10 kW大功率磁控管控制系統(tǒng)的仿真

姜亮，汪建華，肖非然，秦道東

等離子體化學(xué)與新材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北　武漢　430074

10 kW大功率磁控管控制系統(tǒng)的仿真

姜亮，汪建華*，肖非然，秦道東

等離子體化學(xué)與新材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北武漢430074

對(duì)大功率磁控管控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真是穩(wěn)定磁控管微波功率輸出和系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在.首先，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)和最小二乘法，在Simulink中建立10 kW磁控管的數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì).在控制系統(tǒng)仿真過(guò)程中，控制輸入量為設(shè)定功率所對(duì)應(yīng)的期望輸出電流值，反饋量為磁控管的陽(yáng)極電流，利用Ziegler-Nichols方法對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行整定.最終，仿真系統(tǒng)的功率輸出達(dá)到期望的穩(wěn)定值，將仿真所得與長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐所得進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者的差距甚小.由于仿真得到的控制器性能穩(wěn)定且設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)便，故能夠很好的應(yīng)用于實(shí)際的微波輸出控制系統(tǒng)中.

大功率磁控管；控制系統(tǒng)；Simulink；數(shù)學(xué)模型；仿真

1　引言

目前，在金剛石膜的生產(chǎn)工藝中，用微波放電產(chǎn)生等離子體方法增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的手段得到了越來(lái)越廣泛地應(yīng)用.作為微波放電生產(chǎn)等離子體的裝置中核心單元的磁控管，其輸出功率直接決定了裝置激發(fā)地等離子體的各種參數(shù)，而等離子體參數(shù)又直接影響到金剛石膜的工藝效果，所以說(shuō)，磁控管的穩(wěn)定功率輸出控制具有重要意義［1］.

在微波放電產(chǎn)生等離子體裝置中，磁控管具有輸出功率大、工作電壓高、具有微波輻射和耗能大等特點(diǎn)，同時(shí)這也給搭建硬件調(diào)試的磁控管功率輸出系統(tǒng)帶來(lái)了極大的不便.本文利用Simulink強(qiáng)大的軟件仿真的能力，建立磁控管數(shù)學(xué)模型并設(shè)計(jì)了控制器，實(shí)現(xiàn)了快速、節(jié)能和簡(jiǎn)便地磁控管穩(wěn)定功率輸出控制方式.

2　仿真模型

2.1磁控管特性分析

磁控管是獲取大功率微波能的主要電力電子器件，其特性類(lèi)似于處在正交電磁場(chǎng)空間下的高頻二極管［2］，由于磁控管工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，存在較大的干擾，影響磁控管輸出功率的主要因素有：

1）磁控管工作電場(chǎng)的負(fù)高壓U；

2）磁控管燈絲電流；

3）磁控管工作磁通密度大小B.

其中，在電壓和磁通密度相對(duì)穩(wěn)定的情況下，磁控管燈絲電流變化較小，所以一般不考慮其對(duì)輸出功率的影響［3］.當(dāng)磁控管處于穩(wěn)定磁場(chǎng)中并正常工作時(shí)，輸出的微波功率為

式（1）中，P為輸出功率，α為磁控管的工作效率，U為磁控管的工作電場(chǎng)電壓，I為磁控管的陽(yáng)極電流［4］.從式（1）可以知道，在工作效率的不變和磁場(chǎng)穩(wěn)定的情況下，電場(chǎng)電壓U和隨之變化的陽(yáng)極電流I決定了磁控管的功率輸出大小.

以實(shí)驗(yàn)室中目前正在使用的10 kW大功率微波輸出磁控管CK-619測(cè)量數(shù)據(jù)為藍(lán)本建立磁控管仿真模型.將磁控管的電場(chǎng)電壓保持在-10 kV不變，工作效率α為0.625的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)工作電磁鐵的磁通密度B范圍變化為1 440 Gs到1 590 Gs，功率輸出P在1 kW～10 kW的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)最小二乘法擬合后［5］，得到如下圖1所示的磁通密度B與陽(yáng)極電流I輸出特性曲線.

圖1　B-I關(guān)系曲線Fig.1Relation curve of B and I

在電場(chǎng)電壓為10 kV時(shí)，如圖1左上側(cè)的工作點(diǎn)Q1，其工作電磁場(chǎng)的磁通密度大小為1 450 Gs，陽(yáng)極電流為1.6 A，磁控管的輸出功率為10 kW；右下側(cè)的工作點(diǎn)Q2，工作電磁場(chǎng)的磁通密度大小為1 584 Gs，陽(yáng)極電流為0.16 A，磁控管處于斷續(xù)工作狀態(tài)，磁控管輸出功率約為1 kW.

由此可以看出，在電場(chǎng)電壓一定的情況下，隨磁通密度B增加，磁控管的陽(yáng)極電流I急劇下降，故可以將陽(yáng)極電流信號(hào)的采樣值與給定值相比較，當(dāng)陽(yáng)極電流I大于給定值時(shí)，反饋線路自動(dòng)增大磁通密度B，從而使陽(yáng)極電流I降低；反之，反饋線路則自動(dòng)減小磁通密度B，以使陽(yáng)極電流I上升；以此，通過(guò)改變磁通密度B大小的方法來(lái)穩(wěn)定微波功率輸出。

2.2建立仿真模型

根據(jù)歐姆定律可以知道，電流I的值與電壓U的值成正比，與電阻R的值成反比［6］.當(dāng)磁控管的電場(chǎng)電壓值不變時(shí)，由于陽(yáng)極電流隨磁通密度大小變化而改變，故可以看作磁控管內(nèi)阻的大小會(huì)隨著工作點(diǎn)的不同，其值也發(fā)生變化.在仿真的過(guò)程中，設(shè)定磁控管的電場(chǎng)電壓值基本不變，采用受控電壓源模擬電流隨內(nèi)阻值變化而改變的方式，使磁控管的陽(yáng)極電流值隨著工作點(diǎn)的不同而改變.由2.1節(jié)的最小二乘法擬合出的結(jié)果得到如下公式：

其中，I為磁控管陽(yáng)極電流，U為工作電場(chǎng)負(fù)高壓，Ut為門(mén)檻電壓［7］，Vm為電壓當(dāng)量［8］，R0為內(nèi)阻初值，B為磁通密度，β為比例系數(shù)，B0為特征磁通密度.從式（2）可以知道，陽(yáng)極電流I的大小會(huì)隨著電場(chǎng)電壓和門(mén)檻電壓的變化成指數(shù)關(guān)系變化；由式（3）可以知道，門(mén)檻電壓的大小與特征磁通密度和比例系數(shù)β有關(guān).結(jié)合式（2）和式（3）及圖1得到：電壓當(dāng)量Vm為300，磁控管的內(nèi)阻R0初值為3 000 Ω，β的值為-5.14，B0的值為1 625 Gs.由以上內(nèi)容建立磁控管仿真模型如圖2所示.

其中，管腳1為電場(chǎng)電壓U的輸入端口，管腳2為磁通密度B的輸入端口，管腳3為陽(yáng)極電流I的輸出端口，管腳4為微波功率的輸出端口.由于實(shí)際使用的過(guò)程中電磁線圈中存在金屬護(hù)套和磁控管的陽(yáng)極塊，二者均為磁導(dǎo)體，當(dāng)勵(lì)磁電流發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流阻礙其包圍區(qū)域中磁場(chǎng)的變化，因此工作磁場(chǎng)的變化總是滯后于勵(lì)磁電流的變化，所以在磁控管的仿真模型中，將慣性環(huán)節(jié)加在磁場(chǎng)控制輸入端口后［9］.

圖2　磁控管數(shù)學(xué)模型Fig.2Mathematical model of magnetron

3　PID控制磁控管微波功率

3.1PID控制

比例積分微分（Proportion Integration Differen?tiation，PID）控制是控制器最常用的控制規(guī)律，在工業(yè)范圍內(nèi)獲得了較為廣泛的應(yīng)用［10］.由于磁控管工作的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，存在的干擾量比較大，相對(duì)現(xiàn)階段的其他控制策略來(lái)說(shuō)，由于PID控制策略算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)和可靠性高，故仿真過(guò)程中使用的控制策略是PID控制［11］.

PID控制器是一種線性控制器［12］，它根據(jù)設(shè)定值R（t）與實(shí)際輸出值Y（t）構(gòu)成的控制偏差為

PID的控制規(guī)律為

式（5）中，Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù).

控制系統(tǒng)的控制策略如圖3所示，將功率設(shè)定值換算為設(shè)定電流；通過(guò)陽(yáng)極電流采樣值與設(shè)定電流的偏差作為PID控制器的輸入；由于反饋電流與磁通密度大小負(fù)相關(guān)，故將特征磁通密度B0作為磁場(chǎng)正向偏置，并將PID控制器的輸出值進(jìn)行幅值限制，其中限幅環(huán)節(jié)的上限值為1 650 Gs，下限值為1 420 Gs.

圖3　微波功率輸出系統(tǒng)的PID控制策略示意圖Fig.3Schematic diagram of microwave power output system with PID controller

3.2功率控制仿真實(shí)例與分析

下面對(duì)磁控管功率輸出實(shí)例仿真，設(shè)定輸出功率為10 kW，電場(chǎng)電壓U的值為-10 kV，電場(chǎng)電壓干擾分別為幅值100 V的100 Hz工頻干擾和幅值為300 V的低頻電網(wǎng)波動(dòng)干擾，磁通密度擾動(dòng)的幅值為20 Gs的100 Hz外界干擾，要求磁控管的功率輸出波動(dòng)不大于1%.

在PID參數(shù)設(shè)定過(guò)程中使用了較為常規(guī)的Ziegler-Nichols方法對(duì)PID控制器進(jìn)行初步整定［13］，再經(jīng)過(guò)仿真調(diào)試微調(diào)后，得到本仿真系統(tǒng)的PID控制器的Kp=2.64，Ti=1.53，Td=0.1，圖4為在Simulink中的系統(tǒng)仿真圖.

圖5～圖7為功率設(shè)定值為10 kW時(shí)，階躍響應(yīng)曲線、系統(tǒng)存在電場(chǎng)干擾時(shí)的輸出曲線和存在磁場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)的輸出曲線.

圖4　系統(tǒng)仿真圖Fig.4Diagram of system simulation

圖5　系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線Fig.5Step response curve of system

圖6　電場(chǎng)干擾時(shí)的功率輸出曲線Fig.6Power output curve with electric field noise

圖7　磁場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)的功率輸出曲線Fig.7Power output curve with magnetic field noise

由圖5～圖7可以看出，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)為單調(diào)上升過(guò)程，且沒(méi)有超調(diào)量出現(xiàn)，這是因?yàn)槌{(diào)量有可能造成磁控管損壞，且在制造金剛石薄膜過(guò)程中，磁控管控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求相對(duì)較低，而且較為緩慢的上升過(guò)程，可以給磁控管的其它部分有一個(gè)充足的預(yù)熱過(guò)程［14］.從加入干擾后的響應(yīng)曲線來(lái)看，磁控管的功率輸出沒(méi)有大于1%的情況出現(xiàn)，說(shuō)明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為理想.

3.3結(jié)果

在控制系統(tǒng)仿真過(guò)程中，以磁控管的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了PID控制器.系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線和系統(tǒng)在加入電場(chǎng)干擾時(shí)的功率輸出曲線和磁場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)的功率輸出曲線表明，系統(tǒng)整體為一個(gè)二階欠阻尼系統(tǒng)，輸出約在10 s時(shí)達(dá)到設(shè)定值，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力.仿真所得到的PID控制器參數(shù)和存在干擾時(shí)系統(tǒng)輸出情況與實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐摸索所得到的PID控制器參數(shù)和存在干擾時(shí)系統(tǒng)輸出情況基本相似［15］.如前所述，表明本文建立的磁控管仿真模型是正確而有效的，仿真所得的控制器參數(shù)能被用作實(shí)際控制系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)的參考數(shù)據(jù).

4　結(jié)語(yǔ)

由于磁控管實(shí)際的控制調(diào)試有著成本高、輻射大等各種困難.結(jié)合磁控管的理論特性和實(shí)踐中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了磁控管的數(shù)學(xué)模型；然后以PID控制器為核心建立了磁控管控制仿真系統(tǒng)，在與實(shí)踐中的反復(fù)嘗試所得到結(jié)果對(duì)比后，證實(shí)了本文建立的磁控管模型的正確性，設(shè)計(jì)控制器的合理性.結(jié)果表明磁控管控制系統(tǒng)仿真不僅可以提高微波功率輸出的穩(wěn)定性，還可以縮短系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)周期.

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本文編輯：陳小平

Simulation of Magnetron Control System of 10 kW High Power

JIANG Liang,WANG Jianhua*,XIAO Feiran,QIN Daodong
Hubei Key Laboratory of Plasma Chemical and Advanced Materials（Wuhan Institute of Technology），Wuhan 430074，China

Simulation is the key to stabilize the magnetron microwave power output and design system controller in the magnetron control system of high power.Firstly，the mathematical model of 10 kW magnetron was estab?lished by using Simulink/Matlab software based on the experimental data and least-squares method.Then,the proportion integration differentiation（PID）controller for magnetron control system of high power was designed. In the simulation process,we set the controller's input as the expected current value of the setting power and set the feedback signal as the anode current of magnetron，and adjusted the PID parameters by the Ziegler-Nichols method.Finally,the output power of simulation system reaches the expected value.There is little difference in results between the long-term practice and the simulation.The PID controller can be properly applied into actual microwave output control system with the steady performance and simple design process.

high power magnetron；control system；Simulink；mathematical model；simulation

O539

A

10.3969/j.issn.1674?2869.2016.05.016

1674-2869（2016）05-0495-06

2016-04-23

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃優(yōu)秀中青年人才項(xiàng)目（Q20151517）；武漢工程大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目（K201506）

姜亮，碩士研究生.E-mail：1050673808@qq.com

汪建華，博士，教授.E-mail：wjhwz@126.com