电磁铁电源及其控制方法和数字控制器技术

一种电磁铁电源，包括：数字控制器，基于预先设定的参考电流信号和相应于所述电磁铁电源的输出电流的感测电流信号，来生成控制电流信号；调制器，基于所述控制电流信号来生成功率器件控制信号；功率器件，根据所述功率器件控制信号从主供电源汲取电能以向电磁铁负载提供所述输出电流；以及电流传感器，设置在所述电磁铁电源的输出端处，以生成所述感测电流信号。一种用于控制所述电磁铁电源的方法和数字控制器。

【技术实现步骤摘要】
电磁铁电源及其控制方法和数字控制器
本申请涉及电磁铁电源及其方法，尤其涉及电流精密控制的数字化动态电磁铁电源、以及用于电流精密控制数字化动态电磁铁电源的方法和数字控制器。
技术介绍
随着数字控制技术的发展，加速器电磁铁电源正在向全数字化控制的方向发展。 目前在建或已经建成的加速器静态电磁铁电源系统已基本实现全数字化控制。然而在重复频率IOHz及以上的动态电磁铁电源中，尚未见到采用全数字化控制电源技术的报道。据调查，目前重复频率IOHz及以上的加速器动态电磁铁励磁电源均采用基于模拟电路的控制技术。例如日本J-PARK快循环同步加速器(RCS)、英国ISIS RCS环的主电磁铁分别使用的25Hz和50Hz的动态励磁电源，国际上多台同步辐射光源的增强器主电磁铁也使用IOHz的动态电源。由于加速器电源负载是大惯性环节的电磁铁，其时间常数大，同时由于对输出跟踪精度、电压纹波和电流高稳定度的特殊要求，以及后级高频率波电路，造成了闭环稳定输出的比例积分微分(PID)调节器校正的困难。对于IOHz及以上重复频率的动态电源，现有加速器都采用了基于怀特谐振电路的拓扑结构。由于电源自身的基于模拟电路的PID闭环控制器无法满足电源动态电流的精密跟踪，均采用独立于电源系统的一套昂贵的远程控制系统来实现对动态输出电流的精确控制。这样的控制系统一般基于VME总线(即VersaModule Eurocard总线,一种通用的计算机总线)的体系结构，或者包括对高精度模拟数字转换器(ADC)和数字模拟转换器(DAC) 的精密控制以及复杂的算法和接口设计，或者包括需要温度精密控制的幅度和相位检测及闭环控制的模拟电路，不仅软件驱动和接口设计及硬件设计复杂，而且整个系统非常昂贵。
技术实现思路
为了解决上述技术问题之一，本申请提供了一种电磁铁电源，包括数字控制器， 基于预先设定的参考电流信号和相应于所述电磁铁电源的输出电流的感测电流信号，来生成控制电流信号；调制器，基于所述控制电流信号来生成功率器件控制信号；功率器件，根据所述功率器件控制信号从主供电源汲取电能以向电磁铁负载提供所述输出电流；以及电流传感器，设置在所述电磁铁电源的输出端处，以生成所述感测电流信号。其中，所述数字控制器包括模拟数字转换器，基于预先设定的采样频率对所述感测电流信号进行采样，获得感测电流信号采样；离散傅立叶分析器，基于所述参考电流信号的基波分量频率和所述采样频率对所述感测电流信号采样进行离散傅立叶分析处理，获得相应的反馈直流分量幅值、反馈基波分量幅值和反馈基波分量相位；第一比较器，将所述参考电流信号的直流分量幅值与所述反馈直流分量幅值进行比较，获得第一比较结果；第二比较器，将所述参考电流信号的基波分量幅值与所述反馈基波分量幅值进行比较，获得第二比较结果；第三比较器， 将所述参考电流信号的基波分量相位与所述反馈基波分量相位进行比较，获得第三比较结果；第一数字比例积分微分控制器，根据所述第一比较结果生成修正直流分量幅值；第二数字比例积分微分控制器，根据所述第二比较结果生成修正基波分量幅值；第三数字比例积分微分控制器，根据所述第三比较结果生成修正基波分量相位；坐标旋转数字计算合成器，基于所述基波分量频率和所述采样频率将所述修正直流分量幅值、所述修正基波分量幅值和所述修正基波分量相位合成为合成参考电流信号；第四比较器，将所述合成参考电流信号与所述感测电流信号采样进行比较，获得第四比较结果；以及第四数字比例积分微分控制器，根据所述第四比较结果生成所述控制电流信号。所述电磁铁电源还包括显示设备，用于显示所述数字控制器所处理的参数。所述电磁铁电源还包括滤波电路，设置在所述功率器件的输出处所述功率器件与所述电流传感器之间，用于滤除高频信号。所述电磁铁电源中所述调制器与所述数字控制器整合在一起，通过数字信号处理的方法，在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,即FPGA)数字信号处理芯片中实现，采用单精度浮点数的处理方式。所述电磁铁电源中所述数字控制器包含的离散傅立叶分析器，在进行数字信号处理时采用双精度浮点数的处理方式。所述电磁铁电源中所述模拟数字转换器是16bit，IOOKHz及以上的模拟数字转换器。所述电磁铁电源中所述第一数字比例积分微分控制器、所述第二数字比例积分微分控制器、所述第三数字比例积分微分控制器的工作采样频率为所述基波分量频率。本申请还提供了一种控制电磁铁电源的方法，包括如下步骤获得与所述电磁铁电源的输出电流相对应的感测电流信号；基于预先设定的采样频率对所述感测电流信号进行采样处理，获得感测电流信号采样；基于参考电流信号的基波分量频率和所述采样频率对所述感测电流信号采样进行离散傅立叶分析处理，获得相应的反馈直流分量幅值、反馈基波分量幅值和反馈基波分量相位；将所述参考电流信号的直流分量幅值与所述反馈直流分量幅值进行比较以获得第一比较结果，将所述参考电流信号的基波分量幅值与所述反馈基波分量幅值进行比较以获得第二比较结果，将所述参考电流信号的基波分量相位与所述反馈基波分量相位进行比较以获得第三比较结果；根据所述第一比较结果生成修正直流分量幅值，根据所述第二比较结果生成修正基波分量幅值，根据所述第三比较结果生成修正基波分量相位；基于所述基波分量频率和所述采样频率将所述修正直流分量幅值、所述修正基波分量幅值和所述修正基波分量相位合成为合成参考电流信号；将所述合成参考电流信号与所述感测电流信号采样进行比较，获得第四比较结果；以及根据所述第四比较结果生成控制电流信号，根据所述控制电流信号控制所述电磁铁电源的所述输出电流。所述方法中所述采样处理是用16bit，IOOKHz及以上的模拟数字转换器进行的。所述方法中在所述根据所述第一比较结果生成所述修正直流分量幅值、根据所述第二比较结果生成所述修正基波分量幅值、根据所述第三比较结果生成所述修正基波分量相位、以及根据所述第四比较结果生成所述控制电流信号的步骤中，采用单精度浮点数的处理方式。所述方法中所述离散傅立叶分析处理采用双精度浮点数的处理方式。所述方法中所述各步骤划被分成多个分块，采用流水线处理。所述方法中在所划分的同一分块内，相同的模块分时复用。本申请还提供了一种数字控制器，用于在电磁铁电源中基于预先设定的参考电流信号和相应于所述电磁铁电源的输出电流的感测电流信号来生成控制电流信号，所述电磁铁电源还包括调制器，基于所述控制电流信号来生成功率器件控制信号；功率器件，根据所述功率器件控制信号从主供电源汲取电能以向电磁铁负载提供所述输出电流；以及电流传感器，设置在所述电磁铁电源的输出端处，以生成所述感测电流信号，其中，所述数字控制器包括模拟数字转换器，基于预先设定的采样频率对所述感测电流信号进行采样，获得感测电流信号采样；离散傅立叶分析器，基于所述参考电流信号的基波分量频率和所述采样频率对所述感测电流信号采样进行离散傅立叶分析处理，获得相应的反馈直流分量幅值、反馈基波分量幅值和反馈基波分量相位；第一比较器，将所述参考电流信号的直流分量幅值与所述反馈直流分量幅值进行比较，获得第一比较结果；第二比较器，将所述参考电流信号的基波分量幅值与所述反馈基波分量幅值进行比较，获得第二比较结果；第三比较器， 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁铁电源，包括：?数字控制器，基于预先设定的参考电流信号和相应于所述电磁铁电源的输出电流的感测电流信号，来生成控制电流信号；?调制器，基于所述控制电流信号来生成功率器件控制信号；?功率器件，根据所述功率器件控制信号从主供电源汲取电能以向电磁铁负载提供所述输出电流；以及?电流传感器，设置在所述电磁铁电源的输出端处，以生成所述感测电流信号，?其中，所述数字控制器包括：?模拟数字转换器，基于预先设定的采样频率对所述感测电流信号进行采样，获得感测电流信号采样；?离散傅立叶分析器，基于所述参考电流信号的基波分量频率和所述采样频率对所述感测电流信号采样进行离散傅立叶分析处理，获得相应的反馈直流分量幅值、反馈基波分量幅值和反馈基波分量相位；?第一比较器，将所述参考电流信号的直流分量幅值与所述反馈直流分量幅值进行比较，获得第一比较结果；?第二比较器，将所述参考电流信号的基波分量幅值与所述反馈基波分量幅值进行比较，获得第二比较结果；?第三比较器，将所述参考电流信号的基波分量相位与所述反馈基波分量相位进行比较，获得第三比较结果；?第一数字比例积分微分控制器，根据所述第一比较结果生成修正直流分量幅值；?第二数字比例积分微分控制器，根据所述第二比较结果生成修正基波分量幅值；?第三数字比例积分微分控制器，根据所述第三比较结果生成修正基波分量相位；?坐标旋转数字计算合成器，基于所述基波分量频率和所述采样频率将所述修正直流分量幅值、所述修正基波分量幅值和所述修正基波分量相位?合成为合成参考电流信号；?第四比较器，将所述合成参考电流信号与所述感测电流信号采样进行比较，获得第四比较结果；以及?第四数字比例积分微分控制器，根据所述第四比较结果生成所述控制电流信号。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龙锋利，张旌，齐欣，刘云涛，陈斌，陈锦晖，郝祖岳，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：