一种电源控制系统的制作方法

本申请涉及数字电路技术领域，更具体地说，涉及一种电源控制系统。

背景技术：

粒子加速器不仅是探索粒子物理的重要装备之一，也是现代先进光源重要装备之一。构成粒子加速器的各类磁铁是其实现对粒子加速的核心器件。而为这些磁铁提供电源的加速器磁铁电源对输出电流的精度要求极高。

传统的电源控制方式是通过模拟电路的形式实现的，主要是通过dc/ac给定，经过模拟调节器进行调节，以获得较高精度的输出电流。但是模拟控制存在故障率高且负载适应性不强的缺点。

近年来得益于数字控制技术的蓬勃发展，磁铁电源的控制系统逐渐采用数字控制方法替代传统的模拟控制方法，大大提高了电源控制系统的稳定性和负载适应性。但是由于基于数字控制方法的电源控制系统必须采用a/d(模拟-数字)采样单元，a/d采样单元检测电源的输出电流并将其转换成数字信号，再反馈至数字控制器，形成电流闭环控制结构并对输出电流进行数字控制。受限于a/d转换的精度，使得在a/d转换的过程中，存在电流精度损失以及温度漂移等问题，相比较传统的模拟控制方式而言，磁铁电源的输出电流的精度大大降低。

因此，如何在保证电源控制系统的故障率较低且负载适应性较好的情况下，保证电源控制系统的输出电流仍然具有较高精度成为技术人员的研究方向之一。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供了一种电源控制系统，以实现在保证电源控制系统的故障率较低且负载适应性较好的情况下，保证电源控制系统输出的工作电源仍然具有较高精度的目的。

为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种电源控制系统，包括：主电路模块和数字控制模块；其中，

所述主电路模块，用于接收上电电流，并根据所述数字控制模块输出的控制信号对所述上电电流进行处理，以获得工作电源并提供给负载；

所述数字控制模块包括：采样单元、补偿单元和处理单元；其中，

所述采样单元，用于获取所述负载的采样电压信号和采样电流信号；

所述补偿单元，用于对所述采样电流信号进行pi调节处理、数模转换和模数转换后获得参考信号，并根据所述采样电流信号和所述参考信号获取所述采样单元的温度漂移补偿信号；

所述处理单元，用于获取所述温度漂移补偿信号、所述采样电压信号、采样电流信号和预设电流信号，根据所述温度漂移补偿信号、预设电流和采样电流确定电流参考信号，并根据所述电流参考信号和所述采样电压信号，确定所述控制信号。

可选的，所述补偿单元包括：第一加法器、第一pi调节器、第一数模转换器和第一模数转换器；其中，

所述第一加法器的第一输入端用于接收所述采样电流信号，所述第一加法器的第二输入端与所述第一模数转换器的输出端连接，所述第一加法器的输出端与所述第一pi调节器的输入端连接；

所述第一pi调节器的输出端与所述第一数模转换器的输入端连接；

所述第一数模转换器的输出端与所述第一模数转换器的输入端连接；

所述第一pi调节器，用于对所述第一加法器输出的第一叠加信号进行pi调节后向所述数模转换器传输；

所述第一数模转换器，用于对pi调节后的第一叠加信号进行数字模拟转换后获得模拟信号形式的第一叠加信号；

所述第一模数转换器，用于对所述模拟信号形式的第一叠加信号进行模拟数字转换后获得数字信号形式的第一叠加信号，并传输给所述第一加法器；

所述第一加法器，用于将所述采样电流信号与所述数字信号形式的第一叠加信号做差，以获得所述第一叠加信号，和用于根据所述第一叠加信号、所述第一数模转换器的漂移度和所述第一模数转换器的漂移度，确定所述温度漂移补偿信号。

可选的，所述第一加法器根据所述第一叠加信号、所述第一数模转换器的漂移度和所述第一模数转换器的漂移度，确定所述温度漂移补偿信号具体用于，

将所述第一叠加信号、所述第一数模转换器的漂移度和所述第一模数转换器的漂移度代入第一预设公式中，计算获得所述温度漂移补偿信号；

所述第一预设公式为：其中，k表示所述温度漂移补偿信号，m表示所述第一数模转换器的漂移度，n表示所述第一模数转换器的漂移度，d3表示pi调节后的第一叠加信号，d1表示所述采样电流信号。

可选的，所述处理单元包括：第二加法器、第二pi调节器、第三加法器、第三pi调节器、第二数模转换器和pwm芯片；其中，

所述第二加法器，用于获取所述温度漂移补偿信号、所述采样电流信号和所述预设电流信号，将所述温度漂移补偿信号与所述预设电流信号求和后与所述采样电流信号做差，以获得所述电流参考信号；

所述第二pi调节器，用于对所述电流参考信号进行pi调节；

所述第三加法器，用于对所述pi调节后的电流参考信号与所述采样电压信号做差，并将做差后的数字信号向所述第三pi调节器传输；

所述第三pi调节器，用于对所述做差后的数字信号进行pi调节；

所述第二数模转换器，用于对所述做差后的数字信号进行数字模拟转换后获得驱动信号；

所述pwm芯片，用于根据所述驱动信号，生成pwm波形式的控制信号。

可选的，所述第二pi调节器还用于判断pi调节后的所述电流参考信号是否在预设电压范围内，如果否，则将所述pi调节后的所述电流参考信号限制在所述预设电压范围内。

可选的，所述采样单元包括：电压传感器、电流传感器、第二模数转换器和第三模数转换器；其中，

所述电压传感器，用于获取所述负载两端的模拟电压信号；

所述电流传感器，用于获取流经所述负载的模拟电流信号；

所述第二模数转换器，用于对所述模拟电流信号进行模数转换，以获得所述采样电流信号；

所述第三模数转换器，用于对所述模拟电压信号进行模数转换，以获得所述采样电压信号。

可选的，所述主电路模块包括：电流缓冲模块、第一电容、dc-dc模块、第一电感和第二电容；其中，

所述电流缓冲模块的输入端与输入电源的正极连接，用于接收上电电流，所述电流缓冲模块的输出端与所述第一电容的一端以及所述dc-dc模块的第一输入端的一端均连接，用于在上电阶段，降低在上电阶段输入给所述第一电容的上电电流；

所述第一电容远离所述电流缓冲模块的一端与所述dc-dc模块的第二输入端以及所述输入电源的负极连接，用于为所述dc-dc模块提供所述上电电流；

所述dc-dc模块的控制端用于接收所述控制信号，并根据所述控制信号对所述上电电流进行处理，以提高所述上电电流的精度并降低所述上电电流的漂移度；

所述第一电感和第二电容构成滤波电路，用于滤除所述dc-dc模块处理后的上电电流中的纹波电压和纹波电流，以获得所述工作电源。

可选的，所述电流缓冲模块包括：串联连接的第一开关和第一电阻；其中，

所述第一开关和第一电阻的一个连接端作为所述电流缓冲模块的输入端与所述输入电源的正极连接，另一个连接端作为所述电流缓冲模块的输出端；

所述第一开关在上电阶段处于断开状态，在上电阶段结束后，处于闭合状态。

可选的，所述dc-dc模块为igbt器件构成的h桥模块。

从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种电源控制系统，所述电源控制系统由主电路模块和数字控制模块构成，其中，所述数字控制模块的补偿单元对采样电流信号进行pi调节处理、数模转换和模数转换后获得参考信号，并根据所述采样电流信号和所述参考信号获取所述采样单元的温度漂移补偿信号，以使所述处理单元可以根据所述温度漂移补偿信号对预设电流信号和采样电流信号进行温度漂移补偿，即在控制信号的确定过程中消除了在获取负载的采样电压信号和采样电流信号的过程中的温度漂移和精度损失，使得所述主电路模块可以依据精确的控制信号生成精度较高的工作电源，实现了在保证电源控制系统的故障率较低且负载适应性较好的情况下，保证电源控制系统输出的工作电源仍然具有较高精度的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种电源控制系统的结构示意图；

图2为本申请的另一个实施例提供的一种电源控制系统的结构示意图；

图3为本申请的又一个实施例提供的一种电源控制系统的结构示意图；

图4为本申请的再一个实施例提供的一种电源控制系统的结构示意图；

图5为本申请的一个可选实施例提供的一种电源控制系统的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术中基于数字控制方法的电源控制系统受限于a/d转换过程中的精度损失和温度漂移的问题，使得输出的工作电源的精度较低。为了解决这一问题，现有技术中的研究工作大部分集中在通过采用恒温装置将数字电源控制器的采样部分包裹起来，以期达到减少a/d转换环节的温度漂移的目的。但是这种方式增加了电源控制系统的成本，同时增加了电源控制系统维护的难度。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种电源控制系统，包括：主电路模块和数字控制模块；其中，

所述主电路模块，用于接收上电电流，并根据所述数字控制模块输出的控制信号对所述上电电流进行处理，以获得工作电源并提供给负载；

所述数字控制模块包括：采样单元、补偿单元和处理单元；其中，

所述采样单元，用于获取所述负载的采样电压信号和采样电流信号；

所述补偿单元，用于对所述采样电流信号进行pi调节处理、数模转换和模数转换后获得参考信号，并根据所述采样电流信号和所述参考信号获取所述采样单元的温度漂移补偿信号；

所述处理单元，用于获取所述温度漂移补偿信号、所述采样电压信号、采样电流信号和预设电流信号，根据所述温度漂移补偿信号、预设电流和采样电流确定电流参考信号，并根据所述电流参考信号和所述采样电压信号，确定所述控制信号。

在本实施例中，所述数字控制模块的补偿单元对采样电流信号进行pi调节处理、数模转换和模数转换后获得参考信号，并根据所述采样电流信号和所述参考信号获取所述采样单元的温度漂移补偿信号，以使所述处理单元可以根据所述温度漂移补偿信号对预设电流信号和采样电流信号进行温度漂移补偿，即在控制信号的确定过程中消除了在获取负载的采样电压信号和采样电流信号的过程中的温度漂移和精度损失，使得所述主电路模块可以依据精确的控制信号生成精度较高的工作电源，实现了在保证电源控制系统的故障率较低且负载适应性较好的情况下，保证电源控制系统输出的工作电源仍然具有较高精度的目的。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

参考图1，所述电源控制系统包括：主电路模块10和数字控制模块20；其中，

所述主电路模块10，用于接收上电电流，并根据所述数字控制模块20输出的控制信号对所述上电电流进行处理，以获得工作电源并提供给负载；

所述数字控制模块20包括：采样单元22、补偿单元23和处理单元21；其中，

所述采样单元22，用于获取所述负载的采样电压信号和采样电流信号；

所述补偿单元23，用于对所述采样电流信号进行pi调节处理、数模转换和模数转换后获得参考信号，并根据所述采样电流信号和所述参考信号获取所述采样单元22的温度漂移补偿信号；

所述处理单元21，用于获取所述温度漂移补偿信号、所述采样电压信号、采样电流信号和预设电流信号，根据所述温度漂移补偿信号、预设电流和采样电流确定电流参考信号，并根据所述电流参考信号和所述采样电压信号，确定所述控制信号。

在图1中，标号f1表示所述负载，所述负载可以是构成粒子加速器的磁铁等对输入电流精度要求较高的负载。

在实际的应用过程中，一般情况下所述数字控制模块20先上电进入工作状态，然后所述主电路模块10再上电进入工作状态；也可以是所述数字控制模块20和主电路模块10同时上电，本申请对此并不做限定。

在本实施例中，所述电源控制系统仍然采用输出电源的闭环控制结构，该闭环结构采用数字控制模块20提供的数字式控制方式实现。具体地，所述数字控制模块20的补偿单元23对采样电流信号进行pi调节处理、数模转换和模数转换后获得参考信号，并根据所述采样电流信号和所述参考信号获取所述采样单元22的温度漂移补偿信号，以使所述处理单元21可以根据所述温度漂移补偿信号对预设电流信号和采样电流信号进行温度漂移补偿，即在控制信号的确定过程中消除了在获取负载的采样电压信号和采样电流信号的过程中的温度漂移和精度损失，使得所述主电路模块10可以依据精确的控制信号生成精度较高的工作电源，实现了在保证电源控制系统的故障率较低且负载适应性较好的情况下，保证电源控制系统输出的工作电源仍然具有较高精度的目的。

在上述实施例的基础上，本申请的一个实施例提供了一种可行的补偿单元23的电路构成，参考图2，所述补偿单元23包括：第一加法器ad1、第一pi调节器pi1、第一数模转换器d/a1和第一模数转换器a/d1；其中，

所述第一加法器ad1的第一输入端用于接收所述采样电流信号，所述第一加法器ad1的第二输入端与所述第一模数转换器a/d1的输出端连接，所述第一加法器ad1的输出端与所述第一pi调节器pi1的输入端连接；

所述第一pi调节器pi1的输出端与所述第一数模转换器d/a1的输入端连接；

所述第一数模转换器d/a1的输出端与所述第一模数转换器a/d1的输入端连接；

所述第一pi调节器pi1，用于对所述第一加法器ad1输出的第一叠加信号进行pi调节后向所述数模转换器传输；

所述第一数模转换器d/a1，用于对pi调节后的第一叠加信号进行数字模拟转换后获得模拟信号形式的第一叠加信号；

所述第一模数转换器a/d1，用于对所述模拟信号形式的第一叠加信号进行模拟数字转换后获得数字信号形式的第一叠加信号，并传输给所述第一加法器ad1；

所述第一加法器ad1，用于将所述采样电流信号与所述数字信号形式的第一叠加信号做差，以获得所述第一叠加信号，和根据所述第一叠加信号、所述第一数模转换器的漂移度和所述第一模数转换器的漂移度，确定所述温度漂移补偿信号。

在本实施例中，采用高稳定度的第一数模转换器d/a1对所述采样单元22的模数采样环节进行校准，使得采样单元22的模数采样的温度漂移得到补偿，提高了所述电源控制系统输出的工作电源的控制精度。

仍然参考图2，所述补偿单元23由高稳定度的第一数模转换器d/a1和高精度的第一模数转换器a/d1构成一个采样补偿电路；在实际的工作过程中所述第一模数转换器a/d1的采样值应与所述采样单元22采样的采样电流信号相等，具体通过调节第一数模转换器d/a1的输出对所述第一模数转换器a/d1的采样值进行闭环控制，使其根据采样单元22的采样电流信号。

在所述数字控制模块20上电过程解除，整个系统处于稳定状态后，所述第一加法器根据所述第一叠加信号、所述第一数模转换器的漂移度和所述第一模数转换器的漂移度，确定所述温度漂移补偿信号。

具体地，所述第一加法器根据所述第一叠加信号、所述第一数模转换器的漂移度和所述第一模数转换器的漂移度，确定所述温度漂移补偿信号具体用于，

将所述第一叠加信号、所述第一数模转换器的漂移度和所述第一模数转换器的漂移度代入第一预设公式中，计算获得所述温度漂移补偿信号；

所述第一预设公式为：其中，k表示所述温度漂移补偿信号，m表示所述第一数模转换器的漂移度，n表示所述第一模数转换器的漂移度，d3表示pi调节后的第一叠加信号，d1表示所述采样电流信号。

在上述实施例的基础上，本申请的另一个实施例提供的一种处理单元21的具体构成，参考图3，所述处理单元21包括：第二加法器ad2、第二pi调节器pi2、第三加法器ad3、第三pi调节器pi3、第二数模转换器d/a2和pwm芯片pc；其中，

所述第二加法器ad2，用于获取所述温度漂移补偿信号、所述采样电流信号和所述预设电流信号，将所述温度漂移补偿信号与所述预设电流信号求和后与所述采样电流信号做差，以获得所述电流参考信号；

所述第二pi调节器pi2，用于对所述电流参考信号进行pi调节；

所述第三加法器ad3，用于对所述pi调节后的电流参考信号与所述采样电压信号做差，并将做差后的数字信号向所述第三pi调节器pi3传输；

所述第三pi调节器pi3，用于对所述做差后的数字信号进行pi调节；

所述第二数模转换器d/a2，用于对所述做差后的数字信号进行数字模拟转换后获得驱动信号；

所述pwm芯片pc，用于根据所述驱动信号，生成pwm波形式的控制信号。

在本实施例中，所述控制信号为pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)波形式，且该pwm波形式的控制信号的产生通过高位数的第二数模转换器d/a2转换为模拟信号后再经所述pwm芯片得到pwm输出，克服了传统的数字式pwm波位数低，控制精度不足的缺点。

可选的，参考图4，所述第二pi调节器pi2还用于判断pi调节后的所述电流参考信号是否在预设电压范围内，如果否，则将所述pi调节后的所述电流参考信号限制在所述预设电压范围内。

在图4中，v0_limit_high表示所述预设电压范围的上限，v0_limit_low表示所述预设电压范围的下限。

在本实施例中，所述第二pi调节器pi2还用于对pi调节后的所述电流参考信号进行限幅处理，以避免过高或过低幅值的电流参考信号直接输入给所述第三加法器ad3的情况出现，提高了系统的稳定度。

在上述实施例的基础上，本申请的又一个实施例提供了一种采样单元22和主电路模块10的可行结构，如图5所示，所述采样单元22包括：电压传感器v1、电流传感器i1、第二模数转换器a/d2和第三模数转换器a/d3；其中，

所述电压传感器v1，用于获取所述负载两端的模拟电压信号；

所述电流传感器i1，用于获取流经所述负载的模拟电流信号；

所述第二模数转换器a/d2，用于对所述模拟电流信号进行模数转换，以获得所述采样电流信号；

所述第三模数转换器a/d3，用于对所述模拟电压信号进行模数转换，以获得所述采样电压信号。

所述主电路模块10包括：电流缓冲模块11、第一电容c1、dc-dc模块hb、第一电感l1和第二电容c2；其中，

所述电流缓冲模块11的输入端与输入电源的正极连接，用于接收上电电流，所述电流缓冲模块11的输出端与所述第一电容c1的一端以及所述dc-dc模块hb的第一输入端的一端均连接，用于在上电阶段，降低在上电阶段输入给所述第一电容c1的上电电流；

所述第一电容c1远离所述电流缓冲模块11的一端与所述dc-dc模块hb的第二输入端以及所述输入电源的负极连接，用于为所述dc-dc模块hb提供所述上电电流；

所述dc-dc模块hb的控制端用于接收所述控制信号，并根据所述控制信号对所述上电电流进行处理，以提高所述上电电流的精度并降低所述上电电流的漂移度；

所述第一电感l1和第二电容c2构成滤波电路，用于滤除所述dc-dc模块hb处理后的上电电流中的纹波电压和纹波电流，以获得所述工作电源。

仍然参考图5，可选的，所述电流缓冲模块11包括：串联连接的第一开关k1和第一电阻r1；其中，

所述第一开关k1和第一电阻r1的一个连接端作为所述电流缓冲模块11的输入端与所述输入电源的正极连接，另一个连接端作为所述电流缓冲模块11的输出端；

所述第一开关k1在上电阶段处于断开状态，在上电阶段结束后，处于闭合状态。

可选的，所述dc-dc模块hb为igbt(insulatedgatebipolartransistor)，绝缘栅双极型晶体管)器件构成的h桥(h-bridge)模块。

可选的，所述第一模数转换器a/d1与所述第三模数转换器a/d3采样的芯片型号相同。

综上所述，本申请实施例提供了一种电源控制系统，所述电源控制系统由主电路模块和数字控制模块构成，其中，所述数字控制模块的补偿单元对采样电流信号进行pi调节处理、数模转换和模数转换后获得参考信号，并根据所述采样电流信号和所述参考信号获取所述采样单元的温度漂移补偿信号，以使所述处理单元可以根据所述温度漂移补偿信号对预设电流信号和采样电流信号进行温度漂移补偿，即在控制信号的确定过程中消除了在获取负载的采样电压信号和采样电流信号的过程中的温度漂移和精度损失，使得所述主电路模块可以依据精确的控制信号生成精度较高的工作电源，实现了在保证电源控制系统的故障率较低且负载适应性较好的情况下，保证电源控制系统输出的工作电源仍然具有较高精度的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。