基于PWM?Zeta型电子束焊机高压稳定电源优化设计

莫金海+杨亚伟+乔艳平

摘 要： 传统的电子束焊机高压电源电路因为存在高纹波输出电压的特性，直接导致了输出稳定性不高。为了满足现代电子技术的发展对电子束焊机的焊接质量的要求，为此设计了一种新型电子束焊机高压稳压电源控制系统。该设计从电子束焊机高压稳压电源着手通过提高输出电压的稳定性来提高焊接质量，主要原理是将新型的PWM?Zeta变换器结构与PID控制技术相结合，同时采用了遗传算法来优化PID参数的方式，提高系统的稳压精度和控制精度。并且利用SABER和Matlab软件构建系统主电路和控制系统并进行仿真。理论分析和仿真结果表明，该系统具有输出纹波小、整机系统稳压精度高、控制可靠性高、动态特性良好、换能效率高、工作环境要求低等特点。

关键词： 电子束焊机； PWM脉宽调制； Zeta型变换器； PID控制； 遗传算法； Matlab

中图分类号： TN86?34； TM743 文献标识码： A 文章编号： 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

在真空状态下，电子束焊机会产生定向高速运动的电子束。当焊接时电子束流轰击工件表面，动能转化成大量的热能，使工件的表面融化冷却后形成焊缝。电子束焊接与常规焊机相比具有热影响区小、焊缝熔深熔宽比（即深宽比）大、穿透力能力强、熔池周围气氛纯度高、加热功率密度大等诸多优点，在航天、军工、造船等行业都有应用[1]。电子束焊机（Electron Beam Welder，EBW） 高压稳定电源直接决定着电子束焊接工艺和焊接质量。

目前，国内外电子束焊机中，高压稳定电源主要使用可控硅交流调压与电子管线性直流调压这两种调压方式。前者精度低，后者效率差，已经不能满足现代技术的发展。伴随着现代电力电子技术的飞跃进步，电子束焊机电源系统也开始广泛引入直流变换器等方面研究，其中BUCK和BOOST的应用研究最为典型，这些新型的电源与传统的电子束高压电源相比具有所占用体积小、装置简单、动态響应速度快、执行效率高等明显的优点，但还存在一些缺点，BUCK要求输入电压的较高，使得对器件的安全级别要求比较高，导致成本高[2?6]；另外，BUCK和BOOST变换器只能单向地控制降或升压，调压范围小、控制区间小，对高精度电子束高压电源的调节不够灵活，能量转换效率也不够理想，而Zeta型变换器是升降压型且具有输入/输出电压极性相同、输出电路脉动小、固有纹波小等特点。

为此本文设计了一种PWM?Zeta型电子束焊机高压稳定电源优化设计控制系统，主电路采用PWM?Zeta变换方式，控制部分采用以ARM芯片为基础的遗传?PID智能控制方式。使整个系统调试方便、结构简单、可以根据不同焊接工艺快速调节所需的电子束流加速电压，满足电子束焊机电源稳定输出。endprint

1 电子束焊机电路原理分析与建模

PWM?Zeta型电子束焊机高压稳定电源电路如图1所示。R为电子束等效电阻；扼流电感Lx是为了预防电子束飞弧而产生的短路现象，续流二极管Vx是为了预防Lx在电子枪束流调节时出现过大尖峰电压，正常稳压工作时，Vx和Lx几乎不起作用。

电路中，三相交流电源经隔离变压器升压、整流、滤波，产生高压脉动直流电压。Zeta型直流变换器经适当的PWM信号，控制开关管S的通断，在蓄能电容C2处获得需要的电子枪加速电压U0。电子束焊机的基本工作参数如下：稳态工作时开关频率f=20 kHz；输入电压Us=20 kV，输出Uo = 60 kV，额定功率为60 kW。

1.1 EBW电源主电路原理分析

工作原理为，一个开关周期T中，S导通期间，有Us?L1，Us?C1?L2?C2与Us?C1?L2?R回路分别流过电流。i1线性增加，电源将电能变为L1的磁能。

与此同时，电源Us和电容C1经开关管S，对L2，C2及负载R放电，电源Us与C1的电动势[UC1]串联相加，i2增大，电能转化为磁能存储在L2中，二极管VD反向截止。在S阻断期间，有L1?VD?C1，L2?C2?VD与L2?R?VD回路。i1经二极管VD续流L1对C1充电， i2經二极管VD续流，L2对电容和负载供电。

电路稳态工作模式有电感电流连续模式（CCM）和电感电流断续模式（DCM），稳态状态为DCM时，输出电流的纹波比CCM大，电感电流为0时会产生震荡现象，并且CCM模式具有初级电流比较小，同等条件下输出性能比较好，损耗小等优点[7]，因此设计电路工作稳态时电感电流为连续状态，设开关管S的通断占空比为[d]，则输入电压[Us]与输出电压[Uo]的关系如下：

2 稳压控制系统的工作原理

因为对电子束焊机焊接高精度的要求，所以电子束焊机的高压电源就要具有较高的稳定性。本设计采用PWM脉宽调制方式。直流输出电压经过MAX197 A/D采样，送至控制模块与设定值进行比较，再经过遗传?PID算法计算调整下一次控制信号，形成反馈回路，实现通过改变PWM的脉冲宽度来控制电压的稳定输出。

脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号[8]，控制Zeta主电路开关管S的通、断，调节输出电压。

如图5所示，输出电压Uo经过A/D采样后，送入ARM芯片，与预期值相比较，得出偏差，通过遗传?PID算法进行数据处理，用处理好的数据经ARM芯片控制PWM脉冲宽度，调节输出电压，形成控制回路，使电压稳定输出。

3 控制的分析与设计

3.1 常规PID参数整定方法

由于电路的实际输出电压会因自身的动态因素和外部干扰（负载由于工作原因产生的扰动，三相供电电压波动和整流电路电压波动，占空比d突变等）而产生波动，导致输出的不稳定，因此为了电压能稳定输出需要设计一个闭环系统来抑制干扰。

在理想情况下，只需进行简单的闭环PID控制，但是常规的PID参数的整定一般有两种方法，分别是理论整定和工程整定，理论整定是基于控制对象的近似数学模型求得，工程整定是根据对象的阶跃响应曲线，基于经验的近似方法。所以参数只是近似的求出，无法达到高精度的要求标准[9?12]。故将PID参数选用遗传算法进行进一步优化使得控制精度提高。

3.2 基于遗传算法的PID参数整定

3.2.1 遗传算法整定流程及控制器

遗传算法是一种高效的、以全局为搜索对象的智能算法。在搜索过程中它能不断进化并控制进化方向，最终求得最优解[13]。

将PID的KP，TI和TD三个参数组合在一起作为群体中的一个个体基因，根据个体的适应度进行选择、交叉和变异，淘汰、进化，最终找到最优目标个体，具体流程如图6所示。

遗传算法根据性能指标函数调整PID控制器的三个参数，PID根据调整后的参数控制系统，实现在线动态优化，如图7所示。

3.2.2 基于Zeta电路系统的遗传算法操作

4 结 语

通过理论分析和Saber软件的仿真结果表明，PWM?Zeta型电子束焊机高压稳定电源系统，具有较高的升压比、较小的纹波、升降压控制灵活、控制区间大等优点。本文采用PWM脉宽调制的方式，建立了小信号数学模型，在此基础上加入遗传优化的PID控制算法，同时用Matlab仿真证明本文设计的PWM?Zeta型电子束焊机具有稳压精度高、动态响应快、换能效率高、工作环境要求低和控制精度高等特点。

参考文献

[1] 莫金海，韦寿祺，何少佳，等.新型PWM?BUCK电子束焊机稳定高压电源的设计[J].焊接学报，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.电子束焊机电源控制系统的设计与实现[J].焊接学报，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