CN102347751A

CN102347751A - 脉冲电源的数字化控制方法及装置

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Publication number: CN102347751A
Application number: CN2010102449248A
Authority: CN
Inventors: 沈莉; 黄川�; 唐靖宇
Original assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Current assignee: Institute of High Energy Physics of CAS
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2012-02-08

Abstract

一种脉冲电源数字化控制方法，用以控制具有n个单元并联，每个单元由m个IGBT H桥串联组成的IGBT拓扑结构的主电源回路，步骤为：在可编程逻辑器件中设定给定波形和频率为F2的载波；将给定的时钟信号输入可编程器件；每间隔给定波形周期调用一次给定波形；在给定波形底宽时长内，每间隔1/(F2×m)和1/(F2×n)调用一次载波；在给定波形底宽时长外，不再调用载波；将调用的给定波形与上述主电源回路的输出电流相减的差值经比例运算后，与该主电源回路的输出电流相加，输出值再与n个均流电流相减，得到的均流差值和反相差值再分别与调用的载波相比较，得到2×m×n个PWM信号，用以控制上述主电源回路。本发明还提供了实现上述方法的装置。

Description

脉冲电源的数字化控制方法及装置

技术领域

本发明涉及脉冲电源技术领域，具体地涉及一种脉冲电源数字化控制方法。

本发明还涉及一种实现上述脉冲电源数字化控制方法的装置。

背景技术

任意波形脉冲电源输出脉冲电流或电压，任意波形开关型脉冲电源由IGBT拓扑组成，并且IGBT工作在开关状态。根据IGBT的特性，IGBT输出电压的平均值为：

V₀＝DV_d (1)

经滤波网络后，负载电流的平均值为：

I₀＝KDV_d (2)

其中：

V₀为IGBT输出电压平均值，I₀为负载电流平均值，V_d为IGBT集电极电压；

D为IGBT栅极触发脉冲占空比，K为与滤波电感、电缆、负载有关的常数。

由于V_d和K是固定不变的，根据(2)式，负载电流或电压随IGBT栅极触发脉冲占空比的变化而变化，只要控制IGBT栅极触发脉冲的占空比，即脉冲宽度调制信号，就可以控制脉冲电流或电压的大小和形状。为了得到任意脉冲波形，通常使用的方法是对给定波形进行编程，使给定波形为任意脉冲波形，然后将给定波形与电源输出脉冲波形进行比较，通过电源控制器产生脉冲宽度调制信号(PWM信号)，控制IGBT栅极，使电源输出脉冲波形跟踪给定波形。如图1所示为任意脉冲波形电源反馈控制系统，该控制系统中的测量元件对被控对象进行测量，也就是对IGBT拓扑结构输出的脉冲波形进行测量，并与给定波形比较后送给控制器，控制器根据一定的控制规律、控制策略产生相应的控制信号(PWM信号)，驱动执行机构工作并作用于被控对象，使被控对象的值和给定值保持一致。

任意波形脉冲电源的重要指标是输出波形相对于给定波形的跟踪精度，主要由控制器的控制方法和响应时间决定。目前国内外任意波形脉冲电源的控制器都采用的是模拟控制方式。与数字化控制相比传统模拟控制使用比较器、放大器和模拟调节器等电子元件来实现。这些元件的参数会随着使用时间、温度和其它环境条件而发生变化，使控制器输出的PWM信号产生误差，对脉冲电源稳定性、跟踪精度和响应能力造成负面影响；模拟控制的控制响应特性是由离散元件的参数决定，因此无法使全部PWM信号非常一致，达不到最佳化控制效果；控制策略由硬件电路组合而成，只能完成经典控制论PID算法；除此之外，模拟控制电路因为使用许多元件而需要很大空间；另外，模拟控制器的测试和维修都非常麻烦，因为使用元件太多，测试点太多。而数字控制器在许多方面胜过模拟控制，首先，数字化控制算法由软件编程实现，可以完成复杂的控制算法，除PID算法外，还可以完成自适应控制算法、自适应逆控制算法、模糊控制等智能化控制，使电源得到最佳的控制策略；数字化控制算法由软件编程完成，便于修改，可尝试各种参数，直到电源达到最佳的响应；其次，控制策略和PWM信号的产生采用软件编程实现，只用一片小小的FPGA就可以完成模拟控制器的全部功能，节省了空间，缩小了电路板的面积；另外，数字化控制还能避免元件的离散性、温度变化带来的误差等问题，因此数字化控制是电源先进的控制方式。

目前，用于数字化控制的器件有DSP(数字信号处理器)、MCU(单片机)、FPGA(可编程器件)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)、ASIC(专用集成电路)。其中，DSP和MCU是靠指令完成操作，完成指令需要一定的时间，不能满足脉冲电源的快速响应时间和高跟踪精度的要求。而FPGA技术是将控制算法用硬件描述语言编程，在FPGA中形成硬件电路，程序并行执行，能实现快速的时间响应。虽然CPLD也是可编程逻辑器件，但它是基于EEPROM工艺，集成度低，以MicroCell(包括组合部分与寄存器)为基本单元，适合组合逻辑运算，而本发明的控制算法为时序逻辑控制，不适合采用CPLD。ASIC是专用集成电路，一旦制作完成后，控制算法和内部波形是不能改变的，而本发明是任意波形脉冲电源的数字化控制，要求波形可以通过编程任意变化，因此ASIC也不适合本发明控制器。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)，用可配置逻辑模块作为实现用户功能的基本单元，可以方便进行时序逻辑控制，因此本发明的核心硬件电路采用FPGA技术，FPGA在控制器中的核心作用是完成控制算法、逻辑判断。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲电源数字化控制方法。

本发明的又一目的是提供一种实现上述脉冲电源数字化控制方法的装置。

为实现上述目的，本发明提供的脉冲电源数字化控制方法，用以控制具有n个单元并联，每个单元由m个IGBT H桥串联组成的IGBT拓扑结构的主电源回路，其特征在于包括以下步骤：

将给定的时钟信号送给可编程器件作为可编程器件的时钟信号；也可以根据需要将上述时钟信号进行分频再输入给可编程器件。

每间隔给定波形周期调用一次给定波形；同时，在给定波形底宽时长内，每间隔1/(F2×m)和1/(F2×n)调用一次载波；在给定波形底宽时长外，不再调用给定载波；将调用的给定波形与上述主电源回路的输出电流相减的差值经比例运算后，与该主电源回路的输出电流相加，输出值再与上述n个并联单元输出的n个均流电流相减，得到的均流差值和反相差值再分别与调用的载波相比较，得到2×m×n个PWM信号，用以控制上述主电源回路。其中：所述脉冲电源数字化控制装置包括模数转换电路、闪存模块、定时模块以及数模转换电路并且分别与可编程器件相连；其中，所述模数转换电路将上述主电源回路输出端的电流模拟信号和n路均流电流模拟信号转化为数字信号，并传入所述可编程器件；所述数模转换电路将所述可编程器件中的给定波形及载波的数字信号转化为模拟信号，以供示波器测量；所述定时模块产生定时信号控制每个脉冲波形的产生时刻；所述闪存用于固化程序，当数字化控制装置上电时，程序会自动从所述闪存下载到可编程器件；所述可编程器件根据权利要求1所述的脉冲电源数字化控制方法产生PWM信号，并传输给所述主电源回路。所述可编程器件为FPGA。所述脉冲电源数字化控制装置包括光电转换板，将可编程器件生成的PWM信号转换为光信号传输给所述主电源回路。

本发明克服了公知技术中模拟控制器存在的缺陷，提高任意波形开关型脉冲电源的性能，以控制任意波形脉冲电源。

附图说明

图1为公知技术中任意波形脉冲电源反馈控制系统示意图。

图2为本发明提供的数字化控制器方案框图。

图3为本发明提供的数字化控制方法的逻辑流程图。

图4为本发明提供的脉冲电源数字化控制器控制的电源主回路示意图。

图5为图4中所示每个并联单元的结构放大图。

图6为控制图4所示脉冲电源主回路的数字化控制器元件布局图。

图7为本发明另一实施例的控制方法框图。

图8为本发明另一实施例中给定的三角波即载波图形。

图9为本发明另一实施例中给定波形。

图10为本发明另一实施例控制策略示意图。

图11为本发明另一实施例电源输出的脉冲电流和给定波形测量图。

图12为本发明另一实施例同频电源输出、定时信号、给定波形测量图。

具体实施方式

实施例1

任意波形脉冲电源要求控制器具备快速响应时间和对给定波形的高跟踪精度。

FPGA的主流产品有XILINX公司的VIRTEX-6(高性能系列)和SPARTAN-6(低成本系列)、ALTERA公司的Stratix-IV(高性能系列)和Cyclone-IV(低成本系列)。本发明中FPGA采用ALTERA公司Cyclone-II系列产品，Cyclone II器件提供了4,608到68,416个逻辑单元(LE)，并具有一整套最佳的功能，包括嵌入式18比特x18比特乘法器、专用外部存储器接口电路、4kbit嵌入式存储器块、锁相环(PLL)和高速差分I/O能力。Cyclone-II系列产品有EP2C5、EP2C8、EP2C15、EP2C20、EP2C35、EP2C50、EP2C70，内部资源多少各不相同，根据本发明的控制方法，FPGA采用EP2C35F672，它是FBGA封装，共672个管脚，33,216个逻辑单元，存储单元483,840bits。在本发明中，FPGA各管脚的连接及使用方法参照FPGA产品说明书，是公知的使用方法。

如图2所示，为本发明提供的数字化控制器方案框图。在这里，采用了FPGA作为可编程器件，用以产生数字化的给定波形、载波及控制策略。其上连接有多路模数转换电路(ADC)，用以将电源产生的输出脉冲波形的模拟信号和多路均流模拟信号在数字化控制器中转换为数字信号。同时，为了用示波器测量数字化控制器中的给定波形及载波，也就是三角波，需要多路数模转换电路(DAC)将数字化控制器中产生的给定波形和载波的数字信号转化为模拟信号。在存储装置中固化有程序。定时模块用来控制每个脉冲波形的产生时刻。为了抑制干扰，多路的脉冲宽度调制信号通过光电转换电路送给脉冲电源主回路的IGBT拓扑。存储装置采用了闪存(Flash)作为程序下载芯片。

如图3所示，为本发明提供的数字化控制方法的逻辑流程图，对本发明提供的数字化控制方法的实现过程进行详细说明。任意波形脉冲电源主回路为m个IGBT H桥串联形成一个单元，n个该结构的单元再并联构成的IGBT H桥串并联拓扑结构，数字化控制器必须产生多路的脉冲宽度调制信号(PWM信号)控制IGBT的栅极。

首先用ROM的方式创建给定波形和载波数据文件模块，将给定波形的频率设置为F1，其周期为T1，底宽为ti；将载波的频率设置为F2，周期为T2。

然后将硬件电路产生的时钟信号作为FPGA的时钟信号，也可以根据需要，将上述硬件电路产生的时钟信号分频为f的信号输给FPGA，作为其时钟信号。根据要求的给定波形、三角波形及电源输出精度决定分频的频率，频率越高精度越高，但占用FPGA资源越大，所以要综合考虑。可编程器件FPGA每间隔给定波形周期T1复位一次；并每间隔周期T1调用一次给定波形。同时每间隔1/(F2×m)和1/(F2×n)调用一次载波；在每个给定波形周期内，控制策略只在给定波形的底宽ti有效时间内参与有效运算，超过给定波形底宽ti有效时间以后就不再调用载波。控制策略为电源输出电流与给定波形相减的差值经比例运算后，与电源输出电流相加，输出值再与n个均流电流相减，得到的均流差值和反相差值再与载波分别进行比较，可以得到2×m×n个PWM信号，用以控制具有m个IGBTH桥串联形成一个单元，n个这样的单元并联构成的任意波形开关型脉冲电源的IGBT栅极。

在FPGA中使用硬件描述语言Verilog-HDL和C语言配合完成控制器控制，因为利用C语言的完整性，结合Verilong对硬件描述的精确性，可以设计出更快更好的控制方法。在本实施例中，用C语言编程产生给定波形、载波，也就是三角波，Verilong在编译过程中调用给定波形和载波数据，形成数表参与Verilong运算。

实施例2

参照图4，为本发明提供的脉冲电源数字化控制器控制的电源主回路示意图。在该实施例2中，任意波形脉冲电源主回路结构为m＝5个IGBTH桥串联组成一个单元，n＝10个单元再并联的IGBT拓扑结构。图5所示，为电源主回路中每个并联单元中5个IGBT H桥串联结构的放大图。

再参照图6，为控制图4所示脉冲电源主回路的数字化控制器元件布局图。上述结构的电源主回路具有50个IGBT H桥，也就是有100个IGBT栅极需要控制，因此，数字化控制器必须产生2×m×n＝100个PWM信号。

结合图4和图6，图4中电源主回路n＝10个并联单元的输出信号在输出给负载的同时还分别输出给数字化控制器；电源主回路的负载端也同时将模拟信号输出给数字化控制器。10路均流环的模拟信号和电源的输出模拟信号都需要经过模数转换电路(ADC)才能送给FPGA，因此，数字化控制器需要11路ADC作为模数转换。为了能方便测量电源的输出电流电压等信号，需要2路数模转换电路(DAC)将FPGA中产生的给定脉冲波形和给定载波的数字信号以及电源的输出电流电压等信号转化为模拟信号。FPGA经过运算，将控制信号传输给图4所示的脉冲电源主回路IGBT的栅极。

FPGA型号为EP2C35F67218，是控制器的核心器件，完成控制算法、逻辑判断。ADC(模数转换电路)作为电源输出电流及均流的模拟数字转换器，采用AD9240芯片，14位精度，10MHz采样速率。DAC(数模转换电路)作为电源给定波形的数字模拟转换器，采用AD667芯片。为了使FPGA产生的PWM信号与脉冲电源的IGBT栅极连接时具备抗干扰能力，采用光纤传输，收发器型号分别为HFBR1531、HFBR1521。定时模块产生的定时信号为TTL电平，经过缓冲芯片送给FPGA，作为给定波形的启始时间，定时频率为Ft＝25Hz。时钟频率为10MHz，因为本实例中ADC采样速率为10MHz，通过NB3N551时钟分配芯片送给ADC作为采样时钟，同时送给FPGA作为FPGA时钟信号。闪存(Flash)采用EPCS64S芯片作为程序下载芯片，固化程序。16位缓冲器采用SN74LVTH162245DGGR。

如图7所示，为该实施例2的控制方法框图。

加电、复位后，通过Verilong调用三角波和给定波形.hex文件，在FPGA中产生数字化的三角波和给定波形，给定波形频率设置为F1＝25Hz，因此其周期T1＝40ms；载波也就是三角波的频率F2＝20KHz，幅度为±6V，给定的底宽ti＝1.6ms。

FPGA间隔T1＝40ms复位一次；并每间隔T1＝40ms调用一次给定波形；同时每间隔1/(F2×m)＝1/(20×5)＝10μs和1/(F2×n)＝1/(20×10)＝5μs调用一次载波；在给定波形的周期T1＝40ms内，在给定波形的底宽t＜＝ti，也就是t＜＝1.6ms以内控制策略参与有效运算，在t＞ti，也就是t＞1.6ms以后不再调用载波。

给定三角波再经过Verilong程序，产生m×n＝5×10＝50路错相三角波，每路错相1/(F2×m)＝1/(20×5)＝10μs和1/(F2×n)＝1/(20×10)＝5μs送给FPGA控制策略。

50路错相三角波信号、任意给定波形信号、电源输出脉冲反馈信号和10路并联均流信号经控制策略运算后，输出100路PWM信号触发电源主回路的IGBT，使电源的输出脉冲电流跟踪给定波形，与给定波形一样。

图8为该实施例中三角波即载波，其重复频率F2＝20KHz；该三角波方程为：

y1＝(-6/25)*t1+6；0≤t1≤50us

y2＝(6/25)*t2-18；50≤t2≤100us

图9为该实施例中给定波形，也就是给定的任意波形，重复频率F1＝25Hz，脉冲宽度ti＝1.6ms。

该给定波形方程为：

y_{1} = \frac{3.6}{1000} t_{1}

0≤t₁≤1000μs

y₂＝3.6t₂

1000μs≤t₂≤1050μs(脉冲平顶)

y_{3} = (- 1.04 / 20) t_{3} + \underset{10}{58.2}

1450μs≤t₄≤1600μs

y₄＝(-2.56/530)t₄+(4096/530) 1450μs≤t₄≤1600μs

图10为该实施例中控制策略示意图，控制策略的内容是给定波形与电源输出电流的差值经比例和前馈运算后，进入10个并联均流环节，均流后的差值及反相差值与错相载波也就是三角波比较，可以得到100路PWM信号，触发IGBT栅极。

图11为用示波器测量的电源输出的脉冲电流(第4通道)和给定波形(第2通道)。从图11中可以看出，电源输出的脉冲电流与给定波形一致。

图12为用示波器测量的同频率的电源输出信号、定时信号、给定波形。其中电源输出的频率为25Hz脉冲电流，第2通道为频率Ft＝25Hz的定时信号，第3通道为电源输出的25Hz脉冲电流，第4通道为频率为F1＝25Hz的给定波形。

电源的数字化控制是目前开关型电源控制系统的发展方向。数字化电源以控制精度高，控制算法准确等优势，已成为当今国内外电源控制领域的研究热点。但目前的电源数字化控制主要集中在开关型直流电源、交流电源及交直流混合电源的数字化控制，而对任意波形脉冲电源的数字化控制研究较少，给脉冲电源的数字化控制研究留下盲区。脉冲电源的数字化控制策略实现方式和研究方法与直流电源、交流电源、交直流电源的数字化控制不同。脉冲电源追求的是动态特性，快速响应时间和跟踪精度(％)，要求所用器件及控制策略具备快速性；而直流电源追求的是稳态特性，要求很高的稳定度(ppm)，对响应时间要求并不高；交流电源追求的是有较低的谐波失真度(THD)。有些电源例如开关型脉冲电焊电源和电镀电源，虽然输出脉冲波，但只能输出矩形脉冲，不能输出任意脉冲波形，而且它的数字化控制系统采用的是DSP或MCU控制，而这些器件不适合任意波形脉冲电源的数字化控制。本发明以任意波形脉冲电源的数字化控制器为研究对象，利用FPGA片上编程技术，对数字化控制器进行了开发，取得了成果。本发明的成功，在国内外首次实现了任意波形脉冲电源的数字化控制。

经测试，数字化控制器比模拟控制器响应时间快＞2μs，说明数字化控制器确实比模拟控制器先进，达到了本发明的目的。

Claims

1.一种脉冲电源数字化控制方法，用以控制具有n个单元并联，每个单元由m个IGBT H桥串联组成的IGBT拓扑结构的主电源回路，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在可编程器件中设定给定波形和频率为F2的载波；

2)将给定的时钟信号输入可编程器件；

3)每间隔给定波形周期调用一次给定波形；

同时，在给定波形底宽时长内，每间隔1/(F2×m)和1/(F2×n)调用一次载波；在给定波形底宽时长外，不再调用给定载波；

4)将调用的给定波形与上述主电源回路的输出电流相减的差值经比例运算后，与该主电源回路的输出电流相加，输出值再与上述n个并联单元输出的n个均流电流相减，得到的均流差值和反相差值再分别与调用的载波相比较，得到2×m×n个PWM信号，用以控制上述主电源回路。

2.根据权利要求1所述的脉冲电源数字化控制方法，其特征在于，步骤2中给定的时钟信号在可编程器件中进行分频。

3.一种实现权利要求1所述脉冲电源数字化控制方法的脉冲电源数字化控制装置，其中：

所述脉冲电源数字化控制装置包括模数转换电路、闪存模块、定时模块以及数模转换电路并且分别与可编程器件相连；

其中，所述模数转换电路将上述主电源回路输出端的电流模拟信号和n个并联单元输出的n路均流电流模拟信号转化为数字信号，并传入所述可编程器件；

所述数模转换电路将所述可编程器件中的给定波形及载波的数字信号转化为模拟信号，以供示波器测量；

所述定时模块产生定时信号控制每个脉冲波形的产生时刻；

所述闪存用于固化程序，当数字化控制装置上电时，程序会自动从所述闪存下载到可编程器件；

所述可编程器件根据权利要求1所述的脉冲电源数字化控制方法产生PWM信号，并传输给所述主电源回路。

4.根据权利要求3所述的脉冲电源数字化控制装置，其特征在于：所述可编程器件为FPGA。

5.根据权利要求3或4所述的脉冲电源数字化控制装置，其特征在于：所述脉冲电源数字化控制装置包括光电转换板，将可编程器件生成的PWM信号转换为光信号传输给所述主电源回路。