适用于等离子体电解氧化的电源控制方法

1.本发明属于电力电子技术领域，涉及适用于等离子体电解氧化的电源控制方法。


背景技术：

2.等离子体电解氧化处理技术，又称为微弧氧化技术，其是将阀金属(铝、镁、钛等)及其合金作为阳极放置在一定的电解液中，由电源装置提供合适的电场，在阳极金属表面发生放电反应生成氧化物为主的陶瓷层，可以有效地提高阀金属的表面防护性能。大功率电源装置是实现提供等离子体电解反应的核心设备，反应过程需要电源提供大范围可调的电压或电流输出。
3.为了满足大功率电源装置实现高效率运行，采用高频软开关技术的llc谐振开关变换器电路是较好的电路拓扑方案，但传统控制方法难以满足等离子体电解氧化电源的宽范围输出的要求。llc谐振电路的传统调制方案多为变频调制，当输出增益大于1的时候采用变频调制可以实现原边开关管的软开关，并且变换器可以实现很高的效率。但是当输出增益小于1时谐振变换器的调压能力受限，无法满足在最大工作频率内实现低电压输出。同时在轻载时变频调制，并且输出电压不稳定，损耗大，无法实现高效率传输。
4.为满足宽电压范围高效率输出的目的，文献《clllc谐振变换器变频移相混合控制方法》提出了一种变频移相混合控制的方法，通过计算出变频调制下的开关频率后通过与不同的系数相乘得到变频控制模块与移相控制模块的输入量。该方案同传统的分段式混合控制相比在实现宽范围的基础上效率会有一定的提升。但是由于频率和移相角对增益的调节能力时非线性的。采用固定系数得到的频率和移相角并不能在所有的增益范围内实现最大效率运行。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种适用于等离子体电解氧化的电源控制方法，解决了现有技术中存在的混合调制方案不能同时满足宽增益范围和高效率的问题。
6.适用于等离子体电解氧化的电源控制方法，包括以下步骤：
7.步骤1、通过采样输出电压vo、输入电压v
in
计算系统输出电压增益m，并根据电压增益m判断谐振变换器的工作状态是否为混合调制；
8.步骤2、若是，根据最小电压增益m
min
和变频增益为m_f
n.max
，计算权重系数λ；
9.步骤3、基于最大效率优化的方法对不同输出增益时的权重系数进行优化得到能够实现最大效率的系数λ
max
。
10.本发明的特点还在于：
11.步骤1中，当m《1时，谐振变换器的工作状态为混合调制。
12.步骤2具体步骤为：
13.当电压增益达到最小m
min
时，令此时的开关频率达到最大值，则变频增益为m_fn.max
，移相增益为进而得到权重系数：
[0014][0015]
步骤3具体包括以下步骤：
[0016]
步骤3.1、根据权重系数λ得到移相增益为m_d＝m/λ，得到相应的移相占空比d：
[0017][0018]
步骤3.2、根据移相占空比d、给定电压v
ref
及输出电压vo经过pi计算和压控振荡器得到对应开关频率fs；
[0019]
步骤3.3、先通过移相占空比d、开关频率fs计算输出电压v
ok
：
[0020][0021]
式中，电感比k＝lm/l
r1
，归一化频率fn＝fs/fr，谐振频率特征阻抗品质因数q＝zr/r，r为负载，n为变压器变比；
[0022]
再根据k时刻的输入电压v
ink
、输入电流i
ink
、输出电压v
ok
、输出电流i
ok
，计算得到当前时刻的谐振变换器效率nk：
[0023][0024]
步骤3.4、将权重系数λ经过运算λ＝λ-δλ或λ＝λ δλ，其中δλ为一固定值表示λ的变化量。根据步骤3.1-3.3，得到下一时刻的变换器的效率n
k 1
；根据公式(6)，重复步骤3.1-3.3，得到在一定电压增益时能够满足最大效率的最大权重系数λ
max
；
[0025][0026]
本发明的有益效果是：本发明适用于等离子体电解氧化的电源控制方法，通过分析变频和移相调制方法，得到输出增益与权重系数之间的关系，并通过最大效率优化的方式得到了在不同输出电压时的最优的开关频率与移相角，实现了混合调制的宽增益范围和高效率。
附图说明
[0027]
图1是本发明适用于等离子体电解氧化的电源控制方法中电源电路拓扑结构的示意图；
[0028]
图2是本发明适用于等离子体电解氧化的电源控制方法中电源的整体控制框图；
[0029]
图3是本发明适用于等离子体电解氧化的电源控制方法中增益曲线与归一化频率的关系图；
[0030]
图4是本发明适用于等离子体电解氧化的电源控制方法中增益曲线与移相占空比的关系图；
[0031]
图5是本发明适用于等离子体电解氧化的电源控制方法中计算权重系数λ的流程图；
[0032]
图6是本发明适用于等离子体电解氧化的电源控制方法中权重系数λ的优化流程图；
[0033]
图7是本发明适用于等离子体电解氧化的电源控制方法中使用的混合控制方法与传统移相控制方法之间的效率曲线图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0035]
本发明等离子体电解氧化的电源拓扑结构，如图1所示，dc-dc部分由一个h桥变换器、一个llc谐振网络、一个高频变压器和一个不控整流桥组成，高频变压器可以有效实现原边侧和副边侧的电气隔离与能量传输。高频变压器原边h桥变换器的输入端与直流母线连接，并与直流母线支撑电容c
01
并联，且该h桥变换器的一个输出端与连接至外部谐振电感l
r1
，谐振电容c
r1
，谐振电容c
r1
的另一端与高频变压器初级侧线圈的一端相连接，高频变压器初级侧线圈的另一端连接至h桥变换器的另一个输出端。高频变压器的次级侧线圈的两个端子分别与不控整流桥的两个输入端相连。整流桥的输出端和输出电容c
02
并联。图1中，v
in
表示llc谐振变换器输入直流母线电压；c
01
表示母线支撑电容；s1、s2表示初级侧h桥变换器第一桥臂的上、下功率开关管，d1、d2分别为s1、s2的反并联二极管，c1、c2分别为s1、s2的寄生电容；s3、s4表示初级侧h桥变换器第二桥臂的上、下功率开关管，d3、d4分别为s3、s4的反并联二极管，c3、c4分别为s3、s4的寄生电容；t表示高频变压器；d5、d6表示副边侧不控整流桥第一桥臂的上、下功率二极管；d7、d8表示副边侧不控整流桥第二桥臂的上、下功率二极管；v
ab
表示原边h桥变换器输出电压；v
cd
表示副边h桥变换器输出电压；l
r1
表示原边谐振电感；lm表示励磁电感；c
r1
表示原边谐振电容；c
o2
表示输出滤波电容。
[0036]
适用于等离子体电解氧化的电源控制方法，包括以下步骤：
[0037]
步骤1、如图2所示，通过采样输出电压vo、输入电压v
in
计算系统输出电压增益m，并根据电压增益m判断谐振变换器的工作状态是否为混合调制；
[0038]
当m《1时，谐振变换器的工作状态为混合调制，采用变频 移相的混合调制方式运行；当m》1时，系统处于升压阶段，采用传统的变频调制的方法运行:
[0039][0040]
步骤2、若是在混合调制模式，根据最小电压增益m
min
和变频增益为m_f
n.max
，计算权重系数λ；
[0041]
采用变频 移相的混合调制方式可以得到相比于单独的移相调制更小的移相角，而且通过减小移相角节省的环流功率的损耗是大于增大开关频率带来的开关损耗的。通过图3-4中的增益与频率、增益与占空比的变化曲线可以了解到，在增益处于1附近的时候移相调制的作用不是很明显，在这段时间可以采用以变频调制为主的方案，随着增益的不断
减小变频调制的作用也在不断减小，而移相调制对电压的调节作用变得逐渐明显，所以可以不断增加移相调制在整个混合调制方案中的比重，所以引入了可变的权重系数λ。
[0042]
具体的，当电压增益达到最小m
min
时，令此时的开关频率达到最大值，则变频增益为m_f
n.max
，移相增益为进而得到权重系数：
[0043][0044]
步骤3、由于具体的实验参数和计算的参数之间存在一定的误差，在得到一定增益下的权重系数后还需要进行参数优化，以便能够得到更高的效率。基于最大效率优化的方法对不同输出增益时的权重系数进行优化得到能够实现最大效率的系数λ
max
。具体的，
[0045]
步骤3.1、根据权重系数λ得到移相增益为m_d＝m/λ，得到相应的移相占空比d：
[0046][0047]
步骤3.2、根据移相占空比d、给定电压v
ref
及输出电压vo经过pi计算和压控振荡器(vco)可以得到对应开关频率fs，如图5所示；
[0048]
步骤3.3、先通过移相占空比d、开关频率fs得到输出电压v
ok
：
[0049][0050]
式中电感比k＝lm/l
r1
，归一化频率fn＝fs/fr，谐振频率特征阻抗品质因数q＝zr/r，r为负载，n为变压器变比；
[0051]
再根据k时刻的输入电压v
ink
、输入电流i
ink
、输出电压v
ok
、输出电流i
ok
，可以计算得到当前时刻的谐振变换器效率nk：
[0052][0053]
步骤3.4、将权重系数λ经过运算λ＝λ-δλ或λ＝λ δλ，δλ为固定值，表示λ每次的变化量，根据步骤3.1-3.3，在新的移相占空比d、开关频率fs得到下一时刻的变换器的效率n
k 1
；最大效率优化方法如图6所示，根据公式(6)，重复步骤3.1-3.3，得到在一定电压增益时能够满足最大效率的最大权重系数λ
max
：
[0054][0055]
将本发明使用的混合控制方法与传统移相控制方法相比，其效率曲线图见图7，可以看出本发明的电源控制方法有一定的效率提升能力。
[0056]
通过以上方式，本发明的适用于等离子体电解氧化的电源控制方法，首先对llc谐振变换器的增益进行分析计算，判断谐振变换器是否处于混合调制状态；当系统处于降压模式时，进入混合调制(变频 移相)模式；根据实时的电压增益计算出相应的权重系数，然
后得到相应的开关频率和移相占空比，最后通过最大效率优化的方法对权重系数进行优化；有效地解决了传统控制方法下等离子体电解氧化电源不能实现宽范围高效率的输出，拓宽了该电源的适用范围。