【摘 要】
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等离子体材料表面改性技术以绿色、高效、稳定性好等优势在高性能材料制造中得到广泛的应用,但是目前使用的激励电源存在效率低、性能差、负载适应性不好等问题,限制了其发展。论文以材料表面改性用等离子体电源为研究对象,通过分析等离子体负载特性和放电能量密度,研究电源硬件电路、高性能混合控制算法以及双处理器软件系统,研制了材料表面改性用等离子体电源样机并进行试验,主要研究内容如下:（1）以介质阻挡放电型等离子
【基金项目】
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2015东莞市引进第三批创新科研团队项目（2017360004004）； 国家自然科学基金资助（51875213）； 东莞市科技装备动员项目（KZ2019-6、KZ2020-01）；
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等离子体材料表面改性技术以绿色、高效、稳定性好等优势在高性能材料制造中得到广泛的应用,但是目前使用的激励电源存在效率低、性能差、负载适应性不好等问题,限制了其发展。论文以材料表面改性用等离子体电源为研究对象,通过分析等离子体负载特性和放电能量密度,研究电源硬件电路、高性能混合控制算法以及双处理器软件系统,研制了材料表面改性用等离子体电源样机并进行试验,主要研究内容如下:（1）以介质阻挡放电型等离子体发生器为例建立负载等效模型,分析了负载特性和放电时等效参数的变化规律,同时从能量传递的角度对放电过程进行研究,指出工作在断续电流模式（DCM）时瞬时输出有效功率更大,能量密度更高,放电效果更好。（2）设计了“级联Buck-Boost+DCM全桥逆变谐振”的电路拓扑,并对其工作模态和调制策略进行分析,通过仿真验证了其可行性。其前级输入电压范围为200V～418V,输出电压范围为0V～750V,电压纹波小于5%,可实现大范围稳定调压控制;后级全桥电路工作频率为20～60k Hz,最大输出功率6k W,且能在全功率范围内实现ZCS软开关,减小开关损耗;设计了一组串联谐振电感,进一步提高了电源的负载适应性。（3）研究了“PAM+PFM”的混合控制策略,前级采用双闭环实现了宽范围稳定调压,并针对外环切换及负载变化时常规PID参数无法调节的问题引入粒子群算法进行优化;后级利用DSP实现基于能量密度的频率自适应调节。通过Simulink仿真验证其前级输出电压最大超调量减少22.9%,稳态误差降低1.1%,系统的动态和静态特性都得到提升;后级在工作频率从50k Hz减小到20k Hz时,瞬时输出功率增大2.14倍,能量密度显著提高。设计了“DSP+STM32”双处理器控制平台,利用其各自的优势实现电源在高精度控制的同时,实现人机交互、状态监测以及通信等功能,提高了电源的稳定性和可靠性。（4）研制出材料表面改性用等离子体电源样机并进行试验测试分析,结果表明电源能够满足不同的输入电压标准,可以在大功率范围内工作在DCM和ZCS状态,能够适应多种等离子体发生器,且可以实现能量密度和频率自适应调节,稳态时最大电压波动在5%以内;同时从负载类型、材料种类、能量密度等方面对材料表面改性效果进行测试分析,验证了能量密度越大时处理效果越好,并指出了改善表面改性效果的方法。
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