一种自适应滑模控制等离子体电源的制作方法

本发明涉及一种自适应滑模控制等离子体电源，属于等离子技术领域。

背景技术：

气体放电产生的等离子体在杀菌消毒、材料表面改性、废气处理等方面具有良好的应用前景。等离子体负载种类繁多，不同的等离子体负载特性差异较大，针对不同的等离子体负载往往需要设计与之匹配的激发电源，否者会出现激发效率低下，激发不稳定，甚至无法激发的现象。就目前而言，还没有一种电源能通用于大多数的等离子体负载，这对等离子体的应用带来了极大的不便于限制。

此外，等离子体负载激发过程中，其工作状态的稳定性十分重要，然而在等离子体负载激发过程中，由于温度等因素的影响，等离子体的负载特性随时间变化较大。这对目前绝大多数采用硬开关全桥逆变技术的等离子体电源而言，不易保证等离子体负载在某一状态稳定激发，这将导致等离子体负载激发过程中产生的自由基以及电子密度等发生一定程度的改变，不利于精确控制，从而一致性和稳定性不高。

对于传统的硬开关全桥逆变技术，其电路结构简单，控制方便，在低压低频的逆变电源中广泛使用，然而在需要高压、高频电源的等离子体负载中，除了上述问题外，还存在以下问题：首先，基于硬开关全桥逆变技术的等离子体电源的工作频率往往较低，使得高压变压器的尺寸、重量、输出电压纹波显著提高，从而导致电源笨重，性能大大降低；其次，处于硬开关工作状态下的高压电源，其开关损耗相对较大，由此带来开关管发热严重，不仅极大地降低了电源效率，还会导致器件本身使用寿命缩短，使得电源的稳定性、寿命等大大降低。传统的等离子体电源的众多缺点，明显限制了等离子体负载的激发效果，因此，迫切需要一种能够自适应不同等离子体负载，且激发稳定高效的等离子体电源。

技术实现要素：

为了解决目前等离子体电源无法自适应不同等离子体负载，且不易稳定激发等离子体负载于最佳激发状态，本发明提出了一种自适应滑模控制等离子体电源。自适应滑模控制等离子体电源能够自适应激发多种不同的等离子体负载，其控制过程是由预激发阶段和正常工作阶段2个阶段组成，首先在预激发阶段获取等离子体负载的理想工作状态和初始控制参数，之后在正常工作阶段调节控制参数，通过数字滑模控制算法，能够得到buck电路中当前瞬时最佳占空比，自适应等离子体激发过程中不断变化的负载特性，使得等离子体负载自适应工作于理想工作状态。通过buck型双管自激电路，引入buck型开关电源与压控电容，使得电源在输出电压可变，频率可调的同时，buck型双管自激电路的后端开关管工作在zerovoltageswitch(zvs)模式，即开关管恰好在正弦电压过零时导通或关断，从而大大减低开关损耗及电磁辐射，提高电源的效率、稳定性及使用寿命。

本发明的技术方案如下：

自适应滑模控制等离子体电源包括buck型双管自激电路(1)，电压输出模式选择模块(2)、采样控制模块(3)、预激发算法(4)、数字滑模控制算法(5)。其中，buck型双管自激电路(1)连接到电压输出模式选择模块(2)，电压输出模式选择模块(2)连接到采样控制模块(3)，预激发算法(4)存储于采样控制模块(3)，并控制(1)和(2)，数字滑模控制算法(5)存储于采样控制模块(3)，并控制(1)。

buck型双管自激电路(1)，由buck型dc-dc电路，双管自激电路构成。buck型dc-dc电路作为双管自激电路的输入端，其有益效果是，实现等离子体负载电压幅值的程控可调。双管自激电路中的谐振电容选用压控电容，其有益效果是，实现等离子体负载电压频率的程控可调。buck型dc-dc电路与双管自激电路，其本身的输出效率都较高，整个电路的组合改进，其有益效果是，实现高效率输出幅值、频率可调的等离子体负载电压。

电压输出模式选择模块(2)，由整流滤波电路，功率开关管、交直流耦合器构成。buck型双管自激电路输出的高压交流电压分成三路，一路通过功率开关管直接连接到等离子体负载，一路连接到交直流耦合器输入端，一路通过整流滤波电路输出高压直流，高压直流再分成两路，一路通过功率开关管直接连接到等离子体负载，另一路连接到交直流耦合器输入端，交直流耦合器的输出通过功率开关管直接连接到等离子体负载，其有益效果是，通过控制三个功率开关管的闭合状态，实现等离子体负载电压输出模式的选择。

采样控制模块(3)是由整流桥、滤波电容、滤波电感、取样电阻、fpga电路组成，负责获取等离子体负载的实时工作特性，其中，fpga电路中储存有m组典型的控制参数，预激发算法(4)、数字滑模控制算法(5)；其中m的取值为30～50。

预激发算法(4)，仅在等离子体负载的预激发阶段适用，获取等离子体负载的理想工作状态和初始控制参数。算法的步骤如下：首先遍历m组典型的控制参数，根据每组典型的控制参数逐一激发等离子体负载；进而，在每组典型控制参数下，测量等离子体负载的电压、电流，并计算相应控制参数下等离体子负载功率；这样，经过所有m组典型的控制参数激发后，就能得到不同控制参数对应的等离子体负载可达的功率分布；最后，根据等离子体负载可达的功率分布，选定某个期望的等离子体负载功率w^*，并将该等离子体负载功率w^*所对应的等离子体负载工作状态作为等离子体负载的理想工作状态，所对应的控制参数作为初始控制参数。其有益效果是能够通过遍历典型的控制参数，寻找到能够有效激发不同等离子体负载的控制参数；并从中寻找到当前等离子体负载的理想工作状态和初始控制参数，为后续数字滑模控制算法提供控制目标依据，其中m取值为30～50。

数字滑模控制算法(5)，仅在预激发阶段结束后的等离子体负载正常工作阶段适用，保持用于谐振的压控电容的两端电压不变，采用定频变压的方式控制(1)和(2)，确保等离子体负载在工作阶段的自适应稳定激发。具体步骤如下：

先根据buck型双管自激电路的前端开关管导通和关断时刻的状态空间模型，

进而，引入buck型双管自激电路的前端开关管的占空比d，得到buck型双管自激电路的平均状态空间模型，

其中il为输出控制模块的输出电流，vo为输出控制模块的输出电压，即等离子体负载的电压，vin为外部输入直流电压，r为电源负载，l、c为buck型双管自激电路的等效电感和电容，q为buck型双管自激电路的前端开关管，d为buck型双管自激电路的前端开关管的占空比。

设计滑模切换函数s为：

其中vref根据预激发算法(4)所得到的等离子体负载理想工作状态下的等离体子负载电压，λ为一个大于零的收敛控制因子，

令滑模切换函数为零，并带入平均状态空间模型，得到占空比d(t)关于等离子体负载理想工作状态下的控制表达式，

最后，根据当前工作状态下采集得到的等离子体负载电压，基于理想工作状态下的控制表达式得到当前最优占空比d^*。

根据占空比表达式调整、控制buck型双管自激电路，使得在负载特性变化过程中，等离子体负载始终自适应稳定在预激发算法(3)中得到的理想工作状态。采用滑模变结构控制算法，其有益效果是，一方面使得电源运动状态始由整个相空间，被强制约束在相空间左半平面，大大减少了电源到预设输出的过渡状态，从而能够快速达到理想的等离子体负载电压，具有良好的动态响应，另一方面，切换函数的设定与等离子体负载的特性无关，使得电源系统状态在相空间上的调整始终是以等离子体负载理想工作状态为调整目标，,从而使电源始终维持在等离子体负载理想工作状态，具有良好的鲁棒性。

相对于现有技术，本发明的优点如下：

1)该技术方案采用了预激发算法和数字滑模控制算法，能够自适应匹配选择等离子体负载的控制参数，提高了电源本身的动态性能，对参数不确定和负载扰动具有很好的鲁棒性；

2)该技术方案采用了buck型双管自激电路，使得开关管工作于zvs谐振的工作状态，提高了电源的效率和稳定性；

3)能够自适应输出高压直流、高压交流以及高压交直流。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为buck型双管自激电路示意图；

图3为电压输出模式选择模块示意图；

图4为采样控制模块示意图；

图5为数字滑模控制下的系统状态运动轨迹

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明做进一步说明，以便更好地理解本发明，但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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围之内。

参见图1，一种自适应滑模控制等离子体电源，其特征在于，所述自适应滑模控制等离子体电源包括buck型双管自激电路，电压输出模式选择模块，采样控制模块，预激发算法，数字滑模控制算法。所述buck型双管自激电路连接到电压输出模式选择模块，所述电压输出模式选择模块连接到采样控制模块，所述预激发算法存储于采样控制模块，并控制buck型双管自激电路和电压输出模式选择模块，数字滑模控制算法存储于采样控制模块，并控制buck型双管自激电路；其中，预激发算法只在预激发阶段工作，数字滑模控制算法只在预激发阶段结束后的等离子体负载正常工作阶段工作。

参见图2，buck型双管自激电路由buck型dc-dc电路，双管自激电路构成，其中，buck型dc-dc电路的输出连接到双管自激电路的输入端，可借由预激发算法和数字滑模控制算法调整buck型dc-dc电路的前端开关管的占空比，实现双管自激电路输出电压的调整，双管自激电路中的谐振电容为压控电容，在预激发算法中，通过调节压控电容两端的电压实现电容容值的调整，进而改变谐振频率，实现输出电压频率的改变。

参见图3，电压输出模式选择模块，由整流滤波电路，功率开关管、交直流耦合器构成。buck型双管自激电路输出的高压交流电压分成三路，一路通过功率开关管直接连接到等离子体负载，一路连接到交直流耦合器输入端，一路通过整流滤波电路输出高压直流，高压直流再分成两路，一路通过功率开关管直接连接到等离子体负载，另一路连接到交直流耦合器输入端，交直流耦合器的输出通过功率开关管直接连接到等离子体负载。三个开关管的开关状态与等离子体负载电压输出模式有关。以交流电压输出模式为例，此时图2最下端的功率开关管闭合，高压交流输出直接连接到等离子体负载，另外两个功率开关管打开，两端的输出与等离子体负载，此时等离子体负载电压即为交流电压输出模式。

参见图4，采样控制模块包括整流桥、滤波电容、滤波电感、取样电阻，fpga电路。整流桥、滤波电容、滤波电感、取样电阻共同组成电压采样电路，经过采样电路后，获得与等离子体负载电压、电流成比例的电压、电流信号。fpga电路一方面负责输出多路高频开关管控制信号，保证开关管信号的实时同步，保证开关管的开关速率，开关管开关频率范围为1k～10mhz，其中开关频率优选100khz，另一方面存储m组典型的控制参数，预激发算法、数字滑模控制算法，其中优选m为40。

预激发算法在预激发阶段首先遍历m组典型的控制参数，尝试激发等离子体负载。通过采样控制模块采样、测量m组典型的控制参数下，等离子体负载的电压、电流，并计算相应控制参数下等离体子负载获得的功率，获取给定某一个等离子体负载下，在m组典型的控制参数下的等离子体负载可达的功率分布，根据等离子体负载可达的功率分布，选定期望的激发功率作为等离子体负载的理想工作状态，所对应的控制参数作为初始控制参数。在预激发阶段以后的等离子体负载正常工作阶段，同样通过采样控制模块对等离子体负载的电压、电流进行采样，测量，并根据采样获得的等离子体负载电压，基于理想工作状态的控制表达式得到占空比控制表达式

得到当前最优占空比d^*，其中，vo为输出控制模块的输出电压，vref为根据预激发算法(4)所得到的等离子体负载理想工作状态下的等离体子负载电压，λ为一个大于零的收敛控制因子，其中优选λ为0.005，使得电源系统在等离子体负载特性变化过程中，能够始终自适应、稳定在预激发算法中得到的理想工作状态。整个系统的运动轨迹如图5所示。