控制系統架構

大部分常用的控制系統架構，不外乎串聯補償(Series Compensation)，

回授補償(Feedback Compensation)，狀態回授補償(State-feedback Compen sation)，串聯回授補償(Series-feedback Compensation)等控制架構，如圖 4 -1 所示，在控制系統內均只有一個控制器，為一個自由度的控制系統，可

器，後者為本文參考選用之控制架構，做為行波管脈波輻射時之高壓電源 穩定控制。前饋補償器之特色及優點為[16]：

1. 補償器不是置放於控制迴路中，因此不會改變系統的特性根，也就不會 影響系統原來的特性行為。

2. 可 改 善 一 個 自 由 度 的 控 制 系 統 ， 有 時無 法 同 時 滿 足 各 項 性 能 規 格 的 問 題。例如要改善系統暫態響應速度，卻反而使得最大超越量增加。

3. 當一個系統必須同時滿足多項設計目標時，可提供更多的設計彈性。

4. 結 合 原 控 制 系 統 控 制 器 ， 兼 顧 暫 態 與穩 態 性 能 規 格 要 求 。 前 饋 補 償 器 Gcf(s)針對輸入命令造成輸出的變動，提供相對應的補償量，來達到想 要 的 暫 態 性 能 ，Gc(s)則仍以誤差修正方式，修正輸出的微小變動，以 降低穩態誤差。

圖 4-2 二個自由度的控制系統架構 (a)順向式補償控制；(b)前饋補償控制

4.2 前饋補償器設計構想

在上一章已清楚說明集極電壓控制迴路的設計目的，是在縮小系統頻 寬，以抑制高壓啟動瞬間的暫態反應，使高壓不會有過高電壓及振盪的情 形發生，但當系統操作在輻射模式時，則產生高壓修正速度太慢的問題。

另外由於切換式轉換器的開關切換特性，以及誤差信號經 PI 控制器的積分 時間延遲，使得該行波管輻射工作比所須的降壓開關 PWM 寬度，需經非 常多個切換週期才能到達穩態值，如圖 4-3 所示，雖然 PWM 漸開的調變 方式，可避免較大的突波電壓以及 EMI 的問題，但對於需要快速電壓修正 的穩壓要求則無法應付，這是由於高壓儲能電容瞬間被行波管抽走能量，

而前級功率轉換器又無法即時補足損失能量所致。

圖 4-3 輸出電壓變動之 PWM 信號調變

因此基於上述原因，參考上節所提之前饋補償控制方法，於控制迴路 外面加入一個前饋補償器，輔助原系統控制器，做為行波管輻射工作時之 穩壓控制，圖 4-4 為加入前饋補償器的控制系統架構。前饋補償器實現有 以下二點設計構想：

1. 前饋補償器使用比例控制器(Proportional controller)型式，與 PI 控制器 並聯組成，於輻射時即時提供電壓補償，以增加系統頻寬。

2. 雷達系統下達輻射命令前，提前一段時間先行傳送輻射模式(行波管輻 射 工 作 比)至前饋補償器，使前饋補償器預先知曉負載之變化，當行波 管脈波輻射啟動同時，送出補償電壓至 PWM 控制 IC，然後送出該脈波

輻射模式所需之降壓開關 PWM 寬度，以快速提升一次側電感電流，然 後提高電容電壓，降低行波管輻射時之電容電壓壓降。圖 4-5 為加入前 饋補償後的 PWM 脈波寬調變示意圖，希望透過前饋補償的補償電壓，

使得該輻射模式之穩態降壓開關 PWM 寬度快速到達，以改善原系統控 制器誤差修正過慢的問題。圖 4-6、圖 4-7 分別為輻射加載及離載之前 饋補償工作時序圖，虛線部分為前饋補償想要達到的設計目標

圖 4-4 含前饋補償器的控制系統方塊圖

圖 4-5 加入前饋補償後之 PWM 脈波寬調變

前饋補償器 Tcf(s)

功率轉換器 Tp(s) Vc

+

-Vref 控制器 +

Tc(s)

+ PWM控制器

Tm(s)

降壓回授 Hc

Vo Vo＇

Ve Vea

Vff

d 系統輻射工作比(1)

系統輻射啟動命令(2)

比例控制器

PI 控制器

前饋補償啟動命令(3) (行波管工作電流上升邊緣)

圖 4-6 前饋補償工作時序圖(加載)

圖 4-7 前饋補償工作時序圖(離載)

脈波負載電流

輸出電壓

一次側電感電流 高壓狀態

PWM控制電壓

輻射狀態

高壓狀態

輻射狀態

2:虛線為加入前饋補償想要達到的設計目標 1:實線為未加入前饋補償前之相關波形 輻射

開始

4.3 前饋補償量的設計依據[17]

圖 4-9 PWM 控制電壓示意圖(未加入前饋補償電路)

圖 4-10 PWM 控制電壓示意圖(加入前饋補償電路)

實 測 之 PWM 控 制 電 壓 Vc 與 各 輻 射 工 作 比 應 加 入 之 前 饋 補 償 電 壓 Vff，整理於表 4-1，前饋補償硬體電路實現後將以此計算之補償電壓做為 初始參考設定值，之後再依補償效果(輸出電壓偏動程度)進行線上微調。

表 4-1 前饋補償電壓設定參考值 Vea Vc(αVea) Vc 電壓增幅 前饋補償

輸出電壓 Vff

前饋補償 輸入電壓 Vf

HV 4.134V 0.86V

1% 8.07V 1.68V 0.82V 4.4V 1.47V 2% 8.56V 1.78V 0.92V 4.94V 1.65V 3% 9.03V 1.88V 1.02V 5.48V 1.83V 4% 9.33V 1.94V 1.08V 5.8V 1.93V 5% 9.61V 2.01V 1.14V 6.13V 2.04V 6% 9.91V 2.06V 1.2V 6.45V 2.15V

4.4 本章結論

本章主要在探討常見之控制系統架構的特色以及合適的應用場合，前 饋控制方法可快速調整因輸入命令所造成的輸出變動，因此非常適合本文 行波管所要求之快速暫態響應的高壓電源規格。輸入命令(輻射模式)則利 用系統下達輻射命令前一段時間，事先傳送輻射工作比編碼資訊，在行波 管輻射啟動同時，送入預先設定之前饋補償電壓至 PWM 控制 IC，以快速 獲得該輻射模式所須之降壓開關 PWM 寬度，以迅速補償輻射瞬間儲能電 容所損失的能量。下一章將依此設計概念，實現硬體電路，並實際測試前 饋補償器的性能。

第五章 前饋補償電路設計與實驗驗證 5.1 前饋補償電路之系統說明

5.1.1 加入前饋補償器之集極電壓回授控制

圖 5-1 為加入前饋補償器後的集極電壓穩壓控制電路圖，其中加粗方 框部分即為前饋補償器，與原系統控制器並聯組成，以開迴路的方式，依 據行波管的輻射工作比，送入相對應的補償電壓至 PWM 控制器，以快速 獲得所須之 PWM 寬度，增加降壓開關導通時間，迅速對高壓儲能電容 C2 充電，以穩定集極電壓準位，因此該前饋補償器可稱為以負載為導向的穩 壓控制器。

圖 5-1 加入前饋補償器之集極電壓回授控制

5.1.2 電路設計規劃

本文使用 FPGA 實驗發展板來做為整個電路的控制中心，其使用 了一顆 Altera 公司所生產的晶片，該晶片編號為 FLEX PF10KA10LC 84-4，是由 SRAM-Based FPGA 所組成，意思為該晶片有 10000 個 Gate Count，84 根輸入/輸出腳位，延遲時間 4ns，電路架構如圖 5-2 所示，

輸入信號有 1~6%之類比電壓補償值(Vr)、高壓啟動完成信號(HV ON)、

輻 射 啟 動 信 號(Pulsing ON)、 系 統 送 來 的 輻 射 工 作 比 編 碼 資 料 (Duty Address)以及行波管脈波工作電流(Radial_PW)，輸出信號為經過運算 處 理 後 的 前 饋 補 償 電 壓 値 輸 出(Feedforward_out)， 工 作 波 形 如 圖 5-3 所示，工作流程說明如下：

1、HV_ON 觸發信號輸入：抓取 1~6% 6 個 Vr 補償電壓設定值，然 後經 A/D 轉換成數位信號存於 FPGA 晶片中。

2、Duty_Address 信號輸入：依 Address 內容去 FPGA 抓取對應之補 償電壓値。

3、Pulsing_ON 觸發信號輸入：做清除舊資料動作，預備送出新的補 償電壓値。

4、Radial_PW 觸發信號輸入：行波管輻射工作開始，送出對應的補 償電壓値至 PWM 控制器。

圖 5-2 前饋補償器電路架構

圖 5-3 前饋補償工作波形示意圖

5.2 前饋補償器之軟/硬體電路

5.2.1 電路架構及工作原理

前饋補償電路架構如圖 5-4 所示，共分為四個程式模組，第一部分為 FeedCtrl 模組，內含 FeedForward 和 Vrstep 電路；第二部分為 RamAccess 模組，內含 AccessCtrl 和 Ram8×10 電路；第三部分為 Radial_trigger 模組，

此 為 觸 發 電 路 ； 第 四 部 分 為 ClkGen 模 組 ， 用 來 產 生 0.5uS 的 時 間 步 階 clock，上述功能電路均以硬體描述語言 VHDL 來實現[18,19]，程式撰寫、

功 能 模 擬 及 電 路 合 成 則 是 建 構 於 Altera 公 司 的 Quartus II 套 裝 軟 體 上 [20]，圖 5-5 為電路合成結果，圖 5-6 為程式的控制流程，下面則分別說明 四個程式模組之作用：

1、FeedCtrl 程式模組：

此部分接收到觸發信號後開始執行清除動作，並接受由 RAM 中所 讀取出來之補償電壓值，且決定是遞增補償或是遞減補償，而後開始做 電壓補償之動作。

(1) Vrstep 電路：此程式在接受由 RAM 中所讀取出來之補償電壓值，

並決定是遞增補償或是遞減補償，且將補償電壓值送給 FeedForward 程式。

(2) FeedForward 電路：此程式在收到觸發信號後先執行清除動作，然 後每隔一個時間步階大小，累加或遞減一個電壓步階大小值，直到 額定值（補償電壓值）為止。

2、RamAccess 程式模組：

此部分於接受到 HV_ON 之訊號時，便啟動 Multiplexer 時序訊號 去 抓 取 6 個 Vr 之 類 比 電 壓 值 ， 然 後 再 經 A/D 轉成數位訊號後存於 RAM8x10 中。當接受到 Duty_address 時便依 Address 內容去 RAM 中 抓取所對應之電壓訊號，然後送至 FeedCtrl。

(1) AccessCtrl 電 路 ： 此 程 式 乃 當 接 受 到 HV_ON 之 訊 號 時 ， 便 啟 動

Multiplexer 時序訊號，依序去抓取 6 種 Duty 之 Vr值，然後再經由 A/D 轉成數位訊號後寫入 RAM8x10 中。每經 512 us（此數值可調）

之時間便可完成一次之資料寫入，所以只要在高壓狀態，此 6 種 Duty 之補償電壓終值便會持續更新。此作法可達到動態即時更新調整之 目的。

(2) Ram8×10 電路：此 RAM 之大小為 8x10 之二維陣列，存放 6 種 Duty 所 對 應 之 補 償 電 壓 值 ， 每 個 補 償 電 壓 值 以 8 位元存放。而欲讀取 RAM 中之資料時，需要 Duty_address 及 Read_enable 兩個訊號。

3、Radial_trigger 程式模組：

當接收到 Radial_pw（行波管工作電流）時會產生三個 Trigger 信 號，一個為讀取 RAM 中資料之 Enable 信號、另一個為 Vrstep 電路之 啟動信號、最後的為重置 FeedForward 中使用之變數值為 0，及啟動補 償機制之信號。

4、ClkGen 程式模組：

此模組乃在產生 0.5us 之時間步階 Clock 信號。

Radial Trigger

Clock_0.5u Radial_pw

FeedForwar

HV_on

ClkGen

FeedCtrl

Feed Forward RamAccess

AccessCtrl

Vr

Write_enable Write_address

Duty address

Read_enable

Clock

Vr

Step_trigger

Vr

Vrstep

Pulsing_on Eoc

Ch address Convert

Cmpnst_trigger

RAM8x10

圖 5-4 前饋補償電路架構圖

圖 5-5 前饋補償器電路合成圖

圖 5-6 前饋電路程式控制流程圖

5.2.2 補償值設定

1~6 Duty，6 個 Vr 電壓補償的初始設定值，乃是以高壓狀態下的誤差 信號 Vea 電壓値做為基準值，然後隨行波管輻射工作比增加，Vea 電壓將 隨之上升，而此增加的電壓即為前饋補償電路所應送出的電壓補償值 Vff。 因此，在進行線上調整工作之時，先從啟動高壓，記錄高壓誤差信號，然 後設定較低的輻射工作比進行加載輻射。因為負載較低，集極電壓雖有晃 動，但不至於發生當機。接著調整前饋補償電路相對應之 Vr 補償電壓設 定，使得高壓誤差信號回到高壓啟動時所記錄之值，同時觀察集極電壓晃

1~6 Duty，6 個 Vr 電壓補償的初始設定值，乃是以高壓狀態下的誤差 信號 Vea 電壓値做為基準值，然後隨行波管輻射工作比增加，Vea 電壓將 隨之上升，而此增加的電壓即為前饋補償電路所應送出的電壓補償值 Vff。 因此，在進行線上調整工作之時，先從啟動高壓，記錄高壓誤差信號，然 後設定較低的輻射工作比進行加載輻射。因為負載較低，集極電壓雖有晃 動，但不至於發生當機。接著調整前饋補償電路相對應之 Vr 補償電壓設 定，使得高壓誤差信號回到高壓啟動時所記錄之值，同時觀察集極電壓晃