用于模块化脉冲功率电源的抗电磁干扰模块控制系统的制作方法

1.本发明专利涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种脉冲功率电源的抗电磁干扰模块控制技术。


背景技术：

[0002]“空间等离子体环境模拟与研究系统”是国家重大科技基础设施建设中长期规划建设重点之一的“空间环境地面模拟装置”的分系统之一，主要研究空间环境因素中的等离子体的有关内容，以揭示空间等离子体的分布、演化规律及其与航天器相互作用的物理机制，提高对空间极端环境的认识和防控能力。近地空间等离子环境模拟系统是其中一个重要实验研究分系统，该系统用来模拟地球磁层环境来研究两个方面的主要内容：(1) 研究空间等离子体环境的基本物理过程，具体为与磁层顶磁重联相关的三维磁重联物理问题，从而深化对空间等离子体环境的认识，为航天器设计和安全运行提供理论指导；(2)研究极端空间等离子体环境的特点及相关物理过程，加深对磁暴、高能粒子暴等灾害性空间环境的理解，为完善辐射带高能粒子模型、航天器安全评价和设计提供指导。
[0003]
在近地空间等离子体环境模拟系统中，为了实现以上的研究内容，在该系统中采用一套复杂的磁体线圈组来模拟地球磁层的磁场结构及等离子环境，磁体线圈组包括4个磁鞘极向场线圈、4个磁鞘环向场线圈、6个磁层顶位形控制线圈、1个偶极场线圈、1个磁扰动1型线圈、1个磁扰动2型线圈、1个磁镜场线圈共18个线圈。每个线圈由一套脉冲功率电源提供激励电流来产生磁场，共18套脉冲功率电源，通过选择投入使用脉冲功率电源的数量和设置投入使用脉冲功率电源的放电时序来模拟地球磁层的磁场结构及等离子环境，以及其他多种物理实验条件的磁场拓扑结构。18脉冲功率电源采用模块化设计，每套电源由若干模块和本地控制器组成，每个模块包括充电机和放电模块，每个充电机和放电模块的结构和功能基本一致。18脉冲功率电源共129个模块，每个模块包括一个放电模块和一个充电机，其额定工作电压为20kv，由于各套电源的负载线圈参数不同其输出脉冲电流的大小也有区别，其中最大的输出脉冲电流峰值可达570ka。
[0004]
由以上可见，组成18套脉冲功率电源的模块数量较多，工作模式多样，要想完成所有模块的集成、有序和灵活控制就需要控制系统来完成这一功能。在采用分布式控制系统结构的脉冲功率电源控制系统中，18套脉冲功率电源的每个模块作为其基本组成部分，是控制系统实现其功能的最小集成控制对象，包括了每个模块的充电、放电、泄放、电压设置、状态参数监测等功能。相比于充电机只需要实现接收控制系统设置电压和充电指令的功能，放电模块由于是输出电流的主体且具有较为复杂的结构，其内部受控和监测的对象较为繁多，同时为了增加放电模块的集成度，缩小放电模块的体积，放电模块将集成了放电、泄放、状态参数监测等功能的模块控制器放置在了放电模块内部，用于接收控制系统发送的控制指令和上传该放电模块的状态参数信息。在脉冲功率电源放电过程中，电源周围的环境是一种高压大电流的复杂电磁环境，模块控制器及本地控制内部的控制及数据采集电路为敏感设备，受到较强的电磁干扰影响会无法正常工作，甚至有损坏的风险，所以需要设
计具有抗电磁干扰的模块控制系统来保证模块化脉冲功率电源能够在强电磁干扰环境下稳定可靠地为18个线圈提供具有多种输出时序、灵活可调的激励电流。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是为了在高压大电流的复杂电磁环境下，设计一种具有抗电磁干扰的模块控制系统来保证模块化脉冲功率电源的129个模块能够稳定可靠地执行控制系统发送的指令以及上传各个放电模块和充电机的状态参数给控制系统，进而能够为18个线圈提供具有多种输出时序、灵活可调的激励电流。
[0006]
本发明采用的技术方案是：
[0007]
一种模块化脉冲功率电源的抗电磁干扰模块控制系统，脉冲功率电源共有18套，每套脉冲功率电源由n个放电模块和m个充电机构成电源主体，n和m均为正整数，并通过一台本地控制器3作为远程控制系统和放电模块、充电机的通信中枢，每个放电模块和充电机中包含一个放电模块控制器5和一个充电机控制器4；
[0008]
其特征是：该系统包括远程控制系统1和两台光纤交换机2；
[0009]
所述远程控制系统1通过网线与光纤交换机2连接，用于下发控制指令和接收各放电模块、充电机和本地控制器状态；
[0010]
所述两台光纤交换机通过光纤连接，其中一台放置于控制室通过网线与远程控制系统1 连接，另一台放置于电源室通过光纤分别与18套功率电源的本地控制器3连接，每套脉冲功率电源的本地控制器与该套脉冲功率电源的所有放电模块控制器(5)和充电机控制器4使用光纤连接；
[0011]
18台本地控制器3的功能相同，均用于接收远程控制系统发送的各种参数和指令、向充电机控制器4和放电模块控制器5下发参数和指令、接收放电模块控制器5上传的电压、电流和温度采集数据，以及工作状态信息、接收充电机控制器4上传的电压、电流以及工作状态信息、采集对应脉冲功率电源输出电流以及对应负载线圈上的电压，以及融合处理各种数据和状态并存储并按照相应要求发送至远程控制系统；
[0012]
充电机控制器4位于充电机中，每个充电机控制器功能相同，包括接收本地控制器3发送的各种参数和指令，采集对应充电机的电压和电流数据，控制充电机的充电过程和逆变开关的触发过程，向本地控制器3反馈充电机的工作数据和状态信息；
[0013]
放电模块控制器5位于每个功率电源的模块中，共129个，每个放电模块控制器5功能相同，包括接收本地控制器发送的各种参数和指令，采集对应放电模块的电压、续流电流和温度数据，控制放电模块的泄放开关、接地开关和充电开关，控制晶闸管的触发过程和向本地控制器反馈放电模块工作数据和状态信息；
[0014]
本发明中，本地控制器基于fpga器件设计，还包括电源管理电路、本地存储器、时钟管理电路、光电转换器、以太网phy芯片、千兆比特光电转换器、运算放大器、积分器和模数转换器。fpga器件作为本地控制器的核心处理单元执行远程控制系统下发的控制指令和上传采集数据；电源管理电路为模块控制器提供稳定的电源；本地存储器用于临时存储测量的输出电流、负载电压数据以及自身和所属脉冲功率电源各个放电模块和充电的状态参数，远程控制系统可以访问本地存储器获取数据；时钟管理电路用于为fpga器件提供时钟信号；光电转换器用于将fpga器件产生的电信号转换为光信号，然后通过光纤与远程控制
系统和所属脉冲功率电源的放电模块和充电机连接；以太网phy芯片用来作为与远程控制系统进行网络通信的物理接口，通过千兆比特光电转换器经光纤、光纤交换机与远程控制系统连接；运算放大器用来对罗氏线圈2所测量的脉冲功率电源输出电流获得的电压信号进行放大；积分器用来还原罗氏线圈2所测量的电流波形；模数转换器用来将积分器还原的电流数据模拟量信号转为数字量信号然后送入fpga器件进行处理。每套脉冲功率电源的输出电流由放置于汇流盘中的罗氏线圈2测量，为了抑制地回路对测量信号的干扰，罗氏线圈2通过扼流圈与本地控制器中的运算放大器、积分器连接，然后通过模数转换器与本地控制器中的处理芯片连接。
[0015]
本发明中，所述的放电模块控制器基于fpga器件设计，还包括放电模块控制器供电电源、信号隔离设备、运算放大器、模数转换器1、模数转换器2、光电耦合器和继电器控制器。fpga 器件作为放电模块控制器的核心处理单元执行远程控制系统通过本地控制器下发的控制指令和上传采集数据；模块控制器供电电源通过隔离变压器、开关电源、高频逆变器、磁环和整流器获得5v直流电源分别为fpga和信号隔离设备供电；信号隔离设备将分压器采集的电压模拟量信号经电压-频率转换器转换为数字量信号经光纤传输给频率-电压转换器再转换为模拟量信号，通过光纤的电气隔离消除电磁干扰；运算放大器用来将采集的信号进行放大；模数转换器1用来将罗氏线圈1测得的续流电流经过信号隔离设备转换后的模拟量信号转换为数字量信号传送给fpga器件；模数转换器2用来将红外温度传感器1和红外温度传感器2测得的温度模拟量信号转化为数字量信号传送给pfga器件；继电器控制器与fpga器件之间的通信使用光电耦合器来抑制地回路的干扰，从而在充电和放电过程中可靠地控制充电开关、泄放开关和风扇。模块内部续流电流的测量通过罗氏线圈1测量，罗氏线圈1输出的电压信号通过运算放大器1放大信号，再通过积分器还原为所测量的电流波形，然后通过模数转换器将为模拟量信号的电流波形转换为数字量信号传送给fpga器件，为了减少地回路对积分器的干扰，积分器也由放电模块控制器供电电源输出的5v直流电源供电。
[0016]
本发明中，放电模块中泄放电阻和续流电阻的温度分别使用红外温度传感器1和红外温度传感器2来实现非接触式测量，两个温度传感器均使用smb线与fpga器件的模数转换器2连接。
[0017]
本发明中，放电开关的触发控制、放电开关和续流开关的状态参数上传均通过光纤与放电模块控制器进行通信。
[0018]
本发明所述系统的有益效果是：1)可以使用该系统对18套脉冲功率电源的129个模块 (包括充电机和放电模块)进行控制，使其够为18个线圈提供具有多种输出时序、灵活可调的激励电流；2)、该系统通过抗电磁干扰设计能够在高压大电流复杂电磁环境下稳定可靠地执行控制系统发送的指令以及上传各个模块的状态参数给控制系统；3)、放电模块控制器使用隔离变压器、磁环、光电耦合器、光纤等手段实现信号的电气隔离，能够抑制地回路以及传导和辐射耦合干扰，实现对放电模块内部续流电流、泄放电阻温度、续流电阻温度、电容电压、放电开关状态、续流开关状态的稳定采集及上传，同时能够可靠地对风扇、泄放开关、充电开关进行控制；4)对于每套脉冲功率电源的输出电流的测量，为了有效抑制地回路的干扰，罗氏线圈通过扼流圈与本地控制器中的电流测量设备连接，采用此种方法能够有效解决放电过程中输出电流采集不准确，电流测量设备损坏等问题。
附图说明
[0019]
图1为一种模块化脉冲功率电源模块控制系统的拓扑结构以及模块的数据采集和控制功能示意图；
[0020]
图2为本地控制器原理示意图；
[0021]
图3为放电模块结构示意图；；
[0022]
图4为放电模块控制器数据采集与控制功能的抗电磁干扰设计示意图；
具体实施方式
[0023]
具体实施方式一、参照图1-4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种模块化脉冲功率电源的抗电磁干扰模块控制系统，该系统包括远程控制系统、数据存储系统、光纤交换机、不间断电源、本地控制器、放电模块控制器、充电机控制器。
[0024]
远程控制系统通过网线与光纤交换机连接用于下发控制指令和接收各放电模块、充电机和本地控制器状态。
[0025]
数据存储系统用来存储脉冲功率电源每次放电的数据，并提供查询任意一次放电数据的功能。
[0026]
光纤交换机为两台，一台放置于控制室通过网线与远程控制系统和数据存储系统连接，另一台放置于电源室通过光纤与18套电源的本地控制器连接，两台光纤交换机通过光纤连接。每套脉冲功率电源的本地控制器与该套脉冲功率电源的所有放电模块控制器和充电机控制器使用光纤连接。采用光纤进行信号的传输能够实现信号完全电气隔离，从而能够消除地回路、传导和辐射耦合干扰。
[0027]
不间断电源为两台，一台为模块控制器和本地控制器供电，另一台为远程控制系统、数据存储系统和光纤交换机供电，通过使用不间断电源为控制系统供电能够减小地线回路的干扰以及保证控制系统在电网供电系统异常情况下稳定可靠运行。
[0028]
本地控制器共18台，功能包括接收远程控制系统发送的各种参数和指令，向放电模块控制器和充电机控制器下发参数和指令，接收放电模块控制器上传的电压、电流和温度采集数据，以及工作状态信息，接收充电机控制器上传的电压、电流以及工作状态信息，采集对应脉冲功率电源输出电流以及对应负载线圈上的电压，融合处理各种数据和状态并存储，按照相应要求发送至远程控制系统。
[0029]
放电模块控制器位于每个放电模块中，共129个，每个放电模块控制器功能相同，包括接收本地控制器发送的各种参数和指令，采集对应放电模块的电压、电流、温度等数据，控制放电模块的泄放开关、接地开关和充电开关，控制晶闸管的触发过程，向本地控制器反馈放电模块工作数据和状态信息。
[0030]
充电机控制器位于充电机中，每个充电机控制器功能相同，包括接收本地控制器发送的各种参数和指令，采集对应充电机的电压、电流等数据，控制充电机的充电过程和逆变开关的触发过程，向本地控制器反馈充电机的工作数据和状态信息。
[0031]
本实施方式中，所述的脉冲功率电源一共有18套，每套脉冲功率电源由若干放电模块和充电机构成电源主体，并通过一台本地控制器作为远程控制系统和放电模块、充电机的通信中枢，每个放电模块和充电机中包含一个放电模块控制器和充电机控制器。
[0032]
具体实施方式二、本实施方式是对实施方式一的进一步说明，本实施方式中，如图
2所示，本地控制器基于fpga器件设计，还包括电源管理电路、本地存储器、时钟管理电路、光电转换器、以太网phy芯片、千兆比特光电转换器、运算放大器、积分器和模数转换器。 fpga器件作为本地控制器的核心处理单元执行远程控制系统下发的控制指令和上传采集数据；电源管理电路为模块控制器提供稳定的电源；本地存储器用于临时存储测量的输出电流、负载电压数据以及自身和所属脉冲功率电源各个放电模块和充电的状态参数，远程控制系统可以访问本地存储器获取数据；时钟管理电路用于为fpga器件提供时钟信号；光电转换器用于将fpga器件产生的电信号转换为光信号，然后通过光纤与远程控制系统和所属脉冲功率电源的放电模块和充电机连接；以太网phy芯片用来作为与远程控制系统进行网络通信的物理接口，通过千兆比特光电转换器经光纤、光纤交换机与远程控制系统连接；运算放大器用来对罗氏线圈2所测量的脉冲功率电源输出电流获得的电压信号进行放大；积分器用来还原罗氏线圈2所测量的电流波形；模数转换器用来将积分器还原的电流数据模拟量信号转为数字量信号然后送入fpga器件进行处理。每套脉冲功率电源的输出电流由放置于汇流盘中的罗氏线圈2测量，为了抑制地回路对测量信号的干扰，罗氏线圈2通过扼流圈与本地控制器中的运算放大器、积分器连接，然后通过模数转换器与本地控制器中的处理芯片连接。
[0033]
具体实施方式三、本实施方式是对实施方式一的进一步说明，本实施方式中，如图3所示，放电模块控制器位于放电模块内部，由于放电模块在放电过程中周围环境是一个高压大电流的复杂电磁环境，所以需要做好抗电磁干扰设计。
[0034]
具体实施方式四、本实施方式时对实施方式三所述的放电模块控制器的进一步说明，本实施方式中，如图4所示，放电模块控制器基于fpga器件设计，还包括放电模块控制器供电电源、信号隔离设备、运算放大器、模数转换器1、模数转换器2、光电耦合器和继电器控制器。fpga器件作为放电模块控制器的核心处理单元执行远程控制系统通过本地控制器下发的控制指令和上传采集数据；模块控制器供电电源通过隔离变压器、开关电源、高频逆变器、磁环和整流器获得5v直流电源分别为fpga和信号隔离设备供电；信号隔离设备将分压器采集的电压模拟量信号经电压-频率转换器转换为数字量信号经光纤传输给频率-电压转换器再转换为模拟量信号，通过光纤的电气隔离消除电磁干扰；运算放大器用来将采集的信号进行放大；模数转换器1用来将罗氏线圈1测得的续流电流经过信号隔离设备转换后的模拟量信号转换为数字量信号传送给fpga器件；模数转换器2用来将红外温度传感器1和红外温度传感器2测得的温度模拟量信号转化为数字量信号传送给pfga器件；继电器控制器与fpga器件之间的通信使用光电耦合器来抑制地回路的干扰，从而在充电和放电过程中可靠地控制充电开关、泄放开关和风扇。模块内部续流电流的测量通过罗氏线圈1测量，罗氏线圈1输出的电压信号通过运算放大器1放大信号，再通过积分器还原为所测量的电流波形，然后通过模数转换器将为模拟量信号的电流波形转换为数字量信号传送给fpga器件，为了减少地回路对积分器的干扰，积分器也由放电模块控制器供电电源输出的5v直流电源供电。
[0035]
放电模块中泄放电阻和续流电阻的温度分别使用红外温度传感器1和红外温度传感器2 来实现非接触式测量，两个温度传感器均使用smb线与放电模块的fpga器件的模数转换器2连接。
[0036]
放电开关的触发控制、放电开关和续流开关的状态参数上传均通过光纤与放电模
块控制器的fpga器件进行通信。
[0037]
本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情况或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。