重离子加速器直流稳流电源纹波抑制研究

摘要

电源系统是大型加速器科学装置的重要子系统，电源结合磁铁共同产生控制粒子运动所需要的磁场。加速器电源对稳定度、精度和纹波有较高的要求，论文针对磁铁电源纹波抑制问题，采用直流有源滤波器（DC Active Filter，DAF）来降低电源的输出电压（电流）纹波，结合工程应用，对相关应用技术进行研究。 论文分析了直流电源纹波的主要来源，重点针对 DAF的纹波参考信号提取、变流器结构和控制策略三部分内容进行了研究。首先，对于纹波参考信号的提取方法，提出一种改进的电流平均值法,设计了一种数字滤波器；其次，针对目前常用H桥结构变流器需要附加整流电路以维持储能电容电压的稳定，选择并设计一种 buck/boost 结构的变流器；在控制策略的设计上，为满足变流器的工作要求和解决PI控制器跟踪纹波信号存在稳态误差的问题，采用正负半波电流的控制方式和PI+改进重复控制的复合控制策略；最后，利用Matlab软件对设计方案做了仿真分析。 在以上工作的基础上，对系统相关硬件电路和数字控制系统进行了研究设计。基于FPGA并行工作的优势，提出了一种程序总体设计方案，方案中控制系统采用FPGA数字控制器并嵌入Nios II软核来实现，其中硬核部分采用Verilog语言进行描述，实现调节器的计算功能并产生 PWM驱动信号；软核采用 C语言和汇编语言编写软件程序，实现控制器与上位机之间的以太网通信和数字调节器的相关配置等内容。 按照设计方案搭建了实验样机，并在中科院近代物理研究所一台稳流电源上进行了实验验证。实验及测试结果表明，论文采用的方法及设计DAF对低频纹波有一定的抑制作用。论文的研究为后续直流电源的纹波抑制及具体DAF的设计提供了一定的参考依据。

目录

声明

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2重离子加速器电源系统及纹波特性分析

1.3纹波抑制的国内外研究现状

1.4课题的研究目标

1.5本文的结构

第2章 直流有源滤波器的关键问题分析和系统设计

2.1直流有源滤波器的分类

2.2直流有源滤波器的关键问题分析

2.3 DAF系统设计

2.4本章小结

第3章 纹波提取方法及控制策略研究

3.1纹波提取方法

3.2控制策略

3.3系统仿真分析

3.4本章小结

第4章 系统硬件电路和数字控制系统研究与设计

4.1系统硬件电路设计

4.2数字控制系统的研究与设计

4.3本章小结

第5章 实验结果和分析

5.1实验方案设计

5.2实验结果及分析

5.3本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B DAF样机主电路原理图