MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法与流程

本发明涉及超导励磁电源技术领域，尤其涉MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法。

背景技术：

单晶硅被广泛应用于光伏电池及集成电路的制造。单晶硅的制造方法通常是将多晶硅在高温下融化，再用直拉法或区熔法从熔体中生长出棒状的单晶硅。由于成本及性能的原因，直拉(CZ)法单晶硅材料应用最广。

在单晶炉外施加强磁场可以改变炉内溶体对流，在磁场环境下利用CZ法生长硅单晶的方法称为MCZ法，该方法可以控制氧碳等杂质的含量及分布均匀性，进而改善硅单晶的品质。超导磁体具有体积小，容量大、功耗低的特点，被广泛应用于需要强磁场的领域。针对MCZ硅单晶炉，超导磁体励磁电流微小的波动就会引起磁场及分布的较大变化，从而破坏原有的晶体生长环境，影响硅单晶的品质。因此，为了生产出高品质硅单晶，MCZ单晶炉用超导磁体对励磁电源的精度、稳定度和可靠性提出了更高的要求。

滑模变结构控制与传统控制方法的主要区别体现在其控制结构的不连续，这种不连续在带来抗扰动能力的同时，也限制了其在高精度控制系统中的应用。滑模控制中的滑模面、趋近项等可根据实际情况进行设计，这为滑模控制的改进提供了便利。模糊控制算法通过不确定的语言对变量进行描述、通过隶属度函数与模糊规则将不连续变量连续化。因此，利用模糊控制的特点对滑模控制的切换项进行调整，可以改善滑模控制中的高频抖振问题。在此基础上，将增量式控制与传统模糊滑模控制相结合，使得在每一个控制周期中，模糊系统根据滑模面系数输出切换项的增量。利用该方法控制超导励磁电源，以提高励磁电源的输出精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，以解决上述技术问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：开关电源功率部分主电路输入端接入交流电压，经过前级整流模块后，接入DC/DC模块，最后通过滤波处理后输出直流电流；

步骤2：超导磁体等效为大电感负载，根据负载及各项参数建立模型；

步骤3：根据步骤2中的模型设计模糊滑模控制器，确定切换函数s中的系数和控制律，得到闭环控制系统；

步骤4：输出电流信号的隔离采集，采集步骤1输出的直流电流信号，作为反馈信号送给步骤3得到的模糊滑模控制器，将模糊滑模控制器求出控制量输出至PWM驱动器，通过隔离驱动电路控制MOSFET的开关；

步骤5：模糊滑模控制器所得的控制量的变化通过隔离驱动电路改变BUCK电路中功率器件的占空比来调节输出电流的大小；当输出电流高于给定值时，减少周期内开通时间，减小占空比；当输出电流低于给定值时，增加周期内的开通时间，增大占空比，通过占空比保证电流的平稳输出。

作为本案发明进一步的方案，其中步骤2中通过关键参数建立模型，具体参数包括：Vin为输入直流电压，L1为滤波电感，L2为负载电感，C为滤波电容，R为负载电阻，Io为输出电流，Iref为给定电流，d为占空比；具体按照以下步骤实施：

输入占空比与输出电流的状态平均模型：

建立误差状态方程：

求得：

作为本案发明进一步的方案，其中步骤3和步骤4根据步骤2中的模型设计模糊滑模控制器，确定切换函数s中的系数和系统控制率，得到控制系统，具体按照以下步骤实施：

K1、K2、K3分别为误差、微分及二阶微分对滑模面的权值，定义切换函数为：

由步骤2中的建立的模型代入上式得：

确定参数为：

得：

等效控制项为：

切换控制率取：

dsw＝εsgn(s),ε＞0 (9)；

deq为等效控制项，dsw为滑模切换项，等效滑模控制率为：

d＝deq+dsw (10)；

改进后控制率为：

其中：

式(11)中w为比例项对等效控制量进行调节，切换项采用增量模式对误差进行补偿；

滑模控制器采用等速趋近律，存在待确定参数ε，该参数是滑模切换项的系数，若参数ε固定，数值较大时，在滑模状态会产生较大抖振，而较小时会以较慢的速度趋近于平衡点，实际在控制过程中该参数应该是一个逐渐减小的量，即以较快的速度逼近给定值，到达预定值后能以较小的抖振幅值维持在滑动模态，因此，采用单输入单输出模糊控制器调整参数ε以满足控制要求，利用加权平均法对输出进行清晰化；

定义一个Lyapounov函数

式(4)中参数K1>>K2>>K3则有：

s＝K1x1+K2x2+K3x3≈K1x1 (14)；

将式(11)带入式(4)中

其中为累加项，则有稳定性得证。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明利用滑模控制具有较强鲁棒性的优点，提高系统的动态性能；利用模糊控制对切换项系数进行实时调整，以减小滑模控制中存在的抖振；利用增量式切换项对输出占空比进行调整，以消除实际控制中存在的稳态误差并降低系统对噪声的灵敏度；这种方法将增量式控制与传统模糊滑模控制相结合，在每个开关周期内对开关管的占空比进行补偿，动态地调整占空比的大小，在保证较大误差情况下趋近速度同时，保证了滑模面附近的误差精度，改善了系统的总体性能。

附图说明

图1为本发明方法(系统总体结构图)步骤1、步骤2中的控制系统及基本拓扑示意图；

图2为本发明方法模糊滑模控制器基本工作原理图；

图3为本发明实施例中传统切换项模糊滑模控制的动态响应曲线及其纹波放大图(仿真)；

图4为本发明实施例中增量式切换项模糊滑模控制动态响应曲线及其纹波放大图(仿真)；

图5为本发明实施例中增量式切换项模糊滑模控制在不同电感负载下的动态响应曲线(仿真)；

图6为本发明实施例中增量式切换项模糊滑模控制的电流跟随曲线(仿真)；

图7为本发明实施例中增量式切换项模糊滑模控制的负载变化响应曲线(仿真)；

图8为本发明实施例中传统切换项模糊滑模控制的动态响应曲线及其纹波放大图(实验)；

图9为本发明实施例中增量式切换项模糊滑模控制动态响应曲线及其纹波放大图(实验)；

图10为本发明实施例中增量式切换项模糊滑模控制的电流跟随曲线(实验)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

本发明适用于单晶炉超导磁体励磁电源，其系统总体结构图，如图1所示，主要包括：数字控制器DSP，MOSFET驱动电路，主电路，采样电路；输出电流模拟信号通过隔离电流传感器采集，再传至24位A/D转换器，得到的数字信号利用SPI通信传至DSP内。DSP内实现采集数据的转换、控制算法计算、PWM信号的产生等。MOSFET驱动电路对接收到的PWM信号进行放大给予开关器件，保证器件的可靠开关；主电路采用BUCK型电路主要参数包括：输入直流电压Vin，滤波电感L1，负载电感L2，滤波电容C，负载电阻R，输出电流Io。

MCZ单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：开关电源功率部分主电路输入端接入交流电压，经过前级整流模块后，接入DC/DC模块，最后通过滤波处理后输出直流电流。

步骤2：超导磁体等效为大电感负载，根据负载及各项参数建立模型，具体参数包括：DC/DC模块输入电压Vin，滤波电感L1，滤波电容C，负载电感L2，负载电阻R，Iref为给定电流，d为占空比。

步骤2具体实施过程：

输入占空比与输出电流的状态平均模型：

建立误差状态方程：

求得：

获得被控电源模型后，通过基于增量式切换项的模糊滑模控制方法，就可以在高频开关电源上实现电流控制。

步骤3：根据步骤2中的模型设计模糊滑模控制器，确定切换函数s中的系数和控制律，得到闭环控制系统；

将增量式方法与模糊滑模相结合，在模糊控制柔化滑模抖振的基础上，通过增量式切换项对输出占空比进行补偿。

步骤3的具体实施过程：

K1、K2、K3分别为误差、微分及二阶微分对滑模面的权值。定义切换函数为：

由步骤2中的建立的模型代入上式得：

确定参数为：

得：

等效控制项为：

切换控制率取：

dsw＝εsgn(s),ε＞0 (9)；

deq为等效控制项，dsw为滑模切换项，等效滑模控制率为：

d＝deq+dsw (10)；

改进后控制率为：

其中：

式(11)中w为比例项对等效控制量进行调节，切换项采用增量模式对误差进行补偿。

滑模控制器采用等速趋近律，存在待确定参数ε，该参数是滑模切换项的系数。若参数ε固定，数值较大时，在滑模状态会产生较大抖振，而较小时会以较慢的速度趋近于平衡点。实际在控制过程中该参数应该是一个逐渐减小的量，即以较快的速度逼近给定值，到达预定值后能以较小的抖振幅值维持在滑动模态。因此，采用单输入单输出模糊控制器调整参数ε以满足控制要求。利用加权平均法对输出进行清晰化。

定义一个Lyapounov函数

式(4)中参数K1>>K2>>K3则有：

s＝K1x1+K2x2+K3x3≈K1x1 (14)；

将式(11)带入式(4)中

其中为累加项，则有稳定性得证。

步骤4：输出电流信号的隔离采集，采集步骤1输出的直流电流信号，作为反馈信号送给步骤3得到的模糊滑模控制器，将模糊滑模控制器求出控制量输出至PWM驱动器，通过隔离驱动电路控制MOSFET的开关；具体计算过程为：

1)利用采集部分得到的电流与给定值做差，求出偏差e、偏差一阶导数e、偏差二阶导数代入求得滑模平面的方程。

2)将滑模面方程s及滑模面方程的导数代入误差状态方程，求得控制率d。

3)将滑模面方程s由模糊控制器运算，在实时调整参数ε的同时，通过增量法调节控制率d的大小。

4)将控制率d在DSP内转化为PWM信号，并将其传输至MOSFET隔离驱动电路放大；

步骤5：模糊滑模控制器所得的控制量的变化通过隔离驱动电路改变BUCK电路中功率器件的占空比来调节输出电流的大小。当输出电流高于给定值时，减少周期内开通时间，减小占空比；当输出电流低于给定值时，增加周期内的开通时间，增大占空比，通过占空比保证电流的平稳输出。

为了验证上述基于增量式切换项的模糊滑模控制器的效果，针对MCZ硅单晶炉用超导磁体，设计了四路功率单元并联工作的励磁电源，总功率为4KW。为了验证所设计的增量室模糊滑模控制器的有效性，设计了基于DSP28335硬件平台，并在单路功率单元样机上进行了测试。输入直流电压Vin为24V，滤波电感L1为0.25mH，负载电感L2为0.25mH，滤波电容C为50uF，负载电阻R为0.6欧姆，开关频率25KHz。

图3为传统切换项模糊滑模控制的动态响应曲线及其纹波放大图，给定20A时其电流值最终稳定在19.79A左右，存在稳态误差，存在明显超调，调节时间为0.015s左右。

图4为增量式切换项模糊滑模控制的动态响应曲线及其纹波放大图，超调及稳态误差被消除，调节时间为0.01s。图3及图4中的两种方法在稳定状态时的抖振幅值均为1.1mA，纹波系数均为0.0078％。相对传统模糊滑模控制，具有增量式切换项的模糊滑模控制调节时间减小，消除超调，电流趋势稳步上升，基本消除稳态误差。

图5为增量式切换项模糊滑模控制在不同电感负载下的动态响应曲线，在保证电流平稳上升的情况下，随着电感值负载的增大，电流上升速度逐渐降低。

图6为增量式切换项模糊滑模控制的电流跟随曲线，电流按照一定斜率逐渐上升到30A，跟随性能良好。

图7为增量式切换项模糊滑模控制的负载扰动响应曲线。其中(a)为电流，(b)为输出占空比，当电流到达20A时，负载电阻由0.6欧突变为0.5欧，在负载突变后输出电流迅速增大，之后在控制器的调节作用下逐渐恢复到给定值，调节时间约为0.02s。实际超导磁体无电阻负载突变扰动，本仿真为验证控制系统的动态跟随性能。

图8为传统切换项模糊滑模控制的动态响应曲线及其纹波放大图，其中图8(a)为动态响应曲线，图8(b)为纹波放大图。从图8中可以看出传统模糊滑模控制存在较大超调及震荡，调节时间大于0.03s，且受噪声影响有较大波动，给定20A时输出电流最终维持在19.89A上下，存在稳态误差，抖振幅值为5.85mA，纹波系数为0.041％。

图9为增量式切换项模糊滑模控制的动态响应曲线及其纹波放大图，其中图9(a)为动态响应曲线，图9(b)为纹波放大图。从图9可以看出具有增量式切换项模糊滑模控制使电流平稳到达给定值，调节时间0.02s左右，稳态误差大幅减小，电流波动较为平稳。给定电流为20A时，抖振幅值为4.1mA，纹波系数为0.029％。

图10为增量式切换项模糊滑模控制的电流跟随曲线，其中(a)为跟随电流，(b)为设定电流，图中输出电流跟随给定平稳上升。

仿真及实验结果表明，具有增量式切换项的模糊滑模控制器在抑制滑模抖振的同时，减小了系统的动态响应超调、弱化了噪声扰动、基本消除了稳态误差。

本发明利用滑模控制具有较强鲁棒性的优点，提高系统的动态性能；利用模糊控制对切换项系数进行实时调整，以减小滑模控制中存在的抖振；利用增量式切换项对输出占空比进行调整，以消除实际控制中存在的稳态误差并降低系统对噪声的灵敏度；这种方法将增量式控制与传统模糊滑模控制相结合，在每个开关周期内对开关管的占空比进行补偿，动态地调整占空比的大小，在保证较大误差情况下趋近速度同时，保证了滑模面附近的误差精度，改善了系统的总体性能。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。