[发明专利]基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及高压电源控制系统，具体涉及一种基于PSM技术的高压电源系统控制系统。

背景技术

辅助加热系统作为托卡马克最重要最复杂的系统之一在国际各装置上一直是重点发展的对象，对应托卡马克从脉冲往稳态发展的趋势，辅助加热高压电源也经历了从脉冲模式到长脉冲乃至稳态模式的发展阶段，作为最近几年国内外研究的最新技术，PSM开关电源技术发展迅速并已在辅助加热高压电源系统中获得大量成功的应用。

随着托卡马克物理实验的不断深入对电子回旋系统乃至高压电源系统提出更高更加苛刻的要求，同时也就对高压电源的控制、保护等技术提出了更高的要求，如快速前后沿控制、微秒级电流检测及过流保护、高达1KHz的调制运行以及灵活多变的运行控制方式等。

基于PSM技术的高压电源系统最重要的特点就是以单个模块为控制单元实现高压输出的开关控制与调制控制等，系统结构复杂而且控制对象较多，而且各个对象的控制要求又不尽相同，时间跨度从微秒级至秒级变化，因此设计并建造一套操作方便、运行可靠的控制系统就显得尤为重要。

一般简单控制系统采用单一控制器进行设计，能够满足一些特定的控制要求，但是对于时域控制较宽、逻辑控制层次较多的应用场合，单一控制器就很难满足整个系统全局的控制要求。

在基于PSM技术的高压电源系统中，主要由进线开关柜、软启动接触器柜、多绕组隔离变压器、PSM模块、输出电压电流快速检测及保护等几个主要部分组成，控制系统的主要任务之一就是对各个对象进行监测、控制，实现整个电源系统的安全、稳定运行以及在负载故障时实现输出电压电流的快速检测与保护，以满足负载（如回旋管等）对打火、过流保护等的快速要求。根据上述系统的主要控制对象和控制过程，控制系统的设计及制造难点主要体现在以下几个方面：

（1）控制对象增多，PSM高压电源系统中除了包含断路器、接触器等10kV交流开关外，直流侧开关由几个（1～2个）增加为近百个（取决于模块个数），控制对象的增加明显提高了控制系统的设计和制造难度；

（2）控制过程更加复杂，PSM高压电源运行前后均要经历几个开关过程，所有的逻辑控制、时序控制均需要由控制系统自动实现；

（3）PSM高压电源对控制系统的运行速度和精度要求更高，脉冲定时控制精度从微秒至数秒变化，时域跨度很大，一般控制器很难同时兼顾；

（4）为了满足物理实验的各种复杂运行要求，在高压电源控制系统设计中，还加入了多种运行模式的选择，这进一步加大了控制系统的设计和制造难度。

发明内容

本发明旨在设计一套基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，实现整个基于PSM技术高压电源系统的控制，满足回旋管负载乃至托卡马克物理实验的基本运行控制与各种保护要求。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于MCU和FPGA的PSM高压电源控制系统，包括位于本地控制柜里的MCU逻辑控制器、FPGA脉冲控制器，其特征在于：还包括均与MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器连接的上位机系统以及高压电源现场设备；

所述的上位机系统包括本地控制计算机IPC1和远程控制计算机IPC2以及匹配的控制软件；所述的MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器与本地控制计算机IPC1采用RS232串口通讯，本地控制计算机IPC1和控制室的远程控制计算机IPC2通过网络通讯；

所述的高压电源现场设备包括PSM模块、负载以及电压电流测控设备以及软启动接触器柜；所述的MCU逻辑控制器和FPGA脉冲控制器通过多芯电缆连接光电转换设备，所述的光电转换设备与电源设备现场的PSM模块以及电压电流测控设备光纤连接，所述的MCU逻辑控制器还通过多芯电缆连接软启动接触器柜；

所述的MCU逻辑控制器通过接外部控制指令，控制软启动柜内部接触器的合闸和分闸，并对软启动柜内部接触器的状态返回信号进行检测和过程判断；同时，所述的MCU逻辑控制器结合上位机系统匹配的控制软件中预设定的时序及逻辑将控制指令发送给FPGA脉冲控制器，FPGA脉冲控制器结合上位机系统匹配的控制软件预设定的运行模式、电压幅值、脉冲宽度、上升沿和下降沿时间参数值自动计算并生成需要运行的模块数量和运行时间，并根据MCU逻辑控制器发送的控制指令控制脉冲信号的启动和停止，进而控制PSM模块的开通与关断，从而实现输出电压的开关与调节。