蘭州重離子加速器小功率直流電源數(shù)字化方案

摘要：介紹了一種用于蘭州重離子加速器(HIRFL)的由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和單片機(jī)(MCU)組合的直流電源數(shù)字控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了各元件優(yōu)點(diǎn)，并使其協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)電源狀態(tài)檢測(cè)、開關(guān)機(jī)控制、電流質(zhì)量調(diào)節(jié)和CAN總線通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有通用性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字電源；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；復(fù)雜可編程邏輯器件；單片機(jī)

1 引言
直流電源技術(shù)的發(fā)展不僅要求電源具有高精度、高穩(wěn)定度，還要求其響應(yīng)速度快、運(yùn)行可靠、可遠(yuǎn)程控制、人機(jī)界面良好、能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋等功能。對(duì)于加速器用勵(lì)磁電源，對(duì)以上要求更加突出。數(shù)字化控制技術(shù)能迎合電源技術(shù)的發(fā)展需求，且價(jià)格低、可復(fù)用、調(diào)試簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、開發(fā)周期短，是新一代電源控制發(fā)展的趨勢(shì)。FPGA，CPLD和MCU因其各具優(yōu)點(diǎn)，在電源控制中被廣泛應(yīng)用。這里采用FPGA，CPLD和MCU與外圍電路的組合，搭建了一種新的電源控制系統(tǒng)，并在一臺(tái)HIRFL±15 A／15 V DC／DC電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，控制結(jié)果達(dá)到了電源設(shè)計(jì)要求。

2 總體方案設(shè)計(jì)
±15 A／15 V DC／DC電源主電路采用H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。電源開關(guān)管為SK85MH10T型MOSFET模塊，其控制采用脈寬調(diào)制(PWM)方
式。當(dāng)輸出正極性電流時(shí)開關(guān)管V1，V4導(dǎo)通，V2，V3關(guān)斷，反之亦然。

電源控制系統(tǒng)包括狀態(tài)板、調(diào)節(jié)板及電源中的傳感器繼電器和MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。其中，狀態(tài)板用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和繼電保護(hù)，控制對(duì)象為電源繼電器組，核心控制器件為C8051F系列MCUMAXII系列EPM1270 CPLD；調(diào)節(jié)板用于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的PID-PWM，以響應(yīng)電流給定并提高輸出電流穩(wěn)定度，控制對(duì)象為H橋MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，核心控制器件為Cyclone II系列EP2C35F FPGA?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中①為過流監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)；②為過壓監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)；③為過流故障；④為過壓故障；⑤為過熱故障；⑥為繼電器控制信號(hào)；⑦為MOSFET控制信號(hào)；⑧為電流調(diào)節(jié)傳感器信號(hào)；⑨為PWM使能信號(hào)。該控制系統(tǒng)通過CAN總線與上位機(jī)通信，用以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。

3 狀態(tài)板程序設(shè)計(jì)
3．1 基于C8051F的電源監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)
C8051F MCU是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核，具備控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括看門狗、ADC、電壓電流窗口比較器、定時(shí)器等，具備CAN總線接口。該系統(tǒng)狀態(tài)板中C8051F MCU用于實(shí)現(xiàn)以下功能：①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路的電流電壓，向CPLD提供電源過壓／過流故障信息；②接收CPLD的電源狀態(tài)變化，并通過CAN總線通信向上反饋到上位機(jī)。C8051F軟件控制流程如圖3所示。

狀態(tài)板上電后，首先初始化MCU，包括：①定義MCU時(shí)鐘源；②定義MCU中斷源；③寫定時(shí)器相關(guān)寄存器，規(guī)定計(jì)數(shù)周期(片內(nèi)ADC采樣周期)和計(jì)數(shù)方式(循環(huán)計(jì)數(shù))；④初始化ADC控制寄存器和窗口比較寄存器，規(guī)定電流／電壓采樣上限；⑤初始化輸入輸出端口，定義其P1口為模擬量輸入端口，用于向片內(nèi)ADC輸入電流／電壓模擬值，P2口為數(shù)字輸入端口，用于接收來自CPLD的電源狀態(tài)量，P3口為數(shù)字輸出端口，用于向CPLD輸出過壓／過流信息；⑥定義CAN總線相關(guān)寄存器。
3．2 基于CPLD的繼電保護(hù)程序設(shè)計(jì)
該電源涉及到的故障包括過壓、過流、過熱和負(fù)載故障4種。其中過壓、過流故障由C8051F送入CPLD，過熱故障由附于MOSFET上的溫度傳感器送入。CPLD主要實(shí)現(xiàn)：①故障鎖存，并在故障時(shí)控制繼電器自動(dòng)分閘；②響應(yīng)電源遠(yuǎn)程開／關(guān)機(jī)操作；③向上位機(jī)返回電源狀態(tài)變化。因此，CPLD硬件程序主要包括故障處理、繼電器控制和電源狀態(tài)變化監(jiān)測(cè)與返回3個(gè)模塊。

當(dāng)有故障送入CPLD時(shí)，程序自動(dòng)將故障鎖存，同時(shí)送出有效故障信號(hào)用于控制繼電器分閘。當(dāng)電源狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，CPLD將送出一個(gè)高電平給MCU中斷信號(hào)，提醒MCU執(zhí)行CAN總線發(fā)送程序，向上位機(jī)傳送當(dāng)前的電源狀態(tài)，電源狀態(tài)包括被鎖存的故障信號(hào)送入和電源的開／關(guān)機(jī)轉(zhuǎn)換信息，為1個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)，表1為電源狀態(tài)表。