电磁铁电源及其控制方法和数字控制器

摘要

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。

说明书

技术领域

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。

背景技术

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10Hz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10Hz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10Hz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10Hz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。

发明内容

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，100KHz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，100KHz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，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。

根据本申请的技术方案，在数字化动态电磁铁励磁电源的内部，不仅实现电流闭环的数字化控制，而且通过对电磁铁电源参考波形的处理，即可实现动态电磁铁电源输出电流的精确控制。而且不需要更改电磁铁电源主体的硬件结构，也不需要为动态电磁铁电源设计独立的需要温度精确控制的带快速给定接口的远程控制系统，从而大大降低了动态电磁铁电源远程控制系统的成本，简化了动态电磁铁电源控制的体系结构。

附图说明

下面将参照所附附图来描述本申请的实施例，其中：

图1示例性示出了本申请的电流精密控制的数字化动态电磁铁电源的组成的方块图；

图2示例性示出了图1中所示的本申请的电流精密控制的数字化动态电磁铁电源中的数字控制器10的组成的原理图；以及

图3示例性示出了本申请的用于电流精密控制数字化动态电磁铁电源的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合图1至图3详细描述本申请。需要注意的是，在以下描述的本申请的附图中，具有相同附图标记的元件或模块在系统中具有相同的功能；作为连接导线或信号路径的线段之间如果存在交叉点，那么交叉点上带有黑点“·”则表示该交叉点是连接点或信号分支点，交叉点上不带有黑点“·”则表示该交叉点不是连接点或信号分支点而仅仅是相互穿越；线圈所示为磁铁负载示意图，不代表磁铁负载的任何参数。

图1示例性示出了本申请的电流精密控制的数字化动态电磁铁电源的组成的方块图。如图1中所示，本申请的电流精密控制的数字化动态电磁铁电源1以下简称电磁铁电源1，包括：数字控制器10，基于预先设定的参考电流信号i和相应于电磁铁电源1的输出电流I_L的感测电流信号i_L，来生成控制电流信号i_C；调制器20，基于控制电流信号i_C来生成功率器件控制信号S；功率器件30，根据功率器件控制信号S从主供电源汲取电能以向电磁铁负载L提供输出电流I_L；以及电流传感器50，设置在电磁铁电源1的输出端O处，以生成相应于电磁铁电源1的输出电流I_L的感测电流信号i_L。如图1中所示，电磁铁电源1的输出电流I_L从电磁铁电源1的输出端O处被电磁铁负载L汲取后流入地G。采用本申请的数字闭环控制的动态电磁铁电源，能够实现动态电源输出电流的精确控制。

作为本申请的另一实施例，本申请的电磁铁电源1还可以包括显示设备，显示数字控制器10所处理的各种参数。

作为本申请的另一实施例，本申请的电磁铁电源1还可以包括滤波电路40，设置在功率器件30的输出处，即功率器件30与电流传感器50之间，用于滤除高频信号，以降低高频信号对电流传感器50的影响。

作为本申请的另一实施例，本申请的电磁铁电源1中的调制器20和数字控制器10整合在一起，通过数字信号处理的方法，在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。

另外，本申请的调制器20例如可以是公知的各种用于驱动功率元件的驱动器，本申请的功率器件30例如是公知的各种用于控制电流的功率元件，本申请的滤波电路40例如是公知的各种用于滤除高频信号的滤波电路，本申请的电流传感器50例如是公知的各种用于感测电流的精密电流传感器，因此不再对它们进行更详细的描述。

本申请采用数字信号处理的方法，来实现如加速器数字化动态励磁电源之类的电磁铁电源的输出电流I_L的精密控制。期望的理想情况下的输出电流I_L=I_DC-I_AC×cosω₀t，其中ω₀=2πf₀，f₀为电磁铁电源的动态工作频率，I_DC、I_AC分别为电磁铁电源的输出电流I_L的直流分量和交流分量幅值。本申请的电磁铁电源和方法适用于要求跟踪特性好，如电压纹波、电流稳定度等输出参量技术指标高的大功率惯性负载的动态激励源。

本申请通过加入特殊设计的数字闭环控制器即下面将要在图2中详细描述的数字控制器10，在动态电磁铁电源内部即可实现对其输出电流的精确控制，例如跟踪精度优于千分之一。

图2示例性示出了图1中所示的本申请的电流精密控制的数字化动态电磁铁电源中的数字控制器10的组成的原理图。如图2中所示，本申请的电流精密控制的数字化动态电磁铁电源中的数字控制器10以下简称数字控制器10，包括：ADC140，基于预先设定的采样频率f_S对相应于电磁铁电源1的输出电流I_L的感测电流信号i_L进行采样，获得相应的感测电流信号采样i_L’；离散傅立叶（DFT）分析器120，基于预先设定的基波分量频率f₀和所述预先设定的采样频率f_S对感测电流信号采样i_L’进行离散傅立叶分析，获得相应的反馈直流分量幅值i_D’、反馈基波分量幅值i_A’和反馈基波分量相位P’；比较器101，将预先设定的参考电流信号i的直流分量幅值i_D与相应的反馈直流分量幅值i_D’进行比较，获得相应的比较结果Δi_D；比较器102，将预先设定的参考电流信号i的基波分量幅值i_A与相应的反馈基波分量幅值i_A’进行比较，获得相应的比较结果Δi_A；比较器103，将预先设定的参考电流信号i的基波分量相位P与相应的反馈基波分量相位P’进行比较，获得相应的比较结果ΔP；数字PID控制器111，根据比较结果Δi_D生成相应的修正直流分量幅值i_D”；数字PID控制器112，根据比较结果Δi_A生成相应的修正基波分量幅值i_A”；数字PID控制器113，根据比较结果ΔP生成相应的修正基波分量相位P”；坐标旋转数字计算（CORDIC）合成器130，基于所述预先设定的基波分量频率f₀和所述预先设定的采样频率f_S将修正直流分量幅值i_D”、修正基波分量幅值i_A”和修正基波分量相位P”合成为新的合成参考电流信号i’；比较器104，将合成参考电流信号i’与感测电流信号采样i_L’进行比较，获得比较结果Δi’；数字PID控制器114，根据比较结果Δi’生成用于控制电磁铁电源1的输出电流I_L的控制电流信号i_C。其中，基波分量频率f₀是预先设定的参考电流信号i的基波分量的频率，也即期望的理想情况下的电磁铁电源的输出电流I_L的动态工作频率。另外，ADC140的采样频率f_S的时钟与CORDIC合成器130为输出新参考波形即合成参考电流信号i’所基于的采样频率f_S，、以及离散傅立叶（DFT）分析器120所基于的采样频率f_S的时钟应当为同源同频率的时钟。

例如，本申请的ADC140是通过16bit，100KHz及以上的高分辨率高速的ADC，来对相应于电磁铁电源1的输出电流I_L的感测电流信号i_L进行采样。通过对ADC140采样得到的电流反馈值即感测电流信号采样i_L’进行DFT分析，得到相应的反馈直流分量幅值i_D’、反馈基波分量幅值i_A’和反馈基波分量相位P’。精确控制ADC140的每个采样周期即采样频率信号、以及基波频率f₀，有助于确保DFT分析的反馈直流分量幅值i_D’、反馈基波分量幅值i_A’和反馈基波分量相位P’的准确，从而确保实现动态电源输出电流I_L的精确控制。

如图1和图2中所示，本申请通过采用3个数字PID控制器111至数字PID控制器113，分别实现了对电磁铁电源1的输出电流I_L的直流幅值、基波幅值及基波相位的精确闭环控制。预先设定的参考电流信号i的直流幅值i_D、基波幅值i_A及基波相位P的设定值对应于电磁铁的理想励磁曲线，即理想的带直流偏置的正弦励磁电流设定值。电磁铁电源1的输出电流I_L的直流幅值、基波幅值及基波相位分别对应于DFT分析器120输出的反馈直流分量幅值i_D’、反馈基波分量幅值i_A’和反馈基波分量相位P’。然后通过3个数字PID控制器111至数字PID控制器113分别产生修正后的修正直流分量幅值i_D”、修正基波分量幅值i_A”和修正基波分量相位P”。然后通过CORDIC合成器130的坐标旋转数字计算方法合成出新的电流参考曲线即参考电流信号i’。然后比较器104将参考电流信号i’与ADC140采样得到的感测电流信号采样i_L’直接进行比较。比较器104的输出通过另一个电流闭环控制的数字PID控制器114进行变换，数字PID控制器的输出即控制电流信号i_C被电磁铁电源1中的调制器20变换成作用在电源功率器件30上的功率器件控制信号S。电磁铁电源1中的功率器件30根据功率器件控制信号S调整自身的开关或导通情况来控制电磁铁电源1的输出电流I_L，从而实现了对电磁铁电源1的输出电流I_L的精确控制。

作为本申请的另一个实施例，本申请的3个数字PID控制器111至数字PID控制器113的工作采样频率可以为基波分量频率f₀。

作为本申请的另一个实施例，本申请的DFT分析器120在进行数字信号处理时，为了确保DFT输出的精确，可以采用双精度浮点数的处理方式。

作为本申请的另一个实施例，本申请的数字PID控制器可以采用单精度浮点数的处理方式。

与结合图1和图2所描述的本申请的电流精密控制的数字化动态电磁铁电源相对应，图3示例性示出了本申请的用于电流精密控制数字化动态电磁铁电源的方法的流程图。

如图3中所示，本申请的用于电流精密控制数字化动态电磁铁电源的方法包括如下步骤：

步骤S200，电磁铁电源1的输出端O处设置的电流传感器50获得与电磁铁电源1的输出电流I_L相对应的感测电流信号i_L。

步骤S210，数字控制器10中的ADC140基于预先设定的采样频率f_S对感测电流信号i_L进行采样，获得相应的感测电流信号采样i_L’。

步骤S220，数字控制器10中的DFT分析器120，基于预先设定的基波分量频率f₀和所述预先设定的采样频率f_S对感测电流信号采样i_L’进行DFT分析，获得相应的反馈直流分量幅值i_D’、反馈基波分量幅值i_A’和反馈基波分量相位P’。

步骤S230，数字控制器10中的比较器101、比较器102和比较器103分别将参考电流信号i的直流分量幅值i_D、基波分量幅值i_A和基波分量相位P与相应的反馈直流分量幅值i_D’、反馈基波分量幅值i_A’和反馈基波分量相位P’进行比较，获得相应的比较结果Δi_D、Δi_A和ΔP。

步骤S240，数字控制器10中的数字PID控制器111、数字PID控制器112和数字PID控制器113分别根据比较结果Δi_D、Δi_A和ΔP生成相应的修正直流分量幅值i_D”、修正基波分量幅值i_A”和修正基波分量相位P”。

步骤S250，数字控制器10中的CORDIC合成器130基于所述预先设定的基波分量频率f₀和所述预先设定的采样频率f_S将修正直流分量幅值i_D”、修正基波分量幅值i_A”和修正基波分量相位P”合成为新的合成参考电流信号i’。

步骤S260，数字控制器10中的比较器104将合成参考电流信号i’与感测电流信号采样i_L’进行比较，获得比较结果Δi’。

步骤S270，数字控制器10中的数字PID控制器114根据比较结果Δi’生成控制电流信号i_C。

步骤S280，电磁铁电源1中的调制器20根据控制电流信号i_C生成功率器件控制信号S。

步骤S290，电磁铁电源1中的功率器件30根据功率器件控制信号S控制电磁铁电源1的输出电流I_L。

在步骤S290完成之后，返回到步骤S200。

其中，在步骤S240和步骤S270中，数字控制器10中的数字PID控制器111、数字PID控制器112和数字PID控制器113分别根据比较结果Δi_D、Δi_A和ΔP生成相应的修正直流分量幅值i_D”、修正基波分量幅值i_A”和修正基波分量相位P”，以及数字控制器10中的数字PID控制器114根据比较结果Δi’生成控制电流信号i_C等处理均可采用单精度浮点数的处理方式。在步骤S220中，离散傅立叶分析可采用双精度浮点数的处理方式。

作为本申请的另一个实施例，为了在有限的FPGA资源内实现复杂的数字算法，可以将整个本申请的用于电流精密控制数字化动态电磁铁电源的方法分成多个分块，例如将上述步骤S200至步骤S290划分成多个分块，采用流水线处理以提高运算速度。

作为本申请的另一个实施例，此外，在所划分的同一分块内，相同的模块分时复用，可以节约FPGA的逻辑资源。

通过结合图1至图3对本申请的电流精密控制的数字化动态电磁铁电源及其方法的描述，可以看到，根据本申请的技术方案，在数字化动态电磁铁励磁电源的内部，不仅实现电流闭环的数字化控制，而且通过对电磁铁电源参考波形的处理，即可实现动态电磁铁电源输出电流的精确控制。而且不需要更改电磁铁电源主体的硬件结构，也不需要为动态电磁铁电源设计独立的需要温度精确控制的带快速给定接口的远程控制系统，从而大大降低了动态电磁铁电源远程控制系统的成本，简化了动态电磁铁电源控制的体系结构。

虽然已参照典型实施例描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等同范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。