基于现场可编程门阵列的数字调节器设计

　　磁铁电源的主回路结构有多种类型,但电源的控制结构类似。以磁铁稳流电源传统的模拟控制电路为例,来自计算机的数字给定转换为模拟量,作为模拟电源的电流基准值进入模拟调节回路,除主电流闭环外,还包括辅助的闭环回路,如电压环。调节回路的输出经变换转换为电源功率器件的驱动信号。调节回路的反馈量及电源的闭环控制均为模拟信号。

　　随着现代数字信号处理技术的发展,将数字控制技术应用于电源本体,即电源调节器的设计,成为现代高能加速器磁铁电源技术发展的趋势。这种用数字控制技术实现电源本体的调节器设计,并提供符合加速器控制系统所需的控制接口及电源本地调试接口的电源称为数字化电源。数字化电源采用数字调节器(DRL),电源的反馈量通过模数转换器ADC转换为数字量,进入数字闭环控制回路。用数字化调控技术代替模拟控制,可消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点,有利于参数整定和变参数调节,通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略,同时减少元器件的数目、简化硬件结构,从而提高系统的可靠性[1]。

　　1　闭环调节系统

　　电源闭环调节的主要目的是克服外界扰动,提高系统稳定性。因此,调节器的设计应考虑外界扰动的类型及它们对所要控制的量(即受控量)的影响。加速器磁铁电源设计时,主要考虑以下扰动因素。

　　1)磁铁负载的电阻随温度变化的漂移。当负载电阻发生变化时,同样大小的负载电压所给出的负载电流将发生变化,影响电流的稳定。

　　2)电网波动。电网允许的波动范围为±10%,如用电高峰或低谷时引起的电网波动。另外,电源工频整流的输出带有低频纹波,也将影响电源系统的性能。针对以上主要扰动,同时考虑加速器电源的磁铁负载为惯性负载,电源的闭环调节一般采用双环调节。1个调节环用来纠正磁铁负载的温漂带来的影响,保证电流输出的稳定度;另1个控制环对频率高的纹波进行处理,用来纠正电网波动及电源工频整流输出的纹波。

　　图1所示为电源闭环调节系统的控制框图。其中:IC为电流调节器,IF为电流反馈;UC为电压调节器,UF为电压反馈;UFD表示电压前馈;KC表示主回路;FL为滤波器;RL为负载。这样,UC和UF组成内部闭环,称为电压环或内环;IC和IF组成大的闭环,称为电流环或外环。从图1可看出,电压环完全置于电流环内部。因经整流输出的电压,其纹波的特征频率一般为几百Hz,相对于负载电阻温度漂移的缓慢变化快得多。为达到抑制电压纹波的作用,要求电压环的通频带比电流环的宽,即电压环的截止频率比电流环的高。所以,电压环响应快,动作灵敏,电流环则响应慢。电流环的输出对电压调节器可看成是恒定的给定,经UC调节后,作为闭环控制器的最终输出。