合肥光源新型數(shù)字校正鐵電源系統(tǒng)

張海燕 金正方 邵 杰 趙 濤 蔡 平

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室 合肥 230029）

合肥同步輻射光源(HLS)由200 MeV電子直線加速器和800 MeV電子儲(chǔ)存環(huán)組成。儲(chǔ)存環(huán)上共有44個(gè)校正線圈，用以進(jìn)行閉軌校正，分別作為彎轉(zhuǎn)磁鐵和四極磁鐵的附加線圈，繞在其鐵芯上。常規(guī)閉軌校正中，采用32個(gè)校正鐵(水平、垂直方向各16個(gè))，每塊鐵由一臺(tái)雙向電源(±20 A/10 V)供電，每4臺(tái)電源放置在一臺(tái)電源柜內(nèi)，用一臺(tái)設(shè)備對(duì)它們進(jìn)行基本控制。這些電源的主要技術(shù)方案為晶體管串聯(lián)調(diào)整模式，經(jīng)長期使用，老化已相當(dāng)嚴(yán)重，運(yùn)行故障明顯增多。電源的技術(shù)指標(biāo)也有所降低，其控制精度和穩(wěn)定性已不能滿足軌道穩(wěn)定性要求。因此，我們對(duì)儲(chǔ)存環(huán)校正鐵電源系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

新電源系統(tǒng)為全數(shù)字化高穩(wěn)定度恒流開關(guān)電源。其主體結(jié)構(gòu)采用十二相整流濾波＋H橋開關(guān)PWM模式，采用以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為控制核心的數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)電源的控制、保護(hù)電路及通訊接口等，其適應(yīng)性、靈活性和數(shù)字環(huán)路控制能力大為提高，模擬電源控制器中常見的線路老化、誤差、漂移、非線性不易補(bǔ)償?shù)葐栴}大為減少，控制參數(shù)穩(wěn)定高效[1,2]。此電源可更好滿足束流軌道的要求，本文對(duì)其作系統(tǒng)介紹。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

新校正電源的PWM工作頻率為50 kHz，主回路由熔斷器、輸入EMI濾波器、交流接觸器KM1、十二相整流變壓器T1、十二相整流濾波電路、IGBT H橋DC/DC變換器、高頻濾波電路、輸出EMI濾波器、電流取樣DCCT1、電流回讀DCCT2、前饋取樣電路、負(fù)載取樣電路等組成(圖1)。其中，輸入整流濾波電路為低通濾波器，為 DC/DC變換器提供平滑的直流電壓。DC/DC變換器是由4個(gè)相同的場效應(yīng)模塊QA、QB、QC、QD組成的H橋變換器。輸出整流濾波電路將H橋變換器輸出的電壓進(jìn)行濾波，得到所需直流電壓。電流取樣采用零磁通TH1、TH2作隔離取樣。其中，TH1選用電流型DCCT，其取樣值送入AD卡；TH2選用電壓型DCCT，其取樣值直接送到電源外部檢測口。保護(hù)電路主要實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、過壓保護(hù)、超溫保護(hù)、斷水保護(hù)和負(fù)載故障保護(hù)。

控制電路主要由全數(shù)字化控制器組成，包括DSP卡和AD卡，在上海光源與成都大博電氣有限責(zé)任公司聯(lián)合開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)字化電源控制器基礎(chǔ)上，又作了改進(jìn)。DSP卡提供H橋軟開關(guān)觸發(fā)脈沖信號(hào)；作恒流PID運(yùn)算，使系統(tǒng)的電流誤差恒定在1×10–4內(nèi)；作網(wǎng)壓前饋PID運(yùn)算，對(duì)電網(wǎng)的波動(dòng)和紋波進(jìn)行補(bǔ)償，抑制系統(tǒng)的快變化；實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊，具有光纖通訊和 RS232串口通訊。ADC卡完成前饋電壓信號(hào)采集，負(fù)載電壓信號(hào)采集，負(fù)載電流信號(hào)采集，以及數(shù)字低通濾波[3–5]。

DSP卡核心芯片采用TMS320F2812，該芯片采用8級(jí)指令流水線，單周期32×32位MAC功能，最高速度每秒鐘可執(zhí)行1.50億條指令，保證了控制和信號(hào)處理的快速性和實(shí)時(shí)性。另外，TMS320F2812片上還集成了豐富的外部資源，包括128 K F1ash存貯器，18 K RAM存貯器，16路PWM輸出，16路12位ADC，并具有McBSP、SPI、SCI和擴(kuò)展的CAN總線等接口。和上位機(jī)通訊的單片機(jī)芯片采用了Ti公司的MSP430F5438，系16位超低功耗的微控制器，具有 256 KB閃存、16 KB RAM、12位ADC、4個(gè)USCI、32位HW乘法器。DSP卡提供8路數(shù)字輸入，用于連鎖告警；提供8路數(shù)字輸出，用于控制外部繼電器，兩者均采用光耦隔離。

ADC卡由FPGA和ADC及其外部電路組成，其中FPGA采用了ALTERA公司的Cyclone系列EP1C3T144，所使用的軟件開發(fā)環(huán)境為Quartus‖6.0。高精度的輸出電流采樣、輸出輸入電壓采樣均采用了AD7631來實(shí)現(xiàn)。AD7631是一款18位、電荷再分配、逐次逼近型架構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，采用ADI公司的iCMOS高電壓工藝制造。它內(nèi)置了一個(gè)18位高速采樣ADC、一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源(和緩沖)、糾錯(cuò)電路，以及串行和并行系統(tǒng)接口端口，對(duì)IN+和IN?上的全差分模擬輸入進(jìn)行采樣。

圖1 電源系統(tǒng)框圖Fig.0 System structure of the power supply

控制卡的工作流程大致為：電源輸出電流經(jīng)DCCT采樣后，送入 ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由FPGA處理后送入DSP。DSP采用PID算法，處理內(nèi)部和外部 ADC數(shù)據(jù)，將算法結(jié)果通知應(yīng)用層，控制PWM的輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)IGBT后實(shí)現(xiàn)電源的高精度數(shù)字調(diào)節(jié)[6-8]。新電源經(jīng)安裝調(diào)試后，測得數(shù)字化控制器送入驅(qū)動(dòng)器的脈沖工作波形如圖2所示。

圖2 控制器送入驅(qū)動(dòng)器的脈沖波形Fig.2 Pulse form sent to the driving card by the control card

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)本控和遠(yuǎn)控使用相同的監(jiān)控規(guī)范，遠(yuǎn)控的監(jiān)控指令是本控的子集。通信采取UART串口標(biāo)準(zhǔn)(波特率為115200，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位)，同時(shí)采取命令-應(yīng)答方式，控制器為從方?？刂品酵ㄟ^讀寫電源控制卡內(nèi)部的存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的設(shè)置和查詢?？刂瓶▋?nèi)部的存儲(chǔ)器為32位數(shù)據(jù)寬度。

電源的本控通過 DSP卡上 TMS320F2812的SCIA口和MAX232接口直接通訊，遵從二進(jìn)制通訊協(xié)議；遠(yuǎn)控則通過卡上的單片機(jī)(MSP430F5438)進(jìn)行二進(jìn)制和 ASCII碼通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，遵從ASCII碼的通訊協(xié)議。

電源的本控軟件在 Windows環(huán)境下用 Delphi語言編寫，分為五個(gè)功能模塊：主菜單模塊(定義菜單項(xiàng)和公用的全局變量、全局函數(shù))；實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊(完成對(duì)電源實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制操作)；數(shù)據(jù)瀏覽模塊(完成任意自定義瀏覽和打印電源歷史數(shù)據(jù)的功能，數(shù)據(jù)以文件形式存放，以圖表形式顯示)；設(shè)置模塊(主要用來設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)等)；通訊模塊(采用串口通訊方式，遵從數(shù)字控制器約定的監(jiān)控協(xié)議)。

圖3為電源實(shí)時(shí)監(jiān)控子界面。如一開始通訊參數(shù)未設(shè)置正確，或系統(tǒng)與電源控制器未聯(lián)機(jī)，狀態(tài)指示燈和操作按鈕均不能工作。聯(lián)機(jī)后，先讀取控制器狀態(tài)參數(shù)，如數(shù)字輸入屏蔽字與輸出屏蔽字、參考電流的上下限、電壓電流的測量范圍等。核對(duì)后點(diǎn)擊合閘按鈕，檢查回讀的電源狀態(tài)是否正確。再給定電流，可在圖表中觀察電源的工作情況。

電源的遠(yuǎn)控軟件是基于加速器控制系統(tǒng)領(lǐng)域通用軟件工具EPICS在SUN工作站上開發(fā)的。EPICS有諸多工具(如MEDM、TCL/TK、SDDS等)用于OPI的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，減少軟件開發(fā)工作量并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的分布式控制。儲(chǔ)存環(huán)新型校正鐵數(shù)字開關(guān)電源經(jīng)現(xiàn)場安裝測試，性能指標(biāo)均達(dá)預(yù)期指標(biāo)。測試設(shè)備為 Agilent 34970A多通道數(shù)據(jù)采集器、TEK TDS3052 500 MHz示波器、Benchlink for 34970A DAU測量軟件和Raynger ST80激光測溫計(jì)。

所有電源均在額定電流的±20% FSR(±4 A)、±100% FSR(±20 A)和零點(diǎn)電流情況下進(jìn)行了8 h以上穩(wěn)定度測試，Benchlink測量軟件進(jìn)行自動(dòng)采集、記錄和統(tǒng)計(jì)，得出的測量結(jié)果如圖4所示。圖中數(shù)據(jù)表明，各電源各電流點(diǎn)下的相對(duì)電流穩(wěn)定度皆優(yōu)于規(guī)范要求的1×10–4。電流分辨率皆優(yōu)于1×10–4，裝置溫升也符合要求。

圖3 電源實(shí)時(shí)監(jiān)控子界面Fig.3 The sub-front panel of real time monitoring and controlling of PS.

圖4 電源穩(wěn)定度測試數(shù)據(jù)圖Fig.4 Test data for stability of the power supply.

3 結(jié)論

新校正鐵電源采取了以全數(shù)字化控制器為核心的開關(guān)型穩(wěn)流電源方案，本地控制通過DSP卡上的串口可靈活設(shè)置電源回路參數(shù)，中央控制室與電源通訊調(diào)試的環(huán)節(jié)也得到了簡化，大大提高了效率。投入實(shí)際運(yùn)行后，新電源系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度也得到了明顯提高，很好地滿足了軌道穩(wěn)定性對(duì)其的要求。

1 許瑞年, 陳煥光, 沈天健, 等. 中國物理C, 2008, 32(增刊): 124–126

XU Ruinian, CHEN Huanguang, SHEN Tianjian, et al. Chinese Physics C, 2008, 32(Suppl): 124–126

2 崔德友. 基于DSP控制的PWM型開關(guān)電源的研究與開發(fā). 大連理工大學(xué), 碩士論文, 2006. 6

CUI Deyou. Study & Development of PWM Mode Switching Power Supply Based on DSP, Dalian University of Technology, Master thesis, 2006. 6

3 Kiman Ha, Oh M Y, Kim J H, et al. PLS Power Supply control and upgrade plan. EPICS collaboration meeting, 2004. 12

4 Ding J G, Zhu H J, Zhao H, et al. A prototype of the SSRF power supply control system. APAC 2007, Raja ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, India

5 王進(jìn)軍, 陳又新, 高大慶, 等. 核技術(shù), 2009, 32(5): 396–400

WANG Jinjun, CHEN Youxin, GAO Daqing, et al. Nucl Tech, 2009, 32(5): 396–400

6 Jenni F, Tanner L. Digital Control for Highest Precision Accelerator Power Supplies. PAC’01, Chicago, May 2001

7 Emmenegger M, Jenni F. A Fully Digital PWM for Highest Precision Power Supplies. European Power Electronics Conference, 2001

8 Kiman Ha ,J. Choi. Storage Ring Corrector MPS Control System for Global Orbit Feedback. PAL-PUB-2003