柳恒敏 ，吴保宁

（1.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃天水741020；2.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

一种大电感负载的高精度脉冲数字电源设计

柳恒敏1，2，吴保宁1，2

（1.大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室，甘肃天水741020；2.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

针对粒子加速器系统中对大电感磁铁负载高精度、快跟踪、低纹波的控制要求，提出了一种基于高精度数字控制器的脉冲电源设计方法，对其控制策略进行了分析，实现了其电源设计，并对其调试结果进行了分析。

大电感负载；跟踪误差；脉冲数字电源

1 引言

随着同步加速器的发展，对磁铁电源系统的性能指标的要求越来越高。传统模拟电源虽然具有丰富的、成熟的控制技术方案，但是模拟信号对外界噪声很敏感，特别是具有复杂多拓扑电路方案的大功率电源，其模拟控制系统已经很难实现电源的控制要求，而且控制系统更容易受到干扰。

目前，在粒子加速器中有大量的脉冲电源在使用。跟踪误差是脉冲电源的基本指标，它描述了电源输出与给定电流波形的相似度，不仅体现了电源对触发的响应时间，还考量了电源调节器的调节性能。它规避电源主回路的响应时间以及负载电感量等因素，要求系统内的电源响应触发时间的误差尽可能小，涵盖了电流稳定度、纹波等传统指标，对电源性能提出了更高的要求。

高精度数字控制器是粒子加速器特种电源控制技术发展的必然趋势，基于FPGA的数字控制器，电流环及电压环的调节方式为数字化的PI（比例积分）或PID（比例积分微分）调节，反馈电流或电压信号经过A／D（模拟／数字）转换后输入到控制器，由控制器调节脉冲的宽度。采用上述方案的数字化电源相对于传统的模拟控制电源，具有明显的优势。

2 电源设计

2.1 电源主要参数

电源的主要参数如表1所示。输出电压为：

表1 电源主要参数

理想的输出电压与电流的波形图如图1所示。

图1 理想的输出电流与电压的波形图

2.2 主电路拓扑选择及控制框图

针对大电感负载的高精度脉冲电源一般采用传统的H－桥斩波电路，故控制策略选择为电流闭环＋电压前馈方式或电压、电流双闭环方式。该方案情况下电压前馈或双闭环系统虽然增加了系统带宽、提高了系统响应速度，但由于是大电感负载，电流平顶时输出占空比很小，如图1所示，平顶段的电流误差和稳定度会相对下降。因此，系统采用了如图2所示的主电路图。

电源主回路由不可控元件组成整流回路提供电源电压，再由可控元件IGBT构成的前级Buck Chopper＋后级H－桥电路串联组成。前级电压闭环控制，能提供可控的、随给定电流变化的电压，它既能匹配电流快变时负载所需的强励电压，又能在稳流运行时降低后级H－桥输入的电压，能提高电源输出的占空比，达到电流精度及稳定度的要求。在整个运行过程中，电源可变幅值、变脉宽输出，能够满足电源在脉冲运行时跟踪误差的要求。

图2 系统主电路图

其中U1、U2电压分别为：

其中Ur为IGBT导通压降；a、b为系数，一般取 1.1－1.5，以保证后级 H 桥输出占空比在 0.85 以上，达到减小滤波容量，提升滤波效果的目的。

2.3 控制策略及其实现

电源控制器采用基于FPGA的高精度数字控制器，其有以下优点：扩展性好，稳定性高，对外界的噪声相对不敏感，信号为数字量，监控方便，易实现新型控制策略，可重新编程配置，检修、调试容易，指标、拓扑改变时无需改变硬件，容易实现高精度同步等。

本设计的控制框图如图3所示

图3 高精度数字控制器控制框图

利用数字控制器的存储功能，在数字控制器内部预设前级电压波形和输出电流波形，分别闭环，外部只要送入同步触发信号，则数字控制器前级输出电压对应输出电压，其中前级电压波形理想给定波形电压计算如式（2）所示，但是考虑到前级主回路的响应时间以及负载电容量变化等因素，将电压上升拐点位置提前20ms，以建立后级所需的电压。

3 调试结果分析

该设计电源装置经调试已经投入运行，输出电流波形和跟踪误差波形如图4所示。

CH2为输出电流波形，CH3为误差放大1000倍波形。

图4 单周期输出电流波形和误差波形

通过对数字控制器内部误差信号采集，利用数据处理软件Origin进行处理，可获得如图5所示的波形。

图5 信号处理后波形图

拐点位置跟踪误差 eer1 ＝0.125／713＝1.08e－4；

平底段跟踪误差 eer2＝±0.015／50＝±3e－4；

平顶段跟踪误差 eer2＝＋0.015／1150＝＋1.3e－5。

4 结束语

本文介绍了一种大电感负载的高精度脉冲数字电源设计方案，详细分析了其工作原理及控制策略。实际运行测试的结果表明，电源主回路采用前级Buck Chopper＋后级H－桥主电路结构，利用高精度数字控制器的大容量、高速、高可靠性等特点，能够有效提升电源的动态响应性能，特别是针对大电感磁铁负载的脉冲电源，该设计方案能够大大提高电源跟踪误差的能力。

［1］王有云，高大庆，等.快速、高精度的IGBT开关脉冲／直流稳流电源［J］.电气应用，2003，25（10）：37－39.

［2］龙锋利，程 健.基于现场可编程门阵列的数字调节器设计［J］.原子能科学技术，2009，43（9）：780－784.

［3］史春逢，燕宏斌.兰州重离子深层治癌终端脉冲电源设计与研究［J］.原子能科学技术，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，甘肃天水人，本科，工程师，主要从事电气传动和自动化控制等方面的设计和研究工作。

2016－08－01