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

1、高穩(wěn)定度平頂長(zhǎng)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)作為一種科學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，兼具穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)紋波小與脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，具有重要研究?jī)r(jià)值。武漢國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǔ)能大且電壓輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)，適用于作為長(zhǎng)脈沖磁場(chǎng)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(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度平頂波形。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種平頂階段脈沖磁場(chǎng)波形的調(diào)控方案，提高了脈沖磁場(chǎng)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(jì)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(shí)刻，啟動(dòng)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(gè)有源補(bǔ)償支路組成，在平頂階段，順序開(kāi)通補(bǔ)償支路，可降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 IGBT開(kāi)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(zhǎng)平頂波形的持續(xù)時(shí)間。通過(guò)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(diǎn)，補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)采用分段式PI控制策略。針對(duì)補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)對(duì)脈沖電流測(cè)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(guò)縮小采樣區(qū)間降低相對(duì)誤差，提高磁場(chǎng)穩(wěn)定度。其次，設(shè)計(jì)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(jì)算冗余以及模塊化并行處理能力，采用FPGA+DSP架構(gòu)（FPGA型號(hào)EP3C40Q240，DSP型號(hào)TMS320LF28335）。FPGA實(shí)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(shí)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(kāi)發(fā)采用自頂向下的設(shè)計(jì)模式，對(duì)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(kāi)發(fā)。利用Systemverilog進(jìn)行底層軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)脈沖電流測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)采集、支路IGBT觸發(fā)、裝置電流保護(hù)、與DSP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互等功能。后，搭建實(shí)驗(yàn)電路并進(jìn)行調(diào)試，得到了平頂階段持續(xù)時(shí)間大于150ms、磁場(chǎng)強(qiáng)度大于15T、穩(wěn)定度300ppm以內(nèi)的平頂長(zhǎng)脈沖磁場(chǎng)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了裝置改進(jìn)