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)場可編程門陣列(FPGA)、復雜可編程邏輯器件(CPLD)和單片機(MCU)組合的直流電源數(shù)字控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了各元件優(yōu)點，并使其協(xié)調工作實現(xiàn)電源狀態(tài)檢測、開關機控制、電流質量調節(jié)和CAN總線通信。實驗結果表明該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有通用性。
關鍵詞：數(shù)字電源；現(xiàn)場可編程門陣列；復雜可編程邏輯器件；單片機

1 引言
直流電源技術的發(fā)展不僅要求電源具有高精度、高穩(wěn)定度，還要求其響應速度快、運行可靠、可遠程控制、人機界面良好、能實現(xiàn)運行狀態(tài)實時監(jiān)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(shù)字化控制技術能迎合電源技術的發(fā)展需求，且價格低、可復用、調試簡單、設計靈活、開發(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，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(tǒng)，并在一臺HIRFL±15 A／15 V DC／DC電源實驗平臺上進行驗證，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。電源開關管為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開關管V1，V4導通，V2，V3關斷，反之亦然。

電源控制系統(tǒng)包括狀態(tài)板、調節(jié)板及電源中的傳感器繼電器和MOSFET驅動電路。其中，狀態(tài)板用于實現(xiàn)對電源的狀態(tài)監(jiān)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(jié)板用于實現(xiàn)對輸出電流的PID-PWM，以響應電流給定并提高輸出電流穩(wěn)定度，控制對象為H橋MOSFET的驅動電路，核心控制器件為Cyclone II系列EP2C35F FPGA。控制系統(tǒng)結構如圖2所示。圖中①為過流監(jiān)測傳感器信號；②為過壓監(jiān)測傳感器信號；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；⑦為MOSFET控制信號；⑧為電流調節(jié)傳感器信號；⑨為PWM使能信號。該控制系統(tǒng)通過CAN總線與上位機通信，用以實現(xiàn)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(jiān)測軟件設計
C8051F MCU是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與MCS-51完全兼容的指令內核，具備控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設，包括看門狗、ADC、電壓電流窗口比較器、定時器等，具備CAN總線接口。該系統(tǒng)狀態(tài)板中C8051F MCU用于實現(xiàn)以下功能：①實時監(jiān)測電路的電流電壓，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。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時鐘源；②定義MCU中斷源；③寫定時器相關寄存器，規(guī)定計數(shù)周期(片內ADC采樣周期)和計數(shù)方式(循環(huán)計數(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壓、過流、過熱和負載故障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主要實現(xiàn)：①故障鎖存，并在故障時控制繼電器自動分閘；②響應電源遠程開／關機操作；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(jiān)測與返回3個模塊。

當有故障送入CPLD時，程序自動將故障鎖存，同時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，CPLD將送出一個高電平給MCU中斷信號，提醒MCU執(zhí)行CAN總線發(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／關機轉換信息，為1個字節(jié)的二進制數(shù)，表1為電源狀態(tài)表。