CN114977777A

CN114977777A - 一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法、装置及存储介质

Info

Publication number: CN114977777A
Application number: CN202210597493.6A
Authority: CN
Inventors: 薛家祥; 高鹏; 王一统
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2022-05-30
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2022-08-30

Abstract

本发明公开了一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法、装置及存储介质，其中方法包括：获取等离子体电源的电压、电流的相位信息；数字PI控制步骤：根据所述相位信息计算第一相位差，根据所述第一相位差获取相位差增量，根据所述相位差增量获取输出频率；DPLL控制步骤：根据所述相位信息计算电压与电流的第二相位差，根据所述第二相位差进行相位补偿；结合数字PI控制步骤和DPLL控制步骤，对等离子体电源负载的谐振频率进行跟踪。本发明采取数字PI与DPLL混合控制策略，实现等离子体电源负载谐振频率的跟踪，可及时控制等离子体电源的工作频率，使得等离子体电源始终工作在谐振状态。本发明可广泛应用于电源控制领域。

Description

一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及电源控制领域，尤其涉及一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法、装置及存储介质。

背景技术

近年来，随着对等离子体的深入研究，低温等离子体已被广泛应用在仪器制造、航空航天等领域。常见的等离子体发生器主要采用谐振电源，但是等离子体发生器在工作过程中会因为放电而使得部分等效参数不同，导致电源的工作频率与电路的谐振频率的难以一致，电源将无法工作在谐振状态，导致输出功率低，整机损耗大。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法、装置及存储介质。

本发明所采用的技术方案是：

一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法，包括以下步骤：

获取等离子体电源的电压、电流的相位信息；

数字PI控制步骤：根据所述相位信息计算第一相位差，根据所述第一相位差获取相位差增量，根据所述相位差增量获取输出频率；

DPLL控制步骤：根据所述相位信息计算电压与电流的第二相位差，根据所述第二相位差进行相位补偿；

结合数字PI控制步骤和DPLL控制步骤，对等离子体电源负载的谐振频率进行跟踪。

进一步地，所述获取等离子体电源的电压、电流的相位信息，包括：

采用ADC采样电路采集等离子体电源的电压、电流的相位信息；

其中，所述ADC采样电路采用DSP微控制器的ADC采样模块进行信号处理，以及所述ADC采样电路中采用集成运放搭建积分器与放大器；

所述ADC采样电路的输入为霍尔传感器的电流信号，经过采样电阻将电流信号转变为电压信号，在经过积分器进行积分运算；经过所述放大电路输入到DSP电源管理芯片的ADC通道。

进一步地，所述数字PI控制步骤，具体包括：

根据所述相位信息获取第一相位差；

根据所述第一相位差计算相位差误差；

根据所述相位差误差计算相位差增量；

根据所述相位差增量计算工作频率增量；

根据所述工作频率增量计算输出频率。

进一步地，所述相位差误差计算的公式为：

Δe(k)＝e(k)-e(k-1)

式中，k为采样序列号，e(k)为第k次采样的相位差；

所述相位差增量的计算公式为：

式中，K_P是比例系数，T_i为积分时间常数，T为采样积分时间；

所述工作频率增量计算公式为：

式中，Δf(k-1)为上一次的工作频率增量；

计算得到频率增量Δf(k)，将上一次输出频率与计算得到的工作频率增量叠加，得到输出频率。

进一步地，所述DPLL控制步骤，具体包括：

根据所述相位信息，采用DSP电源管理芯片的ePWM模块与eCAP模块计算电压与电流的第二相位差，根据所述第二相位差进行相位补偿。

进一步地，所述根据所述第二相位差进行相位补偿，包括：

当所述第二相位差为θ(n-1)时，eCAP模块开始捕获方波上升沿，得到输出电流的周期为Ti(n-1)，此时输出PWM的周期为T(n-1)，接着对下次输出的PWM周期值进行调整来补偿相位差，第n个PWM输出周期调整为T(n-1)+θ(n-1)，在第n+1个周期调整PWM的输出周期为Ti(n-1)，实现对电流频率的跟踪。

进一步地，在所述DPLL控制步骤中，还包括利用一阶低通数字滤波算法对数字锁相电路的输出周期值进行优化，优化的原理如下：

利用当前采样值与上一次输出值进行加权计算，得到滤波输出值；

在不加低通滤波时，频率调整输出为：

T(n)＝T_i(n-1)

经过一阶低通滤波之后频率修正为：

T(n)＝αT(n-1)+(1-α)T_i(n-1)

式中，α为滤波系数。

进一步地，所述结合数字PI控制步骤和DPLL控制步骤，对等离子体电源负载的谐振频率进行跟踪，包括：

先采用数字PI控制步骤对频率进行快速修正，再采用DPLL控制步骤对频率进行精确地跟踪，实现等离子体谐振电源频率的跟踪控制。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种等离子体谐振电源的频率跟踪装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

本发明的有益效果是：本发明采取数字PI与DPLL混合控制策略，实现等离子体电源负载谐振频率的跟踪，可及时控制等离子体电源的工作频率，使得等离子体电源始终工作在谐振状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中ADC采样电路的电子电路图；

图2是本发明实施例中数字PI控制频率跟踪的流程图；

图3是本发明实施例中DPLL的PWM时序图；

图4是本发明实施例中数字PI-DPLL复合控制的原理图；

图5是本发明实施例中数字PI-DPLL复合控制的流程图；

图6是本发明实施例中频率跟踪效果对比图；

图7是本发明实施例中输出功率600w时输出电压和输出电流波形示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

要使得电源能够一直工作在谐振状态，就必须有相应的频率跟踪控制。本申请提出了一种数字PI与数字锁相环复合控制的频率跟踪方法，在等离子体发生器等效参数发生变化导致电源工作频率偏离谐振频率较远时，采用数字PI控制快速进行工作频率的调整，使得系统接近谐振状态，再利用DPLL进行精确跟踪，在较大范围内实现等离子体电源的频率跟踪控制，保证了等离子体电源系统的稳定性。

本实施例提供一种等离子体谐振电源的频频率跟踪方法，目的在于解决等离子体谐振电源在负载谐振参数发生变化时工作频率无法及时跟踪，导致输出功率低，整机损耗严重等问题，该方法包括以下步骤：

S1、获取等离子体电源的电压、电流的相位信息。

本实施例采用ADC采样电路来实现步骤S1，该ADC采样电路主要使用DSP微控制器的ADC采样模块进行信号处理工作，采样电路中采用集成运放搭建积分器与放大器，放大器采用多级放大的设计模式。采样电路的输入为霍尔传感器的电流信号，先经过采样电阻将电流信号转变为电压信号，在经过积分器进行积分运算，然后经过放大电路输入到DSP电源管理芯片的ADC通道。作为一种可选的实施方式，使用DSP280049C芯片进行电源管理，编写ADC采样程序烧录到芯片中，进行ADC采样信号处理。

S2、数字PI控制算法，用于数字PI增量式误差增量运算，计算输出频率。

步骤S2中所述数字PI控制算法，数字PI模块通过采样电路获取谐振电源负载的电压与电流的相位信息，计算得到相位差以及相位差增量，经过数字PI增量式运算后得到误差增量。

相位差误差计算的公式为：

Δe(k)＝e(k)-e(k-1) (1)

式(1)中，k为采样序列号，e(k)为第k次采样的相位差。

相位差增量的计算公式为：

式(2)中，K_P是比例系数，T_i为积分时间常数，T为采样积分时间。

工作频率增量计算公式为：

式(3)中，Δf(k-1)为上一次的频率增量。

计算得到频率增量Δf(k)，将上一次输出频率与计算得到的频率增量叠加，最后得到本次输出的频率。

S3、DPLL控制算法，主要是通过程序的配置实现，使用DSP电源管理芯片的ePWM模块与eCAP模块计算电压与电流的相位差，根据计算进行相位补偿。

步骤S3中所述DPLL控制算法，使用DSP的ePWM模块和eCAP模块计算电压与电流相位差。当测得相位差为θ(n-1)时，eCAP模块开始捕获方波上升沿，得到输出电流的周期为T_i(n-1)，此时输出PWM的周期为T(n-1)，接着对下次输出的PWM周期值进行调整来补偿相位差，第n个PWM输出周期调整为T(n-1)+θ(n-1)，在第n+1个周期调整PWM的输出周期为T_i(n-1)实现对电流频率的跟踪。

进一步作为可选的实施方式，步骤S3中所述DPLL控制算法，本实施例利用一阶低通数字滤波算法对数字锁相电路的输出周期值进行优化。一阶低通数字滤波算法的原理是利用当前采样值与上一次输出值进行加权计算，然后得到滤波输出值。在不加低通滤波时，频率调整输出为：

T(n)＝T_i(n-1) (4)

经过一阶低通滤波之后频率修正为：

T(n)＝αT(n-1)+(1-α)T_i(n-1) (5)

式中，α为滤波系数，可根据灵敏度和平稳性调整，0<α<1。

实际应用时，等离子体负载电流的频率在负载等效参数变化时可能会出现较大变化超过电源工作的上限频率，这时要对负载电流的最大工作周期进行限制，使得其保持在T_min～T_max范围内。

S4、将数字PI控制与DPLL控制复合设计，数字PI控制先进行频率的快速修正，然后使用DPLL控制方向实现频率精确跟踪，能够在较大范围内实现等离子体负载谐振频率跟踪控制。

步骤S4所述将数字PI控制与DPLL控制复合设计，数字PI-DPLL复合频率跟踪方法，先使用数字PI进行频率的快速修正，然后DPLL实现频率精确跟踪，能够在较大范围内实现等离子体负载谐振频率跟踪控制。根据检测到的负载电流电压相位差进行判断，通过设定一定的阈值来选择数字PI或DPLL进行频率跟踪控制。

首先利用DSP的eCAP模块获取电压和电流的相位差，然后根据相位差与设定值ξ的大小进行判断，本实施例设定值ξ取0.1，当相位差大于或等于ξ时，选择数字PI算法进行快速调整，否则，选择DPLL算法进行谐振频率的精确跟踪，最后将计算得到的频率值更新到PWM模块的周期寄存器中实现频率跟踪控制。

以下结合附图以及具体实施例对上述内容进行详细解释说明。

图1所示为ADC采样电路图。P1端输入信号为霍尔传感器的电流信号，经过FB电感与RC滤波器进行滤波；R56为采样电阻，将电流信号转换为电压信号；电压信号从集成运放U12B负极输入，经过积分运算后输出，在R51处，将采样信号整体电压上抬3.3V；采样信号进入集成运放U12A的正极，U12A的负端连接CD4051BM的集成运放芯片，作用是选择不同的比例放大倍数；采样信号经过放大后输入到DSP的ADC采样通道。

图2为数字PI控制频率跟踪流程图。首先利用采样电路获取电压、电流的相位信号，通过DSP计算得到相位差e(k)；计算出相位差的误差Δe(k)；经过数字PI增量式运算后得到的相位差增量Δu(k)；得出这一次输出的频率增量Δf(k)＝Δf(k-1)/Δe(k)×Δu(k)；将其与上次输出的频率相加，得到这次输出的频率；最后通过修改PWM模块的周期寄存器的值进行频率的调整。重复以上步骤之后实现对谐振频率的跟踪控制。

图3为DPLL的PWM时序图。使用DSP的ePWM模块和eCAP模块计算电压与电流相位差。如图3所示为输出电流滞后输出电压时的输出PWM的时序图。当测得相位差为θ(n-1)时，eCAP模块开始捕获方波上升沿，得到输出电流的周期为T_i(n-1)，此时输出PWM的周期为T(n-1)，接着对下次输出的PWM周期值进行调整来补偿相位差，第n个PWM输出周期调整为T(n-1)+θ(n-1)，在第n+1个周期调整PWM的输出周期为T_i(n-1)实现对电流频率的跟踪。

图4为数字PI-DPLL复合控制原理图。数字PI-DPLL复合频率跟踪方法，先使用数字PI进行频率的快速修正，然后DPLL实现频率精确跟踪，能够在较大范围内实现等离子体负载谐振频率跟踪控制。根据检测到的负载电流电压相位差进行判断，通过设定一定的阈值来选择数字PI或DPLL进行频率跟踪控制。

图5为数字PI-DPLL复合控制流程图，首先利用DSP的eCAP模块获取电压和电流的相位差，然后根据相位差与设定值ξ的大小进行判断，本文ξ取0.1，当相位差大于或等于ξ时，选择数字PI算法进行快速调整，否则，选择DPLL算法进行谐振频率的精确跟踪，最后将计算得到的频率值更新到PWM模块的周期寄存器中实现频率跟踪控制。

图6为频率跟踪效果对比图。当单独采用数字PI控制时，系统的跟踪速度很快，但是有很大的超调量，同时在接近谐振频率时波动较大，达到稳定所需时间长；采用DPLL控制算法时，起始跟踪速度较慢，但是在谐振频率附近时能快速达到谐振频率，精度很高；采用数字PI-DPLL复合控制算法时，系统既具有数字PI调节速度快的特点，能够快速接近谐振频率，同时也拥有DPLL精度高，稳定性能好的优点，能够精确匹配谐振频率，降低了电源的损耗，提高了电源的稳定性。

图7为输出功率600w时输出电压和输出电流波形。等离子体谐振电源的输出电压与电流基本同相同频，数字PI-DPLL的复合频率跟踪控制算法也能实现工作频率的快速调整，使得等离子体电源始终工作在谐振状态。

本实施例还提供一种等离子体谐振电源的频率跟踪装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

本实施例的一种等离子体谐振电源的频率跟踪装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取等离子体电源的电压、电流的相位信息；

2.根据权利要求1所述的一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法，其特征在于，所述获取等离子体电源的电压、电流的相位信息，包括：

3.根据权利要求1所述的一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法，其特征在于，所述数字PI控制步骤，具体包括：

根据所述相位信息获取第一相位差；

根据所述第一相位差计算相位差误差；

根据所述相位差误差计算相位差增量；

根据所述相位差增量计算工作频率增量；

根据所述工作频率增量计算输出频率。

4.根据权利要求3所述的一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法，其特征在于，所述相位差误差计算的公式为：

Δe(k)＝e(k)-e(k-1)

式中，k为采样序列号，e(k)为第k次采样的相位差；

所述相位差增量的计算公式为：

所述工作频率增量计算公式为：

式中，Δf(k-1)为上一次的工作频率增量；

5.根据权利要求1所述的一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法，其特征在于，所述DPLL控制步骤，具体包括：

6.根据权利要求5所述的一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法，其特征在于，所述根据所述第二相位差进行相位补偿，包括：

7.根据权利要求1所述的一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法，其特征在于，在所述DPLL控制步骤中，还包括利用一阶低通数字滤波算法对数字锁相电路的输出周期值进行优化，优化的原理如下：

在不加低通滤波时，频率调整输出为：

T(n)＝T_i(n-1)

经过一阶低通滤波之后频率修正为：

T(n)＝αT(n-1)+(1-α)T_i(n-1)

式中，α为滤波系数。

8.根据权利要求1所述的一种等离子体谐振电源的频率跟踪方法，其特征在于，所述结合数字PI控制步骤和DPLL控制步骤，对等离子体电源负载的谐振频率进行跟踪，包括：

9.一种等离子体谐振电源的频率跟踪装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-8任一项所述方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-8任一项所述方法。