等离子清洗用谐振电源及控制策略研究

发布时间：2020-11-09 04:23

　　 等离子清洗技术作为制造业中的一种新兴的表面处理技术,因其具有的环保、无害、高效和干燥等优点,将逐渐成为表面清洗领域的主流处理手段。论文以等离子清洗电源作为研究对象,重点研究了系统的硬件电路拓扑,高效的宽范围的调功策略,模糊PFM控制算法及自适应遗传优化算法。(1)论文分析了等离子清洗电源的关键技术及研究进展,包括放电反应器、电路拓扑和控制策略,经对比分析选择“带旋转式喷嘴的同轴圆柱式反应器”作为等离子清洗机的放电枪头,选择“前级整流滤波电路+移相全桥串联谐振电路”作为系统的主电路拓扑。根据枪头及主电路拓扑,分析其等效电路模型、工作时序及模态,提出“PSPWMPFM”混合调制的控制策略,并通过仿真验证了该控制策略在理论上的正确性。(2)根据确定好的系统架构,论文对等离子清洗电源各模块的关键电路进行详细分析和设计。兼顾低纹波系数及低电流峰值的要求,对滤波电容和整流桥进行选型;根据应力要求,对移相全桥电路开关管及隔直电容进行参数设计;基于AP法对高频谐振变压器进行设计;以STM32为主控核心,对全桥驱动电路、参数采样及保护电路进行设计;基于UCC28610电源控制芯片,设计了准谐振反激辅助电源及高精度降压电源。(3)论文对比分析各种调功策略,设计了PSPWM-PFM混合调制的控制策略,针对系统易受干扰偏离谐振频率点的问题,设计基于模糊PFM的最大功率跟踪算法,并搭建模型对混合调制策略及模糊PFM最大功率跟踪算法进行仿真,验证了理论分析的正确性;研究对比了常规及改进型PID算法,设计了自适应遗传优化PID参数调节算法,仿真表明系统的抗干扰性、稳态性能和动态响应速度得到显著改善;为实现上述算法,分任务优先级编写了系统的软件程序,并设计了人机交互界面。(4)论文研制一台等离子清洗样机,并搭建相应的实验平台。对关键电路点的波形,控制模块的采样精度进行测试,实验结果与预期相符;测试对比三种调制算法,实验结果表明:混合调制算法的综合效果更具优越性,其输出效率83.0%~95.7%,调功范围500W~1000W,输出功率精度90%~94%;对影响等离子清洗效果的因素进行了测试分析,实验结果表明:距离与清洗效果成负相关关系,设定功率和清洗效果成正相关关系,玻璃材料相比铝材料更易被改性。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB306;TN86
【部分图文】：

但由于无法调频，难以保证系统始终工作在谐振频率点附近，导致功率因数偏低。采用脉冲频率调制(PFM)可以控制系统的工作频率，但其输出功率受品质因数 Q 与工作频率 f 两者影响，调功范围、输出稳定性和功率因数三者之间存在矛盾，两两之间需要互相妥协，导致综合效率不高。因此，本文通过结合两种控制方式的优点，避开两种控制方式的缺点，拟采用 PSPWM-PFM 混合调制的控制方式，第四章将对调制方式做出详细阐述。2.4 等离子清洗用谐振电源仿真分析在 MATLAB 软件中使用 Simulink 对设计好的移相全桥电路进行仿真分析，如图 2-17 所示[58-59]。搭建电路仿真模型一方面是为了验证上述移相全桥软开关的电路原理及工作模态分析是否准确，另一方面是为了通过控制开关管的驱动信号，研究适合等离子清洗用谐振电源的控制策略。

蜂鸣器发出响声，红灯亮，屏幕显示对应的报警信息。其界面如图3-15 所示。图 3-15 人机交互模块图3.6 本章小结本章按照模块化的思想，分别对功率模块、控制模块、辅助电源模块和人机交互模块四个模块进行分析和设计：(1) 考虑输出纹波和整流桥电流峰值及有效值的大小，选取了前级整流桥及滤波电容；根据移相全桥的电流峰值、工作频率、工作温度等选取了功率开关管，同时考虑所选开关管的导通损耗和开关损耗是否满足要求；根据初级电压脉冲的下降量，选取了隔直电容；根据等离子清洗用谐振电源的工作特性选取了高频谐振变压器的磁芯材料，根据 AP 法选择了变压器骨架，根据输入输出关系、磁通密度和工作频率确定了变压器匝数，根据电流有效值并考虑集肤效应确定了变压器的线径。(2) 根据 IGBT 的驱动电压、电流拖尾效应和移相控制方式，设计了 IGBT 驱动电路；根据等离子清洗用谐振电源系统需要采集的关键参数，分别设计了电网电压、初级电流、次级电压、次级电流、枪头电机工作状态、气体气压和工作温度等信号采集和保护电路；并将主控核心及其片内资源的使用和分配情况列举出来。

图 4-6 模糊控制规则三维输出曲面图，还需要对输出量 C 进行解模糊化，转换成实际调制。本文采用重心法进行解模糊，其公式为：11( )( )ni iiniiU UcU 控制器的输出量，Ui为输出量对应隶属函数区[93]。结果分析搭建模型，对上述混合调制算法和基于模糊 PF
【参考文献】

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本文编号：2875881