CN120803189B - 基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波源技术领域，提供了基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法、装置及系统，其中方法包括执行若干个周期，第n个周期包括以下步骤：获取并执行控制策略，然后采集磁控管的实时功率，若磁控管的实时功率与目标功率的偏差值处于设定范围则n个周期全部完成，否则进入第n+1个周期，n≥1；所有周期完成后，若实时功率与目标功率的偏差值大于设定值，且持续时间超过设定时间，则重新执行功率输出方法。本发明的方法采用了灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略，三大策略协同作用，这种多策略的有机融合，让磁控管的运行更具稳定性与适应性。

Description

基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法、装置及系统

技术领域

本发明属于微波源技术领域，特别涉及基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法、装置及系统。

背景技术

在工业微波应用场景中，微波发生器对磁控管的功率控制仍存在诸多明显缺陷，主要体现在以下方面：

一是灯丝控制的单一的问题。若灯丝电流过低，会造成阴极温度不足，导致电子发射能量衰减，引发功率瞬间跌落；情况严重时，还会出现打火、频率波动等现象，不仅缩短磁控管使用寿命，甚至可能直接造成器件损坏。反之，灯丝电流过高则会使阴极温度过高，引发电子过度发射，导致长期工作状态下的功率衰减，使用寿命缩短近半。

二是磁场固化带来的限制。普通磁控管采用永磁体设计，磁场强度无法调节；工业用磁控管虽改用电磁铁，却缺乏与灯丝发射特性的协同控制策略，易导致电子云失稳（如轮辐状分布的聚散失调）。

此外，还存在寿命与功率的固有矛盾：灯丝过热会加速阴极老化，而磁场过强则可能引发电子回轰导致熄火，这些问题均制约着磁控管的稳定运行。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提出基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法、装置及系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，执行若干个周期，第n个周期包括以下步骤：

获取并执行控制策略，控制策略包括灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略；

执行控制策略后，采集磁控管的实时功率，若磁控管的实时功率与目标功率的偏差值处于设定范围则n个周期全部完成，否则进入第n+1个周期，n≥1；

所有周期完成后，若实时功率与目标功率的偏差值大于设定值，且持续时间超过设定时间，则重新执行功率输出方法。

进一步的，获取并执行控制策略之前还包括在周期之内或之外的准备步骤，准备步骤包括；

获取磁控管的目标功率；

基于目标功率确定磁控管所处的功率区间，并根据功率区间确定对应的控制策略。

进一步的，基于目标功率判断磁控管所处的功率区间，包括以下步骤：

将目标功率与磁控管的额定功率进行对比以确定磁控管所处的功率区间。

进一步的，功率区间包括低功率段和高功率段，基于功率区间执行对应灯丝电流控制策略，包括根据功率区间执行控制参数调取指令，以生成与各功率区间对应的控制策略；

控制参数包括校正因子常数K ₃、灯丝电流指数a、磁场强度指数b、磁控管参数K、初始的磁场电流参考值、初始的灯丝电流参考值、PID参数和解耦补偿系数。

进一步的，所述功率区间包括低功率段、中功率段和高功率段；

低功率段对应的控制策略包括：设定磁场电流为额定磁场电流的37%~42%；执行对应的灯丝电流控制策略和功率控制策略；中功率段对应的控制策略包括：执行对应的灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略；高功率段对应的控制策略包括：设定灯丝电流的值小于额定灯丝电流的20%；执行对应的磁场电流控制策略和功率控制策略。

进一步的，执行灯丝电流控制策略，包括以下步骤：

生成灯丝电流的参考值；

采集磁控管的实时灯丝电流，并与灯丝电流的参考值进行对比；

基于对比结果输出第一控制指令以调节磁控管的灯丝电流，形成灯丝电流的闭环控制。

进一步的，灯丝电流的参考值满足：

；

式中，表示灯丝电流的参考值；表示上一周期磁场电流的参考值；为目标功率K ₃为校正因子常数；a为灯丝电流指数；b为磁场强度指数；K为磁控管参数，为常数。

进一步的，执行磁场电流控制策略，包括以下步骤：

生成磁场电流的参考值；

采集磁控管的实时磁场电流，并与磁场电流的参考值进行对比；

基于对比结果输出第二控制指令以调节磁控管的磁场电流，形成磁场电流的闭环控制。

进一步的，磁场电流的参考值满足：

；

式中，表示磁场电流的参考值；表示上一周期灯丝电流的参考值；为目标功率；K ₃为校正因子常数；a为灯丝电流指数；b为磁场强度指数；K为磁控管参数，为常数。

进一步的，执行功率控制策略，包括以下步骤：

灯丝电流控制策略和/或磁场电流控制策略执行完成后，采集磁控管的实时功率，并与目标功率进行对比；

基于对比结果输出灯丝电流和磁场电流的修正量；

将磁控管的实时功率、灯丝电流的修正量以及磁场电流的修正量输入至下一周期。

进一步的，当目标功率大于0且小于等于30%额定功率时，磁控管处于低功率段；当目标功率大于30%且小于等于70%额定功率时，磁控管处于中功率段；当目标功率大于70%且小于等于100%额定功率时，磁控管处于高功率段。

本发明提供一种基于灯丝电流与磁场电流的功率输出装置，装置包括磁控管和给磁控管供电的微波电源，装置还包括处理器，处理器用于执行上述的方法。

本发明还提供一种基于灯丝电流与磁场电流的功率输出系统，包括：

第一处理单元，用于获取磁控管的目标功率；以及，用于基于目标功率判断磁控管所处的功率区间；以及，用于磁控管的实时功率处于设置范围时判定n个周期全部运行完成，否则第一处理单元执行下一个周期；

控制单元，用于基于功率区间执行对应的控制策略，控制策略包括灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略；

功率传感器，用于执行控制策略后，采集磁控管的实时功率；

启动单元，用于所有周期完成后，若实时功率与目标功率的偏差大于设定值，且持续时间超过设定时间，则重新启动第一处理单元、控制单元和功率传感器执行对应的策略。

进一步的，控制单元包括：

灯丝电流控制器，用于生成灯丝电流的参考值；以及，采集磁控管的实时灯丝电流；

灯丝环PID调节器，用于将磁控管的实时灯丝电流与灯丝电流的参考值进行对比，基于对比结果输出第一控制指令以调节磁控管的灯丝电流，形成灯丝电流的闭环控制；

磁场电流控制器，用于生成磁场电流的参考值；以及，用于采集磁控管的实时磁场电流；

磁场环PID调节器，用于将磁控管的实时磁场电流与磁场电流的参考值进行对比，基于对比结果输出第二控制指令以调节磁控管的磁场电流，形成磁场电流的闭环控制；

以及，功率PID调节器，用于在灯丝电流控制策略和/或磁场电流控制策略执行完成后，将磁控管的实时功率与目标功率进行对比，并基于对比结果输出灯丝电流和磁场电流的修正量，将磁控管的实时功率、灯丝电流的修正量以及磁场电流的修正量输入至下一周期。

本发明的有益效果：

本发明的方法采用了灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略，三大策略协同作用，一方面，通过精准把握灯丝电流与电子发射密度的动态关联，打破了传统灯丝控制单一化的局限，可根据实际需求灵活调节电子发射状态；另一方面，借助磁场强度与磁场电流的对应关系实现磁场的动态调控，既解决了永磁体磁控管磁场固化不可调的问题，又弥补了工业磁控管中磁场与灯丝发射特性缺乏协同的缺陷；功率控制策略可以反馈灯丝电流控制策略和磁场电流控制策略的结果，并可以计算出下一周期的修正量，这种多策略的有机融合，让磁控管的运行更具稳定性与适应性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法的第一实施例；

图2示出了本发明的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法的第二实施例；

图3示出了本发明的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，执行若干个周期，第n个周期包括以下步骤：

获取并执行控制策略，所述控制策略包括灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略；

执行控制策略后，采集磁控管的实时功率，若磁控管的实时功率与目标功率的偏差值处于设定范围则n个周期全部完成，否则进入第n+1个周期，n≥1；

所有周期完成后，若实时功率与目标功率的偏差值大于设定值，且持续时间超过设定时间，则重新执行功率输出方法。

其中，在执行若干个周期之前或者在每个周期内，还可以包括准备步骤。准备步骤包括：

获取磁控管的目标功率；基于目标功率确定磁控管所处的功率区间，并根据功率区间确定对应的控制策略。

示例性地，在获取磁控管的目标功率之后，可以将目标功率与磁控管的额定功率进行对比以确定磁控管所处的功率区间。然后根据功率区间执行控制参数调取指令，从而生成与各所述功率区间对应的控制策略。

具体地，本申请实施例中所划分的功率区间至少有两个。控制参数包括校正因子常数K ₃、灯丝电流指数a、磁场强度指数b、磁控管参数K、初始的磁场电流参考值、初始的灯丝电流参考值、PID参数和解耦补偿系数。可以理解，不同的功率区间可以有不同的控制参数。

可以理解，功率区间是针对额定功率的可调范围设计的功率段，不同的输出功率下，磁控管的工作状态存在不同，本申请通过划分出不同的功率区间（即后文中的功率段），针对不同的功率区间使用对应的控制策略，优化对磁控管的控制。示例性地，功率区间可以设置3个，分别是低功率段、中功率段和高功率段。可以理解，也可以针对不同的磁控管设计不同数量的功率区间，功率区间的数量也可以是2个（例如仅划分为高功率段和低功率段），功率区间的数量也可以是3个以上（例如除了高功率段和低功率段之外，设置至少两个中功率段）。

每一个功率区间/功率段对应着不同的控制策略，本申请中，每个功率区间的控制策略具体为：灯丝电流控制策略和磁场电流控制策略中的至少一个；以及功率控制策略。

在本申请的实施例中：

低功率段对应的控制策略可以为：设定磁场电流为固定值，例如可以设置为额定磁场电流的37%~42%；执行对应的灯丝电流控制策略和功率控制策略。

低功率段对应的控制策略还可以为：执行对应的灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略。

中功率段对应的控制策略可以为：执行对应的灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略。

高功率段对应的控制策略可以为：设定灯丝电流的值为固定值，例如可以设置为小于额定灯丝电流的20%，执行对应的磁场电流控制策略和功率控制策略。

高功率段对应的控制策略也可以为： 执行对应的灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略。

以下将结合附图所示具体实施例对本申请的功率输出方法进行详细说明。

如图1所示，为一种基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，其执行若干个周期，第n个周期包括以下步骤：

S1：获取磁控管的目标功率。

S2：基于目标功率判断磁控管所处的功率区间。

S3：基于功率区间执行对应的控制策略，控制策略包括灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略。

S4：执行控制策略后，采集磁控管的实时功率，若其处于设定范围则n个周期（本周期）全部完成，否则进入下一个周期，n大于等于1。

S5：所有周期完成后，若实时功率与目标功率的偏差大于设定值，且持续时间超过设定时间，则重新执行功率输出方法。

需要说明的是，磁控管为产生电子的器件，灯丝为磁控管的一部分，磁场电流是针对电磁铁，电磁铁是用于产生磁场的器件，通常是加装在磁控管的管体外侧；通过控制输入给磁控管的灯丝电流、和输入给电磁铁的磁场电流，控制磁控管的电子发射。本实施例中的磁控管理解为包括管体和电磁铁在内的整体，目标功率理解为磁控管输出功率的目标值。

为了帮助理解磁控管各参数之间的关系，在S1-S4中，灯丝电流（I _f）为电子发射密度调控变量、以磁场电流（I _m）为电子回旋运动调控变量，通过建立两者与输出功率的非线性映射关系，实现功率输出的精准控制。因此在执行S1-S4时需要了解灯丝电流与电子发射密度之间的非线性映射关系、磁场强度与磁场电流之间的函数关系，以及磁控管的输出功率与电子发射密度和磁场电流的关系。

1）电子发射密度与灯丝电流的映射关系

灯丝温度T与电流满足焦耳定律：

；（1）

式中，K ₁为热功转换系数（取0.85~0.92），R _f为灯丝电阻（25℃时为0.023~0.15Ω），t为灯丝通电时间（s），K ₂为散热系数（取0.02~0.05），T ₀为环境温度（℃）；I _f表示灯丝电流（A）。

电子发射密度J遵循理查森-德西曼方程：

；（2）

式中，A为理查森常数（取32A/(cm^2.K²)，φ为逸出功（钨灯丝取 4.5eV），K _b为玻尔兹曼常数（1.380649×10 ²³J/K）；T _阴极表示灯丝（阴极）的绝对温度，T为灯丝温度（℃）。

2）磁场强度与磁场电流关系

；（3）

式中，K ₃为校正因子常数，μ₀为真空磁导率（4π×10 ⁷H/m），N为线圈的总匝数，I _m为磁场电流，单位A；L为线圈长度，单位米。

3）灯丝电流、磁场电流协同功率输出关系，即磁控管的输出功率与电子发射密度和磁场电流的关系

；（4）

式中，K ₄为校正因子常数（取0.002~0.01），J为磁控管的电子发射密度，单位是A/m²；B为磁场强度，单位A/m；V _a为阳极电压，单位为v；η为转换效率（通常磁控管的转换效率为0.6~0.9）；P为磁控管的输出功率，单位为W，理想状态下其计算的结果可以等于为目标功率。

对于S1，结合图1的内容可知，基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法通常包含n个周期，其中第一个周期的S1与后续周期的S1存在一定差异。具体而言，第一个周期需根据需求设定一个目标功率，该目标功率可通过公式（4）计算得出。示例性地，当一个周期结束后，需判断实时功率与目标功率的偏差是否在预定的范围内（示例性地，预定范围可以设置为3%Pn，Pn为额定功率）的范围内，若满足这个条件表明整个流程完成。

在S2中，基于目标功率判断磁控管所处的功率区间，包括以下步骤：

S201：目标功率与磁控管的额定功率进行对比以确定磁控管所处的功率区间。

S202：当目标功率大于0且小于等于30%额定功率时，磁控管处于低功率段；当目标功率大于30%且小于等于70%额定功率时，磁控管处于中功率段；当目标功率大于70%且小于等于100%额定功率时，磁控管处于高功率段。

需要进一步说明的是，S2中各功率段对应的灯丝电流和磁场电流的调节方式不同，本实施例不对其进行具体的限定，示例性地：

当处于低功率段时：固定磁场电流为额定值的 37%-42%，执行对应的灯丝电流控制策略和功率控制策略，包括调节灯丝电流主导功率输出，其中系数a=2.3，b=0.6（a为灯丝电流指数，b为磁场强度指数）；

当处于中功率段时：执行对应的灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略，包括灯丝电流与磁场电流协同调节，其中系数a=2.0，b=0.9；

当处于高功率段时：固定灯丝电流为额定值的 0-20%，执行对应的磁场电流控制策略和功率控制策略，包括调节磁场电流主导功率输出，其中a=1.8，b=1.2。

在S3中，基于功率区间执行对应灯丝电流控制策略，包括根据功率区间执行控制参数调取指令，以生成与各功率区间对应的控制策略。控制参数包括校正因子常数K ₃、灯丝电流指数a、磁场强度指数b、磁控管参数K、初始的磁场电流参考值、初始的灯丝电流参考值、PID参数和解耦补偿系数

示例性地，在中功率段时，灯丝电流控制策略和磁场电流控制策略可以同步进行，其中执行灯丝电流控制策略时包括以下步骤：

S301a：生成灯丝电流的参考值。

S302a：采集磁控管的实时灯丝电流，并与灯丝电流的参考值进行对比。

S303a：基于对比结果输出第一控制指令以调节磁控管的灯丝电流，形成灯丝电流的闭环控制。

需要进一步地说明的是，执行灯丝电流控制策略需要灯丝电流控制器，其用于采集灯丝电流，控制电子发射密度。通过灯丝电流控制可以实现磁控管阴极的温度控制，减小由温度带给阳极电流和输出功率的影响。

具体地，在步骤S301a中，灯丝电流的参考值满足：

；（5）

式中，表示灯丝电流的参考值；表示上一周期磁场电流的参考值；为目标功率K ₃为校正因子常数；a为灯丝电流指数；b为磁场强度指数；K为磁控管参数，为常数。

在S3中，执行磁场电流控制策略时包括以下步骤：

S301b：生成磁场电流的参考值。

S302b：采集磁控管的实时磁场电流，并与磁场电流的参考值进行对比。

S303b：基于对比结果输出第二控制指令以调节磁控管的磁场电流，形成磁场电流的闭环控制。

需要说明的是，执行磁场电流控制策略需要使用磁场电流控制器，其可以采集磁场电流，并通过对电子运动轨迹的精准调控，确保电子能够稳定维持轮摆线运动状态，且与微波场保持同步。这一控制机制可有效降低两种不良情况的影响：一是磁场过弱时，电子会直接抵达阳极，无法形成振荡；二是磁场过强时，电子会返回阴极，导致系统熄火。

具体地，在步骤S301b中，磁场电流的参考值满足：

；（6）

式中，表示磁场电流的参考值；表示上一周期灯丝电流的参考值；为目标功率；K ₃为校正因子常数；a为灯丝电流指数；b为磁场强度指数；K为磁控管参数，为常数。

本申请的一个实施例中，对于公式（5）和公式（6）中的灯丝电流指数a和磁场强度指数b可以通过多组实验数据拟合得到，实验步骤为：通过调节不同目标功率，进行多次功率输出调节实验，并记录系统稳定后a、b参数的实测值。采用最小二乘法拟合计算。详见表1。

表1

通过表1，采用最小二乘法拟合得：a=2.31-0.0052×P(±0.03)，b=0.61+0.0058×(±0.03)。

另外，由表1可知，拟合公式计算值与实验测得值的误差均≤±0.03，符合文档中拟合精度要求。且低功率段a值较高(2.29~2.30)，说明灯丝电流对功率影响更显著；因此，本申请一实施例中，低功率段采用的控制策略为设置磁场电流为固定值，同时执行对应的灯丝电流控制策略和功率控制策略。而高功率段a值降低、b值升高，体现磁场电流主导功率调节的特性。因此，本申请一实施例中，高功率段采用的控制策略为设置灯丝电流为固定值，同时执行对应的磁场电流控制策略和功率控制策略。

本申请中，将前期通过多次试验拟合到各种功率段对应的灯丝电流指数a和磁场强度指数b的数值预先存储在系统中，以便于后续通过程序指令调取。

在S3中，在灯丝电流控制策略和/或磁场电流控制策略完成后，可以执行功率控制策略，包括以下步骤：

S304：采集磁控管的实时功率，并与目标功率进行对比；S305：基于对比结果输出灯丝电流和磁场电流的修正量；S306：将磁控管的实时功率、灯丝电流的修正量以及磁场电流的修正量输入至下一周期。

需要说明的是，在S306中，由于本周期实时功率与目标功率可能还存在一定的偏差，该偏差可以对应对于灯丝电流和磁场电流的修正量，该修正量在下一个周期的灯丝电流和磁场电流的控制调节中使用。

在S4中，需要将磁控管的实时功率与目标功率进行对比，若实时功率与目标功率的偏差值处于设定范围内则流程结束，不再进入下一周期。本实施例不对设定范围进行具体的限定，示例性的，实时功率与目标功率的偏差值≤3%Pn（Pn为额定功率，也可选为2%Pn、1%Pn或0.5%Pn），即可认为n个周期全部完成。

总的来说，基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法根据磁控管的特性，分别对灯丝电流、磁场电流和输出功率这三个量进行采集和监控，同时对灯丝电流和磁场电路进行PID调节，使最终的实时（输出）功率满足预先设定的目标功率。

以某次实验的第一个周期为例，其过程如下：

设定目标功率：用户输入目标功率（如1.8kW），系统获取该目标功率。

区间判断：=30%Pn（Pn为额定功率，假设Pn=6kW），判断功率区间为低功率段，确定控制策略为与低功率段对应的控制策略。

初始化：加载磁控管参数（K=0.476，a=2.3，b=0.6），设置初始的灯丝电流I _f0=32A，初始的磁场电流I _m0=0.74A。

解算输出：固定磁场电流为额定值（示例性地，额定磁场电流为2A）的 37%，调节灯丝电流主导功率输出；计算磁场电流的参考值≈0.8A，灯丝电流的参考值≈9.9A。

闭环调节：

灯丝电流控制策略：对比本周期的灯丝电流与灯丝电流参考值（ +ΔI _f1）的偏差，之后通过灯丝环PID调节器输出PWM占空比。

磁场电流控制策略：对比本周期的磁场电流与磁场电流参考值的偏差，之后通过磁场环PID调节器输出PWM占空比。

功率控制策略：计算本周期实时（输出）功率与目标功率的偏差，根据偏差输出灯丝电流I _f的修正量I _f1；根据偏差输出磁场电流I _m的修正量I _m1。

在S5中，当所有周期执行完成后，结束控制调节流程。可以理解，此时磁控管已经进入了正常的工作状态，并以目标功率输出。

当检测到磁控管的实时功率与目标功率的偏差值大于额定功率的5%，且持续时间超过200ms时，则需要重新运行S1-S5。

如图2所示，其给出了基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法的另一可选实施方式，其中步骤A1和A2不参与周期，具体如下：

A1：获取磁控管的目标功率。

A2：基于目标功率判断磁控管所处的功率区间。

A3：执行若干个周期，第n个周期包括以下步骤：

A301：基于功率区间执行对应的控制策略，控制策略包括灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略。

A302：执行控制策略后，采集磁控管的实时功率，若其处于设定范围则n个周期全部完成，否则进入第n+1个周期，n大于等于1。

A4：所有周期完成后，停止调节控制过程，磁控管按照目标功率输出。后续若检测到实时功率与目标功率的偏差大于设定值，且持续时间超过设定时间，则重新启动调节控制过程，执行功率输出方法。

需要说明的是图2的方法与图1的区别在于周期的起始点不同，其中图1的步骤S1和S2参与在周期之内，图2的步骤A1和A2在周期之外，对于图2的方法而言，其可用于目标功率确定不变的应用场景，步骤A1和A2是否参与循环并不会影响最终的输出结果，其运行结果与图1的方法相同。装置及系统可根据实际需求自动修改两种方法的循环相关设置。

在一些情况下，在基于灯丝电流与磁场电流对磁控管输出功率进行调节控制的过程中，设定的目标功率可能会有变化。例如用户更改目标功率值。在此种情况下，可以选择执行如图1所示的方法步骤，即在每一个周期内，均执行一次准备步骤（S1、S2），以免目标功率变化后，无法及时响应变化。

在另一些情况下，目标功率一旦输入之后，固定不变。例如目标功率输入后，锁定目标功率值直至周期完成。在此种情况下，可以选择如图2所示的方法步骤，即在周期开始之前执行一次准备步骤，确定好目标功率所处的功率区间后，直接开始执行对应控制策略直至功率输出满足目标功率要求，此种情况下，简化了周期内的流程步骤，效率更高。

特别地，当目标功率的值刚好在两个功率区间的分界点附近时，可能实际上分别采取相邻两个功率区间对应的控制策略均可能实现目标功率的输出调节。针对于目标功率的值刚好在两个功率区间的分界点附近（附近可以是±5%Pn）的情况，如果在预定时间（例如可以是200ms）后，采用目标功率所处的功率区间对应的控制策略无法实现目标功率的输出调节，则切换相邻的功率区间对应的控制策略进行功率输出调节，直至调节完成。

本申请的第二方面还提出了一种基于灯丝电流与磁场电流的功率输出装置，该装置包括磁控管和给磁控管供电的微波电源，该装置还包括处理器，处理器可以执行前述的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法。具体地，该装置可以为微波发生器。微波发生器作为一种产生微波的设备，可以应用于微波等离子体设备中，等离子清洗机利用等离子体处理材料表面，去污、增活性，适用于半导体微电子、医疗、光学、汽车等领域，具有高效、环保、选择性等优势。还可以应用于环保领域，例如微波等离子火炬可用于处理各类固体废弃物（城市生活垃圾、工业与有害固废、医疗和电子危废、污水污泥以及冶炼废渣和采选尾矿等）。大功率的工业微波发生器设备，还可以应用于MPCVD设备中，用于制备人造金刚石和碳纳米管材料。

如图3所示，为一种基于灯丝电流与磁场电流的功率输出系统，其用于本申请中的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，包括：

第一处理单元，用于获取磁控管的目标功率；以及，用于基于目标功率判断磁控管所处的功率区间；以及，用于磁控管的实时功率处于设置范围时判定n个周期全部运行完成，否则第一处理单元执行下一个周期。

控制单元，用于基于功率区间执行对应的控制策略，控制策略包括灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略。具体而言，控制单元，结合功率 PID 调节器的输出（功率环反馈），生成灯丝电流和磁场电流的参考信号。灯丝电流参考信号输入灯丝环PID 调节器，与灯丝电流采集的反馈值比较，输出控制信号到灯丝电流控制器，调节灯丝电流，形成灯丝电流闭环。磁场电流参考信号同理，经磁场环 PID 调节器和磁场电流控制器，形成磁场电流闭环。

功率传感器，用于执行控制策略后，采集磁控管的实时功率。具体而言，持续采集磁控管输出功率，反馈到功率 PID 调节器，修正功率环的参考信号。闭环自适应控制模块根据功率偏差、电流波动等实时数据，自适应调整 PID 参数或控制算法（如从模糊PID切换到滑模控制）。

启动单元，用于所有周期完成后，若实时功率与目标功率的偏差大于设定值，且持续时间超过设定时间，则重新启动第一处理单元、控制单元和功率传感器执行对应的策略。

进一步地，控制单元包括：灯丝电流控制器，用于生成灯丝电流的参考值；以及，采集磁控管的实时灯丝电流；灯丝环PID调节器，用于将磁控管的实时灯丝电流与灯丝电流的参考值进行对比，输出第一控制指令以调节磁控管的灯丝电流，形成灯丝电流的闭环控制。

进一步地，控制单元包括：磁场电流控制器，用于生成磁场电流的参考值；以及，用于采集磁控管的实时磁场电流；磁场环PID调节器，用于将磁控管的实时磁场电流与磁场电流的参考值进行对比，基于对比结果输出第二控制指令以调节磁控管的磁场电流，形成磁场电流的闭环控制，形成磁场电流的闭环控制。

进一步地，控制单元包括：

功率PID调节器，用于在灯丝电流控制策略和/或磁场电流控制策略完成后，将磁控管的实时功率与目标功率进行对比，并基于对比结果输出灯丝电流和磁场电流的修正量，将磁控管的实时功率、灯丝电流的修正量以及磁场电流的修正量输入至下一周期。

对于系统实施例，其不对系统中采用的硬件进行具体的限定，示例性的：

1）第一处理单元的功能可以基于STM32F103微处理器（简称MCU）实现，通过通用同步 / 异步收发传输器（USART）与灯丝电流控制器、磁场电流控制器建立通信，实现控制信号输出；同时通过12位ADC接口采集传感器组信号，采样频率设置为10kHz，确保数据实时性。系统框图内除功率传感器外其他控制采集均由MCU完成。

系统MCU接收设置的目标功率，并读取功率传感器的反馈值（或微波电源的输出功率设定值）确定实时功率。基于目标功率进行功率区间判断——与30%Pn、70%Pn阈值比较，确定当前所属区间（低功率段、中功率段、高功率段），并选择对应的功率算法模块，低、中、高功率算法模块根据区间特性，调取相关控制参数（如PID参数调整指令、解耦补偿系数等），生成针对各个区间的闭环自适应控制模块的控制策略。

2）灯丝电流控制器：采用全桥移相PWM拓扑，MCU输出的PWM控制信号（频率20kHz）经光耦隔离（型号TLP250）后输入驱动芯片，驱动MOSFET全桥电路，实现0~10V输出电压调节；

3）通过霍尔电流传感器将采集的灯丝电流信号转换为电压信号反馈至MCU，以获取实时灯丝电流。

4）采用线性放大电路，MCU通过DAC（数模转换器）输出0~3.3V控制信号，经放大后驱动电磁线圈，实现0~2A磁场电流调节；通过采样电阻采集磁场电压信号经滤波后反馈至MCU，以获取实时磁场电流。

5）通过功率传感器采集实时输出功率后反馈给MCU，实现0~10kW功率测量。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，其特征在于，执行若干个周期，第n个周期包括以下步骤：

获取并执行控制策略，所述控制策略包括灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略；

执行灯丝电流控制策略，包括：生成灯丝电流的参考值；采集磁控管的实时灯丝电流，并与灯丝电流的参考值进行对比；基于对比结果输出第一控制指令以调节磁控管的灯丝电流，形成灯丝电流的闭环控制；

执行磁场电流控制策略，包括：生成磁场电流的参考值；采集磁控管的实时磁场电流，并与磁场电流的参考值进行对比；基于对比结果输出第二控制指令以调节磁控管的磁场电流，形成磁场电流的闭环控制；

执行功率控制策略，包括：灯丝电流控制策略和/或磁场电流控制策略执行完成后，采集磁控管的实时功率，并与目标功率进行对比；基于对比结果输出灯丝电流和磁场电流的修正量；将磁控管的实时功率、灯丝电流的修正量以及磁场电流的修正量输入至下一周期；

执行控制策略后，采集磁控管的实时功率，若磁控管的实时功率与目标功率的偏差值处于设定范围则n个周期全部完成，否则进入第n+1个周期，n≥1；

所有周期完成后，若实时功率与目标功率的偏差值大于设定值，且持续时间超过设定时间，则重新执行功率输出方法。

2.根据权利要求1所述的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，其特征在于，获取并执行控制策略之前还包括在所述周期之内或之外的准备步骤，所述准备步骤包括；

获取磁控管的目标功率；

基于目标功率确定磁控管所处的功率区间，并根据功率区间确定对应的控制策略。

3.根据权利要求2所述的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，其特征在于，所述的基于目标功率判断磁控管所处的功率区间，包括以下步骤：

将目标功率与磁控管的额定功率进行对比以确定磁控管所处的功率区间。

4.根据权利要求3所述的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，其特征在于，所述功率区间包括低功率段和高功率段，所述的基于功率区间执行对应灯丝电流控制策略，包括根据功率区间执行控制参数调取指令，以生成与各所述功率区间对应的控制策略；

所述控制参数包括校正因子常数K ₃、灯丝电流指数a、磁场强度指数b、磁控管参数K、初始的磁场电流参考值、初始的灯丝电流参考值、PID参数和解耦补偿系数。

5.根据权利要求4所述的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，其特征在于，所述功率区间包括低功率段、中功率段和高功率段；

所述低功率段对应的控制策略包括：设定磁场电流为额定磁场电流的37%~42%，执行对应的灯丝电流控制策略和功率控制策略；

所述中功率段对应的控制策略包括：执行对应的灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略；

所述高功率段对应的控制策略包括：设定灯丝电流的值小于额定灯丝电流的20%，执行对应的磁场电流控制策略和功率控制策略。

6.根据权利要求1所述的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，其特征在于，所述灯丝电流的参考值满足：

；

式中，表示灯丝电流的参考值；表示上一周期磁场电流的参考值；为目标功率K ₃为校正因子常数；a为灯丝电流指数；b为磁场强度指数；K为磁控管参数，为常数。

7.根据权利要求1所述的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，其特征在于，所述磁场电流的参考值满足：

；

式中，表示磁场电流的参考值；表示上一周期灯丝电流的参考值；为目标功率；K ₃为校正因子常数；a为灯丝电流指数；b为磁场强度指数；K为磁控管参数，为常数。

8.根据权利要求5所述的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出方法，其特征在于，当目标功率大于0且小于等于30%额定功率时，磁控管处于低功率段；当目标功率大于30%且小于等于70%额定功率时，磁控管处于中功率段；当目标功率大于70%且小于等于100%额定功率时，磁控管处于高功率段。

9.一种基于灯丝电流与磁场电流的功率输出装置，其特征在于，所述装置包括磁控管和给所述磁控管供电的微波电源，所述装置还包括处理器，所述处理器用于执行如权利要求1至8中任一项所述的方法。

10.一种基于灯丝电流与磁场电流的功率输出系统，其特征在于，包括：

第一处理单元，用于获取磁控管的目标功率；以及，用于基于目标功率判断磁控管所处的功率区间；以及，用于磁控管的实时功率处于设置范围时判定n个周期全部运行完成，否则第一处理单元执行下一个周期；

控制单元，用于基于功率区间执行对应的控制策略，所述控制策略包括灯丝电流控制策略、磁场电流控制策略和功率控制策略；所述控制单元包括：灯丝环PID调节器，用于将磁控管的实时灯丝电流与灯丝电流的参考值进行对比，基于对比结果输出第一控制指令以调节磁控管的灯丝电流，形成灯丝电流的闭环控制；磁场环PID调节器，用于将磁控管的实时磁场电流与磁场电流的参考值进行对比，基于对比结果输出第二控制指令以调节磁控管的磁场电流，形成磁场电流的闭环控制；功率PID调节器，用于在灯丝电流控制策略和/或磁场电流控制策略执行完成后，将磁控管的实时功率与目标功率进行对比，并基于对比结果输出灯丝电流和磁场电流的修正量，将磁控管的实时功率、灯丝电流的修正量以及磁场电流的修正量输入至下一周期；

功率传感器，用于执行控制策略后，采集磁控管的实时功率；

启动单元，用于所有周期完成后，若实时功率与目标功率的偏差大于设定值，且持续时间超过设定时间，则重新启动第一处理单元、控制单元和功率传感器执行对应的策略。

11.根据权利要求10所述的基于灯丝电流与磁场电流的功率输出系统，其特征在于，所述控制单元包括：

灯丝电流控制器，用于生成灯丝电流的参考值；以及，采集磁控管的实时灯丝电流；

磁场电流控制器，用于生成磁场电流的参考值；以及，用于采集磁控管的实时磁场电流。