一種大電感負載的高精度脈沖數字電源設計

柳恒敏 ，吳保寧

（1.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020；2.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020）

一種大電感負載的高精度脈沖數字電源設計

柳恒敏1，2，吳保寧1，2

（1.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020；2.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020）

針對粒子加速器系統中對大電感磁鐵負載高精度、快跟蹤、低紋波的控制要求，提出了一種基于高精度數字控制器的脈沖電源設計方法，對其控制策略進行了分析，實現了其電源設計，并對其調試結果進行了分析。

大電感負載；跟蹤誤差；脈沖數字電源

1 引言

隨著同步加速器的發展，對磁鐵電源系統的性能指標的要求越來越高。傳統模擬電源雖然具有豐富的、成熟的控制技術方案，但是模擬信號對外界噪聲很敏感，特別是具有復雜多拓撲電路方案的大功率電源，其模擬控制系統已經很難實現電源的控制要求，而且控制系統更容易受到干擾。

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，它描述了電源輸出與給定電流波形的相似度，不僅體現了電源對觸發的響應時間，還考量了電源調節器的調節性能。它規避電源主回路的響應時間以及負載電感量等因素，要求系統內的電源響應觸發時間的誤差盡可能小，涵蓋了電流穩定度、紋波等傳統指標，對電源性能提出了更高的要求。

高精度數字控制器是粒子加速器特種電源控制技術發展的必然趨勢，基于FPGA的數字控制器，電流環及電壓環的調節方式為數字化的PI（比例積分）或PID（比例積分微分）調節，反饋電流或電壓信號經過A／D（模擬／數字）轉換后輸入到控制器，由控制器調節脈沖的寬度。采用上述方案的數字化電源相對于傳統的模擬控制電源，具有明顯的優勢。

2 電源設計

2.1 電源主要參數

電源的主要參數如表1所示。輸出電壓為：

表1 電源主要參數

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 主電路拓撲選擇及控制框圖

針對大電感負載的高精度脈沖電源一般采用傳統的H－橋斬波電路，故控制策略選擇為電流閉環＋電壓前饋方式或電壓、電流雙閉環方式。該方案情況下電壓前饋或雙閉環系統雖然增加了系統帶寬、提高了系統響應速度，但由于是大電感負載，電流平頂時輸出占空比很小，如圖1所示，平頂段的電流誤差和穩定度會相對下降。因此，系統采用了如圖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構成的前級Buck Chopper＋后級H－橋電路串聯組成。前級電壓閉環控制，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負載所需的強勵電壓，又能在穩流運行時降低后級H－橋輸入的電壓，能提高電源輸出的占空比，達到電流精度及穩定度的要求。在整個運行過程中，電源可變幅值、變脈寬輸出，能夠滿足電源在脈沖運行時跟蹤誤差的要求。

圖2 系統主電路圖

其中U1、U2電壓分別為：

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

2.3 控制策略及其實現

電源控制器采用基于FPGA的高精度數字控制器，其有以下優點：擴展性好，穩定性高，對外界的噪聲相對不敏感，信號為數字量，監控方便，易實現新型控制策略，可重新編程配置，檢修、調試容易，指標、拓撲改變時無需改變硬件，容易實現高精度同步等。

本設計的控制框圖如圖3所示

圖3 高精度數字控制器控制框圖

利用數字控制器的存儲功能，在數字控制器內部預設前級電壓波形和輸出電流波形，分別閉環，外部只要送入同步觸發信號，則數字控制器前級輸出電壓對應輸出電壓，其中前級電壓波形理想給定波形電壓計算如式（2）所示，但是考慮到前級主回路的響應時間以及負載電容量變化等因素，將電壓上升拐點位置提前20ms，以建立后級所需的電壓。

3 調試結果分析

該設計電源裝置經調試已經投入運行，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

通過對數字控制器內部誤差信號采集，利用數據處理軟件Origin進行處理，可獲得如圖5所示的波形。

圖5 信號處理后波形圖

拐點位置跟蹤誤差 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 結束語

本文介紹了一種大電感負載的高精度脈沖數字電源設計方案，詳細分析了其工作原理及控制策略。實際運行測試的結果表明，電源主回路采用前級Buck Chopper＋后級H－橋主電路結構，利用高精度數字控制器的大容量、高速、高可靠性等特點，能夠有效提升電源的動態響應性能，特別是針對大電感磁鐵負載的脈沖電源，該設計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開關脈沖／直流穩流電源［J］.電氣應用，2003，25（10）：37－39.

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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，主要從事電氣傳動和自動化控制等方面的設計和研究工作。

2016－08－01