CN103066948B - 谐振励磁电源的电流给定波形的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种谐振励磁电源的电流给定波形的控制方法，包括：在第一电流给定波形下，获取具有预设频率成分的磁测磁场和磁测电流之间的第一幅值衰减和第一相位差；在第一电流给定波形下，获取电源的第一输出电流中具有预设频率成分的第一电流幅值和第一电流相位；第一电流给定波形为理想电流给定波形；在第二电流给定波形下，并获取具有预设频率成分的磁测磁场和磁测电流之间的第二幅值衰减和第二相位差，第二电流给定波形由直流电流与具有预设频率成分的第一谐波电流合成；在第二电流给定波形下，获取电源的第二输出电流中第二电流幅值和第二电流相位；获取具有预设频率成分的第二谐波电流的幅值和相位。本申请可以降低磁铁和电源的成本。

Description

谐振励磁电源的电流给定波形的控制方法

技术领域

本申请涉及谐振励磁电源领域，尤其涉及一种基于怀特谐振电路的谐振励磁电源的电流给定波形的控制方法。

背景技术

为了实现励磁磁场的正弦控制，基于怀特谐振电路的电源要求理想的电流给定波形为I=I_DC-I_AC×cos（ω₀t+φ₀），其中，ω₀=2πf₀，f₀为励磁电源输出电流的重复频率，I_DC、I_AC分别为电源输出电流的直流分量和基波分量的幅值，φ₀为基波分量的初始相位。

由于铁片饱和，磁铁的磁化曲线不是理想的直线，即便各磁铁的励磁电流是理想正弦曲线，它们的磁场也不会是正弦曲线，满足不了聚焦要求，即磁场跟踪要求。且f₀越大，磁场的饱和现象越明显。

由于重复频率高，磁铁中无功功率的吞吐量很大，为了避免对电网的冲击，国际上同类型磁铁供电系统均采用怀特电路结构。即采用电容与磁铁组成串联谐振结构，在电容两端并联电抗器以提供直流通路，这样磁铁中的无功功率将在电容、磁铁和电抗器之间交换，降低了系统的无功功率对电网的冲击。

但是随着激励电流重复频率提高，磁铁的饱和现象越加明显，造成激励电源的负载阻抗会随着磁铁动态电感的变化而偏离谐振点。为了保证磁场正弦度的要求，有两个解决办法：1）增大激励电源的输出容量，即增加电源输出电压值；2）修改磁铁设计，增大铁芯面积，降低磁铁动态电感的非线性度。无论采用哪种方案，都将造成设备体积的增加，成本也将大幅增加。最关键的一点是，在电源或磁铁初期设计时，并不确定需要增大多少量值才能满足使用要求，必须要通过一比一的样机实验才能确定，这一点对于大功率设备将耗资巨大并且存在一定风险。

发明内容

为了实现对励磁磁场的正弦控制，本申请提供了一种基于怀特谐振电路的谐振励磁电源的电流给定波形的控制方法，该技术方案包括：

一种谐振励磁电源的电流给定波形的控制方法，包括：

在第一电流给定波形下，获取具有预设频率成分的磁测磁场和磁测电流之间的第一幅值衰减和第一相位差；

在所述第一电流给定波形下，对所述谐振励磁电源的第一输出电流进行离散傅里叶分析，获取所述第一输出电流中具有所述预设频率成分的第一电流幅值和第一电流相位；所述第一电流给定波形为理想电流给定波形，由直流电流和基波电流合成，对所述直流电流和基波电流进行闭环控制；

在第二电流给定波形下，获取具有所述预设频率成分的磁测磁场和磁测电流之间的第二幅值衰减和第二相位差，所述第二电流给定波形由所述直流电流与具有所述预设频率成分的第一谐波电流合成，对所述直流电流采用闭环控制；

在所述第二电流给定波形下，对所述谐振励磁电源的第二输出电流进行离散傅里叶分析，获取所述第二输出电流中具有所述预设频率成分的第二电流幅值和第二电流相位；

根据所述第二电流幅值和第二电流相位获取具有所述预设频率成分的第一谐波电流从所述第二电流给定波形到所述第二输出电流之间的第三幅值衰减和第三相位差；

根据第一幅值衰减、第二幅值衰减、第三幅值衰减和第一电流幅值获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的幅值；

根据第一相位差、第二相位差、第三相位差和第一电流相位获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的相位。

在本申请优选的一个实施例中，所述获取具有预设频率成分的磁测磁场和磁测电流之间的第一幅值衰减和第一相位差的步骤包括：

通过磁场测量，获取具有所述预设频率成分的第一磁测电流幅值和第一磁测电流相位以及第一磁测磁场幅值和第一磁测磁场相位；

利用如下公式，获取所述第一幅值衰减和所述第一相位差；

第一幅值衰减=第一磁测磁场幅值/第一磁测电流幅值；

第一相位差=第一磁测磁场相位–第一磁测电流相位。

在本申请优选的一个实施例中，采用双精度浮点数处理方法，对所述谐振励磁电源的第一输出电流进行离散傅里叶分析，获取所述第一输出电流中具有所述预设频率成分的第一电流幅值和第一电流相位。

在本申请优选的一个实施例中，所述获取具有所述预设频率成分的磁测磁场和磁测电流之间的第二幅值衰减和第二相位差的步骤包括：

通过磁场测量，获取具有所述预设频率成分的第二磁测电流幅值和第二磁测电流相位以及第二磁测磁场幅值和第二磁测磁场相位；

利用如下公式，获取所述第二幅值衰减和所述第二相位差；

第二幅值衰减=第二磁测磁场幅值/第二磁测电流幅值；

第二相位差=第二磁测磁场相位–第二磁测电流相位。

在本申请优选的一个实施例中，采用双精度浮点数处理方法，对所述谐振励磁电源的第二输出电流进行离散傅里叶分析，获取所述第二输出电流中具有所述预设频率成分的第二电流幅值和第二电流相位。

在本申请优选的一个实施例中，根据所述第二电流幅值和第二电流相位获取具有所述预设频率成分的第一谐波电流从所述第二电流给定波形到所述第二输出电流的第三幅值衰减和第三相位差的步骤包括：

利用如下公式，获取所述第三幅值衰减和所述第三相位差；

第三幅值衰减=第二电流幅值/第一谐波电流的幅值；

第三相位差=第二电流相位。

在本申请优选的一个实施例中，根据第一幅值衰减、第二幅值衰减、第三幅值衰减和第一电流幅值获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的幅值的步骤包括：

利用如下公式获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的幅值：

第二谐波电流的幅值=第一电流幅值*第一幅值衰减/（第三幅值衰减*第二幅值衰减）。

在本申请优选的一个实施例中，根据第一相位差、第二相位差、第三相位差和第一电流相位获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的相位的步骤包括：

利用如下公式，获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的相位：

第二谐波电流的相位=第一电流相位+第一相位差–180°–第二相位差–第三相位差。

在本申请优选的一个实施例中，所述第一谐波电流与所述第二谐波电流为高阶谐波电流。

在本申请优选的一个实施例中，所述高阶谐波电流的频率等于2至10倍的基波电流的频率。

本申请通过将谐振励磁电源的给定电流曲线修改为理想给定电流曲线加各次高阶谐波电流的矢量注入量，即可实现被激励磁场的正弦度控制（磁场高阶谐波分量占基波分量的比值小于万分之一），从而无需修改磁铁设计，大大降低了磁铁的体积及设计难度，并且对于谐振励磁电源，其谐振点的匹配，可以根据磁铁电感的设计值来确定，电源输出电压可以根据谐振点匹配后的电压来设计，从而大幅降低了输出电压的裕量需求，降低了电源制作成本。

通过以下参照附图对本申请实施例的说明，本申请的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

下面将参照所附附图来描述本申请的实施例，其中：

图1为本申请提供的谐振励磁电源的电流给定波形的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本申请的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本申请。

谐振励磁电源的闭环控制采用数字控制技术，即通过高分辨率高速（16bit，100KHz及以上）的模数转换器（ADC）对输出电流进行采样。采样得到的反馈值经过一定的处理，与数字给定值进行比较，产生的误差信号通过数字比例积分微分（PID）控制器，产生输出并作用到电源的功率器件，实现对输出电流的精确控制。以上数字控制算法可以在专用的数字信号处理芯片例如现场可编程门阵列（FPGA）上实现。这是实现谐波矢量注入的平台。

ADC采样得到的电流反馈值，通过离散傅立叶分析（DFT），得到直流分量，基波（f₀）及各阶（2～10倍f₀）高次谐波分量的幅值和相位。通过数字PID控制器，分别实现对直流幅值，基波幅值及基波相位的精确闭环控制。直流幅值、基波幅值及基波相位的给定值，即I=I_DC–I_AC×cos（ω₀t+φ₀），对应理想励磁曲线，即理想的带直流偏置的正弦励磁磁场。本领域技术人员可以理解的是，对直流幅值，基波幅值及基波相位的精确闭环控制并不限于以上平台和处理方式，例如，可以在单片机上实现，通过对所述ADC采样值的快速傅立叶分析，进行所述精确闭环控制。例如，可以在数字信号处理器（DSP）上实现，通过对所述ADC采样值的滤波处理，进行所述精确闭环控制。

由于磁场非线性，导致在上述理想电流给定波形下，磁场经过快速傅立叶变换（FFT）分析，存在高次谐波矢量场，称之为本底。这个矢量场是磁场固有值，只会随理想电流给定波形的直流和基波幅值的变化，导致磁场工作区变化而变化。理想电流给定波形如果固定，则该本底值基本不变。这时候，如果往磁铁中注入一个与本底幅值相同，相位差180°的谐波场来反抵，即可使得磁场的高次谐波场强足够小。

谐振励磁电源在理想电流给定波形下，通过对输出电流的DFT分析，得到输出电流的基波及各阶（2～10倍f₀）高次谐波分量的幅值和相位，即为上述本底磁场对应的激励电流，称为本底电流值。通过磁场测量，可以得到本底磁场和本底电流值之间幅值和相位的固定关系式。

谐振励磁电源在理想直流给定的条件下，依次将高阶谐波电流设置一个较小的幅值且相位为0°的给定，对于高阶谐波电流的幅值和相位，实行开环控制。在此条件下，得到没有基波电流激励下，各次高阶谐波激励的高阶磁场与高阶谐波电流设定值之间的固定关系式。通过该关系式，可以计算，如果需要得到一个与本底高阶磁场幅值相同，相位相反的磁场，所需要设定的各次高阶谐波的电流幅值和相位值，这些值即为高阶谐波电流的矢量注入量。将电源的理想给定曲线，修改为理想给定曲线加各次高阶谐波电流的矢量注入量，得到的磁场即可保证各次高阶磁场分量足够小。

以中国散裂中子源快循环同步加速器二极磁铁电源及磁铁样机上测试的过程为例，介绍谐波电流矢量注入量的计算过程。二极磁铁其理想励磁曲线对应的电源电流理想给定波形为（1145–816×cosω₀t）A（安培），其中，ω₀=2πf₀，f₀=25Hz。此处以计算二次谐波即50Hz谐波电流的幅值和相位设定值为例，如图1所示，步骤如下：

在步骤101中，电源电流理想给定波形（即第一电流给定波形）为（1145–816×cosω₀t）A，其中，ω₀=2πf₀，f₀=25Hz。对于直流和基波进行精确闭环控制。通过磁场测量得到50Hz成分的第一磁测电流幅值和第一磁测电流相位，及50Hz成分的第一磁测磁场幅值和第一磁测磁场相位。通过如下公式，得到50Hz磁测磁场与磁测电流之间的第一幅值衰减和第一相位差：

第一幅值衰减（Amp-A）=第一磁测磁场幅值/第一磁测电流幅值

第一相位差（Phase-A）=第一磁测磁场相位-第一磁测电流相位

需要说明的是，磁场测量为保证相位测量的准确性，需要提供磁铁动态工作频率即f₀的定时信号，以下类同。

在步骤102中，在电流理想给定波形（1145–816×cosω₀t）A下，通过对电源输出电流（即第一输出电流）DFT分析（例如，采用双精度浮点数进行分析处理），得到输出电流中50Hz成分的第一电流幅值（Amp-C-A）和第一电流相位（Phase-C-A）。

在步骤103中，在电源直流1145A给定下，在给定直流中加入50Hz谐波（以10A/0°为例）（加入谐波后的电流波形即为第二电流给定波形），该谐波相位可以设置为0°：即电流给定为（1145–10×cos（2×ω₀t））A，ω₀=2πf₀，f₀=25Hz，对直流进行精确闭环控制，测量磁场。通过磁场测量，得到50Hz成分的第二磁测电流幅值和第二磁测电流相位，及50Hz成分的第二磁测磁场幅值和第二磁测磁场相位。然后，通过如下公式，得到50Hz成分的磁测磁场与磁测电流之间的第二幅值衰减和第二相位差：

第二幅值衰减（Amp-B）=第二磁测磁场幅值/第二磁测电流幅值

第二相位差（Phase-B）=第二磁测磁场相位-第二磁测电流相位

在步骤103中，此处50Hz给定谐波的幅值，可以随便设定，受到电源输出容量的限制，设置为直流给定的千分之一左右即可；为方便计算，将50Hz给定谐波的相位设置为0°。

在步骤104中，在第二电流给定波形（1145–10×cos（2×ω₀t））（其中，ω₀=2πf₀，f₀=25Hz）下，通过对电源输出电流（第二输出电流）进行DFT分析（例如，采用双精度浮点数进行分析处理），得到输出电流中50Hz成分的第二电流幅值（Amp-C-B）和第二电流相位（Phase-C-B）。

在步骤105中，通过如下公式，可以计算50Hz成分谐波在该给定条件下，从第二电流给定波形到第二输出电流之间的第三幅值衰减及第三相位差：

第三幅值衰减（Amp-C-C）=第二电流幅值（Amp-C-B）/谐波的幅值

第三相位差（Phase-C-C）=第二电流相位（Phase-C-B）

在步骤105中，谐波的幅值例如是10A。

在步骤106中，根据如下公式计算50Hz所需注入的谐波电流的幅值和相位，即向第一电流给定波形上所需加入的50Hz谐波电流给定的幅值和相位。

谐波电流的幅值=第一电流幅值（Amp-C-A）*第一幅值衰减（Amp-A）/（第三幅值衰减（Amp-C-C）*第二幅值衰减（Amp-B））

谐波电流的相位=第一电流相位（Phase-C-A）+第一相位差（Phase-A）–180°-第二相位差（Phase-B）-第三相位差（Phase-C-C）

在电源设计、磁铁设计及第一电流给定波形都不修改的条件下，经过上述方法计算产生的各次高阶谐波电流的矢量注入量基本不需要修改。在第一电流给定波形上加入的各阶高次谐波电流给定的幅值和相位的计算，与上述50Hz电流给定的幅值和相位的计算过程相同，具体过程不再赘述。

本申请的技术效果:磁铁负载在具有修改后的电流给定波形的励磁电源的动态激励下，其动态电感非线性可以允许大约15%的变化范围（在中国散裂中子源快循环同步加速器二极磁铁及其供电的谐振电源上验证），从而大大降低了磁铁的体积及设计难度。谐振励磁电源，其谐振点的匹配，可以根据磁铁电感的设计值来确定，电源输出电压可以根据谐振点匹配后的电压来设计，从而大幅降低了输出电压的裕量需求，降低了电源制作成本。

虽然已参照典型实施例描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种谐振励磁电源的电流给定波形的控制方法，其特征在于，包括：

在第一电流给定波形下，获取具有预设频率成分的磁测磁场和磁测电流之间的第一幅值衰减和第一相位差；

在所述第一电流给定波形下，对所述谐振励磁电源的第一输出电流进行离散傅里叶分析，获取所述第一输出电流中具有所述预设频率成分的第一电流幅值和第一电流相位，所述第一电流给定波形由直流电流和基波电流合成，对所述直流电流和基波电流进行闭环控制；

在第二电流给定波形下，获取具有所述预设频率成分的磁测磁场和磁测电流之间的第二幅值衰减和第二相位差，所述第二电流给定波形由所述直流电流与具有所述预设频率成分的第一谐波电流合成，对所述直流电流采用闭环控制；

在所述第二电流给定波形下，对所述谐振励磁电源的第二输出电流进行离散傅里叶分析，获取所述第二输出电流中具有所述预设频率成分的第二电流幅值和第二电流相位；

根据所述第二电流幅值和第二电流相位获取具有所述预设频率成分的第一谐波电流从所述第二电流给定波形到所述第二输出电流之间的第三幅值衰减和第三相位差；

根据第一幅值衰减、第二幅值衰减、第三幅值衰减和第一电流幅值获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的幅值；

根据第一相位差、第二相位差、第三相位差和第一电流相位获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的相位。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述获取具有预设频率成分的磁测磁场和磁测电流之间的第一幅值衰减和第一相位差的步骤包括：

通过磁场测量，获取具有所述预设频率成分的第一磁测电流幅值和第一磁测电流相位以及第一磁测磁场幅值和第一磁测磁场相位；

利用如下公式，获取所述第一幅值衰减和所述第一相位差；

第一幅值衰减＝第一磁测磁场幅值/第一磁测电流幅值；

第一相位差＝第一磁测磁场相位–第一磁测电流相位。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，采用双精度浮点数处理方法，对所述谐振励磁电源的第一输出电流进行离散傅里叶分析，获取所述第一输出电流中具有所述预设频率成分的第一电流幅值和第一电流相位。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述获取具有所述预设频率成分的磁测磁场和磁测电流之间的第二幅值衰减和第二相位差的步骤包括：

通过磁场测量，获取具有所述预设频率成分的第二磁测电流幅值和第二磁测电流相位以及第二磁测磁场幅值和第二磁测磁场相位；

利用如下公式，获取所述第二幅值衰减和所述第二相位差；

第二幅值衰减＝第二磁测磁场幅值/第二磁测电流幅值；

第二相位差＝第二磁测磁场相位–第二磁测电流相位。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，采用双精度浮点数处理方法，对所述谐振励磁电源的第二输出电流进行离散傅里叶分析，获取所述第二输出电流中具有所述预设频率成分的第二电流幅值和第二电流相位。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述第二电流幅值和第二电流相位获取具有所述预设频率成分的第一谐波电流从所述第二电流给定波形到所述第二输出电流的第三幅值衰减和第三相位差的步骤包括：

利用如下公式，获取所述第三幅值衰减和所述第三相位差；

第三幅值衰减＝第二电流幅值/第一谐波电流的幅值；

第三相位差＝第二电流相位。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据第一幅值衰减、第二幅值衰减、第三幅值衰减和第一电流幅值获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的幅值的步骤包括：

利用如下公式获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的幅值：

第二谐波电流的幅值＝第一电流幅值*第一幅值衰减/(第三幅值衰减*第二幅值衰减)。

8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据第一相位差、第二相位差、第三相位差和第一电流相位获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的相位的步骤包括：

利用如下公式，获取需要向所述第一电流给定波形注入的具有所述预设频率成分的第二谐波电流的相位：

第二谐波电流的相位＝第一电流相位+第一相位差–180°–第二相位差–第三相位差。

9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一谐波电流与所述第二谐波电流为高阶谐波电流。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述高阶谐波电流的频率等于2至10倍的基波电流的频率。