[发明专利]基于FPGA控制的磁性薄膜材料合成的电源系统

说明书

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于FPGA控制的磁性薄膜材料合成的电源系统，包括上位机、FPGA控制模块、功率模块，和监测反馈模块，FPGA控制模块用于接收上位机设定的预设值及接收监测反馈模块的反馈信号，经计算后将控制信号输出至功率模块。本发明对温度、输出电流、电压能够及时反馈，根据系统实际情况动态调整控制信号，解决了输出精度不能满足高性能材料合成需要的问题，适用于长期可靠的工业生产。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，它是一种由分立器件构成的降压型具有工业磁性薄膜材料电解的开关电解电源系统，适用于工业金属材料电解、新能源汽车充电等。

背景技术

随着半导体工艺的不断提升，IC行业发展迅速，多领域、多学科的共同发展、对于各类电子设备与新材料的需要变得极为迫切。此外，诸如一些手持设备的续航能力也急需提升。替代传统化石资源的新能源电动汽车应运而生，而亟待解决的问题是充电时间长和续航时间短的问题，这就需要根据实际需要调整输出电压和电流。

对于工业中电解一些材料，不同金属的化学性质有所差异，为了获得优良的电解金属薄膜材料，需要改变电压和电流的大小来控制电化学反应速率，同时能保证系统可靠工作保证生产过程的连续性。

常用的数字直流电源，在金属材料电解与磁性薄膜的合成过程中，工作模式单一，或者是CC者是CV状态，或者在非CV与非CC区；应用金属材料电解磁性薄膜合成过程中需要通过外接功率电阻进行手动调节，造成输出值的精度不能满足高性能材料合成需要；且可靠性较差；缺乏对温度、输出电流、电压的反馈调节，反馈调节过程不及时，经常造成功率电路中的部分器件的损坏，不适用于长期可靠的工业生产。

发明内容

本发明针对实际生产需求与应用于金属材料电解磁性薄膜材料合成过程中直流电源存在的不足，设计了一款降压型快速响应且输出稳定磁性薄膜材料合成的开关电源系统。本设计中，数字化的控制方式具有快速响应的控制环路；系统中具有过压、过流、过温等自保护机制，提高了系统的可靠性；通过在上位机中的设置，通过人机交互可以实现针对不同磁性薄膜材料的电磁性质的控制。具体技术方案如下：

1、上位机与FPGA的通信

系统通过标准RS－232通信协议来完成控制信号的传输，实现人机交互。上位机与FPGA控制模块进行通信，同时FPGA控制模块接收来自监测反馈模块的输出电压、电流、温度等经过处理的信号后，在FPGA控制模块内部进行 PID算法计算控制量后，产生控制功率电路工作的电信号。

人机交互界面可输入的控制信号包括：根据电化学方程式计算之后，功率模块的输出电压值和电流值、功率模块的输出最大电压和电流值、扼流圈L1达到伏秒平衡对应的功率MOS开关管Q1、Q2与L1的温度上限值，以及功率模块输出电压、电流的变化步长，并显示实际工作时候的功率模块的输出电压与电流、开关器件与扼流圈的温度值，还可以设置循环泵控制的电解液流速、基准电压值，系统强制复位。

人机交互界面可显示的信号包括：当系统进行工作的时候，通过上位机与 FPGA控制模块通信，将系统输出端实时的电压、电流，功率开关管、磁性元件温度，电解液流速显示在界面上。

2、FPGA控制模块的算法

单纯的PID控制效果不理想，存在超调抑制难的缺点。广义预测控制具有模型参数少，鲁棒性强的特点因此本设计中采用广义预测PID控制算法。在得到该算法的计算公式之后，进行编程。

3、功率模块电路的结构