專利名稱：高精度數(shù)字電源控制調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及高精度大容量開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域，特別是大型物理實驗室 所使用的加速器磁鐵開關(guān)電源。
技術(shù)背景近年來，高精度開關(guān)電源在基礎(chǔ)科學，生物及醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的 作用。國內(nèi)目前已投入運行的大容量高精度電源所使用的控制調(diào)節(jié)器都是模擬 產(chǎn)品。其硬件電路結(jié)構(gòu)見圖1，圖1中雙點劃線內(nèi)所表示的就是模擬高精度調(diào)節(jié) 器主要由4部分構(gòu)成，分別為Al:高精度給定電路。常見的構(gòu)成方式有兩種， 一種是采用高精度的模擬 電壓基準(一般集成電路產(chǎn)品)加高精度的電位器生成可調(diào)節(jié)的高精度模擬給 定信號；另外一種是采用簡單的數(shù)字芯片(數(shù)字信號處理器DSP或單片機)加 上高精度DA (數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器)生成可調(diào)節(jié)的高精度模擬給定信號；A2:高精度PID調(diào)節(jié)器或PI調(diào)節(jié)電路(P:"比例"的英文首字母，I:"積 分"的英文首字母，D:"微分"的英文首字母)。A2—般為電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器。目 前的模擬高精度調(diào)節(jié)電路主要都采用高精度的集成運算放大器和高精度的電 阻、電容等構(gòu)成。調(diào)節(jié)電路的運算精度完全依賴于上述器件的性能；A3:高精度PID調(diào)節(jié)器或PI調(diào)節(jié)電路。A3—般為輔助信號閉環(huán)調(diào)節(jié)器，如 電壓環(huán)調(diào)節(jié)器；A4:高精度的P碰(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)信號生成電 路。目前普遍采用國外的P麗控制器芯片，其內(nèi)部集成了高精度的比較器以及 高穩(wěn)定的基準波發(fā)生器，如三角波發(fā)生器等。本電路單元根據(jù)功率變換器的拓 撲結(jié)構(gòu)不同生成1路或2路或4路P麗信號。模擬調(diào)節(jié)器的工作流程為Al產(chǎn)生的給定信號Iref與A9輸出的反饋Ifd 信號比較產(chǎn)生的誤差信號e送入PID或PI調(diào)節(jié)器A2， A2的輸出再與輔助反饋 回路A10的的輸出值比較產(chǎn)生輔助差值，該差值送入輔助環(huán)調(diào)節(jié)器(由PID或 PI等構(gòu)成)A3，經(jīng)其高精度模擬調(diào)節(jié)后輸出調(diào)制電壓信號m，再經(jīng)過A4的模擬 信號處理后產(chǎn)生P麗信號。上述工作流程中，除了調(diào)節(jié)器以外的高精度反饋電路，調(diào)節(jié)器內(nèi)部的分立器件包括電阻、電容和模擬集成電路的器件精度和性能嚴重影響著電源的輸出精度和一致性等。
另外，以上模擬高精度開關(guān)電源的控制及通訊必須通過另外的輔助電路或接口電路完成。所以模擬調(diào)節(jié)控制電路存在控制精度受制于器件精度與性能，產(chǎn)品同一性差、參數(shù)整定不方便，溫度漂移廣等缺點。即使是專用的模擬集成控制芯片，其外圍電路所使用的分立元件仍然存在參數(shù)精度不一致和元件老化等問題。此外，模擬集成芯片還存在功耗大、集成度低、控制不夠靈活和通用性不強等問題。
而且國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)字化電源控制調(diào)節(jié)器中，特別是在高精度電源領(lǐng)域，數(shù)字調(diào)節(jié)器幾乎沒有成型的產(chǎn)品。
實用新型內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的局限和不足，本實用新型提供一種專為高精度電源領(lǐng)域使用的高精度數(shù)字控制調(diào)節(jié)器，用數(shù)字化調(diào)控技術(shù)代替模擬控制，用以消除溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點，有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié)，便于通過程序軟件的改變方便地調(diào)整控制方案和實現(xiàn)多種新型控制策略，同時減少元器件的數(shù)目、簡化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的可靠性，保證電源的輸出精度和一致性。
為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 一種高精度數(shù)字電源控制調(diào)節(jié)器，主要由可編程數(shù)字信號處理器件，反饋信號轉(zhuǎn)換器件組成，可編程數(shù)字信號處理器件通過其內(nèi)部調(diào)節(jié)控制軟件與反饋信號轉(zhuǎn)換器件形成閉環(huán)連接，所述可編程數(shù)字信號處理器件中嵌入軟核控制單元模塊與高精度閉環(huán)調(diào)節(jié)軟件模塊，兩者通過片內(nèi)數(shù)據(jù)總線連接；所述高精度閉環(huán)調(diào)節(jié)軟件模塊由數(shù)字給定模塊、主
PID或PI運算調(diào)節(jié)器、輔助PID運算調(diào)節(jié)器、高精度P麗信號發(fā)生器、主數(shù)字反饋信號濾波器和輔助數(shù)字反饋信號濾波器等組成；其連接關(guān)系如下
數(shù)字給定模塊根據(jù)上位機控制輸出片內(nèi)預(yù)置的高分辨率給定信號r，和主反饋數(shù)字信號濾波器實時連續(xù)輸出的主反饋信號fl進行比較后生成誤差信號el，并送入主PID或PI運算調(diào)節(jié)器；
誤差信號el經(jīng)過主PID或PI運算調(diào)節(jié)器內(nèi)部PID或PI數(shù)字運算后，其輸 送入輔助PID運算調(diào)節(jié)器；誤差信號e2經(jīng)過輔助PID運算調(diào)節(jié)器內(nèi)部PID數(shù)字運算后輸出調(diào)制系數(shù)m，而后經(jīng)過高精度PWM信號發(fā)生器生成所需要的P麵信號。
所述高精度數(shù)字電源控制調(diào)節(jié)器可連接外部存儲器、用于用戶數(shù)據(jù)存儲的Flash存儲器、以太網(wǎng)控制器、串口通訊控制器、串行配置器件等，配合上位系統(tǒng)軟件可方便地實現(xiàn)電源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制,其中外部存儲器、用戶數(shù)據(jù)存儲Flash存儲器、以太網(wǎng)控制器、串口通訊控制器分別與可編程數(shù)字信號處理器件的相應(yīng)引腳10連接，這些連接包括了地址線、數(shù)據(jù)線以及控制線，并由可編程數(shù)字信號處理器件內(nèi)的軟核控制單元模塊控制其工作；所述串行配置器件與可編程數(shù)字信號處理器件的特定引腳連接，在系統(tǒng)上電時自動完成對可編程數(shù)字信號處理器件的初始化。
本實用新型的有益效果
1、 本實用新型與模擬控制技術(shù)相比， 一塊芯片代替了模擬控制回路中的A1到A4四個控制電路，有效減化了硬件模塊，卻大幅提高了其通用性和易用性，提高了系統(tǒng)可靠性。
2、 若電源的控制對象及負載發(fā)生變化，可通過調(diào)節(jié)控制軟件的更改來實現(xiàn)，無需重新設(shè)計硬件。相比于模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其靈活性大大提高，并降低了重構(gòu)成本
3、 可通過PC機進行全面的電源監(jiān)控和診斷。
4、 電源和遠控控制系統(tǒng)的接口成為電源的數(shù)字控制器的一部分，相比于模擬系統(tǒng)遠控通訊功能更易實現(xiàn)。
5、 數(shù)字化的先天性優(yōu)勢有助于實現(xiàn)電源系統(tǒng)的智能化控制，如數(shù)據(jù)存儲、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊等。
6、 本實用新型的輸出穩(wěn)定性的測試方案及結(jié)果如下
在H橋結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源上對數(shù)字電源控制調(diào)節(jié)器進行整體性能測試。主回路的功率器件采用S腿75GB123D 1200V/75A IGBT。設(shè)計額定輸出為士20V / IOA。電流反饋采用LEM電流傳感器LA 25-NP，電壓傳感器采用LEM公司LV25-P。
測試電源工作模式測試用電源工作在Ch叩per電路模式下，即用高精度數(shù)字電源控制器輸出高精度PWM信號用于驅(qū)動IGBT1，使IGBT4工作在長通狀態(tài)，同時封鎖IGBT2和IGBT3。調(diào)節(jié)方式為電流單閉環(huán)調(diào)節(jié)。其中U3和U4分別用于輸出電流及輸出電壓的采樣，采樣輸出值經(jīng)數(shù)字控制調(diào)節(jié)器內(nèi)的DAC轉(zhuǎn)換后用于數(shù)字閉環(huán)。
測試參數(shù)
負載參數(shù)電阻Rm 二 5. 8Q ，電感Lm = 2. 4mH輸出電壓17. 32V輸出電流3A占空比86 %
測試工具8位半電壓表7081， TEK數(shù)字示波器TDS3032通過適當?shù)能浖?shù)調(diào)試及優(yōu)化，測得在高精度數(shù)字調(diào)節(jié)器下的電源輸出
電流連續(xù)8小時穩(wěn)定度為7. le-5，達到了較高的電流穩(wěn)定度。
由以上測試可見本實用新型實現(xiàn)了對電源輸出的高精度控制，其調(diào)節(jié)方式
相比于模擬控制調(diào)節(jié)器更為靈活。顯然，本實用新型可完全替代國內(nèi)外現(xiàn)有高
精度模擬調(diào)節(jié)器產(chǎn)品，其總體性能從經(jīng)濟成本、可重構(gòu)性以及控制精度綜合考
慮更優(yōu)于模擬產(chǎn)品。


圖1為帶有高精度模擬調(diào)節(jié)器的高精度開關(guān)電源硬件框圖；圖2為本實用新型可編程數(shù)字信號處理器件A2控制調(diào)節(jié)原理圖；圖4為本實用新型的系統(tǒng)控制軟件流程圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的說明。一、本實用新型主要元器件的選擇
可編程數(shù)字信號處理器件B2—單片現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，采用美國Altera公司的CYCLONE II系列EP2C70器件，屬于可重構(gòu)器件，其內(nèi)部邏輯功能可以根據(jù)需要任意編程，具有集成度高、處理速度快和效率高等優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)主要分為三部分，即可編程邏輯塊，可編程I/O模塊和可編程內(nèi)部連線。由于FPGA的集成度非常大， 一片F(xiàn)PGA少則幾千個等效門，多則幾萬或幾十萬個等效門，所以一片F(xiàn)PGA就可以實現(xiàn)非常復雜的邏輯，替代多塊集成電路和分立元件組成的電路，其進行系統(tǒng)設(shè)計的主要工具為硬件描述語言VHDL。所以利用這款FPGA比較容易實現(xiàn)圖2中所示的控制方案。
反饋信號轉(zhuǎn)換器件一l路采用24位/20. 8k SPS高精度低功耗ADC，型號ADS1251; 1路采用18位/500k SPS高精度ADC，型號ADS8382。二、本實用新型核心器件FPGA內(nèi)各模塊的控制方案，如圖2:
可編程數(shù)字信號處理器件B2中，即FPGA片中嵌入軟核控制單元模塊Sl與高精度閉環(huán)調(diào)節(jié)軟件模塊S2，兩者通過片內(nèi)數(shù)據(jù)總線連接；所述高精度閉環(huán)調(diào)節(jié)軟件模塊S2由數(shù)字給定模塊U1、主PID或PI運算調(diào)節(jié)器U2、輔助PID運算調(diào)節(jié)器U3、高精度P麗信號發(fā)生器U4、主數(shù)字反饋信號濾波器U5和輔助數(shù)字反饋信號濾波器U6等組成；其連接關(guān)系如下
數(shù)字給定模塊Ul根據(jù)上位機Bl控制輸出片內(nèi)預(yù)置的高分辨率給定信號r，和主反饋數(shù)字信號濾波器U5實時連續(xù)輸出的主反饋信號fl進行比較后生成誤差信號el，并送入主PID或PI運算調(diào)節(jié)器U2;
誤差信號el經(jīng)過主PID或PI運算調(diào)節(jié)器U2內(nèi)部PID或PI數(shù)字運算后，其輸出值和輔助數(shù)字反饋信號濾波器U6輸出的輔助反饋信號f2進行比較得到誤差信號e2，并送入輔助PID運算調(diào)節(jié)器U3;
誤差信號e2經(jīng)過輔助PID運算調(diào)節(jié)器U3內(nèi)部PID數(shù)字運算后輸出調(diào)制系數(shù)m，而后經(jīng)過高精度P麗信號發(fā)生器U4生成所需要的P麗信號。
為保證本實用新型達到所需的高控制精度，在U1 U6模塊中的所有運算均采用基于浮點數(shù)的運算，控制算法采用修正PID控制算法，并均用VHDL軟件語言實現(xiàn)。
所述修正PID控制算法的傳遞函數(shù)如下
上述公式中，將等號右側(cè)表達式中的Kp乘入括號，就會將此表達式變換成三個多項式之和，而這三個多項式依次就是比例(P)、積分(I)和微分(D)多項式。這就是高精度數(shù)字調(diào)節(jié)運算的依據(jù)。
所述高精度P麗信號發(fā)生器，就是本實用新型中將其處理的浮點數(shù)中不能被精確控制的部分量化而取得高精度的P麗信號。具體來講，本實用新型內(nèi)部采用了基于浮點數(shù)的運算以保證內(nèi)部運算精度，計算后得到高精度的P麗基準脈寬值m，此處m是浮點數(shù)，對于m的整數(shù)部分采用脈沖寬度調(diào)制即P麗調(diào)制，而對于余數(shù)部分采用了脈沖頻率調(diào)制即PFM (Pulse Frequency Modination)調(diào)
7制。這種取整及P麵(脈沖寬度調(diào)制)+ PFM (脈沖頻率調(diào)制)的方法有效提高了 P麗實際輸出信號的分辨率，從而達到對電源功率回路的高精度控制。
三、 本實用新型系統(tǒng)控制流程，如圖3:
如圖2中的Ni0S控制軟核Sl中完成的系統(tǒng)控制流程如下
步驟ST1在嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)中實時運行檢測上位機發(fā)送通訊數(shù)據(jù)，在得到上位通訊數(shù)據(jù)包后進行由步驟ST2進行判斷，確認得到上位機新通訊數(shù)據(jù)包后獲取數(shù)據(jù)包ST3，然后在步驟ST4及ST9中根據(jù)上位機新通訊數(shù)據(jù)包中的指定位判斷上位機是要讀取S2中的參數(shù)還是要往S2中寫新參數(shù)；
如果是讀參數(shù)操作，則按照流程圖中ST5 ST8步驟依次判斷地址是否合法，若合法則從S2中讀取相關(guān)參數(shù)，并按照一定的通訊規(guī)約用讀到的參數(shù)創(chuàng)建通訊數(shù)據(jù)包并發(fā)送給上位機；如果是寫參數(shù)操作，則按照流程圖中ST10 ST13步驟依次判斷地址是否合法，若合法則往S2中寫入相關(guān)參數(shù)，并按照一定的通訊規(guī)約在完成寫參數(shù)后創(chuàng)建確認數(shù)據(jù)包并發(fā)送給上位機；
以上流程中，若在步驟ST9、 ST5和ST10三個步驟中任一個中判斷無效，則程序都轉(zhuǎn)入ST14 ST15步驟分支，即創(chuàng)建無效通訊數(shù)據(jù)包并返回上傳給上位機。
圖3中從步驟ST1至ST16為一個軟件控制循環(huán)，此循環(huán)在嵌入式操作系統(tǒng)中實時運行，由ST1檢測到上位機通訊動作觸發(fā)運行。這樣保證了對數(shù)字調(diào)節(jié)控制器的實時無間隙控制調(diào)節(jié)，即保證了高精度數(shù)字開關(guān)電源的實時連續(xù)的有效工作。
四、 本實用新型最佳實施例的硬件配置
一種高精度數(shù)字電源控制調(diào)節(jié)器，其內(nèi)核可編程數(shù)字信號處理器件B2現(xiàn)場可編程門陣列FPGA采用CYCLONE II系列EP2C70器件和反饋信號采集器件采用高精度的ADC，型號ADS8382，及高精度低功耗ADC，型號ADS1251;其主要外圍器件外部存儲器采用32M DDR SDRAM外部存儲器，型號MT46V16M16TG;用于用戶數(shù)據(jù)存儲的Flash存儲器采用16M FLASH存儲器，型號AM29LV128MH;以太網(wǎng)控制器采用型號為LAN91C111的器件；RS232串口通訊控制器采用型號為MAX3237的器件；串行配置器件采用型號為EPCS64SI16N的器件；其中可編程數(shù)字信號處理器件B2通過其內(nèi)部調(diào)節(jié)控制軟件與外部反饋信號轉(zhuǎn)換器件形成閉環(huán)連接，32M DDR SDRAM外部存儲器、16M FLASH存儲器、LAN91C111以太網(wǎng)控制器、RS232串口通訊控制器與可編程數(shù)字信號處理器件B2的相應(yīng)10引腳連接，這些連接包括了地址線、數(shù)據(jù)線以及控制線，并由可編程數(shù)字信號處理器件B2內(nèi)的軟核控制單元模塊Sl控制其工作；所述串行配置器件與可編程數(shù)
字信號處理器件B2的特定引腳連接，在系統(tǒng)上電時自動完成對可編程數(shù)字信號處理器件B2的初始化。
權(quán)利要求1、一種高精度數(shù)字電源控制調(diào)節(jié)器，其主要硬件包括可編程數(shù)字信號處理器件(B2)及反饋信號轉(zhuǎn)換器件，所述可編程數(shù)字信號處理器件(B2)通過其內(nèi)部軟件與反饋信號轉(zhuǎn)換器件形成閉環(huán)連接，其特征在于所述可編程數(shù)字信號處理器件(B2)中嵌入軟核控制單元模塊(S1)與高精度閉環(huán)調(diào)節(jié)軟件模塊(S2)，兩者通過片內(nèi)數(shù)據(jù)總線連接，所述高精度閉環(huán)調(diào)節(jié)軟件模塊(S2)由數(shù)字給定模塊(U1)、主PID或PI運算調(diào)節(jié)器(U2)、輔助PID運算調(diào)節(jié)器(U3)、高精度PWM信號發(fā)生器(U4)、主反饋數(shù)字信號濾波器(U5)和輔助反饋數(shù)字信號濾波器(U6)組成；其連接關(guān)系如下數(shù)字給定模塊(U1)根據(jù)上位機(B1)控制輸出片內(nèi)預(yù)置的高分辨率給定信號r，和主反饋數(shù)字信號濾波器(U5)實時連續(xù)輸出的主反饋信號f1進行比較后生成誤差信號e1，并送入主PID或PI運算調(diào)節(jié)器(U2)；誤差信號e1經(jīng)過主PID或PI運算調(diào)節(jié)器(U2)內(nèi)部PID或PI數(shù)字運算后，其輸出值和輔助反饋數(shù)字信號濾波器(U6)實時連續(xù)輸出的輔助反饋信號f2進行比較得到誤差信號e2，并送入輔助PID運算調(diào)節(jié)器(U3)；誤差信號e2經(jīng)過輔助PID運算調(diào)節(jié)器(U3)內(nèi)部PID數(shù)字運算后輸出調(diào)制系數(shù)m，而后經(jīng)過高精度PWM信號發(fā)生器(U4)生成所需要的PWM信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高精度數(shù)字電源控制調(diào)節(jié)器，其特征在于所述 高精度數(shù)字電源控制調(diào)節(jié)器可連接外部存儲器、用于用戶數(shù)據(jù)存儲的Flash存 儲器、以太網(wǎng)控制器、串口通訊控制器、串行配置器件等，配合上位系統(tǒng)軟件 可方便地實現(xiàn)電源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制，其中外部存儲器、用于用戶數(shù)據(jù)存儲的 Flash存儲器、以太網(wǎng)控制器、串口通訊控制器分別與可編程數(shù)字信號處理器 件(B2)的相應(yīng)10引腳連接，這些連接包括了地址線、數(shù)據(jù)線以及控制線，并 由可編程數(shù)字信號處理器件(B2)內(nèi)的軟核控制單元模塊(Sl)控制其工作； 所述串行配置器件與可編程數(shù)字信號處理器件(B2)的特定引腳連接，在系統(tǒng) 上電時自動完成對可編程數(shù)字信號處理器件(B2)的初始化。
專利摘要本實用新型公開了一種高精度數(shù)字電源控制調(diào)節(jié)器，包括可編程數(shù)字信號處理器件，反饋信號轉(zhuǎn)換器件，數(shù)字信號處理器件中嵌入軟核控制單元模塊與高精度閉環(huán)調(diào)節(jié)軟件模塊，兩者通過片內(nèi)數(shù)據(jù)總線連接；高精度閉環(huán)調(diào)節(jié)軟件模塊由數(shù)字給定模塊、主PID(或PI)運算調(diào)節(jié)器、輔助PID運算調(diào)節(jié)器、高精度PWM信號發(fā)生器、主數(shù)字反饋信號濾波器和輔助數(shù)字反饋信號濾波器等組成。本實用新型通過嵌入軟核控制單元模塊的控制程序來控制調(diào)節(jié)高精度閉環(huán)調(diào)節(jié)軟件模塊中的各功能塊，達到對輸出信號的高精度控制。本實用新型可完全替代國內(nèi)外現(xiàn)有高精度模擬調(diào)節(jié)器產(chǎn)品，其總體性能從經(jīng)濟成本、可重構(gòu)性以及控制精度綜合考慮更優(yōu)于模擬產(chǎn)品。
文檔編號G05F1/10GK201302679SQ20082022257
公開日2009年9月2日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者喬煥平, 王有云, 舒小平, 趙鑫炎, 瑜 郭, 郭宏林, 高延芳 申請人:天水電氣傳動研究所有限責任公司