微弧氧化脉冲电源的研究

论文摘要

微弧氧化是在金属及其合金表面生成陶瓷膜的一种表面处理技术,微弧氧化生成的陶瓷膜具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘等优良性能,在航天、航空、汽车、电子、造船等领域具有广阔的应用前景。微弧氧化已经成为一个研究热点,电源是制约微弧氧化发展的一个重要因素,本文针对微弧氧化电源展开研究。微弧氧化电源的输出电压和电流较大、功率等级高,主电路适合采用全桥结构的拓扑。本文选择了变压器原边串联饱和电感和隔直电容的移相全桥DC-DC变换器作为研究对象,详细分析了其工作原理。通过对比分析各种控制方式的优缺点,使用了平均电流型控制方式,系统具有良好的动态特性和抗干扰能力。在理论分析的基础上,对全桥电路中的几个重要器件进行了设计和选择。基于Buck电路的小信号模型,考虑到占空比丢失的问题,建立了全桥电路的小信号模型。并在小信号分析的基础上,利用频域分析法,设计了平均电流型控制方式下的电流调节器和电压调节器,补偿后的控制系统具有较好的稳态特性和动态特性。数字电源是开关电源发展的方向,本文基于数字信号处理器TMS320F2812构建了开关电源的数字控制系统,提出了一种较为简单的移相控制方案以及软启动实现方案。这种方案根据电感电流与变压器原边电流的对应关系,利用电流互感器通过采样变压器原边电流信号得到电感电流的平均值信号,省去了采样电感电流的霍尔元件,节约了资源,降低了成本。分析了数字PI调节器的工作原理,通过对比位置式数字PI算法与增量式PI算法的优缺点,选择了增量式算法。设计了斩波电路、采样电路和驱动电路,将前级的数字直流电源和后级的斩波电路级联在一起,进行了实验。数字直流电源性能良好,可以在宽范围内实现超前臂零电压开关和滞后臂零电流开关;斩波电路可以输出用于微弧氧化的直流电压波形、单向脉冲波形和双向不对称脉冲波形,脉冲的占空比和频率可以根据工艺的需要进行调节,验证了理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 微弧氧化机理
• 1.3 微弧氧化及微弧氧化电源的研究现状
• 1.3.1 微弧氧化研究现状
• 1.3.2 微弧氧化电源研究现状
• 1.4 开关电源与软开关技术
• 1.5 数字控制技术的发展
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 主电路分析与设计
• 2.1 引言
• 2.2 移相全桥ZVZCS 主电路工作原理分析
• 2.3 开关电源控制方式的确定
• 2.4 主电路参数设计
• 2.4.1 输入端滤波电容设计
• 2.4.2 变压器设计
• 2.4.3 滤波电感设计
• 2.4.4 隔直电容的设计
• 2.4.5 输出滤波电容的设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 系统建模与补偿网络设计
• 3.1 引言
• 3.2 Buck 电路的小信号模型
• 3.3 移相全桥ZVZCS 电路的小信号模型
• 3.3.1 移相全桥ZVZCS 电路的占空比丢失
• 3.3.2 全桥电路小信号模型的建立
• 3.4 电流调节器和电压调节器的设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 控制系统的数字实现
• 4.1 引言
• 4.2 轻载条件下超前臂死区时间对软开关的影响
• 4.3 平均电流型控制的实现方案
• 4.4 移相控制数字实现方案
• 4.5 数字PI 调节器的实现
• 4.6 软启动的数字实现
• 4.7 本章小结
• 第5章 实验电路设计与实验结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 DSP 芯片采样电路的设计
• 5.3 驱动电路设计与分析
• 5.4 斩波电路的设计与分析
• 5.5 实验结果与分析
• 5.5.1 输出直流电压波形
• 5.5.2 滞后臂零电流开关分析
• 5.5.3 超前臂零电压开关分析
• 5.5.4 斩波电路输出波形分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢