柴油机颗粒净化器用高压电源装置及其输出控制方法

摘要

一种柴油机颗粒净化器用高压电源装置及其输出控制方法用于对柴油机汽车颗粒净化器中的颗粒打火使颗粒起燃，该高压电源将蓄电池电压通过逆变转换成高压，它包括：蓄电池组、直流稳压电路、信号运算电路、信号调制电路、功率放大电路、升压变压器及其高压输出整流电路、高压信号采样电路、电流采样电路；其特征是：所述的高压电源还包括一单片机，单片机的I/O口的脚分别与所述的信号调制电路的输入端连接、与电流采样电路的输出端连接，与信号调制电路的输入端连接的脚可输出相位彼此相反的方波。在颗粒积累的时间段内，单片机可间断地输出方波使逆变间断地发生，当颗粒积累量达再生点时，单片机连续输出方波使颗粒打火、起燃，从而使高压电源装置向蓄电池吸取电能大大降低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种柴油机颗粒净化器用高压电源装置及其输出控制方法，具体说将车载蓄电池电源逆变成高压电源，用于对柴油机汽车颗粒净化器中的颗粒打火使颗粒起燃。

背景技术

本人在此之前申请了一项实用新型专利“电击穿式柴油机尾气颗粒净化器”，其申请号为“201120209011.2”。用过滤陶瓷捕捉尾气中的颗粒，当陶瓷中的颗粒达一定量时进行再生；再生时需要高压电源，再生的工作原理是：高压直流电源的正端、负端分别接过滤陶瓷内的电极，电极之间构成一静电场，静电场电压为5KV至8KV，过滤陶瓷过滤的颗粒为导电物质，当陶瓷内颗粒层较薄时，不会产生击穿，当陶瓷内颗粒积累到一定量时，击穿电压降低而产生电火花，电火花使颗粒积热、起燃。为此对高压电源的要求之一是其输出电压要稳定，要求之二是在达到再生点之前尽量不要有高压输出以减少蓄电池的电能消耗。

市场上的高压电源一般用于静电除尘，其提供能量的电源来自市电，不适合在汽车上工作，另外针对对柴油机汽车颗粒净化器中的颗粒打火的要求而言市场上也没有适合的高压电源，因此有必要设计一种新的高压电源。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种柴油机颗粒净化器用高压电源装置，将车载蓄电池的电源转换成稳定的高压电源并且工作时消耗蓄电池的电能少。

该高压电源装置包括：提供电能的蓄电池组1、将设定信号与反馈信号比较以使高压输出稳定的信号运算电路3、将信号运算电路3输出的直流电压信号调制成交流信号的调制电路4、对交流信号进行放大的功率放大电路5、对放大后的交流电压进行升压的升压变压器6、对升压后的交流高电压整流为直流电压并输送至颗粒净化器的高压整流电路7、提供反馈信号的高压信号采样电路8、检测高压输出整流电路7中电流变化的电流采样电路9、对蓄电池组1进行滤波稳压为高压电源装置提供工作电压的直流稳压电路2、所述的设定信号来自直流稳压电路2的输出电压；

其特征是：所述的高压电源装置还包括一单片机IC1，单片机的I/O口的脚P1.6、P1.7可产生用于调制直流电压的相位彼此相反的方波，脚P1.6、P1.7分别与所述的信号调制电路4的输入端45、46连接，脚P1.5与电流采样电路9的输出端92连接，当电流采样电路9无脉冲电流信号输出时，单片机的I/O口的脚P1.6、P1.7间断输出相位彼此相反的方波，当电流采样电路9有脉冲电流信号输出时，脚P1.6、P1.7持续输出相位彼此相反的方波；

所述的信号运算电路3由电阻R2—R5、电位器RW1、三极管T1组成；电阻R2的一端为设定信号输入端31接直流稳压电路2的+5V电源；其另一端通过电位器RW1与电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端为反馈信号输入端32接高压信号采样电路8中整流器QL2的输出端的负极，电位器RW1的滑臂端通过电阻R4与三极管T1的基极连接，三极管T1的发射极为运算结果输出端33通过电阻R5接地，其集电极接+5V电源；

所述的信号调制电路4由电阻R8—R11、三极管T2、T3、电容C8、 C9、二极管D2、 D3组成，三极管T2的基极通过电阻R8与单片机IC1的P1.6脚连接，三极管T2的集电极通过电阻R10与三极管T1的发射极脚连接，电容C8的一端接三极管T2的集电极、电容C8的另一端通过二极管D2接地，三极管T2的发射极接地；三极管T3的基极通过电阻R9与单片机IC1的P1.7脚连接，三极管T3的集电极通过电阻R11与三极管T1的发射极脚连接，电容C9的一端接三极管T3的集电极、电容C9的另一端通过二极管D3接地，三极管T3的发射极接地； P1.7脚、P1.6脚上产生相位相反的方波，可使三极管T2、T3交替导通、截止，对运算结果信号进行斩波，使运算结果信号由直流信号变成交流信号，通过电容C8、C9输出。

所述的功率放大电路由三极管T4—T7、升压变压器6的初级线圈L组成，对信号调制电路4输出的交流信号进行推挽放大；三极管T4、T5构成一复合管以提高放大倍数，三极管T4的基极接电容C8的输出端43，三极管T4、T5的集电极接变压器初级线圈L的一端，三极管T5的发射极接地；三极管T6、T7构成另一复合管，三极管T6的基极接电容C9的输出端44，三极管T6、T7的集电极接变压器初级线圈L的另一端，三极管T7的发射极接地，变压器初级线圈L的中心抽头Le与蓄电池组的输出端U1连接。

所述的高压信号采样电路8包括：整流器QL2、滤波电容C4、光耦GR1、电阻R6、R7，整流器QL2的输入端与升压变压器的次级线圈L2的a、a’端连接、整流器QL2的输出端与滤波电容C4并联连接，整流器QL2的输出端的正极接地，其负极接信号运算电路3中的电阻R3的一端；光耦GR1的输入端2脚接滤波电容C4的负极、光耦GR1的输入端1脚通过电阻R6与滤波电容C4的正极连接，光耦GR1的输出端3脚接地、光耦GR1输出端4脚通过电阻R7接+5V电源，光耦GR1输出端4脚接单片机IC1的P1.4脚；当高压电源装置工作正常时升压变压器的次级线圈L2应有感应电压，光耦GR1的输入端有电流通过其输出端4脚为低电平，当高压电源装置出现故障时升压变压器的次级线圈L2无感应电压，光耦GR1输出端4脚为高电平。

所述的电流采样电路9由脉冲变压器B2、电阻R12、R13、三极管T8、二极管D1组成，脉冲变压器B2的初级一端接高压输出整流电路7中的电容C3的负极、另一端接负载，脉冲变压器B2次级的b’端接地、b端通过电阻R12接三极管T8的基极，三极管T8的集电极通过电阻R13接+5V电源，三极管T8的基极、发射极之间接有二极管D1，三极管T8的集电极接单片机IC1的P1.5脚。 

所述的高压电源装置的电压输出控制方法是：预先向单片机IC1装入程序，该程序执行的步骤是：

Ⅰ、设定一检测时间段、起燃时间段和停止时间段；所述的检测时间段为10—15秒，所述的起燃时间段为10—15分钟，所述的停止时间段为3—4分钟；

Ⅱ、在检测时间段内使单片机的I/O口的P1.7、P1.6脚上产生相位彼此相反的方波，使高压电源装置有高压电压输出，并检测单片机的I/O口的P1.5脚上是否有脉冲电流信号；

如在检测时间段内单片机的I/O口的P1.5脚上有脉冲电流信号，则按起燃时间段设定的时间，在起燃时间段内继续使单片机的I/O口的P1.7、P1.6脚上产生相位彼此相反的方波，使高压电源装置有高压电压输出持续打火使净化器中的颗粒积热、起燃，然后按停止时间段设定的时间，在停止时间段内使P1.7、P1.6脚上的方波不产生；然后重复步骤Ⅱ；

如在检测时间段内单片机的I/O口的P1.5脚上始终无脉冲电流信号，则按停止时间段设定的时间，在停止时间段内使P1.7、P1.6脚上的方波不产生；然后重复步骤Ⅱ；

当单片机的I/O口的P1.7、P1.6脚上的方波不产生时，P1.7、P1.6脚的电平状态为低电平。

电压输出的稳定一般通过负反馈技术实现的，但可能会出现自激振荡而使输出电压不稳定；为解决该技术问题在上述的技术方案中，信号运算电路3中具有运算功能部分仅由具有稳定幅值的设定信号电压、高压反馈信号电压、电阻R2、R3、电位器RW1串联连接构成回路，运算结果由电位器RW1的滑臂端输出, 电路组成简单并且电阻R2、R3、电位器RW1均为无源器件不会产生自激振荡也不会产生温度漂移，运算结果可直接由基尔霍夫定律得出，运算结果精确，其运算结果信号的幅值经放大后可使输出的高压电压值稳定。在信号调制电路4中通过三极管T2、T3交替导通、截止，对运算结果信号进行斩波，使运算结果信号由直流信号变成交流信号，交流信号的幅值与被调制的直流信号幅值一致。信号运算电路3和信号调制电路4的线路设计能使运算结果信号幅值与高压电压值成固定的比例关系，避免了自激现象的发生。

柴油机颗粒净化器中颗粒需要一段时间积累才达到再生点，在颗粒积累的时间段内，单片机仅间断地输出方波使逆变间断地发生，从而使高压电源装置向蓄电池吸取电能大大降低。

 

附图说明

图1是本发明结构方框图。

图2是本发明优选实施例的电路原理图。

图3是单片机的程序流程图。

图4是图3中方波输出的子程序。

具体实施方式

现对照附图说明本发明的优选实施例。

该高压电源装置包括：蓄电池组1、直流稳压电路2、信号运算电路3、信号调制电路4、功率放大电路5、升压变压器6、高压整流电路7、高压信号采样电路8、电流采样电路9、单片机IC1。

所述的蓄电池组1的输出端U2接到直流稳压电路2的输入端，直流稳压电路2的输出端21向高压电源装置中的电路提供工作电源；

所述的信号运算电路3具有设定信号的输入端31、反馈信号的输入端32、以及设定信号与反馈信号进行减运算的运算结果信号输出端33，输入端31接直流稳压电路2的输出端21，输入端32接高压信号采样电路8的输出端81；

所述的信号调制电路4具有二路运算结果信号的输入端41、42和用于调制运算结果信号的二路方波信号的输入端45、46以及经调制后的交流信号输出端43、44，所述的输入端41、42接信号运算电路3的输出端33；

所述的功率放大电路5具有输入端51、52以及输出端53、54，输入端51、52分别与信号调制电路4的输出端43、44连接，输出端53、54分别接于升压变压器6的初级线圈L的两端，所述的升压变压器6的初级线圈L的中心抽头Le接到蓄电池组的另一输出端U1；

所述的高压信号采样电路8的输入端与升压变压器6的次级线圈L2的两端a、a’连接，经整流后由输出端81输出；

所述的电流采样电路9包括电流传感器B2，其输入端串接在高压输出整流电路7的电流回路中，其输出端b、b’输出的电流信号经整流、放大后由输出端92输出；

其特征是：所述的高压电源装置还包括一单片机IC1，单片机的I/O口的脚P1.6、P1.7分别与所述的信号调制电路4的输入端45、46连接，脚P1.5与电流采样电路9的输出端92连接，当电流采样电路9无脉冲电流信号输出时，单片机的I/O口的脚P1.6、P1.7间断输出相位彼此相反的方波，当电流采样电路9有脉冲电流信号输出时，脚P1.6、P1.7持续输出相位彼此相反的方波。

所述的蓄电池组1为车载蓄电池，蓄电池组由多个蓄电池串联组成其一输出端U1电压24V、另一输出端U2电压为12V。

所述的直流稳压电路2向所述的高压电源装置中的电路提供稳定工作电源，它由电感LG、电容C5—C7、稳压集成电路IC2（型号为7805）组成；电感LG的一端通过开关K2与蓄电池U2的正极连接，电感LG的另一端与稳压集成电路IC2的1脚连接、该连接点通过电容C5接地，稳压集成电路IC2的2脚接地，稳压集成电路IC2的3脚与地之间并联有滤波电容C6、C7，稳压集成电路IC2的3脚输出+5V电源；蓄电池组一般与发电机连接，发电时蓄电池组上的电压纹波较大，选用电感可有效的抑制纹波。

所述的信号运算电路3由电阻R2—R5、电位器RW1、三极管T1组成；电阻R2的一端为设定信号输入端31接直流稳压电路2的+5V电源（输出端21）；其另一端通过电位器RW1与电阻R3的一端连接；电阻R3的另一端为反馈信号输入端32接高压信号采样电路8中整流器QL2的输出端的负极（输出端81），电位器RW1的滑臂端通过电阻R4与三极管T1的基极连接，三极管T1的发射极为运算结果输出端33通过电阻R5接地，其集电极接+5V电源。在信号运算电路3中设定信号与反馈信号进行减运算，其运算结果经输出放大可使高压电压输出保持稳定；调节电位器RW1可改变高压输出电压值；信号运算也可用运算放大器来实现，但使用运算放大器需要正、负稳压电源，并且该稳压电源需要与蓄电池隔离，这样增加高压电源装置的制造成本。

所述的信号调制电路4由电阻R8—R11、三极管T2、T3、电容C8、 C9、二极管D2、 D3组成，三极管T2的基极通过电阻R8（方波信号输入端45）与单片机IC1的P1.6脚连接，三极管T2的集电极通过电阻R10（运算结果信号输入端41）与三极管T1的发射极脚连接，电容C8的一端接三极管T2的集电极、电容C8的另一端（交流信号输出端43）通过二极管D2接地，三极管T2的发射极接地；三极管T3的基极通过电阻R9（方波信号输入端46）与单片机IC1的P1.7脚连接，三极管T3的集电极通过电阻R11（运算结果信号输入端42）与三极管T1的发射极脚连接，电容C9的一端接三极管T3的集电极、电容C9的另一端（交流信号输出端44）通过二极管D3接地，三极管T3的发射极接地；单片机IC1内装有程序使P1.7脚、P1.6脚上产生相位相反的方波，方波频率为40KHZ；该方波可使三极管T2、T3交替导通、截止，对运算结果信号进行斩波，使运算结果信号由直流信号变成交流信号，通过电容C8、C9输出。

所述的功率放大电路由三极管T4—T7、升压变压器6的初级线圈L组成，对信号调制电路4输出的交流信号进行推挽放大；三极管T4、T5构成一复合管以提高放大倍数，三极管T4的基极（输入端51）接电容C8的输出端43，三极管T4、T5的集电极（输出端53）接变压器初级线圈L的一端，三极管T5的发射极接地；三极管T6、T7构成另一复合管，三极管T6的基极（输入端52）接电容C9的输出端44，三极管T6、T7的集电极（输出端54）接变压器初级线圈L的另一端，三极管T7的发射极接地，变压器初级线圈L的中心抽头Le通过开关K1与蓄电池组的输出端U1连接。

所述的升压变压器6具有中心抽头的初级线圈L、次级线圈L1、L2，次级线圈L1为升压线圈，当初级线圈L的中心抽头的直流电压24V时次级线圈L1的输出电压为交流6KV左右，次级线圈L2为采样线圈其输出电压为交流4V左右，所述的线圈套在一高频磁芯上，采用高频磁芯可使变压器体积减小。

所述的高压整流电路7由整流器QL1、电容C3组成，整流器QL1的输入端与次级线圈L1连接、整流器QL1的输出端并联电容C3、其输出的直流电压为7.2KV左右。

所述的电流采样电路9由脉冲变压器B2、电阻R12、R13、三极管T8、二极管D1组成，脉冲变压器B2的初级一端接高压输出整流电路7中的电容C3的负极、另一端接负载，脉冲变压器B2次级的b’端接地、b端通过电阻R12接三极管T8的基极，三极管T8的集电极通过电阻R13接+5V电源，三极管T8的基极、发射极之间接有二极管D1，三极管T8的集电极（输出端92）接单片机IC1的P1.5脚；电流采样电路9的功能是：当电火花产生时在高压电源装置的输出回路中会产生脉冲电流，脉冲变压器B2的次级会感应出电压，经三极管T8放大给单片机IC1输送电火花信号。

所述的高压信号采样电路8包括：整流器QL2、滤波电容C4、光耦GR1、电阻R6、R7，整流器QL2的输入端与升压变压器的次级线圈L2的a、a’端连接、整流器QL2的输出端与滤波电容C4并联连接，整流器QL2的输出端的正极接地，其负极（输出端81）接信号运算电路3中的电阻R3的一端（反馈信号输入端32）；光耦GR1的输入端2脚接滤波电容C4的负极、光耦GR1的输入端1脚通过电阻R6与滤波电容C4的正极连接，光耦GR1的输出端3脚接地、光耦GR1输出端4脚通过电阻R7接+5V电源，光耦GR1输出端4脚（输出端82）接单片机IC1的P1.4脚；当高压电源装置工作正常时升压变压器的次级线圈L2应有感应电压，光耦GR1的输入端有电流通过其输出端4脚为低电平，当高压电源装置出现故障时升压变压器的次级线圈L2无感应电压，光耦GR1输出端4脚为高电平，据此可判断高压电源装置工作是否正常。

所述的单片机IC1其型号为AT89C2051或其它功能相近的单片机，由于单片机的结构及工作原理已为一般的电子技术人员所了解因此在图2中只画出部分I/O口的引脚，支持单片机工作的振荡电路和复位电路没画出。所述的单片机的P1.7、P1.6脚作为方波输出端，P1.7、P1.6脚上的方波其相位彼此相反，P1.7脚通过电阻R9接三极管T3的基极、P1.6脚通过电阻R8接三极管T2的基极，P1.5脚作为脉冲电流信号（电火花信号）输入端、P1.5脚接三极管T8的集电极，P1.4脚作为高压电源工作信号输入端、P1.4脚接光耦GR1的4脚，P1.3脚作为高压电源正常工作指示信号输出端、P1.3脚接发光二极管LED1的负极、发光二极管LED1的正极通过电阻R14接+5V电源，P1.2脚作为高压电源故障报警信号输出端、P1.2脚接发光二极管LED2的负极、发光二极管LED2的正极通过电阻R15接+5V电源。

为减少蓄电池的电能消耗对高压电源装置的电压输出，在颗粒积累期间使高压电源装置的高压电压间断输出，在颗粒积累达再生点时压电源装置的高压电压连续输出，采用如下控制方法：预先向单片机IC1装入程序，该程序执行的步骤是： 

Ⅰ、设定一检测时间段、起燃时间段和停止时间段；起燃时间段和停止时间段；所述的检测时间段为10—15秒，所述的起燃时间段为10—15分钟，所述的停止时间段为3—4分钟；

Ⅱ、在检测时间段内使单片机的I/O口的P1.7、P1.6脚上产生相位彼此相反的方波，使高压电源装置有高压电压输出，并检测单片机的I/O口的P1.5脚上是否有脉冲电流信号；

如在检测时间段内单片机的I/O口的P1.5脚上有脉冲电流信号，则按起燃时间段设定的时间，在起燃时间段内继续使单片机的I/O口的P1.7、P1.6脚上产生相位彼此相反的方波，使高压电源装置有高压电压输出持续打火使净化器中的颗粒积热、起燃，然后按停止时间段设定的时间，在停止时间段内使P1.7、P1.6脚上的方波不产生；然后重复步骤Ⅱ；

如在检测时间段内单片机的I/O口的P1.5脚上始终无脉冲电流信号，则按停止时间段设定的时间，在停止时间段内使P1.7、P1.6脚上的方波不产生；然后重复步骤Ⅱ。

当单片机的I/O口的P1.7、P1.6脚上产生方波时而高压电源装置无高压电压输出即I/O口的P1.4脚为高电平，表明高压电源装置的功率放大电路5有故障，使工作指示灯发光二极管LED1灭、故障报警指示灯发光二极管LED2亮。

单片机内装有程序可实现上述功能，现对照图3、图4说明单片机中程序的执行步骤：

A、令脚P1.3为0（低电平）、脚P1.2为1（高电平），使工作指示灯发光二极管LED1亮、故障报警指示灯发光二极管LED2灭；

B、调用方波输出子程序在P1.7、P1.6脚上产生相位彼此相反的方波，持续15秒；

C、在方波输出的正半周期间检测P1.5脚上的脉冲电流信号，如有脉冲电流信号则转到H步骤输出方波10—15分钟，使高压电源装置有高压电压输出持续打火使净化器中的颗粒积热、起燃，然后转到C步骤；如无电火花信号则转D步骤；

D、在方波输出的负半周期间检测P1.4脚上的高压电源工作信号如工作正常则转到E步骤，如出现故障则转到G步骤令P1.7、P1.6脚为0，停止方波输出，P1.3脚为1、P1.2脚为0，使工作指示灯发光二极管LED1灭、故障报警指示灯发光二极管LED2亮，程序执行结束；

E、如果方波输出达15秒转F步骤，如未到15秒则转到C步骤；

F、当方波输出达15秒时，令P1.7、P1.6脚为0，停止方波输出4分钟以减少电能的消耗，然后转到B步骤。

方波输出子程序的步骤是：

b1、令P1.7脚为1、P1.6脚为0；

b2、延时半个周期时间；

b3、令P1.7脚为0、P1.6脚为1；

b4、延时半个周期时间；

b5、返回。

柴油机颗粒净化器中所过滤的颗粒要经过一段时间积累才达到再生点，在此时间内，高压电源装置不需要一直输出高压，可采取间断输出高压的方法来减少电能的消耗，当柴油机颗粒净化器达到再生点时再使高压持续输出以产生电火花使颗粒积热、起燃。当高压电源装置出现故障时需给出一报警信号，以便采取措施。

单片机IC1内设置的程序可令P1.7、P1.6脚上产生方波并持续一段时间，使三极管T2、T3交替导通、截止，高压电源装置的输出持续一段时间；然后令P1.7、P1.6脚处于低电平一段时间，在该段时间内三极管T2、T3截止，高压电源装置没有输出，以减少电能消耗；在高压电源装置有输出期间，访问P1.5脚判断是否有电火花产生，如有保持高压输出10—15分钟，在此时间段内能使柴油机颗粒净化器中的颗粒积热、起燃；如没有继续执行间断输出高压电压的程序。

所述的高压信号采样电路8中的光耦GR1的输出端接单片机IC1的P1.4脚，当高压电源装置无输出时光耦GR1的输出端4脚为高电平，高压电源装置有输出时光耦GR1的输出端4脚为低电平；单片机IC1内的程序在有高压电压输出的期间访问单片机IC1的P1.4脚，当P1.4脚上电平为低时，令单片机IC1的P1.3脚为低电平使发光二极管LED1亮、P1.2脚为高电平使发光二极管LED2灭，表示高压电源装置运行正常；当P1.4脚上电平为高时令发光二极管LED1灭、发光二极管LED2亮，表示高压电源装置运行出现故障，不能对柴油机颗粒净化器进行再生。