一種大電感負(fù)載的高精度脈沖數(shù)字電源設(shè)計(jì)

柳恒敏 ，吳保寧

（1.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741020；2.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

一種大電感負(fù)載的高精度脈沖數(shù)字電源設(shè)計(jì)

柳恒敏1，2，吳保寧1，2

（1.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741020；2.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

針對(duì)粒子加速器系統(tǒng)中對(duì)大電感磁鐵負(fù)載高精度、快跟蹤、低紋波的控制要求，提出了一種基于高精度數(shù)字控制器的脈沖電源設(shè)計(jì)方法，對(duì)其控制策略進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了其電源設(shè)計(jì)，并對(duì)其調(diào)試結(jié)果進(jìn)行了分析。

大電感負(fù)載；跟蹤誤差；脈沖數(shù)字電源

1 引言

隨著同步加速器的發(fā)展，對(duì)磁鐵電源系統(tǒng)的性能指標(biāo)的要求越來越高。傳統(tǒng)模擬電源雖然具有豐富的、成熟的控制技術(shù)方案，但是模擬信號(hào)對(duì)外界噪聲很敏感，特別是具有復(fù)雜多拓?fù)潆娐贩桨傅拇蠊β孰娫?，其模擬控制系統(tǒng)已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)電源的控制要求，而且控制系統(tǒng)更容易受到干擾。

目前，在粒子加速器中有大量的脈沖電源在使用。跟蹤誤差是脈沖電源的基本指標(biāo)，它描述了電源輸出與給定電流波形的相似度，不僅體現(xiàn)了電源對(duì)觸發(fā)的響應(yīng)時(shí)間，還考量了電源調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能。它規(guī)避電源主回路的響應(yīng)時(shí)間以及負(fù)載電感量等因素，要求系統(tǒng)內(nèi)的電源響應(yīng)觸發(fā)時(shí)間的誤差盡可能小，涵蓋了電流穩(wěn)定度、紋波等傳統(tǒng)指標(biāo)，對(duì)電源性能提出了更高的要求。

高精度數(shù)字控制器是粒子加速器特種電源控制技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，基于FPGA的數(shù)字控制器，電流環(huán)及電壓環(huán)的調(diào)節(jié)方式為數(shù)字化的PI（比例積分）或PID（比例積分微分）調(diào)節(jié)，反饋電流或電壓信號(hào)經(jīng)過A／D（模擬／數(shù)字）轉(zhuǎn)換后輸入到控制器，由控制器調(diào)節(jié)脈沖的寬度。采用上述方案的數(shù)字化電源相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬控制電源，具有明顯的優(yōu)勢。

2 電源設(shè)計(jì)

2.1 電源主要參數(shù)

電源的主要參數(shù)如表1所示。輸出電壓為：

表1 電源主要參數(shù)

理想的輸出電壓與電流的波形圖如圖1所示。

圖1 理想的輸出電流與電壓的波形圖

2.2 主電路拓?fù)溥x擇及控制框圖

針對(duì)大電感負(fù)載的高精度脈沖電源一般采用傳統(tǒng)的H－橋斬波電路，故控制策略選擇為電流閉環(huán)＋電壓前饋方式或電壓、電流雙閉環(huán)方式。該方案情況下電壓前饋或雙閉環(huán)系統(tǒng)雖然增加了系統(tǒng)帶寬、提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，但由于是大電感負(fù)載，電流平頂時(shí)輸出占空比很小，如圖1所示，平頂段的電流誤差和穩(wěn)定度會(huì)相對(duì)下降。因此，系統(tǒng)采用了如圖2所示的主電路圖。

電源主回路由不可控元件組成整流回路提供電源電壓，再由可控元件IGBT構(gòu)成的前級(jí)Buck Chopper＋后級(jí)H－橋電路串聯(lián)組成。前級(jí)電壓閉環(huán)控制，能提供可控的、隨給定電流變化的電壓，它既能匹配電流快變時(shí)負(fù)載所需的強(qiáng)勵(lì)電壓，又能在穩(wěn)流運(yùn)行時(shí)降低后級(jí)H－橋輸入的電壓，能提高電源輸出的占空比，達(dá)到電流精度及穩(wěn)定度的要求。在整個(gè)運(yùn)行過程中，電源可變幅值、變脈寬輸出，能夠滿足電源在脈沖運(yùn)行時(shí)跟蹤誤差的要求。

圖2 系統(tǒng)主電路圖

其中U1、U2電壓分別為：

其中Ur為IGBT導(dǎo)通壓降；a、b為系數(shù)，一般取 1.1－1.5，以保證后級(jí) H 橋輸出占空比在 0.85 以上，達(dá)到減小濾波容量，提升濾波效果的目的。

2.3 控制策略及其實(shí)現(xiàn)

電源控制器采用基于FPGA的高精度數(shù)字控制器，其有以下優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)展性好，穩(wěn)定性高，對(duì)外界的噪聲相對(duì)不敏感，信號(hào)為數(shù)字量，監(jiān)控方便，易實(shí)現(xiàn)新型控制策略，可重新編程配置，檢修、調(diào)試容易，指標(biāo)、拓?fù)涓淖儠r(shí)無需改變硬件，容易實(shí)現(xiàn)高精度同步等。

本設(shè)計(jì)的控制框圖如圖3所示

圖3 高精度數(shù)字控制器控制框圖

利用數(shù)字控制器的存儲(chǔ)功能，在數(shù)字控制器內(nèi)部預(yù)設(shè)前級(jí)電壓波形和輸出電流波形，分別閉環(huán)，外部只要送入同步觸發(fā)信號(hào)，則數(shù)字控制器前級(jí)輸出電壓對(duì)應(yīng)輸出電壓，其中前級(jí)電壓波形理想給定波形電壓計(jì)算如式（2）所示，但是考慮到前級(jí)主回路的響應(yīng)時(shí)間以及負(fù)載電容量變化等因素，將電壓上升拐點(diǎn)位置提前20ms，以建立后級(jí)所需的電壓。

3 調(diào)試結(jié)果分析

該設(shè)計(jì)電源裝置經(jīng)調(diào)試已經(jīng)投入運(yùn)行，輸出電流波形和跟蹤誤差波形如圖4所示。

CH2為輸出電流波形，CH3為誤差放大1000倍波形。

圖4 單周期輸出電流波形和誤差波形

通過對(duì)數(shù)字控制器內(nèi)部誤差信號(hào)采集，利用數(shù)據(jù)處理軟件Origin進(jìn)行處理，可獲得如圖5所示的波形。

圖5 信號(hào)處理后波形圖

拐點(diǎn)位置跟蹤誤差 eer1 ＝0.125／713＝1.08e－4；

平底段跟蹤誤差 eer2＝±0.015／50＝±3e－4；

平頂段跟蹤誤差 eer2＝＋0.015／1150＝＋1.3e－5。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種大電感負(fù)載的高精度脈沖數(shù)字電源設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)分析了其工作原理及控制策略。實(shí)際運(yùn)行測試的結(jié)果表明，電源主回路采用前級(jí)Buck Chopper＋后級(jí)H－橋主電路結(jié)構(gòu)，利用高精度數(shù)字控制器的大容量、高速、高可靠性等特點(diǎn)，能夠有效提升電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，特別是針對(duì)大電感磁鐵負(fù)載的脈沖電源，該設(shè)計(jì)方案能夠大大提高電源跟蹤誤差的能力。

［1］王有云，高大慶，等.快速、高精度的IGBT開關(guān)脈沖／直流穩(wěn)流電源［J］.電氣應(yīng)用，2003，25（10）：37－39.

［2］龍鋒利，程 健.基于現(xiàn)場可編程門陣列的數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2009，43（9）：780－784.

［3］史春逢，燕宏斌.蘭州重離子深層治癌終端脈沖電源設(shè)計(jì)與研究［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46（3）：351－354.

Design of a high precision pulse digital power supply with large inductance load

LIU Heng－min1，2，WU Bao－ning1，2
（1.State Key Laboratory of Large Electric Drive system and Equipment Technology，Tianshui 741020，China；2.Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，China）

Aiming at the requirements of high precision，fast tracking and low ripple of the large inductance magnet load in the particle accelerator system，a novel design method for the pulse power supply based on the high precision digital controller is presented，and its control strategies，the designing，the debugging and the relevant results of analysis are also given.

large inductance load；tracking error；pulse digital power supply

TM910.2

A

1005—7277（2016）05—0023—03

柳恒敏（1980－），男，甘肅天水人，本科，工程師，主要從事電氣傳動(dòng)和自動(dòng)化控制等方面的設(shè)計(jì)和研究工作。

2016－08－01