40T混合磁体外超导磁体电源的控制器研究与设计

摘要

中科院强磁场科学中心在建的40T稳态强磁场装置是由内水冷磁体和外超导磁体两部分构成。本文选题为外超导磁体高稳定度电源控制系统设计。外超导磁体电源最大输出8V/16kA，且要求输出电流纹波为10ppm以内，输出电压纹波有效值在1％以内。
　　控制系统的设计内容涵盖:被控对象的建模、控制指标的提出、控制系统相关参数的确定、控制方式的选择、控制器的设计。当设计方案确定后，还需要进行模型仿真及实际电路验证，以及执行机构、接口器件等实现。对整个电源系统进行分析得出，对于高稳定度电源最关键的三部分分别是:给定、接口器件（包含测量和反馈部分）及控制算法。此外，其他部分也非常关键。文中都有详细的介绍。
　　首先，对被控对象建模。考虑到成本、控制难易等因素，电源主拓扑结构依然采用的是传统的双反星可控硅整流方案。然而，由于其开关频率较低，而且可控硅导通压降较大不可忽略，所以建立主回路模型有一定的难度。本文结合平均电路法和各种干扰模型，对其建立等效电路模型。并对该模型进行仿真，与实测值进行对比，验证所建立的模型在要求的频率范围内是可信的。
　　其次，是对电源实现高稳定度输出的关键因素及相关技术进行详细论证，包含给定、高精度模拟测量电路、数字控制算法的选择以及同步信号滤波电路等。
　　接下来，结合传统自动控制理论，提出了电源控制系统设计的一般方法。本文针对电源系统的特点，分别对系统响应速度、开环截止频率和系统带宽给出了更符合实际电源系统特性的定义，并提出了求取开环截止频率的简单而实用的方法。此外，重点研究了带LC滤波器的功率变换器，通过画近似闭环bode图的方式，得出其系统带宽是接近LC自然频率的，这对电源控制系统的设计非常有意义。
　　然后，针对超导磁体这一大惯性负载，从对50Hz及100Hz纹波的有效补偿及降低对ADC采样频率要求的角度，提出了双环控制架构，其中电流外环采用数字控制方式。本文对双环结构做了深入分析，并提出了双环控制器设计的一般准则。数字外环的控制算法采用RST算法，本文给出了详细的算法原理及参数计算过程。
　　最后，控制系统的具体实现及调试。其中，调试分为二个阶段进行，一是利用假负载测试电压内环的性能;二是将整个控制系统应用于超导磁体。最终的测量结果证明该控制系统能够实现电源要求，整个设计是可信的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 稳态强磁场装置(SHMFF)介绍

1．2 国内外相关电源

1．2．1 中科院等离子所EAST纵场电源

1．2．2 国外相关电源

1．3 本课题的研究工作

第2章 超导磁体电源电路拓扑结构及数学建模

2．2．1 电源拓扑结构设计

2．2．2 整流变压器

2．2．3 双反星型整流电路及滤波电感

2．2．4 滤波电容

2．3 功率变换器的数学建模

2．3．1 一个完整的开关周期分析及平均电路等效模型推导

2．3．2 超导磁体电源的平均电路等效模型推导

2．4 主回路和等效电路模型的仿真分析

2．4．1 验证增益关系

2．4．2 验证频率响应

2．5 本章小结

第3章 电源实现高稳定度电流输出的关键因素及相关技术分析

3．1 系统各部分对系统稳定度的影响

3．1．1 给定对电源稳定度的影响

3．1．2 前馈通道中的控制器温漂变化对电源稳定度的影响

3．1．3 反馈通道中的控制器温漂变化对电源稳定度的影响

3．1．5 电网及触发电路的不理想对电源稳定度的影响

3．1．6 系统稳定度的主要考虑因素

3．2 给定

3．3 高精度模拟测量电路

3．3．1 相关元器件选型

3．3．2 系统噪声

3．3．3 温度特性

3．4 DAC的选型

3．5 数字控制算法的选择

3．5．1 RST控制器

3．5．2 数字PID控制器

3．6 数字信号处理器的选择

3．7 同步信号滤波电路

3．7．1 对交流侧二次谐波进行衰减

3．7．2 对三相不平衡进行补偿

3．8 本章小结

第4章 超导磁体电源控制系统的设计

4．1 电源控制系统的基本概念及原理阐述

4．1．1 系统响应速度

4．1．2 控制系统对扰动的抑制

4．1．3 开环截止频率的选择

4．2 带LC滤波器的功率变换器

4．2．1 通用模型及完整的反馈控制系统

4．2．2 描述系统的开环特性

4．2．3 描述系统的闭环特性

4．3 将电源性能参数转化为相关控制参数

4．3．1 由输出纹波p％和稳定度确定系统响应速度

4．3．2 系统对扰动的抑制

4．4 控制方法的选择

4．4．1 传统的控制方法：模拟控制

4．4．2 数字控制环

4．5 控制系统的架构及设计准则

4．5．1 电流外环

4．5．2 电压内环

4．6 超导磁体电源控制系统的设计

4．6．1 电压内环(模拟部分)

4．6．2 电流外环(数字部分)

4．6．3 系统仿真

4．7 本章小结

第5章 超导磁体电源控制系统的实现与测试

5．1 模拟部分

5．1．1 电压电流的测量

5．1．2 电压内环的实现

5．1．3 保护电路

5．1．4 相控触发电路

5．2 数字部分(硬件)

5．2．1 数字控制硬件框图

5．2．2 ADC模块

5．2．3 DAC模块

5．3 数字部分(软件)

5．3．1 PLL模块

5．3．2 ADC驱动模块

5．3．3 DAC驱动模块

5．3．4 数字调节器模块

5．3．5 给定和数字调节器模块之间的同步问题

5．3．6 IIC模块

5．3．7 串口通讯模块及上位机软件

5．3．8 远程通讯模块

5．4 超导磁体电源主回路及控制系统的测试

5．4．1 假负载测试的可行性分析

5．4．2 电压内环测试(假负载)

5．4．3 双闭环测试(超导磁体)

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果