[发明专利]一种闭环调控的高精度超音频脉冲电源

摘要

本发明提供一种闭环调控的高精度超音频脉冲电源，它包括主电路、超音频脉冲电流幅值调控电路、超音频脉冲电流频率和占空比闭环调控电路、触摸屏人机交互电路和耦合电路。本发明通过闭环调控方法实现了超音频(≥20kHz)脉冲电流频率和占空比的高精度输出；它通过接触器并联连接至基值直流电源的输出端，连接简单、操作方便，可实现更高的电流变化率；由于采用外部并联耦合方式，该超音频脉冲电源易于实现模块化,可与任意型号的等离子喷涂直流电源实现外部并联耦合；它通过采集基值直流电源输出的基值直流电流，可实现等离子喷涂中超音频脉冲电流的自动耦合及控制。

主权项

1.一种闭环调控的高精度超音频脉冲电源，其特征在于：该超音频脉冲电源包括：/n由输入整流滤波电路(101)、IGBT全桥逆变电路(102)、高频功率变压器(103)、全波整流滤波电路(104)、超音频脉冲切换电路(105)组成的主电路；该AC380V动力电输入至整流滤波电路(101)，经整流滤波后输出直流电连接至IGBT全桥逆变电路(102)，然后IGBT全桥逆变电路(102)的输出再连接至高频功率变压器(103)，高频功率变压器(103)的输出连接至全波整流滤波电路(104)，经整流滤波后输出脉冲峰值直流电流Ip；脉冲峰值直流电流Ip输入超音频脉冲切换电路(105)实现超音频脉冲电流输出，所输出的超音频脉冲电流通过超音频脉冲电源输出接触器KM(107)的两个触点连接至电源输出端子；该脉冲峰值直流电流Ip即为超音频脉冲电源(201)输出超音频脉冲电流的幅值；/n由脉冲峰值电流检测霍尔传感器Ⅰ(106)、DSP主控电路(114)、PID调节电路(108)、PWM发生电路(109)、IGBT驱动电路Ⅰ(110)组成的超音频脉冲电流幅值调控电路；该DSP主控电路(114)输出超音频脉冲电流幅值给定信号Ug至PID调节电路(108)，同时脉冲峰值电流检测霍尔传感器Ⅰ(106)所采集的电流反馈信号If传递至PID调节电路(108)，PID调节电路(108)的输出连接至PWM发生电路从而实现PWM脉冲宽度的闭环控制调节，然后PWM发生电路(109)输出的PWM波经IGBT驱动电路Ⅰ(110)后连接至IGBT全桥逆变电路(102)，控制IGBT功率开关管的导通和关断，从而实现脉冲峰值直流电流Ip幅值的闭环精准调节；/n由超音频脉冲电流采样霍尔电流传感器Ⅱ(111)、脉冲信号整形电路(112)、DSP主控电路(114)、IGBT驱动电路Ⅱ(113)组成的超音频脉冲电流频率和占空比闭环调控电路；该DSP主控电路(114)输出高频PWM波，其频率和占空比通过触摸屏(119)设置，经IGBT驱动电路Ⅱ(113)后连接超音频脉冲切换电路(109)，控制超音频脉冲切换电路(109)中IGBT功率开关管Tp的导通和关断，将脉冲峰值直流电流Ip切换为超音频脉冲电流；同时，超音频脉冲电流采样霍尔电流传感器Ⅱ(111)连接在超音频脉冲电流输出回路上检测输出的超音频脉冲电流，所采集的超音频脉冲电流信号经脉冲信号整形电路(112)整形后连接至DSP主控电路(114)，DSP主控电路(114)通过内部的捕捉模块对超音频脉冲电流的频率和占空比进行检测、计算和补偿调节，实现超音频脉冲电流频率和占空比的高精度输出；/n由触摸屏(119)、RS485串行总线电路(120)与DSP主控电路(114)组成的触摸屏人机交互电路；该触摸屏(119)通过RS485串行总线电路(120)连接至DSP主控电路(114)，实现超音频脉冲电源电流幅值、频率和占空比的参数设置，以及实现超音频脉冲电源的启动和停止；/n由基值直流电源输出电流采样霍尔电流传感器Ⅲ(205)、基值直流调理电路(117)、同步时序控制电路(118)、接触器KM控制电路(115)、控制接触器KM线圈(116)和超音频脉冲电源输出接触器KM(107)组成的耦合电路；该基值直流电源输出电流采样霍尔电流传感器Ⅲ(205)连接在基值直流电源输出负极上采集基值直流电流Ib,该电流信号连接至基值直流调理电路(117)实现电流信号的滤波和放大，然后输入同步时序控制电路(118)，其输出通过I/O端口连接至DSP主控电路(114)，经DSP主控电路(114)处理后再通过I/O端口连接接触器KM控制电路(115)，控制接触器KM线圈(116)通电和断电，从而实现超音频脉冲电源(201)与基值直流电源(202)的外部并联耦合；/n构成上述五部分电路的各功能模块详述如下：/n由输入整流滤波电路(101)、IGBT全桥逆变电路(102)、高频功率变压器(103)、全波整流滤波电路(104)、超音频脉冲切换电路(105)组成的主电路：/n所述的整流滤波电路(101)包括380V整流桥及其滤波电容，用来将AC380V动力电经整流变换成平稳的直流电；/n该380V整流桥用于将交流电变换为直流电，按电流要求选用整流桥模块；/n该滤波电容用于去除直流电中的纹波，使直流平稳输出，按电压要求和容量要求选用点解电容；/n所述的IGBT全桥逆变电路(102)由四个IGBT开关管按照全桥方式连接，用来将直流电再次变换成交流方波；/n该IGBT功率开关管Tp，其具有输入阻抗高，开关频率高，工作电流大诸特点，满足大电流条件下的高频开关；/n所述的高频功率变压器(103)按照工作电压、频率和电流采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成，用来实现原边电压和副边电压的电压变换和隔离；/n所述的全波整流滤波电路(104)用于将高频功率变压器(103)副边输出的高频方波交流电再次变换成平稳的直流输出，根据两端电压、流过电流和反向恢复特性选用电力整二极管；/n所述的超音频脉冲切换电路(105)由高频电感Lp、IGBT功率开关管Tp和快恢复二极管Dp组成，通过控制IGBT功率开关管Tp的导通和关断将直流电流切换成超音频脉冲电流输出；/n该高频电感Lp起储能和滤波的作用，维持超音频脉冲电流稳定的输出，按电感值、频率和电流采用纳米晶铁芯和漆包线绕制而成，；/n该IGBT功率开关管Tp，其具有输入阻抗高，开关频率高，工作电流大诸特点，满足大电流条件下的高频开关，用于直流和脉冲的切换；/n该快恢复二极管Dp在电路中起续流的作用，其具有额定电流大，额定电压高，导通压降小，反向恢复时间小的特点；/n由脉冲峰值电流检测霍尔传感器Ⅰ(106)、DSP主控电路(114)、PID调节电路(108)、PWM发生电路(109)、IGBT驱动电路Ⅰ(110)组成的超音频脉冲电流幅值调控电路：/n所述的脉冲峰值电流检测霍尔传感器Ⅰ(106)采用的是LT308-S7电流传感器，用来采集超音频脉冲电流的幅值,即脉冲峰值直流电流Ip；/n所述的PID调节电路(108)即通过比例-积分-微分控制环节对电流反馈信号If进行变换，其输出连接至PWM发生电路(109)，作为PWM发生电路(109)的输入，通过反馈来调节PWM发生电路(109)所产生PWM波的占空比；/n所述的PWM产生电路(109)是由脉冲宽度调制器芯片SG2525A组成，用来产生脉冲宽度可调的PWM波形，其输出脉冲信号波形的脉宽通过给定电压信号调节控制；/n所述的IGBT驱动电路Ⅰ(110)为功率驱动芯片M57962；PWM控制信号经过M57962驱动放大后连接至IGBT全桥逆变电路(102)中IGBT的栅极和源极，控制IGBT功率开关管导通和关断；/n所述的DSP主控电路(114)采用TMS320F28335数字信号处理器；主要功能是接收和处理来自触摸屏(119)给定的电源参数数据和控制命令、产生超音频脉冲电流的控制信号PWM波、设定超音频脉冲电流幅值、超音频脉冲电源(201)和直流基值电源(202)的外部同步自动控制、以及通过对超音频脉冲电流幅值、频率占空比反馈信号的检测计算和对控制信号的补偿调节实现超音频脉冲电流幅值、频率和占空比的闭环调控；/n所述的触摸屏(119)见下述(四)触摸屏人机交互电路；/n所述的直流基值电源(202)见下述(五)耦合电路；/n由超音频脉冲电流采样霍尔电流传感器Ⅱ(111)、脉冲信号整形电路(112)、DSP主控电路(114)、IGBT驱动电路Ⅱ(113)组成的超音频脉冲电流频率和占空比闭环调控电路：/n所述的超音频脉冲电流采样霍尔电流传感器Ⅱ(111)是LT308-S7电流传感器，用来采集超音频脉冲电流频率和占空比；/n所述的脉冲信号整形电路(112)用于对超音频脉冲电流采样霍尔电流传感器Ⅱ(111)检测到的超音频脉冲电流信号进行整形，输出同频率和占空比的脉冲信号；/n所述的IGBT驱动电路Ⅱ(113)为功率驱动芯片M57962；PWM控制信号经过M57962驱动放大后连接至超音频脉冲切换电路(105)中IGBT功率开关管Tp的栅极和源极，控制IGBT功率开关管导通和关断；/n由触摸屏(119)、RS485串行总线电路(120)与DSP主控电路(114)组成的触摸屏人机交互电路：/n所述的触摸屏(119)为MT6071iE，通信协议采用Modbus通信协议，该触摸屏具有响应速度快，抗干扰能力强的特点；/n所述的串行总线电路(120)为ADM2587E单电源隔离芯片；该通信电路采用差分信号进行传输，具有高的抗干扰能力和共模噪声抑制能力；/n由基值直流电源(202)输出电流采样霍尔电流传感器Ⅲ(205)、基值直流调理电路(117)、同步时序控制电路(118)、接触器KM控制电路(115)、接触器KM线圈(116)和超音频脉冲电源输出接触器KM(107)组成的耦合电路：/n所述的基值直流电源(202)为NB-800型基值直流电源及任意直流等离子喷涂电源；/n所述的基值直流电源输出电流采样霍尔电流传感器Ⅲ(205)采用的是LT608-S7电流传感器，用来采集基值直流电源(202)的输出基值直流电流Ib；/n所述的接触器KM控制电路(115)通过控制接触器KM线圈(116)上电与否来控制超音频脉冲电源输出接触器KM(107)的通断；当DSP主控电路(114)I/O输出高电平时，接触器KM线圈(116)上电吸合触点，即超音频脉冲电源输出接触器KM(107)导通；当DSP主控电路(114)I/O输出低电平时，使接触器KM线圈(116)掉电触点分离，即超音频脉冲电源输出接触器KM(107)关断；/n所述的接触器KM线圈(116)用于吸合超音频脉冲电源输出接触器KM(107)的触点，上电吸合触点，掉电断开触点；/n所述的基值直流调理电路(117)用来调理来自基值直流电源输出电流采样霍尔电流传感器Ⅲ(205)对基值直流电流Ib的采样信号；/n所述的同步时序控制电路(118)用于发出SS电平信号，当基值直流电流Ib≥50A时，SS为高电平信号，当基值直流电流Ib<50A时，SS为低电平信号；/n所述的超音频脉冲电源输出接触器KM(107)为大功率交流接触器，其通断由接触器KM控制电路(115)和接触器KM线圈(116)进行控制。/n