40T混合磁體外超導(dǎo)磁體電源的控制器研究與設(shè)計(jì).pdf

1、中科院強(qiáng)磁場科學(xué)中心在建的40T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置是由內(nèi)水冷磁體和外超導(dǎo)磁體兩部分構(gòu)成。本文選題為外超導(dǎo)磁體高穩(wěn)定度電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。外超導(dǎo)磁體電源最大輸出8V/16kA，且要求輸出電流紋波為10ppm以內(nèi)，輸出電壓紋波有效值在1％以內(nèi)。
　　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋:被控對象的建模、控制指標(biāo)的提出、控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的確定、控制方式的選擇、控制器的設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)計(jì)方案確定后，還需要進(jìn)行模型仿真及實(shí)際電路驗(yàn)證，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、接口器件等實(shí)現(xiàn)。對

2、整個(gè)電源系統(tǒng)進(jìn)行分析得出，對于高穩(wěn)定度電源最關(guān)鍵的三部分分別是:給定、接口器件（包含測量和反饋部分）及控制算法。此外，其他部分也非常關(guān)鍵。文中都有詳細(xì)的介紹。
　　首先，對被控對象建模。考慮到成本、控制難易等因素，電源主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依然采用的是傳統(tǒng)的雙反星可控硅整流方案。然而，由于其開關(guān)頻率較低，而且可控硅導(dǎo)通壓降較大不可忽略，所以建立主回路模型有一定的難度。本文結(jié)合平均電路法和各種干擾模型，對其建立等效電路模型。并對該模型進(jìn)行仿真，

3、與實(shí)測值進(jìn)行對比，驗(yàn)證所建立的模型在要求的頻率范圍內(nèi)是可信的。
　　其次，是對電源實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度輸出的關(guān)鍵因素及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論證，包含給定、高精度模擬測量電路、數(shù)字控制算法的選擇以及同步信號濾波電路等。
　　接下來，結(jié)合傳統(tǒng)自動控制理論，提出了電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法。本文針對電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，分別對系統(tǒng)響應(yīng)速度、開環(huán)截止頻率和系統(tǒng)帶寬給出了更符合實(shí)際電源系統(tǒng)特性的定義，并提出了求取開環(huán)截止頻率的簡單而實(shí)用的方法。此外，重

4、點(diǎn)研究了帶LC濾波器的功率變換器，通過畫近似閉環(huán)bode圖的方式，得出其系統(tǒng)帶寬是接近LC自然頻率的，這對電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常有意義。
　　然后，針對超導(dǎo)磁體這一大慣性負(fù)載，從對50Hz及100Hz紋波的有效補(bǔ)償及降低對ADC采樣頻率要求的角度，提出了雙環(huán)控制架構(gòu)，其中電流外環(huán)采用數(shù)字控制方式。本文對雙環(huán)結(jié)構(gòu)做了深入分析，并提出了雙環(huán)控制器設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則。數(shù)字外環(huán)的控制算法采用RST算法，本文給出了詳細(xì)的算法原理及參數(shù)計(jì)算過程。