CN113271030B - 一种脉冲电源脉冲产生控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲电源脉冲产生控制方法，包括：S1，获取预设初始电压值，将该初始电压值作为目标电压；S2，控制电源电路产生脉冲电流；S3，当停止产生脉冲电流，进入脉冲间隙时，延时T1时间后根据目标电压和实时检测电压进行电压调控；S4，当距离下一个脉冲产生时刻T2时间时，停止电压调控；S5，脉冲间隙结束时，判断是否完成N个脉冲计数，如果否，则返回执行S2；如果是，则计算得到N个脉冲周期内的检测电压平均值和检测电流平均值；基于检测电压平均值和检测电流平均值得到新的电压，以计算得到的新的电压作为目标电压，并返回执行S2。本发明能够控制输出无过冲、无震荡，且平滑稳定的脉冲波形。

Description

一种脉冲电源脉冲产生控制方法
技术领域
本发明属于脉冲电源技术领域，具体涉及一种可输出无过冲无震荡脉冲波形的脉冲电源脉冲产生控制方法。
背景技术
现阶段，通过脉冲电镀包括单向脉冲和周期换向脉冲电镀是在零部件上获得镀金层常用的方法之一。在某些精密物理实验中更是要求关键零部件的镀金层要具有较高的致密性、较低的孔隙率和较小的晶粒尺寸，所以获得高质量的镀金层至关重要。为了获得高质量的镀金层，在现在的电镀工艺中多是采用小功率高精度脉冲电镀电源，在此类脉冲电源中，金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effecttransistor，MOSFET)常被用作调控电流和产生脉冲的开关元件。但是现有的脉冲电源都是采用电流调控和脉冲产生同步进行的控制策略，而MOSFET的高速开关却会激发电流高频震荡和过冲，所以脉冲产生与电流调控的同步进行会导致输出的脉冲波形有明显的过冲和震荡，而这种有缺陷的脉冲波形导致系统输出电流不可控、不稳定，进而严重影响镀金层的致密性和晶粒尺寸。所以，使脉冲电源正确输出无过冲无震荡的脉冲电流波形对于确保电源系统安全运行和提高待镀件的镀金层质量具有重要意义。
目前，现有的技术方案几乎都是从硬件电路上进行优化改进，比如选取合适的栅极驱动电阻和栅源电容，或比较门极电压和门限电压来确定MOSFET开关过程中的各个阶段以实施驱动电阻分段控制，或采用三段门极电阻驱动电路等方法，但是这些方法只能降低脉冲过冲的幅度，并不能完全避免过冲和震荡的产生，并且在抑制振荡和过冲的同时会降低MOSFET的响应速度，增加开关损耗，导致系统硬件发热量升高，降低系统可靠性。
发明内容
为了克服现有技术存在的局限性，本发明提供了一种脉冲电源脉冲产生控制方法，本发明的提出的控制方法能够实现输出无过冲、无震荡，且平滑稳定的脉冲波形，且该波形具有典型的脉冲波形上升和下降边沿陡峭特征符合方波形貌且脉冲峰值、占空比、脉宽等参数符合设定要求。
本发明通过下述技术方案实现：
一种脉冲电源脉冲产生控制方法，包括：
步骤S1，获取预设初始电压值U0，将该初始电压值U0作为目标电压；
步骤S2，控制脉冲电源电路产生脉冲电流；
步骤S3，当停止产生脉冲电流，进入脉冲间隙时，延时T1时间后根据目标电压和实时检测电压进行电压调控；
步骤S4，当距离下一个脉冲产生时刻T2时间时，停止电压调控；
步骤S5，脉冲间隙结束时，判断是否完成N个脉冲计数，如果否，则返回执行步骤S2；如果是，则计算得到N个脉冲周期内的检测电压平均值和检测电流平均值；基于检测电压平均值和检测电流平均值得到新的电压，以计算得到的新的电压作为目标电压，并返回执行步骤S2。优选的，本发明的步骤S3中根据目标电压进行电压调控具体过程包括：
步骤S31，根据目标电压从预设占空比参数表中获取各阶段所需的调压占空比；
步骤S32，根据目标电压和实时检测电压获取所述实时检测电压所处阶段的调压占空比，并根据所处阶段的调压占空比对所述调压电路进行调控，从而使得蓄能电容能够快速稳定到目标电压值。
优选的，本发明的步骤S32的根据目标电压和实时检测电压获取所述实时检测电压所处阶段的调压占空比具体为：检测电压与目标电压差值越大所对应的调压占空比越大，差值越小所对应的占空比越小。
优选的，本发明的步骤S5中计算得到新的电压具体为：
步骤S51，通过下式计算得到N个脉冲周期内的检测电压平均值Ua和检测电流平均值Ia：
Ua＝USUM/NSUM，
Ia＝ISUM/NISUM；
步骤S52，根据检测电压平均值Ua和检测电流平均值Ia计算得到实际电阻Ra：
Ra＝Ua/Ia
步骤S53，根据下式计算得到新的电压U：
U＝Ra×Iset
式中，USUM为N个脉冲周期内所有电压采集值之和，NUSUM为N个脉冲周期内的电压采集值数量；ISUM为N个脉冲周期内所有电流采集值之和，NISUM为N个脉冲周期内的电流采集值数量；Iset为设定目标电流。
优选的，本发明步骤S2的脉冲电源电路包括直流电源、调压电路、蓄能电容和脉冲产生电路；
其中，所述直流电源的输出端与所述调压电路的输入端连接，所述调压电路的输出端与蓄能电容的一端连接，所述蓄能电容的另一端接地，通过控制调压电路的开关实现直流电源对蓄能电容的充能和电压调控；
通过控制所述调压电路关闭以及所述脉冲产生电路的开关，所述蓄能电容为所述脉冲产生电路供能，所述脉冲产生电路输出脉冲电流。
优选的，本发明的调压电路包括电阻R、电容C1和MOSFET Q1；
其中，所述电阻R的一端连接所述直流电源的输出端，所述电阻R的另一端连接所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端接地，所述电阻R和电容C1的公共端与所述MOSFETQ1的漏极连接，所述MOSFET Q1的源极与所述蓄能电容的一端连接，所述MOSFET Q1的栅极接驱动信号DRIVE_M1，通过驱动信号DRIVE_M1控制所述MOSFET Q1的开关。
优选的，本发明的脉冲产生电路包括MOSFET Q2和MOSFET Q3；
其中，所述MOSFET Q2的漏极与所述蓄能电容与所述调压电路的公共端连接，所述MOSFET Q2的栅极接驱动信号DRIVE_M2，通过驱动信号DRIVE_M2控制所述MOSFET Q2的开关，所述MOSFET Q2的源极与电镀工件阳极连接；所述MOSFET Q3的漏极与电镀工件阴极连接，所述MOSFET Q3的栅极接驱动信号DRIVE_GND，通过驱动信号DRIVE_GND控制所述MOSFETQ3的开关，所述MOSFET Q3的源极接地。
优选的，本发明还包括保护器件F1，所述保护器件F1连接在所述MOSFET Q2与电镀工件阳极之间，当电路电流超过安全电流是，保护器件F1断开。本发明通过设置保护器件F1(例如自恢复保险丝等)保证脉冲电源电路、工件以及操作人员的安全。
优选的，本发明还包括电流传感器，所述电流传感器连接在所述MOSFET Q2与电镀工件阳极之间，用于实时监测输出脉冲电流大小。
优选的，本发明还包括电压采集电路，用于实时监测蓄能电容电压。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提出的脉冲间隙进行电压调控的控制策略，可以输出无过冲、无震荡，且平滑稳定的脉冲波形，波形顶端平滑稳定，波形上升沿和下降沿陡峭，波形方正，符合方波形貌。
2、本发明采用了一种自适应动态调节占空比的方法，通过预先确定不同电压值较为适合的占空比参数表，然后在进行电压调控是根据检测电压值与目标电压值的关系查表动态选取较为合适的占空比，从而使得电压快速稳定到目标电压值附近；
3、本发明应用范围广，不仅仅是能够应用于电镀脉冲电源，还可用于其他任何需要产生脉冲的电源或信号发生器等产品中。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的脉冲调控时机示意图。
图2为本发明的方法流程示意图。
图3为本发明的自适应动态调节占空比策略图。
图4为本发明电压调控流程示意图。
图5为本发明的电源电路原理示意图。
图6为现有技术产生的脉冲波形图。
图7为本发明控制产生的脉冲波形图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了一种脉冲电源脉冲产生控制方法，该方法的原理是当产生脉冲时不进行电压调控，而不产生脉冲时则根据最新的目标电压值进行电压调控，消除因为在脉冲产生过程中还进行电压调节即调压MOSFET的高速开关对所产生脉冲带来的过冲和震荡，从而产生无过冲无震荡的脉冲波形。
本实施例的方法主要包括脉冲调压控制和脉冲产生控制两部分，具体如图2所示，包括以下步骤：
(1)首先，获取预设初始电压值U0，将该初始电压值U0作为目标电压；其中，初始电压值U0是根据初始电阻R0和设定电流Iset计算得到。
(2)接着，电源电路产生脉冲(按照设定参数产生脉冲)，值得注意的是在脉冲产生期间不进行电压调控。
(3)当停止产生脉冲，即进入脉冲间隙时，先延时T1时间以完全规避因为调压MOSFET的关断而引起的过冲或震荡，随后根据目标电压和实时检测电压进行电压调控。
(4)当距离下一个脉冲产生时刻T2时间时，停止电压调控直到脉冲间隙结束以完全规避因为调压MOSFET的快速打开而引起的过冲或震荡，目的仍是避免调压MOSFET对脉冲产生MSOFET的影响。本实施例的脉冲调控时机示意图如图1所示，T1+T2+T调控时间＝T脉冲间隙。
(5)然后判断是否完成N个脉冲计数，如果否，则返回执行步骤(2)；如果是，则计算得到N个脉冲周期内的检测电压平均值和检测电流平均值；基于检测电压平均值和检测电流平均值得到新的电压，以计算得到的新的电压作为目标电压，并返回执行步骤(2)。
本实施例中的N通常大于100，以保证采集值数量，避免异常值干扰导致调控失稳。
本实施例的步骤(5)中电压计算过程具体包括：
步骤5.1，通过下式计算得到N个脉冲周期内的检测电压平均值Ua和检测电流平均值Ia：
Ua＝USUM/NSUM，
Ia＝ISUM/NIsUM；
步骤5.2，根据检测电压平均值Ua和检测电流平均值Ia计算得到实际电阻Ra：
Ra＝Ua/Ia
步骤5.3，根据下式计算得到新的电压U：
U＝Ra×Iset
式中，USUM为N个脉冲周期内所有电压采集值之和，NUSUM为N个脉冲周期内的电压采集值数量；ISUM为N个脉冲周期内所有电流采集值之和，NISUM为N个脉冲周期内的电流采集值数量；Iset为设定目标电流。
本实施例采用了一种自适应动态调节占空比的方法，通过多次调试确定多组占空比参数表(一共分为四组)，然后在进行电压调控之前先通过查表的方式根据目标电压所处范围，确定相应的调压占空比，其中每一组的电压值都对应五个段的占空比，比如当目标电压大于0mV小于等于6000mV时，调压MOSET第一阶段占空比40％；第二阶段占空比30％；第三阶段占空比20％；第四阶段占空比10％；第五阶段占空比5％，如图3所示。当目标电压不同时可选择不同的调压占空比策略，且该策略可以根据不同的电源需求进行修正，适用范围广，适用可靠性高，灵活性强。
本实施例基于上述自适应动态调节占空比策略实现对电压的实时调控，具体过程包括：
首先通过判断目标电压确定各阶段所需的调压占空比，然后判断实时电压所处阶段进行对应调控，具体策略如下：电压调控的策略是根据检测电压与目标电压的数值关系来确定调压占空比，具体为检测电压与目标电压差值越大所对应的调压占空比越大，差值越小所对应的占空比越小。从图4可以看到检测电压与目标电压数值关系一共分为六组，当检测电压与目标电压差值较大时所给的占空比较大，当差值较小时，所给的占空比也较小。比如，当检测电压小于目标电压值的一半时，所给的占空比为50％，而当检测电压大于等于目标电压值的一半而小于目标电压的四分之三时所给的占空比为40％，然后随着检测电压的增大占空比依次减小，当检测电压大于等于目标电压值+100mV时，则直接关闭调压MOFET，即占空比为0。
实施例2
本实施例将上述实施例1的控制方法应用于脉冲电镀电源，本实施例的脉冲电镀电源电路包括直流电源、调压电路、蓄能电容和脉冲产生电路；直流电源的输出端与调压电路的输入端连接，调压电路的输出端与蓄能电容的一端连接，蓄能电容的另一端接地，通过控制调压电路的开关实现直流电源对蓄能电容的充能和电压调控；通过控制调压电路关闭以及脉冲产生电路的开关，蓄能电容为脉冲产生电路供能，脉冲产生电路输出脉冲电流。
具体如图5所示，本实施例的调压电路包括电阻R、电容C1和MOSFET Q1；本实施例的脉冲产生电路包括MOSFET Q2和MOSFET Q3。D1-D6为二极管，用于保护电路，防止发生电流倒流。
其中，由DC直流电源输出电压，通过控制调压MOFET Q1实现对电容C2电压的调节；通过控制MOFET Q2与MOFET Q3实现脉冲产生的控制。其中DC直流开关电源为主电源，用于提供脉冲产生所需的能量；电阻R为限流功率电阻，限制调压电路电流大小，便于调压控制；C1用于调压电路滤波，滤除开关电源DC输出端杂波，保证蓄能电容C2输入端电流稳定；MOFET Q1用于调节蓄能电容C2电量，确保C2两端电压可以稳定控制在目标电压，Q1导通则为C2充能，关断则实现调压电路的断开；蓄能电容C2用于存储电能，用于为下一步的脉冲产生供能，通过控制电容两端电压既可以实现对脉冲峰值大小的控制；MOFET Q2与MOFET Q3实现脉冲产生的控制，Q2与Q3导通则泄放C2电量，产生电流，关断则断开脉冲产生电路；自恢复保险丝F1用于保护电路，当电路电流失调，超过安全电流时，F1会断开，确保电路断开，无电流输出，保证工件、脉冲电源以及操作人员安全；霍尔传感器用于实时监测输出脉冲电流大小用于反馈，实现更加精准的控制。
该电路的工作原理为：1)调压阶段：MOFET Q2与MOFET Q3关闭，通过控制调压MOFET Q1的开关实现DC直流开关电源对电容C2的充能，并通过电压采集电路实时监测C2电压用于电压调控反馈，确保脉冲产生时的电压可以达到目标要求；2)脉冲产生阶段：MOFETQ1关闭，根据所需脉宽及占空比同步控制MOFET Q2与MOFET Q3的开关，实现C2电能的泄放，完成目标脉冲的产生。通过霍尔传感器检测输出脉冲电流大小，实现对产生脉冲的实时监测并用于下一步的电压调控过程。
实施例3
本实施例对现有技术以及上述实施例提出的控制方法进行测试，得到如图6所示的现有技术输出的脉冲电流波形图以及如图7所示的本发明的电路输出的脉冲电流波形图。
从图6可以看出，脉冲波形在上升阶段有比较明显的上冲，达到峰值出现震荡，在脉冲下降阶段也有比较明显的下冲和震荡。从图7可以看出，采用本发明的控制方法后，脉冲电源输出电流无过冲无震荡，波形更加平滑稳定。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲电源脉冲产生控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1，获取预设初始电压值U0，将该初始电压值U0作为目标电压；
步骤S2，控制脉冲电源电路产生脉冲电流；
步骤S3，当停止产生脉冲电流，进入脉冲间隙时，延时T1时间后根据目标电压和实时检测电压进行电压调控；
步骤S4，当距离下一个脉冲产生时刻T2时间时，停止电压调控；
步骤S5，脉冲间隙结束时，判断是否完成N个脉冲计数，如果否，则返回执行步骤S2；如果是，则计算得到N个脉冲周期内的检测电压平均值和检测电流平均值；基于检测电压平均值和检测电流平均值得到新的电压，以计算得到的新的电压作为目标电压，并返回执行步骤S2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中根据目标电压进行电压调控具体过程包括：
步骤S31，根据目标电压从预设占空比参数表中获取各阶段所需的调压占空比；
步骤S32，根据目标电压和实时检测电压判断所述实时检测电压所处阶段，并根据所处阶段的调压占空比对调压电路进行调控，从而使得蓄能电容能够快速稳定到目标电压值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S32的根据目标电压和实时检测电压获取所述实时检测电压所处阶段的调压占空比具体为：检测电压与目标电压差值越大所对应的调压占空比越大，差值越小所对应的占空比越小。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中计算得到新的电压具体为：
步骤S51，通过下式计算得到N个脉冲周期内的检测电压平均值Ua和检测电流平均值Ia：
Ua＝USUM/NUSUM，
Ia＝ISUM/NISUM；
步骤S52，根据检测电压平均值Ua和检测电流平均值Ia计算得到实际电阻Ra：
Ra＝Ua/Ia
步骤S53，根据下式计算得到新的电压U：
U＝Ra×Iset
式中，USUM为N个脉冲周期内所有电压采集值之和，NUSUM为N个脉冲周期内的电压采集值数量；ISUM为N个脉冲周期内所有电流采集值之和，NISUM为N个脉冲周期内的电流采集值数量；Iset为设定目标电流。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2的脉冲电源电路包括直流电源、调压电路、蓄能电容和脉冲产生电路；
其中，所述直流电源的输出端与所述调压电路的输入端连接，所述调压电路的输出端与蓄能电容的一端连接，所述蓄能电容的另一端接地，通过控制调压电路的开关实现直流电源对蓄能电容的充能和电压调控；
通过控制所述调压电路关闭以及所述脉冲产生电路的开关，所述蓄能电容为所述脉冲产生电路供能，所述脉冲产生电路输出脉冲电流。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述调压电路包括电阻R、电容C1和MOSFETQ1；
其中，所述电阻R的一端连接所述直流电源的输出端，所述电阻R的另一端连接所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端接地，所述电阻R和电容C1的公共端与所述MOSFET Q1的漏极连接，所述MOSFET Q1的源极与所述蓄能电容的一端连接，所述MOSFET Q1的栅极接驱动信号DRIVE_M1，通过驱动信号DRIVE_M1控制所述MOSFET Q1的开关。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述脉冲产生电路包括MOSFET Q2和MOSFET Q3；
其中，所述MOSFET Q2的漏极与所述蓄能电容和所述调压电路的公共端连接，所述MOSFET Q2的栅极接驱动信号DRIVE_M2，通过驱动信号DRIVE_M2控制所述MOSFET Q2的开关，所述MOSFET Q2的源极与电镀工件阳极连接；所述MOSFET Q3的漏极与电镀工件阴极连接，所述MOSFET Q3的栅极接驱动信号DRIVE_GND，通过驱动信号DRIVE_GND控制所述MOSFETQ3的开关，所述MOSFET Q3的源极接地。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括保护器件F1，所述保护器件F1连接在所述MOSFET Q2与电镀工件阳极之间，当电路电流超过安全电流时，保护器件F1断开。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括电流传感器，所述电流传感器连接在所述MOSFET Q2与电镀工件阳极之间，用于实时监测输出脉冲电流大小。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括电压采集电路，用于实时监测蓄能电容电压。
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