全国产PSM高压电源控制系统

面对日益加剧的能源消耗问题，核聚变作为一种具有巨大潜力的清洁能源，其研究与开发的重要性日益凸显。高压脉冲电源在核聚变反应中发挥着重要作用，它必须具备高电压、强电流、快速响应和精准控制等特性，以适应极端的反应条件。

为优化高压电源控制策略，加速其设计和优化过程，森木磊石推出了基于国产PXI控制器的高压电源控制系统方案。本篇中我们将对高压电源控制系统进行介绍，并以 100kV、50A量级的高压电源为例，验证EasyGo高压控制系统在不同控制算法下，对高压电源的优异控制效果。

一、高压电源控制系统

在高压电源控制系统方案中：控制部分采用真实的控制器“国产PXI”，功率拓扑部分利用EasyGo实时仿真器模拟，将二者用真实的物理IO线缆进行闭环连接。

整体系统架构下图所示：

在高压电源控制系统中，使用国产PXI作为高压电源系统的控制器。

国产PXI：由PXIe控制器，PXIe机箱，PXIe FPGA 模块组成，其性能强大，接口丰富，拥有大量的IO通道且支持TCP通讯。

若搭建真实的高压电源电路功率拓扑，耗费周期长且进行故障工况测试时不具有安全性。考虑到多种因素，利用EasyGo实时仿真器模拟高压电源系统。在实时仿真器部分中，只需要利用Simulink搭建好高压电源模型后，基于EasyGo平台将其导入进实时仿真器中运行即可。

二、控制系统优势

▍模块化组合，灵活配置：可以配置不同的板卡，适应不同的组合，灵活性高。

▍图形化算法搭建：非代码式的开发，支持图形控件拖拽进行算法逻辑搭建。

▍上位机实时监控：上位机自定义界面支持实时下发控制参数和数据监控。

三、控制系统仿真验证

为验证EasyGo高压电源控制系统方案对于紧凑型高压电源系统的控制效果，我们将通过“PSM控制、PWM配合PSM控制、移相控制”三种控制方法进行仿真测试。

整体系统测试架构如图：

左侧机柜下方安装的是国产PXI控制器，右侧为模拟紧凑型高压电源的实时仿真器PXIBOX，上位机通过TCP通讯对实时仿真器进行实时监控。

对紧凑型高压电源进行模型搭建，由于做原型验证，我们在实时仿真模型中模拟了300个模块级联的高压电源拓扑电路。将模型载入到实时仿真器中，通过真实的物理IO线与真实控制器进行连接，从而来验证不同的控制算法对其控制效果。

接下来以 100kV、50A量级的高压电源为例，为大家分享基于多种控制方法，对紧凑型高压电源系统的控制效果。

1、PSM控制验证

PSM控制算法是根据目标输出电压去调整需要调用子模块的个数。在调用单个子模块的时候，对该子模块的半桥控制只有上管常开下管常关，或者上管常关下管常开两种。

当上管关下管开时，为调用该模块；反之，则为不调用该模块。电压环经过PI后，得到相应的需要调用的子模块个数M，将M输入到模块调用控制中，即可形成闭环控制。启动控制后，输出电压会步进式地逐步向目标电压靠近，直到达到目标电压。该控制方法的缺点是输出电压波纹偏大，缺乏灵活性。

仿真中，控制器设定目标电压为100kV，可以观察到：

负载输出最终控制在100kV左右，调用的子模块数在270个左右，负载为阻性负载2000欧姆，负载电流为50A左右。Vdc输出电压随着子模块开启数量的增加，一步一步增加直到目标值，与控制算法逻辑一致。

实时仿真界面如图所示：

可以看到，负载电压稳定在99600~100400V左右，使用子模块数在270个左右。

2、PWM配合PSM控制验证

PSM控制纹波较大的主要原因是：不同电压期望值对应的子模块投入数量并非总是理想的整数。PI控制通过将计算结果的小数部分转换为占空比，并利用PWM控制来调节一个固定的子模块，有效减少纹波。

在控制中，只对第300个子模块使用PWM控制，其他的299个子模块依旧是用PSM控制，这样可以起到PWM配合PSM的作用。

仿真中，控制器设定目标电压为100kV，可以观察到波形如图：

相比于单纯的PSM控制算法，其输出波形平滑了许多，输出电压也到达了设定值100kV。

实时仿真界面如图所示：

可以发现，负载电压稳定在99700~100300V左右，其纹波相对于纯PSM控制要优化了许多。

3、载波移相控制验证

载波移相控制通过依次调整子模块的载波相位来实现。模型包含30个串联模块，分为0°、120°、240°三组，每组10个，载波相位以36°的间隔递增。每个特定的输出目标电压都有对应的调制占空比。

仿真中，控制器设定目标电压为100kV，可以观察到：

电压波形达到设定值，阻性负载为2000Ω，电流为50A左右。由于所有的子模块都进入到了工作状态，且同时进行控制，其达到目标设定值的时间相比于前两种算法要大大缩减。

实时仿真界面如下图所示：

可以发现，负载电压稳定在99800~100200V左右。

经过对多种控制算法验证测试，可以看到国产PXI控制器控制效果与预期一致，再次验证了EasyGo高压电源控制系统方案对高压电源的优异控制效果，可为高压电源的设计和优化提供强有力的支持。