CN103208924A - 采用数字技术的kv控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用数字技术的KV控制方法及系统，其中的系统包括KV闭环控制系统和移相PWM信号生成模块；KV闭环控制系统包括外环和内环，外环为KV闭环控制，内环为逆变电流有效值闭环控制；KV闭环控制系统和移相PWM信号生成模块通过FPGA单元来实现；FPGA单元包括KV控制主程序模块、AD转换模块、KV控制单元和移相PWM信号生成模块；四个模块共同实现KV的双闭环控制；KV闭环控制的控制方式为每一个PWM周期读取一次KV反馈值和逆变电流有效值，根据与KV参考值的偏差，采用PID控制流程获取下一个PWM周期应输出的脉宽值。本发明能够解决高压发生器模拟技术的KV控制电路中存在的问题；在采用双环控制的情况下能够保证KV闭环控制效果与模拟电路的KV闭环控制效果一致。

Description

采用数字技术的KV控制方法及系统

技术领域

本发明涉及高压发生器的控制电路技术领域，更为具体地，涉及一种采用数字技术的KV控制方法及系统。

背景技术

高压发生器（High Voltage Power Supply，简称：HVPS）又称直流高压发生器，是高压电源的传统称呼，主要是指用于绝缘和漏电检测中的高压电源。直流高压发生器适用于电力部门、科研单位、铁路、化工、发电厂、大型企业动力部门对氧化锌避雷器、磁吹避雷器、电力电缆、发电机、变压器、开关等设备进行直流高压试验和泄漏电流试验。

目前大多数的高压发生器的KV控制部分大都采用模拟电路实现，一般采用运放电路实现PI调节功能，专用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制，简称脉宽调制）电源控制芯片实现PWM功能。因此，高压发生器的KV控制部分模拟电路存在以下弱点与问题：

1）一旦电路设计定型后可扩展性差和可更改性差；

2）控制方式不灵活；

3）由于采用离散器件，各个器件的精度误差对电路的特性都有影响；

4）电路所占面积比较大。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种采用数字技术的KV控制方法及系统，以解决高压发生器模拟技术的KV控制电路中存在的弱点和问题。

本发明提供的采用数字技术的KV控制系统，包括KV闭环控制系统和移相PWM信号生成模块；其中，KV闭环控制系统采用KV双闭环控制，包括外环和内环，外环为KV闭环控制，内环为逆变电流有效值闭环控制；KV闭环控制系统和移相PWM信号生成模块通过FPGA（Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列）单元来实现；FPGA单元包括KV控制主模块、AD转换模块、KV控制模块和移相PWM信号生成模块；KV控制主模块用于定义与外界的接口，生成逆变工作频率的脉冲信号同步AD转换模块、KV控制模块和移相PWM信号生成模块工作；AD转换模块用于将外界的KV反馈和逆变电流有效值反馈读入芯片；KV控制模块用于实现数字PID功能，控制KV输出；移相PWM信号生成模块用于生成PWM信号驱动全桥逆变器；KV控制主模块、AD转换模块、KV控制模块和移相PWM信号生成模块组成一起实现KV双闭环控制。

此外，优选的方案是，逆变电流有效值的获取方法为：用电流互感器取得逆变电流信号，通过电流流过电容，取电容电压得到电流的有效值；相应的公式如下：

$U_o=\frac{1}{C}\∫1\left(t\right)\mathrm{dt}$

此外，优选的方案是，实现数字PID功能为每一个PWM周期完成两次PID运算；系统放线命令到来后，将上位机传来的KV设定值和所述AD转换模块传来的所述KV反馈值作差，计算出误差值，再将误差进行PID运算；在实现数字PID功能的过程中采用增量型控制，模型如下式：

$u\left(n\right)=u(n-1)+\mathrm{Kp}[\mathrm{\θ}\left(n\right)-\mathrm{\θ}(n-1)]+\mathrm{Kp}\frac{T}{T_1}\mathrm{\θ}\left(n\right)+\mathrm{Kp}\frac{T_D}{T}[\mathrm{\θ}\left(n\right)-2\mathrm{\θ}(n-1)+\mathrm{\θ}(n-2)]$

上式中e(n)是每个周期计算的误差值，u(n)是每个周期计算的结果；计算出的u(n)再与谐振电流反馈值做差，将误差再一次进行如上式形式的PID运算，运算的结果输入到下一个模块。

此外，优选的方案是，移相PWM信号生成模块采用移相PWM控制方式，包括计数模块、PWM信号生成模块和超前臂、滞后臂分相模块。

本发明提供的采用数字技术的KV控制方法，包括KV闭环控制和移相PWM信号生成；其中，KV闭环控制采用双环控制，包括外环和内环；外环为KV闭环控制，内环为逆变电流有效值闭环控制；KV闭环控制的控制方式为每一个PWM周期读取一次KV反馈值和逆变电流有效值，根据与KV参考值的偏差，采用PID控制流程获取下一个PWM周期应输出的脉宽值；KV闭环控制通过FPGA处理器来实现。

此外，优选的方案是，逆变电流有效值的获取方法为：用电流互感器取得逆变电流信号，通过电流流过电容，取电容电压得到电流的有效值；其公式如下：

$U_o=\frac{1}{C}\∫1\left(t\right)\mathrm{dt}$

从上面的技术方案可知，采用本发明提供的采用数字技术的KV控制方法及系统，能够获得以下有益效果：

1）采用FPGA作为处理器，将控制过程写入FPGA中，FPGA具有丰富的硬件资源、强大的并行处理能力，能够在不高的工作频率下快速实现复杂的算法；

2）能够很方便的进行单环控制、双环控制、开环的切换以及不同逆变频率的切换；

3）在采用双环控制的情况下能够保证KV闭环控制效果（速度和精度）与模拟电路的KV闭环控制效果一致。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的采用数字技术的KV控制系统示意图；

图2为根据本发明实施例的FPGA单元框图；

图3为根据本发明实施例的移相PWM信号生成模块示意图。

其中的附图标记包括：KV控制主模块201、AD转换模块202、KV控制模块203、移相PWM信号生成模块204、计数模块301、PWM信号生成模块302、超前臂、滞后臂分相模块303。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1和图2分别为根据本发明实施例的采用数字技术的KV控制系统和FPGA单元的示意图。如图1和图2所示，本发明提供的采用数字技术的KV控制系统，包括KV闭环控制系统和移相PWM信号生成模块204。

KV闭环控制系统采用KV双环控制，包括外环和内环，外环为KV闭环控制，内环为逆变电流有效值闭环控制。

KV闭环控制系统和移相PWM信号生成模块204通过FPGA（FieldProgrammable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）单元来实现。

FPGA单元包括KV控制主模块201、AD转换模块202、KV控制模块203和移相PWM信号生成模块204。

KV控制主模块201用于定义与外界的接口，生成逆变工作频率的脉冲信号同步AD转换模块202、KV控制模块203和移相PWM信号生成模块204工作。

AD转换模块202用于将外界的KV反馈和逆变电流有效值反馈读入芯片。

KV控制模块203用于实现数字PID功能，控制KV输出。

移相PWM信号生成模块204用于生成PWM信号驱动全桥逆变器；并且KV控制主模块201、AD转换模块202、KV控制模块203和移相PWM信号生成模块204组成一起实现KV双闭环控制系统。

与上述数字技术的KV控制系统相对应，本发明还提供数字技术的KV控制方法。本发明提供的采用数字技术的KV控制方法，包括：KV闭环控制和移相PWM信号生成。KV闭环控制采用双环控制，包括外环和内环；外环为KV闭环控制，内环为逆变电流有效值闭环控制。

KV闭环控制的控制方式为每一个PWM周期读取一次KV反馈值和逆变电流有效值，根据与KV参考值的偏差，采用PID控制流程获取下一个PWM周期应输出的脉宽值；KV闭环控制通过FPGA处理器来实现。

在图1的实施例中，可以看到，经滤波电路电容C用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；因为高压发生器主电路滤波后的电压就可达530V左右，而稳压器件不能承受这样的高压，所以滤波后无稳压电路。

然后，直流电压经过串联谐振的桥式逆变器；逆变桥包括四部分，每部分臂由一个IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）和一个续流二极管并联组成。IGBT在电路中作为逆变器件的变频器，也作为开关元件；电路为了续流，设置了反馈二极管，而逆变器输出功率依靠调整IGBT的工作频率（即PWM）来进行调节。谐振逆变技术中有串联逆变和并联逆变两种方式，并联谐振逆变技术用在工作频率固定或变化不大的场合，串联逆变技术用在要求输入为恒压电源，采用大电容的滤波，并且工作时频率调节范围比较宽。在本发明图1实施例中采用的是串联谐振技术。逆变电路进行周期工作，逆变电路的IGBT-A、IGBT-D导通，电流流过谐振电容C，高压变压器线圈、谐振电感L产生电流；IGBT-A、IGBT-D断开，贮存在电感L电容C内的能量通过二极管A和D放出；当逆变电路的IGBT-B、IGBT-C导通，电流流过谐振电容C，高压变压器线圈、谐振电感L产生电流；当逆变电路的IGBT-B、IGBT-C断开，贮存在L、C内的能量通过二极管B和C放出。

当逆变电路的开关元件导通时，电流流过谐振电容C，取得电容电压，通过公式

$\left(1\right)U_o=\frac{1}{C}\∫1\left(t\right)\mathrm{dt}$

获取逆变电流有效值，然后把获取的逆变电流有效值读入ADC（模数转换器，能将模拟信号转变为数字信号的电子元件）。

当逆变电路的开关元件导通时，谐振电感L和高压变压器线圈产生电流，此时为交流电，将产生的交流电通过倍压整流，得到较高的直流电压，然后将整流后的直流电，即外界KV反馈值读入ADC。

KV闭环控制系统和移相PWM信号生成模块204通过FPGA单元来实现。在图1的实施例中，FPGA单元的过程为：外界的KV反馈读入ADC得出的数字信号KV反馈值与KV给定值进行KVPID运算，然后再与模拟量的逆变电流有效值读入ADC得到的数字信号逆变电流有效值运算，实现电流PID功能，控制KV输出；然后把两次PID运算出的控制量转变成PWM信号控制逆变器，完成FPGA单元的流程。

图2为根据本发明实施例的FPGA单元框图，如图2所示，FPGA单元包括KV控制主模块201、AD转换模块202、KV控制模块203和移相PWM信号生成模块204。

KV控制主模块201用于定义与外界的接口，生成逆变工作频率的脉冲信号，用以同步AD转换模块202、KV控制模块203和生成移相PWM信号模块204工作。

AD转换模块202用于将外界的KV反馈和逆变电流有效值反馈读入芯片；AD转换模块202的功能是驱动外面AD芯片，使AD转化外界的模拟量，本实施例中外界模的拟量是外界反馈的KV反馈和逆变电流反馈。在每个PWM周期内分别读取一次，其中逆变电流有效值是在PWM信号结束点读取的，因为在PWM信号结束点逆变电流达到最大值，此时的电流积分值，就为逆变电流有效值。

KV控制模块203用于实现数字PID功能，控制KV输出；在KV控制模块203中每一个PWM周期完成两次PID运算。当系统命令到来后，将上位机传来的KV设定值和AD转换模块202传来的KV反馈值作差，计算出误差值，再将误差进行PID运算。在实现数字PID功能的过程中采用增量型控制。模型如下式：

$u\left(n\right)=u(n-1)+\mathrm{Kp}[\mathrm{\θ}\left(n\right)-\mathrm{\θ}(n-1)]+\mathrm{Kp}\frac{T}{T_1}\mathrm{\θ}\left(n\right)+\mathrm{Kp}\frac{T_D}{T}[\mathrm{\θ}\left(n\right)-2\mathrm{\θ}(n-1)+\mathrm{\θ}(n-2)]---\left(2\right)$

上式中e(n)是每个周期计算的误差值，u(n)是每个周期计算的结果；计算出的u(n)再与逆变电流反馈值做差，将误差再一次进行如上述公式（2）所示的PID运算，运算的结果输入到下一个模块。

移相PWM信号生成模块204用于生成PWM信号驱动全桥逆变器；将KV控制模块203获得的结果转变成PWM信号控制逆变器，并且系统采用的是移相PWM控制方式。

在本发明的实施例中，外界的KV反馈值和逆变电流有效值的模拟量读入AD转换模块202，与KV控制主模块201共同作用下，把外界的KV反馈值和逆变电流有效值的模拟量转化为数字量；然后转化后的数字量与KV控制主模块201中的KV设定值，在KV控制模块203中实现数字PID功能，控制KV输出；将获取的值和KV控制主模块201生成的固定逆变频率脉冲信号，在移相PWM信号生成模块204中生成PWM信号驱动全桥逆变器，并将生成的PWM信号反馈给AD转换模块202以确定逆变电流反馈值的读入点。这样就完成了FPGA的数据处理。

在图1和图2所示的实施例中，KV控制主模块201、AD转换模块202、KV控制模块203和移相PWM信号生成模块204组成一起实现所述KV双闭环控制系统。

图3为根据本发明实施例的移相PWM信号生成模块示意图，如图3所示，移相PWM信号生成模块204包括计数模块301、PWM信号生成模块302和超前臂、滞后臂分相模块303。

在图3的实施例中，由KV控制主模块201生成的固定逆变频率脉冲信号被引入同步移相PWM信号生成模块204的所有操作。在每一个脉冲周期开始时，计数器都被置“0”，同时PWM信号被置“1”，直到计数模块301的计数值达到KV控制模块203计算出的控制量，PWM信号被置“0”，这样就把上一个模块输出的不同值变成了时间上不同的PWM信号脉宽值，PWM信号在PWM信号生成模块302产生。将PWM信号和KV控制主模块201生成的固定逆变频率脉冲信号都送给超前臂、滞后臂分相模块303，由固定逆变频率脉冲生成互补的两个滞后桥臂逆变驱动信号，由PWM信号生成互补的两个超前桥臂逆变驱动信号，这样就实现了移相PWM控制，这四个信号送给全桥逆变器。

由于AD转换模块202中的逆变电流有效值取样点在PWM信号结束时刻，所以需要将PWM信号送给AD转换模块；这样，KV控制主模块201、AD转换模块202、KV控制模块203和移相PWM信号生成模块204四个模块组成在一起实现KV的双闭环控制功能。

通过上述实施方式可以看出，本发明所述的采用数字技术的KV控制方法及系统，采用FPGA单元来实现，FPGA具有丰富的硬件资源、强大的并行处理能力，能够在不高的工作频率下快速实现复杂的数据处理；并且能够很方便的进行单环控制、双环控制、开环的切换以及不同逆变频率的切换；还能够在采用双环控制的情况下保证KV闭环控制效果（速度和精度）与模拟电路的KV闭环控制效果一致。该控制系统设计定型后可扩展性和可更改性比模拟电路的扩展性和更改性大，控制方式灵活，而且不便于仿制。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的采用数字技术的KV控制方法及系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的采用数字技术的KV控制方法及系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (6)

1.一种采用数字技术的KV控制系统，包括KV闭环控制系统和移相PWM信号生成模块；其中，

所述KV闭环控制系统采用KV双闭环控制，包括外环和内环，所述外环为KV闭环控制，所述内环为逆变电流有效值闭环控制；

所述KV闭环控制系统和所述移相PWM信号生成模块通过FPGA单元来实现；

所述FPGA单元包括KV控制主模块、AD转换模块、KV控制模块和移相PWM信号生成模块；

所述KV控制主模块用于定义与外界的接口，生成逆变工作频率的脉冲信号同步所述AD转换模块、所述KV控制模块和所述移相PWM信号生成模块工作；

所述AD转换模块用于将外界的KV反馈和逆变电流有效值反馈读入芯片；

所述KV控制模块用于实现数字PID功能，控制KV输出；

所述移相PWM信号生成模块用于生成PWM信号驱动全桥逆变器；

所述KV控制主模块、所述AD转换模块、所述KV控制模块和所述移相PWM信号生成模块组合在一起共同实现所述KV双闭环控制。

2.如权利要求1所述的采用数字技术的KV控制系统，其中，所述逆变电流有效值的获取方法为：用电流互感器取得逆变电流信号，通过电流流过电容，取电容电压得到电流的有效值，相应的公式如下：

$U_o=\frac{1}{C}\∫1\left(t\right)\mathrm{dt}$

3.如权利要求1所述的采用数字技术的KV控制系统，其中，所述实现数字PID功能为每一个PWM周期完成两次PID流程；系统放线命令到来后，将上位机传来的KV设定值和所述AD转换模块传来的所述KV反馈值作差，计算出误差值，再将误差进行PID运算；其中，在实现数字PID功能的过程中采用增量型控制，模型如下式：

$u\left(n\right)=u(n-1)+\mathrm{Kp}[\mathrm{\θ}\left(n\right)-\mathrm{\θ}(n-1)]+\mathrm{Kp}\frac{T}{T_1}\mathrm{\θ}\left(n\right)+\mathrm{Kp}\frac{T_D}{T}[\mathrm{\θ}\left(n\right)-2\mathrm{\θ}(n-1)+\mathrm{\θ}(n-2)]$

上式中e(n)是每个周期计算的误差值，u(n)是每个周期计算的结果；

计算出的u(n)再与谐振电流反馈值做差，将误差再一次进行如上式形式的PID运算，运算的结果输入到下一个模块。

4.如权利要求1所述的采用数字技术的KV控制系统，其中，所述移相PWM信号生成模块采用移相PWM控制方式，包括计数模块、PWM信号生成模块和超前臂和滞后臂分相模块。

5.一种采用数字技术的KV控制方法，包括KV闭环控制和移相PWM信号生成，其中，

所述KV闭环控制采用双环控制，包括外环和内环；

所述外环为KV闭环控制，所述内环为逆变电流有效值闭环控制；

所述KV闭环控制的控制方式为每一个PWM周期读取一次KV反馈值和逆变电流有效值，根据与KV参考值的偏差，采用PID控制流程获取下一个PWM周期应输出的脉宽值；

所述KV闭环控制通过FPGA处理器来实现。

6.如权利要求5所述的采用数字技术的KV控制方法，其中，所述逆变电流有效值的获取方法为：用电流互感器取得逆变电流信号，通过电流流过电容，取电容电压得到电流的有效值，相应的公式如下：

$U_o=\frac{1}{C}\∫1\left(t\right)\mathrm{dt}$

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