0 引言

    高壓水射流清洗技術是近年來在國際上興起的一門高科技清洗技術，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，可清洗形狀結構復雜的零部件^[1]。近年來，隨著自動控制技術的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化水平日益提高。為了提高高壓水射流設備的清洗效率和清洗效果，有研究人員將自動控制技術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)，因而在應用過程中存在著功耗大、能量轉換效率低、輸出響應速度慢等問題。這為線性直流電源的應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，開關電源得到了越來越廣泛的應用，其相關的技術及發(fā)展現(xiàn)狀如文獻[2]所述。開關電源具有較多的優(yōu)點。如內(nèi)部功率損耗小、轉換效率高。隨著超高頻功率變換技術^[3]的不斷發(fā)展與應用，開關電源的轉換效率可以大幅度提高，其轉換效率可高達90%以上，即達到文獻[4]所述合理使用能源、減少能量損耗的目的。而且開關電源由于沒有傳統(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。開關電源不僅具有以上所說的優(yōu)點，與其相應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。設計人員可以根據(jù)實際應用的要求和需要，靈活地選用各種類型的開關電源電路和控制方法。

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

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構形式如圖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)的開關管，R_L為負載電阻。

    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)壓為負載提供直流穩(wěn)壓電源。在線性直流電源中開關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。

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

    實際設計時，往往根據(jù)負載的情況確定電容C₁的值。

2 引入Buck變換器的直流穩(wěn)壓電源

2.1 Buck變換器的結構及工作原理

    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，驅動信號控制開關管V導通，電源U_i向負載R_L供電，負載電壓U_o=U_i，負載電流i_o按指數(shù)曲線上升。當開關管V關斷時，負載電流經(jīng)二極管D續(xù)流，負載電壓U_o近似為0，負載電流呈指數(shù)曲線下降。若所取電感L值較大，則負載電流連續(xù)且輸出脈動較小^[8]。

    假設V的一個通斷周期為T，導通時間為t_on，關斷時間為t_off，導通占空比為α，則負載電壓的平均值：

    由式(3)可知，輸出到負載的電壓平均值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。其輸出到負載的功率，可由后置的Buck變換器進行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)主開關管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構成輔助電路，其作用是實現(xiàn)主開關管的零電壓關斷與開通。

    假設V₁的導通比為α，負載電壓為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，則當空載時，負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行調(diào)節(jié)，通過控制開關管的導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。

    在高壓水射流的應用中，對于系統(tǒng)響應的實時性有較高的要求，在不同的應用環(huán)境下負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高壓水射流的應用需求，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 建立電源的仿真結構圖

    在MATLAB的Simulink環(huán)境下，根據(jù)圖1、圖3設計的電路圖搭建仿真結構圖，并根據(jù)負載要求設計相應的元件參數(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的仿真結構圖時，并未引入專門的控制器，而是選取了常規(guī)的工頻觸發(fā)脈沖來控制開關管的通斷，應當注意的是，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 仿真結果與分析

3.2.1 仿真參數(shù)選取與輸出響應曲線

    以射流清洗設備的觸摸屏驅動電源輸出要求為例進行比較，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)設定，仿真結果如圖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進行比較與分析，開關頻率取為工頻，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)設定，仿真結果如圖5所示。

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

    線性直流電源輸出響應為U_o=47 V，I_o=0.047 A。含Buck變換器直流電源的輸出響應為U_o=23 V，I_o=0.023 A。即在負載變化較大時，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速度也有所下降。

3.2.2 響應曲線的分析與比較

    由上述仿真圖形圖4、圖5不難看出：兩種直流電源在負載較小時，均能滿足所需的輸出要求，當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可以看出當負載較大時，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時間為0.007 s，遠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，電源的輸出響應速度明顯增大，這對于對輸出響應實時性要求較高的高壓水射流驅動電源來說，具有較強的適應性。

    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，則需加入相應的調(diào)壓裝置。而開關管在工頻工作時，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，不僅使功率轉換效率降低，還會導致電源發(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，在開關管工作在工頻時，開關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)零電壓關斷、開通，因而在功率轉換電路中的損耗較小，電源的發(fā)熱量也比較小，即功率轉換效率更高。

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

4 結論

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

    在對于輸出響應要求較高的電源中，往往為開關管設置專門的控制器，采用各種各樣的先進控制方法，如預測控制、自適應控制、模糊PID控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。通過PWM技術與這些控制方法的有效配合，可以很大程度上提高開關頻率（在一些電子工業(yè)發(fā)達和先進的國家，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)開關電源的輕量化、小型化。

參考文獻

[1] 常安全，眭小利，黃彬.高壓水射流清洗機器人的研制[J].清洗世界，2016(11)：43-48.

[2] 張純亞，何林，章治國.開關電源技術發(fā)展綜述[J].微電子學，2016(2)：255-260.

[3] 徐殿國，管樂詩，王懿杰，等.超高頻功率變換器研究綜述[J].電工技術學報，2016(19)：26-36.

[4] GARCIA J，CALLEJA A J，ROMINAS E L，et al.Inter-leaved buck converter for fast PWM dimming of high-brightness LEDs[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011：2627-2636.

[5] PILAWA-PODGURSKI R C N，SAGNERI A D，RIVAS J M，et al.Very-high-frequency resonant boost converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2007，24(6)：1654-1665.

[6] SUBRAMANIAN K，SARATH KUMAR V K，SARAVANAN E M，et al.Improved one cycle control of DC-DC buck converter[C]//IEEE International Conference on Advanced Communication Control and Computing Technologies.IEEE，2015：219-223.

[7] KOVACEVIC M，KNOTT A，ANDERSEN M A E.A VHF interleaved self-oscillating resonant SEPIC converter with phase-shift burst-mode control[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition-Apec.IEEE，2014：1402-1408.

[8] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].第5版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[9] 林飛，杜欣.電力電子應用技術的MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2008.

作者信息:

王  紅，許加建，張于賢，徐學武

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林541004）