申萬增 燕宏斌 高大慶 周忠祖 張顯來

（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

掃描磁鐵電源的仿真與實現(xiàn)

申萬增 燕宏斌 高大慶 周忠祖 張顯來

（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

介紹一款高電壓掃描電源的設(shè)計方案。利用兩組H橋串聯(lián)技術(shù)使得電源輸出電壓可高達700 V，采用閉環(huán)控制策略獲得較好品質(zhì)連續(xù)穩(wěn)定的三角波或者正弦波電流波形。首先介紹了電源的設(shè)計思路，接著利用Simplorer軟件對電源主回路及PWM (Pulse Width Modulation)控制回路進行了建模和仿真，最后給出了電源實際的調(diào)試結(jié)果，結(jié)果表明電源設(shè)計方案合理可行。

掃描，H橋串聯(lián)，Simplorer，PI調(diào)節(jié)

骨質(zhì)疏松治療儀是利用脈沖磁場作用于患處，從而緩解和消除由于骨質(zhì)疏松引起的腰背疼痛等臨床癥狀。由畢奧-沙法爾定律[1]知道環(huán)形線圈中心的磁場與電流呈線性關(guān)系，本文介紹了一款可以輸出峰值為0 - ±15 A、頻率為0-50 Hz連續(xù)可調(diào)的三角波、正弦波波形電流的掃描磁鐵電源，可以在環(huán)形線圈中形成不同的脈沖磁場，現(xiàn)已經(jīng)成功應(yīng)用于蘭州某醫(yī)院的骨質(zhì)疏松治療儀中。目前大部分掃描電源均是小功率開關(guān)電源，本文把H橋串聯(lián)技術(shù)用到掃描電源中，實現(xiàn)了掃描電源的大功率設(shè)計。

1 電源主回路設(shè)計

治療骨質(zhì)疏松所用的參數(shù)諸如頻率、強度、脈沖等各不相同，就要求電源輸出電流波形的頻率、幅值、占空比等參數(shù)可調(diào)，而且要求電源輸出精度高和輸出誤差小。本電源采用串聯(lián)移相技術(shù)及經(jīng)典的PI調(diào)節(jié)器控制技術(shù)來實現(xiàn)三角波等波形電流的輸出。將電源輸出電流用HITEC公司的MACC傳感器采樣作為反饋量，與PI調(diào)節(jié)器的給定值做比較后得到控制量，控制量輸入脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)控制器后輸出驅(qū)動脈沖去控制電源功率開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，由此構(gòu)成一個穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

電源主回路由交流220 V經(jīng)變壓器和整流部分變換成直流電壓后，加到由兩個串聯(lián)的H橋上。通過合理的導(dǎo)通與關(guān)斷組成H橋的IGBT，輸出方波電壓Vo送到感性負載上，同時用MACC傳感器采集電源的電流輸出值，與波形給定信號共同構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)控制整個電源系統(tǒng)[2]。電源主回路的電壓電流方程為：

由此可見，電源的輸出電壓與負載電阻以及負載電感上電流的變化率有關(guān)。本掃描磁鐵電源的負載電感較大，故采用H橋的串聯(lián)以達到輸出電壓的要求。輸出電壓最大值計算公式如下：

式中，maxI為負載上最大電流值。按照設(shè)計要求計算得到輸出電壓最大值為700 V。

電源輸出電流波形由給定波形決定，通過PI調(diào)節(jié)使輸出波形與給定波形達到同步[3]。電源主電路原理圖如圖1所示，整流后的直流電壓分別加到兩H橋上。控制各IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，就可以在感性負載上得到連續(xù)的電流波形。由于輸出正弦波或者三角波電流既有正向又有負向，要求每個IGBT快速地導(dǎo)通和關(guān)斷，設(shè)置死區(qū)時間為2 μs，這樣既保證各H橋上IGBT安全工作，又不浪費占空比。

圖1 主回路原理圖Fig.1 Schematic of major loop.

2 控制回路的設(shè)計

為實現(xiàn)電流輸出連續(xù)三角波、正弦波等波形電流，需要對電壓進行調(diào)節(jié)，使得負載上電壓波形為方波、余弦波等。本電源通過電流傳感器采集負載電流后，通過反饋電阻變成電壓信號再與給定電壓Vref相比較，通過誤差放大器輸出電壓Ve與載波三角波進行比較，輸出PWM脈沖波形控制構(gòu)成逆變H橋的IGBT，從而調(diào)節(jié)輸出電壓Vo使得負載上輸出需要的電流波形，整個系統(tǒng)的工作原理如圖 2所示，其中δ為PWM環(huán)節(jié)輸出為脈沖占空比，V1為橋口輸出電壓，經(jīng)過濾波器后負載上電壓為Vo。

圖2 電源控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Power supply control system diagram.

假設(shè)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為G1，PWM輸出為脈沖占空比δ=K1，反饋電阻比例系數(shù)為K2，用H(s)表示閉環(huán)系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)，G(s)表示先前傳遞函數(shù)，則整個電源系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為[4]：

閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

為了使電源輸出線性度良好的電流波形，采用PI調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為G1的形式為：

式中，Kp= Rf/ Ri為比例系數(shù)；Ti= 1 / RiC為積分時間常數(shù)。

把G1(s)的表達式以及電源的L、C等參數(shù)代入閉環(huán)傳遞函數(shù)，通過特征方程以及勞斯判據(jù)可以知道，取合適的Kp和Ti參數(shù)，整個系統(tǒng)便可以穩(wěn)定工作。

3 建模與仿真

利用電力電子仿真軟件Simplorer對電源主回路和PWM控制回路進行建模和仿真分析。圖1為電源主回路仿真模型，按照理論計算值設(shè)置圖1中各元件，如疊母電容C1和C3、濾波電感L1、濾波電容C2等元件的參數(shù)值，其中負載電感L2為160mH，負載等效電阻R2為2.4 ?。用Simplorer軟件自帶的控制模塊構(gòu)建PI調(diào)節(jié)器閉環(huán)系統(tǒng)和IGBT功率管的驅(qū)動信號，建立PWM控制回路仿真模型如圖3所示，其中T0為電源給定信號源，Gain2為傳感器采集的電源輸出電流值，PI為PI調(diào)節(jié)電路，給定與輸出電流采樣值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后的值LIMIT1與相位相反的載波三角波信號T11、T14和T21、T24進行比較產(chǎn)生PWM信號。其中Comp11、Comp12、Comp13和Comp14分別為圖1中IGBT11、IGBT12、IGBT13和IGBT14的驅(qū)動信號；Comp21、Comp22、Comp23和Comp24分別為圖1中IGBT21、IGBT22、IGBT23和IGBT24的驅(qū)動信號。當給定波形輸出后，每個功率管IGBT會按照各自的驅(qū)動信號工作，使電源輸出需要的勵磁電流。

圖3 控制回路建模Fig.3 Modeling of control loop.

為了使電源的輸出電流指標達到設(shè)計要求，電源工作在閉環(huán)狀態(tài)，圖3中Gain2表示構(gòu)成反饋回路的采樣單元。在仿真過程中，需要對PI_1調(diào)節(jié)電路的PI參數(shù)Kp和Ti進行設(shè)置，電源輸出波形才能達到設(shè)計要求。當給定信號為三角波時，運行仿真模型得到電源輸出電流波形如圖4。當給定三角波±1.5 V，頻率為40 Hz，電源的輸出電流波形為±15A，頻率為40 Hz。從仿真結(jié)果來看，輸出電流值與理論計算值相符合，同時計算電源輸出誤差與輸出電壓值，均與理論計算相吻合?？梢姡娫丛O(shè)計可以實現(xiàn)預(yù)期設(shè)計目標。同理當給定信號為正弦波時，仿真結(jié)果也達到了設(shè)計要求。

圖4 三角波電流輸出的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of triangular wave current.

4 電源測試結(jié)果

在閉環(huán)狀態(tài)下調(diào)試電源的輸出電流，設(shè)置合適的PI參數(shù)，使電源輸出電流穩(wěn)定平滑。其中比例環(huán)節(jié)即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分時間常數(shù)Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。整定好PI參數(shù)Kp和Ti，當給定信號為三角波的時候，電源可輸出平滑的三角波電流[5]。如圖5中通道1為電源給定波形，通道2為電源實際輸出波形，可以看出輸出電流波形很好地跟隨了給定波形。而且可以看出電源輸出還有一些毛刺，這是因為給定波形上就有毛刺而導(dǎo)致，電源系統(tǒng)快速響應(yīng)，實時反映了給定波形的變化。圖5中通道4波形所示電源輸出電壓波形，當給定波形頻率與峰值達到一定值時候，輸出電壓可以高達700 V，與仿真結(jié)果一致。電源跟蹤誤差Er是指電源輸出跟隨給定變化的能力，其表達式為：

式中，Er表示電源輸出誤差；Ir為給定電流值；Io為實際電源輸出電流值。采集實際輸出電流值數(shù)據(jù)計算得電源跟蹤誤差為±0.2%，電源跟蹤誤差也達到了預(yù)期設(shè)計要求。

從測試結(jié)果知，電源輸出的連續(xù)三角波波形電流平滑穩(wěn)定，而且與給定波形的幅值相位均保持一致。同樣測得輸出電流為正弦波波形電流時候效果也滿足要求。當然電源輸出還可以更進一步完善，比如優(yōu)化給定波形、加合適的EMI濾波等，這也是需要進一步研究的內(nèi)容。

圖5 電源輸出三角波波形電流Fig.5 Triangular wave current of the power supply.

5 結(jié)語

目前電源已投入使用，實際測試表明這臺掃描電源跟蹤誤差為±2×10-3，滿足實際應(yīng)用需求。本設(shè)計中把H橋串聯(lián)移相技術(shù)和PI調(diào)節(jié)器控制技術(shù)運用到掃描磁鐵電源中，實現(xiàn)了高電壓大功率輸出，而且電源具有輸出精度高、輸出誤差小、頻率可調(diào)等優(yōu)點。隨著科技的進步和科學(xué)實驗的需求，目前加速器電源或者醫(yī)療電源均希望有更大功率的掃描電源出現(xiàn)，本文的設(shè)計也為以后設(shè)計更大功率掃描磁鐵電源提供了現(xiàn)實依據(jù)。

1 趙凱華, 陳熙謀. 電磁學(xué)[M]. 北京: 人民教育出版社, 1979: 291-293

ZHAO Kaihua, CHEN Ximo. Electromagnetism[M]. Beijing: People’s Education Press, 1979: 291-293

2 鄭機. 電力半導(dǎo)體直流穩(wěn)定電源[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1984: 33-36

ZHENG Ji. DC stabilized power supply of power semiconductor[M]. Beijing: Mechanical Industrial Publishing House, 1984: 33-36

3 馮德仁, 王相綦, 徐玉存, 等. 工業(yè)輻照加速器掃描磁鐵電源的研制[J]. 強激光與粒子束, 2008, 20(4): 594-596

FENG Deren, WANG Xiangqi, XU Yucun, et al. Development of scanning magnet power supply for industrial irradiation accelerator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(4): 594-596

4 陳佰時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1996: 54-56

CHEN Baishi. Electric drive automatic control system[M]. Beijing: Mechanical Industrial Publishing House, 1996: 54-56

5 胡鵬飛, 李瑞, 胡志敏, 等. 開關(guān)型掃描磁鐵電源的研制[J]. 核技術(shù), 2012, 35(6): 439-441

HU Pengfei, LI Rui, HU Zhimin, et al. A beam-scanning power supply for E-beam irradiator[J]. Nuclear Techniques, 2012, 35(6): 439-441

CLCTL506

Simulation and implementation of scanning magnet power supply

SHEN Wanzeng YAN Hongbin GAO Daqing ZHOU Zhongzu ZHANG Xianlai
(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Background: The scanning power for osteoporosis therapy device is required to be with high voltage output of great precision. Purpose: The design of a high voltage scanning magnet power supply is presented. Methods: Two H bridge series made the output voltage of the power supply as high as 700 V. The closed loop control strategy was adopted to produce continuous trigonometric wave or sine wave current waveform of good quality. The design idea of power supply was introduced, and then the simulation of main circuit and Pulse Width Modulation (PWM) control circuit was provided using Simplorer software. Results: Power supply design and test results were reported. The tracking error was about ±0.2%, and all the goals of this power design are realized. Conclusion: The actual tuning results of the power supply show that the design of the power supply is accomplished.

Scanning, H bridge series, Simulation, PI regulator

TL506

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.020402

青年科學(xué)基金項目(11105204)資助

申萬增，男，1982年出生，2011年于西安電子科技大學(xué)獲碩士學(xué)位，從事加速器電源的研究設(shè)計工作

2013-08-28，

2013-12-23