一种基于FPGA的脉冲调制高压电源控制系统的制作方法

本发明属于脉冲调制电压电源控制，具体涉及一种基于fpga的脉冲调制高压电源控制系统。

背景技术：

1、中国换流器三号装置(hl-3)是我院自主研制的新一代托卡马克聚变研究装置，是目前国内同类装置中运行参数最高、规模最大的装置。在托卡马克装置中，单独依靠欧姆线圈产生的等离子体感应电流不可能将等离子体温度加热到聚变点火温度，还必须借助电子回旋、中性束、低杂波等辅助加热系统，辅助加热(也称二级加热)是获得高温等离子体必不可少的加热手段。其中高压电源是辅助加热的核心部件，由许多组完全相同的不可控整流型电源模块串联组成，按照psm(pulse step modulation，脉冲阶梯调制)技术控制器内部的igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管)开关来输出所需要的电压值。不同的辅助加热系统会对高压电源提出不一样的要求，如电压等级、上升压时间、电压稳定度、动态响应、工作方式、电源投入方式、电源投入时间、电源脉冲宽度等。除此之外，还需要考虑系统的成本、扩展性等问题。

2、现有控制技术中，常采用处理器及可编程逻辑门阵列来实现对电源的控制。传统的可编程控制板卡通常采用3u大小，设计为128路可重配置的io口，当电源等级超过80kv时，就会面临着触发io及控制io数目超过板卡设计的io数目，就需要多张可编程控制板卡，此时需要解决多电源模块依次延时开通、反馈运行等工况下的出现的板卡协同问题；未考虑通信接口设计，远程通信需与处理器搭配，增加可编程控制板卡与处理器间的数据传输环节；电源电压等级的提高，可编程控制板卡数目需求增加，开发成本也随之增加；电源控制系统冗余性设计不足，无法兼容脉冲高压电源的任何电压等级的需求，无法做到多张可编程板卡间数据传输。

技术实现思路

1、为了解决现有脉冲高压电源控制技术，在电压等级较大，即被控电源模块数量过多时造成的传统可编程板卡间协同问题，难以兼容脉冲高压电源的多种电压等级的需求。本发明提供了一种基于fpga的脉冲调制高压电源控制系统，本发明采用一种子母板设计的fpga电路板卡，单独依靠可编程逻辑门阵列，将数据通讯、控制驱动功能集成在同一张fpga电路板卡中实现，减少了对处理器板卡以及可编程控制板卡的使用及数据传输环节，降低了设计难度，极大地节约了设计成本。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种基于fpga的脉冲调制高压电源控制系统，所述控制系统包括：上位机和主控机箱；

4、所述主控机箱内部设置设置若干板卡槽位，各个所述板卡槽位内的电路板卡通过机箱背板进行数据交互；至少一个所述板卡槽位用于安装fpga电路板卡；

5、其中，所述fpga电路板卡采用子母板的设计，子板进行以太网扩展设计，母板进行fpga和io设计，母板和子板间通过fpc排线进行连接；

6、所述fpga电路板卡既可以作为主控电路板卡也可以作为状态监测电路板卡使用；所述fpga电路板卡作为主控电路板卡时，实现数据通讯和驱动控制功能，所述fpga电路板卡作为状态监测电路板卡时，将子板拆除即可，实现电源模块状态监测功能。

7、现有脉冲高压电源控制技术，通常采用处理器及可编程逻辑门阵列来实现对电源的控制，当被控电源模块数量过大(即电源电压等级高)时，可编程控制板卡数目需求增大，会增加开发难度和开发成本。而本发明提出的控制系统采用无处理器设计方式，单独依靠可编程逻辑门阵列，将数据通讯、控制集成在同一张fpga电路板卡中实现，减少对处理器板卡及可编程控制板卡的使用及数据传输环节，同时fpga电路板卡采用子母板设计，既可以作为通信、驱动、控制功能一体化的板卡使用，也可以拆除子板，将母板单独作为电源模块状态监测板卡使用，一卡多用的设计方式极大的降低了设计难度以及开发成本。

8、作为优选实施方式，本发明的fpga电路板卡还可以作为可编程电路板卡使用。

9、作为优选实施方式，本发明的母板包括fpga电路、电平转换电路和256路io，所述子板包括双以太网口、双光纤口以及sfp口；

10、其中，所述母板中的128路io通过电平转换电路后，经由vhdc1接插件引出；另外128路io通过高密接插件由背板引出作为扩展io，当需要使用扩展io设计时，与电平转换电路板卡配合使用，即扩展io通过高密接插件由背板引出后再通过电平转换电路板卡实现电平转换后引出。

11、作为优选实施方式，本发明的母板还包括8路高速串行通讯接口；

12、8路所述高速串行通讯接口通过高密接插件由背板引出，可与其他具有高速串行通讯接口的电路板卡数据通讯。

13、作为优选实施方式，本发明的电平转换电路板卡为双向电平转换板卡，采用单层板实现，兼容3.3v～5v电平转换以及5v～3.3v电平转换。

14、作为优选实施方式，本发明的电平转换电路为双向电平转换电路，兼容3.3v～5v电平转换以及5v～3.3v电平转换。

15、作为优选实施方式，本发明的主控机箱包括9个板卡槽位；

16、其中，第一槽位作为处理器槽位，用于安装所述主控电路板卡；

17、第二槽位至第九槽位作为扩展槽位；

18、所述处理器槽位与扩展槽位之间以及所述扩展槽位与扩展槽位之间作了高速串行通讯接口设计，同时还作了触发总线设计。

19、作为优选实施方式，本发明的主控机箱的槽位间的背板设计了128路扩展io。

20、作为优选实施方式，本发明的控制系统还包括：控制机箱、驱动机箱和状态监测机箱；

21、所述主控机箱分别与控制机箱、驱动机箱和状态监测机箱通过可屏蔽线缆相连。

22、作为优选实施方式，本发明的控制机箱、驱动机箱和状态监测机箱用于实现光电或电光转换。

23、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

24、1、本发明提出的控制系统，采用无处理器的设计方式，单独依靠fpga实现对脉冲阶梯调制高压电源进行控制，同时fpga电路板卡采用子母板的设计，可以实现数据通讯、驱动控制(状态监测)多功能，也可以拆除子板，直接用作电源模块状态监测板卡，实现一卡多用，减少了对处理器板卡及可编程控制板卡的使用，降低了设计的复杂性，节约了开发成本；同时数据的交互只涉及到上位机、主控电路板卡和状态监测电路板卡，大大减少了数据传输环节，提高了容错性。

25、2、相较于传统的可编程逻辑控制板卡，本发明采用的fpga电路板卡采用256路可重配置io设计，可有效避免因被控电源模块数量过多造成的板卡协同问题，可以兼容各种电压等级(0～200kv)的高压电源，电源输出的电压等级随被控电源的模块数进行调整，同时可通过上位机进行工作模式配置，选择能够满足电子回旋、低杂波、中束性三种负载需求的工作方式，电源的适配性强。

26、3、本发明采用的fpga电路板卡可用作128路io可编程板卡使用，与处理器配合实现数据通讯、控制功能，设计兼容性强。

27、4、本发明提出的控制系统考虑了系统的可扩展性，作了双网口、光通讯口、双光纤设计。双网口均采用千兆以太网设计，可自动根据上位机的网卡进行速度匹配，可兼容10/100/1000m速率，同时双网口使该系统一方面既可用于单独的控制系统，也可集控制(enth1处理实验参数)、监视系统(enth2处理监测数据)于一体；另一方面主控双网口及两路光纤的设计方式，也可使其进行控制系统间的扩展。

28、5、本发明提出的控制系统还可采用高速串行通讯方式将监测到的故障状态信号直接读入主控中，可通过上位机进行配置，对电源模块的状态信号进行显示或者在主控中进行算法处理，使状态信号的处理多样化，提升了系统的可靠性，而且也作了高速串行通信备份设计，增加了容错率。

29、6、本发明提出的控制系统在fpga板卡间增加了触发总线的设计，使控制系统的算法变得灵活多变，电平转换板卡解除槽位限制，可根据算法进行板卡的选择。