电容储能型高功率脉冲驱动源控制系统及时序控制方法与流程

本发明涉及电子技术领域，更具体地说，本发明涉及电容储能型高功率脉冲驱动源控制系统及时序控制方法。

背景技术：

高功率脉冲驱动源是进行高功率微波、z箍缩、电子束泵浦高功率激光、x射线、废气废水处理、医疗、杀菌以及食品保鲜等研究的重要试验平台，在民用和国防领域展现出重要的应用价值。

高功率脉冲驱动源主要作用是在空间和时间上对能量进行快速压缩和转换，最终产生强流相对论电子束。因此，高功率脉冲驱动源实现能量的压缩和转换的核心技术，就是要实现对开关的精准有效控制。

但是高功率脉冲驱动源工作时因瞬态大电流会引起强电磁辐射，因此需要提供一种结构紧凑且抗电磁干扰能力强的控制系统及时序控制方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供电容储能型高功率脉冲驱动源控制系统及时序控制方法，通过上位机实现人机交互、参数下传、状态监测和远程控制，避免高功率脉冲驱动源工作时的电磁辐射对人员的伤害，并且利用时序控制方法，根据预定的t1、t2和t3的时序，由触发控制模块控制晶闸管开关的通断，保证放电电容电压的稳压，解决了现有技术中高功率脉冲驱动源工作时因瞬态大电流引起的强电磁辐射的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电容储能型高功率脉冲驱动源控制系统，包括上位机、通讯链路、主控单元、数据采集模块和触发控制模块，所述上位机通过通讯链路与主控单元连接，所述主控单元连接端与数据采集模块和触发控制模块连接；

所述上位机用于人机交互，并且用于参数下传、状态监测和远程控制；

所述通讯链路用于根据设计好的通讯协议规则，实现上位机和主控单元直接的实时数据通讯；

所述主控单元用于对控制系统集中控制和管理，一端与上位机进行数据传输，另一端根据预定的时序控制数据采集模块和触发控制模块的正常运行；

所述数据采集模块用于对储能电容和放电电容模拟电压值的数据采集；

所述触发控制模块用于控制晶闸管开关的通断，实现对放电电容的充放电。

在一个优选地实施方式中，所述上位机内安装有上位机界面程序，用于实现人机交互、参数下传、状态监测和远程控制。

在一个优选地实施方式中，所述通讯链路包括通讯协议接口和物理通讯接口，利用计算机的通讯接口，并基于modbus、can总线和tcp/udp等协议，实现控制系统上位机和主控单元之间的通讯，所述计算机的通讯接口具体为串口、usb口和网口。

在一个优选地实施方式中，所述主控单元采用具有逻辑控制能力的可编程器件，具体为单片机、fpga或plc，用于实现对控制系统的集中控制和管理。

在一个优选地实施方式中，所述数据采集模块具体为模数转化芯片，用于将原始的模拟物理电压信号转化为数字信号，采集并上传到主控单元。

在一个优选地实施方式中，所述触发控制模块接收主控单元发送来的时序触发指令，输出触发脉冲控制晶闸管开关的通断。

本发明还提供了一种电容储能型高功率脉冲驱动源的时序控制方法，包括电容储能型高功率脉冲驱动源的初级能源回路，所述初级能源回路由电容器、电感、晶闸管开关和特斯拉变压器组成，所述电容器包括放电电容器和充电电容器，所述电感包括谐振充电电感和反压恢复电感，所述晶闸管开关设置为三个且分别为开关s1、开关s2和开关s3；

所述反压恢复电感与开关s2串联连接，所述充电电容器、谐振充电电感和开关s3串联连接，所述充电电容器和放电电容器均与反压恢复电感并联连接，所述放电电容器通过开关s1与特斯拉变压器连接；

具体时序控制步骤如下：

步骤一、由p1、p2和p3分别表示开关s1、开关s2和开关s3的脉冲信号；

步骤二、由t1表示放电电容放电后反压等待时间，t2表示开关s2和开关s3的间隔时间，即放电电容的谐振充电时间；由t3代表一个脉冲周期的剩余时间；

步骤三、根据充电电容和放电电容的电压值，利用仿真计算得到放电电容的能量补充时间；

步骤四、利用时序控制方法，根据预定的t1、t2和t3的时序，控制晶闸管开关的通断，以实现放电电容电压的稳压。

在一个优选地实施方式中，所述步骤二中，根据脉冲次数的不同以及充电时间的不同，t2由一系列的离散值构成。

在一个优选地实施方式中，所述步骤三中，充电电容和放电电容的电压值是不连续的，由一系列的离散值构成。

本发明的技术效果和优点：

1、本发明所提供的电容储能型高功率脉冲驱动源控制系统中，通过上位机内安装的上位机界面程序，可以实现人机交互、参数下传、状态监测和远程控制，避免高功率脉冲驱动源工作时的电磁辐射对人员的伤害，上位机通过通讯链路与主控单元连接，主控单元根据预定的时序控制数据采集模块和触发控制模块的正常运行，主控单元接收数据采集模块采集的原始的模拟物理电压信息，并发送时序触发指令给触发控制模块，控制输出触发脉冲控制晶闸管开关的通断，整个系统结构简单紧凑，电压调控精准快速，保证放电电容电压的稳压；

2、本发明通过先确定三种晶闸管开关的时间，然后检测出充电电容和放电电容的电压值，最后利用时序控制方法，根据预定的t1、t2和t3的时序，由触发控制模块控制晶闸管开关的通断，从而能够保证放电电容电压的稳压，解决了现有技术中高功率脉冲驱动源工作时因瞬态大电流引起的强电磁辐射的问题。

附图说明

图1为本发明的整体控制系统框架图。

图2为本发明的初级能源回路图示意图。

图3为本发明的电容储能型高功率脉冲驱动源工作时序图。

图4为本发明的具体实施案例1中控制系统流程图。

图5为本发明的具体实施案例2中控制系统流程图。

附图标记为：1上位机、2通讯链路、3主控单元、4数据采集模块、5触发控制模块、6特斯拉变压器、7放电电容器、8充电电容器、9谐振充电电感、10反压恢复电感、11晶闸管开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1所示的一种电容储能型高功率脉冲驱动源控制系统，包括上位机1、通讯链路2、主控单元3、数据采集模块4和触发控制模块5，所述上位机1通过通讯链路2与主控单元3连接，所述主控单元3连接端与数据采集模块4和触发控制模块5连接；

所述上位机1用于人机交互，并且用于参数下传、状态监测和远程控制，所述上位机1内安装有上位机1界面程序，用于实现人机交互、参数下传、状态监测和远程控制；

所述通讯链路2用于根据设计好的通讯协议规则，实现上位机1和主控单元3直接的实时数据通讯，所述通讯链路2包括通讯协议接口和物理通讯接口，利用计算机的通讯接口，并基于modbus、can总线和tcp/udp等协议，实现控制系统上位机1和主控单元3之间的通讯，所述计算机的通讯接口具体为串口、usb口和网口；

所述主控单元3用于对控制系统集中控制和管理，一端与上位机1进行数据传输，另一端根据预定的时序控制数据采集模块4和触发控制模块5的正常运行，所述主控单元3采用具有逻辑控制能力的可编程器件，具体为单片机、fpga或plc，用于实现对控制系统的集中控制和管理；

所述数据采集模块4用于对储能电容和放电电容模拟电压值的数据采集，所述数据采集模块4具体为模数转化芯片，用于将原始的模拟物理电压信号转化为数字信号，采集并上传到主控单元3；

所述触发控制模块5用于控制晶闸管开关11的通断，实现对放电电容的充放电，所述触发控制模块5接收主控单元3发送来的时序触发指令，输出触发脉冲控制晶闸管开关11的通断。

实施方式具体为：通过上位机1内安装的上位机1界面程序，可以实现人机交互、参数下传、状态监测和远程控制，避免高功率脉冲驱动源工作时的电磁辐射对人员的伤害；上位机1通过通讯链路2与主控单元3连接，实现上位机1和主控单元3直接的实时数据通讯，并且主控单元3能够实现对控制系统的集中控制和管理，并且可以根据预定的时序控制数据采集模块4和触发控制模块5的正常运行，数据采集模块4将采集的原始的模拟物理电压信号转化为数字信号，并上传到主控单元3，触发控制模块5接收主控单元3发送来的时序触发指令，输出触发脉冲控制晶闸管开关11的通断，整个系统结构简单紧凑，解决了现有技术中高功率脉冲驱动源工作时因瞬态大电流引起的强电磁辐射的问题。

根据图2-3所示的一种电容储能型高功率脉冲驱动源的时序控制方法，包括电容储能型高功率脉冲驱动源的初级能源回路，所述初级能源回路由电容器、电感、晶闸管开关11和特斯拉变压器6组成，所述电容器包括放电电容器7和充电电容器8，所述电感包括谐振充电电感9和反压恢复电感10，所述晶闸管开关11设置为三个且分别为开关s1、开关s2和开关s3；

所述反压恢复电感10与开关s2串联连接，所述充电电容器8、谐振充电电感9和开关s3串联连接，所述充电电容器8和放电电容器7均与反压恢复电感10并联连接，所述放电电容器7通过开关s1与特斯拉变压器6连接；

具体时序控制步骤如下：

步骤一、由p1、p2和p3分别表示开关s1、开关s2和开关s3的脉冲信号；

步骤二、由t1表示放电电容放电后反压等待时间，t2表示开关s2和开关s3的间隔时间，即放电电容的谐振充电时间，根据脉冲次数的不同以及充电时间的不同，t2由一系列的离散值构成；由t3代表一个脉冲周期的剩余时间，主要由重复工作频率决定；

步骤三、根据充电电容和放电电容的电压值，利用仿真计算得到放电电容的能量补充时间，且充电电容和放电电容的电压值是不连续的，由一系列的离散值构成；

步骤四、利用时序控制方法，根据预定的t1、t2和t3的时序，控制晶闸管开关11的通断，以实现放电电容电压的稳压。

实施方式具体为：首先确定三种晶闸管开关11的时间，然后检测出充电电容和放电电容的电压值，最后利用时序控制方法，根据预定的t1、t2和t3的时序，由触发控制模块5控制晶闸管开关11的通断，从而能够保证放电电容电压的稳压，解决了现有技术中高功率脉冲驱动源工作时因瞬态大电流引起的强电磁辐射的问题。

具体实施案例1：

如图4所示，本实施例中，所述的上位机1，采用台式机或笔记本电脑，利用labview上位机编程软件，设计上位机1界面；实现人机交互，主要负责参数下传，状态监测和远程控制等功能；下传的工作参数，主要包括工作频率、脉冲个数和放电电容的谐振充电时间；监测的状态主要包括放电电容和充电电容的电压；

本实施例中，所述的通讯链路2，采用pci-9820串口拓展数据卡，基于can总线协议，实现上位机1和主控单元3的数据通讯；

本实施例中，所述的主控单元3，采用pic18f4580单片机及其外围拓展电路，外围拓展电路包含82c54是定时计数器芯片，用于时序的产生；闪存芯片at24c512用于谐振充电时间t2的存储；

本实施例中，所述的数据采集模块4，采用12位8通道ad转换芯片max197；

本实施例中，所述的触发控制模块5，由光电转换模块、24v直流电源和场效应管开关模块组成，实现光信号到24v脉冲的输出，控制晶闸管开关11的通断。

具体实施案例2：

如图5所示，本实施例中，所述的上位机1，采用台式机或笔记本电脑，利用delphi上位机编程软件，设计上位机1界面；实现人机交互，主要负责参数下传，状态监测和远程控制等功能；下传的工作参数，主要包括工作频率、脉冲个数和放电电容的谐振充电时间；监测的状态主要包括放电电容和充电电容的电压；

本实施例中，所述的通讯链路2，基于电脑的usb接头，利用由桥接控制器cp2102和一对光收发器组成的通信模块，实现usb到串口再到光纤的转换，保障了上位机1和主控单元3的光纤通讯；

本实施例中，所述的主控单元3，采用cortex-m3系列的arm单片机和spartan-3e系列的fpga用来实现控制系统的集中管理和时序控制；

本实施例中，所述的数据采集模块4，利用模数转换芯片ad7322采集充电电容和放电电容的电压；

本实施例中，所述的触发控制模块5，由光电转换模块、24v直流电源和场效应管开关模块组成，实现光信号到24v脉冲的输出，控制晶闸管开关11的通断。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。