[发明专利]一种用于磁压缩等离子体线圈电源的模型预测控制系统

说明书

本发明属于托卡马克聚变电源控制领域，公开了一种用于磁压缩等离子体线圈电源的模型预测控制系统，包括磁压缩等离子体线圈电源主电路、采样电路、控制电路、反馈电路、驱动电路和模型预测控制算法程序。本发明通过对反馈量的检测，获取PSFB‑SRC变换器实时输出的电流/电压信号，经调理电路/AD转换为数字信号，在STM32F103控制器内执行模型预测控制算法，输出PWM波至IGBT驱动电路，控制四路IGBT的通断，实现电流/电压的精确跟踪。

技术领域

本发明属于托卡马克聚变电源控制领域，涉及一种用于磁压缩等离子体线圈电源的模型预测控制系统。

背景技术

托卡马克磁压缩等离子体需要能够快速的提供给等离子体一个稳定的额外垂直磁场，所以要求磁压缩等离子体线圈的电源具有电流稳定与高响应速度的特点。移相全桥变换器作为开关电源的一种，具有输出效率高、能量损失小的特点，被广泛应用于大功率直流充电系统中。于是等离子体的磁压缩线圈电源通过前级整流单元实现AC/DC变换，在电源模块的后级采用全桥DC/DC变换器。在各种全桥型变换器中，移相全桥串联谐振变换器(PSFB-SRC)由于具有很高的转换效率而引起了广泛的关注。为了实现托卡马克磁压缩过程中线圈电流上升段的快速性与平顶段的稳定性，对于DC/DC变换器输出电压的精确控制非常重要。传统的PID控制方法简单，对被控对象不敏感，且被控对象是在线性的、时不变的状态下工作，但实际被控对象千变万化，受到多种干扰不明确、波动因素不清晰，采用类似于自适应或模糊控制等高级算法对PID进行改进，能够改善这方面的问题，但这使得计算方法变得较为复杂。模型预测控制是一种基于系统模型进行深度优化的反馈控制策略，具有简单且容易应用于多变量系统，应对变化负载时动态响应速度快等优势。此外，它还允许非线性和约束以直接的方式结合到控制律中，所以被广泛应用于各种复杂工业过程，但是大部分系统的模型计算复杂，在算力不高的微控制器上难以实现。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统PI控制方法在负载突变等复杂情况下动态响应性能较差，而模型预测控制模型计算复杂，在算力不高的微控制器上难以实现。为了更好的对磁压缩等离子体线圈电源进行控制与调节，本发明提出了一种简单的移相全桥变换器模型用于预测控制，设计了一套磁压缩等离子体线圈电源PSFB-SRC模型预测控制系统，计算过程简单，易于实现，提升了整个电源系统对易变电路参数的抗干扰能力。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于磁压缩等离子体线圈电源的模型预测控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

一种用于磁压缩等离子体线圈电源的模型预测控制系统，提升移相全桥变换器的动态响应和纹波性能，以满足托卡马克磁压缩线圈电源系统单向大电流、快速响应以及实时反馈的控制要求，磁压缩等离子体线圈电源主电路、移相全桥串联谐振变换器电路、采样电路、控制电路、反馈电路、驱动电路和模型预测控制算法程序。

优选的，通过检测PSFB-SRC变换器输出的电流/电压信号，经调理电路/AD转换为数字信号，在STM32F103控制器内执行模型预测算法，根据上一周期输出电流值、电压值、给定参考值及所确定的控制率计算出本控制周期内所需的占空比大小，输出PWM波至IGBT驱动电路，控制四路IGBT的通断，实现精确的电流/电压跟踪。

优选的，PSFB-SRC变换器主功率电路由全桥逆变电路、谐振回路、高频变压器、二次侧全桥整流电路组成，控制系统由：控制器辅助电源、电流与电压采样及信号调理、DPWM信号隔离放大、通用I/O、CAN总线、串口、故障保护等部分组成。

优选的，故障检测是通过远高于开关频率的电流信号采样频率来采集全桥开关的电流，然后计算电流脉冲占空比，如果有故障发生在某个变换器模块，电流脉冲占空比将小于50％，于是根据故障信息，移相值的更新采用故障信号前馈的控制方法，高级控制定时器TIM1通过输出控制将对应直流变换器的所有PWM输出端口封死，对硬件起到保护作用。