面對日益加劇的能源消耗問題，核聚變作為一種具有巨大潛力的清潔能源，其研究與開發的重要性日益凸顯。高壓脈沖電源在核聚變反應中發揮著重要作用，它必須具備高電壓、強電流、快速響應和精準控制等特性，以適應極端的反應條件。

為優化高壓電源控制策略，加速其設計和優化過程，森木磊石推出了基于國產PXI控制器的高壓電源控制系統方案。

本篇中我們將對高壓電源控制系統進行介紹，并以100kV、50A量級的高壓電源為例，驗證EasyGo高壓控制系統在不同控制算法下，對高壓電源的優異控制效果。

一、高壓電源控制系統

在高壓電源控制系統方案中：控制部分采用真實的控制器“國產PXI”，功率拓撲部分利用EasyGo實時仿真器模擬，將二者用真實的物理IO線纜進行閉環連接。

整體系統架構下圖所示：

在高壓電源控制系統中，使用國產PXI作為高壓電源系統的控制器。

國產PXI：由PXIe控制器，PXIe機箱，PXIe FPGA 模塊組成，其性能強大，接口豐富，擁有大量的IO通道且支持TCP通訊。

若搭建真實的高壓電源電路功率拓撲，耗費周期長且進行故障工況測試時不具有安全性。考慮到多種因素，利用EasyGo實時仿真器模擬高壓電源系統。

在實時仿真器部分中，只需要利用Simulink搭建好高壓電源模型后，基于EasyGo平臺將其導入進實時仿真器中運行即可。

二、控制系統優勢

▍模塊化組合，靈活配置：可以配置不同的板卡，適應不同的組合，靈活性高。

▍圖形化算法搭建：非代碼式的開發，支持圖形控件拖拽進行算法邏輯搭建。

▍上位機實時監控：上位機自定義界面支持實時下發控制參數和數據監控。

三、控制系統仿真驗證

為驗證EasyGo高壓電源控制系統方案對于緊湊型高壓電源系統的控制效果，我們將通過“PSM控制、PWM配合PSM控制、移相控制”三種控制方法進行仿真測試。

整體系統測試架構如圖：

左側機柜下方安裝的是國產PXI控制器，右側為模擬緊湊型高壓電源的實時仿真器PXIBOX，上位機通過TCP通訊對實時仿真器進行實時監控。

對緊湊型高壓電源進行模型搭建，由于做原型驗證，我們在實時仿真模型中模擬了300個模塊級聯的高壓電源拓撲電路。將模型載入到實時仿真器中，通過真實的物理IO線與真實控制器進行連接，從而來驗證不同的控制算法對其控制效果。

接下來以100kV、50A量級的高壓電源為例，為大家分享基于多種控制方法，對緊湊型高壓電源系統的控制效果。

1、PSM控制驗證

PSM控制算法是根據目標輸出電壓去調整需要調用子模塊的個數。在調用單個子模塊的時候，對該子模塊的半橋控制只有上管常開下管常關，或者上管常關下管常開兩種。

當上管關下管開時，為調用該模塊；反之，則為不調用該模塊。電壓環經過PI后，得到相應的需要調用的子模塊個數M，將M輸入到模塊調用控制中，即可形成閉環控制。啟動控制后，輸出電壓會步進式地逐步向目標電壓靠近，直到達到目標電壓。該控制方法的缺點是輸出電壓波紋偏大，缺乏靈活性。

仿真中，控制器設定目標電壓為100kV，可以觀察到：

負載輸出最終控制在100kV左右，調用的子模塊數在270個左右，負載為阻性負載2000歐姆，負載電流為50A左右。Vdc輸出電壓隨著子模塊開啟數量的增加，一步一步增加直到目標值，與控制算法邏輯一致。

實時仿真界面如圖所示：

可以看到，負載電壓穩定在99600~100400V左右，使用子模塊數在270個左右。

2、PWM配合PSM控制驗證

PSM控制紋波較大的主要原因是：不同電壓期望值對應的子模塊投入數量并非總是理想的整數。PI控制通過將計算結果的小數部分轉換為占空比，并利用PWM控制來調節一個固定的子模塊，有效減少紋波。

在控制中，只對第300個子模塊使用PWM控制，其他的299個子模塊依舊是用PSM控制，這樣可以起到PWM配合PSM的作用。

仿真中，控制器設定目標電壓為100kV，可以觀察到波形如圖：

相比于單純的PSM控制算法，其輸出波形平滑了許多，輸出電壓也到達了設定值100kV。

實時仿真界面如圖所示：

可以發現，負載電壓穩定在99700~100300V左右，其紋波相對于純PSM控制要優化了許多。

3、載波移相控制驗證

載波移相控制通過依次調整子模塊的載波相位來實現。模型包含30個串聯模塊，分為0°、120°、240°三組，每組10個，載波相位以36°的間隔遞增。每個特定的輸出目標電壓都有對應的調制占空比。

仿真中，控制器設定目標電壓為100kV，可以觀察到：

電壓波形達到設定值，阻性負載為2000Ω，電流為50A左右。由于所有的子模塊都進入到了工作狀態，且同時進行控制，其達到目標設定值的時間相比于前兩種算法要大大縮減。

實時仿真界面如下圖所示：

可以發現，負載電壓穩定在99800~100200V左右。

經過對多種控制算法驗證測試，可以看到國產PXI控制器控制效果與預期一致，再次驗證了EasyGo高壓電源控制系統方案對高壓電源的優異控制效果，可為高壓電源的設計和優化提供強有力的支持。