一种矩形波脉冲电源全负载范围控制方法及控制系统与流程

1.本发明涉及一种矩形波脉冲电源，具体涉及一种矩形波脉冲电源全负载范围控制方法及控制系统。


背景技术：

2.脉冲电源是指该类电源输出为单个或者连续的一定宽度，一定频率的脉冲波，既可以是电压源，也可以是电流源，一般用在半导体激光、微弧氧化等行业，输出波形如所示。
3.该类电源输出要求全负载范围(即从轻载到满载)内近似矩形脉冲波，即：
4.1、脉冲上升期间迅速且正向无超调，脉冲下降期间迅速且无反向超调；
5.2、脉冲上升、下降沿速度越快越好；
6.3、脉冲放电期间平滑稳定无过冲，平台值精度要求高，纹波要小；
7.4、脉冲频率、脉宽、平台值连续可调，要求从轻载到满载全负载范围内波形均要近似矩形波。
8.市场常见采用闭环控制的脉冲电源，直接对输出脉冲量实时采样，将采样到的脉冲量与矩形脉冲给定波形做比较，对比较误差通过pi或者pid进行调节，控制电源输出，但是由于pi或者pid对脉冲型误差响应具有延迟(积分作用)或者超调(微分作用)的缺陷，所以导致电源输出脉冲波形质量较差，且同一套控制参数很难适应全负载范围输出波形无过冲的要求。
9.目前该类电源成熟商业拓扑主要有多路交错并联buck开关技术和储能电容线性放电技术两种方案，前者适用于大功率脉冲电源，后者多用于小功率脉冲电源；控制策略上，均为pi(比例积分)或者pid(比例积分微分)对脉冲误差直接进行调制，pid控制中比例环节p能快速响应误差，积分环节i能消除稳态误差，微分环节d可响应快速变化误差，但容易产生超调。
10.积分环节i在响应矩形脉冲误差时，由于积分的延迟性，会延缓矩形脉冲误差的上升和下降斜率；微分环节d在响应矩形脉冲误差时，在脉冲上升和下降沿处容易产生超调，这些特性将导致pi或者pid调节器应用在脉冲类电源控制中时存在以下两个问题：
11.1、电源输出脉冲波形很难控制成近似矩形波，脉冲上升、下降高斜率与无过冲是一对矛盾需求，要想提高脉冲上升、下降斜率，需要增大控制环增益，过大的控制环增益，必然导致出现过冲，或者控制环震荡。如果减小控制环增益，在一定程度上可以抑制波形过冲，但是脉冲上升、下降斜率不满足要求。
12.2、同一套控制环参数下，只能实现在很窄负载范围内，上升斜率和下降斜率与过冲的折衷平衡设计，无法实现从轻载到满载全负载范围内既要高斜率又要无过冲的要求。
13.基于以上两点问题，市场上采用对脉冲误差直接进行pi或者pid调制控制策略的脉冲电源，上升、下降斜率均在数十a/ms～几a/μs级别，且电源根本无法实现全负载范围无过冲的要求，轻载时波形过冲问题一直存在。而目前一些高端高精度加工行业，如半导体脉冲激光电源，对输出脉冲电流上升、下降斜率要求高达数百a/μs以上，波形过冲很容易造成
激光半导体损坏，现有对脉冲误差直接进行pi或者pid调制的控制策略不满足该类高端加工行业电源高动态高精度全负载范围无过冲的要求。


技术实现要素：

14.本发明的目的是解决现有脉冲电源控制方案无法满足高端加工行业电源高动态高精度全负载范围无过冲要求的问题，提供了一种矩形波脉冲电源全负载范围控制方法及控制系统，既可以实现脉冲电源的上升、下降达数百a/μs级别的高斜率要求，又可保证从轻载到满载全负载范围脉冲无过冲，且脉冲平台值期间，输出电压/电流值稳定，精度高。
15.本发明的设计思路如下：
16.本发明对脉冲电源输出的电流/电压信号进行实时采样，采样信号送入幅值保持电路，如果送入幅值保持电路的采样值为脉冲输出期间的幅值，则幅值保持电路输出与输入相等；如果送入幅值保持电路的采样值为零，则幅值保持电路连续输出最后一次幅值采样值到该周期结束。
17.通过幅值保持电路，将电源输出脉冲形式矩形波采样信号，变成随幅值连续变化的模拟信号，将经过幅值保持后的连续采样信号与脉冲电源的额定幅值给定信号做比较，获得比较误差，并将比较误差通过pi或者pid调节器进行调节，产生连续模拟控制量，并将产生的连续模拟控制量与给定周期和脉冲宽度的标准矩形波脉冲信号通过逻辑“与”的方式进行截取，产生幅值随连续模拟控制量实时调节，但上升沿和下降沿不经pi或者pid调节的模拟矩形控制量，经驱动电路后，加载到电源主回路的开关管，使电源主回路输出近似矩形波。
18.通过以上方法，pi或者pid调节电路只负责调节电源主回路输出脉冲波形的平台值，保证输出矩形脉冲波平台值精度，脉冲控制信号的上升沿和下降沿速度不再经过pi或者pid调节器调节，而是由标准高动态矩形脉冲波形给定信号经“与”逻辑截取幅值模拟控制信号的方式获取，形成的矩形脉冲控制信号上升和下降沿只与矩形脉冲给定信号速度和脉冲控制信号截取电路速度有关，由于脉冲控制信号截取电路速度可以做到ns级别，可以忽略该延迟，从而使电源主回路输出近似标准矩形脉冲波，稳态时，无论是轻载还是重载，由于pi或者pid调节器中积分环节作用，都可以实现脉冲平台值无静差跟踪，实现全负载范围无过冲的要求。
19.本发明的主要核心点在于，在控制策略中，将脉冲误差信号的幅值调制与上升、下降沿调制完全解耦开，避免pi或者pid直接调制脉冲误差信号带来的脉冲波头延迟和过冲的问题，该控制策略，除了可用于脉冲电源系统，还可用于所有其它脉冲类输出系统的控制方式，具有广泛适用性。
20.为了完成上述思路，本发明的技术方案如下：
21.一种矩形波脉冲电源全负载范围控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
22.步骤1：确定电源输出的额定幅值给定信号，设定标准矩形波脉冲宽度和周期给定信号,并确定采样频率；采样频率需满足在脉冲电源的一个周期内，可以采集至少一组脉冲幅值数据；
23.步骤2：启动控制
24.2.1启动电源主回路，并采集电源主回路的输出，获得采样信号；
25.2.2将步骤2.1的采样信号经幅值保持后，与电源输出的额定幅值给定信号进行比较，获得比较误差；
26.2.3将步骤2.2中的比较误差通过pi或者pid调节器进行调节后，输出连续模拟控制量；
27.2.4将步骤2.3中获得的连续模拟控制量与步骤1中的标准矩形波脉冲给定信号，以逻辑“与”的方式进行截取，输出脉冲控制信号，并将脉冲控制信号经过放大后的驱动信号发送给电源主回路；
28.2.5电源主回路接收到步骤2.4中的驱动信号后，输出脉冲波形；
29.步骤3：回路控制
30.3.1对电源主回路输出的脉冲波形进行连续实时采样，获得采样信号；若采样信号为脉冲输出期间的幅值，则直接输出；反之，则输出最后一次采集的幅值的采样信号，直到当前周期结束；
31.3.2将步骤3.1中输出的采样信号与电源输出的额定幅值给定信号进行比较，获得比较误差；
32.3.3通过pi或者pid调节器对比较误差进行调节后，输出连续模拟控制量；
33.3.4将步骤3.3中获得的连续模拟控制量与步骤1中的标准矩形波脉冲给定信号，以逻辑“与”的方式进行截取，输出脉冲控制信号，并将脉冲控制信号经过放大后的驱动信号发送给电源主回路；所述步骤2.4与步骤3.4中输出的脉冲控制信号，幅值与连续模拟控制量的幅值相同，脉冲宽度、周期、上升斜率和下降斜率与标准矩形波脉冲相同；
34.3.5电源主回路接收到驱动信号后，输出调节后的脉冲波形；
35.3.6重复步骤3.1-3.5，实时进行矩形波脉冲电源全负载范围控制。
36.本发明还提出一种矩形波脉冲电源全负载范围控制系统，为了实现上述一种矩形波脉冲电源全负载范围控制方法，包括电源主回路，其特殊之处在于：还包括控制电路；
37.所述控制电路包括脉冲采样电路、幅值保持电路、误差比较电路、pid或pi调节电路、脉冲控制信号截取电路、脉冲幅值给定电路、标准脉冲给定电路以及驱动电路；
38.所述脉冲采样电路的输入端与电源主回路的输出端连接，脉冲采样电路的输出端与幅值保持电路的输入端连接，幅值保持电路的输出端与误差比较电路的第一输入端连接，误差比较电路的输出端与pid或pi调节电路的输入端连接，pid或pi调节电路的输出端与脉冲控制信号截取电路的第一输入端连接，脉冲控制信号截取电路的输出端与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端与电源主回路中开关管的控制端连接；标准脉冲给定电路的输出端与脉冲控制信号截取电路的第二输入端连接，用于向脉冲控制信号截取电路发送标准矩形波脉冲，脉冲幅值给定电路的输出端与误差比较电路的第二输入端连接，用于向误差比较电路发送电源输出的脉冲波额定幅值；
39.脉冲采样电路对电源主回路的输出进行采样，并将采样信号输出给幅值保持电路，幅值保持电路将接收的采样信号经过幅值保持后输出给误差比较电路，误差比较电路将接收的采样信号与额定幅值进行误差比较后，输出比较误差给pid或pi调节电路，pid或pi调节电路对接收的比较误差进行调节后，输出连续模拟控制量给脉冲控制信号截取电路，脉冲控制信号截取电路将接收的连续模拟控制量与标准矩形波脉冲以逻辑“与”的方式进行截取，输出脉冲控制信号给驱动电路,驱动电路将接收的脉冲控制信号放大后，输出驱
动信号给电源主回路中开关管的控制端，控制电源主回路输出脉冲波形。
40.进一步的，所述幅值保持电路采用数字电路实现或者模拟电路实现。
41.进一步的，所述幅值保持电路采用模拟电路实现，包括第二二极管、第二电阻以及第二电容；
42.所述第二二极管的阳极与脉冲采样电路的输出端连接，第二二极管的阴极与第二电容的一端连接，第二电容的另一端接地，第二电阻与第二电容并联，第二二极管的阴极与误差比较电路的第一输入端连接。
43.进一步的，所述脉冲控制信号截取电路采用第二mos管，第二mos管的g级与标准脉冲给定电路的输出端连接，第二mos管的d级与pid或pi调节电路的输出端连接，第二mos管的s级与驱动电路的输入端连接。
44.进一步的，所述脉冲采样电路为运放或电流霍尔；运放或电流霍尔的同相输入端与采样电阻的一端连接，运放或电流霍尔的反相输入端与采样电阻的另一端连接，运放或电流霍尔的输出端与第二二极管的阳极连接。
45.进一步的，所述pid/pi调节电路包括pi电路以及d电路，pi电路的输入端与误差比较电路的输出端连接，pi电路的输出端与第二mos管的d级连接，d电路与pi电路并联。
46.进一步的，所述控制电路还包括辅助电源电路；
47.所述辅助电源电路用于为脉冲采样电路、幅值保持电路、误差比较电路、pid或pi调节电路、脉冲控制信号截取电路、脉冲幅值给定电路、标准脉冲给定电路以及驱动电路提供工作电源。
48.进一步的，所述驱动电路包括第一电阻与第三电阻；
49.所述第一电阻的一端与第二mos管的s级，另一端与电源主回路中，开关管的g级；
50.所述第三电阻一端与第一电阻的一端连接，另一端接地。
51.与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下:
52.1、通过本发明中的控制方式，将矩形脉冲波幅值控制与波形质量控制(上升速度、下降速度、占空比、频率)解耦开，既实现了脉冲电源上升、下降高达数百a/μs的高斜率要求，又可保证从轻载到满载全负载范围脉冲无过冲，且脉冲平台值期间，输出电压/电流值稳定，精度高，解决了现有对脉冲误差直接进行pi或者pid调制的控制策略不满足高端加工行业电源高动态高精度全负载范围无过冲要求的问题。
53.2、本发明中，pi或者pid只是对连续模拟误差信号进行调节，不对高动态的矩形脉冲误差信号进行调节，pi或者pid调节电路控制参数随电源主回路参数和负载参数变化匹配的难度大大降低，可以避免高增益控制参数导致控制环容易出现震荡的问题。
54.3、本发明中，最终输出模拟脉冲控制信号上升沿速度和下降沿速度只与脉冲控制信号截取电路动作时间有关，与pi或者pid调节电路的类型和控制参数无关，与输出电压或电流平台值大小无关，因此可以满足脉冲电源全负载范围输出近似矩形波的要求。
55.4、本发明中，pi或者pid是对连续模拟脉冲幅值信号进行调制，不对矩形脉冲信号进行调制，因此可以实现全负载范围严格无超调。
56.5、本发明中提出的控制方法，既可用于线性电源主回路，也可用于开关电源主回路，如buck类，还可广泛用于各类脉冲类输出系统，如一些脉冲类电机驱动系统等。
57.6、本发明控制方法既可以用硬件电路实现，也可以用软件方案实现，灵活方便，可
以使该类脉冲电源输出波形品质得到极大改善。
58.7、本发明控制方法实现不需要复杂的算法或者模拟电路，原理简单，方便实用。
附图说明
59.图1为脉冲电源输出矩形波示意图，其中t表示脉冲电源的周期，横坐标t表示时间，纵坐标表示脉冲电源的额定电压u或者额定电流i；
60.图2为现有线性脉冲电流源控制系统原理图；
61.图3为图2的仿真模拟方案；
62.图4为本发明实施例线性脉冲电流源控制系统原理图；
63.图5为图4的仿真模拟方案；
64.图6为本发明实施例中，幅值保持模拟电路的原理图；
65.图7为输出400a重载下，现有控制方案效果图，其中，横坐标t表示时间，纵坐标表示脉冲电流源输出电流i；
66.图8为输出400a重载下，采用本发明控制方案效果图，其中，横坐标t表示时间，纵坐标表示脉冲电流源输出电流i；
67.图9为输出10a轻载下，现有控制方案效果图，其中，横坐标t表示时间，纵坐标表示脉冲电流源输出电流i；
68.图10为输出10a轻载下，采用本发明控制方案效果图，其中，横坐标t表示时间，纵坐标表示脉冲电流源输出电流i；
69.图1-图3中：01、电源主回路；02、控制电路；022、误差比较电路、023、pid或pi调节电路；025、驱动电路；026、脉冲采样电路；027、标准脉冲给定电路；
70.图4-图6中：1、电源主回路；11、输入电源；12、第一电容；13、开关管；14、第一二极管；15、负载；16、采样电阻；2、控制电路；21、幅值保持电路；211、第二二极管；212、第二电阻；213、第二电容；22、误差比较电路；23、pid或pi调节电路；24、脉冲控制信号截取电路；25、驱动电路；26、脉冲采样电路；27、标准脉冲给定电路；28、脉冲幅值给定电路。
具体实施方式
71.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
72.现有脉冲电源控制方案如图2与图3所示，包括电源主回路01和控制电路02，控制电路02包括误差比较电路022、pid或pi调节电路023、驱动电路025、脉冲采样电路026、标准脉冲给定电路027。采用这种电源控制方案输出的脉冲波形存在两个问题：一是脉冲波形的上升沿与下降沿存在过冲，二是脉冲波形的上升沿与下降沿存在斜率明显减小的情况。
73.为了解决上述问题，本发明提出一种矩形波脉冲电源全负载范围控制系统，如图4与图5所示，包括电源主回路1与控制电路2；控制电路2用于调整脉冲电源输出的脉冲波形的平台值以及脉冲波形的波形质量，电源主回路1在控制电路2控制下输出脉冲波形，得到电源主回路1在全负载范围输出的近似矩形波脉冲。
74.控制电路2包括辅助电源电路、脉冲采样电路26、幅值保持电路21、误差比较电路22、pid或pi调节电路23、脉冲控制信号截取电路24、脉冲幅值给定电路28、标准脉冲给定电路27以及驱动电路25；脉冲采样电路26采样运放，脉冲控制信号截取电路24采用第二mos
管；
75.电源主回路1包括输入电源11、第一电容12、开关管13、负载15、第一二极管14以及采样电阻16，开关管13采用第一mos管，负载15采用发光二极管；
76.第一电容12一端与输入电源11的正极连接，另一端与输入电源11的负极连接；第一二极管14的阴极与输入电源11的正极连接，第一二极管14的阳极与第一mos管的d级连接，第一mos管的s级与输入电源11的负极连接，发光二极管的阳极与输入电源11的正极连接，发光二极管的阴极与采样电阻16的一端连接，采样电阻16的另一端与与第一mos管的d级连接，运放的同相输入端与采样电阻16的一端连接，运放的反相输入端与采样电阻16的另一端连接，运放的输出端与幅值保持电路21的输入端连接，幅值保持电路21的输出端与误差比较电22路的输入端连接，误差比较电路22的输出端与pi或者pid调节电路23的输入端连接，pi或者pid调节电路23的输出端与第二mos管的d级连接，第二mos管的g级与标准脉冲给定电路27的输出端连接，第二mos管的s级与驱动电路25的输入端连接，驱动电路25的输出端与第一mos管的g级连接；脉冲幅值给定电路28与误差比较电路22的输入端连接，标准脉冲给定电路27与第二mos管的g级连接。
77.辅助电源电路的输入端与输入电源11连接，辅助电源电路的输出端与脉冲采样电路26、幅值保持电路21、误差比较电路22、pid或pi调节电路23、脉冲控制信号截取电路24、脉冲幅值给定电路28、标准脉冲给定电路27以及驱动电路25连接，用于为脉冲采样电路26、幅值保持电路21、误差比较电路22、pid或pi调节电路23、脉冲控制信号截取电路24、脉冲幅值给定电路28、标准脉冲给定电路27以及驱动电路25提供工作电源。
78.脉冲控制信号截取电路24采用第二mos管的优点在于开关速度快。
79.幅值保持电路21用数字电路实现或者模拟电路实现，如图6所示，本实施例给出一种模拟电路结构，幅值保持电路21采用模拟电路实现，包括第二二极管211、第二电阻212以及第二电容213；第二二极管211的阳极与脉冲采样电路26的输出端连接，第二二极管211的阴极与第二电容213的一端连接，第二电容213的另一端接地，第二电阻212与第二电容213并联，第二二极管211的阴极与误差比较电路22的输入端连接。
80.本实施例中驱动电路25包括第一电阻与第三电阻；第一电阻的一端与第二mos管的s级，另一端与电源主回路1中，开关管13的g级；第三电阻一端与第一电阻的一端连接，另一端接地。
81.基于上述控制电路，本发明还提出矩形波脉冲电源全负载范围控制方法，包括以下步骤：
82.步骤1：确定电源输出的额定幅值给定信号，设定标准矩形波脉冲宽度和周期给定信号,并确定采样频率；采样频率需满足在脉冲电源的一个周期内，可以采集至少一组脉冲幅值数据；
83.步骤2：启动控制
84.2.1给输入电源供电，启动电源主回路1，同时辅助电源电路启动，给整个控制电路供电；运放采集电源主回路1的输出，即为0，获得采样信号；
85.2.2将步骤2.1中采集的采样信号通过幅值保持电路21保持后，发送给误差比较电路22，误差比较电路22将接收的采样信号和电源输出的额定幅值进行比较，获得比较误差；
86.2.3将步骤2.2中的比较误差通过pi或者pid调节电路23进行调节，输出连续模拟
控制量到脉冲控制信号截取电路24；
87.2.4脉冲控制信号截取电路24将接收的连续模拟控制量与设定的额定占空比和频率的标准高上升和下降斜率的矩形波脉冲(幅值不变)，以逻辑“与”的方式进行截取，产生脉宽、频率、上升和下降斜率与标准矩形波脉冲基准相同，但幅值与步骤2.3中获得的连续模拟控制量相同的脉冲控制信号，并将脉冲控制信号输出给驱动电路25，驱动电路25对脉冲控制信号进行放大后，输出驱动信号给电源主回路1的开关管13；
88.2.5电源主回路1的开关管13接收到步骤2.4中的驱动信号后，控制电源主回路1输出脉冲波形；
89.步骤3：回路控制
90.3.1脉冲采样电路26对电源主回路1输出的脉冲波形进行连续实时采样，获得采样信号，并发送给幅值保持电路21；若采样信号为脉冲输出期间的幅值，则幅值保持电路21输出与输入相等，即幅值保持电路21直接输出；反之，即如果送入幅值保持电路21的采样值为零，则幅值保持电路21输出最后一次采集的，输出为幅值的采样信号到误差比较电路22，直到当前周期结束；
91.经过幅值保持电路21，将电源输出脉冲矩形采样信号，变成了随脉冲幅值变化的连续采样信号；其中，若幅值保持电路21采用数字方式实现，则，数字电路运算频率越高，脉冲电源动态调节特性越快；
92.3.2误差比较电路22将接收的采样信号与电源输出的额定幅值进行比较，获得比较误差；
93.3.3通过pi或者pid调节电路23对比较误差进行调节后，输出连续模拟控制量；
94.3.4脉冲控制信号截取电路24将接收的连续模拟控制量与设定的额定占空比和频率的标准高上升和下降斜率的矩形波脉冲(幅值不变)，以逻辑“与”的方式进行截取，产生脉宽、频率、上升和下降斜率与标准矩形波脉冲基准相同，但幅值与步骤3.3中获得的连续模拟控制量相同的脉冲控制信号，将脉冲控制信号输出给驱动电路25，驱动电路25对脉冲控制信号进行放大后，输出驱动信号给电源主回路1的开关管13；
95.其中，逻辑“与”的方式进行截取指的是：在标准矩形波脉冲给定为1时，脉冲控制信号截取电路24输出与pi或者pid输出值相同，在标准矩形波脉冲为0时，脉冲控制信号截取电路24输出值为0，从而通过上述逻辑“与”的方式对获得的连续模拟控制量进行截取，可以获得高上升斜率、高下降斜率的矩形脉冲控制信号；
96.3.5电源主回路1接收到驱动信号后，输出调节后的脉冲波形；
97.3.6重复步骤3.1-3.5，实时进行矩形波脉冲电源全负载范围控制；
98.如果控制电路2通过模拟电路实现，则上述过程实时连续进行，如果上述控制电路2通过数字电路实现，则上述过程按数字电路计算频率进行。
99.为了证明本发明的效果，基于线性电流源主回路，采用相同的电源主回路和pid调节参数，对两种控制方法效果做仿真对比，结果如图7-10所示，从图7与图9中可以看出，不论是在轻载还是在重载的情况下，采用现有控制方案，最终输出的负载脉冲电流一是在上升沿与下降沿存在过冲，二是在上升沿与下降沿存在斜率明显减小的情况，即上升或者下降速度逐渐减小；
100.从图8与图10中可以看出，不论是在轻载还是在重载的情况下，采用本发明的控制
方案，最终输出的负载脉冲电流在上升沿与下降沿，既不存在过冲，也不存在斜率明显减小的情况，即上升或者下降始终保持较大的速度，使得输出近似矩形波。