（物理电子学专业论文）蓄电池供电的脉冲功率电源系统研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 为了满足某装置野外实验需要以及系统的紧凑化和小型化，本文研究的脉冲 功率电源系统采用蓄电池供电，通过高压逆变模块对2 4 v 直流进行逆变升压后给 储能电容器充电，储能电容器向负载放电产生功率脉冲。对于所使用的不同高压 逆变模块，本文通过对不同充电方式的比较分析，选择了充电效率较高且便于自 动化控制的充电方式。 为确保实验操作人员安全和自动化，本脉冲功率电源的控制系统采用了基于 计算机的自动化控制方案。控制系统由基于计算机的远程控制中心( 即上位机) 和基于a t 8 9 c 5 2 单片机的现场控制部分( 即下位机) 构成，实现了计算机远程操 作。采用自顶向下和自底向上相结合的设计原理，根据实验需要，进行了硬件电 路和测控软件的设计。在硬件电路的设计上，通过计算和软件仿真等手段，选择 合适的电路参数；同时，在分析控制系统的干扰来源及耦合途径的基础上，采取 多功能开关隔离、光电隔离和变压器隔离等抗干扰措施提高控制系统在恶劣工作 环境的抗干扰能力。在软件设计上，通过合理的软件流程设计，采用高效的二进 制通信协议，分别以v i s u a lb a s i c6 0 开发平台和c 语言编写了上位机和下位机测 控软件。实现了对不同高压逆变模块的充电控制、同步延时控制、“s 信号的峰值 检测以及与多外围设备通信等的控制和测量功能。 本脉冲功率电源系统产生的同步控制信号，延时精度小于1 “s ，且根据所驱动 负载的要求，延时可以任意设置。此外，同步脉冲信号具有一定的驱动能力，可 直接用于驱动微秒雷管等。 在对本脉冲功率电源系统控制系统的硬件和软件进行调试后，选择合适的电 路参数，进行了使用不同高压逆变模块对储能电容器的充电实验。在充电实验基 础上，进行了驱动由脉冲变压器、脉冲形成线和二极管构成的强流电子束加速器 的实验研究。实验结果表明，本脉冲功率电源系统工作稳定可靠，能够完成相应 的控制和测量任务，取得了良好的应用效果，达到了预期的目的。 关键词：野外实验；脉冲功率电源；充电；同步控制；峰值检测；远程控制 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t os a t i s f yt h er e q u e s to ff i e l de x p e r i m e n t ，ac o m p a c t e ra n ds m a l l e rp u l s e dp o w e r s u p p l ys y s t e mu s i n gr e c h a r g e a b l eb a t t e r ya sp r i m a r yp o w e rs u p p l yi sd e s i g n e d i nt h i s s y s t e m ，ah i g hv o l t a g ei n v e r t e rm o d u l ei su s e dt ob o o s tt h e2 4 vd i r e c tc u r r e n tt oh i g h v o l t a g ed i r e c tc u r r e n tc a p a b l eo fc h a r g i n gt h ee n e r g y s t o r a g ec a p a c i t o r t h e nt h e c a p a c i t o rd i s c h a r g e s t ot h el o a d ，g e n e r a t i n gap o w e rp u l s e t h r e e e n e r g y s t o r a g e c a p a c i t o rc h a r g i n gm e t h o d sa r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e di nt h i st h e s i s t h e nt h eh i g h e f f i c i e n ta n de a s y c o n t r o l l i n gm e t h o di sa d o p t e d i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fo p e r a t o r sa n dt h ea u t o m a t i o no fs y s t e mc o n t r o l ，t h e c o n t r o ls y s t e mi sg o v e r n e db yc o m p u t e r t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e st w op a n s ： o n ei st h er e m o t ec o n t r o lc e n t r eb a s e do nc o m p u t e ra n dt h eo t h e ri st h el o c a lc o n t r o lu n i t b a s e do nam o n o l i t h i cc o m p u t e ra t 8 9 c 5 2 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o l s y s t e ma r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so f f r o mt o pt ob o r o m a n d f r o m b o r o mt ot o p ”i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，s o m ef u n c t i o n a lc i r c u i t sa r ec a l c u l m e dc a r e f u l l y a n ds i m u l a t e do nc o m p u t e rt od e t e r m i n et h eb e s tc i r c u i tp a r a m e t e r s ，a n ds o m ea c t i v e m e a s u r e sa r et a k e nt om a k es u r et h ec o n t r o ls y s t e mw o r kr e l i a b l y i nt h es o f t w a r e d e s i g n ，ah i g he f f i c i e n c yb i n a r yp r o t o c o li sa d o p t e di nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e r e m o t ec o n t r o lc e n t r ea n dt h el o c a lc o n t r o lp a r t t h es o f t w a r eo ft h er e m o t ec e n t r ei s d e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c6 0 ，a n dt h es o f t w a r eo fl o c a lc o n t r o lp a r ti sd e v e l o p e do n j y 2 x 0 0i d eb ycl a n g u a g e t h ef u n c t i o n so fc h a r g i n gc o n t r o l ，s y n c h r o n o u sc o n t r o l ， s i g n a l c o n v e r s i o na n ds a m p l i n g ，p e a kv a l u ed e t e c t i n g ，c o m m u n i c a t i o nw i mf o u r m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t sa n ds oo na r er e a l i z e d t h ee r r o ro ft h es y n c h r o n o u sc o n t r o ls i g n a l sd e l a yi sl e s st h a n2 “s a n dt h ed e l a y c a nb es e tt os a t i s f yt h er e q u e s to fd r i v i n gd i f f e r e n tp u l s e dp o w e rd e v i c e s i na d d i t i o n ， t h e s y n c h r o n o u sc o n t r o ls i g n a l i sa b l et od r i v ec o m p o n e n t sd i r e c t l y ，s u c ha s l x s d e t o n a t o r sa n ds oo n t h e r e f o r e ，t h i sp u l s e dp o w e rs u p p l ys y s t e mc a nb ea p p l i e dt o d r i v ee x p l o s i v e l y - d r i v e nm a g n e t i cf l u xc o m p r e s s i o ng e n e r a t o r s ，t od r i v ea c c e l e r a t o r so f i n t e n s ec h a r g e dp a r t i c l eb e a m sc o n s t i t u t e db yt r a n s f o r m e r ，p u l s e f o r m i n gl i n ea n dd i o d e ， a n ds oo n a f t e rt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mh a v eb e e nd e b u g g e da n d t e s t e di nl a b o r a t o r y ，s o m ec h a r g i n ge x p e r i m e n t su s i n gs e v e r a ld i f f e r e n th i g hv o l t a g e i n v e r t e rm o d u l e st oc h a r g et h ee n e r g y s t o r a g ec a p a c i t o ra r ep e r f o r m e dt ot e s tt h e c h a r g i n gc o n t r o lf u n c t i o n t h e s ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc a nw o r k e f f e c t i v e l yt oc o n t r o lt h ec h a r g i n gp r o c e s s t h e ns o m ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tu s i n g t h i sp u l s e dp o w e rs y s t e mt od r i v ea c c e l e r a t o ro fi n t e n s ec h a r g e dp a r t i c l eb e a m s a l l e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sp u l s e dp o w e rs u p p l ys y s t e mc a nr e a l i z ea l lt h e d e s i g n e df u n c t i o n sa n dw o r kr e l i a b l y 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 k e yw o r d s ：f i e l de x p e r i m e n t ；p u l s e dp o w e rs y s t e m ；c h a r g e ；s y n c h r o n o u s l y c o n t r o l ；p e a kv a l u ed e t e c t i n g ；c o m m u n i c a t i o n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 三种高压逆变模块主要性能指标和参数6 表3 1t c m 3 数字罗盘主要技术参数1 7 表3 2s u p e r s t a ri io e m 板主要技术参数1 7 表3 36 3 0 8 c t 电导率仪主要技术参数18 表3 46 n 1 3 7 输入输出真值表1 9 表3 5c d 4 0 5 2 数字控制真值表2 0 表3 6m a x 5 3 9 的输入数字量与输出电压关系2 3 表3 77 4 l s l 2 3 功能表2 6 表4 1电导率仪通信协议4 5 表5 1隔离电路输入输出电压实验数据4 9 表5 2d a 输入数字量和隔离后输出电压测量结果5 0 表5 3隔离前输入电压和a d 采样结果5 0 表5 4 逐级台阶升压充电实验电路参数。5 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1以市电为种子能源的脉冲功率电源系统框图1 图1 2蓄电池加逆变器和电容器作为h e m c g 初级能源3 图1 3 文献 1 9 】采用脉冲功率电源控制系统框图3 图2 1本脉冲功率电源系统原理框图6 图2 2 理想充电回路示意图6 图2 3充电回路电压变化规律示意图。1 1 图2 4 充电回路流变化规律示意图1 1 图3 1本脉冲功率电源控制系统原理框图1 5 图3 2r s 2 3 2 电平转换电路原理图1 8 图3 3t t l 电平到l v t t l 电平转换电路原理图1 9 图3 5r s 4 8 5 电平转换电路原理图2 1 图3 6 单片机串口扩展电路原理图。2 2 图3 7 数模转换电路原理图2 3 图3 8 多通道信号采集电路原理图。2 4 图3 98 2 5 4 与单片机连接电路原理图2 5 图3 1 0 脉冲反相展宽电路原理图2 7 图3 1 1 脉冲放大电路原理图2 8 图3 1 2 输入脉冲信号波形2 9 图3 1 3i g b t 驱动信号波形。2 9 图3 1 4 负载两端的电压波形。2 9 图3 1 5 流过负载的电流波形。2 9 图3 1 6 电容器放电电流波形2 9 图3 1 7 流过电阻r 4 5 的电流波形一2 9 图3 18 峰值检测电路原理图31 图3 1 9 模拟信号隔离电路原理图。3 3 图3 2 0 看门狗和电源监测电路原理图3 4 图3 2 1 多功能开关结构示意图3 5 图3 2 2h r m 2 h s d c 2 4 v c 3 5 图3 2 3 功率继电器驱动电路一3 6 图3 2 4 下位机主电路实物图。3 7 图4 1用户操作软件主界面一4 0 图4 2 上位机数据发送程序流程图4 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 图4 3 上位机数据接收程序流程图4 l 图4 4 下位机主程序流程图。4 2 图4 5 下位机串口接收中断伺服程序流程图4 3 图4 6 充电控制程序流程图4 6 图5 1h c n r 2 0 0 典型工作电路原理图4 8 图5 2 输出电压对应数字量与输入数字量的关系5 1 图5 3 采样结果与输入电压对应数字量的关系。5 1 图5 48 2 5 4 输出负脉冲波形5 2 图5 5反相展宽后的波形5 2 图5 6i g b t 驱动电压信号波形5 2 图5 7 反相放大后的脉冲信号波形5 2 图5 88 2 5 4 输出同步负脉冲信号波形5 2 图5 9 反相放大后的同步脉冲信号波形5 2 图5 1 0 跟随电路输入输出信号波形( 一) 5 3 图5 1 1 跟随电路输入输出信号波形( 二) 5 3 图5 1 2 测量设备数据5 4 图5 1 3d w p 1 0 3 2 0 f 5 4 图5 。1 4d w p 1 0 3 2 0 f 1 d 5 4 图5 1 5 电容器两端电压变化曲线一5 6 图5 1 6 充电电流变化曲线5 6 图5 1 7 电容器两端电压变化曲线5 7 图5 18 实验装置电路示意图5 8 图5 1 9 实验装置图5 8 图5 2 0 水循环装置图5 8 图5 2 l 信号隔离电路原理图。5 9 图5 2 2 信号隔离装置实物图。5 9 图5 2 3 隔离前后信号波形6 0 图5 2 4 电容器放电电流波形6 0 图5 2 5 脉冲形成线充电电压及负载电流波形。6 0 图5 2 6 脉冲形成线充电电压及负载电流波形6 0 图5 2 7 负载电流波形6 1 图5 2 8 脉冲形成线充电电压波形6 l 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下避行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防辩学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一阍工作的阖志对本研究所做的任 何贾献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题鼙： 萱整迪送曳麴蕉生功整塾翌丞统题窥一一一 黼始一魄渺辟帅母 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阑；可以将学位论文的全部或都分内容编入有关数据 库避行捡索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密学位论文在瓣密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 霜期渺8 年1 1 月咖 疆期：p 。扩年f 月吖日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1脉冲功率电源的分类及发展现状 自2 0 世纪3 0 年代以来脉冲功率技术发展迅速。脉冲功率装置在粒子加速器、 激光脉冲、雷达发射、受控热核聚变、高频脉冲感应加热等技术领域中被广泛使 用。 在脉冲功率装置中常用脉冲功率电源作为初始能源。整个脉冲功率系统的工 作过程是：脉冲功率电源把较小功率的能量以较长时间输入到储能设备中，然后 再通过脉冲功率系统将初级能源输入的能量进行压缩与转换，最后在极短的时间 ( 最短可为n s ) 以极高的功率密度向负载释放，其实质是对输入功率进行放大【l 】。 脉冲功率电源系统主要由初级能源( 输入级) 、中间储能、以及能量转换和释放 系统( 输出级) 组成。初级能源为小功率的能量输入设备，如电容器的充电机、电感 线圈的励磁电源、飞轮电机的拖动电机，其能源来自电网；能量转换与释放系统 主要包括各种大容量闭合开关和断路开关及各种波形调节技术设备。脉冲功率电 源系统可以从以下方面分类： ( 1 ) 根据中间储能方式可分为：电场储能、磁场储能、机械储能、化学储能以 及核能等等； ( 2 ) 根据输出特性及主要技术路线可分为：调整管调制技术的窄脉冲调制负高 压电源( “s 级) 、晶闸管交流调压型高压电源( m s 级) 、星点控制高压电源( 百m s s 级) 以及晶闸管高压整流器，脉冲步级调制技术( p s m ) ，开关电源技术等【2 】。 现在的脉冲功率电源系统大多采用电力电子学中的开关变换技术，以2 2 0v 或3 8 0v 交流电源供电，经过初级整流、稳压、高频逆变、升压、倍压整流后输 出直流高压，利用该直流高压对储能电容器充电，然后在时序信号作用下控制放 电开关导通，储能电容器向负载放电产生功率脉冲，系统主要构成如图1 1 所示 3 1 【1 1 1 。通过选择不同变比等参数的升压变压器和不同容值、耐压等参数的储能电 容器就可以得到各种参数的高压脉冲大电流，为各种脉冲功率装置提供初始能源。 r 整高整 脉 流频升流 冲 负 稳逆 压输 电 容 载 压变出 器 。二i 。一l i l l i 1 i i 一 r = | 臣习l一 l： | l 一l l ： j lj ，j 纠ll ： 图以市电为种子能磊丽赢弄荔摹茗源系统框图 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 电容储能容易控制，技术成熟，所以应用广泛。对储能电容器充电方式有： 恒压充电、逐级台阶升压充电、恒流充电等。以恒压方式充电，在充电开始瞬间， 负载电容相当于短路，使充电设备和电网受到很大冲击，因此在充电回路中往往串 联一个很大的电阻，充电效率最多不超过5 0 。而恒流充电效率高，充电瞬间对电 网冲击小，电容器上电压与充电时间呈线性关系，是一种比较理想的充电方式。 文献 11 1 总结的常用大功率恒流电路有三种：电压源实现恒流、交流l c 变换器实 现恒流和电流传感器控制实现恒流。其中交流l c 变换器实现恒流是较成熟的技 术，应用较广，但其带负载能力较差。电压源实现恒流本质上不具有恒流源充电高 效节能的特点。该文献介绍的电流传感器控制型变频恒流高压电源充电效率达 8 0 ，安全可靠且易于实现自动控制。 以市电作为种子能源的脉冲功率电源系统在实验室及工业生产现场能够方便 获取能源及重复使用，但是不能满足野外作业需要。另一方面，这种电源系统容 易受到供电系统的干扰，比如电网电压大幅度浪涌与下陷，有时出现的长时间的 过压、欠压和短时间的尖峰电压等。同时，高频开关电路产生的高频谐波也可能 对供电网络造成污染。 采用开关变换技术的脉冲功率电源的控制系统大部分具有p w m 控制、利用霍 尔电流传感器和电压传感器对输出电流电压进行检测、通过模数转换进行数据采 集、r s 2 3 2 或r s 4 8 5 通信、数字延时触发、基于虚拟仪器技术的计算机软件控制 测量等功能。在以上控制系统中单片机是实现现场时序逻辑控制的主体， c p l d f p g a 和d s p 由于其处理速度快的优点在电源控制系统中主要用来产生高 频脉冲或者实现p w m 控制。 总的来说，随着计算机技术的发展，基于计算机的自动化方案已成为主流， 计算机在自动化领域的应用正迅速增长，将所有的功能集成于这个统一开放的平 台上，通过人机界面可以使复杂的控制和数据处理变得更加简单化。由于单片机 具有成本低、工作可靠、抗干扰能力强等优点，基于单片机及计算机组成的测控 系统能够可靠实现对脉冲功率电源系统及脉冲功率装置的测控功能【1 2 】【1 3 j 。 脉冲功率电源系统需要将储能电容器充电到几十甚至上百k v 高压，其控制系 统工作环境恶劣。因此，脉冲功率电源控制系统的可靠性设计尤为重要。在很多 文献中都对此进行了相应的讨论，并采取了有效的措施来保证系统的正常工作。 比如为保证现场控制系统与计算机的正确通信，文献 1 4 中除了对现场控制系统进 行屏蔽、隔离、高频滤波等措施之外，还采用光纤作为与计算机的通信介质，大 大提高了整个系统的抗干扰能力。文献 1 5 1 1 6 分别对开关电源电磁干扰抑制和强 激光脉冲电源遥控装置的电磁兼容设计作了详细的介绍，详细讨论了脉冲功率电 源控制系统中干扰的来源与途径，并提出了相应的解决方法。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 1 2 蓄电池加逆变模块和电容器构成的脉冲功率电源系统 蓄电池储能密度大( 5 0 0m j m 3 ) ，但由于其输出电压及电流比较小，不能直接 用做脉冲功率装置初始能源，必须经过高压逆变模块升压对储能电容器充电到一 定电压后，驱动爆磁压缩发生器、强流电子束加速器等脉冲功率装置。中国工程 物理研究院龚兴根老师【1 7 1 对蓄电池加高压逆变模块和电容器的组合有较详细的介 绍，k r a v c h e n k 0 1 1 8 】以及本研究室陈冬群老师【1 9 j 分别进行了蓄电池加逆变模块和电 容器作为驱动爆磁压缩发生器初始能源的研究，实验原理如图1 2 所示。 图1 2 蓄电池加逆变器和电容器作为h e m c g 初级能源 文献f 1 9 】设计的脉冲功率电源系统，采用2 4 v 7 a h 铅酸蓄电池来给控制器、 显示器和高压逆变模块等部件供电，并作为雷管的起爆电源；采用a t 8 9 c 5 2 可编 程控制器控制各部件的运行；显示器采用四路七段数码管；雷管解锁及起爆由两 个继电器控制，另外还包括电源电路、采样比较电路，时钟电路和遥控接收电路 等，该脉冲功率电源控制系统原理框图如图1 3 所示。关于该脉冲功率电源控制系 统，文献f 1 9 】中有详细介绍。其中高压逆变模块型号为d w p 1 0 3 1 0 f ，储能电容器 为自愈式金属膜高储能密度电容器c b b 2 0 x ，容值2 2 0p f 。在1 5 0s 内对该电容器 充电到7k v ，向6 0g h 电感放电，产生放电周期7 8 3g s ，大于1 0k a 的功率脉冲。 图1 3 文献 1 9 1 采用脉冲功率电源控制系统框图 1 3 本文研究意义和主要工作 从大量的公开文献( 包括国内外脉冲功率会议文集) 可以看出，研究紧凑型 脉冲功率源，比如紧凑型m a r x 发生器、爆磁压缩发生器的研究等等，无论在军事 还是民用领域都有较重大的意义。而紧凑型脉冲功率电源的研制则是紧凑型脉冲 功率源的前提条件，脱离地面的紧凑型脉冲功率源则进一步扩大了紧凑型脉冲功 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 率电源的使用环境，在野外等无大功率常规电源( 比如市电) 供应的场合具有特 别的意义。 本文研究的脉冲功率电源系统采用蓄电池供电，完全脱离地面能源，能够实 现计算机远程操作，并具有一定的控制和测量功能。本脉冲功率电源系统能够用 于驱动爆磁压缩发生器，驱动由脉冲变压器、脉冲形成线和二极管构成的强流电 子束加速器等脉冲功率装置。选择不同的高压逆变模块可以构成不同电压等级的 脉冲电源。具体来说本文研究的脉冲功率电源系统要实现的主要功能如下： 1 、实现不同高压逆变模块对储能电容器充电的控制，储能电容器向负载放电 得到功率脉冲； 2 、利用计算机进行远程遥控操作，保证设备和人员安全； 3 、具有同步延时控制功能，可以满足各种脉冲功率装置对延时触发的要求， 比如用在爆磁压缩发生器上，可以控制电容器放电开关和爆磁压缩装置的起爆延 时；在由脉冲变压器、脉冲形成线和二极管构成的强流电子束加速器上，可以控 制电容器放电和脉冲形成线主开关放电的同步延时； 4 、基本的信号测量功能：具有“s 量级的脉冲电流和脉冲电压信号的峰值检 测功能，测量通道为四个： 5 、具有对实验装置的位置、姿态、水介质电导率的测量功能，可以与g p s 、 数字罗盘和电导率仪等进行正确通信，获取需要的数据； 6 、具有高低压隔离功能及模数电路隔离功能，确保系统稳定可靠。 本论文进行的工作主要有以下几个方面： 第一章对目前脉冲功率电源系统研究现状及应用进行了概述，简要介绍了本 研究室对蓄电池作为初级能源，经过高压逆变模块对电容器充电的脉冲功率电源 系统的工作原理及工作过程，并对本课题研究的意义和内容进行了简要叙述。 第二章通过求解充电回路电路方程，分析比较了对储能电容器充电的三种方 式，并重点分析了逐级台阶升压充电方式中充电回路电压电流参数的变化规律， 为本脉冲功率电源系统充电方式及充电回路参数的选择提供依据。 第三章按自项向下和自底向上相结合的设计原理，对上位机和下位机硬件进 行设计。介绍了基于计算机的上位机硬件设计和基于a t 8 9 c 5 2 单片机的下位机硬 件电路设计，实现了单片机与计算机、数字罗盘、g p s 及电导率仪的正确通信， 数据转换，峰值检测，同步控制等功能。另外，由于下位机工作在复杂电磁环境， 在本章分析了控制系统干扰来源和耦合途径，在硬件设计上采取了有效的抗干扰 措施。 第四章通过合理的软件流程设计，采用高效的二进制通信协议，分别以v i s u a l b a s i c6 0 和c 语言编写了上位机和下位机测控软件。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 第五章介绍了控制系统下位机硬件电路和软件的调试过程与测试结果。根据 不同的高压逆变模块和第二章分析结论，选择相应的充电回路参数，确定产生所 需脉冲的充电回路，进行充电实验。在充电实验的基础上，利用本脉冲功率电源 系统驱动由脉冲变压器、脉冲形成线和二极管构成的强流电子束加速器进行实验， 并对实验结果进行分析。 第六章对全文的主要工作和结果进行了总结，并且对今后的工作进行了展 望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章电容器直流充电规律分析 本文设计的脉冲功率电源系统原理框图如图2 1 所示。蓄电池作为种子能源向 系统提供2 4v 直流，高压逆变模块升压后输出直流高压，对储能电容器充电。所 采用的高压逆变模块有三种，其主要参数如表2 1 所示。其中d w p 1 0 3 2 0 f 和 d w p 5 0 3 4 f 这两个型号的高压逆变模块，0 , - - + 5v 电压信号控制其输出电压，输 出电压大小在输出范围内与0 , - - + 5v 控制信号成线性关系。而d w p 1 0 3 2 0 f 1 d 高 压逆变模块，是专门用来对电容器充电的高压逆变模块。该模块集成了输出电流 测控电路，限制输出电流不会超过额定电流。当电容器两端电压达到与0 - + 5v 控 制信号对应的0 - - , 4 - 1 0 0 0 0v 高压时，该高压逆变模块停止工作。另外，该模块还具 有高低电平控制启停的功能。 实际上，虽然d w p 1 0 3 2 0 f 1 d 模块外接控制信号控制的不是输出电压的大小， 但是其输出电流控制也是通过调节输出电压实现的。所以研究充电回路中，高压 逆变模块输出电压大小与电容器两端电压和充电电流变化规律，对本课题的研究 具有重要的意义。 储 蓄 高压逆变 能 负 电 模块 电 载 池 容 器 二i 一? ? ? ? ? ? i i | 巨困 v 图2 2 理想充电回路示意图 表2 1三种高压逆变模块主要性能指标和参数 d w p 1 0 3 2 0 fd w p 5 0 3 4 f d w p 1 0 3 2 0 f 1 d 输入电压 d c2 4v 2v d c2 4v 2v d c2 4v 2v 输出电压 0 - - , + 1 0 0 0 0v ( d c )0 , - , + 5 0 0 0 0v ( d c )0 , - - + 10 0 0 0v ( d c ) 输出电流 1 5m a4m a2 0m a 0 + 5v 电压信号控 0 + 5v 电压信号控外接电位器和0 + 5 控制方式 制制v 电压信号控制 其他带启停控制 设充电回路电流为i ( t ) ，电容器两点电压为圪( f ) ，回路电阻为r ，电容器容量为c ， 第6 页 t 卜上 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 高压逆变器输出电玉为y ( ，) ，开始时电容器两端电压为零，则回路方程如下： 氓+ 譬：y ( 2 1 ) c 、 7 2 1 最佳充电过程分析1 2 1 i f 面我们讨论高压逆变器输出电压及回路电流怎样变化时，回路电阻尺上消 耗的能量最小，充电效率最高。 电阻上消耗的能量为： 申讲= 胁( 掣卜 亿2 ， 电容器充电电流f ( f ) ，两端电压圪( f ) 显然是时间f 的函数。又是圪( f ) 的一 阶导数的平方的积分，如果把表示成函数f ( 圪( ，) ，吃( ，) ，f ) 的积分，则被积函数： ，( 圪( ，) ，吃( ，) ，t ) = r c 2 曙 ( 2 3 ) 写出尤拉拉格朗日方程为： 瓦o f d t = 。 一 ( 2 4 ) a 圪l a k 、 其中： o f ：0 a 圪 一o f ：2 r c 2 矿 a 屹 。 d l(ao圪fjl=dt 2 r c 2 吃 la 圪 代入方程得到 2 r c 2 圪= 0( 2 5 ) 吃= 0 吃= a 式中a 为一常数。 电容器两端电压可以写成： 圪( r ) = a t + b ( 2 6 ) 由此可以得蛩i 回路电流 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 砸) = c 掣一c 彳 这是一恒定直流电流的表达式，代入初始条件圪( o ) = o ，得到 b = 0 在f = t o 时刻，电容器两端电压圪( 乇) = 圪。，则 嘶) = 争 沁) = c 等 电阻r 上消耗的能量 = f 时衍 = f o c 2 尺f ，t , 型d tj 2 西 ：r c z 盗 形= 去c 嘭 二 则充电效率 矿1 = l = 一 。睨+ 1 + 2 r c t o ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 显然，当回路电阻为零时，充电效率将趋于1 0 0 。当用恒流源向储能电容器 充电时，可以去掉限流电阻，以得到高的充电效率。 由以上分析可知，当储能器为理想电容器、漏电流为零时，充电电流是一恒 定直流，电容器两端电压随时间呈线性上升，充电效率最高，回路电阻中损耗能 量最小。 2 2 恒压充电 方程( 2 1 ) 取微分， i r c + 江0 ( 2 1 3 ) 在，= 0 时刻，回路中电流为f _ i o 电容器两端电压圪= 圪。= 0 。充电过程中高 压逆变模块输出电压保持恒定，即矿( ，) = v o 。由此初始条件解出回路中的电流 f = 华e - t f r c = 堡rp 啦 ( 2 1 4 ) 尺 、_ 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 乇= 鼍 设充电时间为t ，电容器两端电压为 fi d t 圪2 号 ：i oj c r e - - r c d t ( 2 15 ) c 、 = v o 1 - e 卅船) 电阻中消耗的能量按焦耳定律可计算 = r 西= 警j c o 一肘衍= 三c 曙= 吃 ( 2 1 6 ) 充电效率 仉= 焘一s o ( 2 1 7 ) 铲万谚= 5 毗 ( 2 j 7 ) 电容器两端电压上升到0 9 v o 所需的时间为乏，则 1 一p t 肛= 0 9 ( 2 1 8 ) 乏= 2 3 r c 分析可知这种充电方式不论电阻取何值，充电效率最多不超过5 0 。充电过 程中电容器两端电压单调e 升，回路电流单调下降。 2 3 线性升压充电 设充电过程中，高压逆变模块输出电压随时间呈线性上升，即v ( t 1 = k t 。将 回路方程取微分，得 i r c + f = k c ( 2 1 9 ) 在t = 0 时刻，电容器两端电压圪= 屹。= o 。由此初始条件解出回路中的电流： f = 把( 1 一p 一懈) = i o ( 1 - p 一俾) ( 2 2 0 ) o = k c 设充电时间为丁，当t r c 时，f = i o 为恒流。电容器两端电压： 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 l 泐 圪2 = 鱼生：旦竺 ( 2 2 1 ) c = k i t + r c ( e - t i m - 1 ) j = 七丁 电阻中消耗的能量 = f r i 2 d t = k 2 c 2 r t ( 2 2 2 ) 电容器中储能 形= 三c 曙= c k 2 丁2 ( 2 2 3 ) 充电效率 1t 仉：軎：l 1 0 0 ( 丁尺c ) (224! 仉2 i 莎：j ；历i 2 t + r c 1 0 0 ：【2 r 乙j 2 2 4 电容器两端电压上升到o 9 z o 所需的时间为乏，则 七瓦= 0 9 v o ( 2 2 5 ) 7 1 ：0 9 v o k 由以上分析可以看出，当t r c 时，回路电流趋于恒定；电容器两端电压随 时间呈线性上升；充电效率接近1 0 0 。 2 4 逐级台阶升压充电 如图2 3 所示，将充电过程分成r 个阶段，每个阶段高压逆变模块输出电压比 前一个阶段增加a v ，则第n 个阶段高压电源输出电压 k = k + ( n - 1 ) a v ( 瓦一l r 0 )( 2 2 6 ) 高压逆变模块输出电压y 与电容器两端电压圪之差，即电阻两端电压为珞。 每个阶段开始时珞= ，结束时= ，设 。= ( 圪瞰) ( 0 1 )( 2 2 7 ) 在第n 个阶段结束时，高压逆变模块输出电压增加a v ，开始第n + 1 个阶段， 电容器两端电压不能突变，所以 积= k i 。+ a v = p ( a v m 瓤) + y ( 2 2 8 ) 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图2 3 充电回路电压变化规律示意图图2 4 充电回路流变化规律示意图 整个充电过程开始时，电容器两端电压为0 ，巧= ，以后各阶段高压逆 变模块输出电压 圪= 卜南p 亿2 9 ， 现在分析每个阶段内充电回路电流及电容器两端电压变化规律。 将回路方程( 2 1 ) 取微分 i r c + i = 0 ( 2 3 0 ) 充电第1 阶段，t o ， 石，t o = 0 ，屹l o = 0 ，k - v c l o = ，由此初始条件 解出回路中的电流 f ：! i 二；二垃p f 解：f o e f 局c ( 2 31 ) r ” 、 ：一a r m “ b2 尹 电容器两端电压为 i 出 圪。= 导 ：i o f _ e - - t r c d t ( 2 3 2 ) = ( 1 一p 叫船) 第1 阶段结束时，电容器两端电压即第2 阶段初始电压 第1 1 页 ：譬 ：i ore - m c d t( 2 3 3 ) = 1 - e 嵋似) = 圪默( 1 - , 3 ) = a v 则 e 一五肛= ( 2 3 4 ) 充电第聆阶段乙一。，