脈沖發電機勵磁控制器的先進觸發控制*

葉 強,李華俊,李維斌

(核工業西南物理研究院聚變科學所，四川 成都 610041)

0 引 言

我國目前規模最大、參數最高的新一代核聚變試驗研究裝置中國環流器2號M裝置(HL-2M)主供電系統包括4臺飛輪脈沖發電機組，其中2臺80 MVA機組(1#、2#)通過變壓器和不可控整流設備為環向場線圈供電；125 MVA(3#)和300 MVA(4#)機組經變壓器和可控硅變流單元為極向場線圈供電[1-3]。

勵磁控制器作為HL-2M脈沖發電機勵磁裝置的主要構成之一，起著調控作用，是等離子體物理試驗大系統中的關鍵環節。由于HL-2M裝置中的環向場線圈供電回路的整流環節為不可控式，線圈電流波形只能由勵磁控制器控制，同時勵磁控制回路和環向場線圈供電回路時間常數較大，需要勵磁控制器具備更短的響應時間、更高的控制精度和更好的可靠性，尤其是在實現HL-2M裝置MA級等離子體放電能力的目標下，這種需求更為迫切?，F有勵磁控制系統仍沿用HL-2A時期的DOS系統，隨著時間的推移呈現出了一些局限性，如數據實時傳輸方面難以滿足當前勵磁控制需求；同時系統需要由多個功能模塊共同完成脈沖發電機的勵磁控制，尤其是需要單獨的數字觸發板實現觸發控制，可靠性較低。

為了滿足HL-2M高水平等離子體物理試驗對勵磁控制系統快速響應的需求，本文利用CompactRIO嵌入式系統設計一種具有先進觸發控制且適用于不同磁場線圈的勵磁控制器。該控制器觸發環節的精度較高，有利于提升控制器的整體控制精度。

1 勵磁控制器基本原理及其硬件設計

脈沖發電機為磁場線圈負載和二級高壓加熱負載提供可靠的電力輸出時離不開勵磁控制器的參與。HL-2M裝置的4臺脈沖發電機勵磁控制器運行環境基本相同，運行環境如圖1所示，其中，if為勵磁整流柜輸出的勵磁電流。勵磁控制器工作原理是：勵磁控制器的上位機在勵磁投入前，下載、解析中控設置的參考波形VEC文件和控制參數DPF文件，在勵磁退出后，完成勵磁控制過程數據的打包上傳，勵磁控制器在待機期間，還不斷檢測來自勵磁PLC系統的強勵時序信號以投入工作；投入勵磁控制后，勵磁控制器的算法調節部分按時序以1 ms的控制周期實時調節勵磁，在調節過程中輸出控制電壓UK和控制信號CTRL，并在滅磁完后整理形成勵磁控制過程數據，控制器的觸發部分根據同步信號周期和實時輸出的UK與CTRL生成勵磁整流單元的脈沖信號，實現對脈沖發電機勵磁電流的控制。

圖1 勵磁控制器運行環境

根據勵磁控制器的運行環境與工作原理，確定基本硬件架構為PC+CompactRIO，如圖2所示，PC上位機為勵磁控制器與中控的接口，實現人機交互和中控文件解析功能；CompactRIO為勵磁控制器的控制核心，提供浮點運算、實時控制和邏輯處理等功能[3-5]，由實時控制器、可重配置的FPGA和工業級I/O模塊3個部分組成[6-7]?；趯崟r控制器和LabVIEW圖形化環境可實現集成浮點數據處理和過程控制的實時控制平臺；實時控制器+FPGA+I/O的硬件布局使CompactRIO具備高精度測量和高速邏輯處理的能力。CompactRIO由勵磁調節器與勵磁觸發器構成，分別實現勵磁實時控制和脈沖觸發控制。根據CompactRIO各部分的特點并結合勵磁調節器和勵磁觸發器的任務需求，確定了下位機布局，即在RT層面實現勵磁調節以及在FPGA電路中實現勵磁觸發。

圖2 勵磁控制器基本硬件框架

2 勵磁實時控制及人機交互

勵磁調節器實現勵磁控制器的核心功能，即根據勵磁控制算法和策略對脈沖發電機端電壓進行實時控制。依據中控所設參考波形，將勵磁調節過程劃分為4個階段：延時階段、通電階段、反饋階段和滅磁階段?？刂茣r序如圖3所示，tfe為強勵時刻，tp為通電時刻，tf為反饋時刻，tde為滅磁時刻，te為退出時刻。延時階段下勵磁調節器不工作，僅用于計時；通電階段要求勵磁調節器依照勵磁參考波形輸出UK，其目的是為了保證在反饋時刻達到反饋設定的范圍，進而提高反饋控制效率；反饋階段的作用是基于PID控制算法調節目標波形，以按照中控設置的參考波形變化；最后是滅磁階段，目的是減小在勵磁功率柜上的沖擊。根據控制的任務和特點，在RT VI中設計了初始化程序以接收上位機下傳的參數；設計時間局部變量t、分段控制選擇程序和增量PID控制程序實現核心算法的控制；設計FPGA接口讀寫程序實現UK與脈沖信號的轉換。為了完善勵磁調節器，還設計了故障保護程序以及勵磁調節數據整理收集程序。調節器執行流程如圖4所示，W為勵磁電壓參考波形。

圖3 控制時序

圖4 勵磁調節器實時控制流程圖

HMI人機交互界面包括炮號更新顯示區、狀態監測區、數據波形顯示區、參數設置區；此外，上位機還要完成文件處理非實時任務。作為中控系統與CompactRIO的橋梁，上位機與中控通過TCP/IP協議通信，采用共享變量方式與CompactRIO進行數據交互。為保證勵磁調節時放電參數不刷新，設計一個表征勵磁控制狀態的布爾變量ExWork實現上位機文件解讀與下位機勵磁調節互鎖，只在ExWork=False時執行放電文件的下載和解讀。工作過程如圖5所示。

圖5 上位機流程圖

3 高精度觸發控制

勵磁觸發器實現頻率追蹤和脈沖控制等功能。在勵磁觸發器軟件開發中采用模塊化、集成化和多線程的先進算法結構，有利于未來對系統進行升級和擴展，縮短開發周期和降低成本[8]。

所謂同步，就是要求加在勵磁整流柜晶閘管的觸發脈沖與加在晶閘管陽極電路上的電壓在頻率和相位上是一致的。實現同步是同步信號處理模塊的主要功能，只有實時準確地測量出頻率，且確保觸發脈沖輸出相位正確，才能可靠實現跟蹤控制[9]。為獲取高精度頻率測量結果和提高同步信號故障檢測的能力，在FPGA VI中采用3個高速循環結構并行執行采樣、測量和診斷等任務。采樣循環中以高達1 sample/10 ms的速度對同步信號進行采樣，并完成正、負零點的判定；測量模塊利用內嵌單周期定時循環(SCTL)結構以一個硬件時鐘的循環步長測量同步信號周期；根據三相電壓輸入的各種情況[10]和缺相特征，在診斷循環中設計了相序錯誤和缺相的判斷程序。同步信號處理模塊的運行過程如圖6所示，T為同步信號周期。

圖6 同步信號處理流程圖

脈沖控制要求控制精度高、實時性好、對稱度高、穩定性強、觸發安全可靠[11]。而實現高精度脈沖觸發控制對邏輯處理速度要求較高。FPGA具有強大的邏輯處理能力和可重配性，易實現觸發器的脈沖控制，借助LabVIEW FPGA工具使功能開發更加靈活。

HL-2M單臺脈沖發電機組的勵磁功率單元由2個晶閘管整流柜并聯而成。在整流柜合閘起動過程中或電流斷續時，為了保證電路的正常工作，需確保同時導通的2個晶閘管均有脈沖。由于寬脈沖觸發方式存在脈沖變壓器易飽和的問題，且改善成本較大，采用雙脈沖觸發。產生雙窄脈沖的方法有2種，分別是外雙脈沖法和內雙脈沖法?；贔PGA+I/O靈活架構并考慮到實現的難易度，采用內外雙窄脈沖混合觸發的方式。然而，實際中采用雙窄脈沖觸發整流電路時往往會造成晶閘管熱量升高和影響功放板中脈沖變壓器的功能。為此，在觸發雙窄脈沖基礎上，使之變成與之對應的一系列窄脈沖，從而形成雙窄脈沖列輸出。不同的可控硅可能需要脈沖列中脈沖個數不同，為了解決此問題，將脈沖列中窄脈沖周期設計為可調。

脈沖控制需要解決3個核心問題：頻率是否與同步信號可靠同步；是否在正確時刻施加脈沖；脈沖形式的產生。具體設計為，在同步信號處理模塊FPGA VI中建立并行的脈沖控制線程，實現脈沖觸發控制與同步信號處理2個線程在硬件層面上的并行執行，滿足2個模塊對邏輯處理的高速性和獨立性要求，并利用“同步信號周期”局部變量實時讀取同步信號周期，實現2種信號的可靠同步；采用平鋪式順序結構+觸發性延時結構組合用于固定脈沖施加的時間基準點(正確的起始時刻)，確保脈沖施加的有效性，提高系統可靠性；在SCTL中，根據勵磁調節器設置的觸發角α和脈寬，以硬件時鐘為執行周期，輸出一個周期的高低電平組合，形成標準的雙窄脈沖，在雙窄脈沖的基礎上增加頻率可調的低電平信號列，兩者信號相加后，雙窄脈沖信號低電平段不變，高電平段形成高低交替的脈沖列。脈沖觸發控制模塊執行過程如圖7所示，CTRL為解封鎖信號。

圖7 脈沖控制流程圖

4 試驗驗證

首先利用搭建的小型試驗平臺對跟炮下載與解讀中控文件、勵磁分段控制、同步信號周期測量、同步信號故障判斷、脈沖信號觸發控制等基礎功能進行了驗證，然后在與原有DOS微機勵磁控制系統的并聯運行中進行了調試。部分頻率測量結果如表1所示，在80 Hz處出現最大測量誤差(80.088 3-80.000 0)/80=0.11%。當輸入50 Hz同步信號時，設置不同觸發角對勵磁整流柜的橋臂1、3、5雙窄脈沖信號進行移相控制，脈沖控制結果如圖8所示，脈沖信號的施加起始時刻正確，頻率和同步信號可靠同步，在不同α控制下，脈沖控制精度均在100 ms內，其中α=36°、90°和126°時，控制誤差分別為66.67 ms(3 666.67-3 600.00)、66.67 ms(6 666.67-6 600.00)和66.67 ms(8 666.67-8 600.00)。圖9給出了雙窄脈沖列信號及設置不同周期(對應脈沖列中極窄脈沖個數)的控制效果，極窄脈沖周期設置在30 ms和50 ms時，測量顯示分別為32 ms和48 ms，極窄脈沖周期最小可設置為20 ms，可提高勵磁控制器觸發功能實用性。CompactRIO勵磁控制器與DOS勵磁控制器并聯跟炮運行，在某一炮號下2個勵磁控制系統的雙窄脈沖輸出波形對比如圖10所示，其中黑色曲線是DOS保存的波形，灰色曲線是CompactRIO保存的波形，可以看出并聯調試時，在強勵信號正確觸發勵磁投入后，2個系統產生的控制趨勢幾乎一致。

表1 部分頻率測量結果 Hz

圖8 雙窄脈沖移相控制

圖9 雙窄脈沖列控制

圖10 控制波形對比

5 結 語

為了提高HL-2M脈沖發電機勵磁控制的兼容性和可靠性，基于CompactRIO設計了一種勵磁控制器。該控制器打破了原有需要單獨數字觸發板才能實現觸發控制的勵磁控制架構局限，降低了硬件設備復雜度，提高了勵磁控制的可靠性。此外，控制器核心算法采用模塊化編程，在FPGA+I/O架構下可適用于在環向場和極向場兩種負載下開展勵磁控制研究，提高了勵磁控制的兼容性。基于試驗驗證平臺進行驗證，從上位機的數據解析和命令接收，到RT實時勵磁控制，再到FPGA觸發控制，整個過程協調有序；頻率測量和脈沖控制精度均在微秒級，脈沖信號與同步信號可靠同步；可設置不同脈沖形式，對于雙窄脈沖列脈沖形式還可以根據功放板需要設置構成脈沖列的極窄脈沖個數；新勵磁控制系統產生的控制邏輯與原有系統一致。驗證結果表明勵磁控制器具備高精度、高靈活的先進觸發控制功能，控制結果正確，滿足勵磁控制需求。