一种磁控管电源功率线性输出控制方法

技术领域

本发明涉及磁控管电源技术领域，具体属于一种磁控管电源功率线性输出控制方法。

背景技术

目前磁控管和速调管是工业应用特别是微波加热领域使用的主要器件。馈能结构、波导元件、应用器、传感和控制、微波功率源等几个部分构成微波功率设备，其中微波功率源是用来产生微波的，它是整个微波功率设备中最重要的部件。微波功率设备的性能取决于微波功率源性能的优劣，因此改进微波功率源的生产技术对微波功率设备性能的提升具有重要的意义。微波功率源中磁控管的驱动电源直接决定着微波功率源性能的优劣。

传统的磁控管驱动采用工频变压器升压驱动输出，这种驱动虽然可以满足磁控管工作的要求，但功能单一性，效率低，功率不可调等因素制约，已经逐渐被新型高频开关电源所取代，高频开关电源可以实现，体积小，输出效率高，而且功率可调，成为市场应用的主流。设计一款性能更高而且输出线性连续功率可调成为研发工作的重点。目前控制策略不乏有软件控制，这种控制方法一般为软件控制芯片输出PFM脉冲波作为驱动信号，当微控制器接收到外部调制信号，软件将调整信号转化为PFM（脉冲频率调制）算法语言，输出作为变换器的驱动，达到控制功率的目的。软件控制策略多采用线性计算法和查表法，而硬件控制，常规上采用硬件控制芯片改变反馈引脚信号电压或者改变死区时间控制脚电压，达到改变驱动器输出PWM（脉冲脉宽调制）的目的，如TL494等。

本发明提出一种软件线性控制接收外部调制信号，转化为PWM脉冲，控制硬件电路工作的软件硬件相结合磁控管电源功率调制方法。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种磁控管电源功率线性输出控制方法，包括磁控管驱动电源单元和信号处理控制单元，磁控管驱动电源单元包括EMI滤波电路、储能电容、隔离变压器、开关管、变压整流电路、辅助电源供电电路、驱动电路、微控制器电路和外部可调端口0-5V信号及PLC信号，信号处理控制单元与磁控管驱动电源单元的外部可调端口0-5V信号及PLC信号电连接。微控制器接收来自外部的0-5V信号和PLC信号，将电压和通信信号转化为PWM 为0-100%的占空比，由于信号电压和占空比形成一对一的线性比例关系，微控制器输出PWM信号给驱动电路，EMI滤波电路将交流输入电压整流滤波后向主功率回路供电，驱动电路通过驱动隔离变压器和开关管实现整流输出。

优化的，微控制器采用PC100发送PWM脉冲给频率控制电路，PC100为线性光耦，频率控制电路跟随PWM脉冲实时的调整频率。

进一步的，硬件线路控制包括了隔离光耦PC100，基准电压源7.5V，降频电路和调频电路。

其中，T100 、ZD101、R120、C126构成了线性稳压电路，输出电压为7.5V；R145、T103、D108、R143、C125构成了降频电路，当电源PWM整流后的电压大于1.2V，电源功率频率瞬间被拉低到25Khz左右从55Khz；R133、C121、Q103、R140构成了压控电路，通过调整Q103栅极电压就可以线性的调整漏极阻抗。

进一步的，硬件线路工作时，POF脚为半桥谐振电容的节点，通过检测这一点的电压信号，经过降压处理后，把变化点电压信号经过T101扩流后，将变化的电压信号送到Q101、Q102的栅极，由于这两个管子为耗尽型场效应管，大的栅极电压会增加管子的导通阻抗，从而改变了RC震荡电路的频率，控制器IR2153把频率信号经过输出驱动开关IGBT开关管。

由于电源工作在谐振模式下，当频率变化时，电路增益也跟着变化，输出功率是增益的线性函数关系，因此，改变频率就实现输出功率的线性改变。

优化的，信号处理控制单元还包括功率设置单元和阳极电流采样单元组成，信号处理控制单元通过ADC口实时接收阳极电流采样单元的采集的磁控管阳极电流的电压信号，通过信号处理单元中的控制器内部模数转换单元将模拟电压转换为数字信号，转换后的数字大小对应阳极电流大小。信号处理单元中的控制器将采样得到阳极电流的数值大小和功率设置单元预设的电流值大小进行对比，若采样值大于预设值，信号处理控制单元则减小输出PWM波占空比，若采样值小于预设值，信号处理控制单元则增加输出PWM占空比。信号处理控制单元与磁控管驱动电源单元的功率调节电路电连接，功率调节电路根据信号处理控制单元输出的PWM的占空比控制磁控管阳极电流大小。

进一步的，信号控制处理单元实时读取磁控管阳极电流采样值，根据阳极电流采样值动态调节输出PWM波占空比，使阳极电流值维持在预设值附近。

进一步的，电流预设值包括3种设置方法：

（1）设定程序时直接在自动控制程序中设定：确定好阳极电流预设值后，在程序中将Iset设置为固定值，然后将控制程序编辑进单片机中。

（2）通过外部输入0---5V模拟电压，确定阳极电流：0--5V电压对应阳极电流0--280mA。信号处理控制单元通过ADC读取外部0--5V电压值，然后通过计算将0---5V电压对应为0---280mA。根据输入模拟电压值动态改变Iset值，输出阳极电流值由外部输入0--5V电压决定，也就是输出功率可以动态调节。

（3）通过数字通信接口直接设置阳极电流大小。通过串口直接给信号处理单元发送命令，信号处理单元根据命令直接设置Iset的大小。命令范围为0---1000，Iset设置范围为0---280mA。命令0---1000对应阳极电流0---280mA。

本发明的工作原理为：通过对磁控管阳极电流的调节实现磁控管的功率变化，设置好阳极电流后，采样电路实时采集阳极电流大小，并将采样的电流信号转换为电压信号送入信号处理控制单元，信号处理控制单元通过调节输出PWM波的占空比，使阳极电流维持在设置电流值大小处。

附图说明

图1为本发明提供的一种磁控管电源功率线性输出控制方法的结构框图；

图2为本发明提供的一种磁控管电源功率线性输出控制方法的微控制器接线图；

图3为本发明提供的一种磁控管电源功率线性输出控制方法的硬件控制电路接线图；

图4为本发明提供的一种磁控管电源功率线性输出控制方法的功率调节过程框图；

图5为本发明提供的一种磁控管电源功率线性输出控制方法的功率调节流程图；

图6为本发明提供的一种磁控管电源功率线性输出控制方法的输入电压与阳极电流关系图；

图7为本发明提供的一种磁控管电源功率线性输出控制方法的命令设置值与阳极电流关系图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

如图1 所示，一种磁控管电源功率线性输出控制方法，包括磁控管驱动电源单元和信号处理控制单元，磁控管驱动电源单元包括EMI滤波电路、储能电容、隔离变压器、开关管、变压整流电路、辅助电源供电电路、驱动电路、微控制器电路和外部可调端口0-5V信号及PLC信号，信号处理控制单元与磁控管驱动电源单元的外部可调端口0-5V信号及PLC信号电连接。微控制器接收来自外部的0-5V信号和PLC信号，将电压和通信信号转化为PWM 为0-100%的占空比，信号电压和占空比形成一对一的线性比例关系，EMI滤波电路将交流输入电压整流滤波后向主功率回路供电，驱动电路通过驱动隔离变压器和开关管实现整流输出。

如图2所示，微控制器采用PC100发送PWM脉冲给频率控制电路，PC100为线性光耦，频率控制电路跟随PWM脉冲实时的调整频率。

如图3所示，硬件控制线路包括隔离光耦PC100，基准电压源7.5V，降频电路和调频电路。

其中，T100 、ZD101、R120、C126构成线性稳压电路，输出电压为7.5V；R145、T103、D108、R143、C125构成降频电路，当电源PWM整流后的电压大于1.2V，电源功率频率瞬间被拉低到25Khz左右从55Khz；R133、C121、Q103、R140构成压控电路，通过调整Q103栅极电压就可以线性的调整漏极阻抗。

硬件线路工作时，POF脚为半桥谐振电容的节点，通过检测这一点的电压信号，经过降压处理后，把变化点电压信号经过T101扩流后，将变化的电压信号送到Q101、Q102的栅极，由于这两个管子为耗尽型场效应管，大的栅极电压会增加管子的导通阻抗，从而改变了RC震荡电路的频率，控制器IR2153把频率信号经过输出驱动开关IGBT开关管。

由于电源工作在谐振模式下，当频率变化时，电路增益也跟着变化，输出功率是增益的线性函数关系，因此，改变频率就实现输出功率的线性改变。

如图4所示，信号处理控制单元还包括功率设置单元和阳极电流采样单元组成，信号处理控制单元通过ADC口实时接收阳极电流采样单元的采集的磁控管阳极电流的电压信号，通过信号处理单元中的控制器内部模数转换单元将模拟电压转换为数字信号，转换后的数字大小对应阳极电流大小。如图5所示，信号处理单元中的控制器将采样得到阳极电流的数值大小和功率设置单元预设的电流值大小进行对比，若采样值大于预设值，信号处理控制单元则减小输出PWM波占空比，若采样值小于预设值，信号处理控制单元则增加输出PWM占空比。信号处理控制单元与磁控管驱动电源单元的功率调节电路电连接，功率调节电路根据信号处理控制单元输出的PWM的占空比控制磁控管阳极电流大小。

其中，电流预设值包括3种设置方法：

（1）设定程序时直接在自动控制程序中设定：确定好阳极电流预设值后，在程序中将Iset设置为固定值，然后将控制程序编辑进单片机中。

（2）通过外部输入0---5V模拟电压，确定阳极电流：0--5V电压对应阳极电流0--280mA。信号处理控制单元通过ADC读取外部0--5V电压值，然后通过计算将0---5V电压对应为0---280mA。根据输入模拟电压值动态改变Iset值，输出阳极电流值由外部输入0--5V电压决定，也就是输出功率可以动态调节。

（3）通过数字通信接口直接设置阳极电流大小。通过串口直接给信号处理单元发送命令，信号处理单元根据命令直接设置Iset的大小。命令范围为0---1000，Iset设置范围为0---280mA。命令0---1000对应阳极电流0---280mA。

另外，图6为输入电压与阳极电流的线性函数关系图。

图7为命令设置值与阳极电流的线性函数关系图。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。