0 引言

    高壓水射流清洗技術(shù)是近年來在國際上興起的一門高科技清洗技術(shù)，具有清洗速度快,、效率高,、成本低、清潔環(huán)保,、不腐蝕損傷基體,、適用范圍廣、易于實現(xiàn)自動化和智能化控制等優(yōu)點,，可清洗形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件^[1],。近年來，隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展,，工業(yè)自動化水平日益提高,。為了提高高壓水射流設(shè)備的清洗效率和清洗效果，有研究人員將自動控制技術(shù)運用到射流清洗過程中,。其清洗效果和清洗效率相對于傳統(tǒng)的人工清洗有了很大的提升,，但該過程對于控制系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性具有較高的要求,。因而作為控制系統(tǒng)的驅(qū)動部分,，直流電源輸出的快速性、穩(wěn)定性也有較高的要求,。

    傳統(tǒng)的驅(qū)動電源多以線性直流穩(wěn)壓電源為主,，由于電壓調(diào)整功能的器件始終工作于線性放大區(qū)，因而在應(yīng)用過程中存在著功耗大,、能量轉(zhuǎn)換效率低,、輸出響應(yīng)速度慢等問題。這為線性直流電源的應(yīng)用帶來了很大的局限性,。近年來,，隨著電力電子功率器件的不斷發(fā)展，開關(guān)電源得到了越來越廣泛的應(yīng)用,，其相關(guān)的技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀如文獻(xiàn)[2]所述,。開關(guān)電源具有較多的優(yōu)點,。如內(nèi)部功率損耗小、轉(zhuǎn)換效率高,。隨著超高頻功率變換技術(shù)^[3]的不斷發(fā)展與應(yīng)用,，開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率可以大幅度提高，其轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)90%以上,，即達(dá)到文獻(xiàn)[4]所述合理使用能源,、減少能量損耗的目的。而且開關(guān)電源由于沒有傳統(tǒng)的工頻變壓器,，散熱器相對較小,，因而具有體積小、重量輕的特點,。開關(guān)電源不僅具有以上所說的優(yōu)點,，與其相應(yīng)的電路的控制方法也比較多，如循環(huán)控制方法^[5],、滯環(huán)控制方法^[6],、移相控制方法^[7]等。設(shè)計人員可以根據(jù)實際應(yīng)用的要求和需要,，靈活地選用各種類型的開關(guān)電源電路和控制方法,。

    本文針對傳統(tǒng)線性直流穩(wěn)壓電源與開關(guān)直流電源的以上特點，結(jié)合射流清洗設(shè)備的觸摸屏驅(qū)動電源輸入輸出響應(yīng)要求,。設(shè)計了一種基于傳統(tǒng)線性直流電源電路的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu),，文中首先給出了相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)，并對相應(yīng)的工作原理做了簡要說明,，其次給出了仿真結(jié)構(gòu)圖的搭建方法及結(jié)果分析,，最后給出了所得結(jié)論。

1 傳統(tǒng)線性直流電源概述

    傳統(tǒng)的線性直流電源采用的一般結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,，圖中U_i為電網(wǎng)中引入的220 V工頻交流電，T為變壓器,，U為整流器,，D₁為二極管，R₁~R₆均為電阻,，C₁為穩(wěn)壓電容,，D_z為穩(wěn)壓管，VT₁,、VT₂為工作在線性狀態(tài)的開關(guān)管,，R_L為負(fù)載電阻。

    工作原理簡述如下：工頻交流電U_i,，經(jīng)降壓變壓器T變?yōu)榉悼烧{(diào)的交流電,，然后經(jīng)整流器U整流為脈動的直流電,，最后經(jīng)濾波、緩沖,、輸出反饋,、穩(wěn)壓為負(fù)載提供直流穩(wěn)壓電源。在線性直流電源中開關(guān)管工作在線性放大狀態(tài),，直流穩(wěn)壓電路的種類較多,，為了不失線性直流電源的一般化，此處選取常用的帶放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,，其中VT₁為功率調(diào)整管,，VT₂與R₃組成比較放大電路。

    假設(shè)變壓器T的一次側(cè)電壓為U₁,，二次側(cè)電壓為U₂,，變壓比為n：1，負(fù)載電壓為U_o,，U_i為工頻電網(wǎng)電壓,，若不計及變壓器一次側(cè)損耗、變壓器漏抗,。則當(dāng)空載時,，負(fù)載獲得的平均電壓最大為：

    實際設(shè)計時，往往根據(jù)負(fù)載的情況確定電容C₁的值,。

2 引入Buck變換器的直流穩(wěn)壓電源

2.1 Buck變換器的結(jié)構(gòu)及工作原理

    Buck變換器原理圖如圖2所示,，其中U_i為直流電源，V為IGBT（絕緣柵雙極晶體管）,，D為二極管,，L為電感，C為電容,，R,、R_L均為電阻。

    其工作原理簡述如下：在某一時刻,，驅(qū)動信號控制開關(guān)管V導(dǎo)通,，電源U_i向負(fù)載R_L供電，負(fù)載電壓U_o=U_i,，負(fù)載電流i_o按指數(shù)曲線上升,。當(dāng)開關(guān)管V關(guān)斷時，負(fù)載電流經(jīng)二極管D續(xù)流,，負(fù)載電壓U_o近似為0,，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。若所取電感L值較大,，則負(fù)載電流連續(xù)且輸出脈動較小^[8],。

    假設(shè)V的一個通斷周期為T,，導(dǎo)通時間為t_on，關(guān)斷時間為t_off,，導(dǎo)通占空比為α,，則負(fù)載電壓的平均值：

    由式(3)可知，輸出到負(fù)載的電壓平均值U_o最大為U_i,，減小占空比α,，U_o隨之減小。

2.2 引入Buck變換器的直流穩(wěn)壓電源

    由于傳統(tǒng)線性直流電源存在的上述問題,，本文將Buck變換器引入其中,，同時去除了前置的交流變壓器，將線性直流電源變換為體積小,、重量輕的開關(guān)電源,。其電路原理圖如圖3所示，其中U_i為電網(wǎng)引入的220 V工頻交流電,，U為整流器,，C₁為濾波電容，C₂為穩(wěn)壓電容,，C₃為緩沖電容,，V₁、V₂為IGBT開關(guān)管,，VD₁,、VD₂、VD₃均為二極管,，L₁,、L₂為電感，R₁,、R_L為電阻,。

    其工作原理簡述如下：

    220 V工頻交流電，經(jīng)整流器U整流得到紋波較大的直流電,，經(jīng)濾波電容C₁濾波,，然后經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓形成較為穩(wěn)定的直流電。其輸出到負(fù)載的功率,，可由后置的Buck變換器進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)主開關(guān)管V₁的占空比,，即可得到輸出功率合適的直流電,。圖中V₂、VD₁,、L₁,、C₃構(gòu)成輔助電路,，其作用是實現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓關(guān)斷與開通。

    假設(shè)V₁的導(dǎo)通比為α,，負(fù)載電壓為U_o,，電容C₁兩端的電壓為U_c1，U_i為電網(wǎng)電壓的有效值,，若不計及電路中電感的感抗,，則當(dāng)空載時，負(fù)載獲得的電壓最大為：

    由上述分析不難看出,，含Buck變換器的直流電源比線性直流電源更容易進(jìn)行調(diào)節(jié),，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通比可以滿足不同直流輸出的要求。而線性直流電源的輸出受負(fù)載的大小影響較大,，而較難實現(xiàn)不同直流電源實時輸出的要求,。

    在高壓水射流的應(yīng)用中，對于系統(tǒng)響應(yīng)的實時性有較高的要求,，在不同的應(yīng)用環(huán)境下負(fù)載往往存在較大的變化,。因而，通過以上理論分析可以看出,，含Buck變換器的直流電源能夠更好的適應(yīng)高壓水射流的應(yīng)用需求,，下面通過仿真實驗分析加以說明。

3 兩種電源的MATLAB仿真與分析

3.1 建立電源的仿真結(jié)構(gòu)圖

    在MATLAB的Simulink環(huán)境下,，根據(jù)圖1,、圖3設(shè)計的電路圖搭建仿真結(jié)構(gòu)圖，并根據(jù)負(fù)載要求設(shè)計相應(yīng)的元件參數(shù),。為了更好地反映引入Buck變換器后的電路特點,，在搭建圖3的仿真結(jié)構(gòu)圖時，并未引入專門的控制器,，而是選取了常規(guī)的工頻觸發(fā)脈沖來控制開關(guān)管的通斷,，應(yīng)當(dāng)注意的是，在含有電力電子器件的電路或系統(tǒng)仿真時,，仿真算法一般選用剛性積分算法,，如ode23tb、ode15s等,，這樣可以得到較快的仿真速度^[9],。以下仿真算法選用ode15s。 

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 仿真參數(shù)選取與輸出響應(yīng)曲線

    以射流清洗設(shè)備的觸摸屏驅(qū)動電源輸出要求為例進(jìn)行比較,，其輸出要求：

    直流電源電壓U_o=20.4~26.4 V,，最大輸出功率P_o=7 W。在圖1所示的電路圖中主要參數(shù)選取如下：交流輸入U_i的參數(shù)：U_i=220 V，f=50 Hz,，φ=0°(φ為初相角),。

    變壓器T的參數(shù)：變壓比為1：1。

    電阻R₁=330 Ω,，R₂=1 kΩ,，R₃=R₄=R₅=R₆=R_L=100 Ω，電容C₁=2 000 μF,。按上述主要參數(shù)設(shè)定,，仿真結(jié)果如圖4所示。

    在圖3所示的電路圖中主要參數(shù)選取為：IGBT工作頻率取為工頻,，電感L₁=L₂=0.001 H,，C₁=500 μF，C₂=100 μF,，C₃=2 000 μF,。

    為對兩種電源輸出響應(yīng)進(jìn)行比較與分析，開關(guān)頻率取為工頻,，其他參數(shù)的選取與圖4所示仿真框圖一致,。

    按上述參數(shù)設(shè)定，仿真結(jié)果如圖5所示,。

    同等條件下,，若負(fù)載突變，如取負(fù)載R_L=1 000 Ω,，則根據(jù)上述已搭建好的仿真框圖,，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示,。

    線性直流電源輸出響應(yīng)為U_o=47 V,，I_o=0.047 A。含Buck變換器直流電源的輸出響應(yīng)為U_o=23 V,，I_o=0.023 A,。即在負(fù)載變化較大時，線性直流電源的輸出需要再次做較大的調(diào)整方可滿足輸出要求,。由圖6不難看出,，線性直流電源的響應(yīng)速度也有所下降。

3.2.2 響應(yīng)曲線的分析與比較

    由上述仿真圖形圖4,、圖5不難看出：兩種直流電源在負(fù)載較小時,，均能滿足所需的輸出要求，當(dāng)兩種電源的輸出電壓同為U_o=23 V,，輸出電流為I_o=0.023 A時,，輸出功率均為P_o=5.29 W。由仿真圖形圖6、圖7可以看出當(dāng)負(fù)載較大時,，含buck變換器的直流電源優(yōu)勢較為明顯，通過仿真數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)兩種電源有以下輸出特點：

    在輸出相同直流電壓或電流時,，含Buck變換器的直流電源輸出響應(yīng)時間為0.007 s,，遠(yuǎn)小于線性直流電源的0.5 s，即在線性直流電源中引入Buck變換器后,，電源的輸出響應(yīng)速度明顯增大,，這對于對輸出響應(yīng)實時性要求較高的高壓水射流驅(qū)動電源來說，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,。

    同時,，由仿真圖形對比可以看出上述線性直流電源的輸出響應(yīng)紋波還比較大，若想獲得紋波較小的直流穩(wěn)壓電源,，則需加入相應(yīng)的調(diào)壓裝置,。而開關(guān)管在工頻工作時，含Buck變換器的直流電源在同等條件下,，輸出電壓,、電流波形相對穩(wěn)定。

    值得注意的是,，由于水射流觸摸屏所需的電源輸出功率較小,，因而線性直流電源的穩(wěn)壓裝置中需要相應(yīng)的電阻來減小電壓波動。這就造成了電源自身的損耗增大,，不僅使功率轉(zhuǎn)換效率降低,，還會導(dǎo)致電源發(fā)熱量增加，需要更大的散熱裝置,。而對于含Buck變換器的直流電源,，在開關(guān)管工作在工頻時，開關(guān)損耗幾乎可以忽略不計,。在高頻時,，可以通過輔助電路實現(xiàn)零電壓關(guān)斷、開通,，因而在功率轉(zhuǎn)換電路中的損耗較小,，電源的發(fā)熱量也比較小，即功率轉(zhuǎn)換效率更高,。

    當(dāng)然,，在圖5中還可以看出在0.008 5 s時，輸出響應(yīng)存在著微小的電壓降落,，實際應(yīng)用中還需要加入相應(yīng)的反饋控制器,，或者電壓降落補(bǔ)償器加以調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制回路，以保證輸出響應(yīng)的持續(xù)穩(wěn)定,。

4 結(jié)論

    本文從高壓水射流設(shè)備的實際需求出發(fā),，結(jié)合開關(guān)電源的優(yōu)點，設(shè)計了含Buck變換器的直流穩(wěn)壓電源主電路結(jié)構(gòu),，并以水射流設(shè)備觸摸屏的驅(qū)動要求為例進(jìn)行仿真說明,。通過圖形對比可以發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計的含Buck變換器的直流電源具有輸出響應(yīng)速度快,、功率轉(zhuǎn)換損耗低,、輸出波形穩(wěn)定的特點,。

    在對于輸出響應(yīng)要求較高的電源中,，往往為開關(guān)管設(shè)置專門的控制器,，采用各種各樣的先進(jìn)控制方法，如預(yù)測控制,、自適應(yīng)控制,、模糊PID控制、專家系統(tǒng),、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等,。通過PWM技術(shù)與這些控制方法的有效配合，可以很大程度上提高開關(guān)頻率（在一些電子工業(yè)發(fā)達(dá)和先進(jìn)的國家,，可以做到兆赫級）以提高直流電源的可靠性,，增大輸出功率可調(diào)范圍，實現(xiàn)開關(guān)電源的輕量化,、小型化,。

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作者信息:

王  紅，許加建,，張于賢,，徐學(xué)武

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）