一种电子束焊机高压稳压电源控制装置及方法

技术领域

本发明属于电子束设备领域，具体涉及采用SEPIC主电路的电子束焊机高压稳压电源控制装置。

背景技术

电子束焊接具有功率大、焊接质量高和性价比好等特点，广泛应用于航空航天、国防、原子能等尖端领域。电子束焊机(EBW)高压稳定电源是为电子枪提供加速电压，其性能的好坏直接决定着电子束焊接工艺和焊接质量。开关电源具有高效率、高功率密度、高频化等一系列优点广泛应用于电子束焊机。但由于开关电源自身存在的固有高纹波输出电压，使得其适用范围受到了限制。电子束焊机对电源的输出纹波具有特殊的要求，使电子束焊机开关电源向低纹波化方向发展。

现有技术一

采用滤波及补偿技术，滤波及补偿技术是开关电源中广泛使用的一种滤波电路。它不仅可以用作频率为50Hz整流的平滑滤波，也常用于高频变换器中的整流滤波环节。大多使用无源的并联电容或串联电感对电路进行滤波。当对输出纹波要求越高时，选用滤滋器的阶数也越高。这种滤波电路对输出纹波只是起到抑制作用，没有真正的消除输出电压或电流的纹波。当要求纹波极低时，须采用相对较大的电感、电容对输出波形进行滤波，使得增加电路体积的同时也使系统的动态响应变差。

现有技术二

采用高频化技术降低纹波，采用高频化技术降低纹波的方法是通过采用电容电感对输出电压电流的纹波进行抑制。通过将电路的纹波进行叠加，使输出波形相对平稳后采用电容电感进行滤波。这种技术虽然能够降低开关电源输出电压电流纹波和减小电路体积，但同时驱动损耗和开关损耗变大，效率可能变低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种采用SEPIC主电路的电子束焊机高压稳压电源控制装置，该装置对输入电压要求不高，输出平滑的直流电压，通过电感耦合技术可以调节输出电流脉动纹波大小，将输出电流脉动纹波降到最小，理论上可以实现零纹波，操作方便，不需增加其它辅助电路，传输效率高，电源开关的损耗小，采用双闭环的模糊PID控制更具有自适应能力。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现:

根据本发明的实施例，本发明提出了一种SEPIC主电路的电子束焊机高压稳压电源控制装置，该装置包括升压整流滤波电路、SEPIC主电路、双闭环控制电路、输出电路；

所述升压整流滤波电路，用于将三相交流电升压整流滤波后，获得高压电压；

所述SEPIC主电路，用于对所述高压电压进行功率变换，并通过控制开关器件的通断占空比来调整电源输出电压；

所述双闭环控制电路，用于通过电压外环和电流内环构成的双闭环的反馈的实际电压电流值与设定值相比较产生控制信号经过PWM变换器，控制功率器件的占空比，以实现稳定焊接束流；

所述输出电路，用于在输出处获得平稳的低纹波的输出电压。

其中，

所述升压整流滤波电路的输出端与所述SEPIC主电路的输入相连接，SEPIC主电路的控制输入端与双闭环控制电路的输出端相连接，SEPIC主电路的输出端与输出电路的输入端相连接，双闭环控制电路的输入端与输出电路端相连。

进一步的，所述SEPIC主电路包括输入电感L

进一步的，所述输入电容C1通过功率开关管V

进一步的，所述双闭环控制电路包括PWM变换器、电流内环PI控制器、电压外环模糊PID控制器、霍尔电流传感器T

进一步的，所述功率开关管V

进一步的，所述输出电路由过流保护电阻R

根据本发明的实施例，本发明还提出了一种基于电子束焊机高压稳压电源控制装置的控制方法，所述方法包括：

S1.三相交流电通过升压整流滤波后，获得高压电压；

S2.高压电压经过SEPIC主电路，通过控制开关器件的通断占空比来调整电源输出电压；

S3.在双闭环控制电路中，将检测到的输出电压通过电压采样电路与设定值相比较，得到电压误差传给电压外环模糊PID控制器，电压外环模糊PID控制器与霍尔传感器T1检测信号相比较，得到的误差传电流内环PI控制器，电流内环PI控制器的输出信号作为控制信号经过脉宽调制(PWM)变换器，霍尔传感器T2直接接到脉宽调制(PWM)变换器上来起到过流保护作用，通过控制功率器件的占空比来调整电源输出电压的大小；

S4.在输出电容处获得纹波极小输出电压。

本发明的有益效果，该方法将SEPIC主电路输入电感和输出电感绕在一起，采用耦合电感技术，在不用外加器件的基础上，可以实现开关电源理论的输出零纹波要求；在控制环节双闭环电路理论，电网波动的干扰先经过内环的抑止后再进入外环，对外环参数的影响将有较大的减弱，电流内环采用PI控制改善了系统动态特性，提高了系统的动态响应；通过输出电压实际值与给定值得偏差，对输出电压进行控制，电压外环采用模糊PID控制，采用耦合电感技术，使输出的电压为微纹波甚至零纹波，提高了系统的稳定输出，故应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明提出的电子束焊机高压稳压电源控制装置电路结构图。

具体实施方式

为便于理解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提出了一种SEPIC主电路的电子束焊机高压稳压电源控制装置，该装置包括升压整流滤波电路、SEPIC主电路、双闭环控制电路、输出电路。

在本实施例中，所述升压整流滤波电路包括三相变压器升压电路以及整流滤波电路，将三相交流电升压整流滤波后，获得高压电压，该高压电压为一种平滑的高压电压。

在本实施例中，SEPIC主电路用于对所述高压电压进行功率变换，并通过控制开关器件的通断占空比来调整电源输出电压。

SEPIC主电路包括输入电感L

SEPIC电路包括输入电感L

在SEPIC电路中，di

令V

式中：

设耦合系数为：

当n<1,即N

当n>1,即N

同理采用上述推导公式可以得出当开关管V

其中，

无论是开关管V

所述双闭环控制电路，用于通过电压外环和电流内环构成的双闭环的反馈的实际电压电流值与设定值V

在本实施例中，双闭环控制电路包括PWM变换器、电流内环PI控制器、电压外环模糊PID控制器、霍尔电流传感器T

双闭环控制电路由三部分组成:电流内环PI控制器、电压外环模糊PID控制器和过流保护三部分；

双闭环控制电路中，电压采样电路得到实际输出电压值，此电压可作为模糊PID控制器的实际值和设定值相较后得到校正偏差，构成电压外环；

SEPIC电路中开关管的发射极与霍尔电流传感器T1连接，一旦市电电网电压发生变化立马做出反应，构成电流反馈内环；

电压外环和电流反馈内环的控制信号送到所述的PWM电路，构成了电压电流双闭环控制，从而精确的控制电源输出电压。

浪涌电流过大会影响正常电路工作，本发明中采用霍尔电流传感器T2过流检测，它工作原理是:当霍尔电流传感器在负载输出端检测到的电流值大于设定值时，输出信号强制PWM信号为0，从而关断开关元件使电流不再上升，实现过流保护。高压稳压电源输出电压，为电子束焊机电子枪的的阴极灯丝逸出的电子提供加速电场。

所述输出电路，用于在输出处获得平稳的低纹波的输出电压。输出电路由过流保护电阻R

所述升压整流滤波电路的输出端与所述SEPIC主电路的输入相连接，SEPIC主电路的控制输入端与双闭环控制电路的输出端相连接，SEPIC主电路的输出端与输出电路的输入端相连接，双闭环控制电路的输入端与输出电路端相连。

根据本发明的实施例，本发明还提出了一种基于电子束焊机高压稳压电源控制装置的控制方法，所述方法包括：

S1.三相交流电通过升压整流滤波后，获得高压电压；

S2.高压电压经过SEPIC主电路，通过控制开关器件的通断占空比来调整电源输出电压；

S3.在双闭环控制电路中，将检测到的输出电压通过电压采样电路与设定值相比较，得到电压误差传给电压外环模糊PID控制器，电压外环模糊PID控制器与霍尔传感器T1检测信号相比较，得到的误差传电流内环PI控制器，电流内环PI控制器的输出信号作为控制信号经过脉宽调制(PWM)变换器，霍尔传感器T2直接接到脉宽调制(PWM)变换器上来起到过流保护作用，通过控制功率器件的占空比来调整电源输出电压的大小；

S4.在输出电容处获得纹波极小输出电压。

本发明的电源控制装置在开关电源模块电路中引入SEPIC变换器电路，SEPIC主电路由两个耦合的电感替代了传统拓扑结构的单一电感，通过缠绕在同一磁芯上的两个耦合电感，在适当的匝数比下，可在理论上使输入输出电流的纹波电流降为零，该电路不仅可以升降压，而且输出电压与输入电压极性相同，与高频化技术降低纹波相比，SEPIC主电路拓扑结构所需元器件少和驱动电路的设计简单就可以获得较理想的转换效率，滤波及补偿技术必须通过详细严谨的计算得出纹波频率特性，从而选出精确的阻值和容值，该方法一旦电容、电阻失效或阻值和容值计算不精确，有可能混入新的纹波、噪声，反而加大了输出纹波，SEPIC电路实现零纹波的电路参数的计算没有庞大的复杂的计算方式，因此与滤波及补偿技术方案相比结构简单、控制容易；电流内环采用PI控制，电压外环采用模糊PID控制。内环回路在控制过程中起着粗调作用，外环回路用来对被控量进行细调，内外环一起配合工作，实现控制要求同时加快了系统响应。

对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。