面對(duì)日益加劇的能源消耗問(wèn)題，核聚變作為一種具有巨大潛力的清潔能源，其研究與開(kāi)發(fā)的重要性日益凸顯。高壓脈沖電源在核聚變反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，它必須具備高電壓、強(qiáng)電流、快速響應(yīng)和精準(zhǔn)控制等特性，以適應(yīng)極端的反應(yīng)條件。

為優(yōu)化高壓電源控制策略，加速其設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程，森木磊石推出了基于國(guó)產(chǎn)PXI控制器的高壓電源控制系統(tǒng)方案。

本篇中我們將對(duì)高壓電源控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并以100kV、50A量級(jí)的高壓電源為例，驗(yàn)證EasyGo高壓控制系統(tǒng)在不同控制算法下，對(duì)高壓電源的優(yōu)異控制效果。

一、高壓電源控制系統(tǒng)

在高壓電源控制系統(tǒng)方案中：控制部分采用真實(shí)的控制器“國(guó)產(chǎn)PXI”，功率拓?fù)洳糠掷肊asyGo實(shí)時(shí)仿真器模擬，將二者用真實(shí)的物理IO線(xiàn)纜進(jìn)行閉環(huán)連接。

整體系統(tǒng)架構(gòu)下圖所示：

在高壓電源控制系統(tǒng)中，使用國(guó)產(chǎn)PXI作為高壓電源系統(tǒng)的控制器。

國(guó)產(chǎn)PXI：由PXIe控制器，PXIe機(jī)箱，PXIe FPGA 模塊組成，其性能強(qiáng)大，接口豐富，擁有大量的IO通道且支持TCP通訊。

若搭建真實(shí)的高壓電源電路功率拓?fù)洌馁M(fèi)周期長(zhǎng)且進(jìn)行故障工況測(cè)試時(shí)不具有安全性。考慮到多種因素，利用EasyGo實(shí)時(shí)仿真器模擬高壓電源系統(tǒng)。

在實(shí)時(shí)仿真器部分中，只需要利用Simulink搭建好高壓電源模型后，基于EasyGo平臺(tái)將其導(dǎo)入進(jìn)實(shí)時(shí)仿真器中運(yùn)行即可。

二、控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

▍模塊化組合，靈活配置：可以配置不同的板卡，適應(yīng)不同的組合，靈活性高。

▍圖形化算法搭建：非代碼式的開(kāi)發(fā)，支持圖形控件拖拽進(jìn)行算法邏輯搭建。

▍上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控：上位機(jī)自定義界面支持實(shí)時(shí)下發(fā)控制參數(shù)和數(shù)據(jù)監(jiān)控。

三、控制系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證EasyGo高壓電源控制系統(tǒng)方案對(duì)于緊湊型高壓電源系統(tǒng)的控制效果，我們將通過(guò)“PSM控制、PWM配合PSM控制、移相控制”三種控制方法進(jìn)行仿真測(cè)試。

整體系統(tǒng)測(cè)試架構(gòu)如圖：

左側(cè)機(jī)柜下方安裝的是國(guó)產(chǎn)PXI控制器，右側(cè)為模擬緊湊型高壓電源的實(shí)時(shí)仿真器PXIBOX，上位機(jī)通過(guò)TCP通訊對(duì)實(shí)時(shí)仿真器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

對(duì)緊湊型高壓電源進(jìn)行模型搭建，由于做原型驗(yàn)證，我們?cè)趯?shí)時(shí)仿真模型中模擬了300個(gè)模塊級(jí)聯(lián)的高壓電源拓?fù)潆娐?/span>。將模型載入到實(shí)時(shí)仿真器中，通過(guò)真實(shí)的物理IO線(xiàn)與真實(shí)控制器進(jìn)行連接，從而來(lái)驗(yàn)證不同的控制算法對(duì)其控制效果。

接下來(lái)以100kV、50A量級(jí)的高壓電源為例，為大家分享基于多種控制方法，對(duì)緊湊型高壓電源系統(tǒng)的控制效果。

1、PSM控制驗(yàn)證

PSM控制算法是根據(jù)目標(biāo)輸出電壓去調(diào)整需要調(diào)用子模塊的個(gè)數(shù)。在調(diào)用單個(gè)子模塊的時(shí)候，對(duì)該子模塊的半橋控制只有上管常開(kāi)下管常關(guān)，或者上管常關(guān)下管常開(kāi)兩種。

當(dāng)上管關(guān)下管開(kāi)時(shí)，為調(diào)用該模塊；反之，則為不調(diào)用該模塊。電壓環(huán)經(jīng)過(guò)PI后，得到相應(yīng)的需要調(diào)用的子模塊個(gè)數(shù)M，將M輸入到模塊調(diào)用控制中，即可形成閉環(huán)控制。啟動(dòng)控制后，輸出電壓會(huì)步進(jìn)式地逐步向目標(biāo)電壓靠近，直到達(dá)到目標(biāo)電壓。該控制方法的缺點(diǎn)是輸出電壓波紋偏大，缺乏靈活性。

仿真中，控制器設(shè)定目標(biāo)電壓為100kV，可以觀察到：

負(fù)載輸出最終控制在100kV左右，調(diào)用的子模塊數(shù)在270個(gè)左右，負(fù)載為阻性負(fù)載2000歐姆，負(fù)載電流為50A左右。Vdc輸出電壓隨著子模塊開(kāi)啟數(shù)量的增加，一步一步增加直到目標(biāo)值，與控制算法邏輯一致。

實(shí)時(shí)仿真界面如圖所示：

可以看到，負(fù)載電壓穩(wěn)定在99600~100400V左右，使用子模塊數(shù)在270個(gè)左右。

2、PWM配合PSM控制驗(yàn)證

PSM控制紋波較大的主要原因是：不同電壓期望值對(duì)應(yīng)的子模塊投入數(shù)量并非總是理想的整數(shù)。PI控制通過(guò)將計(jì)算結(jié)果的小數(shù)部分轉(zhuǎn)換為占空比，并利用PWM控制來(lái)調(diào)節(jié)一個(gè)固定的子模塊，有效減少紋波。

在控制中，只對(duì)第300個(gè)子模塊使用PWM控制，其他的299個(gè)子模塊依舊是用PSM控制，這樣可以起到PWM配合PSM的作用。

仿真中，控制器設(shè)定目標(biāo)電壓為100kV，可以觀察到波形如圖：

相比于單純的PSM控制算法，其輸出波形平滑了許多，輸出電壓也到達(dá)了設(shè)定值100kV。

實(shí)時(shí)仿真界面如圖所示：

可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)載電壓穩(wěn)定在99700~100300V左右，其紋波相對(duì)于純PSM控制要優(yōu)化了許多。

3、載波移相控制驗(yàn)證

載波移相控制通過(guò)依次調(diào)整子模塊的載波相位來(lái)實(shí)現(xiàn)。模型包含30個(gè)串聯(lián)模塊，分為0°、120°、240°三組，每組10個(gè)，載波相位以36°的間隔遞增。每個(gè)特定的輸出目標(biāo)電壓都有對(duì)應(yīng)的調(diào)制占空比。

仿真中，控制器設(shè)定目標(biāo)電壓為100kV，可以觀察到：

電壓波形達(dá)到設(shè)定值，阻性負(fù)載為2000Ω，電流為50A左右。由于所有的子模塊都進(jìn)入到了工作狀態(tài)，且同時(shí)進(jìn)行控制，其達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值的時(shí)間相比于前兩種算法要大大縮減。

實(shí)時(shí)仿真界面如下圖所示：

可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)載電壓穩(wěn)定在99800~100200V左右。

經(jīng)過(guò)對(duì)多種控制算法驗(yàn)證測(cè)試，可以看到國(guó)產(chǎn)PXI控制器控制效果與預(yù)期一致，再次驗(yàn)證了EasyGo高壓電源控制系統(tǒng)方案對(duì)高壓電源的優(yōu)異控制效果，可為高壓電源的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供強(qiáng)有力的支持。