制、響應(yīng)速度等不太便利。文中進(jìn)行的是基于DSP控制的數(shù)字高壓直流電源系統(tǒng)的研究，主要包括2部分的設(shè)計:主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計和控制電路的軟硬件設(shè)計。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)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(jīng)全橋整流后得到300 V左右的直流電壓，然后通過對開關(guān)信號的占空比進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)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(jīng)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(diào)理電路加至負(fù)載兩端 (圖中R0表示負(fù)載)。主電路采用開關(guān)頻率恒定，通過改變脈沖占空比的PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)變壓。

后級高壓側(cè)電路包括變壓器和倍壓整流電路。由于在逆變器中設(shè)計選用的的開關(guān)工作頻率高達(dá)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(qū)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(shè)計和制作的難度，因而在電源設(shè)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(shè)計，經(jīng)4倍壓整流電路理論上可以得到6 kV直流電壓。負(fù)載時電壓變換Δu和紋波系數(shù) δu可按公式[8－9]計算:

式中:I為負(fù)載電流;f為工作頻率;C為倍壓電容;N為倍壓級數(shù)。

考慮到電源輸出電壓和紋波系數(shù)的要求，倍壓電容值為800 nF，倍壓級數(shù)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(fù)載為微流體，在間接法測量電滲流實(shí)驗(yàn)中是對微流體中通過的微電流進(jìn)行測量，因而電流的穩(wěn)定對電滲流的測量產(chǎn)生重要的影響，所以負(fù)載前接入高阻值的限流電阻和平滑濾波的電感等調(diào)理電路。

圖1 PWM高壓直流電源原理圖

2 數(shù)字閉環(huán)控制電路的設(shè)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(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制(PWM)波的生成，驅(qū)動Buck變換電路中開關(guān)管使其能夠變換直流電壓，同時實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。數(shù)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(zhuǎn)換成頻率信號，通過光纖傳給DSP進(jìn)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(shù)的方式計算采集電壓值，對采集的電壓進(jìn)行簡單數(shù)字濾波處理，有效防止干擾引入。接著以此光子數(shù)(輸出電壓值)為依據(jù)，應(yīng)用數(shù)字PID控制算法計算方波占空比，通過PWM口輸出控制信號驅(qū)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(jī)程序顯示。電源的運(yùn)行狀況和輸出電壓由上位機(jī)軟件進(jìn)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(qū)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(qū)動Buck變換器中的開關(guān)管，另外4路為逆變器中的開關(guān)管提供驅(qū)動型號。圖3是Buck變換器的開關(guān)管驅(qū)動電路，其他4路即逆變器內(nèi)的4個開關(guān)管電路類似。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)控制硬件電路結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)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(hù)、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(yàn)證主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，對設(shè)計進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。應(yīng)用MATLAB中的Simulink工具箱、SimpowerSystem工具箱對主回路和控制回路進(jìn)行了仿真。其仿真的系統(tǒng)結(jié)框圖如圖5所示。PWM模塊是根據(jù)電壓型PWM逆變電路的調(diào)制法實(shí)現(xiàn)的，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的 PWM波形[11]。Simulink仿真過程中示波器Scope能夠?qū)崟r監(jiān)測主電路和控制電路的信號值，仿真參數(shù)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(jìn)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(biāo)輸出設(shè)置為4000 V時，高電壓穩(wěn)定后輸出在(4000±2)V以內(nèi)，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(yīng)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(shù)僅為0.0005，能夠?qū)崿F(xiàn)較精確控制，由此表明設(shè)計方案可以滿足設(shè)計要求。

圖5 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語

設(shè)計的數(shù)字高壓直流電源用于電滲驅(qū)動與控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)中，主要特點(diǎn)在于以TMS320F2812為核心設(shè)計了一個全數(shù)字高壓直流電源的控制系統(tǒng)，使用了高頻開關(guān)技術(shù)和集成驅(qū)動芯片，電路結(jié)構(gòu)簡單清晰。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該控制系統(tǒng)實(shí)時響應(yīng)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(shí)驗(yàn)要求。

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