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基于实验物理及工业控制系统的数控电源原理
资料介绍
设计了一个基于实验物理及工业控制系统(EPICS)实时测控的伺服电源控制器,并将其插入现有脉冲电源测试.该电源控制器采用死区时间调制(DTM)技术伺服跟踪外部控制信号以连续调节所需输出电流,这可确保开关管工作在近似零电流关断的状态下,开关损耗小,电源效率高.对该电源及其控制器原理进行了介绍,对DTM法进行了理论分析与研究,并通过Matlab仿真和实验验证了其原理的正确性和可行性.
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激
光
与
粒
子
束
,
第
卷第 期
30 2
Vol.30 No.2
,
年
月
2018 2
HIGH POWERLASERANDPARTICLEBEAMS
Feb.2018
*
于实验物理及工业控制系统的数控电源原理
,
1
1
段吟池1 2 李 格
周银贵2
,
翁志远
,
,
(
1.
,
;
,
)
230027
中国科学院 等离子体物理研究所 合肥
中国科学技术大学 合肥
230031 2.
: ( )
,
摘
要
设计了一个基于实验物理及工业控制系统 实时测控的伺服电源控制器 并将其插入现
EPICS
( )
。
有脉冲电源测试 该电源控制器采用死区时间调制
技术伺服跟踪外部控制信号以连续调节所需输出
DTM
,
,
,
。
电流 这可确保开关管工作在近似零电流关断的状态下 开关损耗小 电源效率高 对该电源及其控制器原理
,
,
。
仿真和实验验证了其原理的正确性和可行性
Matlab
进行了介绍 对
法进行了理论分析与研究 并通过
DTM
:
;
;
;
;
电源技术 仿真
Matlab
关键词
数字脉冲电源控制器
死区时间调制法
EPICS
Tokamak
: /
doi 10.11884 HPLPB201830.170134
:
:
中图分类号
文献标志码
TM464
A
( )
是基于
CFETR
规划中的中国聚变工程实验堆
和 设计的下一代全超导
EAST ITER
发电装
Tokamak
[]
1
,
、
。
置 其加热和磁压缩垂直场用电源技术是提高
性价比 走向未来商用反应堆的关键技术之一
为发
CFETR
,
,
展该类技术 本文设计了一个基于
测控的伺服电源控制器插入现有电源测试 以扫除未来该类电源群
EPICS
[ ]
3-4
2
。
( )
方法
控实现百
量级需求的障碍[] 传统全桥逆变器控制方式主要有脉冲密度调制
和脉冲宽度
控制模式虽具备开关损耗小
MW
PDM
控制模式下的开关损耗过大[]
5
( ) ,
,
。
PDM
调制
方法 但在高频电源中
PWM
PWM
,
。 ,
、 ,
的优点 但这种调制方式电路实现复杂 因此 如何在简单的逻辑控制下实现高频脉冲电源的低损耗 高效率
。
( )
是数字逆变电源研究的一个热点 本文提出并设计了一种使用死区时间调制
法进行反馈控制的电源
DTM
,
;
、
,
。
控制器 计算分析了该控制方式对电源效率的影响 采用理论分析 仿真和实验方法 说明了其可行性
电源原理及控制器设计
1
,
电路系统原理如图 所示 电源输入是
1
,
工 频 市 电 采 用 了 交 直 交 的 变 换 过
220V
--
,
程 三相工频电源先通过全桥整流电路转化
,
为直流 然 后 经
桥 逆 变 电 路 得 到 高 频 电
H
,
压 最后通过变压器和不控整流电路输出脉
冲到阻抗负载上[ ] 其中 电源主回路仍采
6-7 。 ,
桥拓扑架构[ ]由新研制的
6-7
用传统
H
DTM
。
控制器进行控制
高频逆变回路
1.1
Fi .1 Structureof owersu l
ppy
g
p
高频逆变电路部分采用了串联零电流谐
图
电源结构
1
[ ]
( )8-9 ,
、 、
具有损耗小 频率高
振式结构 软开关
[]
7
、
。
、
高频隔离变压器一次侧的漏感
C
r
耐冲击 电磁兼容性较好的优点
由谐振电容
以及回路电阻
共同
R0
L
δ
,
组成串联谐振回路 电路的谐振频率为
1
()
1
=
f
0
2π C L
r δ
,
。
当开关频率 和谐振频率 0相等时 输出功率达到最大
控制器的优点是在不改变脉冲宽度的前
DTM
提下进行阻抗负荷的实时伺服跟踪和控制调节 可确保电路工作在高效状态
控制器设计
f
f
,
。
1.2 DTM
传统意义上的死区时间是为了使
桥或半
桥的上下管不会因为开关速度问题发生同时导通现象而设
H
H
。
,
。
,
置的一个保护时段 本文将死区时间变活 合理利用其调制特性设计了一种控制方法 如图 所示 已知变压
2
:
;
:
修订日期
2017-06-27
收稿日期
*
2017-04-21
:
(
)
基金项目 国家磁约束核聚变能发展研究专项
2010GB108003
:
( —), , ,
硕士 从事脉冲功率技术研究
; 。
d cd c@mail.ustc.edu.cn
y y
作者简介 段吟池
女
1991
万方数据
025002-1
强
激
光
与
粒
子
束
,
器副边的输出电压为
载两端的电压幅值为
理想状态下
开通时负
IGBT
U 2
,
U s T on
,
为脉冲宽度
为死区
T d
,
时间 暂不考虑杂散参数和
开关并联二极管续
IGBT
,
流 则可以计算得到在一个周期内负载电流的最大值
T
on
-
τ
U s
R
1 e
-
()
2
I
h
=
T
T
+
on d
-
τ
1 e
-
一个周期内负载电流的最小值
T
on
τ
U s
R
e 1
-
()
3
I
=
l
T
T
+
on d
Fi .2 Waveformofloadcurrent
g
τ
e 1
-
图
负载电流示意图
2
:
R
; /, 。
为时间常数
τ=L R
式中
和
为负载参数
L
(),()
,
,
由式
可以看出 当脉冲宽度固定时 负载电流
2 3
与死区时间呈负相关 负载电流的波动范围为
,
,
故利
I ~I
l
h
用该规律可使用一种简易的逻辑方法来完成伺服实时跟踪
,
。
控制功能 其逻辑流程如图 所示 但由于负载电流是在
3
,
,
区间波动的 为了控制稳定 采样不出现反复跳动的
I ~I
l
h
, (),()
情况 由式 可知需保证死区时间在一定范围内才可
2 3
,
满足要求 该范围可由电源负载实际参数代入
I ꢀI <ΔI
h
l
(
ΔI
)
,
为系统允许波动幅值 计算获得 其大小可根据最终伺
,
服电源输出电流的精度需求来确定 目前测试电源使用的
。
1A
是
。
、
FPGA
控制器总体结构如图 所示 控制板主要由
4
、
ADDA
、 、 、
电路 驱动电路 电源电路 触摸屏电
单片机电路
,
路和 路备用电路组成 其中
选用 公司
FPGA ALTERA
4
,
[ ]
10
/
电
系列
CYCLONE EP3C25E144C8N
型号 主要负责
AD
,
单片机选用宏
、
流实时采样 数字信号处理和过流保护
,
、
晶公司的
主要负责上位自检 系统初始
STC12LE5628AD
、
;
化 数据计算和外部通信 控制板通过
和触摸屏通
RS485
,
,
信 完成人机现场测控功能 且通过
接口与上位机连
USB
,
接 上位机中的
模块通过网络通信协议
LABVIEW-EPICS
Fi .3 Loicflowofouterloo feedbackcontrol
g
g
p
-
( )
,
与
机 连 接 完 成 基 于
远 程 监 控 的 功
EPICS
CA PC
图
外环反馈控制逻辑图
3
能[
]
。
11-12
Fi .4 StructureofDTMcontroller
g
Fi .5 Fi ureofclosedloo control
g
g
p
-
图
控制器结构
图
闭环系统控制框图
4 DTM
5
,
电源的闭环系统控制框图如图 所示 控制器通过比较电流设定值和负载电流值获得的差值情况来调整
5
,
,
,
以达到反馈控制 具体逻辑
I
死区时间 从而改变逆变器
开关的触发脉冲信号 进而调整电源输出电流
IGBT
o
万方数据
025002-2
:
段吟池等 基于实验物理及工业控制系统的数控电源原理
,
( )
,
流程如图 所示 操作人员通过
系统中的操作员接口
EPICS
来完成电源参数和负载电流值的设定 单片
3
OPI
(
),
如
机将得到的负载电流设定值与
采样和计算获得的周期内负载电流平均值进行对比 该周期可设置
FPGA
,
,
,
相等则不变
1 s
果负载电流设定值大于实际电流平均值 则死区时间自动减小
反之死区时间自动增加
1 s
μ
μ
。 ,
此外 死区时间的最小值在单片机中设置为
。
化
以保障电源安全
1 s
μ
,
,
由电路的串联谐振电容和变压器漏感计算可得谐振频率约为
接近谐振点 脉冲宽度
因此设定
T on
30kHz
,
( )。
ZCS
为
以通过串联谐振实现
的零电流开关
IGBT
16 s
μ
损耗分析
1.3
/
,
,
关断时候的损耗 具体逻辑流
本电源使用的是
控制方式主要减小的是
1200V300AIGBTDTM
IGBT
[ ]。
13 IGBT
,
在关断的过程中 损耗
E
:
程见文献
主要由两部分组成 一部分是高频环境下尾电流产生的损耗
off
,
,
即
另一部分是开关在关断的时候因内部电感储能产生的损耗
( )
( )
offLint
E
E
offtail
()
( )
( )
offtail
E
E
E
4
=
+
E
off
offLint
()
5
P
=
off
f
s off
:
;
。
为功率损耗
式中 s 为开关频率
P
f
off
,
通过查找器件手册可知 当集电极电流达到额定值
300
。
,
()
时
的关断损耗为
那么通过式
可以计算得
A IGBT
36mJ
2
,
,
IGBT
到 在
的频率条件下
30kHz
关断损耗为
1.08kW
,
,
如果采用
控制方式 如实验图 所示
在串联谐
DTM
6 IGBT
,
。
振状态下关断电流为零 即减小了开关损耗
因此
1.08kW
,
这类硬开关状态下的控制方式相比
DTM
与
控制方
PWM
,
,
式更有利于减小开关损耗 从而提高电源效率 延长开关寿
。
命
Fi .6 Innerloo currentwaveform
g
p
-
仿真与实验
2
图
串联谐振内环电流波形图
6
仿真
2.1
,
,
如图 所示 主回路开环状态仿真分析由三相不控整流之后的直流部分开始建模分析 高频隔离变压器模
7
[ ]。
14-15
、
,
, ,
,
通过仿真 实验和计算 确定电源变压器参数如表 所示 其中 δ为变压器漏感
L
m
型参考了文献
1
L
,
,
。
为变压器励磁电感 t 为等效分布杂散电容 0 为等效导线电感
C
L
表
电源变压器参数
1
Table 1 Parameters of ower su l transformer
pp y
p
/
/
/
/
L H
0
μ
L H
L mH
C nF
δ
m
t
μ
6.18
1.597
6.25
0.1
为获得相对稳定的负载电流且减小功率损耗 电源负载选择较大 值[ ] 由于实际电感参数在电源运行
13
,
。
Q
,
,
/
/
的过程中会有所变化 根据实验使用的负载参数范围
仿真分别采用
和
0.01~0.1Ω
0.1Ω110 H 0.01Ω
μ
,
。
,
可以看出 两条曲线的负载电流平均值与死区时
8
得到两条负载电流曲线
和
如图 所示
I 8
图
110 H
I
max
min
μ
Fi .7 Simulationmodel
g
Fi .8 Meanvalueofstead stateloadcurrentbasedonsimulation
g y
-
图
仿真模型
图
稳态电流平均值随死区时间变化关系图
8
7
万方数据
025002-3
强
激
光
与
粒
子
束
。
;
间都呈负相关 负载电流值随死区时间变化的连续单调性验证了控制器外闭环反馈控制逻辑图的可行性 阻
,
,
。
值越小 负载电流随死区时间的变化越明显 这类特性对高 阻抗载荷的柔性调节特别重要 当死区时间过
Q
,
,
,
。
大的时候 负载电流的变化趋于平缓 所以综合前文理论分析 死区时间不可过大
实验
2.2
,
。
,
脉冲宽度设
25V
本实验使用触摸屏进行现场测控 图 为触摸屏控制界面 将输入电压有效值设定为
9
,
,
。
,
置为
改变电流设定值 观察并记录负载电流值和死区时间 通过控制界面可观察到 实际电流采样平均
16 s
μ
,
,
,
值可以较快地通过死区调节跟踪电流设定值 调节精度为
当死区时间减小到
时 反馈循环停止并保
1 s
1 s
μ
μ
。
、
,
持在当前值安全运行
图
为脉冲宽度
10
死区时间
条件下的负载电流输出波形 该电流使用
16 s
45 s
10
μ
μ
/
mVA
。
,
,
。
电流夹进行测量 可以看到 启动暂态过后 波形平稳
Fi .9 Interfaceoftouchscreen
g
Fi .10 Loadcurrentwaveform
g
图
触摸屏界面
图
负载电流波形
10
9
,
,
,
,
所示 实验负
I
为验证
控制方式原理的正确性 改变电流设定值 记录对应死区时间 如图 中的
DTM
8
o
,
,
载曲线落在仿真曲线区间内 与仿真曲线单调性一致且连续 由于负载的电感值和电阻值在不同的电源条件下
,
,
会有所变化 故该曲线和某固定电阻值下的负载曲线斜率是有所不同的 但由于
调节方式主要取决于曲
DTM
,
。
线的连续性和单调性 故实验结果符合电源闭环控制预期效果
结
论
3
,
( )
法进行反
DTM
针对高频环境下开关损耗对电源效率的影响 本文提出并设计了一种使用死区时间调制
,
,
。
、
馈控制的电源控制器 该控制器可使开关工作在串联谐振状态下 提高电源效率 理论分析 仿真结果和实验
,
, 。
控制器能够顺利反馈调节所需输出电流 在高频环境下具有优越性
结果证明 该
DTM
:
参考文献
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p
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g p p ppy
y
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y
何诗英 黄连生 高格
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强 激 光 与 粒 子 束
,
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Huan Lianshen GaoGe etal.A licationofexerimental h sicsandindustrialcontrols stemin oloidalfield owersu l control
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g
g
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pp p y
g
p
p
and industrial control s stem
y
,
1 2
1
1
2
,
,
,
DuanYinchi LiGe Wen Zhiuan ZhouYinui
g y
g
(
,
,
, ;
1.Institute o P lasma Ph sics Chinese Academ o Sciences He ei 230031 China
y f
f
y
f
,
, )
2.Universit o Science and Technolo o China He ei 230027 China
y f gy f
f
:
( ),
Abstract Basedontheexerimental hsicsandindustrialcontrols stem EPICS aservo owercontrollerisdesinedto
p
p y
y
p
g
beinsertedintotheexistin owersu l fortestin itsfunctionofmeasurementandcontrolinrealtime.The owersu l con
gp ppy ppy
g
p
-
( )
trollerusesdeadtimemodulation DTM technolo toadusttheout utcurrentb trackin theexternalcontrolsinal.Zero
gy j
p
y
g
g
( )
,
currentswitchin ZCS canworkunderDTM thustheswitchin losscanbereducedandthe owerefficienc canbe reatl im
g
g
p
y
g y
-
,
,
rovedunderhihfreuencies.Inthis a er the rinci leofthe owersu l anditscontrollerareintroduced andtheDTM
g q pp p p ppy
p
p
methodisstudiedandverifiedb Matlabsimulationandexerimentfordevelo in controltechnolo ofTokamak owersu lier.
p g gy pp
y
p
p
:
;
;
Ke words di ital ulse owersu l controller exerimental hsicsandindustrialcontrols stem deadtimemodu
g p p ppy p y
p
y
y
-
;
;
lationmethod Tokamak owersu lier Matlabsimulation
pp
p
:
;
PACS 84.30.N 84.70.+P
g
万方数据
025002-5
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