蓄電池供電的平頂長脈沖磁場有源補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)研究.pdf

1、高穩(wěn)定度平頂長脈沖強(qiáng)磁場作為一種科學(xué)實驗環(huán)境，兼具穩(wěn)態(tài)磁場紋波小與脈沖磁場強(qiáng)度高的優(yōu)勢，具有重要研究價值。武漢國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心（WHMFC）建設(shè)了一套鉛酸蓄電池供電的脈沖電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有儲能大且電壓輸出穩(wěn)定的特點，適用于作為長脈沖磁場的電源，但因其能量輸出不可控和磁體電阻在放電期間非線性變化的特點，無法實現(xiàn)高穩(wěn)定度平頂波形。針對以上問題，本文提出一種平頂階段脈沖磁場波形的調(diào)控方案，提高了脈沖磁場的穩(wěn)定度。主要內(nèi)容如下：

2、　　本文首先提出了基于多支路并聯(lián)的有源補(bǔ)償方案，并設(shè)計補(bǔ)償裝置（蓄電池供電的基于IGBT-PWM控制的有源補(bǔ)償裝置）的電路拓?fù)渑c控制策略。在磁體脈沖電流峰值時刻，啟動補(bǔ)償裝置，向脈沖磁體注入能量，補(bǔ)償因磁體電阻上升而即將下降的脈沖電流。補(bǔ)償裝置由多個有源補(bǔ)償支路組成，在平頂階段，順序開通補(bǔ)償支路，可降低實驗過程中 IGBT開關(guān)頻率，減小所受應(yīng)力，有利于能量持續(xù)注入，并能延長平頂波形的持續(xù)時間。通過分析電源系統(tǒng)放電特性和平頂階段磁體電阻變

3、化的特點，補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)采用分段式PI控制策略。針對補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)對脈沖電流測量性能需求，提出一種16位AD與24位AD聯(lián)合工作的高精度數(shù)據(jù)采集方案，通過縮小采樣區(qū)間降低相對誤差，提高磁場穩(wěn)定度。其次，設(shè)計了控制系統(tǒng)軟硬件方案并完成其樣機(jī)的研制?？紤]到控制系統(tǒng)計算冗余以及模塊化并行處理能力，采用FPGA+DSP架構(gòu)（FPGA型號EP3C40Q240，DSP型號TMS320LF28335）。FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、與DSP通信、人機(jī)界面

4、數(shù)據(jù)交換功能。DSP實現(xiàn)數(shù)字濾波器功能和PI控制算法。本文控制系統(tǒng)軟件開發(fā)采用自頂向下的設(shè)計模式，對控制系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行細(xì)分，逐一進(jìn)行模塊化開發(fā)。利用Systemverilog進(jìn)行底層軟件開發(fā)，實現(xiàn)脈沖電流測量信號數(shù)據(jù)采集、支路IGBT觸發(fā)、裝置電流保護(hù)、與DSP實時數(shù)據(jù)交互等功能。后，搭建實驗電路并進(jìn)行調(diào)試，得到了平頂階段持續(xù)時間大于150ms、磁場強(qiáng)度大于15T、穩(wěn)定度300ppm以內(nèi)的平頂長脈沖磁場。分析實驗結(jié)果，給出了裝置改進(jìn)