兰州重离子加速器小功率直流电源数字化方案

摘要：介绍了一种用于兰州重离子加速器(HIRFL)的由现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)和单片机(MCU)组合的直流电源数字控制系统，该系统充分利用了各元件优点，并使其协调工作实现电源状态检测、开关机控制、电流质量调节和CAN总线通信。实验结果表明该控制系统稳定可靠，具有通用性。
关键词：数字电源；现场可编程门阵列；复杂可编程逻辑器件；单片机

1 引言
直流电源技术的发展不仅要求电源具有高精度、高稳定度，还要求其响应速度快、运行可靠、可远程控制、人机界面良好、能实现运行状态实时监测反馈等功能。对于加速器用励磁电源，对以上要求更加突出。数字化控制技术能迎合电源技术的发展需求，且价格低、可复用、调试简单、设计灵活、开发周期短，是新一代电源控制发展的趋势。FPGA，CPLD和MCU因其各具优点，在电源控制中被广泛应用。这里采用FPGA，CPLD和MCU与外围电路的组合，搭建了一种新的电源控制系统，并在一台HIRFL±15 A／15 V DC／DC电源实验平台上进行验证，控制结果达到了电源设计要求。

2 总体方案设计
±15 A／15 V DC／DC电源主电路采用H桥拓扑结构，如图1所示。电源开关管为SK85MH10T型MOSFET模块，其控制采用脉宽调制(PWM)方
式。当输出正极性电流时开关管V1，V4导通，V2，V3关断，反之亦然。

电源控制系统包括状态板、调节板及电源中的传感器继电器和MOSFET驱动电路。其中，状态板用于实现对电源的状态监测和继电保护，控制对象为电源继电器组，核心控制器件为C8051F系列MCUMAXII系列EPM1270 CPLD；调节板用于实现对输出电流的PID-PWM，以响应电流给定并提高输出电流稳定度，控制对象为H桥MOSFET的驱动电路，核心控制器件为Cyclone II系列EP2C35F FPGA。控制系统结构如图2所示。图中①为过流监测传感器信号；②为过压监测传感器信号；③为过流故障；④为过压故障；⑤为过热故障；⑥为继电器控制信号；⑦为MOSFET控制信号；⑧为电流调节传感器信号；⑨为PWM使能信号。该控制系统通过CAN总线与上位机通信，用以实现计算机远程控制。

3 状态板程序设计
3．1 基于C8051F的电源监测软件设计
C8051F MCU是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与MCS-51完全兼容的指令内核，具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、电压电流窗口比较器、定时器等，具备CAN总线接口。该系统状态板中C8051F MCU用于实现以下功能：①实时监测电路的电流电压，向CPLD提供电源过压／过流故障信息；②接收CPLD的电源状态变化，并通过CAN总线通信向上反馈到上位机。C8051F软件控制流程如图3所示。

状态板上电后，首先初始化MCU，包括：①定义MCU时钟源；②定义MCU中断源；③写定时器相关寄存器，规定计数周期(片内ADC采样周期)和计数方式(循环计数)；④初始化ADC控制寄存器和窗口比较寄存器，规定电流／电压采样上限；⑤初始化输入输出端口，定义其P1口为模拟量输入端口，用于向片内ADC输入电流／电压模拟值，P2口为数字输入端口，用于接收来自CPLD的电源状态量，P3口为数字输出端口，用于向CPLD输出过压／过流信息；⑥定义CAN总线相关寄存器。
3．2 基于CPLD的继电保护程序设计
该电源涉及到的故障包括过压、过流、过热和负载故障4种。其中过压、过流故障由C8051F送入CPLD，过热故障由附于MOSFET上的温度传感器送入。CPLD主要实现：①故障锁存，并在故障时控制继电器自动分闸；②响应电源远程开／关机操作；③向上位机返回电源状态变化。因此，CPLD硬件程序主要包括故障处理、继电器控制和电源状态变化监测与返回3个模块。

当有故障送入CPLD时，程序自动将故障锁存，同时送出有效故障信号用于控制继电器分闸。当电源状态发生变化时，CPLD将送出一个高电平给MCU中断信号，提醒MCU执行CAN总线发送程序，向上位机传送当前的电源状态，电源状态包括被锁存的故障信号送入和电源的开／关机转换信息，为1个字节的二进制数，表1为电源状态表。
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4 调节板硬件程序设计
FPGA是数字电源控制系统中的核心器件，用于实现电流的PID-PWM，决定了电源输出电流质量。图4为设计的FPGA硬件程序模块结构。

4．1 PID计算模块硬件程序设计
该设计采用增量型PID控制，即：

式中：s(k)为k时刻AD电流采样值；p(k)为电流给定值；e(k)为电流偏差；Kp，Ki，Kd分别为比例、积分、微分系数；△u(k)为PID变化量；u(k)为PID调节器计算结果。
上式中3个式子由硬件程序中偏差计算、PID累加和△PID计算子模块实现，如图5所示。

在PID模块中引入了两个调节参数，即：积分项上限和PID变化量上限，积分项上限用于防止积分饱和，实现积分分离；PID变化量上限用于限制PID跟踪速度，从而避免超调。这两个参数由用户从CAN总线由上位机输入。
为适应电源调试的需要，该系统设计了开环、P调节、PI调节和PID调节4种调节方式。在P调节时，忽略积分项和微分项；PI调节时，忽略积分项；开环时，不进行PID调节。为保证计算速度，PID调节器采用流水线设计，3个子模块依次执行。同时，为避免模块计算中的中间结果被带入下一个模块，引起计算结果干扰，在各模块中加入了滤波程序。经过仿真，3个模块可实现预定计算功能。
4．2 PWM硬件程序设计
PID计算数值经变换后得到PWM脉宽量，送入PWM波形发生模块。当PWM计数器计数小于计算得PWM脉宽量时，输出低电平；反之输出高电平。该控制系统使用15位PWM计数器循环计数，计数时钟系统频率为50MHz，则PWM输出波形频率fs=1.526kHz。设计时将V4导通角滞后V1180°(电流为正极性时)，负极性时V3滞后V2180°，从而实现桥口输出波形倍频，图6为PWM输出波形。故H桥桥口输出的波形频率为3．052 kHz。

PWM使能条件：①状态板无故障送入，状态板有使能信号送入调节板FPGA；②电源收到CAN总线发来的电源开机命令。使能时PWM开始计数，产生PWM波形，否则波形封锁，恒输出低电平。

5 CAN总线通讯网络
该设计使用Basic CAN协议，采用11位识别码。电源状态板和调节板分别作为CAN总线两个独立节点，但共用同一识别码(电源编号)，故理论上一台上位机最多控制2 048台电源，可满足需求。图7为CAN总线网络。在状态板中，MCU C8051F自带CAN控制器，MCU直接或通过索引方式访问CAN寄存器，实现CAN总线收发和MCU与CAN控制FIFO的数据交换。在调节板中，采用专用CAN控制器芯片SJA1000来通讯，编写基于FPGA的SJA1000驱动程序来接收SJA1000中断信号和实现FPGA访问SJA1000寄存器，实现数据收发。SJA1000驱动程序包括初始化、接收、发送、故障处理和溢出处理等5个子模块。CAN通信中波特率均为50 kbps，可实现最远1．3 km的有效通讯。

6 实验
将该电源数字控制方案用于±15A／15 V单H桥DC／DC电源实验平台，经调试输出电流达到预期的±15 A要求。测试电源输出电流稳定度，负载采用1．25 Ω阻性负载，加电流6．5 A，用7081数字电压表测量反馈电阻两端电压U，如图8所示。N为采样次数(每4 s采样一次，共采样1 000次)，电源稳定度可达6×10-4，达到设计要求。

7 结论
状态板加调节板的设计可有效分散危险，防止单一控制芯片失效导致电源失控，提高了电源可靠性；基于FPGA硬件程序的电源PID-PWM方式，相比嵌入式软件实现方式，可防止因软件执行中中断响应时间不可控导致的调节实时性问题，增加电流跟随精度；设计更加灵活，占用资源少，相对基于FPGA的软核嵌入式软件实现方式，该设计可减少FPGA资源占用量至原来的1／6左右。