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磁铁电源数字化控制器的研究与设计

作　者: 鲁璟
导　师: 颜永红
学　校: 湖南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: CSNS 数字电源控制模块 FPCA ADC DAC
分类号: TL503.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

散裂中子源是适应科学热点向新兴学科和交叉学科转移需求的多学科创新研究与高新技术开发的先进公共平台。中国在建设的大科学装置CSNS的磁铁电源加速器系统主要由较低能量的直线加速器和较高能量的快循环同步加速器RCS组成,根据CSNS/RCS环物理设计要求,用传统的模拟控制方案难以实现,数字控制因其可靠性高、温漂小、参数整定方便、集成度高、一致性好等优点而成为实现控制最佳方案。数字电源控制模块DPSCM是专为硬开关类型的加速器磁铁电源而设计的,它以现场可编程门阵列FPGA为控制部件,实现对高精度ADC和DAC的控制,由数字调节器产生高精度数字脉宽调制信号,并实现电源的逻辑控制和联锁保护功能。对于嵌入DPSCM的磁铁电源可以实现全数字化控制,并达到高精度直流稳流电源输出精度的控制需求。本设计是服务于中国散裂中子源项目中的加速器磁铁电源,首先介绍了数字控制的主要算法和原理,详细说明了DPSCM主板和模数/数模(AD/DA)板的硬件原理设计,同时从信号的可靠性和稳定性方面给出了PCB设计的要点和注意事项,最后给出了系统调试的结果及分析。通过对DPSCM主板和AD/DA板的测试结果表明,它可以完成预期所要求的基本功能,只是某些指标的性能还有待进一步的提高,目前该模块已经尝试运用到电源样机中,为模拟负载提供了一种新颖的测试方式。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 散裂中子源简介  10
  1.2 国际现状及中国散裂中子源  10-12
  1.3 CSNS/RCS磁铁电源系统  12-14
  1.4 数字控制在加速器中的应用  14-17
  1.5 数字电源控制模块的介绍  17-18
  1.6 论文结构  18-20
第2章数字电源控制模块的设计  20-40
  2.1 主要算法和原理介绍  20-24
    2.1.1 PID控制算法  20-22
    2.1.2 数字脉宽调制  22-23
    2.1.3 模数/数模转换  23-24
      2.1.3.1 模数转换  23-24
      2.1.3.2 数模转换  24
  2.2 主要器件的选型  24-27
    2.2.1 模数/数模转换器件的选择  24-25
    2.2.2 数字信号处理部件的选择  25-27
  2.3 DPSCM的硬件设计  27-39
    2.3.1 DPSCM中主板的设计  28-33
      2.3.1.1 FPGA配置电路  29
      2.3.1.2 FPGA外部存储电路  29-31
      2.3.1.3 FPGA外部接口电路  31
      2.3.1.4 复位电路  31-32
      2.3.1.5 数字量处理电路  32-33
      2.3.1.6 电源转换电路  33
    2.3.2 DPSCM中AD/DA板的设计  33-39
      2.3.2.1 AD/DA板电源设计  34
      2.3.2.2 参考电压设计  34
      2.3.2.3 输入缩放比例和滤波  34-35
      2.3.2.4 采样时钟  35-36
      2.3.2.5 流电隔离和缓冲  36
      2.3.2.6 AD/DA板主电路设计  36-39
  2.4 本章小结  39-40
第3章电路的PCB设计  40-49
  3.1 PCB设计的一般原则  40-44
    3.1.1 PCB布局设计  40-42
    3.1.2 PCB布线设计  42-44
  3.2 DPSCM板的PCB设计  44-49
    3.2.1 DPSCM电源线设计  44-45
    3.2.2 DPSCM地层设计  45
    3.2.3 DPSCM差分线设计  45-46
    3.2.4 一般印制导线的处理原则  46-47
    3.2.5 布线后DRC检查  47
    3.2.6 DPSCM中主板和ADDA板PCB板图  47-49
第4章系统调试及结果分析  49-66
  4.1 软件调试平台介绍  49-52
    4.1.1 NiosⅡ软核处理器的特点  49-50
    4.1.2 基于NiosⅡ的SOPC  50
    4.1.3 基于NiosⅡ的SOPC软硬件开发流程  50-52
  4.2 DPSCM系统功能调试  52-65
    4.2.1 主板调试及结果分析  52-59
      4.2.1.1 基本测试  52-54
      4.2.1.2 测试DPSCM主板上SSRAM  54-55
      4.2.1.3 串口测试  55-57
      4.2.1.4 Flash测试  57
      4.2.1.5 以太网测试  57-58
      4.2.1.6 主板测试小结  58-59
    4.2.2 AD/DA板测试及结果分析  59-65
      4.2.2.1 基本测试  59-60
      4.2.2.2 AD5542的功能测试  60-61
      4.2.2.3 ADS1251的功能测试  61-63
      4.2.2.4 ADS8382功能测试  63-65
      4.2.2.5 AD/DA板测试小结  65
  4.3 DPSCM测试小结  65-66
结论  66-68
参考文献  68-71
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  71-72
附录B FPGA设计文件  72-83
致谢  83

磁铁电源数字化控制器的研究与设计

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