种高稳定度速调管脉冲电源的设计与控制实现.doc

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论文题目 一种高稳定度速调管脉冲电源的设计与控制实现
专业学位类别
工 程 硕 士
201192040316
边成登
学
号
作 者 姓 名
指 导 教 师
刘大刚 教 授

分类号
密级
注 1
UDC
学 位 论 文
一种高稳定度速调管脉冲电源的设计与控制实现
（题名和副题名）
边成登
（作者姓名）
指导教师
刘大刚
电子科技大学
刘晋升
教 授
成 都
高 工
北 京
同方威视技术股份有限公司
（姓名、职称、单位名称）
申请学位级别 硕士
工程领域名称
专业学位类别
工 程 硕 士
软 件 工 程
提交论文日期 2014.04
论文答辩日期
2014.05
学位授予单位和日期 电子科技大学
2014 年 6 月 日
答辩委员会主席
评阅人
注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的类号。

THE DESIGN OF A KIND OF HIGH STABLE
KLYSTRON PULSE POWER SUPPLY AND THE
REALIZATION OF ITS CONTROL
A Master Thesis Submitted to
University of Electronic Science and Technology of China
Major:
Author:
Advisor:
School :
Master of Engineering
Bian Chengdeng
Professor Liu Dagang
School of Physical Electronics

独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作
及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方
外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为
获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与
我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的
说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
年
月
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论文使用授权
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文
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部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描
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（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
作者签名：
导师签名：
日期：
年
月
日

摘要
摘要
做为雷达发射机、加速器和微波源等最为重要的部件，高压脉冲调制器的性
能参数对于整个系统有着重大影响。同时，随着微波器件的发展和应用领域的扩
展，对于脉冲调制器的参数也提出了越来越高的要求，高压脉冲调制器性能的提
升也越来越凸显出重要性。近年来，电子器件高速发展，各种集成电路不断出现，
开关器件电压、电流参数不断提升，在传统的线性调制器技术方案基础上，新型
脉冲调制器技术也在逐渐成熟，其控制系统也逐渐的在向网络化、智能化方向发
展。
本论文依托一项高稳定度微波脉冲电源任务需求，将实现高脉冲稳定度脉冲
输出和新型高可靠性控制系统做为主要的研究对象，在完成整个微波脉冲电源系
统的设计方案的过程中，详细的开展了以下研究工作：
1．研究了传统线性调制器的设计方案、工作原理，在此基础上分析了其不足
和局限，提出了采用新型恒流充电电源做为脉冲调制器电源的方案，并详细的分
析了以串联谐振方式实现的新型恒流充电电源的优点、工作原理和设计方案，最
后完成了微波脉冲电源系统的硬件方案设计和详细参数计算。
2．针对输出脉冲稳定度参数，分析了影响其性能的主要因素和原因，在此基
础上提出了采用切换充电电流的方法来改善脉冲稳定度的方案，并设计出了实现
电路。
3．研究了控制系统的需求和性能，从可靠性、稳定性和便捷性角度出发，确
定了以可编程逻辑控制器为控制核心的控制系统，完成了系统软件方案设计。在
编写程序过程中，研究了模块化、功能化、通用化编程的设计思想在编程工作中
应用的优点和趋势。
4．研究了工业控制领域通讯网络的各种实现方法，对比了各种方案的优缺
点，确定了采用高速工业以太网做为微波脉冲电源控制系统的通讯网络，并且从
控制界面实现的方便性、稳定性角度分析了实现远控界面的方法，确定了使用组
态王组态软件来实现上位机控制界面的编程，并完成了远控界面的设计。
5、通过项目样机的软、硬件调试，验证了各项设计的可行性，并且总结了
微波脉冲电源系统设计的优点和不足之处，提出了改进意见。
关键词：脉冲调制器，恒流充电，可编程逻辑控制器，工业以太网，组态软件
Ⅰ

ABSTRACT
ABSTRACT
As the most important partin radar transmitters, accelerators and microwave
sources, high voltage pulse modulators have significant impacts on the whole electronic
systems. With the development of microwave devices and the expansion of applications,
there are increasingly stricterrequirements for pulse modulator parameters and more
emphasison the performance improvement of high voltage pulse modulator. In recent
years, various integrated circuits come into being due tothe rapid development of
electronic devices. The voltage parametersand current parameters of switching devices
are improved a lot. New pulse modulator technologies based on traditional linear
modulation
are
becoming more
and
more
sophisticated.
Networking
and
intellectualization are new developing trends of current control systems.
This thesis arises from the demands for a microwave pulse power with high
stability, aims at the implementation of highly stable pulse output and firmly reliable
control system, and completes the design of the whole microwave pulse power. The
main work and contributions of this thesis are as following:
1. We study the designs and working principles of traditional linear modulators and
analyze their drawbacks and limitations. A new plan is proposed to adopt a constant
current charging power as the pulse modulator power. We carefully analyze the
advantages, working principle, and design solutions of this constant current charging
power which is implemented by series resonance. Finally, we complete the hardware
design and calculate all the parameters.
2. We analyze the main factors and reasons affecting the stability parameters of the
output pulse. Then we describe our idea of improving the pulse stability by switching
the charging current. Furthermore, the design of circuits is done.
3. We do research on the needs and performances of the control system. The
programmable logic controller is chosen to be the key part of that control system
considering its reliability, stability and convenience. Then software design is completed,
during which we further study the advantages and trends ofmodularization,
functionalization and general utilization in programming.
4. Various implementations of communications networks in industrial controlare
studied by comparing the advantages and disadvantages of various solutions.
II

ABSTRACT
Weconfirm the utility of high-speed industrial Ethernet as the communications network
of our microwave pulse power control system.We also analyze the control interface
focusing onconvenience and stability. Thus, Wangzutai Software is used to program the
control interface of the host computer and the design of remote control interface is
accomplished.
5．The feasibility of all our designsis verified through the prototype debugging of
software and hardware. We finally summarize the advantages and disadvantages of
microwave pulse power system design and put forward some suggestions for
improvements.
Keywords: pulse modulator, constant current charging, programmable logic controller,
industrial Ethernet, configuration software
III

目录
目录
第一章绪论.................................................................................................................... 1
1.1高压脉冲调制器概述.........................................................................................1
1.2高压脉冲调制器的分类、研究现状其发展趋势.............................................2
1.3论文主要研究内容.............................................................................................4
1.4论文章节安排.....................................................................................................5
1.5本章小结.............................................................................................................5
第二章速调管脉冲电源的硬件设计方案.................................................................... 6
2.1课题技术参数要求.............................................................................................6
2.2微波脉冲电源系统硬件组成.............................................................................6
2.3系统参数设计.....................................................................................................7
2.3.1系统功率计算.............................................................................................7
2.3.2脉冲形成网络.............................................................................................7
2.3.3恒流充电电源.............................................................................................9
2.3.4反峰回路...................................................................................................14
2.3.5匹配电路...................................................................................................15
2.3.6闸流管.......................................................................................................17
2.4本章小结...........................................................................................................18
第三章设备内部控制设计.......................................................................................... 19
3.1核心控制部件选择...........................................................................................19
3.1.1 PLC在工业控制领域的优势....................................................................19
3.1.2控制系统需求分析...................................................................................20
3.1.3确定 PLC模块..........................................................................................22
3.2 PLC模块编程....................................................................................................23
3.2.1编程软件 STEP 7......................................................................................23
3.2.2硬件组态...................................................................................................24
3.2.3程序结构设计和流程图...........................................................................25
3.2.4程序编制...................................................................................................29
3.2.5网络组态...................................................................................................38
3.3本章小结...........................................................................................................40
IV

目录
第四章上位机软件和通讯组网设计.......................................................................... 41
4.1上位机软件设计...............................................................................................41
4.1.1上位机软件的选择...................................................................................41
4.1.2控制界面编程...........................................................................................42
4.2通讯组网...........................................................................................................47
4.2.1工业以太网...............................................................................................47
4.2.2组建工业以太网通讯网络.......................................................................48
4.2本章小结...........................................................................................................50
第五章样机测试.......................................................................................................... 51
5.1样机外形图片...................................................................................................51
5.2样机测试...........................................................................................................51
5.3本章小结...........................................................................................................54
第六章全文总结与展望.............................................................................................. 55
6.1全文总结...........................................................................................................55
6.2后续工作展望...................................................................................................55
致谢............................................................................................................................ 57
参考文献........................................................................................................................ 58
攻读硕士学位期间取得的成果.................................................................................... 60
V

第一章绪论
第一章绪论
1.1高压脉冲调制器概述
高压脉冲调制器是一种将普通工频电源转换成高电压、窄脉冲能量的特殊装
置，它可以为速调管、磁控管等射频放大管提供合乎要求的调制脉冲。最初做为
雷达发射机最主要的组成部分出现的高压脉冲调制器[1]的发展，是伴随着雷达技术
的快速发展而前进的。1922年在美国，高频率的发射机和接收机试图设备在船舶
检测敌船；1931年，在美国首次实现了连续波的发射并在其后改为发射脉冲波，
1936年，世界上首个专业雷达站在英国建成，1947年第一台线性调频脉冲雷达在
美国贝尔电话实验室诞生。高压脉冲调制器在“二战”以后得到了快速发展，雷达得
到广泛应用，促进了磁控管和速调管的出现，而这二者正是我们高压脉冲调制器
的主要负载。随着这些微波器件的出现，高压脉冲调制器也得到很快发展。
随着速度调制原理的提出，加速管和谐振腔等微波器件被先后发明[2]，高压脉
冲调制器的应用领域也随之得到极大的扩展，同时，对于其输出参数也提出了更
高的要求。
随着磁控管的诞生，对应的直线加速器得到迅速发展，首先得到快速发展的
是医用直线加速器，其被运用于恶性肿瘤的治疗，放射性治疗是目前为止最为成
熟和有效的治疗手段[3]。磁控管所使用脉冲源便是高压脉冲调制器。
直线加速器的发展，同时也应用于工业无损探伤方面[4]。通过粒子束流扫描成
像，从而可以检测出被检器件内部是否存在质量问题。同样的，此用途还可应用
于机场、车站安检等方面。调制器参数对于成像的清晰度有着决定性的作用。
速调管的诞生，使得高峰值功率、高平均功率的高压脉冲调制器得到了广泛应
用[5]，从美国发明速调管以来，直到苏联发明了一系列波段的高功率多注速调管，
使的速调管应用场合大大扩展[6-7]
。对应的脉冲源依然是高压脉冲调制器。辐照技
术便是应用了高能速调管做为负载。辐照技术就是照射在物体一定能量的电子溅
射，使分子键断裂或产生新的分子键。该方法可用于医用消毒，杀菌，或提高一
些产品的质量，例如，通过照射医用橡胶手套，产生新的分子键使手套更强大，
或者对海鲜、水果进行辐照，使其保鲜期更长。高压脉冲调制器是辐照系统最重
要的组成部件。
此外，在电子、控制、机械工程和其他方面，粒子加速器都得到了广泛的应
用，而其前级脉冲源也随之得到应用，对于其各项参数改进的研究也越来越受到
重视。
1

电子科技大学硕士学位论文
在自由电子激光方面，直线加速器也得到了很好的应用。其微波功率源的稳
定性决定了输出的稳定性，如果脉冲调制器的脉间稳定度偏低，那么对应的微波
功率源便不可能稳定。南京大学冯文荃教授在此方面做了深入研究，成功的通过
将脉冲调制器的脉间稳定度参数提高从而提高后级激光输出稳定性[8]。
中科院高能所黎明教授在此方面也进行了研究，他在研究中对于自由电子激
光对于微波源的稳定性的要求做了很全面的阐述。其中，对于微波源的前级脉冲
电源的稳定性的重要性给予了重点要求[9]。
高压脉冲调制器的应用领域十分广泛，对于新技术的应用也在快速实现，同
样的，对于其参数的优化、改善的研究工作也变得越来越重要。
1.2高压脉冲调制器的分类、研究现状其发展趋势
高压脉冲调制器根据调制器的放电开关不同，脉冲调制器可以分为软管调制
器和刚管调制器两种[10,11]
。软管调制器用闸流管、可控硅或者旋转火花放电器等半
控元件作为调制开关，其中以氢闸流管的应用最多。它的脉冲宽度由脉冲形成网
络决定，他的优点是电路简单，波形易调节，缺点是脉宽不可调，适应性差；刚
管调制器主要是通过真空管放电开关，对充满电压的电容器进行部分放电得到脉
冲波形的，它的优点是脉冲宽度可通过调节触发脉宽进行调节。它的缺点就是真
空管的内阻比较大，调制器的效率比较低，输出功率比较小，应用范围很窄。
随着科技的飞速发展、进步，以氢闸流管作为开关的软性开关调制器也得到
发展和改进，最初的软管调制器其主要由工频升压变压器、整流硅堆、谐振电感、
脉冲形成网络、氢闸流管和脉冲变压器组成，其系统框图如图1-1。
这种电源的控制稳压方式引入 DE-Q方式，有以下三个缺点：
(1)因为变压器和工作元件均为工频时工作，导致其体积很大，成本较高且不
易移动。
(2)充电电压稳定度低，损耗大，电源效率低。
(3)恒压式电源，负载短路时会导致器件损坏。
2

第一章绪论
谐振电感
隔离硅堆
脉冲形成网络
脉冲变压器
工
频
变
压
器
整
流
硅
堆
闸
流
管
DE-Q电路
控
触
发
器
制
分
机
图 1-1传统调制器系统组成图
而随着大功率电子器件的进步，特别是大功率 IGBT性能的日益成熟，调制器
的主充电模式得到优化，串联谐振式电源、并联谐振式电源、回扫充电式电源等
新型电源相继出现 [12-16]
，其中，串联谐振式电源以其高频率工作，高效率和抗短
路特性，成为应用最广的一种新型高压充电电源。其系统框图如图 1-2。
恒
流
充
电
电
源
脉
冲
形
变
压
器
脉
冲
形
成
网
络
氢闸流管
真
空
管
负
载
图 1-2恒流充电型调制器系统框图
此种方案具有恒流特性，所以其具有抗负载短路的优点，其工作效率可以达
到 90%以上，输出精度高。其全桥逆变器选用新一代大功率开关器件绝缘栅型场
效应管（IGBT），具有可高频率，可靠性高、功率容量大等优点。采用此种电源后，
软管调制器的体积得到大幅度下降，输出稳定度也得到很大改善。目前，大多数
脉冲调制器采用了此种方案实现。
更进一步的，摒弃原先的氢闸流管，采用新兴的 IGBT通过串并联实现放电开
关的新型全固态调制器也成为了发展的趋势。随着科技的发展，高压脉冲调制器
的小型化、模块化、高精度成为其最新的发展方向。采用各种新兴的电力电子元
件，可以有效的减小机器的体积，同时，采用高频逆变电源，也可以去除体积、
3

电子科技大学硕士学位论文
重量庞大的工频元件，从而减小体积。而随着固态开关的研究，将会使体积进一
步被压缩。而功能单元模块化设计将带来维护性的大幅度提升，同时也可以提高
机器的抗电磁辐射能力。采用各种抗干扰措施，优化充电模式，改进电路参数，
从而带来高稳定度输出。在国际上，高功率固态开关管技术得到了快速发展，将
现有器件或技术通过串联或者并联的方法得到新的器件，这些器件都具有高电压、
大电流的特点，使用这些器件可以取代闸流管，实现调制器超大功率输出。同时，
在高压大电流氢闸流管的研制方面，英、美等在这个方面技术先进，如 800kw正
交场闭合开关的出现，E2V公司的 CX1812氢闸流管的峰值电压电流高达 120kV
和 100kA[17-20]
。
而脉冲调制器其控制系统的实现也随着科学技术的进步而进步，传统控制方
式采用硬件开关器件不同的组合和多种门电路的组合，去实现各项控制功能。其
电路繁琐，可靠性低。而控制网络也仅仅是简单的自身本地操作。随着可编程控
制器（PLC）的高速发展，线性调制器的控制方式得到很大改进，通过使用可编程
控制器（PLC）,控制系统大大简化，可靠性却有了很大提升，具有了便捷化、智
能化的特点。同时高速工业以太网的蓬勃发展，也将线性调制器的控制网络推进
到了远程控制与本地控制并行控制的程度，其具有组网简单、通讯便捷、可靠性
高的特点，而且，工业以太网数据传输比现场总线要快的多。
1.3论文主要研究内容
(1)分析传统脉冲调制器和新型恒流充电式脉冲调制器的工作原理和组成部
件，对比其优缺点，再结合项目参数要求，确定系统硬件设计方案和硬件实施方
案，计算出详细硬件参数。
(2)对于任务需求中对输出脉间稳定度参数提出的高要求，分析影响脉间稳定
度的主要因素，并针对主要因素的改善提出优化方案，完成设计方案和具体电路
的设计。
(3)分析系统控制要求，从系统的稳定性、可靠性和便捷性角度选择合适的设
备控制核心，并应用模块化、功能化的编程思想，为核心控制器编写完成其内部
程序。
(4)将选择适合编制上位机界面的软件，并确定其与核心控制器组建高速工业
以太网通讯网络的网络架构，完成系统软件设计方案，并编写上位机控制界面程
序。
(5)对于样机进行各项实验和测试，研究样机实际参数与设计方案的一致性，
并分析其优缺点，提出优化改进建议，。
4

第一章绪论
课题研究的关键点在于实现输出脉冲的高稳定性和系统软件系统设计方案的
可行性和稳定性。
1.4论文章节安排
论文结构安排：
(1)第一章绪论部分，主要介绍高压脉冲调制器的历史、现状和发展趋势，确
定论文主要研究内容。
(2)第二章主要为系统整体硬件方案设计和参数计算，重点给出了高稳定度输
出的实现方案。
(3)第三章主要为设备内部核心控制器可编程逻辑控制器 (PLC)的选择和程序
编制。
(4)第四章主要为课题软件系统组网设计和上位机程序的编写。
(5)第五张主要为样机测试和分析，验证软、硬件设计方案的准确性。
(6)第六章为结论部分，总结课题研究的成果和贡献。
1.5本章小结
本章主要介绍了高压脉冲调制器的发展历史、主要应用领域等方面的内容和
高压脉冲调制器的未来发展趋势，并且介绍了传统高压脉冲调制器和新型恒流充
电式高压脉冲调制器的的技术特点和主要组成部分，对比了其优缺点。也对脉冲
调制器控制方式及其发展方向做了简略的介绍。本章中还明确了课题将要进行的
研究工作的主要内容。
5

电子科技大学硕士学位论文
第二章速调管脉冲电源的硬件设计方案
2.1课题技术参数要求
课题研究依托公司一份高稳定度速调管脉冲电源需求合同，对该速调管脉冲
电源的硬件实现方案和软件实现方案进行研究，用于微波效应的研究。脉冲电源
的详细参数需求如表 2-1：
表