【摘 要】
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大气低温等离子体可以改变材料表面的亲水性与粘黏性,广泛应用于制造、金属、医疗、塑料等领域。目前等离子体电源存在损耗大、功率因数低、电流控制能力欠佳等不足,且数字化等离子体电源尚缺乏充分研究。论文以等离子体数字电源为研究对象,在建立等离子体负载等效模型的基础上,设计串联谐振与移相全桥ZVS电路;采用DSP和STM32双核心开发数字峰值电路控制模式（DPCMC）和软件控制系统,研制等离子体表面处理数字
【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）; 东莞市科技装备动员项目（KZ2020-01）
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大气低温等离子体可以改变材料表面的亲水性与粘黏性,广泛应用于制造、金属、医疗、塑料等领域。目前等离子体电源存在损耗大、功率因数低、电流控制能力欠佳等不足,且数字化等离子体电源尚缺乏充分研究。论文以等离子体数字电源为研究对象,在建立等离子体负载等效模型的基础上,设计串联谐振与移相全桥ZVS电路;采用DSP和STM32双核心开发数字峰值电路控制模式（DPCMC）和软件控制系统,研制等离子体表面处理数字谐振电源。主要工作内容如下:（1）通过分析等离子体发生器放电原理,提出发生器负载等效模型,并利用PSIM仿真工具验证,得出非线性变化容性负载的击穿特性与频率特性。在此基础上设计串联谐振电路,补偿容性负载产生的无功功率,有效地提高电源的功率因数最大为0.98。（2）基于DSP实现“Boost+移相全桥ZVS+变压器”串联谐振电路拓扑的数字控制。设计CCM模式的Boost电路,提高电源功率范围至1.5k W;实现移相全桥ZVS电路,减小开关损耗,设定功率600W以上时效率大于95%;利用变压器漏感组成串联谐振电路拓扑,通过谐振升压提高负载两端电压。（3）采用DSP的CMPSS和EPWM模块开发DPCMC控制模式,改善数字谐振电源的动态响应与电流控制性能,实现对电流的逐周期控制。在开关频率40k Hz时过流保护响应时间低至10μs。利用DPCMC调制移相全桥PSPWM驱动,通过调整设定功率修改PSPWM重合角β,获得较好的调功线性度。（4）设计“DSP+STM32”双MCU数字平台,完成数字谐振电源控制与软件操作系统。基于DSP开发状态机电源管理系统,实现准确可靠的控制时序。利用STM32开发Free RTOS操作系统,实现人机交互界面和串口Modbus-RTU通信。（5）对等离子体表面处理数字谐振电源进行测试,研究发生器参数、工艺参数与电源参数对等离子体表面处理效果的影响。结果表明:数字谐振电源适应直喷射流、旋转射流与DBD发生器三种负载,全部实现ZVS,最高效率96.3%。在相同测试条件下,直喷射流发生器表面处理效果最好,最小接触角12.229°。气体压力越大、处理高度越高、速度越快则表面处理效果越差。存在最佳的谐振电感与开关频率组合,使得输出功率最大,表面处理效果最好。
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