CN101581920A - 离子加速器高精度通用数字电源调节器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离子加速器高精度通用数字电源调节器。它包括：32位高速高PWM分辨率的DSC，高速高精度ADC，高速高精度DAC，4路150ps高精度PWM输出通道或7路普通PWM输出通道，1路同步脉冲光纤输入通道，1路通用电源故障保护信号输入通道，非易失性高速大容量脉冲/直流运行数据存储器，数字电源串行通讯口和CAN总线通讯口。本发明满足离子加速器数字电源高精度数据采集、高速高精度数字调节、高精度PWM输出的要求，适用于离子加速器二极铁、四极铁、六极铁等多种拓扑类型数字电源脉冲和直流两种的运行状态；开发不同的数字控制软件可以控制不同拓扑类型的离子加速器电源，利用数字通讯灵活的组网方式可实现对不同类型数字电源的分布式网络控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，可以适用于离子加速器多种拓扑类型的高精度数字电源脉冲和直流运行方式。
背景技术
离子加速器依靠二极铁、四极铁等磁铁透镜实现对束流的控制，磁铁对电源的运行方式为脉冲和直流两种，一般的数字电源拓扑类型固定，而且无法满足离子加速器数字电源的高精度数据采集、高速高精度数字调节、高精度PWM输出等要求。
发明内容
本发明的目的在于为离子加速器不同拓扑类型电源提供能够运行于脉冲和直流两种方式的通用高精度数字电源调节器。通过32位高速DSC设计高速高精度ADC实现对高精度离子加速器电源输出电流电压信号采集，经DSC处理后转换为高精度PWM信号输出完成对电源输出的控制和调节。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，包括32位高速DSCTMS320F2808扩展高速高高精度ADC模块、高速高精度DAC模块、非易失性高速大容量数据存储器模块，高精度PWM调节信号输出通道，同步脉冲光纤输入通道、通用电源故障保护信号输入通道、数字电源RS232通讯口和CAN总线通讯口；其连接方式是：32位高速DSC的SPIB和SPIC通讯口通过高速数字隔离器件各连接一路高速高精度ADC模块，32位高速DSC的SPID通讯口通过高速数字隔离器件连接一路高速高精度DAC模块，32位高速DSC的SPIA通讯口和IIC通讯口连接非易失性高速大容量数据存储器S25FL064A和非易失性小容量数据存储器AT24C04，32位DSC TMS320F2808的SCIA和CANA通讯单元通过高速数字隔离器件连接RS232通讯设备和CAN bus通讯设备32位高速DSC TMS320F2808输出4路150ps高分辨率的PWM信号、2路普通分辨率的PWM信号以及1路PWM保护关断信号；光纤输入同步脉冲运行信号至32位DSC的脉冲捕获单元ECAP3，通用电源故障保护信号输入至32位DSC的跳闸区域单元TZ1。
上述高速高精度ADC模块核心是AD7634，第一路高速高精度ADC模块通过TMS320F2808的SPIB通讯端口连接至数字隔离器件ADUM1402的3.3V信号侧，对应隔离后的5V信号功能管脚连接到高速高精度ADC AD7634的SPI通讯接口；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD7634的外部基准输入管脚；外界输入的±10V单端电压信号送入单端转差分单元ADA4922，经ADA4922转化为差分电压信号输出到AD7634的模拟信号输入管脚。第二路高速高精度ADC模块与TMS320F2808的SPIC端口通讯，具体的连接方式与第一路相同。
上述高速高精度DAC模块核心是AD5542，TMS320F2808的SPID通讯端口连接至数字隔离器件ADUM1401的3.3V信号侧，对应隔离后的5V信号功能管脚连接到高速高精度DAC AD5542的的SPI通讯接口；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD5542的外部基准输入管脚；AD5542的双极性电压输出信号输出至精密运算放大器OPA2277，输出范围是±10V。
上述非易失性高速大容量数据存储器模块是两部分存储器的组合：一部分是小容量数据存储器EEPROM AT24C04，可以用于存放数字电源设置参数或直流运行状态时的少量数据，另一部分是大容量数据存储器FLASH S25FL064A，用于存放数字电源脉冲运行时的大量波形数据；TMS320F2808的IIC通讯端口与IIC接口的EEPROM AT24C04直接相连；TMS320F2808的SPIA通讯端口直接连至至SPI接口的大容量FLASH S25FL064A。
上述32位高速DSC TMS320F2808输出4路150ps高分辨率的PWM信号和2路普通分辨率的PWM信号以及1路PWM保护关断信号；7路PWM信号按功能可分成4组：PWM1和PWM2一组、PWM3和PWM4一组，PWM1～PWM4是150ps高分辨率PWM信号；PWM5和PWM6一组，是10ns普通分辨率PWM信号；PWM7为过压或其他故障时保护功率管的PWM驱动信号。
上述PWM信号中的PWM1、PWM2一组连接方式为TMS320F2808的EPWM1A、EPWM2A送入高速门电路74F08的A0、A1，从74F08的O0、O1输出送入高速光藕HCPL063的两输入管脚，经隔离后从HCPL063输出PWMOUT1信号和PWMOUT2信号；PWM3、PWM4一组和PWM5、PWM6一组的连接方式与PWM1、PWM2一组相同；PWM7信号是数字电源故障硬件连锁保护信号送入74F08的A2、B2，从74F08的O2输出送入光藕TLP521-1的输入管脚，经隔离后从TLP521-1输出PWMOUT7信号。
本发明的特点及产生的有益效果：
1、大容量数据存储器模块采用两种不同类型非易失性存储器的组合，为数字电源在直流和脉冲状态运行的数据存储提供了灵活的解决方案，大大减轻了数字电源调节器主要器件DSC的运算量，并且可以有效缓解数字电源远程控制网络的数据传输任务。
2、本发明共有两路高速高精度ADC模块电路，第二路ADC模块电路与第一路使用同样的ADC设计，两路高速高精度ADC模块的核心是AD7634，一路采集高精度电流信号，另一路采集高精度电压信号，为数字电源调节器提供高精度反馈信号。
3、本发明能够满足离子加速器数字电源高精度数据采集、高速高精度数字调节、高精度PWM输出的要求，适用于离子加速器二极铁、四极铁、六极铁等多种拓扑类型数字电源脉冲和直流两种的运行状态；开发不同的数字控制软件可以控制不同拓扑类型的离子加速器电源，利用数字通讯灵活的组网方式可实现对不同类型数字电源的分布式网络控制。
附图说明
图1本发明的各部分整体连接框图。
图2本发明的第一路ADC模块电路原理框图。
图3本发明的DAC模块电路原理框图。
图4本发明的大容量数据存储器模块原理框图。
图5本发明的多路高精度PWM调节信号通道示意图。
具体实施方式
一种离子加速器高精度通用数字电源调节器采用4层印制板结构，TMS320F2808是核心器件，所有高精度ADC模块、DAC模块，PWM输出通道以及数字通讯设备等均采用高速数字隔离器件或高速光藕隔离，具有良好的抗干扰能力。
如图1所示，一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，包括32位高速DSC TMS320F2808扩展高速高精度ADC模块、高速高精度DAC模块、非易失性高速大容量数据存储器模块，高精度PWM调节信号输出通道，同步脉冲光纤输入通道、通用电源故障保护信号输入通道、数字电源RS232通讯口和CAN总线通讯口。32位高速DSC的SPIB和SPIC通讯口通过高速数字隔离器件各连接一路高速高精度ADC模块，32位高速DSC的SPID通讯口通过高速数字隔离器件连接一路高速高精度DAC模块，32位高速DSC的SPIA通讯口和IIC通讯口连接非易失性高速大容量数据存储器S25FL064A和非易失性小容量数据存储器AT24C04，32位DSC TMS320F2808的SCIA和CANA通讯单元通过高速数字隔离器件连接RS232通讯设备和CAN bus通讯设备；32位高速DSC TMS320F2808输出4路150ps高分辨率的PWM信号和2路普通分辨率的PWM信号以及1路PWM保护关断信号；光纤输入同步脉冲运行信号至32位DSC的脉冲捕获单元ECAP3，通用电源故障保护信号输入至32位DSC的跳闸区域单元TZ1。
图2是本发明的一路高速高精度ADC模块电路原理框图。TMS320F2808的SPIB通讯端口连接至数字隔离器件ADUM1402的3.3V信号侧，对应隔离后的5V信号功能管脚连接到高速高精度ADC AD7634的SPI通讯接口；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD7634的外部基准输入管脚；外界输入的±10V单端电压信号送入单端转差分单元ADA4922，经ADA4922转化为差分电压信号输出到AD7634的模拟信号输入管脚。
上述高速高精度ADC模块共有两路，32位高速DSC的SPIB和SPIC通讯口通过高速数字隔离器件各连接一路高速高精度ADC模块。
图3是本发明的DAC模块电路原理框图。TMS320F2808的SPID通讯端口连接至数字隔离器件ADUM1401的3.3V信号侧，对应隔离后的5V信号功能管脚连接到高速高精度DAC AD5542的的SPI通讯接口；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入基准信号送入AD5542的外部基准输入管脚；AD5542的双极性电压输出信号输出至精密运算放大器OPA2277，输出范围是±10V。
图4是本发明的大容量数据存储器模块原理框图。大容量数据存储器模块由两部分组成：一部分是小容量IIC接口EEPROM非易失性存储器，可以用于存放数字电源设置参数或直流运行状态时的少量数据，另一部分是SPI接口的大容量FLASH非易失性存储器，用于存放数字电源脉冲运行时的大量波形数据。TMS320F2808的IIC通讯端口与IIC接口的EEPROM AT24C04直接相连；TMS320F2808的SPIA通讯端口直接连至至SPI接口的大容量FLASHS25FL064A。
图5是本发明的多路高精度PWM调节信号通道示意图。离子加速器高精度通用数字电源调节器的所有PWM信号按照功能可以分成4组，其中PWM1和PWM2一组、PWM3和PWM4一组，上述PWM1～PWM4是高分辨率PWM信号(150ps)；PWM5和PWM6一组，只具备普通PWM分辨率(10ns)；PWM7为过压或其他故障时保护功率管的PWM驱动信号；可以用软件定义是否使用PWM1～PWM4的150ps的高分辨率PWM功能，也可以用软件定义使能PWM1～PWM7功能管脚。因而离子加速器高精度通用数字电源调节器可以适应任何一种功率开关管数量小于等于4路的离子加速器高精度电源，也可以适应功率开关管数量等于6路的大功率普通精度电源。PWM3、PWM4和PWM5、PWM6的连接方式跟PWM1、PWM2这一组完全相同，以PWM1、PWM2和PWM7为例说明。
TMS320F2808的EPWM1A、EPWM2A送入高速门电路74F08的A0、A1，从74F08的O0、O1输出送入高速光藕HCPL063的两输入管脚，经隔离后从HCPL063输出PWMOUT1信号和PWMOUT2信号；数字电源故障硬件连锁保护信号P_PWM送入74F08的B0、B1在故障条件时硬件封锁PWM脉冲。TMS320F2808的GPI011(PWM7)送入高速门电路74F08的A2、B2，从74F08的O2输出送入光藕TLP521-1的输入管脚，经隔离后从TLP521-1输出PWMOUT7信号。
离子加速器高精度通用数字电源调节器通过RS232通讯设备或CAN bus通讯设备从远程控制计算机获取数字给定量和运行指令，将其存储在非易失性数据存储器并执行命令；设备运行时，TMS320F2808从连接的高速高精度ADC模块获取电源高精度反馈数据并运算，输出的高精度PWM调节信号通过PWM1～PWM4高分辨率PWM信号或PWM1～PWM6PWM信号输出管脚送到电源的功率开关管生成调节结果；PWM7信号在过压或其他故障时封锁所有PWM1～PWM6信号以保护功率开关管；电源的实时运行结果也可以通过高精度DAC模块输出便于模拟信号的测量和监视。
Claims (6)
1、一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，包括32位高速DSCTMS320F2808扩展高速高精度ADC模块、高速高精度DAC模块、非易失性高速大容量数据存储器模块，高精度PWM调节信号输出通道，同步脉冲光纤输入通道、通用电源故障保护信号输入通道、数字电源RS232通讯口和CAN总线通讯口；其连接方式是：32位高速DSC的SPIB和SPIC通讯口通过高速数字隔离器件各连接一路高速高精度ADC模块，32位高速DSC的SPID通讯口通过高速数字隔离器件连接一路高速高精度DAC模块，32位高速DSC的SPIA通讯口和IIC通讯口连接非易失性高速大容量数据存储器S25FL064A和非易失性小容量数据存储器AT24C04，32位高速DSC的SCIA和CANA通讯单元通过高速数字隔离器件连接RS232通讯设备和CAN bus通讯设备；32位高速DSC输出4路150ps高分辨率的PWM信号、2路普通分辨率的PWM信号以及1路PWM保护关断信号；光纤输入同步脉冲运行信号至32位高速DSC的脉冲捕获单元ECAP3，通用电源故障保护信号输入至32位DSC的跳闸区域单元TZ1。
2、如权利要求1所述的一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，其特征是上述高速高精度ADC模块核心是AD7634，通过TMS320F2808的SPIB通讯端口连接至数字隔离器件ADUM1402的3.3V信号侧，对应隔离后的5V信号功能管脚连接到高速高精度ADC AD7634的SPI通讯接口；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD7634的外部基准输入管脚；外界输入的±10V单端电压信号送入单端转差分单元ADA4922，经ADA4922转化为差分电压信号输出到AD7634的模拟信号输入管脚。
3、如权利要求1所述的一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，其特征是上述高速高精度DAC模块核心是AD5542，TMS320F2808的SPID通讯端口连接至数字隔离器件ADUM1401的3.3V信号侧，对应隔离后的5V信号功能管脚连接到高速高精度DAC AD5542的的SPI通讯接口；+5V电压基准源ADR435B输出基准信号送入AD5542的外部基准输入管脚；AD5542的双极性电压输出信号输出至精密运算放大器OPA2277，输出范围是±10V。
4、如权利要求1所述的一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，其特征是上述非易失性高速大容量数据存储器模块是两部分存储器的组合：一部分是小容量数据存储器EEPROM AT24C04，可以用于存放数字电源设置参数或直流运行状态时的少量数据，另一部分是大容量数据存储器FLASHS25FL064A，用于存放数字电源脉冲运行时的大量波形数据；TMS320F2808的IIC通讯端口与IIC接口的EEPROM AT24C04直接相连；TMS320F2808的SPIA通讯端口直接连至至SPI接口的大容量FLASH S25FL064A。
5、如权利要求1所述的一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，其特征是上述32位高速DSC TMS320F2808输出4路150ps高分辨率的PWM信号和2路普通分辨率的PWM信号以及1路PWM保护关断信号；7路PWM信号按功能可分成4组：PWM1和PWM2一组、PWM3和PWM4一组，PWM1～PWM4是150ps高分辨率PWM信号；PWM5和PWM6一组，为10ns普通PWM分辨率；PWM7为过压或其他故障时保护功率管的PWM驱动信号。
6、如权利要求1或5所述的一种离子加速器高精度通用数字电源调节器，其特征是上述PWM信号中的PWM1、PWM2这一组连接方式为TMS320F2808的EPWM1A、EPWM2A送入高速门电路74F08的A0、A1，从74F08的O0、O1输出送入高速光藕HCPL063的两输入管脚，经隔离后从HCPL063输出PWMOUT1信号和PWMOUT2信号；PWM3、PWM4一组和PWM5、PWM6一组的连接方式与PWM1、PWM2一组相同；PWM7信号是数字电源故障硬件连锁保护信号送入74F08的A2、B2，从74F08的O2输出送入光藕TLP521-1的输入管脚，经隔离后从TLP521-1输出PWMOUT7信号。
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