（核技术及应用专业论文）真空联锁保护控制系统的研制.pdf

摘要 简述了国家同步辐射实验室n s r l ( n a t i o n a ls y n c h r o t r o nr a d i a t i o n l a b o r a t o r y ) 实验站的光束线前端区的结构，由此阐述了光束线真空联锁保护对 确保储存环安全运行的重要意义。回顾了传统的p l c 系统设计的不足。随着电 子技术的不断发展与进步，传统的设计方法正逐步退出历史舞台，而基于e d a 技术的芯片设计正在成为电子系统设计的主流。基于可编程逻辑器件的设计使设 计工程师只要在办公室或实验室里就可以设计出所需的专用集成电路，从而大大 缩短了产品上市时间，降低了开发成本。 本文对真空联锁保护所用开关电源的基本原理以及电路结构进行了简要的 介绍。另外对复杂可编程逻辑控制器件c p l d 也进行了比较详细的介绍，同时对 运用可编程逻辑控制器件进行系统设计的流程和开发环境都一一的加以说明。从 中进一步了解到具有静态可重复编程和动态在系统重构特性的可编程逻辑器件 设计酊优越性。 在此基础上设计出了n s r l 的u 2 0 站和u 7 站的真空联锁保护控制系统。主 要包括控制主电路、驱动电路、保护电路及显示电路的设计，还包括快阀保护驱 动电路的开关电源的设计以及整流电路设计。该真空联锁保护控制系统是基于复 杂可编程逻辑器件c p l d 的设计，克服了传统的p l c 系统电路结构过于复杂的 不足；另外，p l c 的工作速度也不是很快。而c p l d 工作速度很快，设计灵活， 发现错误可以及时修改，尤其是应用于真空联锁保护这种专门的系统设计，使系 统电路结构大大简化，同时系统的安全性和可靠性都进一步得以提高。 本文的最后给出了快阀全关闭时间的测量装置和测量结果。另外，也进行了 其他一些联锁保护动作的多次反复测试。测试结果表明，该真空联锁保护控制系 统有较好的可靠性与安全性，已经成功地运行于n s r l 上的光电子能谱u 2 0 站 和u 7 站上。 关键字：联锁真空保护快阀控制器c p l d 第1 页 虫凰拦堂拉垄太堂亟堂僮i 幺塞 真空壁煎堡塑控制丞绮缒受剑 i n v e s t i g a t i o n o ni n t e r l o c k e dv a c u u m p r o t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e m l i u q u n a d v i s e db yp r o f l i uz u p i n ga n ds e n i o re n g i n e e rz h o u y i n g u i a b s t r a c t t h eb e a m l i n ec o n f i g u r a t i o no f 丘o ms t a t i o ni nn s r l ( n a t i o n a ls y n c h r o t r o n r a d i a t i o nl a b o r a t o r y ) ，u s t ci sf i r s t l yi n t r o d u c e d f o rs a f e l yo p e r a t i o nt h e8 0 0 m e v e l e c t r o ns t o r a g er i n gi nn s r l ，t h ei m p o r t a n c eo ft h ei n t e r l o c k e dv a c u u mp r o t e c t i o n s y s t e mi sf u r t h e rd i s c r i b e d t h et r a d i t i o n a lv a c u u l np r o t e c t i o ns y s t e mb a s e d0 1 1p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) a n di t sd i s a d v a n t a g ei sr e v i e w e d p r e s e n t l y ，r a p i d d e v e l o p m e n t o f e e e t r o n i e s l e t s t h e t r a d i t i o n a ls y s t e m d e s i g n o u t o f t h e h i s t o r ys t e p b y s t e pa n dt h en e ws y s t e md e s i g nb a s e do ne d at e e h o n o g yi sb e c o m i n gd o m i n a n t w i t he d a , t h es p e c i a li n t e g r a t ec i r c u i t 赢b ed e s i g n e di no f f i c eo rl a b o r a t o r y w h i c h s h o r t e n st h er e s e a r c hp e r i o do f p r o d u c t i o na n dr e d u c e st h ec o s t s e c o n d l y , b a s i cs w i t c h e dp o w e rs u p p l i e sa n ds w i t c h i n gd e v i c e su s e di nt h e i n t e r l o c k e dv a c u u mp r o t e c t i o ns y s t e ma r ed e s c r i b e db r i e f l y a tt h es a l n et i m e ， c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) i si n t r o d u c e di nd e t a i l t h ee x p l o i t i n g e n v i r o n m e n ta n dd e s i g np r o c e s sw i t hc p l da r ea l s oe x p l a i n e d i tc a nb ee a s i l ys e e n t h em e r i t so fs y s t e md e s i g nb yp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( p l d ) d u et oi t s f l e x i b i l i t i e s t h ei n t e r l o c k e dv a c u u n lp r o t e c t i o ns y s t e mo f b e a m l i n eu 2 0a n db e a m l i n eu 7a l e d e v e l o p e db a s e do i lc p l da n dm e n t i o n e da b o v e t h i sd e s i g ni n c l u d e st h em a i n c o n t r o lc i r c u i t , d r i v e rc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i t , a n dd i s p l a yc i r c u i t b e s i d e s ，t h e d e s i g no fs w i t c h i n gp o w e rt od r i v ev a v l ef c vi sd e s c r i b e da sw e l la sc o m m u t a t a d c i r c u i t a si s w e l l - k n o w n , a l t h o u g ht r a d i t i o n a ls y s t e md e s i g nb a s e do np l ci s u n i v e r s a l ，t h ec i r c u i ts t n l e t u r ei st o oc o m p l e xf o rt h i ss p e c i a ls y s t e md e s i g na n di t s s p e e di sn o tv e r yq u i c k t h es p e e do fc p l di sv e r yq u i c k d e s i g nb a s e do ni tc a l lb e f l e x i b l ea n dm i s t a k e sc a l lb em o t t l e di nt i m e e s p e c i a l l y ，t h ec i r c u i ts t r u c t u r eo f s y s t e mi sv e r yc o m p a c t e d d u et ot h i s ，t h ei n t e r l o c k e dv a c u u mp r o t e c t i o ns y s t e mi s b a s e do nc p l d r e l i a b i l i t yo f t h es y s t e mi se n h a n c e dw i t hf a s tr e s p o m et i m ew i t hi t 第1 i 页 生国毅堂拉盔态堂殛堂位论塞 善空壁塑埕芷撞剑丕统的受劐 f i n a l l y ，t h es e t u pf o rm e a s u r i n gl e 铆x ) n s et i m ea n dt h er e s u l t so ft h ev a c u u m p r o t e c t i o ns y s t e mv s ，o l ds y s t e ma r eo b t a i n e d t h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h e1 3 e w s y s t e ms h o wg o o dr e l i a b i l i t ya n ds a f e t y t h en 翻l , vi n t e r l o c k e dv a c u u f f lp r o t e c t i o n s y s t e mb a s e d0 1 3c p l d w a sa l r e a d yu s e di nb e a n d i n e1 ) 2 0a n db e a m l i n eu 7i nn s r l s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：i n t e r l o c k ，v a c u u mp r o t e c t i o n ，f a s tv a l v ec o n t r o l l e r ，c p l d 第1 i i 页 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 啊年r 月弓日 第一章绪论 1 1 电子储存环上的光束线系统结构 国家同步辐射实验室n s r l ( n a t i o n a ls y n c h r o t r o nr a d i 撕o nl a b o r a t o r y ) 建 有我国第一台以真空紫外和软x 射线为主的专用同步辐射光源。其主要设备包 括2 0 0 m e v 直线加速器和一个8 0 0m e v 电子储存环【1 1 。直线加速器总长3 5 米， 由电子枪、预聚柬器、聚束器和四个六米加速区段组成。总功率为7 0 兆瓦的五 只速调管向直线加速器提供微波功率，被加速的电子经8 8 米长输运线注入到储 存环里。储存环周长6 6 米，由弯转磁铁、四极磁铁、六极磁铁、注入系统、高 频系统、超高真空系统、束流测量及控制系统等组成。储存环弯铁和扭摆磁铁 的同步辐射特征波长分别为2 4 n m 和0 5 n m 。二期工程建成后，现有x 射线光 刻、红外与远红外、l i g a 、x 射线衍射与散射、扩展x 光吸收精细结构、燃烧、 x 射线显微术、原子与分子物理、表面物理、软x 射线磁性圆二色、光电子能 谱、真空紫外光谱、光声与真空紫外圆二色光谱、光谱辐射标准与计量等i 4 条 光束线和相应的实验站，图1 - 1 是国家同步辐射光源实验站的总体分布示意图。 图1 - 1国家同步辐射光源实验站的总体分布示意图 第一l 一页 日 口 v - 1 h _ m 图i - 2 扩展x 光吸收精细结构光束线示意图 1 手动阀，2 水冷光屏，3 ，7 ，1 0 ，1 7 真空阀，4 快阀，5 分光光栏， 6 ，1 6 光阀，8 吸收铍窗，9 光栏，i l 前狭缝，1 2 束流探测器，1 3 双 晶单色器，1 4 后狭缝，1 5 荧光靶，1 8 真空铍窗 上图1 - 2 为扩展x 光吸收精细结构( x a f s ) 光束线站示意图。储存环、 光束线前端及部分实验站都处在1 0 。8 p a 超高真空状态，开展实验的光束线和实 验站的真空系统与储存环的真空系统是相通的。光束线前端区是电子储存环弯 铁的出光口与光束线实验站之间的一个重要装置，主要承担隔离真空事故源与 无漏源之间的真空联系，确保储存环的正常运行。每条线站光束线前端区都主 要由手动门阀( m v o ) 、水冷光屏( w m o ) 、气动门阀( p v o ) 、快速关闭阀( f c v ) 和光闸( b s 0 ) 等超高真空门阀和光阀组成【2 】用。光束线前端区结构如图1 3 所 示。 图1 - 3 光束线前端区结构示意图 第一2 一页 1 2 光束线前端真空保护控制原理 由于真空系统破膜冲入大气时，其压力波的传播速率为i m m s ，光束线全长 约为l o m ，由此可计算出光束线压力波传播时间约为l o m s 。因此，这就要求真 空传感器响应时间与快阀关闭时间之和要小于l o m s ，才能满足真空联锁保护的 实际要求。前端区的手动门阀m v o 一般处于常开状态，只有当光束线停用或检 时才关闭。快阀具有快速关闭的特性，由改进的专用电磁线圈驱动关闭，其 典型关闭时间为6 n l s 胪】【6 】。但快阀f c v 的气体密封性能不是很好，所以要用气 动门阀来弥补。气动门阀p v o 的关闭速度相对快阀来说较慢，我们称之为慢阀， 但它的气密性好，与快阀配合使用，能在突然发生大气泄漏时，对储存环真空 起到有效的保护作用。气动门阀p v o 和快阀f c v 由于受其结构的决定，不能长 期经受同步辐射光，必须用水冷光屏w m o 来挡光并吸收辐射功率。光束线一 旦发生真空事故，首先关闭快阀，从速度上讲，从探测到灾难性真空事故始到快 阚完全关闭为止，要在l o m s 内完成，其中包括快阀传感器的响应时间。与此同 时，真空联锁保护控制系统要自动关闭前端气动门阀p v o ( 其关闭时间为 1 s 1 5 s ) 和水冷光屏w m o ( 其关闭时间约为2 s - 3 s ) 。各阀各司其职，取长补 短，完成真空保护功能。光束线前端区工作基本的逻辑控制框图如图卜4 所示， 图中c l 为真空控制信号，m 为真空传感器。 图1 - 4 前端真空联锁保护控制基本的逻辑控制框图 其工作的要点如下： ( 1 ) 真空联锁保护控制系统装置置于实验站控制机柜中，快阀控制器置于前 端区附近。 ( 2 ) 当前端区真空度差于5 x l o - 6 p a 时，气动门阀p r o 关闭，同时联锁关闭 水冷光屏w m o 。 第一3 一页 ( 3 ) 快阀控制器受实验站真空计信号控制，工作点设置为1 5 x 1 0 巧p a ( 由用 户选择可调) 。 ( 4 ) 快阀因真空事故关闭时，同时联锁关闭气动门阀p v 0 和水冷光屏w m 0 。 ( 5 ) 当前端真空计所测真空度优于5 x 1 0 p a ，才可以顺次开启气动门阀p v 0 、 光闸b s 0 、水冷光屏w m 0 。 ( 6 ) 门阀、光闸均有手动和自动关闭及开启联锁控制功能。当气动门阀关闭 时，其上游的相应水冷光屏或光闸随之联锁关闭；在气动门阀尚未开启的情况 下，联锁系统不能手动开启其上游的水冷光屏或光闸。 ( 7 ) 真空联锁保护控制系统实时显示各门阀位置状态和真空状态等。 ( 8 ) 该系统有在线和离线两种工作模式：在线即处于联锁与控制状态；离线 即处于不联锁与控制状态。离线工作时，各阀门可随意开启与关闭，以便停机 光束线维修时工作便利。 1 3 本课题研究背景、意义及研究目标 光束线的真空控制保护系统，实际上是保证储存环的真空系统、前端区和 光束线上的各种设备能够安全运行的一个设备保护系统。系统集真空联锁、状 态监测和控制于一体。在n s r l 储存环上，光束线控制系统最早采用的完全是 由分立元件构成的控制电路，系统集成度低且不可编程。二期工程改造后，n s r l 上有的线站在原有的基础上改用p l c 来进行控制【5 1 1 ；有的线站是采用o a l 进 行逻辑控制与设计的，集成度也比较低；在国内，北京高能研究所的同步辐射 装置b s r f ( b e i j i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t y ) 中的3 w i 高功率扭摆磁铁光 束线真空控制保护系统就是基于f 1 - 6 0 m r 型可编程( p l c ) 的设计 9 1 。p l c 是 可编程的，通用性很强，但应用于真空联锁保护控制系统的设计使系统设计结 构过于复杂，最主要的是它的工作速度不是很快。目前，在国外第三代同步辐 射光源站线的光束线真空保护控制系统是用计算机进行控制的，实行计算机网 络监控【m 。 一方面考虑到国内的现状；另一方面，随着电子技术的不断发展与进步， 电子系统的设计方法发生了很大的变化，传统的设计方法正逐步退出历史舞台， 第一4 一页 而基于e d a 技术的芯片设计正在成为电子系统设计的主流。大规模可编程逻辑 器件c p l d 是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路( a s i c ) 之一嗍。利 用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路，从而大大缩短了产 品上市时间，降低了开发成本。此外，可编程逻辑器件还具有静态可重复编程 和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改， 这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性，应用日益广泛。与此同 时，可编程a s i c 本身也在近几年得到了迅速的发展，其集成度、工作速度不 断提高。目前已有单片可用门数超过3 0 0 万门、工作频率可达2 0 0 m h z 以上的 可编程a s i c 芯片问世。由于结构和工艺的改进，可编程a s i c 芯片上包含的资 源越来越丰富，可实现的功能越来越强，它们已成为当今实现电子系统集成化 的重要手段。 正是鉴于国内基于p l c 的真空联锁保护系统结构过于复杂，相对比较笨重， 工作速度也不是很快，以及当今a s i c 的广泛应用，并且它非常适合这种专用 的集成电路系统的设计。因此，本论文的研究主要目标是解决n s r l 一些站线 上的真空联锁保护控制系统频繁出现的误动作问题，并且根据当前的流行趋势， 对该系统进行基于c p l d 的整体重新设计，在确保真空联锁保护系统的响应速 度、可靠性得到提高的同时，使系统的结构简单、体积轻便。另外，给此真空 联锁保护系统增加一些特殊的报警功能，使其更加有效可靠的工作。最后，对 系统的性能指标进行综合测试，并最终通过验收，投入站上使用。 1 4 论文工作的主要内容及本人所做的工作 本论文工作的主要内容是完成真空联锁保护控制系统的仿真、设计到最后 的调试、测试、验收及应用，涉及到很多内容及工作。系统的整体设计包括总 体设计方法、电源模块部分设计、保护控制电路部分设计、驱动电路部分设计、 显示电路部分的设计、报警功能部分设计以及电路参数的选择、芯片的选择直 至最后的整机调试工作等。 本人所完成的主要工作有： 1 、电路参数及芯片的选择； 2 、控制电路板和显示电路板部分p c b 板与电路原理图的设计； 3 、此系统的控制电路部分可编程逻辑器件c p l d 的软件编写； 4 、参加所有的调试及测试工作。 第一5 一页 第二章系统整体结构设计 2 1 系统整体硬件结构 首先，从整个框架上来说，整个真空联锁保护控制系统主要由控制电路板 与显示电路板两大部分组成。对于控制电路板部分，它主要包括电源模块、传 感器输入模块、控制器控制主模块、驱动模块以及保护电路模块的设计等。而 显示电路板主要完成的是入机界面的操作和实时显示各阀门与真空状态的功 能。此控制系统的基本硬件结构框图如图2 - i 所示 t l 。 图2 - 1 真空联锁保护控制系统的基本硬件结构框图 第一6 一页 2 2 系统在线工作结构 系统投入线站上使用时，有的线站上的光束线前端区是单用的，如图2 - 2 所 示的为光电子能谱站( u 2 0 ) 的保护系统在线工作结构图。此站的光束线真空保 护系统的前端区只由此站单独控制，不存在与其它站共用及通信问题。而对于 类似u 7 站，光束线前端区是由三个线站即l i g a 光束线站( u 7 a ) 、x 射线衍 射与散射光束线站( u 7 b ) 、扩展x 光吸收精细结构x a f s 光束线站( u 7 c ) 共 用的，因此这个系统设计要相对复杂。另一方面，考虑到系统工作在储存环大 厅这样的强电磁干扰的环境中，而光纤通信抗电磁干扰能力强，因此本次设计 首次尝试了各站之间用光纤通信。图2 - 3 所示为u 7 站的系统在线工作结构图。 在本章，主要是介绍一下此系统设计的整体构造，以便对此系统有个整体的了 解。在以后的各个章节，将进一步重点介绍系统相应模块的设计。 图2 - 2u 2 0 站的系统在线工作结构图 第一7 一页 图2 - 3u 7 站的系统在线工作结构图 第一8 一页 虫重型堂拉苤太堂亟堂僮硷塞熹窆珐塑埕芷撞劐丕统艘班越 第三章系统控制电路的设计 对于控制电路，快阀控制器是真空联锁保护控制的重要部分。由于快阀在 动作时间等方面有特殊的要求，因此它与其它的阀门如水冷光屏w m 0 、气动门 阀p v 0 、光阀b s 0 等的结构与原理不同。快阀是经过改制的专用电磁线圈驱动 关闭f 1 6 1 ，快阀的开启与关闭需要由两路信号控制。当真空传感器检测到真空度 达到要求时，可以由一路气路控制信号将快阀打开，快阀打开后该气路控制信 号自动复位。这样当真空计检测到真空度出现危险值时，另一路控制信号控制 将1 3 0 v 的直流加在快阀的电磁线圈上，由于电感线圈的电阻极小，瞬时放电电 流变化率极大，电磁线圈便能迅速驱动快阀部件关闭州。因此在本章将首先介 绍驱动快阀的1 3 0 v 直流电源的设计，接着介绍快阀控制器的关键部件储能电容， 最后介绍可编程逻辑器件在此系统设计中的应用。 3 1 快阀控制电路的设计 3 1 1 开关电源 开关电源是目前应用相当广泛的电压型控制技术。开关电源按控制方式可 分为脉宽调制( p w m ) 开关电源，脉频调制( p f m ) 开关电源，移相调制开关 电源，混合调制( 即脉宽和脉频同时改变) 开关电源等。但固定频率的p w m ( p u l s c w i d t hm o d u l a t i o n ) 脉冲宽度调制技术是最流行和应用最普遍的一种。对于单极性 矩形脉冲来说，其直流平均电压u o 取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流 平均电压值就越高。直流平均电压u o 可由公式u o f u m x t l t 计算。式中u m 一 矩形脉冲最大电压值；t 矩形脉冲周期；t l 矩形脉冲宽度。从上式可以看 出，当u m 与t 不变时，直流平均电压u o 将与脉冲宽度t 1 成正比。这样，只 要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的 目的。它激式脉宽调制开关稳压电源的构成框图如图3 - 1 所示。其控制电路由 与振荡频率同步的振荡器、输出任意脉冲宽度的脉宽调制器( p w m ) 、控制p w m 的反馈放大器a 等构成。电路中，输出电压加到r 1 、和r 2 构成的分压器上， 其分得的电压与基准电压v r 经常保持相同。反馈放大器a 将输出经分压器分 得的电压与基准电压进行比较，并将其误差进行放大。放大器的输出电压控制 第一9 一页 p w m 电路，输出电压低时脉宽变宽，输出电压高时其动作相反，这样，使输出 电压保持稳赳1 s l 2 0 。 图3 1 它激式脉宽调制开关稳压电源的构成框图 开关电源按功率开关电路的结构形式可分为降压型、坂相型、升压型和变 压器型。基本的变换器拓扑只含有一个有源开关( 如晶体管) 和一个无源开关， 同时只含有一个电源并只承受一个负载的基本电路。它有两个拓扑阶段，由有 源开关的通、断状态决定。基本的开关拓扑都是无变压器的非隔离开关稳压电 源，其应用范围有限( 例如，输入输出不隔离，输入输出电压比或电流比不能过 大以及无法实现多路输出等) 。在实际的设计中，应用较为广泛的是带隔离变压 器的变换器拓扑结构【2 1 1 1 2 2 1 2 3 1 。5 种基本的带隔离变压器的拓扑即单端正激式、 单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式变换器【1 9 1 1 2 0 的电路结构图如图3 2 至图 3 6 所示。这五种隔离型d c d c 变换器的主要电路特征如表3 - 1 所示【1 9 1 。 t 图3 - 2 单端正激变换器的基本电路 第一1 0 一页 图3 - 3 单端反激型结构图 v i d l l 费亨f一半 il ，f 宁”7 l 一i 1 l 弋= 图3 - 4 推挽型开关电源主回路电路图 d 3 l r t 1 一 罨 j n i2 n 2 2 1 卜。 图3 - 5 半桥型开关电源主回路电路图 第一l l 一页 图3 - 6 全桥型开关电源主回路电路图 电路方式规定i ，时最大开关管的最 输出电压v o 输出功率大值 单端正激式 丢巧 2 v , v o = 生d 巧 啊 单端反激式 丢巧 巧 1 一d = 鲁岛) 巧 推挽式 l |2 巧 2 鲁d 巧 半桥式电路 圭巧 巧 ：兰d 5u 2 啊 一 全桥式电路 i i巧 2 鲁d 巧 t巾 注：d = 彳等= 孚，n 2 为二次匝数，啊为一次匝数 + 五 。 表3 - i 五种隔离型直流一直流变换器的主要电路特征比较 一般情况下，单端正激变换器的纹波电压小，适用于中、小功率的场合。 单端反激变换器在相同i p 下，输出的功率是正激的一半，且纹波大，适用于指 标要求不严的小功率场合，如辅助电源。推挽变换器，在相同的i p 下，输出的 第一1 2 一页 功率是正激的两倍，变压器利用率高，但要求开关器件的电压应力较高，在低 电压输入，如2 4 v 、4 8 1 、1 2 v 等直流输入下使用优点显著。半桥式变换器在相 同的i p 下，输出的功率和正激相当，变压器利用率高，开关器件的电压应力低， 适用于电压高、中等功率的场合。全桥式变换器在相同的i p 下，输出的功率比 半桥高一倍，变压器利用率高，开关器件的电压应力低，但驱动电路复杂，四 组均需要隔离，开关管比半桥多一倍，适用于电压高、输出功率大的场合b 9 瞵l 2 6 1 。综合以上的因素，本次设计采用的是带隔离变压器拓扑中的推挽型开关电 源主回路电路。 3 1 2p w m 器件的选择 本设计选用的脉宽调制器件是t l 4 9 4 芯片。t i a 9 4 是美国德克萨斯州仪器 公司生产的一种性能优良的电压驱动型脉宽调制器件，可作为单端式、推挽式、 全桥式、半桥式开关电源控制器，被广泛应用于开关电源中，是开关电源的核 心控制器件。其集成了全部的脉宽调制电路，片内置线性锯齿波振荡器，外置 振荡元件仅两个( 一个电阻和一个电容) ，内置误差放大器。内置5 v 参考基准 电压源，可调整死区时间。内置功率晶体管可提供5 0 0 m a 的驱动能力，推或拉 两种输出方式。t l 4 9 4 的输出三极管可接成共发射极和射极跟随两种方式，因 而可以选择双端推挽输出或单端输出方式，t i a 9 4 的两种输出方式如图3 - 7 所 示。在推挽输出方式时，它的两路驱动脉冲相差1 8 0 4 。而在单端方式时，其两 路驱动脉冲为同步同相。t i a 9 4 的3 脚为脉宽调制补偿端，4 脚为死区电平控制 端，5 脚和6 脚为内部锯齿波振荡器的外界振荡电阻和振荡电容连接端。当在 n 鼻9 4 的1 2 脚和7 脚接上直流辅助电源，并在它的6 脚和5 脚分别接上振荡电 阻r 和振荡电容c 后，就可在它的5 脚上得到一个振荡频率为：f = l 1 r c 的 锯齿波振荡电压a v 。另外，它的直流输入供电范围在7 4 0 v 之间。t i a 9 4 的 结构图如图3 - 8 所示 j 气 卜一 舳 j 瓜 卜一 w - 翻“ e 姻- ( a ) s i n g l e - e n d e d 单端输出方式( b ) p u s h - p u l l 双端推挽输出方式 图3 7 两种输出方式 第一1 3 一页 图3 8t l 4 9 4 结构框图 此外，本设计中，采用的是双端推挽输出方式。即t l 4 9 4 的第1 3 管脚( o u t p u t c o n t r o l 管脚) 接5 v 的参考电压。典型的p u s h - p u l l 双端推挽输出电路控制如图 各一9 所示。采用双端推挽输出方式的t l 4 9 4 控制逻密各点的波形图如图3 - 1 0 所 示。 2 图3 - 9 典型的p u s h - p u l l 双端推挽输出电路控制图 第一1 4 一页 么为 - t ， 7 jj ，7，7夕 lz 互z zz。zz7。7zz l r 。厂i ff_ l 厂 r iif、旷 图3 - 1 0t i a 9 4 控制逻辑各点的波形图 3 ，1 3p w m 控制参数的计算与选择 p w m 控制两种输出方式的方波频率与震荡频率的关系如表3 - 2 所示。 i n p u t o u t p u to u t p u t 盘： c o n t r o l sf u n c t i o n止 g r o u n d e d s i n g l e e n d e d 1 o p w m q 1 a n dq 2 p u s h p m lo 5 o p e r a t i o n 表3 - 2 两种方式的输出频率对照 三角波的振荡频率计算公式为允* 面1 百1 式( 3 1 ) ，设计选择的胂l 。七q ， ( i f l 0 0 0 p ：1 l l f = o 0 0 1 f l 代入式( 3 1 ) 可得振荡频率厶贮= 1 1 0 k h z ，所以可以 计算得双端推挽输出方式( p u s h - p u l lo p r a t i o n ) 第一1 5 一页 输出频率：允= j i 丘釜i 1 1 l o = 5 5 眦。也即本次设计的p w m 的输出方波的 频率五= 5 5 k h z 。再看一下t l 4 9 4 的工作电压对各参数的影响的性能测试，如 表3 - 3 所示，此时调频电容为9n f ，调频电阻为9k q ，调宽电压为2 5v 。 n | v81 42 02 53 0 t i m a 8 91 0 21 1 5 1 2 5 1 3 5 f | v 61 2 1 7 2 22 6 t z s 1 2 01 2 01 2 01 2 01 2 0 z , u s 3 03 03 03 03 0 表3 - 3 工作电压与各参数的对应关系 从表3 - 3 中可以看出，工作电压v 的改变对输出脉冲的周期t 及脉宽无影 响，而脉冲的幅值f 随着工作电压v 的增加也逐步增大，工作电流i 随电压的 变化不是很大，其供电范围在7 4 0v 之间，而其工作频率可达3 0 0k h z ，可调 性大。再者，当t l 4 9 4 调频电容和电阻一定时，改变脉冲宽度，就会得到输出 脉冲宽度不同的一系列脉冲，这样就会得到调宽电压与占空比的关系，如图3 - i l 所示。从图中可以看出，当脉宽为周期的1 2 时，效果最佳。 薯熏电压 图3 - 1 1 调宽电压与占空比关系 本设计中的供电电压用的1 2 v 的电源，因而输出方波的幅值v o = 1 2 v 。为了 使效果最佳，控制方波的占空比。2 t + o n 。等2 5 。0 o1 0 阡。s 第一1 6 一页 筮甜咤 虫国科堂控苤太堂硒堂僮论塞 墓窒联缝逯莛控制丕统鳆匠剜 v s 呐t u g t 蛳w i n p u t i t 日。 4 3v c “ v oc m r o u l h a w 帅 0v 。蛳自咖伸q 蛐酬h 舶l 忙戢 们_ _ _ _ n 蛳m “啪t m 虹f _ t d b a c h n o3m 籀c o 蟹妇附f q u 棚叫 0 e h 1 吨 ho 。目 艄一 卅t q wi 量锄o岫 h 姊一崎柚一一呻m l 凳筹 o7 0 吧 珊惦 表3 - 4t l 4 9 4 稳定工作的控制参数表 根据表3 - 4 ，此次设计中选择和配置振荡电容c t 和电阻r t 的参数如下： 0 4 7n f c r f l n f 1 0 0 0 0n f ； 1 8 勰 r r = 1 0 施 5 0 0 七q ： lk 壬l z f o s e = l l ok h z 的系统设计，采用v h d l 更合适。使用 v e r i l o g - h d l 设计硬件电路，是采用自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法，从 系统级开始，把系统分为几个基本的模块，再将每个基本模块划分为下一层的 基本模块，直到能够用p l d 器件结构相对应的逻辑单元来实现。所以用 第一2 5 一页 v e r i l o g - h d l 描述一个复杂的数字逻辑电路，一般由几个v e r i l o g - h d l 模块组成， 每一个模块又可以由几个模块组成，这就可以构造一个模块之间清晰的层次结 构来描述复杂的数字逻辑系统t 3 2 1 1 3 6 】。 f p c “v c p l d 、a s i c 的逻辑设计所采用的硬件描述语言( 玎) l ) 同软件语 言( 如c ，c + + 等) 是有本质区别的。虽然v e r i l o g - h d l 很多语法规则和c 语言 相似，但是v e r i l o g h d l 是硬件描述语言，它的本质作用在于描述硬件。虽然 它使用了c 语言的形式，但是v e r i l o g - h d l 描述的是硬件的抽象，它的最终实 现结果是芯片内部的硬件电路。 2 、开发系统 随着计算机与微电子技术的发展，电子设计自动化e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 和可编程逻辑器件的发展都非常迅速，先进的e d a 工具已经从传 统的自下而上的设计方法改变为自项向下的设计方法，以硬件描述语言来描述 系统设计，并支持系统仿真和高层综合。使用c p l d 或f p g a 芯片设计电子系 统时，一般都需要借助c p l d 或f p g a 制造公司所提供的开发系统来完成。例 如，a l t e r a 公司提供的m a x + r ，l u i i 和q u a r t u s 开发系统，l a t t i c e 公司提供的 i s p d e s i g ne x p e r t ，x i l i n x 公司提供的f o u n d a t i o n 和i s e 开发系统【3 2 j 【3 3 】。 3 、设计流程 基于可编程逻辑器件的数字系统的设计流程 3 6 1 如图3 - 1 8 所示。 蓁燃嘉引网表 源代码或电路广_ 1 网表 原理图输入i 繇 i 可编程逻辑 器件c p l d 或 f p g a 合 下载到可 编程逻辑 下载数据流 文件 映射和布局 逻辑门和内部连 线映射到c p l d 或f p g a 芯片中 生成下 载数据 图3 1 8 基于可编程逻辑器件的数字系统的设计流程 第一2 6 一页 因此完成整个设计需要以下几个步骤闭： ( 1 ) 用硬件描述语言v h d l 或v e r i l o g - d h l 或电路原理图的方式输入需要完 成的逻辑电路。 ( 2 ) 使用逻辑综合工具，将源文件调入逻辑综合软件进行逻辑分析处理，即 将高层次描述( 行为或数据流级描述) 转化为低层次的网表输出( 寄存器与门 级描述) ，逻辑综合软件会生成e d i f ( e l e c t r o n i cd e s i g ni n t e r c h a n g ef o r m a t ) 格 式的e d a 工业标准文件。这些文件是用户在设计中使用各种逻辑门以及这些逻 辑门之间的连接的描述。这一步在p u ) 开发过程中最为关键，影响综合质量的 因素有两个，即代码质量和综合软件性能。 ( 3 ) 使用实现工具( m p l 瞰呦t 砒i t 0 0 1 ) 将这些逻辑门和内部连线映射到 f p g a 或c p l d 芯片中。实现工具包括映射工具( m a p p i n gt 0 0 1 ) 和布局布线工 具( p l a c e & r o u t et 0 0 1 ) ，映射工具把逻辑门映射到f p ( a 芯片中的查找表( u 玎) 单元或c p l d 芯片中的通用逻辑单元( g l b ) ，布局布线工具将这些逻辑门和逻 辑单元连接在一起，实现复杂的数字逻辑系统。 ( 4 ) 时序仿真。由于不同的器件、不同的布局布线造成的不同的延时，因此 对系统进行时序仿真，检验设计性能，消除竞争冒险是必不可少的步骤。 ( 5 ) 上述过程完成后，开发系统提取c p l d 或f p g a 的连接开关和连接开关 矩阵的状态，并且生成对应于连接开关断开和接通的1 和0 的熔丝或b i t 文件。 ( 6 ) 将b i t 文件或熔丝图文件下载到f p o a 或c p l d 芯片中，在硬件上实现 设计者用电路原理图或硬件描述语言给出的设计。 3 3 选用的可编程逻辑器件c p l d 的性能参数与设计流程 3 3 1 选用的c p l d 性能参数 此次设计选用的是复杂可编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 s t c 。它是a l t c r a 公司生 产的复杂可编程逻辑器件c p l d 。将硬件描述语言编译好后，下载到此芯片上， 产生真空联锁保护控制系统要求的水冷光屏w m 0 、气动门阀p v o 、快阀f c v 、 光阀b s o 等几个重要的门阀控制信号。由于c p l d 的内部逻辑可通过硬件描述 语言来描述，发现错误可及时地修改，因此可以根据实际的需要选择合适的内 部逻辑资源的c p l d ，做到兼顾优化设计与成本设计两方面的要求。除此之外， 本次设计选用的c p l d 芯片是t q f p 封装，占用的电路板的面积很小，因此不 仅节约了设计的成本也使系统电路结构大大简化，变得非常紧凑。这些都为以 后此控制系统的改进与扩展带来了很大的方便。下表3 - 5 、表3 - 6 、表3 - 7 p ，】分 第一2 7 一页 别是此次选用的c p l d 芯片的速度等级、内部逻辑资源以及用户可用的f o 管 脚等情况。可以根据实际的应用需要以及性价比等这些方面来选择合适的c p l d 芯片。 t 曲l e 3 m a x 7 8 0 0 $ 砷e # g r a d n d _ 妇 s p e e dg 州协 - 67 - 1 - 1 0- 1 神 一2 1 5 - 1 盯渤 e 洲硼目2 e p m 7 0 3 2 sv e p m 7 0 6 4 e p m 7 g 6 4 5 e p m 7 嘲 e p m 7 1 勰e e p m 7 1 船s 一v v ， e p m 7 1 6 0 e e p m 7 1 b 惦 ， e p 7 1 9 2 e e p m 7 1 9 2 s e p m 7 2 e e p m 7 = 1 5 昭 表3 5m a x 7 0 0 0 系列可选择的速度等级 t m b b 2 黛双，o s 翻* l f e a l u m f 翻s t o m嗍噼2 s 弹舯0 6 憾印m 7 器se p 7 1 鲫s附 鸵se p 耵2 镰s u s a g e 俨l * o o o 1 , 2 5 02 5 0 03 , 2 0 03 7 5 0 5 , 0 0 0 m a a 0 0 棚b 匏斟