本文關(guān)鍵詞：40T混合磁體外超導(dǎo)磁體電源的控制器研究與設(shè)計　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：中科院強(qiáng)磁場科學(xué)中心在建的40T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置是由內(nèi)水冷磁體和外超導(dǎo)磁體兩部分構(gòu)成。本文選題為外超導(dǎo)磁體高穩(wěn)定度電源控制系統(tǒng)設(shè)計。外超導(dǎo)磁體電源最大輸出8V/16kA,且要求輸出電流紋波為1Oppm以內(nèi),輸出電壓紋波有效值在1%以內(nèi)。控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容涵蓋:被控對象的建模、控制指標(biāo)的提出、控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的確定、控制方式的選擇、控制器的設(shè)計。當(dāng)設(shè)計方案確定后,還需要進(jìn)行模型仿真及實際電路驗證,以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、接口器件等實現(xiàn)。對整個電源系統(tǒng)進(jìn)行分析得出,對于高穩(wěn)定度電源最關(guān)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(guān)鍵。文中都有詳細(xì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)頻率較低,而且可控硅導(dǎo)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(jié)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(jìn)行仿真,與實測值進(jìn)行對比,驗證所建立的模型在要求的頻率范圍內(nèi)是可信的。其次,是對電源實現(xiàn)高穩(wěn)定度輸出的關(guān)鍵因素及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)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(jié)合傳統(tǒng)自動控制理論,提出了電源控制系統(tǒng)設(shè)計的一般方法。本文針對電源系統(tǒng)的特點(diǎn),分別對系統(tǒng)響應(yīng)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,重點(diǎn)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(shè)計非常有意義。然后,針對超導(dǎo)磁體這一大慣性負(fù)載,從對50Hz及100Hz紋波的有效補(bǔ)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(gòu),其中電流外環(huán)采用數(shù)字控制方式。本文對雙環(huán)結(jié)構(gòu)做了深入分析,并提出了雙環(huán)控制器設(shè)計的一般準(zhǔn)則。數(shù)字外環(huán)的控制算法采用RST算法,本文給出了詳細(xì)的算法原理及參數(shù)計算過程。最后,控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)及調(diào)試。其中,調(diào)試分為二個階段進(jìn)行,一是利用假負(fù)載測試電壓內(nèi)環(huán)的性能;二是將整個控制系統(tǒng)應(yīng)用于超導(dǎo)磁體。最終的測量結(jié)果證明該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電源要求,整個設(shè)計是可信的。
[Abstract]:40T steady high magnetic field device of strong magnetic field in the construction of the science center is composed of an inner and outer water-cooled magnet superconducting magnet is composed of two parts. The topic of this paper is to design a superconducting magnet power supply control system with high stability. The maximum output of 8V/16kA superconducting magnet power supply, and the output current ripple is less than 1Oppm, the output voltage ripple RMS in 1% within the design of control system. The contents include: object modeling, puts forward the control indicators, determine the relevant parameter control system, control mode selection, the design of controller. The design scheme is determined, but also the need for model simulation and actual circuit verification, and actuator interface devices to realize the whole power supply system. Analysis for the three part, the key to high stability power supply are given, interface devices (including measurement and feedback part) and control algorithm. In addition, other Part is also very critical. Described in detail in this paper. First of all, the modeling of the controlled object. Considering the cost, control difficulty and other factors, the main circuit topology is still the traditional double reverse star SCR scheme. However, due to its low switching frequency, and thyristor pressure drop can not be ignored, so the establishment of the main circuit model has a certain degree of difficulty. This paper combined with the average circuit method and various interference model, the equivalent circuit model is established. And the simulation of the model are compared with the measured value to verify the proposed model is credible in the specified frequency range. Secondly, on the power supply the key factors to achieve high stability output and related technologies are demonstrated in detail, including given high precision analog measurement circuit, digital control algorithm and synchronous signal filtering circuit. Then, combined with the traditional automatic control In theory, presents a general method for the design of power supply control system. Based on the characteristics of the power supply system, respectively on the system response speed, open loop cut-off frequency and the bandwidth of the system is defined more in line with the actual power system characteristics, and puts forward the calculating open loop cut-off frequency of simple and practical method. In addition, focus on the power converter with LC filter, the approximate closed-loop Bode diagram by the way of painting, the bandwidth of the system is close to the natural frequency of LC, the power supply control system design is very meaningful. Then, for a superconducting magnet the large inertia load from the effective compensation and reduce the 50Hz and 100Hz sampling frequency ripple requirements for ADC point of view, put forward the double loop control structure, in which the current loop using digital control method. This paper made a thorough analysis of double loop structure, and put forward the general guidelines for controller design of double number. The outer ring of the word control algorithm with RST algorithm, this paper gives the algorithm principle and parameters of the calculation process in detail. Finally, the specific implementation and debugging of the control system. The test is divided into two stages, one is the performance of false load test voltage loop; two is the whole control system is applied to the superconducting magnet. The measured results show that the control system can realize the power requirements, the whole design is credible.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TL62

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本文編號：1394102