高精度數字電源控制調節器的製作方法

2023-08-03 20:14:01 1

專利名稱：高精度數字電源控制調節器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及高精度大容量開關電源技術領域，特別是大型物理實驗室 所使用的加速器磁鐵開關電源。
技術背景近年來，高精度開關電源在基礎科學，生物及醫療等領域發揮著越來越大的 作用。國內目前已投入運行的大容量高精度電源所使用的控制調節器都是模擬 產品。其硬體電路結構見圖1，圖1中雙點劃線內所表示的就是模擬高精度調節 器主要由4部分構成，分別為Al:高精度給定電路。常見的構成方式有兩種， 一種是採用高精度的模擬 電壓基準(一般集成電路產品)加高精度的電位器生成可調節的高精度模擬給 定信號；另外一種是採用簡單的數字晶片(數位訊號處理器DSP或單片機)加 上高精度DA (數字/模擬轉換器)生成可調節的高精度模擬給定信號；A2:高精度PID調節器或PI調節電路(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—般為電流閉環調節器。目 前的模擬高精度調節電路主要都採用高精度的集成運算放大器和高精度的電 阻、電容等構成。調節電路的運算精度完全依賴於上述器件的性能；A3:高精度PID調節器或PI調節電路。A3—般為輔助信號閉環調節器，如 電壓環調節器；A4:高精度的P碰(Pulse Width Modulation,脈衝寬度調製)信號生成電 路。目前普遍採用國外的P麗控制器晶片，其內部集成了高精度的比較器以及 高穩定的基準波發生器，如三角波發生器等。本電路單元根據功率變換器的拓 撲結構不同生成1路或2路或4路P麗信號。模擬調節器的工作流程為Al產生的給定信號Iref與A9輸出的反饋Ifd 信號比較產生的誤差信號e送入PID或PI調節器A2， A2的輸出再與輔助反饋 迴路A10的的輸出值比較產生輔助差值，該差值送入輔助環調節器(由PID或 PI等構成)A3，經其高精度模擬調節後輸出調製電壓信號m，再經過A4的模擬 信號處理後產生P麗信號。上述工作流程中，除了調節器以外的高精度反饋電路，調節器內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。所以模擬調節控制電路存在控制精度受制於器件精度與性能，產品同一性差、參數整定不方便，溫度漂移廣等缺點。即使是專用的模擬集成控制晶片，其外圍電路所使用的分立元件仍然存在參數精度不一致和元件老化等問題。此外，模擬集成晶片還存在功耗大、集成度低、控制不夠靈活和通用性不強等問題。
而且國內現有數位化電源控制調節器中，特別是在高精度電源領域，數字調節器幾乎沒有成型的產品。
實用新型內容
為克服現有技術的局限和不足，本實用新型提供一種專為高精度電源領域使用的高精度數字控制調節器，用數位化調控技術代替模擬控制，用以消除溫度漂移等常規模擬調節器難以克服的缺點，有利於參數整定和變參數調節，便於通過程序軟體的改變方便地調整控制方案和實現多種新型控制策略，同時減少元器件的數目、簡化硬體結構，從而提高系統的可靠性，保證電源的輸出精度和一致性。
為實現上述目的，採用如下技術方案 一種高精度數字電源控制調節器，主要由可編程數位訊號處理器件，反饋信號轉換器件組成，可編程數位訊號處理器件通過其內部調節控制軟體與反饋信號轉換器件形成閉環連接，所述可編程數位訊號處理器件中嵌入軟核控制單元模塊與高精度閉環調節軟體模塊，兩者通過片內數據總線連接；所述高精度閉環調節軟體模塊由數字給定模塊、主
PID或PI運算調節器、輔助PID運算調節器、高精度P麗信號發生器、主數字反饋信號濾波器和輔助數字反饋信號濾波器等組成；其連接關係如下
數字給定模塊根據上位機控制輸出片內預置的高解析度給定信號r，和主反饋數位訊號濾波器實時連續輸出的主反饋信號fl進行比較後生成誤差信號el，並送入主PID或PI運算調節器；
誤差信號el經過主PID或PI運算調節器內部PID或PI數字運算後，其輸 送入輔助PID運算調節器；誤差信號e2經過輔助PID運算調節器內部PID數字運算後輸出調製係數m，而後經過高精度PWM信號發生器生成所需要的P麵信號。
所述高精度數字電源控制調節器可連接外部存儲器、用於用戶數據存儲的Flash存儲器、乙太網控制器、串口通訊控制器、串行配置器件等，配合上位系統軟體可方便地實現電源系統的網絡化控制,其中外部存儲器、用戶數據存儲Flash存儲器、乙太網控制器、串口通訊控制器分別與可編程數位訊號處理器件的相應引腳10連接，這些連接包括了地址線、數據線以及控制線，並由可編程數位訊號處理器件內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位訊號處理器件的特定引腳連接，在系統上電時自動完成對可編程數位訊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相比， 一塊晶片代替了模擬控制迴路中的A1到A4四個控制電路，有效減化了硬體模塊，卻大幅提高了其通用性和易用性，提高了系統可靠性。
2、 若電源的控制對象及負載發生變化，可通過調節控制軟體的更改來實現，無需重新設計硬體。相比於模擬調節系統，其靈活性大大提高，並降低了重構成本
3、 可通過PC機進行全面的電源監控和診斷。
4、 電源和遠控控制系統的接口成為電源的數字控制器的一部分，相比於模擬系統遠控通訊功能更易實現。
5、 數位化的先天性優勢有助於實現電源系統的智能化控制，如數據存儲、故障診斷、網絡通訊等。
6、 本實用新型的輸出穩定性的測試方案及結果如下
在H橋結構的開關電源上對數字電源控制調節器進行整體性能測試。主迴路的功率器件採用S腿75GB123D 1200V/75A IGBT。設計額定輸出為士20V / IOA。電流反饋採用LEM電流傳感器LA 25-NP，電壓傳感器採用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，即用高精度數字電源控制器輸出高精度PWM信號用於驅動IGBT1，使IGBT4工作在長通狀態，同時封鎖IGBT2和IGBT3。調節方式為電流單閉環調節。其中U3和U4分別用於輸出電流及輸出電壓的採樣，採樣輸出值經數字控制調節器內的DAC轉換後用於數字閉環。
測試參數
負載參數電阻Rm 二 5. 8Q ，電感Lm = 2. 4mH輸出電壓17. 32V輸出電流3A佔空比86 %
測試工具8位半電壓表7081， TEK數字示波器TDS3032通過適當的軟體參數調試及優化，測得在高精度數字調節器下的電源輸出
電流連續8小時穩定度為7. le-5，達到了較高的電流穩定度。
由以上測試可見本實用新型實現了對電源輸出的高精度控制，其調節方式
相比於模擬控制調節器更為靈活。顯然，本實用新型可完全替代國內外現有高
精度模擬調節器產品，其總體性能從經濟成本、可重構性以及控制精度綜合考
慮更優於模擬產品。


圖1為帶有高精度模擬調節器的高精度開關電源硬體框圖；圖2為本實用新型可編程數位訊號處理器件A2控制調節原理圖；圖4為本實用新型的系統控制軟體流程圖。
具體實施方式

以下結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
可編程數位訊號處理器件B2—單片現場可編程門陣列FPGA，採用美國Altera公司的CYCLONE II系列EP2C70器件，屬於可重構器件，其內部邏輯功能可以根據需要任意編程，具有集成度高、處理速度快和效率高等優點。其結構主要分為三部分，即可編程邏輯塊，可編程I/O模塊和可編程內部連線。由於FPGA的集成度非常大， 一片FPGA少則幾千個等效門，多則幾萬或幾十萬個等效門，所以一片FPGA就可以實現非常複雜的邏輯，替代多塊集成電路和分立元件組成的電路，其進行系統設計的主要工具為硬體描述語言VHDL。所以利用這款FPGA比較容易實現圖2中所示的控制方案。
反饋信號轉換器件一l路採用24位/20. 8k SPS高精度低功耗ADC，型號ADS1251; 1路採用18位/500k SPS高精度ADC，型號ADS8382。二、本實用新型核心器件FPGA內各模塊的控制方案，如圖2:
可編程數位訊號處理器件B2中，即FPGA片中嵌入軟核控制單元模塊Sl與高精度閉環調節軟體模塊S2，兩者通過片內數據總線連接；所述高精度閉環調節軟體模塊S2由數字給定模塊U1、主PID或PI運算調節器U2、輔助PID運算調節器U3、高精度P麗信號發生器U4、主數字反饋信號濾波器U5和輔助數字反饋信號濾波器U6等組成；其連接關係如下
數字給定模塊Ul根據上位機Bl控制輸出片內預置的高解析度給定信號r，和主反饋數位訊號濾波器U5實時連續輸出的主反饋信號fl進行比較後生成誤差信號el，並送入主PID或PI運算調節器U2;
誤差信號el經過主PID或PI運算調節器U2內部PID或PI數字運算後，其輸出值和輔助數字反饋信號濾波器U6輸出的輔助反饋信號f2進行比較得到誤差信號e2，並送入輔助PID運算調節器U3;
誤差信號e2經過輔助PID運算調節器U3內部PID數字運算後輸出調製係數m，而後經過高精度P麗信號發生器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採用基於浮點數的運算，控制算法採用修正PID控制算法，並均用VHDL軟體語言實現。
所述修正PID控制算法的傳遞函數如下
上述公式中，將等號右側表達式中的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。這就是高精度數字調節運算的依據。
所述高精度P麗信號發生器，就是本實用新型中將其處理的浮點數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，本實用新型內部採用了基於浮點數的運算以保證內部運算精度，計算後得到高精度的P麗基準脈寬值m，此處m是浮點數，對於m的整數部分採用脈衝寬度調製即P麗調製，而對於餘數部分採用了脈衝頻率調製即PFM (Pulse Frequency Modination)調
7制。這種取整及P麵(脈衝寬度調製)+ PFM (脈衝頻率調製)的方法有效提高了 P麗實際輸出信號的解析度，從而達到對電源功率迴路的高精度控制。
三、 本實用新型系統控制流程，如圖3:
如圖2中的Ni0S控制軟核Sl中完成的系統控制流程如下
步驟ST1在嵌入式實時多任務作業系統中實時運行檢測上位機發送通訊數據，在得到上位通訊數據包後進行由步驟ST2進行判斷，確認得到上位機新通訊數據包後獲取數據包ST3，然後在步驟ST4及ST9中根據上位機新通訊數據包中的指定位判斷上位機是要讀取S2中的參數還是要往S2中寫新參數；
如果是讀參數操作，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中讀取相關參數，並按照一定的通訊規約用讀到的參數創建通訊數據包並發送給上位機；如果是寫參數操作，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中寫入相關參數，並按照一定的通訊規約在完成寫參數後創建確認數據包並發送給上位機；
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，則程序都轉入ST14 ST15步驟分支，即創建無效通訊數據包並返回上傳給上位機。
圖3中從步驟ST1至ST16為一個軟體控制循環，此循環在嵌入式作業系統中實時運行，由ST1檢測到上位機通訊動作觸發運行。這樣保證了對數字調節控制器的實時無間隙控制調節，即保證了高精度數字開關電源的實時連續的有效工作。
四、 本實用新型最佳實施例的硬體配置
一種高精度數字電源控制調節器，其內核可編程數位訊號處理器件B2現場可編程門陣列FPGA採用CYCLONE II系列EP2C70器件和反饋信號採集器件採用高精度的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採用32M DDR SDRAM外部存儲器，型號MT46V16M16TG;用於用戶數據存儲的Flash存儲器採用16M FLASH存儲器，型號AM29LV128MH;乙太網控制器採用型號為LAN91C111的器件；RS232串口通訊控制器採用型號為MAX3237的器件；串行配置器件採用型號為EPCS64SI16N的器件；其中可編程數位訊號處理器件B2通過其內部調節控制軟體與外部反饋信號轉換器件形成閉環連接，32M DDR SDRAM外部存儲器、16M FLASH存儲器、LAN91C111乙太網控制器、RS232串口通訊控制器與可編程數位訊號處理器件B2的相應10引腳連接，這些連接包括了地址線、數據線以及控制線，並由可編程數位訊號處理器件B2內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
字信號處理器件B2的特定引腳連接，在系統上電時自動完成對可編程數位訊號處理器件B2的初始化。
權利要求1、一種高精度數字電源控制調節器，其主要硬體包括可編程數位訊號處理器件(B2)及反饋信號轉換器件，所述可編程數位訊號處理器件(B2)通過其內部軟體與反饋信號轉換器件形成閉環連接，其特徵在於所述可編程數位訊號處理器件(B2)中嵌入軟核控制單元模塊(S1)與高精度閉環調節軟體模塊(S2)，兩者通過片內數據總線連接，所述高精度閉環調節軟體模塊(S2)由數字給定模塊(U1)、主PID或PI運算調節器(U2)、輔助PID運算調節器(U3)、高精度PWM信號發生器(U4)、主反饋數位訊號濾波器(U5)和輔助反饋數位訊號濾波器(U6)組成；其連接關係如下數字給定模塊(U1)根據上位機(B1)控制輸出片內預置的高解析度給定信號r，和主反饋數位訊號濾波器(U5)實時連續輸出的主反饋信號f1進行比較後生成誤差信號e1，並送入主PID或PI運算調節器(U2)；誤差信號e1經過主PID或PI運算調節器(U2)內部PID或PI數字運算後，其輸出值和輔助反饋數位訊號濾波器(U6)實時連續輸出的輔助反饋信號f2進行比較得到誤差信號e2，並送入輔助PID運算調節器(U3)；誤差信號e2經過輔助PID運算調節器(U3)內部PID數字運算後輸出調製係數m，而後經過高精度PWM信號發生器(U4)生成所需要的PWM信號。
2、 根據權利要求l所述的高精度數字電源控制調節器，其特徵在於所述 高精度數字電源控制調節器可連接外部存儲器、用於用戶數據存儲的Flash存 儲器、乙太網控制器、串口通訊控制器、串行配置器件等，配合上位系統軟體 可方便地實現電源系統的網絡化控制，其中外部存儲器、用於用戶數據存儲的 Flash存儲器、乙太網控制器、串口通訊控制器分別與可編程數位訊號處理器 件(B2)的相應10引腳連接，這些連接包括了地址線、數據線以及控制線，並 由可編程數位訊號處理器件(B2)內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位訊號處理器件(B2)的特定引腳連接，在系統 上電時自動完成對可編程數位訊號處理器件(B2)的初始化。
專利摘要本實用新型公開了一種高精度數字電源控制調節器，包括可編程數位訊號處理器件，反饋信號轉換器件，數位訊號處理器件中嵌入軟核控制單元模塊與高精度閉環調節軟體模塊，兩者通過片內數據總線連接；高精度閉環調節軟體模塊由數字給定模塊、主PID(或PI)運算調節器、輔助PID運算調節器、高精度PWM信號發生器、主數字反饋信號濾波器和輔助數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節高精度閉環調節軟體模塊中的各功能塊，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外現有高精度模擬調節器產品，其總體性能從經濟成本、可重構性以及控制精度綜合考慮更優於模擬產品。
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 優先權日2008年11月25日
發明者喬煥平, 王有雲, 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