CN104216301A - 基于mcu和fpga的psm高压电源控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，包括MCU逻辑控制器、FPGA脉冲控制器，MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器与计算机IPC1采用RS232串口通讯，计算机IPC1和IPC2构成上位机系统，上位机系统还匹配有控制软件；MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器与基于PSM技术的高压电源系统部件之间采用光纤连接，MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器执行外部信号指令并根据上位机控制系统输入的电源运行模式控制高压电源系统各部件的运行；本发明采用MCU和FPGA相结合来设计控制系统，为EAST核聚变装置上140GHz电子回旋共振加热系统的稳定运行提供了可靠的技术保障。

Description

基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统

技术领域

本发明涉及高压电源控制系统，具体涉及一种基于PSM技术的高压电源系统控制系统。

背景技术

辅助加热系统作为托卡马克最重要最复杂的系统之一在国际各装置上一直是重点发展的对象，对应托卡马克从脉冲往稳态发展的趋势，辅助加热高压电源也经历了从脉冲模式到长脉冲乃至稳态模式的发展阶段，作为最近几年国内外研究的最新技术，PSM开关电源技术发展迅速并已在辅助加热高压电源系统中获得大量成功的应用。

随着托卡马克物理实验的不断深入对电子回旋系统乃至高压电源系统提出更高更加苛刻的要求，同时也就对高压电源的控制、保护等技术提出了更高的要求，如快速前后沿控制、微秒级电流检测及过流保护、高达1KHz的调制运行以及灵活多变的运行控制方式等。

基于PSM技术的高压电源系统最重要的特点就是以单个模块为控制单元实现高压输出的开关控制与调制控制等，系统结构复杂而且控制对象较多，而且各个对象的控制要求又不尽相同，时间跨度从微秒级至秒级变化，因此设计并建造一套操作方便、运行可靠的控制系统就显得尤为重要。

一般简单控制系统采用单一控制器进行设计，能够满足一些特定的控制要求，但是对于时域控制较宽、逻辑控制层次较多的应用场合，单一控制器就很难满足整个系统全局的控制要求。

在基于PSM技术的高压电源系统中，主要由进线开关柜、软启动接触器柜、多绕组隔离变压器、PSM模块、输出电压电流快速检测及保护等几个主要部分组成，控制系统的主要任务之一就是对各个对象进行监测、控制，实现整个电源系统的安全、稳定运行以及在负载故障时实现输出电压电流的快速检测与保护，以满足负载（如回旋管等）对打火、过流保护等的快速要求。根据上述系统的主要控制对象和控制过程，控制系统的设计及制造难点主要体现在以下几个方面：

（1）控制对象增多，PSM高压电源系统中除了包含断路器、接触器等10kV交流开关外，直流侧开关由几个（1～2个）增加为近百个（取决于模块个数），控制对象的增加明显提高了控制系统的设计和制造难度；

（2）控制过程更加复杂，PSM高压电源运行前后均要经历几个开关过程，所有的逻辑控制、时序控制均需要由控制系统自动实现；

（3）PSM高压电源对控制系统的运行速度和精度要求更高，脉冲定时控制精度从微秒至数秒变化，时域跨度很大，一般控制器很难同时兼顾；

（4）为了满足物理实验的各种复杂运行要求，在高压电源控制系统设计中，还加入了多种运行模式的选择，这进一步加大了控制系统的设计和制造难度。

发明内容

本发明旨在设计一套基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，实现整个基于PSM技术高压电源系统的控制，满足回旋管负载乃至托卡马克物理实验的基本运行控制与各种保护要求。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，包括位于本地控制柜里的MCU逻辑控制器、FPGA脉冲控制器，其特征在于：还包括均与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器连接的上位机系统以及高压电源现场设备；

所述的上位机系统包括本地控制计算机IPC1和远程控制计算机IPC2以及匹配的控制软件；所述的MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器与本地控制计算机IPC1采用RS232串口通讯，本地控制计算机IPC1和控制室的远程控制计算机IPC2通过网络通讯；

所述的高压电源现场设备包括PSM模块、负载以及电压电流测控设备以及软启动接触器柜；所述的MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器通过多芯电缆连接光电转换设备，所述的光电转换设备与电源设备现场的PSM模块以及电压电流测控设备光纤连接，所述的MCU逻辑控制器还通过多芯电缆连接软启动接触器柜；

所述的MCU逻辑控制器通过接外部控制指令，控制软启动柜内部接触器的合闸和分闸，并对软启动柜内部接触器的状态返回信号进行检测和过程判断；同时，所述的MCU逻辑控制器结合上位机系统匹配的控制软件中预设定的时序及逻辑将控制指令发送给FPGA脉冲控制器，FPGA脉冲控制器结合上位机系统匹配的控制软件预设定的运行模式、电压幅值、脉冲宽度、上升沿和下降沿时间参数值自动计算并生成需要运行的模块数量和运行时间，并根据MCU逻辑控制器发送的控制指令控制脉冲信号的启动和停止，进而控制PSM模块的开通与关断，从而实现输出电压的开关与调节。

所述的上位机系统匹配的控制软件是包括应用层、服务层和驱动层；所述的应用层通过人机交互软件实现人机交互，所述的人机交互软件利用WINDOWS XP的DELPHI编译，通过位于现场或远程的监控计算机选择高压电源系统的工作模式，并设置相关参数，相关数据通过RS232串行通信线传输给整套控制系统的核心运算部分-MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器，MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器接收预设参数以后，将依据外部控制信号来控制整套电源系统按照既定的程序运行；所述的服务层与应用层和驱动层之间通过总体接口单元连接，实现上位机信息与MCU逻辑控制器以及FPGA脉冲控制器之间的交换变量的管理；所述的驱动层包括RS232与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器的连接单元、客户端接口处理单元、软件设定单元和模块设定单元，所述的RS232与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器的连接单元实现上位机与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器的串口通讯，所述的客户端处理单元主要用于通过远程监控计算机IPC2的网络连接实现对高压电源现场设备的监控和操作，所述的软件设定单元和模块设定单元在接收应用层人机交互软件设定的运行模块以及相关参数后进行模块和参数的配置。

所述的MCU逻辑控制器，主板MCU采用目前ARM7架构的LPC2138芯片作为核心控制器件，协调控制高压电源系统各部分的工作，以及高压系统与外部各系统之间的联锁控制、逻辑控制等，定时精度达1mS，采用RS232串口通讯方式与上位机通讯；

所述的FPGA脉冲控制器，主板采用Altera公司的FPGA芯片EP1C6Q240构成主控制区域，配置适当的输入输出接口电路，控制高压电源系统的核心部分——PSM模块的开机与关机，从而实现输出电压的开关控制、调节以及高达1KHz的调制运行等，定时精度达1uS，采用RS232串口通讯方式与上位机通讯；

所述的高压电源运行模式包括测试模式、脉冲模式、调制模式、反馈模式以及设备测试。

所述的光电转换设备，用于实现光信号与电信号之间的转换，实现高压电源系统与控制系统之间的隔离，从而保障操作人员与设备的安全运行；

所述的电压电流测控箱包括电压电流快速检测及保护单元，用于快速检测高压电源系统的电压电流信号并进行阈值判断，当发生过压或者过流时发出保护信号送至控制器，实现高压电源系统的快速关断从而保护负载和电源自身。

本发明的有益效果体现在：

本发明采用MCU和FPGA相结合来设计控制系统，将整个系统的控制划分为逻辑控制层和脉冲控制层，从时域控制要求和逻辑控制要求两个层面进行了功能划分，利用MCU实现精度达毫秒级的逻辑控制层，满足系统的基本逻辑控制需求，利用FPGA实现精度达1uS的脉冲控制层，满足PSM高压电源对于各种工况下脉冲前后沿的快速控制等要求。本发明为EAST核聚变装置上140GHz电子回旋共振加热系统的稳定运行提供了可靠的技术保障，可以实现各种主要的运行模式，满足回旋管不同工况下对于电源的各种控制要求以及保护要求等，从而最终满足各种物理实验的复杂要求。

附图说明

图1 为本发明的基本结构示意图；

图2 为本发明软件结构示意图；

图3 本发明测试模式输出波形；

其中：CH1:输出电压（1VDC:10kVDC），CH2：输出电流（1VDC:10A）

1 快速上升，2 手动上升，3 手动下降，4 快速下降；

图4(a)是脉冲模式完整输出波形，4(b)是脉冲模式上升沿输出波形，4(c)是脉冲模式下降沿输出波形；

图5(a)为完整1KHz调制模式输出波形，图5(b)为完整1KHz调制模式输出波形的展开细节；

图6(a)是反馈模式完整输出波形，6(b)是反馈模式上升沿输出波形，6(c)是反馈模式下降沿输出波形；

图7 过流保护输出波形。

具体实施方式

如图1所示，一种基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，包括位于本地控制柜里的MCU逻辑控制器、FPGA脉冲控制器，还包括均与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器连接的上位机系统以及高压电源现场设备；

所述的上位机系统包括本地控制计算机IPC1和远程控制计算机IPC2以及匹配的控制软件；所述的MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器与本地控制计算机IPC1采用RS232串口通讯，本地控制计算机IPC1和控制室的远程控制计算机IPC2通过网络通讯；

所述的高压电源现场设备包括PSM模块、电压电流测控设备以及软启动接触器柜；所述的MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器通过多芯电缆连接光电转换设备，所述的光电转换设备与电源设备现场的PSM模块以及电压电流测控设备光纤连接，所述的MCU逻辑控制器还通过多芯电缆连接软启动接触器柜；

所述的MCU逻辑控制器通过接外部控制指令，控制软启动柜内部接触器的合闸和分闸，并对软启动柜内部接触器的状态返回信号进行检测和过程判断；同时，所述的MCU逻辑控制器结合上位机系统匹配的控制软件中预设定的时序及逻辑将控制指令发送给FPGA脉冲控制器，FPGA脉冲控制器结合上位机系统匹配的控制软件预设定的高压电源运行模式、电压幅值、脉冲宽度、上升沿和下降沿时间参数值自动计算并生成需要运行的模块数量和运行时间，并根据MCU逻辑控制器发送的控制指令控制脉冲信号的启动和停止，进而控制PSM模块的开通与关断，从而实现输出电压的开关与调节。

所述的MCU逻辑控制器，主板MCU采用目前ARM7架构的LPC2138芯片作为核心控制器件，协调控制高压电源系统各部分的工作，以及高压系统与外部各系统之间的联锁控制、逻辑控制等，定时精度达1mS，采用RS232串口通讯方式与上位机通讯；

所述的FPGA脉冲控制器，主板采用Altera公司的FPGA芯片EP1C6Q240构成主控制区域，配置适当的输入输出接口电路，控制高压电源系统的核心部分——PSM模块的开机与关机，从而实现输出电压的开关控制、调节以及高达1KHz的调制运行等，定时精度达1uS，采用RS232串口通讯方式与上位机通讯；

如图2所示，所述的上位机系统匹配的控制软件是包括应用层、服务层和驱动层；所述的应用层通过人机交互软件实现人机交互，所述的人机交互软件利用WINDOWS XP的DELPHI编译，通过位于现场或远程的监控计算机选择高压电源系统的工作模式，并设置相关参数，相关数据通过RS232串行通信线传输给整套控制系统的核心运算部分-MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器，MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器接收预设参数以后，将依据外部控制信号来控制整套电源系统按照既定的程序运行；所述的服务层与应用层和驱动层之间通过总体接口单元连接，实现上位机信息与MCU逻辑控制器以及FPGA脉冲控制器之间的交换变量的管理；所述的驱动层包括RS232与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器的连接单元、客户端接口处理单元、软件设定单元和模块设定单元，所述的RS232与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器的连接单元实现上位机与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器的串口通讯，所述的客户端处理单元主要用于通过远程监控计算机IPC2的网络连接实现对高压电源现场设备的监控和操作，所述的软件设定单元和模块设定单元在接收应用层人机交互软件设定的运行模块以及相关参数后进行模块和参数的配置。

所述的光电转换设备，用于实现光信号与电信号之间的转换，实现高压系统与控制系统之间的隔离，从而保障操作人员与设备的安全运行； 

所述的电压电流测控箱输出电压电流快速检测及保护单元，用于快速检测电压电流信号并进行阈值判断，当发生过压或者过流时发出保护信号送至控制系统，实现高压的快速关断从而保护负载和电源自身。

所述的高压电源运行模式包括测试模式、脉冲模式、调制模式、反馈模式以及设备测试。

1）  测试模式，主要用于单个模块的开关控制、状态监测等，实现单个模块的功能测试以及多个模块的离散测试、连续测试等，该模式控制灵活，可以满足控制要求复杂、多变的应用场合；

2）  脉冲模式，适用于单个脉冲的运行模式，该模式运行简单，适用于固定输出电压、固定输出脉宽的应用场合；

3）  调制模式，适用于特定物理实验的应用场合，适用于固定输出电压、固定输出脉宽、输出调制频率从10Hz-1KHz变化的应用场合，观察信号在特定频率下的工作对于物理试验结果的影响；

4）  反馈模式，基本功能与脉冲模式类似，但是其控制精度更高，可以减弱电网、负载等扰动因素对于输出电压的影响。

5）  设备测试，用于对硬件系统进行测试，可以对每一个通道进行独立控制，实现软件变量与硬件通道的检查与校验。

目前该套控制系统已经研制成功并且投入140GHz电子回旋共振加热高压电源系统的运行，控制系统的主要设备集成于一台控制柜中。

如图3至图6所示，是测试、脉冲、调制、反馈四种模式的输出高压电的波形显示图，图7为发生过流保护时，输出高压电的波形显示图。

Claims (5)

1.一种基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，包括位于本地控制柜里的MCU逻辑控制器、FPGA脉冲控制器，其特征在于：还包括与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器连接的上位机系统以及高压电源现场设备；

所述的上位机系统包括本地控制计算机IPC1和远程控制计算机IPC2以及匹配的控制软件；所述的MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器与本地控制计算机IPC1采用RS232串口通讯，本地控制计算机IPC1和控制室的远程控制计算机IPC2采用网络连接通讯；

所述的高压电源现场设备包括PSM模块、负载以及电压电流测控设备以及软启动接触器柜；所述的MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器通过多芯电缆连接光电转换设备，所述的光电转换设备通过光纤连接电源设备现场的PSM模块以及电压电流测控设备，所述的MCU逻辑控制器还通过多芯电缆连接软启动接触器柜；

所述的MCU逻辑控制器通过接收外部控制指令，控制软启动柜接触器的合闸和分闸，并对软启动柜内部接触器的状态返回信号进行检测和过程判断；同时，所述的MCU逻辑控制器结合上位机系统匹配的控制软件中预设定的时序及逻辑将控制指令发送给FPGA脉冲控制器，FPGA脉冲控制器结合上位机系统匹配的控制软件预设定的高压电源运行模式、电压幅值、脉冲宽度、上升沿和下降沿时间参数值自动计算并生成需要运行的模块数量和运行时间，并根据MCU逻辑控制器发送的控制指令控制脉冲信号的启动和停止，进而控制PSM模块的开通与关断，从而实现输出电压的开关与调节。

2.根据权利要求1所述的一种基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，其特征在于：所述的上位机系统匹配的控制软件是包括应用层、服务层和驱动层；所述的应用层通过人机交互软件实现人机交互，所述的人机交互软件利用WINDOWS XP的DELPHI编译，通过本地控制计算机IPC1和远程控制计算机IPC2选择高压电源系统的工作模式，并设置相关参数；所述的服务层与应用层和驱动层之间通过总体接口单元连接，实现上位机系统与MCU逻辑控制器以及FPGA脉冲控制器之间的交换变量的管理；所述的驱动层包括RS232与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器的连接单元、客户端接口处理单元、软件设定单元和模块设定单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，其特征在于：所述的MCU逻辑控制器，主板采用ARM7架构的LPC2138芯片，并配置接口电路。

4.根据权利要求1所述的一种基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，其特征在于：所述的FPGA脉冲控制器，主板采用Altera公司的FPGA芯片EP1C6Q240，并配置输入输出接口电路。

5.根据权利要求1所述的一种基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，其特征在于：所述的高压电源的运行模式包括测试模式、脉冲模式、调制模式、反馈模式以及设备测试。