合肥光源新型数字校正铁电源系统

张海燕 金正方 邵 杰 赵 涛 蔡 平

（中国科学技术大学国家同步辐射实验室 合肥 230029）

合肥同步辐射光源(HLS)由200 MeV电子直线加速器和800 MeV电子储存环组成。储存环上共有44个校正线圈，用以进行闭轨校正，分别作为弯转磁铁和四极磁铁的附加线圈，绕在其铁芯上。常规闭轨校正中，采用32个校正铁(水平、垂直方向各16个)，每块铁由一台双向电源(±20 A/10 V)供电，每4台电源放置在一台电源柜内，用一台设备对它们进行基本控制。这些电源的主要技术方案为晶体管串联调整模式，经长期使用，老化已相当严重，运行故障明显增多。电源的技术指标也有所降低，其控制精度和稳定性已不能满足轨道稳定性要求。因此，我们对储存环校正铁电源系统进行了改造。

新电源系统为全数字化高稳定度恒流开关电源。其主体结构采用十二相整流滤波＋H桥开关PWM模式，采用以数字信号处理器(DSP)为控制核心的数字方式实现电源的控制、保护电路及通讯接口等，其适应性、灵活性和数字环路控制能力大为提高，模拟电源控制器中常见的线路老化、误差、漂移、非线性不易补偿等问题大为减少，控制参数稳定高效[1,2]。此电源可更好满足束流轨道的要求，本文对其作系统介绍。

1 系统硬件结构

新校正电源的PWM工作频率为50 kHz，主回路由熔断器、输入EMI滤波器、交流接触器KM1、十二相整流变压器T1、十二相整流滤波电路、IGBT H桥DC/DC变换器、高频滤波电路、输出EMI滤波器、电流取样DCCT1、电流回读DCCT2、前馈取样电路、负载取样电路等组成(图1)。其中，输入整流滤波电路为低通滤波器，为 DC/DC变换器提供平滑的直流电压。DC/DC变换器是由4个相同的场效应模块QA、QB、QC、QD组成的H桥变换器。输出整流滤波电路将H桥变换器输出的电压进行滤波，得到所需直流电压。电流取样采用零磁通TH1、TH2作隔离取样。其中，TH1选用电流型DCCT，其取样值送入AD卡；TH2选用电压型DCCT，其取样值直接送到电源外部检测口。保护电路主要实现过流保护、过压保护、超温保护、断水保护和负载故障保护。

控制电路主要由全数字化控制器组成，包括DSP卡和AD卡，在上海光源与成都大博电气有限责任公司联合开发的国产数字化电源控制器基础上，又作了改进。DSP卡提供H桥软开关触发脉冲信号；作恒流PID运算，使系统的电流误差恒定在1×10–4内；作网压前馈PID运算，对电网的波动和纹波进行补偿，抑制系统的快变化；实现与上位机的通讯，具有光纤通讯和 RS232串口通讯。ADC卡完成前馈电压信号采集，负载电压信号采集，负载电流信号采集，以及数字低通滤波[3–5]。

DSP卡核心芯片采用TMS320F2812，该芯片采用8级指令流水线，单周期32×32位MAC功能，最高速度每秒钟可执行1.50亿条指令，保证了控制和信号处理的快速性和实时性。另外，TMS320F2812片上还集成了丰富的外部资源，包括128 K F1ash存贮器，18 K RAM存贮器，16路PWM输出，16路12位ADC，并具有McBSP、SPI、SCI和扩展的CAN总线等接口。和上位机通讯的单片机芯片采用了Ti公司的MSP430F5438，系16位超低功耗的微控制器，具有 256 KB闪存、16 KB RAM、12位ADC、4个USCI、32位HW乘法器。DSP卡提供8路数字输入，用于连锁告警；提供8路数字输出，用于控制外部继电器，两者均采用光耦隔离。

ADC卡由FPGA和ADC及其外部电路组成，其中FPGA采用了ALTERA公司的Cyclone系列EP1C3T144，所使用的软件开发环境为Quartus‖6.0。高精度的输出电流采样、输出输入电压采样均采用了AD7631来实现。AD7631是一款18位、电荷再分配、逐次逼近型架构模数转换器(ADC)，采用ADI公司的iCMOS高电压工艺制造。它内置了一个18位高速采样ADC、一个内部转换时钟、一个内部基准电压源(和缓冲)、纠错电路，以及串行和并行系统接口端口，对IN+和IN−上的全差分模拟输入进行采样。

图1 电源系统框图Fig.0 System structure of the power supply

控制卡的工作流程大致为：电源输出电流经DCCT采样后，送入 ADC转换成数字信号，由FPGA处理后送入DSP。DSP采用PID算法，处理内部和外部 ADC数据，将算法结果通知应用层，控制PWM的输出，经驱动IGBT后实现电源的高精度数字调节[6-8]。新电源经安装调试后，测得数字化控制器送入驱动器的脉冲工作波形如图2所示。

图2 控制器送入驱动器的脉冲波形Fig.2 Pulse form sent to the driving card by the control card

2 系统软件设计

电源系统本控和远控使用相同的监控规范，远控的监控指令是本控的子集。通信采取UART串口标准(波特率为115200，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位)，同时采取命令-应答方式，控制器为从方。控制方通过读写电源控制卡内部的存储器，实现对电源的设置和查询。控制卡内部的存储器为32位数据宽度。

电源的本控通过 DSP卡上 TMS320F2812的SCIA口和MAX232接口直接通讯，遵从二进制通讯协议；远控则通过卡上的单片机(MSP430F5438)进行二进制和 ASCII码通讯协议的转换，遵从ASCII码的通讯协议。

电源的本控软件在 Windows环境下用 Delphi语言编写，分为五个功能模块：主菜单模块(定义菜单项和公用的全局变量、全局函数)；实时监控模块(完成对电源实时监测和控制操作)；数据浏览模块(完成任意自定义浏览和打印电源历史数据的功能，数据以文件形式存放，以图表形式显示)；设置模块(主要用来设置系统参数等)；通讯模块(采用串口通讯方式，遵从数字控制器约定的监控协议)。

图3为电源实时监控子界面。如一开始通讯参数未设置正确，或系统与电源控制器未联机，状态指示灯和操作按钮均不能工作。联机后，先读取控制器状态参数，如数字输入屏蔽字与输出屏蔽字、参考电流的上下限、电压电流的测量范围等。核对后点击合闸按钮，检查回读的电源状态是否正确。再给定电流，可在图表中观察电源的工作情况。

电源的远控软件是基于加速器控制系统领域通用软件工具EPICS在SUN工作站上开发的。EPICS有诸多工具(如MEDM、TCL/TK、SDDS等)用于OPI的人机界面设计，减少软件开发工作量并实现统一的分布式控制。储存环新型校正铁数字开关电源经现场安装测试，性能指标均达预期指标。测试设备为 Agilent 34970A多通道数据采集器、TEK TDS3052 500 MHz示波器、Benchlink for 34970A DAU测量软件和Raynger ST80激光测温计。

所有电源均在额定电流的±20% FSR(±4 A)、±100% FSR(±20 A)和零点电流情况下进行了8 h以上稳定度测试，Benchlink测量软件进行自动采集、记录和统计，得出的测量结果如图4所示。图中数据表明，各电源各电流点下的相对电流稳定度皆优于规范要求的1×10–4。电流分辨率皆优于1×10–4，装置温升也符合要求。

图3 电源实时监控子界面Fig.3 The sub-front panel of real time monitoring and controlling of PS.

图4 电源稳定度测试数据图Fig.4 Test data for stability of the power supply.

3 结论

新校正铁电源采取了以全数字化控制器为核心的开关型稳流电源方案，本地控制通过DSP卡上的串口可灵活设置电源回路参数，中央控制室与电源通讯调试的环节也得到了简化，大大提高了效率。投入实际运行后，新电源系统的精度和稳定度也得到了明显提高，很好地满足了轨道稳定性对其的要求。

1 许瑞年, 陈焕光, 沈天健, 等. 中国物理C, 2008, 32(增刊): 124–126

XU Ruinian, CHEN Huanguang, SHEN Tianjian, et al. Chinese Physics C, 2008, 32(Suppl): 124–126

2 崔德友. 基于DSP控制的PWM型开关电源的研究与开发. 大连理工大学, 硕士论文, 2006. 6

CUI Deyou. Study & Development of PWM Mode Switching Power Supply Based on DSP, Dalian University of Technology, Master thesis, 2006. 6

3 Kiman Ha, Oh M Y, Kim J H, et al. PLS Power Supply control and upgrade plan. EPICS collaboration meeting, 2004. 12

4 Ding J G, Zhu H J, Zhao H, et al. A prototype of the SSRF power supply control system. APAC 2007, Raja ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, India

5 王进军, 陈又新, 高大庆, 等. 核技术, 2009, 32(5): 396–400

WANG Jinjun, CHEN Youxin, GAO Daqing, et al. Nucl Tech, 2009, 32(5): 396–400

6 Jenni F, Tanner L. Digital Control for Highest Precision Accelerator Power Supplies. PAC’01, Chicago, May 2001

7 Emmenegger M, Jenni F. A Fully Digital PWM for Highest Precision Power Supplies. European Power Electronics Conference, 2001

8 Kiman Ha ,J. Choi. Storage Ring Corrector MPS Control System for Global Orbit Feedback. PAL-PUB-2003