前饋補償量的設計依據

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 動程度以為配合。再來便增加工作比，依上述方法進行調整，直到高壓啟 動 與 加 載 輻 射 之 高 壓 誤 差 維 持 相 同 之 值 ， 或 是 使 集 極 電 壓 晃 動 量 維 持 最 小，即完成整個前饋補償電路的線上調整工作。

5.2.3 時序模擬分析

前饋電路模擬結果如圖 5-7，圖 5-8 為其局部放大，從圖中可以看出當 有脈波輻射時才啟動前饋補償電路，僅有高壓時則利用原有控制電路進行 穩壓，符合系統設計規格。

在設計時必須能讓前饋補償電路在啟動或關閉時，並不會影響原有高 壓控制電路，也就是說要保持原有控制電路之誤差訊號不變，就可以不影 響到原有之控制方式，因此完成設計後需要再進行線上微調，以達到補償 之功能。

補 償 之 電 壓 步 階 大 小

補 償 電 壓 之 終 值

電 壓 補 償 之 結 果

圖 5-7 前饋補償電路模擬結果

圖 5-8 前饋補償電路時序模擬

5.3 實測波形分析

實測部分所加入的輻射脈波波形，仍以第三章中表 3-1 所列舉的波形 來進行脈波輻射加載及離載測試，以觀察前饋補償器的穩壓效果，圖 5-9 為前饋補償輸出電路示意圖，Vff 為前饋補償器的比例輸出補償電壓，Vea 為原高壓回授控制器之誤差電壓信號，而 Vc 則是 Vff與 Vea 比例加總後送 入 PWM 控制 IC 的控制電壓，與鋸齒波比較後得出 PWM 信號，控制降壓 開關之導通與關閉時間。

圖 5-9 前饋補償輸出電路示意圖

測試脈波波形如下：

1. 1%：PW 2u，PRI 200us，PRF 5kHZ，高頻率 2. 2%：PW 30u，PRI 1500us，667HZ

3. 3%：PW 30u，PRI 1000us，1kHZ

4. 4%：PW 250u，PRI 6250us，160HZ，長脈波 5. 5%：PW 150u，PRI 3000us，333HZ

6. 6%：PW 150u，PRI 2500us，400HZ，最重載

測試項目如下：

ㄧ、測試行波管輻射啟動，有/無前饋補償時之 PWM 控制電壓的差異，以 驗證前饋補償電路於輻射啟動瞬間之 PWM 控制電壓工作情形。

二、測試行波管輻射結束，有/無前饋補償時之 PWM 控制電壓的差異，以 驗證前饋補償電路於輻射結束瞬間之 PWM 控制電壓工作情形。

三、測試行波管輻射啟動，有/無前饋補償時之輸出電壓變動情形，以驗證 前饋補償電路於輻射啟動瞬間之穩壓性能。

四、測試行波管輻射結束，有/無前饋補償時之輸出電壓變動情形，以驗證 前饋補償電路於輻射結束瞬間之穩壓性能。

測試結果如下：

■ 測試項目ㄧ：PWM 控制電壓比較(行波管輻射啟動)

圖 5-10 至 5-22 為測試 1~6%行波管輻射啟動時之 PWM 控制電壓(Vc) 的變動情形，從測試波形觀察可以發現當加入前饋補償器後，其 PWM 控 制電壓很快到達該脈波負載所需之準位(小於 200us，此延遲時間主要來自 PWM IC 前之 R3、C1濾波電路的 RC 時間，參考圖 5-9)，而無前饋補償器 時，則 PWM 控制電壓至穩態值時間至少需要 72ms，這延遲時間主要來自 於高壓回授控制器之積分時間。此測試結果符合先前之設計構想，乃藉由 前饋補償器提供補償電壓至 PWM IC 輸入端，以快速得到該脈波負載所需 之 PWM 寬度，控制降壓開關的導通來對高壓儲能電容儲能。相關測試結 果整理於表 5-1，高壓回授誤差信號 Vea 保持於高壓無載狀態下電壓準位，

而前饋補償電壓隨脈波工作比增大而逐步增加。

表 5-1 PWM 控制電壓比較(行波管輻射啟動)

無前饋補償 有前饋補償

工作比 Vea Vc

上升時間 波形圖 Vea Vff Vc

上升時間 波形圖

高壓 4.9V 0.86V 圖 5-10 4.9V 0V 0.860V 圖 5-10 1% 7.7V 1.68V

(146ms) 圖 5-11 4.9V 4.4V 1.6V

(200us) 圖 5-12 2% 8.3V 1.78V

(100ms) 圖 5-13 5V 5.1V 1.78V

(200us) 圖 5-14 3% 8.7V 1.88V

(84ms) 圖 5-15 5.6V 5.5V 1.82V

(200us) 圖 5-16 4% 9.1V 1.94V

(72ms) 圖 5-17 5V 5.9V 1.96V

(200us) 圖 5-18

5% 9.2V 2V

(150ms) 圖 5-19 5V 6.2V 2V

(200us) 圖 5-20 6% 9.5V 2.06V

(240ms) 圖 5-21 5.7V 6.2V 2.06V

(200us) 圖 5-22

圖 5-10 PWM 控制電壓觀察(高壓無載)

CH1：高壓回授誤差信號 Vea CH2：前饋補償輸出電壓 Vff

CH3：PWM 控制電壓 Vc CH4：行波管輻射啟動

圖 5-11 PWM 控制電壓觀察；1%脈波加載；無前饋補償 CH1：高壓回授誤差信號 Vea CH2：前饋補償輸出電壓 Vff

CH3：PWM 控制電壓 Vc CH4：行波管輻射啟動

圖 5-12 PWM 控制電壓觀察；1%脈波加載；前饋補償 CH1：高壓回授誤差信號 Vea CH2：前饋補償輸出電壓 Vff

CH3：PWM 控制電壓 Vc CH4：行波管輻射啟動

圖 5-13 PWM 控制電壓觀察；2%脈波加載；無前饋補償

圖 5-13 PWM 控制電壓觀察；2%脈波加載；無前饋補償