（电力电子与电力传动专业论文）塑料薄膜表面处理电源的pspwm控制及其人机界面.pdf

a b s t r a c t c o r o n as u r f a c e 仃c a 协l e n to fp l a s t i cn l mi s a p p l i e dm o r ea n dm o r e 耐d e l yi n p l a s t i ci n d u s t r ys u c ha sp r i n t i n g ，p a c k a g i n ga i l de t c a r e rt l l ec o r o n at r c 咖e n t ，t h c c o a r s e n e s sa i l dw e m n gq i l a l 时o fp l a s t i cf i l mi si m p r o v e da 1 1 ds u r f a c ea d h e s i o no f m a t e r i a li se 1 1 1 1 a i l c e da l s os ot 1 1 a tt l l ei n kp r i n t so nt h ep l a s t i cs l l r f a c em u c hm o r ee a s i l y t h a nb e f b r e f i r s t l y ，s o m eb a s i ck n o w l e d g ei si n 订o d u c e ds l 劬a st l l ee l e c t r i c a lc h a r a c t e d s t i c s o fd i e l e c 研cb a m e rd i s c h a r g e ( 册d ) ，t 1 1 ep r i n c i p l ea n de q u i p m e n t so fc o r o n as u r f a c e t r e r 岫e n t ，t l l ef a c t o r sw m c ha 踟c tt h e 廿e a n n e n tr e s u ha 1 1 dt h et e c l l i l i q u e so fp o w e r s u p p l ya i l dh u m a l l - m a c h i n ei n t e k ea i l de t c b yc o m p 撕s o n ，p s p w mc o n 仃o li s c h o s e i la st l l ec o n t r o lm e t l l o do f p o w e rs u p p l yf o rp l 枷cf i l ms l l r f a c et r e a t m e m a 陆rs u m m a r i z i n gt h ea d v 趾t a g c sa n dd i s a d v 锄t a g e so ft h r e ep s - p w mc o n n d l m e t h o d s t h ec o n t r o lm e t h o do fi n d u c t i v ep s p w mi sc h o s e n l o a d sn o i l l i n e a r c h a i l g i n ga i l d l es i g l l i f i c a l l c eo fl o a d s 舶q u e n c y 慨i n gb yp h a s e l o c k e d1 0 0 p ( p l l ) j sp r o v e db ye x p 翻m e n tr e s l l l t 。n eb j u ep 血tj sd i s c u s s e di nd e t 棚a 1 1 dt 1 1 ed e s j g no f c o n 仃o ls y s t e mi sa l s oo u t l i n e dw l l i c hh a s 也ea d v 锄妇g e so fr e a l i z i n gt h ef 沁q u e n c y t m c ea u t o m a t i c l ya n da c h i e v i n gl l i g hp o w e rf a c t o ro u t p u t h a r d w a r e 锄ds o f t w a r eo ft h eh 砌a n - m 1 1 i n ei m e r f a c eb a do na t 8 9 c 5 5 w d i sa n a l y z c dw h i c hc 孤a c c o m p l i s hm 8 i l y 胁c t i o n ss u c ha sp a r a m e t e r sm e a s l l r i n g ， e x c c p t i o nd e t e c t i i l 舀d i s p l a yc o n 仃o l l 协g ，o u t p u tp o w e ra d j u s t i n ga n de t c c o n t r o lo f o u t p u tp o w e ri sr e a l i z e db y8 1 c 5 5i n t e m a lc o u n t e ra n df vc i r c u i t 谢也a d v a n t a g e so f h i g hi n d 印e n d e n c ea n dl i t d ed 锄a 王1 d s f r 锄ef o h n a ta n dc o 删n u l l i c a t i o np r o t o c o li s i m m d u c e dd e t a i l e d l y 锄dm o n i t o rs o f h v a r cb a s e do nv b 6 oi sa c c o m p l i s h e dw l l i c h c a i lm o i l i t o r 也ep o w e r 吼l p p l yi l lr 鼬o t ec o n t r o lo 瞄c e t h ed i 脏r e n c eo fb y b r i d i n t e r 蠡孵eo ft v 旧c o n t m lm e t h o d s ( p s - p w m 龇dp a m ) i sc o m p a r e da 1 1 dd i 岱嚣哪 c a l c u l a t i o n a lm e 协o d so f o 咖u tp o w e ra r ea l s o 西v e n s o m ef a c t o r sa r ev a l i d a t c dw h i c ha 虢c t 血er e s u l to f 刚曲c et r e a 恤e n tt l l r o u g h t l l ec h a l l g eo fc o a r s e l l e s s 趾dw a t e rc o n t a c t 觚舀eo fp l 剃cf i l mb ye x p c r i m e m 强d m es i 鲥f i c 趾c ea n d 谢d ca p p l i c a t i o na r e ao fc o r o n ad i s c h a r g ei nm a t 耐a ls l j r f a c e t 1 - e a t m e mi sd r o 吖e da tl a s t k e yw o r d s ：c o r o n a ，p h a s e - l o c k e dl 0 0 p ，p s p w m ，h u m a n m a c h i l l ei n c e 墒c e i i 渐江太学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 “等离子体( p l a s m a ) ”的概念最早由l 柚g m u i r 在1 9 2 7 年提出，用它来描述 气体放电中正负电荷相簿雨呈电中性的区域f l 】。等离子体是由大璧相互作用的但 仍处于菲束缚狭态下的带电粒子组成豹宏观体系，怒和固态、液态、气态处予同 一层次的物质第四态，自然界的物质主要以这些状态出现【2 - 3 】。1 8 5 7 年，s i e m e n s 研制出了臭氧发生管，成为当时大量廒用的放电臭氧发生器的原型【4 】，等离子体 技术在材料渡蛙方箍静寂用始于2 0 邀纪6 0 年代。嚣翡，电晕放电在臭氧合成、 准分予光源、激光发生器、环境保护以及材料表萄改性和表面处理等方面都获得 了广泛应用【5 1 2 1 。 在塑料游膜印刷和复含过程中，首先要考虑塑料材料与涂复材料之间的亲合 性能，要求薄膜和涂复耢料( 油墨、精结帮等) 之间簧有很强的精瓣力。要绩液体 粘附在固体上，必须设法保证固体的一面张力总是大于液体的裘面张力。为此， 可进行化学腐蚀、火焰处理和电晕处理等方法。 电晕处理和化学腐蚀、火焰处理栩魄，具有以下伉点： 节省能源，无废液排放，基本上不会污染环境。 速度快，效率高，可在线进行处理，有利于产品流水线生产。 处理材料范围广，对处理的材料无严格要求。 对秘料表露的处毽仅涉及零点凡到尼纳米，辩材辩表面性熊改善的同时对 其本体性能不会造成大的影响。 操作简单，调节按制容易。 由于魄晕处理具有上述多种优点，因此，晷蘸已广泛应用于蹬刷、涂装和复 合等工序前豹表面预处理。电晕处理技术豹广泛应翊很大程度上依赖于电晕处理 电源的设计，电源的频率、电压、功率和控制方式等赢接影响处理效果。 1 1 允质阻挡放电筒奔 1 1 1 介质阻挡放电定义 带有绝缘介质的电晕放电视理和介质阻挡放电相类似，下两就对介质阻挡放 电作简要的介绍。介质阻挡放电( d i e l e c 饿cb a r r i e rd i s c h a 唱e 简称d b d ) ，又称 无声放电，是指有绝缘介质插入放电空间的一种气体放科m 。介质可以覆盖在一 个电辍上，斑可鞋两个魏极都有，或蠹悬挂在放电窀阔中。当在两电极阕施翻足 够高的交流电压时，电极间就会产生放电。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 介质阻挡放电是由大量细微的快脉冲放电通道构成，由于电介质的存在，避 免了在放电间隙中形成火托放电或弧光放电，由于没有直流通过，赝以这种放瞧 是一种非自特放电，从宏观上观察，介质阻挡放电墨现均匀、稳定豹蓝紫色分布 在整个气隙空间。阻挡介质的存在可以使微放电均匀稳定地分布在整个放电窝问 内，便于在赢气压条件下获得大体积的低温非平衡铸离子体，这是其能在工业上 获德广泛威翔的蘸提。 1 1 2 介质阻挡放电的负载特性 对于介质阻挡放电，只有当放电通道的电场强度高于气体所需的击穿电场强 度时，放电气隙内才会发生气体放电，也就是说，对于间隙一定的放电通道，只 有当负载的外加电压达到一定的幅值时，放电通道内的电场强度才能达到放电的 要求，才会发生气髂放电现象。 气体放电过程可分为不放电阶段和放电阶段，在放电阶段，放电通道电压保 持不变，这个电压成为放电维持电压v d ；使放电通道电压达到v d 所需的最小 外加电压的蜂傻，称为放电临界电匿v m 4 j 。 介质黻挡放电等效电路如下蚕 1 所示，其中，e g 为绝缘介囊的等效电容， c d 为放电气隙的等效电容，d z l 和d z 2 为稳压管二二极管，稳艨值为v d 。介质 阻挡放电的外界作用电服、间隙电压和电流的理想时间函数如下图1 1 2 所示，在 外船毫垂v 1 正半弼，当负载步 热电魇小于放电临界电压v m ，不会发生放电现 象，称为不放电阶段；当外加电压达到放电维持毫压v d 时开始放电，放电电流 i 发生突变，随着外加电雁增大，气隙电压v d 保持v d 不变，当外加电压达到 最大值时，放电电流l 等于零并停止放电，在外加电压负半周，放电过程类似。 d 蚺 d 珐 ? 0 囤1 1 介囊阻挡放电等效电臻 图1 ，2 辨加电笨、闻隙电压和电流的理想对闻涵数 在放电过程中，在气隙和绝缘介质不变的情况下，c g 和c d 的值都会随外 加电压v l 的变化而发生相应的变化。c d 随着外加电压幅值增大而增大，c g 随 乡 翻电压幅僮的增大两减奎。c d 的大小与介质蓐度l d ，允电系数ed 和奔赝的 有效面积s ( 带电粒子覆盖在介质上的面积) 有关。在介质不变也就是厚度l d 2 浙江大学硕士学垃论文 第一章绪论 和介电系数ed 都不变的情况下，放电随着外加电鹾增大而逐渐增强，放电气隙 蠹盼丝状逶遘睑数隧也相应增加，s 也相应增大，e d 遣由此增大；当铃船电压 达到某一值时，放电细丝覆盖整个介质表面，s 不并发生明显变化，c d 也趋于 稳定，因此c d 的变化是j e 线性的。c g 的大小主要和气体介电系数8g 和气隙大 小l g 有关。陵着外加电餍增大，赦电增强，放电气隙内带电穗子数目增加，饺 得放电气隙内空气介电系数有所降低，c g 就会减小【1 7 】。 由此可见，介质阻挡放电负载等效电容是非线性变化的，介质阻挡放电负载 是一个非线性负载【1 4 。6 】。c d 和c g 豹大，j 、可以利用李萨如瞌线来进行测量 【4 】【1 3 埘】【1 8 】，通过适当的定标，放电的功率也可以由该曲线面积计算。在步 加瞧 压小于v m 时，放电气隙内不发生放电现象，李萨如曲线是一条经过原点的直线； 当外加电压大予v m 时，气隙通道开始放电，李萨如曲线是平行豳边形，且放 电功率越大，该平行圈边形的掰积也越大。 1 2 电晕处理塑料薄膜机理与设备结构 1 2 1 电晕处理塑料薄膜机理 电晕放电的能量可通过光辐射、中性分子流和离子流而作用于材料表面，这 些能量的作用是材料表甏改性的根本原鑫f 1 9 l 。电晕放电过程及在离分予奉季料表面 的作用见下图1 3 。 图1 3 电晕放龟过程及在黼分子材料表面豹作用 在放电电极上施加高频离莲电( 一般频率为l o 4 0 隐，电压为1 0 3 0 k v ) ， 将电极相邻的薄膜处理面的空气电离放电，从而产嫩大量自由离子、高能电予、 自e b 基等高能粒予。这些高能粒子的能量一般约为几个到几十个电子伏特，聚合 物中常觅化学键的键能一般约为几个电子伏特，所菝这些气体电离的离能粒子在 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 强电场的作用下快速冲击运行中的薄膜，使薄膜表屡分子链的化学键断裂而降解 或重耨缀合，对耪料表_ 曛产生亥4 蚀作藤，增加表露的粗糙度。同时在紫外线作用 下，薄膜表谶将发生交联、降解和氧化等化学反应，生成羟基、羧基等极性含氧 基团。在放电过程中，同时还伴随有良氧的生成，良氧是一种强氧化剂，可以使 薄膜表面分子部分氧化并生成羟基化合物和过氧化合物等。另外，电晕处理还有 除油污、水汽和污琚作用。经遥上述的物理和化学改性，这至i 改饕薄膜表蘑糖糙 度、润湿性和附着性的目的。因此，电嫌处理技术广泛应用于印刷、粘合、涂层、 复合等工序前的表面处理。1 1 9 。2 0 】 但过度的电晕处理会使薄膜表鬣老化，表顽光泽变差，还会使薄膜的热封性、 糙附性交差，甚至可能潦现薄膜粘连现象，特羽在夏季高温天更容易出现。进度 的电晕处理，还会使薄膜的阻隔性能下降。总之，在满足印刷、涂装、复合等加 工要求的前提下，尽可能降低电晕处理强度，避免不必要的过度处理。 1 2 2 电辇处理设备结构 电晕处理设备通常瓴括电晕电源、放电电极絮、电晕处理辊、压辊、摊奥 氧抽风枫等。待处理薄麓经过压辊紧赡在电晕处理橇表面，如桊薄膜与处理辍表 面紧贴程度不好且两者之间存在间隙，那么在薄膜紧贴处理辊面也会有相应的电 晕处理效果，在某些只需单面处理的场合是不允许的，在实际应用中需要特别的 注意。毫晕处理辗作为接绝电极，终弱一錾橡胶作为介质挞料氮裹整个接遣瞻极， 如下图1 4 所示。长条穗的放电电极一般有单刀型、多刀型、圆棒型等多种，为 了增大薄膜处理面积和处理功率通常采用多刀型电极。电极的刀口应该平直，不 应该有缺口，否则在缺翻处的放电强度不均匀，薄膜的处理程度也会不均匀，会 出现牺界表睡张力低的级向线条。若筹要处理薄膜聪反嚣蟊，剜需要两个高攫邀 极分别进行处理。 放电电撮 面 图1 4 电肇处理装置示意图 在电晕处理过程中会产生大量的爽氧和氮氧化物等有害气体，离浓度长期接 触会弓| 起头疼、恶心、哮喘等症状弹1 【瑚，透此一般在使用过程中都需要安装l j 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 臭氧抽风机，将臭氧和氮氧化物等有害气体及时地抽排出去。 电晕处礁辊由电机带动转动，既餐利于处理后鬻辩薄膜进行i | 殳卷或直接印利 等流水线操作，又有剃于处理辊的散热，尤其在大功率的应用场合，还可以采用 水冷等措施来降低电晕处理辊的表谳温度，防止因温度过高而影响薄膜表面处理 的效果。过高的温度还会加速绝缘介质的老化，导致电晕处理辊使用寿命的降低， 绝缘分质豹老纯也会使得绝缘介质的分电系数ed 发生交纯，泡晕处理撬的处理 频率也会随之发生变化，因此在实际烤机过程中一般应对处理辘的温度适时地加 以观察。 1 3 影响薄膜处理效果和处理效果时效性的因素 薄膜经电晕处理后，其表层分子链上会产生极性基团，表面粗糙度和表糊张 力提高，与水鲍接触凳交小，改善了_ i 鞋l 墨豹辫蓑镁帮复台的粘接性。薄膜表瑟处 理效果的好坏，也是由多种因素决定豹，影响电晕机处理效栗的因素有1 2 0 2 2 】： 1 、处理电臌： 处理电压增大，处理效果明显增强，但不是成比例关系。当处理电压增加到 一定值屠，基本不再发囊变化。处理电压要根据制品的厚度来确定，制品越厚， 所需处理电压越高。 2 、处理频率： 电晕处理视的工律频率一般在1 0 k 4 0 魁 z 左右，其它条佟褶同情况下，处 理频率越藉，处理功率就会越大。 3 、电极间隙； 在其它条件相同情况下，电极间隙增大，电晕处理范围则变宽，薄膜在电暴 处理范围内的相对箨留时闻变长，毽能量分散到受大的空闻，处理强度下降。鞠 此必须选择一个合适的电极间隙，通常电极间隙控锖i 在l 4 m m 为宜。电极间隙 必须均匀一致，否则会因处理程度不同而蹦现薄膜临界表面张力边大一边小的 情况。 4 、处理功率： 处理功率是决定处理程度的主要因素，被处理薄膜为了达到印刷等工序所需 的临界表面张力值，必须施加一定的处理功率。由于处理速度、薄膜种类、宽度 的不阉，旒绷豹处理功率魄不一样。森其它条件相同情况下，如果处理速度增热 一倍，处理功率也应该相应的增加一倍。 5 、温度与湿度： 由于流水线生产时放电是在空气中迸彳亍的，所以温度和空气湿度也是影响电 晕处理程度的一个参数，温度舞高，处理程度增大；湿度增大，处理效果交麓， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 湿度减小，处理效采好。 6 、处理时间： 在一定范围内，电晕处理的效果随时间的增长而增加，但处理效果并不和时 间成线性关系，在处理时间达到一定后，薄膜会出现过处理的情况，因此，在产 品处理时，应控制合适的处理对润使处理效果簸终满足要求。 7 、被处理的薄膜种类： 在处理条件相同情况下，爿i 同的薄膜( 例如聚乙烯膜、聚丙烯膜等等) 的密 度不闻，处理的效果就不同。密度增加，处理效果变差，但密度增加列一定值后， 对处理效果基本无影响。 8 、添加剂的影响： 在薄膜成形的时候，往往会加入一些添加剂，特别是一些低表面能的添加剂， 对处理效采影嘲尤冀显著。 薄膜电晕处理效果有明显的时效性，影响处理效果消退速度主要有如下几个 因素l 2 j ： l 、存放辩润： 随羞处理后存放时间的增长，处理效果呈指数规律消退，最后处在菜一稳定 值上。 2 、存放环境温度和湿度： 电晕处理居存放环境瀑度越高，处理效暴退化速度越快，n 并且越彻底；存放 环境湿度越低，处理效果消退就越慢。因此在夏天高温天气，处理后的薄膜保存 尤其需要注意。 3 、薄膜秘类的影响： 不同的薄膜，处理效粜退化速度也不同，这可能和薄膜中的添加剂有关。 4 、薄膜的厚度： 不同厚度豹薄膜，电辇处理效采退化速度不两，一般薄貘越厚，退化速度越 快。 由于电晕处理效果会消退，因此，在电晕处理后最好能够在线进行后续加工， 或者尽量减少存储时间，能够在处理效果比较好的情况下完成印利、喷涂、粘合 等后续处理步骤。 1 4 塑料薄膜表面处理电源的控制技术概述 薄膜表面处理电源由整流、逆变、升压变压器和控制电路等部分组成。逆变 器的输出电压先通过升压变压器升压，后 妇升压变压器副边漏感和负载发生串联 谐振使得负载侧的电压进一步升高，进而放电气豫率的空气电离后发生放电。电 6 浙江大学硕士学位论文第一章绻论 晕电源的实现调功的方式有多种，不同的调功方式采用的逆变控制电路也不同。 1 4 1 脉冲幅值调制 脉冲幅篷调制( 阳1 s e 躺p l i t u 如m o d u l a t i o n ，篱称p a 琊就是通过调节逆变 器直流母线电压的大小来调节负载的输出功率。在这种功率调节方式下，通过采 取锁相等措施可实现逆变器输出电联和输出电流保持固定的相位关系，能够比较 容易遗实现器件的软开关。 逆变器直流母线电压的调节一般霹以采震以下两种办法：一、采用可控整流 方式。比如采用晶闸管整流电路，通过调节晶阐管的触发角来调节整流的输出电 压，从而逸到调节直流母线电压的效果；二、斩波调压方式。采用不控整流方式 得到豹电压通过调节轿波器的占空兆来控铡其输出电压大小。 文献 2 6 2 7 中介绍的调压调功方式逆变器的系统结构图如下图1 5 所示。 系统中采用比较成熟的可控整流电路，通过调节整流电路的输出电压来实现电晕 机功率的调节。逆交患路采用半桥拓羚，逆交输出频率可以跽踪负载的谐振频率 的变化，从而霹以提高负载侧的功率因素，容易实现开关器件的软开关。 图1 5 调压调功逆变器系统结构图 p 删的优点在于其输出功率调节范围宽，逆变器可以始终工作于准谐振状态， 开关器件的软开关实现窑易，适用于大功率的应用场合。缺点在于若采用相控熬 流方式，触发电路比较复杂，进线电流谐波较大，动态响应慢，在深控下网侧功 率因索低，僵箕功率容量很大，技术成熟可靠，比较适合于大功率的应用场合； 若采用斩波调鹾方式，电愿动态响应快，但由于加入直流调节环节，电源的效枣 和可靠性也会降低，在大功率应用场合还需要解决很多问题，所以一般在大功率 应用场合还是需要考虑采用相控整流方案。 1 4 2 脉冲频率调制 对于串联型逆交器，在负载等效参数r 、l 和c 一定的情况下，负载阻抗隧 逆变器频率变化而变化，通过改变逆变器工作频率来改变负载阻抗，也就相应的 改变了负载电流，达到调节输出功率的目的。逆变嚣忑作频率等于负载谐振频率 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 时负载阻抗最小，逆交器输出功率最大。当逆变器工作频率大予负载谐振频率时， ：负载阻抗星感性；当逆变器工作频率小予负载谐振频率对，负载阻挠呈容性。 文献 2 3 中介绍的采用脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，简称 p f m ) 调功方式逆变器控制框图如下图1 6 所示，逆变器电路工作频率2 0 5 0k h z 可调，稠阁升舔变压器的漏感与电晕装置豹负载电容发生谐振，工作频率越高越 偏感性，负载侧得到的有功分量越小。2 0 l ( l z 时接近于谐振频率，输出达到满功 率，5 0 k h z 时输出最小功率。当检测输出电压过高时，通过反馈控制，升高逆变 器功率频率，使得输出电愿降低。 主凰路利翅变压器辅助绕维检测输出峰值电压构成闭环控划，其它薅个阕环 包括相位检测和电流检测。主要是当相位或电流检测值超过给定值时，通过减小 输出电压给定来提高输出频率，从而减小输出功率。相位闭环w 以避免逆变器工 作予低于谐振频率豹容性状态，髓够通过调节穗位自动地使系统工作在最大输嬲 功率点。电流闭环可以起保护过电流的作用。 豳1 6 调频调功遂变器控靠l 框图 p f m 的优点在于控制电路比较绚单，可以采用不控整流方式。缺点在于在负 载q 值不高的情况下，调劝过程中逆变器的工作频率变化范围较大，导致电路参 数设计比较困难。 1 4 3 脉冲密度调制 脉冲密度调制法( 风i s ed e n s i t ym o d u l 8 t i ，茂称p d 蟛豹基本原理是通过 控制逆变器输出的脉冲密度，从而控制逆变器向负载馈送能量的时间比来控制输 出功率。假设在某时间段内总基有m 个功率输出周期，其中n 眯赫) 个周期逆变 器是以一定的开关频率输出功率，另终m n 令属期负载以自然频率衰减振荡， 则输出脉冲密度为n m ，调节输出功率周期n 的个数就可以调节逆变器的输出功 率。 8 浙江大学碗士学位论文 第一章绪论 文献【2 4 中介绍的脉冲密度调功方式逆变器的控制电路框图如下图1 7 所 示，是给定平均输出电压，控制零电平的宽度，k 是实际平均输出电压，m 是实际零魁平状态，掰麓零电平状态参考，选择p 嘲逆变器工作予传种模式， 竣出方波电压模式或者输如零电压模式。网步电路保证m 至少要保持一个谐振周 期不变，满足“与”逻辑电路的要求。当m = l 时，逆变器输出方波电压；埘= 0 时，逆变器输出电压为o 。峰值电流检测电流控制模撒开关状态，当逆变器输出 电流 e 较小时，模拟开关断- 开，镂相环电路不工作；当逆变器输出电漉较大时， 模拟开关闭合，锁相环电路投入工作，锁定输出电滕和输出电流之间的相位。 图1 7 脉冲密度调功逆变器控制电路框图 p 嘲的优点在手输岛频率基本不变，开关损耗相对较小，易于实现数字纯控 制，比较适合于开环控制场合。缺点在于逆变器输出频率不完全等于负载的谐振 频率，所以在功率闭环的应用场合，工作稳定性不好。输出功率调节呈有级调功 特性，调节特桎不瑗怒。 1 4 4 移相脉宽调制 移相默宽调制( p h a s e s h i 酣p u l s ew i d t h d u l a t i o n ，简称p s p 删) 是透 过调节逆变桥移相臂和定相臂触发脉冲信号之间的相位蓑，从而改变了输出电压 的脉宽，达到调节逆变器输出功率的目的。为了尽可能使得逆变器工作频率接近 负载谐振频率，逯常采用镂稠环技术，提裹负载侧的功率因素。在移摆调功过程 中，不仅输出繁波电压的幅值会发生变化，而且输出基波电压和输出电流之间的 相位也会随之改变，因而逆变器的工作频率及负载阻抗均会发生变化。当负载的 q 值较高对，逆变器的工作频率变化很小，就可以实现功率的大范藏调节。 p s p 榭攘制方式的优点在于可以采臻不控整流，电路简单，负载侧功率因 素较高，调功范围宽，频率变化没有p f m 变化大。缺点在于开关器件的软开关实 现相对p 删方式复杂，实际应用中的功率等级一般比p 翎方式小。 9 港江大学颈士学位论文 第一章绪论 1 5 塑料薄膜表面处理电源的人机界面概述 人机界面设计是系统设计过程的一帮分，所以必须结台至现代系统开发方法 中去。目前的系统开发方法对界面设计问题和用户关注太少或根本没加注意，以 致用户批评仍持续不断。界面设计的共同课题越让用户关心和介入。其目的在于 促进人在系统开发中的参与与作雳。 以用户为中心的设计方法： 1 用户参与设计用户成当积极主动加入设计过程，并进入设计组共同进 行决策。 2 ，以用户为中心的设计系统设计必须根据明户的翥要w 来确定，而不能由 功能过程需求或硬件限制铸来推动。 3 ，迭代设计( 原型设计) 人机交互特别强调，在设计期间必须注意原型 及其细化周期的概念。 在工业应用场合中，肖以下几种人机界面的方法被广泛应用于各类低、中、 高档产品。通常根据客户的不同需求和系统的运行环境相应的进行方案的选择。 l 、模拟仪表( 篱单实雳，价格低廉) 2 、键盘+ 数码管( 价格低廉，显示单一) 3 、键盘十液晶( 价格适中，显示丰富) 4 、触撰屏( 价格适中，显示丰富) 5 、工控机+ 监控系统( 系统复杂，价格昂贵，开发周期长) 国内市场上常见的塑料薄膜表面处理晦源产品中，普遍使用模拟仪表或者键 盘+ 数码管的方式作为入机界磊，其价格低廉，开发周期短，但显示内容单一， 人机交互性差；国内所羞到的国外进口的塑料薄膜表面处理电源产品中，连夜 极少数采用工控机+ e 位机监控系统方式作为人机界面，其显示内容丰富，人机 界面友好，入机交互性好，管理功能强，其缺点在于系统比较复杂，因此开发周 期较长，开发或本高。键盘+ 液晶和魅摸屏这瑟种人机爨面豹方式由手其价格适 中，曼示内容相对丰富，人机交互性好，性价比高，因此在商业和工业应用领域 中也得到了广泛的应用。 1 6 本文的选题意义与研究内容 研究意义： 本文醭究的硬究课题是江苏某公司程浙江大学电力电予研究所签订的项目， 要求在中小功攀( 8 k w 以下) 的应用场合，取代公司以前产晶采用晶闸篱可控 整流方式，通过调节晶闸管触发角来调节输出电压从而达至调节输出功率。提出 1 0 浙江大学硕士譬位论文第一章绪论 希望采用二搬管不控整流、p w m 调功的控制方式，从而达到降低电源成本，简 化电源线路，减小电源体较等要求，提窝产品在中小功率应用场合的产品竞争力。 还需要针对公司产品的接口电路，设计该公司生产的调压调功方式的大功率电晕 机的人机界嘲，使得公司产品操作更人性化、智能化，提高产品的实用性和技术 含量，提升产品的核心竞争力。 针对瑗强中戴秀项要求，本文豹主要工作如下： 完成感性p s p w m 控制塑料薄膜表面电晕处理电源的研制，主要适用于中 小功率( 8 k w 以下) 的应用场合，并对该控制方法的功率调节方式进行了较详 细的比较分柝，给出了具体的电路设计方法及实验结果。此部分内容将在第二章 中进行完整魄介绍。 完成人机界面的设计与编程，主要分为两部分，分别是基于单片机的电晕机 数字监控系统软硬件设计和基于v b 的上位机界面的软件编程，两者既可同时使 闵，亦可单独工锋，实现电晕壤豹智能控翱，提高产品豹智能纯。此部分蠹容将 在第三章中进行详细地讨论。 初步分析了应用本文所设计的电源，对薄膜进行表面处理后其表面粗糙度的 变化和水接触角的变化情况，并验证了影响电晕枫处理效果的部分因素。此部分 内容将在第图章中进行初步建探讨。 浙江大学硕士学位论文第二枣电晕处理电源的p s p w m 控制技术 第二章薄膜表面处理电源的p s p 雕控制技术 本章首先介绍了电压型串联谐振逆变器的负载特性，在此蒸础上对p s p w m 控制技术进行了具体的分析。利用锁相环技术，设计了能够进幸亍负载谐振 频率跟踪的感性p s p w m 控制方案及相应的保护电路，最后用宓验验证了控俸4 方案的正确性及可行性。 2 1 薄膜表面处理毫源系统结构 塑料薄膜表面处理电源结构如下图2 1 所示。整个系统包括熬流滤波、仝桥 逆变、升滕变压器、负载、逆变控制器、单片机控露4 器及上位机软件等部分。楚 个系统能够实现当前运行参数的数字簸控、逆交器王作频率跟踪、故障保护等功 能。逆变控制器部分将程本章做出详细介绍，人机界面部分将在第三章中进行详 细讨论。 阉2 1 电辇处理电源系统缕构 2 2 p s p 删控制技术 2 2 1 受载分析 p c 机 在分析p s p w m 控制技术之前，首先对电压型串联谐振逆变器负载特性进 行分拆，冀等效电路如下图2 。2 所示。 根据魄路原理可 三l 得到式子( 2 1 ) 一( 2 6 ) z = r + 似一，去 ( 2 - 1 ) q = 芋= 壶 慨z ， 囊江大学磷士学谯论文第二章电晕整理电源的p 辩w 斟拯链技术 1 。丽 吲= 瓣= r 蹶 细姆阮一期 ( 2 3 ) ( 2 。4 ) ( 2 匐 ，= 吲c o s 庐 ( 2 6 ) 式参：z 菇羲窭瓣获，瓷燕矮嚣素，磊瓷受载 粪豢蔟率，免遂交器王终 频率，毋为输出阻抗角a 逆变瓣输出电压基波分量为： = 老 睡7 ) 裁据式子( 2 。国、( 2 7 ) 磷静输窭凌率为： 矗= 老妒= 箱c o s 庐= 警c o s 2 庐 仫s ， 其中鼹为输出功率，秽为输出方波毫压的蠛德，f 炎受载嗽流的蠢效篷。 鞋 图2 2 电压型串联谐振递交瓣酌等效电路 2 2 2 p s p 嘲控制方絮分析 疆攒瓣爨毫蓬靛基波耨浚枣亳濂豹穗健美系，霹鞋分袋三耱黔一p w 醚控裁 方式： ( 1 ) 戆健p s p w m 控锖方忒：遂变器输出电流滞后电压基波。 ( 2 ) 容性p s p w m 控傣4 方溅：逆交器输出电溅超前电压基波。 ( 3 ) 谐振式p s p w m 控制方式：逆变器输出融瀛和电压基波嗣捆位。 滤漫天学硕士学位论文 第二章电晕处理电源的p s 巾w m 控制技术 感往p s p w m 控制方式将在2 3 节中详细讨论，下面只对其它两种控制方 法进程掘应的讨论。 2 2 2 。l 容性p s p 删控制方式 容性p s p w m 控制方式控制原理如下图2 3 所示，锁定q 2 的触发脉冲前 沿略滞后于输出电流的负向过零点，逆变器工作在稍偏容性的状态，即逆变器的 工作频率略低予负载的自然谐振频率。设定初始锬稠角杰，以便在开关毫流反尚 后关断桥臀开关，调节移相角芦，就可以调节逆变器的输出功率。 瑚 q 4 q 3 q 1 q 2 u 曲 厂 厂 。 厂i 一 厂。 厂 厂 叫习闲、 一噙倒一v 图2 3 容性p s 一硎控制方式控制原理 根据亵2 。3 所示备开关管的驱动波形，容程p s p w m 控制方式的工作过程 如下图2 4 所示： 目：固：离三 降d 2酬| ￥ 0 n 0 0 0 n n n n 鱼晶 浙江大学硕士学位论文 第二章电晕处理电源的p s _ p w m 控制技术 但也不宜太小，一般选择在1 0 1 5 0 左右比较合适。 对于感性p s p w m 控制方法来说，移相臂是硬关断的，故应加缓冲电容设 法营造出开关管z v o f f ，缓冲电容的设计可参考文献【2 5 】，实际取o 0 2 u f 1 2 0 0 v 的无感电容。 2 4 感性p s p 删控制电路的实现 2 4 1 电晕机负载谐振频率的变化分析 电晕机负载特性在绪论1 1 2 节中已经有所分析，负载的等效电容会随着放 电的增强而变大，而且负载电容的变化是非线性的，因而负载谐振频率也会随着 负载电容的增大而降低，所以负载谐振频率的跟踪技术也就显得尤为重要。 下表2 2 和2 3 分别是频率不跟踪型p s p w m 和频率跟踪型p s p w m 调 节方式的实验数据的比较： 表2 2 频率不跟踪型p s p 删 f ( k h z )2 5 42 5 42 5 42 5 42 5 42 5 42 5 42 5 42 5 42 5 42 5 4 t ( u s )1 62 43 64 86 08 81 0 81 2 o1 4 41 6 41 7 2 p ( k w )1 21 41 6 51 8 41 9 4 2 2 62 4 2 5 72 72 7 32 8 d0 0 4 0 0 6 o 0 90 1 2o 1 5 0 2 2o 2 7 0 3 0o 3 7 0 4 2o 4 4 表2 3 频率跟踪型p s p 删 f ( k h z ) 2 8 22 8 o2 7 82 6 62 5 4 2 4 12 2 52 1 62 0 61 9 91 9 2 t ( u s ) 2 o4 o5 88 o1 0 21 2 21 5 01 6 81 9 42 1 22 4 0 p ( k w )1 2 1 1 5 52 02 6 43 0 63 4 23 7 63 9 64 2 24 3 64 6 d0 0 6o 1 10 1 6o 2 l0 2 6o 2 9o 3 40 3 6o 4 00 4 2o 4 6 根据表2 2 和2 3 可得下图2 1 2 和2 1 3 ： o o o0 0 5 0 1 0 0 1 5 o 2 0o 上5o 3 0o 3 50 4 0o 50 d 图2 1 2 频率不跟踪型p s p 删、频率跟踪型p s p 吼占空比和功率曲线比较 濮摆摆泌裟裟|l兰摆糍 (量一n 浙江大学硕士学位论文 第二章电晕处理电源的p s p w m 控制技术 图2 1 3 频率不跟踪型p s p 删、频率跟踪型p s p w m 功率和频率变化关系曲线比较 从图2 1 2 和图2 1 3 可以看出，随着输出功率的增大，负载的谐振频率在不 断下降，其功率与谐振频率的变化关系是非线性的。频率跟踪型p s p w m 控制 方式能够很好的跟踪负载频率的变化，因此，在相同条件下该控制方式的输出功 率比频率不跟踪型p s p w m 控制方式的输出功率大得多。 从以上的实验数据可以看出频率跟踪技术对于电晕机负载来说的重要性，下 面一节将介绍频率跟踪技术中应用到的关键技术锁相环技术。 2 4 2 锁相环技术分析 能够完成两个信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称p l l 。锁 相环主要由鉴相器( p c ) 、压控振荡器( v c o ) 、低通滤波器( l p f ) 三部分组成，如下 图2 1 4 所示。 图2 1 4 锁相环结构图 锁相环工作过程：压控振荡器的输出v 0 ( t ) 接至一反馈网络，反馈网络可以 用来保持v b ( t ) 和y o ( t ) 之间一定的关系，例如比例关系或差值关系，可根据电路 需要设定。鉴相器的两个输入信号v i n ( o 和y o ( t ) 相比较后产生正比于两信号相位 差的输出电压v e ( t ) ，经过低通滤波器后，得到一个平均值电压u d ( t ) 。这个平均 值电压u d ( t ) 朝着减小v o ( t ) 和y o ( t ) 相位差的方向变化，赢至两个信号的频率相 同，两相位差保持恒定( 即同步) ，称作相位锁定。 锁相环c d 4 0 4 6 主要由相位比较i 、相位比较i i 、压控振荡器( v c o ) 、线 约勰盯号拈“孙毖纠加伯侣 ( z 工) 一l 濒江大学硬士学位论文 第二章电晕处理电源抟p s _ p w m 控锚技术 性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。 褶位比较嚣l 采建异或门结构，当鼹个输入端信号v i 簿) 弱y o ( t ) 的电平状态 相异时，输出端信号v e ( t ) 为高电平；反之，v e ( t ) 为低电平。当n ( t ) 和y “t ) 的 相位差在o 。1 8 0 。范围内变化时，v c ( t ) 的脉冲宽度亦随之改变，即占空比亦 在改变。 相位比较器i l 对输入信号占空比的要求不离，允许输入非对称波形，当达到 锁定时，相位比较器1 i 的两个输人信号之间保持没有相位篾，因此我们选用相彼 托较器i i 。使用相位托较器h 锬褶的典型波形如下图2 i 5 所示。 款登门 门 芝婶i 广 厂n 镒倒l r 高阻奔 w 嘈 2 厂一 嚣砷厂 厂 圈2 1 5 相位比较器l i 锁相的典型波形 对相位比较器i i 而言，当1 4 脚输入信号比3 脚比较信号频率低时，1 3 脚输 出为逻辑“o ”；浸之1 3 辫剩输敬为逻辑“1 ”。如果两信号的频率相同雨相位不藏， 当输入信号的楣位潆后予毙较馈号时，1 3 脚输出的为正脉冲，压控振荡器的输 入增大，反之则输出为负脉冲，压控振荡器的输入减小。在这两种情况下，在1 脚都有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。1 3 脚输出的正、负脉冲的宽 度均等予耀个输入脉潍上井沿之阂的相位差。蕊当两个输入信号的频率彝摆位均 相同时，1 3 脚的输出为赢阻态，压控振荡器电眶保持不变，l 脚输出高电平。因 此，可以通过1 脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两个输入信号的 相使差，可瑷带来作为信号失镄的依据。 2 4 3 控制系统框图 控创电路朦理图见附录，控制系统的框图如下图2 1 6 所示。控制电路的主 要工作过程如下： 开始阶段由于负载输出电流很小，比较器l 输出为高电平，他激，自激转 换开关不动作，故镁耀环l 工作于他激模式，站对并不对负载频率进行跟踪。 随着负载电流的增大，比较器1 发生翻转输出为低电平，促使他激自激 转换开关工作，将锁相环1 切换到自激工作模式。控制回路中通过过零比较器将 负载正弦波电流转换为方波，经过锬楣环后生成频率跟踪的方波和目频豹三角 波，波形如图2 1 7 中的波形l 和波形2 所示。为避免过零比较器在正弦波过零 点的多次翻转，影响锁相环1 的正常锁相，故在锁相i 前增加了上升沿触发的单 2 4 浙江土学硕上学位论文 第一章电晕盐理电源的p s p w m 控制技术 稳态触发电路提高电路的抗干扰性能。 同频三角波经过锯齿波转换电路转换为如图2 1 7 中波形3 所示的倍频锯 齿波，它和电压给定经比较器2 后可以调节移相角的太小，从而达到调节功率的 目的。通过比较器2 ，将锯齿波和外部电压给定比较后生成脉宽，如图2 t 7 中波 形4 所示，调节给定电压的大小可以调节波形4 的脉宽，波形4 脉宽越小，则输 出电压脉宽越大，因向输出功率越火，反之则相反，从而实现了对输出功率的调 节。由于抗干扰部分对输入有一个最窄脉宽的限制，否则不能正常工作，所以电 压给定必须低于锯齿波的峰值，此虽窄脉宽对应于输出功率最大值。0 1 ( m 经 死区形成电路后接e ) ( b 8 4 l 的隔离驱动电路，驱动主电路巾的全桥i g b t 模块工 作。 锁相环工作于自激工作模式时，可l 三l 实现对负载电流的频率跟踪控制，延时 电路的加入可咀保证负载电流略滞后于逆变器输出电压，保证电路处理感性p s p w m 控制方式，实现开关管的零电压开通。 图2 1 6 控制系统的框图 厂 厂 一 j 一卅黾芽精条一飞 yyl yl i n 兀nnn 几1 厂 厂! 厂 厂 厂 ! 厂 厂 厂 厂 厂 l ： 圉2 1 7 控制电路理论没形图