CN112671234A - 一种大功率数字脉冲电源时序控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率数字脉冲电源时序控制系统及控制方法，属于大功率数字脉冲电源技术领域，包括：一、根据脉冲输出工作参数，设置脉冲输出控制参数；二、开始启动脉冲输出，判断脉冲时间是否到达，输出脉冲时间到达则停止脉冲输出，脉冲输出使能标志为禁止，脉冲时间未到达时，脉冲输出时间累计；三、启动单次脉冲输出流程，首先PWM1开始启动脉冲输出，然后，PWM2开始启动脉冲输出，最后，PWM3开始启动脉冲输出，每次PWM3输出进行脉冲输出计数累计，当到达参数配置的脉冲宽度对应的计数值时，返回脉冲输出时间判断是否完成本次脉冲输出。该技术方案可以自适应多种脉冲工作脉率、脉冲宽度、脉冲数量、功率开关拓扑路数变化。

Description

一种大功率数字脉冲电源时序控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于大功率数字脉冲电源技术领域，具体涉及一种大功率数字脉冲电源时序控制系统及控制方法。

背景技术

随着激光器等特殊脉冲载荷系统对大功率脉冲电源需求及计算机技术快速发展，脉冲电源技术由模拟脉冲电源向数字脉冲电源过渡并持续快速发展，目前，小电流、小功率、高稳定度的脉冲电源技术已经成熟，而大电流、大功率、高稳定度的数字脉冲电源尚处于探索阶段，大功率数字脉冲电源系统存在控制算法繁琐、时序控制复杂、系统运行速度慢、系统稳定性不高、实时性差、系统兼容性差等问题，而大功率数字脉冲电源软件时序控制方法直接决定着大功率数字脉冲电源性能及功能特性。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种大功率数字脉冲电源时序控制系统及控制方法，采用数字化控制方法实现了多路BUCK电路功率输出控制，通过控制模块实现多路BUCK电路模拟信号的采集、滤波、变换、PID计算及PWM输出的时序控制，从而实现自适应不同输入电压多路BUCK模拟电路功率输出控制；该技术方案可以自适应多种脉冲工作脉率、脉冲宽度、脉冲数量、功率开关拓扑路数变化。

本发明的第一目的是提供一种大功率数字脉冲电源时序控制系统，至少包括：M个Buck功率电路；其中：M为大于1的自然数；每个Buck功率电路包括：

主功率变换开关，将输入功率变换为脉冲负载所需的功率；

储能电感，用于主功率变换开关在进行功率变换过程中的储能；

续流二极管，用于主功率变换开关关断时给储能电感提供续流回路；

辅助开关，为脉冲负载的感性部分和储能电感提供续流回路，使得负载获得所需的脉冲边沿；

控制模块，用于控制M个主功率变换开关和辅助开关的导通时序，进而实现功率的变换；其中：

所述供电电压的正极端子依次通过主功率变换开关、电流检测电路、辅助开关和供电电压的负极端子电连接；所述供电电压的正极端子依次通过主功率变换开关、电流检测电路、脉冲载荷和供电电压的负极端子电连接。

优选地，所述主功率变换开关为场效应晶体管。

优选地，所述辅助开关为场效应晶体管。

优选地，所述控制模块包括接收电流检测电路的采集模块、滤波模块、变换模块、PID模块及PWM输出模块。

本发明的第二目的是提供一种大功率数字脉冲电源时序控制系统的控制方法，至少包括如下步骤：

S1、根据脉冲输出工作参数，在控制模块中设置本次脉冲输出控制参数；

S2、开始启动脉冲输出，判断脉冲时间是否到达，输出脉冲时间到达则停止脉冲输出，脉冲输出使能标志为禁止，脉冲时间未到达时，脉冲输出时间累计；

S3、启动单次脉冲输出流程，首先PWM1开始启动脉冲输出，同时触发PWM2开始模拟量数据采集、数字PID计算、设置PWM2占空比，然后，PWM2开始启动脉冲输出，同时触发PWM3开始模拟量数据采集、数字PID计算、设置PWM3占空比，最后，PWM3开始启动脉冲输出，同时触发PWM1开始模拟量数据采集、数字PID计算、设置PWM1占空比，每次PWM3输出进行脉冲输出计数累计，当到达参数配置的脉冲宽度对应的计数值时，返回脉冲输出时间判断是否完成本次脉冲输出。

优选地，所述脉冲输出控制参数包括脉冲周期、脉冲个数、脉冲输出时间。

优选地，单次脉冲时序控制过程为：

A、按照需求将三路脉冲输出模块按照相位关系进行三等分120°，以P1、P2、P3按照0°、120°、240°初始相位角设置，实现三路PWM输出两两相位差为120°；

B、开始启动单次脉冲输出控制，t1时刻PWM1开始脉冲输出，使能PWM2使能控制、启动PWM2电流模拟量采集，待AD转换中断触发后，启动PWM2占空比计算、PWM2占空比设置；t2时刻PWM2开始脉冲输出，使能PWM3使能控制、启动PWM3电流模拟量采集，待AD转换中断触发后，启动PWM3占空比计算、PWM3占空比设置；t3时刻PWM3开始脉冲输出，使能PWM1使能控制、启动PWM1电流模拟量采集，待AD转换中断触发后，启动PWM1占空比计算、PWM1占空比设置；t4时刻开始按照上述流程循环执行，直到PWM3输出累计数值到达脉宽需求时间，停止脉冲输出。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明通过控制模块控制多个Buck功率电路的时序，可以自适应多种脉冲工作频率、脉冲宽度、脉冲数量、功率开关拓扑路数变化，具有灵活地自适应配置能力，大大提高了系统集成控制能力及兼容性。

2、本发明通过控制多路BUCK电路开关时序，实现多路BUCK电路功率级联输出，实现大功率、大电流、高稳定度数字脉冲功率输出。

3、本发明通过控制多路BUCK电路模拟信号的采集、滤波、变换、PID计算及PWM输出的时序，实现了多路采集、控制信号协同控制，大大提高了系统稳定性、可靠性及实时性。

附图说明

图1是本发明优选实例的BUCK电路拓扑图；

图2是本发明优选实例中单次脉冲时序控制图；

图3是本发明优选实例的流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图3所示，

本发明的技术方案为：采用数字化控制方法实现了多路BUCK电路功率输出控制，通过软件控制实现多路BUCK电路模拟信号的采集、滤波、变换、PID计算及PWM输出的时序控制，从而实现自适应不同输入电压多路BUCK模拟电路功率输出控制；该方法可以自适应多种脉冲工作脉率、脉冲宽度、脉冲数量、功率开关拓扑路数变化。

一种大功率数字脉冲电源时序控制系统，包括：M个Buck功率电路；其中：M为大于1的自然数；每个Buck功率电路包括：

主功率变换开关，将输入功率变换为脉冲负载所需的功率；

储能电感，用于主功率变换开关在进行功率变换过程中的储能；

续流二极管，用于主功率变换开关关断时给储能电感提供续流回路；

辅助开关，为脉冲负载的感性部分和储能电感提供续流回路，使得负载获得所需的脉冲边沿；

控制模块，用于控制M个主功率变换开关和辅助开关的导通时序，进而实现功率的变换；其中：

所述供电电压的正极端子依次通过主功率变换开关、电流检测电路、辅助开关和供电电压的负极端子电连接；所述供电电压的正极端子依次通过主功率变换开关、电流检测电路、脉冲载荷和供电电压的负极端子电连接。

系统运行控制：

大功率数字脉冲电源采用多个Buck功率电路级联组成，单个Buck功率拓扑如图1所示，Sp1为主功率变换开关，负责将输入功率变换为脉冲负载所需的功率；储能电感，用于主功率变换开关Sp1在进行功率变换过程中的储能；续流二极管，用于主功率变换开关Sp1关断时给储能电感提供续流回路；Sp2为辅助开关，为脉冲负载的感性部分和储能电感提供续流回路，使得负载获得较陡的脉冲边沿，通过软件控制Sp1、Sp2导通、截止实现功率的变换功能。

系统运行流程：

当需要输出脉冲时，按照需求进行脉冲频率、脉冲宽度、脉冲持续时间等参数配置，当检测到启动脉冲信号时，软件脉冲输出使能标志使能，开始进入启动脉冲输出流程，启动脉冲输出流程图如图3所示。

首先，根据脉冲输出工作参数设置本次脉冲输出控制参数，包括脉冲周期、脉冲个数、脉冲输出时间，然后开始启动脉冲输出，判断脉冲时间是否到达，输出脉冲时间到达则停止脉冲输出，脉冲输出使能标志为禁止，脉冲时间未到达时，脉冲输出时间累计，然后启动单次脉冲输出流程，首先PWM1开始启动脉冲输出，同时触发PWM2开始模拟量数据采集、数字PID计算、设置PWM2占空比，然后，PWM2开始启动脉冲输出，同时触发PWM3开始模拟量数据采集、数字PID计算、设置PWM3占空比，最后，PWM3开始启动脉冲输出，同时触发PWM1开始模拟量数据采集、数字PID计算、设置PWM1占空比，每次PWM3输出进行脉冲输出计数累计，当到达参数配置的脉冲宽度对应的计数值时，返回脉冲输出时间判断是否完成本次脉冲输出。

单次脉冲时序控制流程：

单次脉冲时序控制示意图如图2所示，具体控制方法为：首先按照需求将三路脉冲输出模块按照相位关系进行三等分120°，以P1、P2、P3按照0°、120°、240°初始相位角设置，从而实现三路PWM输出两两相位差为120°，开始启动单次脉冲输出控制，t1时刻PWM1开始脉冲输出，使能PWM2使能控制、启动PWM2电流模拟量采集，待AD转换中断触发后，启动PWM2占空比计算、PWM2占空比设置；t2时刻PWM2开始脉冲输出，使能PWM3使能控制、启动PWM3电流模拟量采集，待AD转换中断触发后，启动PWM3占空比计算、PWM3占空比设置；t3时刻PWM3开始脉冲输出，使能PWM1使能控制、启动PWM1电流模拟量采集，待AD转换中断触发后，启动PWM1占空比计算、PWM1占空比设置；t4时刻开始按照上述流程循环执行，直到PWM3输出累计数值到达脉宽需求时间，停止脉冲输出。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种大功率数字脉冲电源时序控制系统，其特征在于，至少包括：M个Buck功率电路；其中：M为大于1的自然数；每个Buck功率电路包括：

主功率变换开关，将输入功率变换为脉冲负载所需的功率；

储能电感，用于主功率变换开关在进行功率变换过程中的储能；

续流二极管，用于主功率变换开关关断时给储能电感提供续流回路；

辅助开关，为脉冲负载的感性部分和储能电感提供续流回路，使得负载获得所需的脉冲边沿；

控制模块，用于控制M个主功率变换开关和辅助开关的导通时序，进而实现功率的变换；其中：

所述供电电压的正极端子依次通过主功率变换开关、电流检测电路、辅助开关和供电电压的负极端子电连接；所述供电电压的正极端子依次通过主功率变换开关、电流检测电路、脉冲载荷和供电电压的负极端子电连接。

2.根据权利要求1所述的大功率数字脉冲电源时序控制系统，其特征在于，所述主功率变换开关为场效应晶体管。

3.根据权利要求1或2所述的大功率数字脉冲电源时序控制系统，其特征在于，所述辅助开关为场效应晶体管。

4.根据权利要求3所述的大功率数字脉冲电源时序控制系统，其特征在于，所述控制模块包括接收电流检测电路的采集模块、滤波模块、变换模块、PID模块及PWM输出模块。

5.一种基于权利要求4所述的大功率数字脉冲电源时序控制系统的控制方法，其特征在于，至少包括如下步骤：

S1、根据脉冲输出工作参数，在控制模块中设置本次脉冲输出控制参数；

S2、开始启动脉冲输出，判断脉冲时间是否到达，输出脉冲时间到达则停止脉冲输出，脉冲输出使能标志为禁止，脉冲时间未到达时，脉冲输出时间累计；

S3、启动单次脉冲输出流程，首先PWM1开始启动脉冲输出，同时触发PWM2开始模拟量数据采集、数字PID计算、设置PWM2占空比，然后，PWM2开始启动脉冲输出，同时触发PWM3开始模拟量数据采集、数字PID计算、设置PWM3占空比，最后，PWM3开始启动脉冲输出，同时触发PWM1开始模拟量数据采集、数字PID计算、设置PWM1占空比，每次PWM3输出进行脉冲输出计数累计，当到达参数配置的脉冲宽度对应的计数值时，返回脉冲输出时间判断是否完成本次脉冲输出。

6.根据权利要求5所述的大功率数字脉冲电源时序控制系统的控制方法，其特征在于，所述脉冲输出控制参数包括脉冲周期、脉冲个数、脉冲输出时间。

7.根据权利要求5所述的大功率数字脉冲电源时序控制系统的控制方法，其特征在于，单次脉冲时序控制过程为：

A、按照需求将三路脉冲输出模块按照相位关系进行三等分120°，以P1、P2、P3按照0°、120°、240°初始相位角设置，实现三路PWM输出两两相位差为120°；

B、开始启动单次脉冲输出控制，t1时刻PWM1开始脉冲输出，使能PWM2使能控制、启动PWM2电流模拟量采集，待AD转换中断触发后，启动PWM2占空比计算、PWM2占空比设置；t2时刻PWM2开始脉冲输出，使能PWM3使能控制、启动PWM3电流模拟量采集，待AD转换中断触发后，启动PWM3占空比计算、PWM3占空比设置；t3时刻PWM3开始脉冲输出，使能PWM1使能控制、启动PWM1电流模拟量采集，待AD转换中断触发后，启动PWM1占空比计算、PWM1占空比设置；t4时刻开始按照上述流程循环执行，直到PWM3输出累计数值到达脉宽需求时间，停止脉冲输出。

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