40T混合磁體外超導磁體電源的控制器研究與設計.pdf

1、中科院強磁場科學中心在建的40T穩(wěn)態(tài)強磁場裝置是由內水冷磁體和外超導磁體兩部分構成。本文選題為外超導磁體高穩(wěn)定度電源控制系統(tǒng)設計。外超導磁體電源最大輸出8V/16kA，且要求輸出電流紋波為10ppm以內，輸出電壓紋波有效值在1％以內。
　　控制系統(tǒng)的設計內容涵蓋:被控對象的建模、控制指標的提出、控制系統(tǒng)相關參數(shù)的確定、控制方式的選擇、控制器的設計。當設計方案確定后，還需要進行模型仿真及實際電路驗證，以及執(zhí)行機構、接口器件等實現(xiàn)。對

2、整個電源系統(tǒng)進行分析得出，對于高穩(wěn)定度電源最關鍵的三部分分別是:給定、接口器件（包含測量和反饋部分）及控制算法。此外，其他部分也非常關鍵。文中都有詳細的介紹。
　　首先，對被控對象建模?？紤]到成本、控制難易等因素，電源主拓撲結構依然采用的是傳統(tǒng)的雙反星可控硅整流方案。然而，由于其開關頻率較低，而且可控硅導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。并對該模型進行仿真，

3、與實測值進行對比，驗證所建立的模型在要求的頻率范圍內是可信的。
　　其次，是對電源實現(xiàn)高穩(wěn)定度輸出的關鍵因素及相關技術進行詳細論證，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，結合傳統(tǒng)自動控制理論，提出了電源控制系統(tǒng)設計的一般方法。本文針對電源系統(tǒng)的特點，分別對系統(tǒng)響應速度、開環(huán)截止頻率和系統(tǒng)帶寬給出了更符合實際電源系統(tǒng)特性的定義，并提出了求取開環(huán)截止頻率的簡單而實用的方法。此外，重

4、點研究了帶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)的設計非常有意義。
　　然后，針對超導磁體這一大慣性負載，從對50Hz及100Hz紋波的有效補償及降低對ADC采樣頻率要求的角度，提出了雙環(huán)控制架構，其中電流外環(huán)采用數(shù)字控制方式。本文對雙環(huán)結構做了深入分析，并提出了雙環(huán)控制器設計的一般準則。數(shù)字外環(huán)的控制算法采用RST算法，本文給出了詳細的算法原理及參數(shù)計算過程。