[发明专利]脉冲电源的数字化控制方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及脉冲电源技术领域，具体地涉及一种脉冲电源数字化控制方法。

本发明还涉及一种实现上述脉冲电源数字化控制方法的装置。

背景技术

任意波形脉冲电源输出脉冲电流或电压，任意波形开关型脉冲电源由IGBT拓扑组成，并且IGBT工作在开关状态。根据IGBT的特性，IGBT输出电压的平均值为：

V₀＝DV_d     (1)

经滤波网络后，负载电流的平均值为：

I₀＝KDV_d    (2)

其中：

V₀为IGBT输出电压平均值，I₀为负载电流平均值，V_d为IGBT集电极电压；

D为IGBT栅极触发脉冲占空比，K为与滤波电感、电缆、负载有关的常数。

由于V_d和K是固定不变的，根据(2)式，负载电流或电压随IGBT栅极触发脉冲占空比的变化而变化，只要控制IGBT栅极触发脉冲的占空比，即脉冲宽度调制信号，就可以控制脉冲电流或电压的大小和形状。为了得到任意脉冲波形，通常使用的方法是对给定波形进行编程，使给定波形为任意脉冲波形，然后将给定波形与电源输出脉冲波形进行比较，通过电源控制器产生脉冲宽度调制信号(PWM信号)，控制IGBT栅极，使电源输出脉冲波形跟踪给定波形。如图1所示为任意脉冲波形电源反馈控制系统，该控制系统中的测量元件对被控对象进行测量，也就是对IGBT拓扑结构输出的脉冲波形进行测量，并与给定波形比较后送给控制器，控制器根据一定的控制规律、控制策略产生相应的控制信号(PWM信号)，驱动执行机构工作并作用于被控对象，使被控对象的值和给定值保持一致。

任意波形脉冲电源的重要指标是输出波形相对于给定波形的跟踪精度，主要由控制器的控制方法和响应时间决定。目前国内外任意波形脉冲电源的控制器都采用的是模拟控制方式。与数字化控制相比传统模拟控制使用比较器、放大器和模拟调节器等电子元件来实现。这些元件的参数会随着使用时间、温度和其它环境条件而发生变化，使控制器输出的PWM信号产生误差，对脉冲电源稳定性、跟踪精度和响应能力造成负面影响；模拟控制的控制响应特性是由离散元件的参数决定，因此无法使全部PWM信号非常一致，达不到最佳化控制效果；控制策略由硬件电路组合而成，只能完成经典控制论PID算法；除此之外，模拟控制电路因为使用许多元件而需要很大空间；另外，模拟控制器的测试和维修都非常麻烦，因为使用元件太多，测试点太多。而数字控制器在许多方面胜过模拟控制，首先，数字化控制算法由软件编程实现，可以完成复杂的控制算法，除PID算法外，还可以完成自适应控制算法、自适应逆控制算法、模糊控制等智能化控制，使电源得到最佳的控制策略；数字化控制算法由软件编程完成，便于修改，可尝试各种参数，直到电源达到最佳的响应；其次，控制策略和PWM信号的产生采用软件编程实现，只用一片小小的FPGA就可以完成模拟控制器的全部功能，节省了空间，缩小了电路板的面积；另外，数字化控制还能避免元件的离散性、温度变化带来的误差等问题，因此数字化控制是电源先进的控制方式。

目前，用于数字化控制的器件有DSP(数字信号处理器)、MCU(单片机)、FPGA(可编程器件)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)、ASIC(专用集成电路)。其中，DSP和MCU是靠指令完成操作，完成指令需要一定的时间，不能满足脉冲电源的快速响应时间和高跟踪精度的要求。而FPGA技术是将控制算法用硬件描述语言编程，在FPGA中形成硬件电路，程序并行执行，能实现快速的时间响应。虽然CPLD也是可编程逻辑器件，但它是基于EEPROM工艺，集成度低，以MicroCell(包括组合部分与寄存器)为基本单元，适合组合逻辑运算，而本发明的控制算法为时序逻辑控制，不适合采用CPLD。ASIC是专用集成电路，一旦制作完成后，控制算法和内部波形是不能改变的，而本发明是任意波形脉冲电源的数字化控制，要求波形可以通过编程任意变化，因此ASIC也不适合本发明控制器。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)，用可配置逻辑模块作为实现用户功能的基本单元，可以方便进行时序逻辑控制，因此本发明的核心硬件电路采用FPGA技术，FPGA在控制器中的核心作用是完成控制算法、逻辑判断。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲电源数字化控制方法。

本发明的又一目的是提供一种实现上述脉冲电源数字化控制方法的装置。