高能同步輻射光源儲(chǔ)存環(huán)快校正磁鐵電源設(shè)計(jì)

劉 鵬，龍鋒利，李 洋，韓 超

(1.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

高能同步輻射光源(HEPS)具有0.1 nm·rad的超低發(fā)射度[1]，對(duì)束流穩(wěn)定度提出了較高要求。快速軌道反饋系統(tǒng)(FOFB)可將一定帶寬范圍內(nèi)的束流軌道擾動(dòng)抑制在一定范圍內(nèi)，從而保證引出光源點(diǎn)附近束流軌道的穩(wěn)定[2-3]。為此研制1臺(tái)高性能快校正磁鐵電源用來提高FOFB的性能以提升束流穩(wěn)定度[4]。本文設(shè)計(jì)的快校正磁鐵電源需具有10 kHz小信號(hào)帶寬，電源輸出電流紋波為20 ppm，電源性能需求對(duì)電源設(shè)計(jì)提出了較高要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本文研制1臺(tái)快校正磁鐵電源樣機(jī)。電源樣機(jī)硬件設(shè)計(jì)采用多電平級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高速功率變換；軟件控制部分針對(duì)負(fù)載時(shí)間常數(shù)大的問題，在傳統(tǒng)PI控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相位校正環(huán)節(jié)用來改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。通過軟件建模分析與實(shí)際樣機(jī)測試，驗(yàn)證電源設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 電源總體設(shè)計(jì)

電源整體采用4U機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電源電路部分設(shè)計(jì)如下：220 V交流市電經(jīng)過輸入濾波器進(jìn)行平波處理，通過直流源將工頻市電變?yōu)樗柚绷麟?，?yīng)用4H橋電路級(jí)聯(lián)組成多電平逆變器完成功率變換，輸出端設(shè)計(jì)輸出濾波器濾除相應(yīng)紋波。電源控制系統(tǒng)采用自主研發(fā)的數(shù)字電源控制模塊(DPSCM)，并使用高精度采樣系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采樣，完成系統(tǒng)閉環(huán)反饋[5]。電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Scheme of power supply

快校正磁鐵電源樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1。

表1 電源樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameter of power supply prototype

1.1 電路設(shè)計(jì)

電源硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用了新穎的多電平級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用4H橋級(jí)聯(lián)式進(jìn)行組合完成逆變，每路H橋具有獨(dú)立直流源[6]，4H橋級(jí)聯(lián)輸出后經(jīng)二階低通濾波器進(jìn)行濾波。其中H橋中單管開關(guān)頻率為100 kHz。電源功率部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電源功率部分結(jié)構(gòu)Fig.2 Power supply power part structure

為保證濾波效果和電源高速動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，濾波電路采用2階LC濾波電容，為消除LC濾波器帶來的反向尖峰，實(shí)際使用電阻電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻尼設(shè)計(jì)。實(shí)際設(shè)計(jì)的電源輸出濾波器如圖3所示。

圖3 電源輸出濾波器設(shè)計(jì)Fig.3 Design of power supply output filter

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源采用雙極性PWM調(diào)制方式。電源系統(tǒng)中每路H橋內(nèi)采用經(jīng)典全橋PWM控制，橋間采用載波移相控制[7-8]，其中移相時(shí)間T的設(shè)置為：

T=2π/N

(1)

其中，N為系統(tǒng)中包含的H橋個(gè)數(shù)。

通過分析，磁鐵負(fù)載具有較大的時(shí)間常數(shù)，在整個(gè)電源系統(tǒng)中具有主導(dǎo)極點(diǎn)的控制作用，電源系統(tǒng)控制若單獨(dú)使用PI控制器，電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不好。通過Matlab仿真分析，得到PI控制電源頻率響應(yīng)曲線，如圖4所示。

圖4 PI控制電源頻率響應(yīng)曲線Fig.4 Frequency response curve of power supply by PI control

鑒于PI控制器的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了1個(gè)精密相位補(bǔ)償單元，這個(gè)相位補(bǔ)償單元與PI控制器配合使用，用以消除這個(gè)主導(dǎo)極點(diǎn)并減小其在控制系統(tǒng)中的作用。圖5為控制單元設(shè)計(jì)。

圖5 控制單元設(shè)計(jì)Fig.5 Design of control unit

實(shí)際設(shè)計(jì)的模擬相位補(bǔ)償單元傳遞函數(shù)Gc為：

(2)

校正磁鐵負(fù)載引入的極點(diǎn)由PI控制環(huán)路補(bǔ)償，系統(tǒng)的相位與幅值增益的需求由相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，ω2應(yīng)比ω1大10倍以上，這主要是分離PI控制器與相位補(bǔ)償器的相互影響[9]。

2 電源系統(tǒng)建模分析

使用Matlab Simulink模塊進(jìn)行電源系統(tǒng)的模型仿真，快校正磁鐵電源仿真模型參數(shù)列于表2。

表2 電源模型仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameter of power supply model

電源模型硬件上采用多電平級(jí)聯(lián)拓?fù)?，軟件控制方面采用PI控制器及精心設(shè)計(jì)的相位校正環(huán)路進(jìn)行控制[10]。圖6為Matlab Simulink中的快校正磁鐵電源仿真模型。

對(duì)電源模型系統(tǒng)進(jìn)行小信號(hào)帶寬測試，電源模型電流給定幅值為150 mA、不同頻率的正弦信號(hào)，通過對(duì)比電源模型電流給定與電流輸出信號(hào)的關(guān)系，得到電源模型的小信號(hào)帶寬。通過仿真測試，電源模型的帶寬達(dá)10 kHz。圖7為電源模型小信號(hào)帶寬仿真測試曲線，表3列出電源模型的小信號(hào)帶寬仿真數(shù)據(jù)。

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

研制了1臺(tái)快校正磁鐵電源樣機(jī)用于測試。樣機(jī)使用專用設(shè)計(jì)的背板，將主板與采樣板及電源板相連構(gòu)成電源控制系統(tǒng)，并將控制信號(hào)引出到電源的主電路部分[11]。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用具有恒溫控制的ADC采樣電路，使ADC芯片工作在最適宜溫度[12]。使用ADI公司的AD5542A芯片進(jìn)行電源給定信號(hào)輸出，DAC芯片輸出電壓具有16位、0.5 LSB有效精度[13]。通過Labview控制界面可設(shè)置數(shù)字控制器的各種參數(shù)，并能通過控制界面實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形的下載[14]，樣機(jī)使用自研20 A DCCT作為電流反饋器件，電流傳感器是決定電流輸出電流精度與電流紋波大小的關(guān)鍵[15]，樣機(jī)測試采用HEPS快校正磁鐵樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)列于表4。

圖6 電源仿真模型Fig.6 Power supply simulation model

a——5 kHz；b——10 kHz圖7 電源模型小信號(hào)帶寬仿真測試曲線Fig.7 Simulation test curve of small signal bandwidth of power supply model

表3 電源模型小信號(hào)帶寬仿真數(shù)據(jù) Table 3 Small signal bandwidth simulation test data of power supply model

表4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 4 Test parameter of prototype

3.1 階躍響應(yīng)測試

電源給定為150 mA直流階躍信號(hào)，外套DCCT對(duì)電源樣機(jī)輸出電流采樣，通過對(duì)比電源電流給定與電流輸出之間的關(guān)系，得到電源樣機(jī)的階躍響應(yīng)性能。

經(jīng)測試，電源樣機(jī)的階躍響應(yīng)時(shí)間為68 μs，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。樣機(jī)階躍響應(yīng)曲線如圖8所示。

a——2～2.15 A階躍給定；b——14.15～14 A階躍給定圖8 樣機(jī)階躍響應(yīng)測試曲線Fig.8 Test curve of step response of prototype

3.2 輸出電流紋波測試

電源給定為0～±15 A直流信號(hào)，外套DCCT對(duì)電源樣機(jī)輸出電流采樣，通過使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)實(shí)際輸出電流進(jìn)行FFT分析，得到快校正磁鐵電源的輸出電流紋波信息。

樣機(jī)輸出電流紋波測試結(jié)果列于表5。通過分析測試結(jié)果可知，電源樣機(jī)輸出電流紋波優(yōu)于20 ppm設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表5 樣機(jī)輸出電流紋波測試結(jié)果Table 5 Output current ripple test result of prototype

4 結(jié)論

經(jīng)測試，研制的快校正磁鐵電源樣機(jī)性能滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需求，樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。電源樣機(jī)具有10 kHz小信號(hào)帶寬，輸出電流紋波低于20 ppm，可較好地滿足HEPS的FOFB的物理設(shè)計(jì)要求，電源系統(tǒng)可較好地應(yīng)用在HEPS的工程建設(shè)中。