MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法技术

本发明专利技术公开了MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，针对MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁电源，将增量式控制与传统模糊滑模控制相结合，设计了基于增量式切换项的模糊滑模变结构控制方法。本发明专利技术利用滑模控制具有较强鲁棒性的优点，提高系统的动态性能；利用模糊控制对切换项系数进行实时调整，以减小滑模控制中存在的抖振；利用增量式切换项对输出占空比进行调整，以消除实际控制中存在的稳态误差并降低系统对噪声的灵敏度；在每个开关周期内对开关管的占空比进行补偿，动态地调整占空比的大小，在保证较大误差情况下趋近速度同时，保证了滑模面附近的误差精度，改善了系统的总体性能。

Control method of high frequency switching power supply for superconducting magnets used in MCZ silicon single crystal furnace

The invention discloses the control method of the high frequency switching power supply for the superconducting magnets of the MCZ silicon single crystal furnace. A fuzzy sliding mode variable structure control method based on the incremental switching term is designed by combining the incremental control with the traditional fuzzy sliding mode control for the excitation power supply of the superconducting magnet of the MCZ silicon single crystal furnace. The invention uses the advantages of strong robustness of sliding mode control to improve the dynamic performance of the system, and uses fuzzy control to adjust the switching coefficient in real time so as to reduce the chattering in the sliding mode control. The output duty ratio is adjusted by the incremental switching term to eliminate the steady state error in the actual control. The sensitivity of the low system to the noise; the duty ratio of the switch tube is compensated in each switch period, and the duty ratio is dynamically adjusted. At the same time, the error accuracy near the sliding surface is ensured and the overall performance of the system is improved.

【技术实现步骤摘要】
MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法
本专利技术涉及超导励磁电源
，尤其涉MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法。
技术介绍
单晶硅被广泛应用于光伏电池及集成电路的制造。单晶硅的制造方法通常是将多晶硅在高温下融化，再用直拉法或区熔法从熔体中生长出棒状的单晶硅。由于成本及性能的原因，直拉(CZ)法单晶硅材料应用最广。在单晶炉外施加强磁场可以改变炉内溶体对流，在磁场环境下利用CZ法生长硅单晶的方法称为MCZ法，该方法可以控制氧碳等杂质的含量及分布均匀性，进而改善硅单晶的品质。超导磁体具有体积小，容量大、功耗低的特点，被广泛应用于需要强磁场的领域。针对MCZ硅单晶炉，超导磁体励磁电流微小的波动就会引起磁场及分布的较大变化，从而破坏原有的晶体生长环境，影响硅单晶的品质。因此，为了生产出高品质硅单晶，MCZ单晶炉用超导磁体对励磁电源的精度、稳定度和可靠性提出了更高的要求。滑模变结构控制与传统控制方法的主要区别体现在其控制结构的不连续，这种不连续在带来抗扰动能力的同时，也限制了其在高精度控制系统中的应用。滑模控制中的滑模面、趋近项等可根据实际情况进行设计，这为滑模控制的改进提供了便利。模糊控制算法通过不确定的语言对变量进行描述、通过隶属度函数与模糊规则将不连续变量连续化。因此，利用模糊控制的特点对滑模控制的切换项进行调整，可以改善滑模控制中的高频抖振问题。在此基础上，将增量式控制与传统模糊滑模控制相结合，使得在每一个控制周期中，模糊系统根据滑模面系数输出切换项的增量。利用该方法控制超导励磁电源，以提高励磁电源的输出精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，以解决上述技术问题。为实现上述目的本专利技术采用以下技术方案：MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，包括如下步骤：步骤1：开关电源功率部分主电路输入端接入交流电压，经过前级整流模块后，接入DC/DC模块，最后通过滤波处理后输出直流电流；步骤2：超导磁体等效为大电感负载，根据负载及各项参数建立模型；步骤3：根据步骤2中的模型设计模糊滑模控制器，确定切换函数s中的系数和控制律，得到闭环控制系统；步骤4：输出电流信号的隔离采集，采集步骤1输出的直流电流信号，作为反馈信号送给步骤3得到的模糊滑模控制器，将模糊滑模控制器求出控制量输出至PWM驱动器，通过隔离驱动电路控制MOSFET的开关；步骤5：模糊滑模控制器所得的控制量的变化通过隔离驱动电路改变BUCK电路中功率器件的占空比来调节输出电流的大小；当输出电流高于给定值时，减少周期内开通时间，减小占空比；当输出电流低于给定值时，增加周期内的开通时间，增大占空比，通过占空比保证电流的平稳输出。作为本案专利技术进一步的方案，其中步骤2中通过关键参数建立模型，具体参数包括：Vin为输入直流电压，L1为滤波电感，L2为负载电感，C为滤波电容，R为负载电阻，Io为输出电流，Iref为给定电流，d为占空比；具体按照以下步骤实施：输入占空比与输出电流的状态平均模型：建立误差状态方程：求得：作为本案专利技术进一步的方案，其中步骤3和步骤4根据步骤2中的模型设计模糊滑模控制器，确定切换函数s中的系数和系统控制率，得到控制系统，具体按照以下步骤实施：K1、K2、K3分别为误差、微分及二阶微分对滑模面的权值，定义切换函数为：由步骤2中的建立的模型代入上式得：确定参数为：得：等效控制项为：切换控制率取：dsw＝εsgn(s),ε＞0(9)；deq为等效控制项，dsw为滑模切换项，等效滑模控制率为：d＝deq+dsw(10)；改进后控制率为：其中：式(11)中w为比例项对等效控制量进行调节，切换项采用增量模式对误差进行补偿；滑模控制器采用等速趋近律，存在待确定参数ε，该参数是滑模切换项的系数，若参数ε固定，数值较大时，在滑模状态会产生较大抖振，而较小时会以较慢的速度趋近于平衡点，实际在控制过程中该参数应该是一个逐渐减小的量，即以较快的速度逼近给定值，到达预定值后能以较小的抖振幅值维持在滑动模态，因此，采用单输入单输出模糊控制器调整参数ε以满足控制要求，利用加权平均法对输出进行清晰化；定义一个Lyapounov函数式(4)中参数K1>>K2>>K3则有：s＝K1x1+K2x2+K3x3≈K1x1(14)；将式(11)带入式(4)中其中为累加项，则有稳定性得证。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术利用滑模控制具有较强鲁棒性的优点，提高系统的动态性能；利用模糊控制对切换项系数进行实时调整，以减小滑模控制中存在的抖振；利用增量式切换项对输出占空比进行调整，以消除实际控制中存在的稳态误差并降低系统对噪声的灵敏度；这种方法将增量式控制与传统模糊滑模控制相结合，在每个开关周期内对开关管的占空比进行补偿，动态地调整占空比的大小，在保证较大误差情况下趋近速度同时，保证了滑模面附近的误差精度，改善了系统的总体性能。附图说明图1为本专利技术方法(系统总体结构图)步骤1、步骤2中的控制系统及基本拓扑示意图；图2为本专利技术方法模糊滑模控制器基本工作原理图；图3为本专利技术实施例中传统切换项模糊滑模控制的动态响应曲线及其纹波放大图(仿真)；图4为本专利技术实施例中增量式切换项模糊滑模控制动态响应曲线及其纹波放大图(仿真)；图5为本专利技术实施例中增量式切换项模糊滑模控制在不同电感负载下的动态响应曲线(仿真)；图6为本专利技术实施例中增量式切换项模糊滑模控制的电流跟随曲线(仿真)；图7为本专利技术实施例中增量式切换项模糊滑模控制的负载变化响应曲线(仿真)；图8为本专利技术实施例中传统切换项模糊滑模控制的动态响应曲线及其纹波放大图(实验)；图9为本专利技术实施例中增量式切换项模糊滑模控制动态响应曲线及其纹波放大图(实验)；图10为本专利技术实施例中增量式切换项模糊滑模控制的电流跟随曲线(实验)。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细阐述。本专利技术适用于单晶炉超导磁体励磁电源，其系统总体结构图，如图1所示，主要包括：数字控制器DSP，MOSFET驱动电路，主电路，采样电路；输出电流模拟信号通过隔离电流传感器采集，再传至24位A/D转换器，得到的数字信号利用SPI通信传至DSP内。DSP内实现采集数据的转换、控制算法计算、PWM信号的产生等。MOSFET驱动电路对接收到的PWM信号进行放大给予开关器件，保证器件的可靠开关；主电路采用BUCK型电路主要参数包括：输入直流电压Vin，滤波电感L1，负载电感L2，滤波电容C，负载电阻R，输出电流Io。MCZ单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：开关电源功率部分主电路输入端接入交流电压，经过前级整流模块后，接入DC/DC模块，最后通过滤波处理后输出直流电流。步骤2：超导磁体等效为大电感负载，根据负载及各项参数建立模型，具体参数包括：DC/DC模块输入电压Vin，滤波电感L1，滤波电容C，负载电感L2，负载电阻R，Iref为给定电流，d为占空比。步骤2具体实施过程：输入占空比与输出电流的状态平均模型：建立误差状态方程：求得：获得被控电源模型后，通过基于增量式切换项的模糊滑模控制方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：开关电源功率部分主电路输入端接入交流电压，经过前级整流模块后，接入DC/DC模块，最后通过滤波处理后输出直流电流；步骤2：超导磁体等效为大电感负载，根据负载及各项参数建立模型；步骤3：根据步骤2中的模型设计模糊滑模控制器，确定切换函数s中的系数和控制律，得到闭环控制系统；步骤4：输出电流信号的隔离采集，采集步骤1输出的直流电流信号，作为反馈信号送给步骤3得到的模糊滑模控制器，将模糊滑模控制器求出控制量输出至PWM驱动器，通过隔离驱动电路控制MOSFET的开关；步骤5：模糊滑模控制器所得的控制量的变化通过隔离驱动电路改变BUCK电路中功率器件的占空比来调节输出电流的大小；当输出电流高于给定值时，减少周期内开通时间，减小占空比；当输出电流低于给定值时，增加周期内的开通时间，增大占空比，通过占空比保证电流的平稳输出。

【技术特征摘要】
1.MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：开关电源功率部分主电路输入端接入交流电压，经过前级整流模块后，接入DC/DC模块，最后通过滤波处理后输出直流电流；步骤2：超导磁体等效为大电感负载，根据负载及各项参数建立模型；步骤3：根据步骤2中的模型设计模糊滑模控制器，确定切换函数s中的系数和控制律，得到闭环控制系统；步骤4：输出电流信号的隔离采集，采集步骤1输出的直流电流信号，作为反馈信号送给步骤3得到的模糊滑模控制器，将模糊滑模控制器求出控制量输出至PWM驱动器，通过隔离驱动电路控制MOSFET的开关；步骤5：模糊滑模控制器所得的控制量的变化通过隔离驱动电路改变BUCK电路中功率器件的占空比来调节输出电流的大小；当输出电流高于给定值时，减少周期内开通时间，减小占空比；当输出电流低于给定值时，增加周期内的开通时间，增大占空比，通过占空比保证电流的平稳输出。2.如权利要求1所述的MCZ硅单晶炉用超导磁体励磁高频开关电源的控制方法，其特征在于，其中步骤2中通过关键参数建立模型，具体参数包括：Vin为输入直流电压，L1为滤波电感，L2为负载电感，C为滤波电容，R为负载电阻，Io为输出电流，Iref为给定电流，d为占空比；具体按照以下步骤实施：输入占空比与输出电流的状态平均模型：建立误差状态方程：求得：3.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦尚彬，张磊，刘丁，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61