一种纳秒级高压脉冲电源dsp嵌入式控制器的制造方法
一种纳秒级高压脉冲电源dsp嵌入式控制器的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及DSP控制器，具体涉及一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器。
【背景技术】
[0002]脉冲电源是指输出形式为脉冲功率的一种电源。脉冲电源的应用已十分广泛。在军事上，其应用领域包括电磁发射与电磁炮、雷达、卫星推进、受控激光核聚变，等;在工业上，其应用领域包括激光切割、VOC治理、废水治理、静电除尘、臭氧生成、食品保鲜，等;在医学上，其应用领域包括X射线治疗、心脏起搏器和去颤器、结石粉碎等。
[0003]纳秒级脉冲电源最近出现的一种新型脉冲电源，其显著特点是输出脉冲的上升沿陡、脉冲宽度窄。根据脉冲功率技术的基本原理:能量(E)等于功率(P)乘以功率作用时间(t)，S卩:E=Pt;由此可知:当能量一定时，缩短脉冲时间就可以增大功率。所以，纳秒级脉冲电源相对于普通脉冲电源具有更高的瞬时功率，从而在实际应用中更加节能，也具有更好的实际应用效果。
[0004]然而，从控制角度而言，脉冲宽度越窄，脉冲电源的控制难度越高，这主要体现在:脉冲宽度越窄，其对控制精度的要求越高，进而对各部分的抗干扰要求也越高;脉冲宽度越窄，相同能量下其瞬时电流越大，瞬时电流越大其取样信号的失真性越大;脉冲宽度越窄，对故障报警的反应速度要求越高，而且由于干扰较强，误报警的可能性也随之增加。为了解决上述问题，本发明提出了一种新型的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器。
【发明内容】
[0005]本发明主要针对现有控制器的控制精度低且存在误报警的问题，发明了一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，解决纳秒级高压脉冲电源的控制、监测、信息反馈、故障处理等问题，增加可靠性;通过对数字量的采集、计算、反馈、调节等步骤进行精确控制，高精度采样信号、高可靠性的反馈回路与快速反应的软件系统一起，提高了故障报警系统的反应速度和可靠性，降低了误报警的可能性。
[0006]本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的:一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，与纳秒级高压脉冲电源相连从而完成信号传输和功能控制，由硬件和软件构成，硬件包括控制单元、光电隔离模块、外围模块、电源模块，其特征在于，所述控制单元包括核心控制单元、时钟模块、随机存储器、参数日历模块、EEPROM模块、编程口 JTAG，其中外围模块整个硬件系统采用模块化设计，系统简洁，可靠性高。
[0007]所述外围模块，包括三相同步信号检测模块，用于处理三相交流电压信号并产生三相同步信号;三相晶闸管触发模块，用于驱动三相调压电路中的晶闸管从而完成输入调压；IGBT驱动模块，用于驱动脉冲发生电路完成脉冲发生过程;若干路模拟量采集电路;若干路数字量输入电路;若干路数字量输出电路;若干路通讯接口电路。
[0008]上述通讯接口电路与通讯接口硬件中断(属于软件系统)实现控制器的通讯功能，通讯口支持MODBUS通讯协议，实现远距离与上位机通讯连接。
[0009]上述核心控制单元F28335，其时钟频率可达150MHz，具有高速处理能力，使系统实时采集处理数据的能力大大提高。
[0010]上述光电隔离模块，将核心控制单元与外围模块(电路)完全隔离，完全杜绝了外围接口对DSP核心控制单元的干扰，系统抗干扰能力获得极大提高。
[0011]上述三相同步信号检测模块、三相晶闸管触发模块与同步信号硬件中断(属于软件系统)完成对三相晶闸管(纳秒级高压脉冲电源的三相调压电路中的构件)调压控制，同步信号提供三相晶闸管基准时间和时序，三相晶闸管触发电路完成对控制器触发脉冲信号的隔离、转换、输出控制。
[00?2]作为优选，所述模拟量米集电路，包括模拟量光电隔离放大器、三相交流输入电压采集电路、三相交流输入电流采集电路、变压器油温监测电路、IGBT温度检测电路、脉冲功率发生器直流母线电压采集电路、4-20mA模拟量采集电路、输出脉冲峰值电压\电流检测电路。
[0013]上述模拟量采集电路与软件系统的模拟量采集硬件中断配合完成外部模拟量信号的采集，系统根据实时采集的三相交流输入电压、三相交流输入电流、脉冲母线电压、输出脉冲电压峰值、输出脉冲电流峰值、IGBT温度、变压器油温，调节三相晶闸管的导通角以调整输入三相电压，从而完成对脉冲母线电压、输出脉冲峰值电压、输出脉冲峰值电流的调节，实现控制器的闭环控制。电压取样采用RC均压技术，电流取样采用高速霍尔传感器技术，取样信号传输过程全部屏蔽处理，有效提高了采样信号精度。
[0014]作为优选，所述数字量输入电路，包括主回路合闸数字量输入模块、隔离开关合闸数字量输入模块、重瓦斯数字量输入模块、轻瓦斯/低油位数字量输入模块、远程启停数字量输入模块。
[0015]作为优选，所述数字量输出电路，包括设备启停输出模块、报警信号输出模块、故障信号输出模块、运行状态模块。
[0016]作为优选，纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器上还设置有数字量输入输出接口、模拟量采集端口、同步信号输入端口、三相触发信号输出端口、温度采集接口、光纤端口；其中，数字量输入输出接口。
[0017]作为优选，所述IGBT驱动电路包括两级光电隔离电路;采用光纤传输至脉冲功率发生器的IGBT模块(脉冲发生器主要器件是IGBT模块)，降低电磁干扰，保证IGBT驱动信号精度;所述IGBT驱动电路与IGBT触发硬件中断(属于软件)完成对PWM信号的脉宽和频率控制，IGBT驱动电路完成控制PWM触发信号的隔离、转换、输出控制。IGBT驱动信号采用高速光电隔离模块隔离，光纤传输，并与高速核心控制单元F28335配合，有效提高了控制器的控制精度。
[0018]作为优选，所述电源模块，包括DSP控制核心电源、外部接口电路电源，电源模块采用多级隔离电路;为嵌入式控制器的各个功能模块提供独立工作电源，确保系统稳定性，提高系统抗干扰能力。
[0019]所述纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其软件系统，包括DSP/B10S操作系统、初始化、异常管理、软件中断管理、参数日历软件中断、数字量I/o软件中断、模拟量采集硬件中断和通讯接口硬件中断。通讯接口硬件中断有COMl通讯中断和COM2通讯中断，从而对通讯接口电路进行管理;COMl通讯中断和COM2通讯中断实现C0M1、C0M2的MODBUS协议通讯，上位机从机功能。模拟量采集中断完成三相输入电压、三相输入电流、变压器油温、IGBT温度、直流母线电压、输出脉冲的峰值电压和峰值电流的采集、计算。系统软件中断，主要由系统周期函数产生一个定时的软件中断；参数日历软件中断主要读取实时时钟信号，刷新控制器日期时间，同时在有参数修改完成时，将运行参数写入EEPROM模块保存；数字量I/O软件中断主要完成数字量输入开关电路的状态扫描、数字量输出开关电路的控制输出；初始化完成程序的控制参数的初始化与DSP/B10S操作系统特殊功能的配置;异常管理:当软件异常时，产生看门狗复位信号，使软件重新开始运行。
[0020]上述软件部分采用模块化设计，有效提高了系统反应速度;故障反馈回路，采用高速光电隔离模块，提高了信号抗干扰能力。
[0021]综上所述，本发明与现有技术相比具有如下优点:
本发明提供的DSP嵌入式控制器为纳秒级高压脉冲电源解决控制、监测、信息反馈、故障处理等问题，提高可靠性;本发明通过对输出电压、输出电流等模拟量的采集，转换成4-20mA模拟量输入模拟量采集电路(模块)，经过计算输 出PffM信号，从而控制三相预升压电路晶闸管触发脉冲输出，调节晶闸管导通角，从而改变三相预升压电路输出的母线电压大小;本发明通过对脉冲功率发生器直流母线电压等模拟量及其他数字量的采集、计算，调节给IGBT模块的脉宽调制(P丽)波形的脉宽、频率来控制输出脉冲的脉宽和频率;本发明通过通讯接口电路(模块)完成脉冲功率电源与上位机的通讯;本发明通过异常处理模块和模拟量采集电路(模块)监控电源进行异常和故障处理，具备短路保护、开路保护、过压过流保护，实时调整输入电压以保证输出稳定等功能，同时还具备调频、调幅、调宽功能，具有除尘效率高、能耗性能好、安全可靠性高等特点；本发明软件部分采用模块化设计，有效提高了系统反应速度;本发明故障反馈回路采用高速光电隔离电路(模块)，提高了信号抗干扰能力；高精度采样信号、高可靠性的反馈回路与快速反应的软件系统一起，提高了故障报警系统的反应速度和可靠性，降低了误报警的可能性。
【附图说明】
[0022]图1是本发明功能接口不意图；
图2是本发明硬件框图以及与纳秒级高压脉冲电源之间的控制信号连接示意图；
图3是本发明反馈信号框图；
图4是本发明控制流程框图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0024]实施例1:
如图1、2所示，一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，与纳秒级高压脉冲电源相连从而完成信号传输和功能控制，由硬件和软件构成，硬件包括控制单元、光电隔离模块、外围模块、电源模块。
[0025]所述控制单元，包括核心控制单元、时钟模块、随机存储器、参数日历模块、EEPROM模块、编程口 JTAG。
[0026]所述外围模块包括三相同步信号检测模块，用于处理三相交流电压信号并产生三相同步信号;三相晶闸管触发模块，用于驱动三相调压电路中的晶闸管从而完成输入调压；IGBT驱动模块，用于驱动脉冲发生电路完成脉冲发生过程；12路模拟量采集电路;8路数字量输入电路;12路数字量输出电路;2路通讯接口电路。
[0027]所述模拟量采集电路，包括模拟量光电隔离放大器、三相交流输入电压采集电路、三相交流输入电流采集电路、变压器油温监测电路、IGBT温度检测电路、脉冲功率发生器直流母线电压采集电路、4-20mA模拟量采集电路、输出脉冲峰值电压\电流检测电路。
[0028]所述数字量输入电路，包括主回路合闸数字量输入模块、隔离开关合闸数字量输入模块、重瓦斯数字量输入模块、轻瓦斯/低油位数字量输入模块、远程启停数字量输入模块。
[0029]所述数字量输出电路，包括设备启停输出模块、报警信号输出模块、故障信号输出模块、运行状态模块。
[0030]纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器上还设置有数字量输入输出接口、模拟量采集端口、同步信号输入端口、三相触发信号输出端口、温度采集接口、光纤端口。
[0031]所述IGBT驱动电路包括两级光电隔离电路。
[0032]所述电源模块包括DSP控制核心电源、外部接口电路电源，电源模块采用多级隔离电路。
[0033]所述纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其软件系统，包括DSP/B10S操作系统、初始化、异常管理、软件中断管理、参数日历软件中断、数字量I/o软件中断、模拟量采集硬件中断和通讯接口硬件中断。通讯接口硬件中断有COMl通讯中断和COM2通讯中断，从而对通讯接口电路进行管理;COMl通讯中断和COM2通讯中断实现C0M1、C0M2的MODBUS协议通讯，上位机从机功能。模拟量采集中断完成三相输入电压、三相输入电流、变压器油温、IGBT温度、直流母线电压、输出脉冲的峰值电压和峰值电流的采集、计算。系统软件中断，主要由系统周期函数产生一个定时的软件中断；参数日历软件中断主要读取实时时钟信号，刷新控制器日期时间，同时在有参数修改完成时，将运行参数写入EEPROM模块保存；数字量I/O软件中断主要完成数字量输入开关电路的状态扫描、数字量输出开关电路的控制输出；初始化完成程序的控制参数的初始化与DSP/B10S操作系统特殊功能的配置;异常管理:当软件异常时，产生看门狗复位信号，使软件重新开始运行。
[0034]图2所示为纳秒级脉冲电源主要结构及各部分与DSP嵌入式控制器之间的控制信号连接方式。
[0035]纳秒级脉冲电源中的配电系统，其作用是为纳秒级脉冲电源提供三相交流电源，主回路电源的闭合/断开由交流接触器控制，DSP嵌入式控制器的数字量输出端口控制交流接触器的闭合/断开，交流接触器的状态反馈信号由数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器。主回路电源闭合之后，三相交流电压信号经三相同步信号检测电路(模块)处理，产生三相同步信号，由屏蔽网线经同步信号输入端口传入到DSP嵌入式控制器，DSP嵌入式控制器以同步信号为时间基准，发送晶闸管触发脉冲信号，经三相触发信号输出端口传出，由屏蔽网线传送至三相晶闸管触发电路(模块)，则三相晶闸管触发模块驱动纳秒级脉冲电源中三相调压电路的三只晶闸管，完成输入调压。输入电压、输入电流通过输入电压/电流检测电路(模块)产生输入电压采样信号、输入电流采样信号，由模拟量采集端口传入到DSP嵌入式控制器。
[0036]由三相调压电路产生的可调三相交流电送入纳秒级脉冲电源中的三相整流变压器，经三相整流变压器升压整流之后产生直流母线电压;三相整流变压器的温度由油温监测电路(模块)获取后经温度采集端口传入到DSP嵌入式控制器，DSP嵌入式控制器对温度信号经行分析判断之后，决定是否开启散热风机，散热风机的开启由数字量输出端口送出，散热风机的状态反馈信号由数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器。三相整流变压器油位信号由浮位开关产生数字量信号，经数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器。
[0037]直流母线电压送入纳秒级脉冲电源中的脉冲发生电路，产生低压脉冲;脉冲发生电路主要器件是IGBT模块，DSP嵌入式控制器通过光纤端口发出IGBT驱动信号，由光纤传输至IGBT驱动模块(IGBT驱动板)，由IGBT驱动模块(IGBT驱动板)驱动IGBT模块完成脉冲发生过程。IGBT温度由温度监测电路(模块)传送至温度采集端口，DSP嵌入式控制器对温度信号经行分析判断之后，决定是否开启散热风机，散热风机的开启由数字量端口送出，散热风机的状态反馈信号由数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器。母线电压监测电路(模块)将母线电压值转化为模拟量信号，传送到模拟量采集端口，DSP嵌入式控制器将母线电压采样值分析处理之后，调整三相触发信号，从而调整母线电压值。
[0038]纳秒级脉冲电源中的脉冲升压及压缩电路将低压脉冲升压为高压脉冲，并压缩为纳秒级高压脉冲；脉冲升压及压缩电路包括脉冲变压器及磁压缩模块，油温监测电路(模块)将监测到的变压器油温转化为模拟量信号由温度采集端口传入到DSP嵌入式控制器，DSP嵌入式控制器对温度采样值分析处理之后决定是否开启散热风机，散热风机的开启由数字量输出端口送出，散热风机的状态反馈信号由数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器;变压器油位信号由浮位开关产生数字量信号，经数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器。
[0039]纳秒级高压脉冲经取样电路输出到负载，取样电路由RC分压式电压取样电路和霍尔互感器电流取样电路组成，采集到的脉冲电压信号、脉冲电流信号经模拟量信号调理电路(模块)转化为模拟量信号，由模拟量采集端口输入到DSP嵌入式控制器，DSP嵌入式控制器对采样值分析处理后，调整三 相晶闸管触发脉冲信号及IGBT驱动信号，进而调整输出的脉冲电压、脉冲电流大小。
[0040]本发明硬件部分实现的主要功能:1、控制三相晶闸管驱动模块输出晶闸管调幅脉冲信号；2、控制IGBT驱动模块输出脉冲功率发生器IGBT触发脉冲信号；3、八路光电隔离带LED指示开关数字量状态输入点;4、十二路光电隔离带LED指示加继电器隔离无源触点开关数字量输出点；5、两路带LED通讯指示光电隔离R485通讯接口；6、光电隔离脉冲功率电源三相交流输入电压模拟量测量;7、光电隔离脉冲功率电源三相交流输入电流模拟量测量；8、光电隔离变压器输出直流模拟量测量;9、光电隔离脉冲功率发生器直流母线电压模拟量；10、光电隔离脉冲功率电源输出脉冲峰值模拟量;11、光电隔离变压器油温模拟量测量;12、光电隔离IGBT温度模拟量测量;13、光电隔离4-20mA模拟量测量。
[0041]本发明软件系统主要完成功能:1、对三相晶闸管驱动模块的脉冲输出管理程序，可根据反馈信号快速调节脉冲电源输出脉冲的电压峰值大小；2、对脉冲发生电路IGBT驱动模块的脉冲输出管理程序，可根据反馈信号快速调节纳秒级高压脉冲电源输出的脉冲幅值、脉宽和频率，使纳秒级脉冲电源处于最佳工作点；3、基于R485 MODBUS通讯协议的从站功能，方便于用户上位机系统的连接;4、完善故障保护处理程序;5、具有设定参数断电保存记忆功能。
[0042]如图3所示，本发明纳秒级脉冲电源DSP嵌入式控制器控制反馈信号框图，纳秒级脉冲电源DSP嵌入式控制器发出输入电压调节信号至电源输入单元，电源输入单元将输入电压反馈信号、输入电流反馈信号、输入欠压报警信号、输入过压报警信号、输入过流报警信号反馈到DSP嵌入式控制器;输入电压调节信号用以调节输入电压电流，从而影响输入电压、电流等反馈信号，输入电压、电流等反馈信号经DSP嵌入式控制器处理后，用以调整DSP嵌入式控制器发出的输入电压调节信号，完成闭环控制。纳秒级脉冲电源DSP嵌入式控制器输出IGBT脉宽控制信号、IGBT频率控制信号至纳秒脉冲产生单元，负载反馈系统将峰值电压反馈信号、峰值电流反馈信号反馈回DSP嵌入式控制器;IGBT控制信号用以调整纳秒级脉冲电源输出脉冲的幅值和频率，从而影响负载反馈系统的峰值电压、峰值电流反馈信号；反馈信号经过DSP嵌入式控制器处理，从而调整DSP嵌入式控制器发出的IGBT控制信号，完成闭环控制。纳秒级脉冲电源DSP嵌入式控制器输出风机控制信号到散热系统，散热系统反馈温度信号到DSP嵌入式控制器;风机控制信号用以控制散热风机启停，从而影响纳秒级脉冲电源温度;散热系统反馈温度信号经DSP嵌入式控制器处理，从而调整输出风机控制信号，完成闭环控制。
[0043]如图4所示，本发明纳秒级脉冲电源DSP嵌入式控制器的简要控制流程框图，包括多个闭环控制过程。
[0044]具体为，闭环控制I，母线电压控制，其过程为:检测母线电压是超过到设定值，如超过则降低导通角，进入下一轮检测;如不超过则进一步检测导通角是否达到设定值，如达到则保持目前状态，进入下一轮检测，如未达到设定值，则增加导通角，进入下一轮检测。
[0045]闭环控制2，输出电压电流控制，其过程为:检测输出电压电流是超过到设定值，如超过则降低导通角，进入下一轮检测;如不超过则进一步检测导通角是否达到设定值，如达到则保持目前状态，进入下一轮检测，如未达到设定值，则增加导通角，进入下一轮检测。
[0046]闭环控制3，输出功率控制，其过程为:检测输出功率是否超过设定值，如超过则降低频率，进入下一轮检测;如不超过则进一步检测频率是否达到设定值，如达到则保持目前状态，进入下一轮检测，如未达到设定值，则增加频率，进入下一轮检测。
[0047]闭环控制4，温度控制，其过程为:检测设备温度是否达到报警值，如未达到则全频率运行，进入下一轮检测；如达到报警值则降频运行，并进一步检测温度是否达到临界值，如达到临界值，则停止运行并显示故障报警，如未达到临界值，则进入下一轮检测。
[0048]文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1.一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，与纳秒级高压脉冲电源相连从而完成信号传输和功能控制，由硬件和软件构成，硬件包括控制单元、光电隔离模块、外围模块、电源模块，其特征在于: 所述控制单元，包括核心控制单元、时钟模块、随机存储器、参数日历模块、EEPROM模块、编程口 JTAG; 所述外围模块，包括: 三相同步信号检测模块，用于处理三相交流电压信号并产生三相同步信号； 三相晶闸管触发模块，用于驱动三相调压电路中的晶闸管从而完成输入调压； IGBT驱动模块，用于驱动脉冲发生电路完成脉冲发生过程； 若干路模拟量采集电路； 若干路数字量输入电路； 若干路数字量输出电路； 若干路通讯接口电路。2.根据权利要求1所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，所述模拟量采集电路，包括模拟量光电隔离放大器、三相交流输入电压采集电路、三相交流输入电流采集电路、变压器油温监测电路、IGBT温度检测电路、脉冲功率发生器直流母线电压采集电路、4-20mA模拟量采集电路、输出脉冲峰值电压\电流检测电路。3.根据权利要求1或2所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，所述数字量输入电路，包括主回路合闸数字量输入模块、隔离开关合闸数字量输入模块、重瓦斯数字量输入模块、轻瓦斯/低油位数字量输入模块、远程启停数字量输入模块。4.根据权利要求1或2所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，所述数字量输出电路，包括设备启停输出模块、报警信号输出模块、故障信号输出模块、运行状态模块。5.根据权利要求2所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器上还设置有数字量输入输出接口、模拟量采集端口、同步信号输入端口、三相触发信号输出端口、温度采集接口、光纤端口。6.根据权利要求1或2所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，所述IGBT驱动电路包括两级光电隔离电路。7.根据权利要求1或2所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，所述电源模块，包括DSP控制核心电源、外部接口电路电源，电源模块采用多级隔离电路。
【专利摘要】本发明涉及一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，硬件包括核心控制单元、时钟模块、随机存储器、参数日历模块、EEPROM模块、编程口JTAG、三相同步信号检测模块、三相晶闸管触发模块、IGBT驱动模块、若干路模拟量采集电路、若干路数字量输入电路、若干路数字量输出电路、若干路通讯接口电路。本发明解决纳秒级高压脉冲电源的控制、监测、信息反馈、故障处理等问题，增加控制系统可靠性；通过对数字量的采集、计算、反馈、调节等步骤进行精确控制，高精度采样信号、高可靠性的反馈回路与快速反应的软件系统一起，提高了故障报警系统的反应速度和可靠性，降低了误报警的可能性。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN105487455
【申请号】CN201610034839
【发明人】施小东, 施秦峰, 祝建军, 袁旭光
【申请人】浙江大维高新技术股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月20日
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及DSP控制器，具体涉及一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器。
【背景技术】
[0002]脉冲电源是指输出形式为脉冲功率的一种电源。脉冲电源的应用已十分广泛。在军事上，其应用领域包括电磁发射与电磁炮、雷达、卫星推进、受控激光核聚变，等;在工业上，其应用领域包括激光切割、VOC治理、废水治理、静电除尘、臭氧生成、食品保鲜，等;在医学上，其应用领域包括X射线治疗、心脏起搏器和去颤器、结石粉碎等。
[0003]纳秒级脉冲电源最近出现的一种新型脉冲电源，其显著特点是输出脉冲的上升沿陡、脉冲宽度窄。根据脉冲功率技术的基本原理:能量(E)等于功率(P)乘以功率作用时间(t)，S卩:E=Pt;由此可知:当能量一定时，缩短脉冲时间就可以增大功率。所以，纳秒级脉冲电源相对于普通脉冲电源具有更高的瞬时功率，从而在实际应用中更加节能，也具有更好的实际应用效果。
[0004]然而，从控制角度而言，脉冲宽度越窄，脉冲电源的控制难度越高，这主要体现在:脉冲宽度越窄，其对控制精度的要求越高，进而对各部分的抗干扰要求也越高;脉冲宽度越窄，相同能量下其瞬时电流越大，瞬时电流越大其取样信号的失真性越大;脉冲宽度越窄，对故障报警的反应速度要求越高，而且由于干扰较强，误报警的可能性也随之增加。为了解决上述问题，本发明提出了一种新型的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器。
【发明内容】
[0005]本发明主要针对现有控制器的控制精度低且存在误报警的问题，发明了一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，解决纳秒级高压脉冲电源的控制、监测、信息反馈、故障处理等问题，增加可靠性;通过对数字量的采集、计算、反馈、调节等步骤进行精确控制，高精度采样信号、高可靠性的反馈回路与快速反应的软件系统一起，提高了故障报警系统的反应速度和可靠性，降低了误报警的可能性。
[0006]本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的:一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，与纳秒级高压脉冲电源相连从而完成信号传输和功能控制，由硬件和软件构成，硬件包括控制单元、光电隔离模块、外围模块、电源模块，其特征在于，所述控制单元包括核心控制单元、时钟模块、随机存储器、参数日历模块、EEPROM模块、编程口 JTAG，其中外围模块整个硬件系统采用模块化设计，系统简洁，可靠性高。
[0007]所述外围模块，包括三相同步信号检测模块，用于处理三相交流电压信号并产生三相同步信号;三相晶闸管触发模块，用于驱动三相调压电路中的晶闸管从而完成输入调压；IGBT驱动模块，用于驱动脉冲发生电路完成脉冲发生过程;若干路模拟量采集电路;若干路数字量输入电路;若干路数字量输出电路;若干路通讯接口电路。
[0008]上述通讯接口电路与通讯接口硬件中断(属于软件系统)实现控制器的通讯功能，通讯口支持MODBUS通讯协议，实现远距离与上位机通讯连接。
[0009]上述核心控制单元F28335，其时钟频率可达150MHz，具有高速处理能力，使系统实时采集处理数据的能力大大提高。
[0010]上述光电隔离模块，将核心控制单元与外围模块(电路)完全隔离，完全杜绝了外围接口对DSP核心控制单元的干扰，系统抗干扰能力获得极大提高。
[0011]上述三相同步信号检测模块、三相晶闸管触发模块与同步信号硬件中断(属于软件系统)完成对三相晶闸管(纳秒级高压脉冲电源的三相调压电路中的构件)调压控制，同步信号提供三相晶闸管基准时间和时序，三相晶闸管触发电路完成对控制器触发脉冲信号的隔离、转换、输出控制。
[00?2]作为优选，所述模拟量米集电路，包括模拟量光电隔离放大器、三相交流输入电压采集电路、三相交流输入电流采集电路、变压器油温监测电路、IGBT温度检测电路、脉冲功率发生器直流母线电压采集电路、4-20mA模拟量采集电路、输出脉冲峰值电压\电流检测电路。
[0013]上述模拟量采集电路与软件系统的模拟量采集硬件中断配合完成外部模拟量信号的采集，系统根据实时采集的三相交流输入电压、三相交流输入电流、脉冲母线电压、输出脉冲电压峰值、输出脉冲电流峰值、IGBT温度、变压器油温，调节三相晶闸管的导通角以调整输入三相电压，从而完成对脉冲母线电压、输出脉冲峰值电压、输出脉冲峰值电流的调节，实现控制器的闭环控制。电压取样采用RC均压技术，电流取样采用高速霍尔传感器技术，取样信号传输过程全部屏蔽处理，有效提高了采样信号精度。
[0014]作为优选，所述数字量输入电路，包括主回路合闸数字量输入模块、隔离开关合闸数字量输入模块、重瓦斯数字量输入模块、轻瓦斯/低油位数字量输入模块、远程启停数字量输入模块。
[0015]作为优选，所述数字量输出电路，包括设备启停输出模块、报警信号输出模块、故障信号输出模块、运行状态模块。
[0016]作为优选，纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器上还设置有数字量输入输出接口、模拟量采集端口、同步信号输入端口、三相触发信号输出端口、温度采集接口、光纤端口；其中，数字量输入输出接口。
[0017]作为优选，所述IGBT驱动电路包括两级光电隔离电路;采用光纤传输至脉冲功率发生器的IGBT模块(脉冲发生器主要器件是IGBT模块)，降低电磁干扰，保证IGBT驱动信号精度;所述IGBT驱动电路与IGBT触发硬件中断(属于软件)完成对PWM信号的脉宽和频率控制，IGBT驱动电路完成控制PWM触发信号的隔离、转换、输出控制。IGBT驱动信号采用高速光电隔离模块隔离，光纤传输，并与高速核心控制单元F28335配合，有效提高了控制器的控制精度。
[0018]作为优选，所述电源模块，包括DSP控制核心电源、外部接口电路电源，电源模块采用多级隔离电路;为嵌入式控制器的各个功能模块提供独立工作电源，确保系统稳定性，提高系统抗干扰能力。
[0019]所述纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其软件系统，包括DSP/B10S操作系统、初始化、异常管理、软件中断管理、参数日历软件中断、数字量I/o软件中断、模拟量采集硬件中断和通讯接口硬件中断。通讯接口硬件中断有COMl通讯中断和COM2通讯中断，从而对通讯接口电路进行管理;COMl通讯中断和COM2通讯中断实现C0M1、C0M2的MODBUS协议通讯，上位机从机功能。模拟量采集中断完成三相输入电压、三相输入电流、变压器油温、IGBT温度、直流母线电压、输出脉冲的峰值电压和峰值电流的采集、计算。系统软件中断，主要由系统周期函数产生一个定时的软件中断；参数日历软件中断主要读取实时时钟信号，刷新控制器日期时间，同时在有参数修改完成时，将运行参数写入EEPROM模块保存；数字量I/O软件中断主要完成数字量输入开关电路的状态扫描、数字量输出开关电路的控制输出；初始化完成程序的控制参数的初始化与DSP/B10S操作系统特殊功能的配置;异常管理:当软件异常时，产生看门狗复位信号，使软件重新开始运行。
[0020]上述软件部分采用模块化设计，有效提高了系统反应速度;故障反馈回路，采用高速光电隔离模块，提高了信号抗干扰能力。
[0021]综上所述，本发明与现有技术相比具有如下优点:
本发明提供的DSP嵌入式控制器为纳秒级高压脉冲电源解决控制、监测、信息反馈、故障处理等问题，提高可靠性;本发明通过对输出电压、输出电流等模拟量的采集，转换成4-20mA模拟量输入模拟量采集电路(模块)，经过计算输 出PffM信号，从而控制三相预升压电路晶闸管触发脉冲输出，调节晶闸管导通角，从而改变三相预升压电路输出的母线电压大小;本发明通过对脉冲功率发生器直流母线电压等模拟量及其他数字量的采集、计算，调节给IGBT模块的脉宽调制(P丽)波形的脉宽、频率来控制输出脉冲的脉宽和频率;本发明通过通讯接口电路(模块)完成脉冲功率电源与上位机的通讯;本发明通过异常处理模块和模拟量采集电路(模块)监控电源进行异常和故障处理，具备短路保护、开路保护、过压过流保护，实时调整输入电压以保证输出稳定等功能，同时还具备调频、调幅、调宽功能，具有除尘效率高、能耗性能好、安全可靠性高等特点；本发明软件部分采用模块化设计，有效提高了系统反应速度;本发明故障反馈回路采用高速光电隔离电路(模块)，提高了信号抗干扰能力；高精度采样信号、高可靠性的反馈回路与快速反应的软件系统一起，提高了故障报警系统的反应速度和可靠性，降低了误报警的可能性。
【附图说明】
[0022]图1是本发明功能接口不意图；
图2是本发明硬件框图以及与纳秒级高压脉冲电源之间的控制信号连接示意图；
图3是本发明反馈信号框图；
图4是本发明控制流程框图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0024]实施例1:
如图1、2所示，一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，与纳秒级高压脉冲电源相连从而完成信号传输和功能控制，由硬件和软件构成，硬件包括控制单元、光电隔离模块、外围模块、电源模块。
[0025]所述控制单元，包括核心控制单元、时钟模块、随机存储器、参数日历模块、EEPROM模块、编程口 JTAG。
[0026]所述外围模块包括三相同步信号检测模块，用于处理三相交流电压信号并产生三相同步信号;三相晶闸管触发模块，用于驱动三相调压电路中的晶闸管从而完成输入调压；IGBT驱动模块，用于驱动脉冲发生电路完成脉冲发生过程；12路模拟量采集电路;8路数字量输入电路;12路数字量输出电路;2路通讯接口电路。
[0027]所述模拟量采集电路，包括模拟量光电隔离放大器、三相交流输入电压采集电路、三相交流输入电流采集电路、变压器油温监测电路、IGBT温度检测电路、脉冲功率发生器直流母线电压采集电路、4-20mA模拟量采集电路、输出脉冲峰值电压\电流检测电路。
[0028]所述数字量输入电路，包括主回路合闸数字量输入模块、隔离开关合闸数字量输入模块、重瓦斯数字量输入模块、轻瓦斯/低油位数字量输入模块、远程启停数字量输入模块。
[0029]所述数字量输出电路，包括设备启停输出模块、报警信号输出模块、故障信号输出模块、运行状态模块。
[0030]纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器上还设置有数字量输入输出接口、模拟量采集端口、同步信号输入端口、三相触发信号输出端口、温度采集接口、光纤端口。
[0031]所述IGBT驱动电路包括两级光电隔离电路。
[0032]所述电源模块包括DSP控制核心电源、外部接口电路电源，电源模块采用多级隔离电路。
[0033]所述纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其软件系统，包括DSP/B10S操作系统、初始化、异常管理、软件中断管理、参数日历软件中断、数字量I/o软件中断、模拟量采集硬件中断和通讯接口硬件中断。通讯接口硬件中断有COMl通讯中断和COM2通讯中断，从而对通讯接口电路进行管理;COMl通讯中断和COM2通讯中断实现C0M1、C0M2的MODBUS协议通讯，上位机从机功能。模拟量采集中断完成三相输入电压、三相输入电流、变压器油温、IGBT温度、直流母线电压、输出脉冲的峰值电压和峰值电流的采集、计算。系统软件中断，主要由系统周期函数产生一个定时的软件中断；参数日历软件中断主要读取实时时钟信号，刷新控制器日期时间，同时在有参数修改完成时，将运行参数写入EEPROM模块保存；数字量I/O软件中断主要完成数字量输入开关电路的状态扫描、数字量输出开关电路的控制输出；初始化完成程序的控制参数的初始化与DSP/B10S操作系统特殊功能的配置;异常管理:当软件异常时，产生看门狗复位信号，使软件重新开始运行。
[0034]图2所示为纳秒级脉冲电源主要结构及各部分与DSP嵌入式控制器之间的控制信号连接方式。
[0035]纳秒级脉冲电源中的配电系统，其作用是为纳秒级脉冲电源提供三相交流电源，主回路电源的闭合/断开由交流接触器控制，DSP嵌入式控制器的数字量输出端口控制交流接触器的闭合/断开，交流接触器的状态反馈信号由数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器。主回路电源闭合之后，三相交流电压信号经三相同步信号检测电路(模块)处理，产生三相同步信号，由屏蔽网线经同步信号输入端口传入到DSP嵌入式控制器，DSP嵌入式控制器以同步信号为时间基准，发送晶闸管触发脉冲信号，经三相触发信号输出端口传出，由屏蔽网线传送至三相晶闸管触发电路(模块)，则三相晶闸管触发模块驱动纳秒级脉冲电源中三相调压电路的三只晶闸管，完成输入调压。输入电压、输入电流通过输入电压/电流检测电路(模块)产生输入电压采样信号、输入电流采样信号，由模拟量采集端口传入到DSP嵌入式控制器。
[0036]由三相调压电路产生的可调三相交流电送入纳秒级脉冲电源中的三相整流变压器，经三相整流变压器升压整流之后产生直流母线电压;三相整流变压器的温度由油温监测电路(模块)获取后经温度采集端口传入到DSP嵌入式控制器，DSP嵌入式控制器对温度信号经行分析判断之后，决定是否开启散热风机，散热风机的开启由数字量输出端口送出，散热风机的状态反馈信号由数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器。三相整流变压器油位信号由浮位开关产生数字量信号，经数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器。
[0037]直流母线电压送入纳秒级脉冲电源中的脉冲发生电路，产生低压脉冲;脉冲发生电路主要器件是IGBT模块，DSP嵌入式控制器通过光纤端口发出IGBT驱动信号，由光纤传输至IGBT驱动模块(IGBT驱动板)，由IGBT驱动模块(IGBT驱动板)驱动IGBT模块完成脉冲发生过程。IGBT温度由温度监测电路(模块)传送至温度采集端口，DSP嵌入式控制器对温度信号经行分析判断之后，决定是否开启散热风机，散热风机的开启由数字量端口送出，散热风机的状态反馈信号由数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器。母线电压监测电路(模块)将母线电压值转化为模拟量信号，传送到模拟量采集端口，DSP嵌入式控制器将母线电压采样值分析处理之后，调整三相触发信号，从而调整母线电压值。
[0038]纳秒级脉冲电源中的脉冲升压及压缩电路将低压脉冲升压为高压脉冲，并压缩为纳秒级高压脉冲；脉冲升压及压缩电路包括脉冲变压器及磁压缩模块，油温监测电路(模块)将监测到的变压器油温转化为模拟量信号由温度采集端口传入到DSP嵌入式控制器，DSP嵌入式控制器对温度采样值分析处理之后决定是否开启散热风机，散热风机的开启由数字量输出端口送出，散热风机的状态反馈信号由数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器;变压器油位信号由浮位开关产生数字量信号，经数字量输入端口传入到DSP嵌入式控制器。
[0039]纳秒级高压脉冲经取样电路输出到负载，取样电路由RC分压式电压取样电路和霍尔互感器电流取样电路组成，采集到的脉冲电压信号、脉冲电流信号经模拟量信号调理电路(模块)转化为模拟量信号，由模拟量采集端口输入到DSP嵌入式控制器，DSP嵌入式控制器对采样值分析处理后，调整三 相晶闸管触发脉冲信号及IGBT驱动信号，进而调整输出的脉冲电压、脉冲电流大小。
[0040]本发明硬件部分实现的主要功能:1、控制三相晶闸管驱动模块输出晶闸管调幅脉冲信号；2、控制IGBT驱动模块输出脉冲功率发生器IGBT触发脉冲信号；3、八路光电隔离带LED指示开关数字量状态输入点;4、十二路光电隔离带LED指示加继电器隔离无源触点开关数字量输出点；5、两路带LED通讯指示光电隔离R485通讯接口；6、光电隔离脉冲功率电源三相交流输入电压模拟量测量;7、光电隔离脉冲功率电源三相交流输入电流模拟量测量；8、光电隔离变压器输出直流模拟量测量;9、光电隔离脉冲功率发生器直流母线电压模拟量；10、光电隔离脉冲功率电源输出脉冲峰值模拟量;11、光电隔离变压器油温模拟量测量;12、光电隔离IGBT温度模拟量测量;13、光电隔离4-20mA模拟量测量。
[0041]本发明软件系统主要完成功能:1、对三相晶闸管驱动模块的脉冲输出管理程序，可根据反馈信号快速调节脉冲电源输出脉冲的电压峰值大小；2、对脉冲发生电路IGBT驱动模块的脉冲输出管理程序，可根据反馈信号快速调节纳秒级高压脉冲电源输出的脉冲幅值、脉宽和频率，使纳秒级脉冲电源处于最佳工作点；3、基于R485 MODBUS通讯协议的从站功能，方便于用户上位机系统的连接;4、完善故障保护处理程序;5、具有设定参数断电保存记忆功能。
[0042]如图3所示，本发明纳秒级脉冲电源DSP嵌入式控制器控制反馈信号框图，纳秒级脉冲电源DSP嵌入式控制器发出输入电压调节信号至电源输入单元，电源输入单元将输入电压反馈信号、输入电流反馈信号、输入欠压报警信号、输入过压报警信号、输入过流报警信号反馈到DSP嵌入式控制器;输入电压调节信号用以调节输入电压电流，从而影响输入电压、电流等反馈信号，输入电压、电流等反馈信号经DSP嵌入式控制器处理后，用以调整DSP嵌入式控制器发出的输入电压调节信号，完成闭环控制。纳秒级脉冲电源DSP嵌入式控制器输出IGBT脉宽控制信号、IGBT频率控制信号至纳秒脉冲产生单元，负载反馈系统将峰值电压反馈信号、峰值电流反馈信号反馈回DSP嵌入式控制器;IGBT控制信号用以调整纳秒级脉冲电源输出脉冲的幅值和频率，从而影响负载反馈系统的峰值电压、峰值电流反馈信号；反馈信号经过DSP嵌入式控制器处理，从而调整DSP嵌入式控制器发出的IGBT控制信号，完成闭环控制。纳秒级脉冲电源DSP嵌入式控制器输出风机控制信号到散热系统，散热系统反馈温度信号到DSP嵌入式控制器;风机控制信号用以控制散热风机启停，从而影响纳秒级脉冲电源温度;散热系统反馈温度信号经DSP嵌入式控制器处理，从而调整输出风机控制信号，完成闭环控制。
[0043]如图4所示，本发明纳秒级脉冲电源DSP嵌入式控制器的简要控制流程框图，包括多个闭环控制过程。
[0044]具体为，闭环控制I，母线电压控制，其过程为:检测母线电压是超过到设定值，如超过则降低导通角，进入下一轮检测;如不超过则进一步检测导通角是否达到设定值，如达到则保持目前状态，进入下一轮检测，如未达到设定值，则增加导通角，进入下一轮检测。
[0045]闭环控制2，输出电压电流控制，其过程为:检测输出电压电流是超过到设定值，如超过则降低导通角，进入下一轮检测;如不超过则进一步检测导通角是否达到设定值，如达到则保持目前状态，进入下一轮检测，如未达到设定值，则增加导通角，进入下一轮检测。
[0046]闭环控制3，输出功率控制，其过程为:检测输出功率是否超过设定值，如超过则降低频率，进入下一轮检测;如不超过则进一步检测频率是否达到设定值，如达到则保持目前状态，进入下一轮检测，如未达到设定值，则增加频率，进入下一轮检测。
[0047]闭环控制4，温度控制，其过程为:检测设备温度是否达到报警值，如未达到则全频率运行，进入下一轮检测；如达到报警值则降频运行，并进一步检测温度是否达到临界值，如达到临界值，则停止运行并显示故障报警，如未达到临界值，则进入下一轮检测。
[0048]文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1.一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，与纳秒级高压脉冲电源相连从而完成信号传输和功能控制，由硬件和软件构成，硬件包括控制单元、光电隔离模块、外围模块、电源模块，其特征在于: 所述控制单元，包括核心控制单元、时钟模块、随机存储器、参数日历模块、EEPROM模块、编程口 JTAG; 所述外围模块，包括: 三相同步信号检测模块，用于处理三相交流电压信号并产生三相同步信号； 三相晶闸管触发模块，用于驱动三相调压电路中的晶闸管从而完成输入调压； IGBT驱动模块，用于驱动脉冲发生电路完成脉冲发生过程； 若干路模拟量采集电路； 若干路数字量输入电路； 若干路数字量输出电路； 若干路通讯接口电路。2.根据权利要求1所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，所述模拟量采集电路，包括模拟量光电隔离放大器、三相交流输入电压采集电路、三相交流输入电流采集电路、变压器油温监测电路、IGBT温度检测电路、脉冲功率发生器直流母线电压采集电路、4-20mA模拟量采集电路、输出脉冲峰值电压\电流检测电路。3.根据权利要求1或2所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，所述数字量输入电路，包括主回路合闸数字量输入模块、隔离开关合闸数字量输入模块、重瓦斯数字量输入模块、轻瓦斯/低油位数字量输入模块、远程启停数字量输入模块。4.根据权利要求1或2所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，所述数字量输出电路，包括设备启停输出模块、报警信号输出模块、故障信号输出模块、运行状态模块。5.根据权利要求2所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器上还设置有数字量输入输出接口、模拟量采集端口、同步信号输入端口、三相触发信号输出端口、温度采集接口、光纤端口。6.根据权利要求1或2所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，所述IGBT驱动电路包括两级光电隔离电路。7.根据权利要求1或2所述的纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，其特征在于，所述电源模块，包括DSP控制核心电源、外部接口电路电源，电源模块采用多级隔离电路。
【专利摘要】本发明涉及一种纳秒级高压脉冲电源DSP嵌入式控制器，硬件包括核心控制单元、时钟模块、随机存储器、参数日历模块、EEPROM模块、编程口JTAG、三相同步信号检测模块、三相晶闸管触发模块、IGBT驱动模块、若干路模拟量采集电路、若干路数字量输入电路、若干路数字量输出电路、若干路通讯接口电路。本发明解决纳秒级高压脉冲电源的控制、监测、信息反馈、故障处理等问题，增加控制系统可靠性；通过对数字量的采集、计算、反馈、调节等步骤进行精确控制，高精度采样信号、高可靠性的反馈回路与快速反应的软件系统一起，提高了故障报警系统的反应速度和可靠性，降低了误报警的可能性。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN105487455
【申请号】CN201610034839
【发明人】施小东, 施秦峰, 祝建军, 袁旭光
【申请人】浙江大维高新技术股份有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月20日
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