适用于高压脉冲电路的电压快响应精准控制系统及方法

本发明属于高压脉冲直流电源，具体涉及一种适用于高压脉冲电路的电压快响应精准控制系统及方法。

背景技术：

1、高性能高压脉冲电源作为一项国民经济和工业发展中占据重要位置的高端设备，是各个系统的关键部件，其广泛应用于x光机、静电除尘、水果消杀、污水处理等领域，这些场景的输出负载和外部环境常常会变化导致输出电压扰动与偏移，但输出电压幅值的精确性直接影响着系统的整体指标。因此，为了实现脉冲高压脉冲电源的反馈控制和故障监测保护，需要其能够对输出脉冲高电压进行采样与控制；由于脉冲电压具有高压、上升沿陡、电磁环境干扰强等特点，因此需要一种快响应的电压精准控制策略，保证电路能够工作在设定幅值。

2、目前的高压脉冲电路采用的控制策略多为利用分压电阻直接将高电压降至可处理的低电压，再利用采样电路将低电压转换为模拟信号输入到控制芯片中，控制芯片再根据实际电压幅值进行控制。为了使采样部分具有强抗干扰性、稳定性及可靠性等特点，通常在电路中加入电气隔离，并对采样电路的线性度和精度提出了更高要求。

3、目前常用的隔离方法主要有变压器隔离、运放隔离、光耦隔离和压频/频压转换隔离等，其中压频转换搭配光纤传输可以实现远距离控制，但多数方案采用压频转换+频压转换+a/d转换的方式，如文献[董扣杰.面向特定谱段的可调光紫外线灯高频电子镇流器设计[d].哈尔滨工业大学[2023-10-30].doi:cnki:cdmd:2.1018.896513]，但其由于频压电路响应速度较慢、a/d转换电路仍存在，使得电压采样部分电路复杂、体积大、成本高，并且具有较大延迟，引入更多的误差。另外，采用多模块结构是高压脉冲电路常用的拓扑结构，传统方法只能对总输出电压进行采样和控制，无法对其中浮地的单模块进行精准控制，如公开号为cn106018941a的中国专利申请提供的一种基于压频转换技术的脉冲高压测量平台。因此传统的高压脉冲电压控制策略的应用场景具有局限性，且无法通过对单模块的单独控制实现各种波形的精确快速变换(如阶梯波)。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明提供了一种适用于高压脉冲电路的电压快响应精准控制系统及方法，能够实现在强电磁干扰下对输出高压脉冲进行快速精确的控制，并将故障监测电路的返回信号与采样信号相与，对电路进行简化，使高压脉冲电路在达到控制与保护要求的同时具有快响应和高精度的特点。

2、一种适用于高压脉冲电路的电压快响应精准控制系统，包括电源模块、电压调理模块、压频转换电路、电转光电路、光转电电路、控制模块，其中：

3、所述电源模块用于将高压脉冲电路中高压侧电容两端的直流电压转化成所需的电压幅值，为系统中其他模块电路供电；

4、所述电压调理模块采用浮地采样及分压技术将高压脉冲电路的总输出电压或单模块输出电压按线性比例降压至压频转换电路的输入量程，形成直流电压输出；

5、所述压频转换电路用于将电压调理模块输出的直流电压转换为呈方波脉冲列的频率信号；

6、所述电转光电路利用光纤发射器将频率信号转换为光信号并通过光纤传输至光转电电路；

7、所述光转电电路利用光纤接收器将光信号转换为电信号后输送至控制模块；

8、所述控制模块首先对电信号的方波脉冲上升沿或下降沿进行捕获，利用内部定时器对相邻两个上升沿或相邻两个下降沿之间的时段进行计数，并根据内部定时器的频率对计数值进行处理求得电信号方波脉冲的实际频率，进而根据电路比例关系计算得到实际的输出电压幅值，然后将实际的输出电压幅值与参考电压比较，根据所需控制策略为高压脉冲电路中的功率管生成相应的开关驱动信号，以精准控制实际输出电压与参考电压相一致。

9、进一步地，所述电源模块由高压隔离电路和线性稳压源连接构成，其采用高压浮地自取电技术将高压脉冲电路高压侧电容两端的直流电压转换成所需的电压幅值，为系统中高压部分的电路模块供电；无需从外部供电，可以省去额外的电源为高压部分的采样电路供电，简化电路，有利于绝缘设计，提高系统安全性。

10、进一步地，所述电压调理模块由差分放大电路、mfb(multiple feedback，多端负反馈)电路和电压跟随器组成，具体包含有9个电阻r1～r9、4个电容c1～c4以及三个运算放大器oa1～oa3，其中r1的一端接总输出电压或单模块输出电压的低压端，r2的一端接总输出电压或单模块输出电压的高压端，r1的另一端与r3的一端相连，r3的另一端与r5的一端、c1的一端以及oa1的反相输入端相连，r2的另一端与r4的一端相连，r4的另一端与r6的一端、c2的一端以及oa1的正相输入端相连，r6的另一端与c2的另一端相连并接地，r5的另一端与c1的另一端、oa1的输出端以及r7的一端相连，r7的另一端与r8的一端、r9的一端以及c3的一端相连，c3的另一端接地，r8的另一端与c4的一端以及oa2的反相输入端相连，oa2的正相输入端接地，r9的另一端与c4的另一端、oa2的输出端以及oa3的正相输入端相连，oa3的反相输入端与输出端相连并产生直流电压输出。该电路不仅适用于对总输出电压幅值进行控制，还适用于由多模块电路组成的高压脉冲电路(如marx电路)，可以对浮地的单模块电压进行单独的采样和控制，从而实现总输出电压各种精确变换(如阶梯波)；此外，该电路对输入信号进行了缓冲隔离，增大输入阻抗，实现电压调理模块和压频转换电路的隔离，使输出的方波频率信号上升/下降沿时间更短。

11、进一步地，所述压频转换电路基于压频转换芯片lm331(或其他类似功能的电路芯片)实现压频转换，并设计相应外围电路实现高频精确响应，具体包含压频转换芯片lm331、滑动变阻器、三极管、二极管、运算放大器、反馈电容cf、电容ct、输入电阻rin、电阻rt、可调电阻rs、13个电阻r10～r19以及两个电容c5和c6，其中r10的一端与rt的一端、三极管的集电极以及lm331的引脚8相连并接vs，r10的另一端与r11的一端、c5的一端以及lm331的引脚6相连，rt的另一端与ct的一端以及lm331的引脚5相连，ct的另一端与r11的另一端以及c5的另一端相连并接地，三极管的基极与r12的一端、r13的一端以及lm331的引脚2相连，r12的另一端与三极管的发射极以及r14的一端相连，r14的另一端接地，r13的另一端与rs的一端相连，rs的另一端接地，rin的一端接电压调理模块输出的直流电压，rin的另一端与cf的一端、运算放大器的反相输入端以及lm331的引脚1相连，cf的另一端与r15的一端、运算放大器的输出端以及二极管的阴极相连，二极管的阳极接地，r15的另一端与lm331的引脚7相连，运算放大器的正相输入端与r16的一端以及c6的一端相连，c6的另一端接地，r16的另一端与r17的一端的以及r18的一端相连，r18的另一端接地，r17的另一端接滑动变阻器的滑动触点且对准中点0v，滑动变阻器的两端分别接vs和-vs，lm331的引脚3与r19的一端相连并输出频率信号，r19的另一端外接给定的上拉电平，vs为芯片供电电压。该电路输出方波脉冲列频率量程可达百khz级别，非线性度极低(±0.03％)，为快速精确控制提供基础。

12、进一步地，所述电转光电路由与门和光纤发射器连接组成，与门的输入端分别接频率信号和外部电路监测得到的故障信号，用以对两路信号进行与运算后输出，电转光电路采用光纤发射器将与门的输出信号转换为光信号后通过光纤传输给光转电电路。

13、进一步地，所述光纤发射器采用型号为hfbr-1521etz或类似的光纤发送电路芯片，所述光纤接收器采用型号为hfbr-2521etz或类似的光纤接收电路芯片。该光纤隔离传输电路具有功率高、稳定性高、响应快、抗电磁干扰能力强的特点。

14、进一步地，所述控制模块采用dsp或stm32等控制芯片，利用其ecap功能对电信号方波脉冲相邻两个上升沿或相邻两个下降沿之间的时段进行计数以计算出频率，再根据比例关系推算出实际的输出电压(高压脉冲电路的总输出电压或单模块输出电压)，进而将该输出电压与预设的参考电压进行比较，通过相应的控制策略对开关占空比以及输入电压进行调节，并为高压脉冲电路中的功率管生成相应的开关驱动信号，以精准控制实际输出电压与参考电压相一致。其省略了频压转换电路，简化电路结构，提高采样速度，为快速精确控制提供基础，同时可以保证输出脉冲电压与参考电压相同，当由于输出负载变化导致输出脉冲电压轻微变化时，可以控制调整输入源使输出脉冲电压在一个脉冲周期内(脉冲频率30khz以下)恢复到参考电压。

15、进一步地，当外部电路监测发现故障时，生成故障信号为低电平，与门输出信号也为低电平，则控制模块通过上升/下降沿捕获功能计数求得的频率为0hz，判定高压脉冲电路高压侧出现故障，反馈给操作界面并停止电路工作。

16、基于上述技术方案，本发明可以将高压端故障监测电路和采样电路相结合，设计故障监测电路的输出和压频转换电路的输出通过与门后再由光纤发送器发送至控制中心，当电路无故障时故障监测电路输出高电平，出现故障时输出低电平，此时控制中心接收到的频率为0hz，即判定电路出现故障，使电路停止工作，通过本发明系统可以省去故障监测电路的光纤传输，控制芯片不需另设引脚，简化电路设计。与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

17、1.本发明采用电压调理模块-压频转换电路-光纤传输-控制芯片-高压脉冲电路电源的控制环路，与传统控制方式相比：首先采用差分放大电路，使这种控制策略不仅可以应用于总输出电压的采样与控制，还可以对多模块电路中的单模块进行单独采样与控制；其次设计了高频精确响应压频转换电路，省去了延时性较高的频压转换电路，并直接将方波脉冲列输入到控制芯片中，利用其上升/下降沿捕获功能求对应频率和输出脉冲电压幅值，适合工作频率较高的高压脉冲电路，并且能够实现对输出高压脉冲快响应、高精度控制。

18、2.本发明简化了高压侧故障监测电路的信号返回部分，将故障监测电路的输出与压频转换电路输出通过与门相与，将与门输出信号输送到控制中心中，当计数求得频率为0hz时，即说明电路出现故障，控制芯片使电路停止工作；通过本发明系统既减少了一路光纤传输，简化电路，降低成本，同时也提高了故障信号的传输速度，提升电路安全性。

19、3.本发明采用高压浮地自取电技术，利用高压隔离电路和线性稳压源构成辅助电源电路，直接利用高压侧电容两端的电压为电压调理模块、压频转换电路和电转光电路供电，省去了额外的电源，并可将高压侧电路和外部低压电路隔离开来，保证系统安全。