基于PWM?Zeta型電子束焊機高壓穩定電源優化設計

莫金海+楊亞偉+喬艷平

摘 要： 傳統的電子束焊機高壓電源電路因為存在高紋波輸出電壓的特性，直接導致了輸出穩定性不高。為了滿足現代電子技術的發展對電子束焊機的焊接質量的要求，為此設計了一種新型電子束焊機高壓穩壓電源控制系統。該設計從電子束焊機高壓穩壓電源著手通過提高輸出電壓的穩定性來提高焊接質量，主要原理是將新型的PWM?Zeta變換器結構與PID控制技術相結合，同時采用了遺傳算法來優化PID參數的方式，提高系統的穩壓精度和控制精度。并且利用SABER和Matlab軟件構建系統主電路和控制系統并進行仿真。理論分析和仿真結果表明，該系統具有輸出紋波小、整機系統穩壓精度高、控制可靠性高、動態特性良好、換能效率高、工作環境要求低等特點。

關鍵詞： 電子束焊機； PWM脈寬調制； Zeta型變換器； PID控制； 遺傳算法； Matlab

中圖分類號： TN86?34； TM743 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0096?05

Abstract： As the high?voltage power supply circuit of the conventional electron beam welder （EBW） has the characteristic of high ripple output voltage， it directly results in low output stability. To satisfy the requirement of modern electronic technology development for the welding quality of EBW， a new high?voltage stabilized power supply control system is designed for EBW. Proceeding from high?voltage stabilized power supply for EBW， this design can improve the welding quality by increasing the stability of output voltage. The main principle is that， while combining the structure of the new PWM?Zeta converter with PID control technology， the PID parameters are optimized by the genetic algorithm to improve the voltage stabilization precision and control precision of the system. The SABER and Matlab software are used to construct the main circuit and control system of the system， and the simulation is carried out. Theoretical analysis and simulation results show that the system have the characteristics of small output ripples， high voltage stabilization precision， high control precision， good dynamic feature， high energy conversion efficiency， and low working environment requirement.

Keywords： electron beam welder； PWM pulse width modulation； Zeta converter； PID control； genetic algorithm； Matlab

0 引 言

在真空狀態下，電子束焊機會產生定向高速運動的電子束。當焊接時電子束流轟擊工件表面，動能轉化成大量的熱能，使工件的表面融化冷卻后形成焊縫。電子束焊接與常規焊機相比具有熱影響區小、焊縫熔深熔寬比（即深寬比）大、穿透力能力強、熔池周圍氣氛純度高、加熱功率密度大等諸多優點，在航天、軍工、造船等行業都有應用[1]。電子束焊機（Electron Beam Welder，EBW） 高壓穩定電源直接決定著電子束焊接工藝和焊接質量。

目前，國內外電子束焊機中，高壓穩定電源主要使用可控硅交流調壓與電子管線性直流調壓這兩種調壓方式。前者精度低，后者效率差，已經不能滿足現代技術的發展。伴隨著現代電力電子技術的飛躍進步，電子束焊機電源系統也開始廣泛引入直流變換器等方面研究，其中BUCK和BOOST的應用研究最為典型，這些新型的電源與傳統的電子束高壓電源相比具有所占用體積小、裝置簡單、動態響應速度快、執行效率高等明顯的優點，但還存在一些缺點，BUCK要求輸入電壓的較高，使得對器件的安全級別要求比較高，導致成本高[2?6]；另外，BUCK和BOOST變換器只能單向地控制降或升壓，調壓范圍小、控制區間小，對高精度電子束高壓電源的調節不夠靈活，能量轉換效率也不夠理想，而Zeta型變換器是升降壓型且具有輸入/輸出電壓極性相同、輸出電路脈動小、固有紋波小等特點。

為此本文設計了一種PWM?Zeta型電子束焊機高壓穩定電源優化設計控制系統，主電路采用PWM?Zeta變換方式，控制部分采用以ARM芯片為基礎的遺傳?PID智能控制方式。使整個系統調試方便、結構簡單、可以根據不同焊接工藝快速調節所需的電子束流加速電壓，滿足電子束焊機電源穩定輸出。endprint

1 電子束焊機電路原理分析與建模

PWM?Zeta型電子束焊機高壓穩定電源電路如圖1所示。R為電子束等效電阻；扼流電感Lx是為了預防電子束飛弧而產生的短路現象，續流二極管Vx是為了預防Lx在電子槍束流調節時出現過大尖峰電壓，正常穩壓工作時，Vx和Lx幾乎不起作用。

電路中，三相交流電源經隔離變壓器升壓、整流、濾波，產生高壓脈動直流電壓。Zeta型直流變換器經適當的PWM信號，控制開關管S的通斷，在蓄能電容C2處獲得需要的電子槍加速電壓U0。電子束焊機的基本工作參數如下：穩態工作時開關頻率f=20 kHz；輸入電壓Us=20 kV，輸出Uo = 60 kV，額定功率為60 kW。

1.1 EBW電源主電路原理分析

工作原理為，一個開關周期T中，S導通期間，有Us?L1，Us?C1?L2?C2與Us?C1?L2?R回路分別流過電流。i1線性增加，電源將電能變為L1的磁能。

與此同時，電源Us和電容C1經開關管S，對L2，C2及負載R放電，電源Us與C1的電動勢[UC1]串聯相加，i2增大，電能轉化為磁能存儲在L2中，二極管VD反向截止。在S阻斷期間，有L1?VD?C1，L2?C2?VD與L2?R?VD回路。i1經二極管VD續流L1對C1充電， i2經二極管VD續流，L2對電容和負載供電。

電路穩態工作模式有電感電流連續模式（CCM）和電感電流斷續模式（DCM），穩態狀態為DCM時，輸出電流的紋波比CCM大，電感電流為0時會產生震蕩現象，并且CCM模式具有初級電流比較小，同等條件下輸出性能比較好，損耗小等優點[7]，因此設計電路工作穩態時電感電流為連續狀態，設開關管S的通斷占空比為[d]，則輸入電壓[Us]與輸出電壓[Uo]的關系如下：

2 穩壓控制系統的工作原理

因為對電子束焊機焊接高精度的要求，所以電子束焊機的高壓電源就要具有較高的穩定性。本設計采用PWM脈寬調制方式。直流輸出電壓經過MAX197 A/D采樣，送至控制模塊與設定值進行比較，再經過遺傳?PID算法計算調整下一次控制信號，形成反饋回路，實現通過改變PWM的脈沖寬度來控制電壓的穩定輸出。

脈寬調制器能產生頻率固定而脈沖寬度可調的驅動信號[8]，控制Zeta主電路開關管S的通、斷，調節輸出電壓。

如圖5所示，輸出電壓Uo經過A/D采樣后，送入ARM芯片，與預期值相比較，得出偏差，通過遺傳?PID算法進行數據處理，用處理好的數據經ARM芯片控制PWM脈沖寬度，調節輸出電壓，形成控制回路，使電壓穩定輸出。

3 控制的分析與設計

3.1 常規PID參數整定方法

由于電路的實際輸出電壓會因自身的動態因素和外部干擾（負載由于工作原因產生的擾動，三相供電電壓波動和整流電路電壓波動，占空比d突變等）而產生波動，導致輸出的不穩定，因此為了電壓能穩定輸出需要設計一個閉環系統來抑制干擾。

在理想情況下，只需進行簡單的閉環PID控制，但是常規的PID參數的整定一般有兩種方法，分別是理論整定和工程整定，理論整定是基于控制對象的近似數學模型求得，工程整定是根據對象的階躍響應曲線，基于經驗的近似方法。所以參數只是近似的求出，無法達到高精度的要求標準[9?12]。故將PID參數選用遺傳算法進行進一步優化使得控制精度提高。

3.2 基于遺傳算法的PID參數整定

3.2.1 遺傳算法整定流程及控制器

遺傳算法是一種高效的、以全局為搜索對象的智能算法。在搜索過程中它能不斷進化并控制進化方向，最終求得最優解[13]。

將PID的KP，TI和TD三個參數組合在一起作為群體中的一個個體基因，根據個體的適應度進行選擇、交叉和變異，淘汰、進化，最終找到最優目標個體，具體流程如圖6所示。

遺傳算法根據性能指標函數調整PID控制器的三個參數，PID根據調整后的參數控制系統，實現在線動態優化，如圖7所示。

3.2.2 基于Zeta電路系統的遺傳算法操作

4 結 語

通過理論分析和Saber軟件的仿真結果表明，PWM?Zeta型電子束焊機高壓穩定電源系統，具有較高的升壓比、較小的紋波、升降壓控制靈活、控制區間大等優點。本文采用PWM脈寬調制的方式，建立了小信號數學模型，在此基礎上加入遺傳優化的PID控制算法，同時用Matlab仿真證明本文設計的PWM?Zeta型電子束焊機具有穩壓精度高、動態響應快、換能效率高、工作環境要求低和控制精度高等特點。

參考文獻

[1] 莫金海，韋壽祺，何少佳，等.新型PWM?BUCK電子束焊機穩定高壓電源的設計[J].焊接學報，2009，30（6）：34?38.

MO Jinhai， WEI Shouqi， HE Shaojia， et al. Design of stabilized high?voltage source with PWM?BUCK for electron beam welder [J]. Transactions of the China Welding Institution， 2009， 30（6）： 34?38.

[2] 何少佳，李建玲，莫金海，等.電子束焊機電源控制系統的設計與實現[J].焊接學報，2012，33（1）：1?5.

HE Shaojia， LI Jianling， MO Jinhai， et al. Design and implementation of a power control system for electron beam welder [J].Transactions of the China Welding Institution， 2012， 33（1）： 1?5.endprint