蘭州重離子加速器小功率直流電源數字化方案

摘要：介紹了一種用于蘭州重離子加速器(HIRFL)的由現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、復雜可編程邏輯器件(CPLD)和單片機(MCU)組合的直流電源數字控制系統，該系統充分利用了各元件優(yōu)點(diǎn)，并使其協(xié)調工作實(shí)現電源狀態(tài)檢測、開(kāi)關(guān)機控制、電流質(zhì)量調節和CAN總線(xiàn)通信。實(shí)驗結果表明該控制系統穩定可靠，具有通用性。
關(guān)鍵詞：數字電源；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列；復雜可編程邏輯器件；單片機

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、高穩定度，還要求其響應速度快、運行可靠、可遠程控制、人機界面良好、能實(shí)現運行狀態(tài)實(shí)時(shí)監測反饋等功能。對于加速器用勵磁電源，對以上要求更加突出。數字化控制技術(shù)能迎合電源技術(shù)的發(fā)展需求，且價(jià)格低、可復用、調試簡(jiǎn)單、設計靈活、開(kāi)發(fā)周期短，是新一代電源控制發(fā)展的趨勢。FPGA，CPLD和MCU因其各具優(yōu)點(diǎn)，在電源控制中被廣泛應用。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，并在一臺HIRFL±15 A／15 V DC／DC電源實(shí)驗平臺上進(jìn)行驗證，控制結果達到了電源設計要求。

2 總體方案設計
±15 A／15 V DC／DC電源主電路采用H橋拓撲結構，如圖1所示。電源開(kāi)關(guān)管為SK85MH10T型MOSFET模塊，其控制采用脈寬調制(PWM)方
式。當輸出正極性電流時(shí)開(kāi)關(guān)管V1，V4導通，V2，V3關(guān)斷，反之亦然。

電源控制系統包括狀態(tài)板、調節板及電源中的傳感器繼電器和MOSFET驅動(dòng)電路。其中，狀態(tài)板用于實(shí)現對電源的狀態(tài)監測和繼電保護，控制對象為電源繼電器組，核心控制器件為C8051F系列MCUMAXII系列EPM1270 CPLD；調節板用于實(shí)現對輸出電流的PID-PWM，以響應電流給定并提高輸出電流穩定度，控制對象為H橋MOSFET的驅動(dòng)電路，核心控制器件為Cyclone II系列EP2C35F FPGA?？刂葡到y結構如圖2所示。圖中①為過(guò)流監測傳感器信號；②為過(guò)壓監測傳感器信號；③為過(guò)流故障；④為過(guò)壓故障；⑤為過(guò)熱故障；⑥為繼電器控制信號；⑦為MOSFET控制信號；⑧為電流調節傳感器信號；⑨為PWM使能信號。該控制系統通過(guò)CAN總線(xiàn)與上位機通信，用以實(shí)現計算機遠程控制。

3 狀態(tài)板程序設計
3．1 基于C8051F的電源監測軟件設計
C8051F MCU是完全集成的混合信號系統級芯片，具有與MCS-51完全兼容的指令內核，具備控制系統所需的模擬和數字外設，包括看門(mén)狗、ADC、電壓電流窗口比較器、定時(shí)器等，具備CAN總線(xiàn)接口。該系統狀態(tài)板中C8051F MCU用于實(shí)現以下功能：①實(shí)時(shí)監測電路的電流電壓，向CPLD提供電源過(guò)壓／過(guò)流故障信息；②接收CPLD的電源狀態(tài)變化，并通過(guò)CAN總線(xiàn)通信向上反饋到上位機。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(xiě)定時(shí)器相關(guān)寄存器，規定計數周期(片內ADC采樣周期)和計數方式(循環(huán)計數)；④初始化ADC控制寄存器和窗口比較寄存器，規定電流／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ADC輸入電流／電壓模擬值，P2口為數字輸入端口，用于接收來(lái)自CPLD的電源狀態(tài)量，P3口為數字輸出端口，用于向CPLD輸出過(guò)壓／過(guò)流信息；⑥定義CAN總線(xiàn)相關(guān)寄存器。
3．2 基于CPLD的繼電保護程序設計
該電源涉及到的故障包括過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱和負載故障4種。其中過(guò)壓、過(guò)流故障由C8051F送入CPLD，過(guò)熱故障由附于MOSFET上的溫度傳感器送入。CPLD主要實(shí)現：①故障鎖存，并在故障時(shí)控制繼電器自動(dòng)分閘；②響應電源遠程開(kāi)／關(guān)機操作；③向上位機返回電源狀態(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)變化監測與返回3個(gè)模塊。

當有故障送入CPLD時(shí)，程序自動(dòng)將故障鎖存，同時(shí)送出有效故障信號用于控制繼電器分閘。當電源狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，CPLD將送出一個(gè)高電平給MCU中斷信號，提醒MCU執行CAN總線(xiàn)發(fā)送程序，向上位機傳送當前的電源狀態(tài)，電源狀態(tài)包括被鎖存的故障信號送入和電源的開(kāi)／關(guān)機轉換信息，為1個(gè)字節的二進(jìn)制數，表1為電源狀態(tài)表。