CN111181229B - 一种平顶磁场发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于强磁场技术领域，公开了一种平顶磁场发生装置及方法；装置包括常温磁体、充电机、触发电路、电容支路、电流传感器、调整支路、驱动保护电路和控制器；电容支路用于为常温磁体供电；调整支路用于在放电过程中等效为可变电阻，并通过改变电路阻抗来控制电流；控制器用于在放电开始前计算电容器充电电压，控制充电机对电容器进行充电，在放电阶段中根据预先计算的时序控制电容支路的开关触发。本发明由于使用常温磁体，相比较于超导磁体和低温磁体低温脉冲磁体方案，建设成本、维护成本低；由于通过电流传感器和调整支路、控制器、驱动电路等构成负反馈控制，因此波形重复性好，准确度高。

Description

一种平顶磁场发生装置及方法

技术领域

本发明属于强磁场技术领域，具体涉及一种平顶磁场发生装置及方法。

背景技术

随着科技的飞速发展，强磁场作为一种极端物理环境，已经成为许多工业工程和基础前沿科学研究的必要条件。而某些领域不仅要求磁场强度高，对磁场的稳定度也有很高的要求，如回旋管型太赫兹波源、核磁共振装置、比热测量实验、电磁发射等。

太赫兹波是指频率介于100GHz到10THz之间的电磁波谱区域，在空间探测、雷达、高速数据通信、生物医学成像、空间输能等领域具有广阔的应用场景。在产生太赫兹波的所有方法中，回旋管具有最高的输出功率和较高的输出频率，是产生千瓦级太赫兹波的唯一方法。研究如何使回旋管太赫兹波源输出更高频率、更大功率、更长脉宽的太赫兹波是当前的热点研究内容。为满足回旋管中电子束的谐振条件，需要在空间上磁场位型高度精确、时间上磁场强度高度稳定、重复性好的磁场。研究适用于长脉宽大功率高频回旋管太赫兹波源的平顶磁场发生装置很有必要。

核磁共振是原子核自旋与电磁波相互作用的基本物理现象。在所有已发现的共振现象中，核磁共振的波谱学具有最高的频率分辨率，在生命科学、化学和物理学领域得到了广泛应用。核磁共振的分辨率和探测灵敏度和磁场强度成正相关，同时高磁场强度还可以大大减少测量时间。因此，核磁共振实验对强磁场的磁场强度和平顶稳定度要求越来越高，已经成为开发磁场强度更高，平顶稳定性更好的高稳定度平顶脉冲磁场的重要推动力。

以800GHz二次谐波长脉宽回旋管太赫兹波源所需脉冲平顶磁场举例，为满足磁场位形需要，磁体高度约为460mm，直径约为800mm；在磁场强度方面，磁场强度应为14.87T且准确度达到3‰；在脉宽方面，磁场稳定时间应大于1ms。

由于材料物理限制，超过2T磁场强度的磁场只能使用电磁体产生。目前常用的电磁体有超导磁体、常温磁体、水冷磁体、低温脉冲磁体。

超导磁体的磁场强度可以达到30T，稳定度可以达到ppm级，装置体积小，且为稳态磁场，十分适合长脉宽大功率高频回旋管太赫兹发生装置和高场核磁共振装置，得到了广泛应用。但是受限于材料临界磁场限制，磁场强度无法做的很高，且适用于高频回旋管和高场核磁共振的超导磁体价格十分昂贵。

常温磁体是指工作温度为室温且无水冷结构的磁体。其的优点是成本低，占地面积小，缺点是常态电阻大，对电源的功率需求很高。如800GHz长脉宽大功率高频回旋管太赫兹发生装置使用常温磁体，则其常温电阻为83mΩ，稳态电流约为20kA，稳态电压大于1.6kV，需要的电源峰值功率超过33MW。文献Long-Pulse Uncooled Copper Magnet forGyrotron提出了一种使用蓄电池供电，可以应用于常温磁体的平顶磁场装置，并将其应用于回旋管上，但是磁场强度低，只能运行于GHz频段，无法达到THz频段。公开号为CN103715938 B的专利文献提出了一种平顶脉冲磁场产生装置，使用比功率高的电容供电，可以用于低温脉冲磁体和常温磁体，但是整个装置开环控制，受限于温度变化和充电精度，其重复性和稳定性无法满足长脉宽大功率高频回旋管太赫兹装置和高场核磁共振装置的要求。文献“电容式电磁炮电源电路的设计与仿真”中设计了一种脉冲成形网络，虽然可以产生平顶磁场，但是稳定度较差，通常用于电磁发射，无法满足长脉宽大功率高频回旋管太赫兹装置和高场核磁共振装置的要求。

水冷磁体是指工作温度在室温、使用水冷结构的磁体，其优点是因为具有水冷结构，因此可以产生长时间稳定的磁场，通常在数小时到数天。缺点为成本高，占地面积大，常态电阻大，对电源的功率需求很高。合肥中国科学院强磁场科学中心和美国国家强磁场实验室均开展过水冷磁体的核磁共振研究。

低温脉冲磁体是指使用时浸泡在液氮中的磁体。在液氮温度下，磁体电阻约为常温下的七分之一，因此同样功率的电源可以产生七倍强度的磁场。其优点是磁场强度特别高，目前平顶脉冲磁场已经做到64T。缺点是需要使用液氮，运行成本高且结构复杂。在太赫兹发生装置领域，目前只有俄罗斯应用物理研究所以及日本福井大学使用过低温脉冲磁体，且通常用于1THz以上回旋管。此外，德国、法国、日本均使用低温脉冲磁体开展过高场核磁共振实验。公开号为CN108375690A的专利文献中提出了一种高稳定度平顶脉冲强磁场发生装置及控制方法，通过闭环控制可以实现磁场强度较高，准确度达到ppm级的平顶脉冲磁场。其缺点是受限于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)耐压及功耗，适用于低温脉冲磁体而无法应用于常温磁体，此外使用蓄电池供电，比功率低，系统占地面积大。

综上，用于回旋管太赫兹发生装置的磁体主要为超导磁体、常温磁体和低温脉冲磁体，没有水冷磁体的相关研究；用于高场核磁共振装置的磁体主要为超导磁体、水冷磁体和低温脉冲磁体，没有常温磁体的相关研究。而现有使用常温磁体和低温脉冲磁体的高频太赫兹发生装置，以及使用低温脉冲磁体的高场核磁共振装置均使用大容量电容对磁体放电，使用电流峰值附近、电流相对稳定的一段时间进行实验，持续时间难以超过1ms，难以满足长脉宽需要。故现有长脉宽大功率高频回旋管太赫兹发生装置的磁体均为超导磁体，而现有方法均无法在使用常温磁体的前提下满足长脉宽大功率高频回旋管太赫兹发生装置和高场核磁共振的磁场需要。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种平顶磁场发生装置及方法，旨在解决现有技术中无法在使用常温磁体的前提下满足长脉宽大功率高频回旋管太赫兹发生装置和高场核磁共振装置的磁场需要。

为了成功驱动常温磁体，并获得脉宽和稳定度均满足要求的磁场，本发明提供了一种平顶磁场发生装置，包括：常温磁体、充电机、触发电路、电容支路、电流传感器、调整支路、驱动保护电路和控制器；电容支路与常温磁体、调整支路依次串联组成主回路；充电机的触发端与触发电路的输出端连接，充电机的充电端与电容支路连接，控制器的输入端连接至电流传感器的输出端，控制器的第一输出端连接至驱动保护电路的输入端，控制器的第二输出端连接至触发电路的输入端；驱动保护电路的输出端连接调整支路；电容支路用于为常温磁体供电；充电机用于根据控制器输出的第一控制信号为电容支路中的电容进行充电；触发电路用于根据控制器输出的第二控制信号触发充电机对电容支路进行充电，并在充电完成后提供电容支路开关的触发驱动信号；电流传感器用于采集常温磁体的电流信号并传递给控制器；驱动保护电路用于接收控制器输出的第三控制信号，并将第三控制信号进行逻辑处理和功率放大后驱动调整支路来改变调整支路的等效电阻，实现对电路的反馈闭环控制；调整支路用于在放电过程中等效为可变电阻，并在驱动保护电路的驱动下通过改变电路阻抗来实现电流的控制；控制器用于在放电开始前计算电容器充电电压并根据电压计算结果输出第一控制信号；在放电阶段根据预先计算的时序输出第二控制信号并根据放电时序控制触发电路切换不同的电容支路实现电源电压的改变；还用于根据常温磁体电流信号输出第三控制信号。

在本发明中，由控制器计算各电容支路的充电电压，然后由控制器按照该电压计算结果输出第一控制信号并控制充电机向电容支路充电，然后由控制器按照放电时序输出第二控制信号并控制触发电路，切换不同的电容支路以实现改变电源电压的功能。

在本发明中，由电流传感器采集磁体电流信号并送入控制器，由控制器根据内部的PID算法产生调整支路的PWM信号，然后由驱动保护电路将PWM信号放大，驱动调整支路中的IGBT，调整支路等效阻抗为PWM信号占空比的函数，从而改变电路阻抗。

在本发明中，由于磁场位形要求以及回旋管的结构配合要求，如果使用非超导磁体，则磁体具有较大的体积、重量及电阻，而且受限于结构要求，难以通过浸泡液氮降低其稳态电阻，而使用超导磁体又特别昂贵，因此需要寻找不浸泡液氮(即不使用低温磁体)便可以实现高稳定度平顶的方法；本发明实施例中采用的常温磁体正好可以解决上述问题，既可以满足对磁场的需要，同时操作便捷。

在本发明实施例中，电容支路可以采用多组电容并联的结构，组成多模块时序放电的脉冲成形网络；根据放电时序切换不同的电容支路工作实现了对电源电压的改变。

进一步优选地，电容支路包括：第一电容支路，第二电容支路和第三电容支路，第一电容支路由第一电容C1和第一开关K1串联组成；第二电容支路由第二电容C2和第二开关K2串联组成；第三电容支路由第三电容C3和第三开关K3串联组成。

在本发明实施例中，调整支路采用多个调整单元并联后再与主分压电阻R4并联的结构；所述主分压电阻R4用于保护所述调整单元中的调整管，其阻值的选择应使调整管全部关断后电流全部流经所述主分压电阻，产生的电压不使所述调整管发生击穿；所述调整单元在放电过程中等效为可变电阻，多个调整单元并联后用于提高调整支路的调节能力；通过改变各调整单元的等效电阻来改变整个调整支路的等效电阻，实现基于电路阻抗的电流调节。

进一步优选地，调整支路包括：第一调整单元、第二调整单元、第三调整单元和第四调整单元；第一调整单元由第一分压电阻Rp1和第一调整管Q1串联组成，第二调整单元由第二分压电阻Rp2和第二调整管Q2串联组成，第三调整单元由第三分压电阻Rp3和第三调整管Q3串联组成，第四调整单元由第四分压电阻Rp4和第四调整管Q4串联组成。

作为本发明的一个实施例，第一分压电阻Rp1、第二分压电阻Rp2、第三分压电阻Rp3和第四分压电阻Rp4均可以为高压脉冲电阻；第一调整管Q1、第二调整管Q2、第三调整管Q3和第四调整管Q4均可以为IGBT。

在本发明实施例中，主回路还包括：续流支路，其并联连接在所述电容支路两端，用于在放电结束后释放磁体能量。

更进一步优选地，续流支路包括：串联连接的续流二极管D1和续流电阻R1。

与现有基于常温磁体的发生装置相比，本发明提供的平顶磁场发生装置具有以下优点：(1)调整管不承受磁体电压，可以适用于磁体工作电压很高的应用场合；(2)使用比功率大的电容作为主电源，结构简单，体积小；(3)使用电容粗调和有源器件微调两级调节，得到的电流波形重复性好，稳定度高，可以满足长脉宽大功率高频电子回旋管的需要；(4)放电过程短，可以降低常温磁体的热应力。

本发明还提供了一种基于上述平顶磁场发生装置用于大功率回旋管太赫兹波源的平顶磁场产生方法，具体包括下述步骤：

测量磁体温度并输入控制器，控制器计算电容器充电电压和触发时序；

控制器控制充电机根据计算好的电压为电容器充电，并控制触发电路根据触发时序触发电容器，获得粗略调整的平顶电流；

通过电流传感器采集所述粗略调整的平顶电流并与参考值比较，比较误差送入PID(Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分)控制器，PID控制器输出调整支路的PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)占空比，经过驱动电路驱动调整支路调整管，从而改变电路等效阻抗，精细控制磁体电流；由于磁场强度和磁体电流成正比，通过控制磁体电流为平顶电流，即可产生所需要的平顶磁场；

在平顶时间结束后，通过续流支路释放磁体能量，放电过程结束。

其中，参考值为产生额定磁场时的磁体电流，为平顶磁场装置的额定磁场除以磁体磁场电流系数后得到的商。

上述过程的精细控制主要表现在：由于调整管功率远小于电容器功率，但控制精度远高于电容器，因此使用电容器对磁体电流进行粗略调整，产生绝大部分平顶电流，然后再投入调整管，补偿剩余较小电流，获得高精度平顶电流。

进一步优选的，在放电过程中，通过电容支路放电形成低稳定度电流。在放电过程中，通过PWM控制调整支路的调整管，将调整支路等效为一个阻值可变的受控电阻，进而控制调整支路和磁体的分压比，进而控制磁体电压，对磁体电流进行微调，得到高稳定度平顶电流。

更进一步的，上述控制过程中，反馈量为磁体电流，被控量为调整支路调整管的占空比，控制方式为负反馈控制。

本发明提供的平顶磁场发生装置及方法与现有技术相比，具有如下技术优点：

(1)在本发明中，由控制器计算各电容支路的充电电压，然后由控制器按照该电压计算结果输出第一控制信号并控制充电机向电容支路充电，然后由控制器按照放电时序输出第二控制信号并控制触发电路，切换不同的电容支路以实现改变电源电压的功能。

(2)在本发明中，由电流传感器采集磁体电流信号并送入控制器，由控制器根据内部的PID算法产生调整支路的PWM信号，然后由驱动保护电路将PWM信号放大，驱动调整支路中的IGBT，调整支路等效阻抗为PWM信号占空比的函数，从而改变电路阻抗。

(3)在本发明中，在PID算法中，当输入量(即磁体电流)与参考量的差值增大时，控制器的输出将使该差值趋于减小。

(4)在磁体工作电压高，必须使用电容器供电的应用场合，通过负反馈控制，可以有效补偿电路因充电机充电误差、温度变换、电容器老化等原因造成的平顶磁场重复性不高，稳定性差问题。

具体的，目前使用非电容器供电，如蓄电池供电，并只改变电源电压产生平顶磁场的技术，由于电源电压低，均不能满足回旋管型太赫兹发生装置中磁体高工作电压的要求；目前使用电容器电源并只改变电源电压的现有技术通常使用电容器耦合叠加的不受控方案，如果因充电机充电误差、温度变换、电容器老化等原因造成电路参数变化，则无法实现重复性高，稳定度好的平顶磁场。本发明采用负反馈控制，如果电路参数发生变化，导致磁体电流偏离参考值，则电流传感器、控制器、驱动保护电路、调整支路将通过负反馈控制改变电路阻抗，使磁体电流趋于参考值，从而实现重复性好，稳定度高的平顶磁场。

综上所述，通过本发明构思的平顶磁场发生装置和方法，在相同可用脉宽下，由于使用多级电容器并添加调整支路，使得本发明相较于现有使用大储能电感对大电感磁体放电，使用电流峰值附近变化率较小的部分进行试验，总放电时间远远缩小，可以有效降低电源功率和磁体温升；与现有基于超导磁体和水冷磁体的发生装置和方法相比，建设成本大大降低；与现有基于低温脉冲磁体的发生装置和方法相比，由于本发明采用常温磁体而不使用复杂的低温环境及设备仍然可以在所需时间内达到强度和稳定度均相同的平顶磁场，使得本发明建设和维护成本低，安全性高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的平顶磁场发生装置的原理框图；

图2为本发明实施例提供的平顶磁场发生装置的电路图；

图3为本发明实施例提供的平顶磁场发生装置的放电过程中的等效电路图；其中，(a)为第一阶段电路等效原理图；(b)为第二阶段电路等效原理图；(c)为第三阶段电路等效原理图；(d)为第四阶段电路等效原理图；

图4为本发明实施例提供的平顶磁场发生装置的放电过程中各电流波形示意图；

在所有附图中，CT(Current Transducer)为电流传感器，C1为第一电容，C2为第二电容，C3为第三电容，K1为第一开关，K2为第二开关，K3为第三开关，D1为续流二极管，R1为续流电阻，L1为磁体等效电感，R3为磁体等效电阻，R4为主分压电阻，Rp1为第一调整单元分压电阻，Rp2为第二调整单元分压电阻，Rp3为第三调整单元分压电阻，Rp4为第四调整单元分压电阻，Q1为第一调整管，Q2为第二调整管，Q3为第三调整管，Q4为第四调整管，11为电容支路，12为续流支路，13为调整支路，131为第一调整单元，132为第二调整单元，133为第三调整单元，134为第四调整单元；Rv为调整支路13的等效电阻；I₁为磁体电流；D为调整支路PWM控制中的占空比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请中使用常温磁体，通过同时改变电源电压和线路阻抗，通过负反馈控制改变线路阻抗，使平顶脉冲磁场中电流稳定，流波形重复性好，稳定度高，可以产生满足长脉宽大功率高频回旋管太赫兹发生装置或高场核磁共振装置所需磁场；同时，由于调整管不承受磁体电压，可以适用于磁体工作电压很高的应用场合；使用比功率大的电容作为主电源，结构简单，体积小；使用电容粗调和有源器件微调两级调节，得到的电流波形重复性好，稳定度高，可以满足长脉宽大功率高频电子回旋管以及高场核磁共振等装置的需要；放电过程短，可以降低常温磁体的热应力。

本发明提供了一种用于大功率回旋管太赫兹波源和高场核磁共振设施的平顶磁场发生装置及方法，可以运用于长脉宽大功率高频回旋管太赫兹波源和高场核磁共振设施等需要平顶大脉冲电流和平顶磁场的场合；可以应用于磁体的工作电压很高、电流很大的平顶磁场发生装置中。

脉冲磁场是指利用脉冲电流流过线圈绕组在线圈空间产生的磁场，其脉宽在毫秒至数秒之间，脉冲磁场波形通常只包含不可控的磁场上升阶段和下降阶段。平顶脉冲磁场则是指通过加入电路控制使得脉冲磁场在一段时间内维持相对稳定并具有一定稳定度的磁场。

本发明提出了一种产生平顶脉冲磁场的方法，目的在于产生高准确度的平顶磁场；其具有造价低、工艺简单、电路控制便捷、电流重复性好、可用于常温磁体、可满足长脉宽大功率高频回旋管太赫兹波源和高场核磁共振需要等特点。

除太赫兹发生装置外，该平顶磁场发生装置也可以用于其他对磁场强度和磁场稳定度要求较高的领域，如比热测量电磁发射领域。

为方便说明，本发明实施例以800GHz二次谐波长脉宽回旋管太赫兹波源所需脉冲平顶磁场为例进行说明。为满足磁场位形需要，磁体高度约为460mm，直径约为800mm，常温电阻为83mΩ；在磁场强度方面，磁场强度应为14.87T且准确度达到3‰，额定磁场强度对应磁体电流为19.8kA；在脉宽方面，磁场稳定时间应大于1ms。

图1示出了本发明实施例提供的平顶磁场发生装置的原理框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

平顶磁场发生装置包括：常温磁体、充电机、触发电路、电容支路11、电流传感器CT、调整支路13、驱动保护电路和控制器，电容支路11与常温磁体、调整支路13依次串联组成主回路；充电机的触发端与触发电路的输出端连接，充电机的充电端与电容支路连接，控制器的输入端连接至电流传感器CT的输出端，控制器的第一输出端连接至驱动保护电路的输入端，控制器的第二输出端连接至触发电路的输入端；驱动保护电路的输出端连接调整支路。

其中，电容支路11作为主电源，为常温磁体供电；触发电路用于接收控制器的第二控制信号，根据第二控制信号触发充电机对电容支路进行充电，并在充电完成后提供电容支路开关的触发驱动信号；充电机用于根据控制器输出的第一控制信号为电容支路11中的电容进行充电；电流传感器CT用于采集常温磁体的电流信号并传递给控制器；调整支路13包括电阻网络和调整管，在放电过程中等效为可变电阻，改变电路阻抗以控制电流。

驱动保护电路用于为调整管提供门极驱动和保护；具体地，驱动保护电路接收控制器的第三控制信号，将第三控制信号进行逻辑处理和功率放大后，驱动调整支路中的调整管，以改变调整支路等效电阻，实现对电路的反馈闭环控制。

控制器用于在放电开始前计算电容器充电电压，并根据电压计算结果输出第一控制信号控制充电机对电容器进行充电；在放电阶段根据预先计算的时序输出第二控制信号并根据放电时序控制触发电路切换不同的电容支路实现电源电压的改变；在放电阶段中根据预先计算的时序控制电容支路的开关触发；还用于对电流传感器的常温磁体电流信号进行PID算法运算后输出第三控制信号，并将其送入驱动保护电路。

控制器计算电容支路充电电压的方法如下：

首先计算第一个电容器的充电电压，由等效原理可以得出公式(1)：

其中，R_vmin为调整支路最小等效电阻，则此时D＝1，计R_vmax为调整支路最大等效电阻，则此时D＝0，且R_vmax＝R4……(2)

计磁体热容为C_m，磁体温度为T，放电开始时刻磁体温度为T₀，查表可知，磁体电阻R₃与温度T的关系曲线为公式(4)：

按照下式(5)可以计算电容放电后磁体电流最大值。式(5)中U₁为电容器充电电压，C₁为电容器的电容，I₁为磁体电流，I_ref为参考磁体电流，在本发明实施例中为19.8kA，r为磁体电流准确度，在本发明实施例中需要的电流准确度为0.003，为留有一定调节余量，r设置为0.002。I_1max是磁体电流的最大值。

联立公式(2)、(3)、(4)和(5)可以得到积分方程组，在方程组中确定磁体初始温度后，即可解出电容器充电电压。

假设由N个电容器构成电容支路，并假设第1个电容器的触发时间为零时刻，假设第n个电容器的触发时间为t_n-1，调整支路关闭时间为t_n，上述时刻的磁体电流为I_1tn、磁体温度为T_tn。按照上述方法计算第一个电容器的充电电压U₁后，由控制器解出满足以下条件的时间t₁：

同时保存此时的磁体电流I_1t1、磁体温度T_t1。

根据以下方程组式(7)计算第二个电容器的充电电压U₂。

同时计算满足公式(6)的时间t₂，将t₂时刻的磁体电流I_1t2、磁体温度T_t2作为初始值重复该步骤，依次得出各电容器充电电压U₁、U₂……U_n，触发时间t₁、t₂……t_n。

将积分方程组转化为差分方程组存储在控制器中，每次放电之前测量磁体初始温度输入控制器，由控制器通过二分迭代法计算得到充电电压，控制充电机进行充电。这种方法可以补偿温度变化引起的误差。

在放电之前，根据计算出来的电压为各电容器充电。在放电过程中，首先触发第一个电容器，定时器开始定时，定时器达到时刻t₁，触发第二个电容器，定时器达到时刻t₂，如此重复，直到定时器达到时刻t_n-1，触发最后一个电容器，定时器达到时刻t_n，关闭调整支路。等待磁体续流完毕后，放电过程完成。

本发明中，PID控制算法的参数由试凑法得到。具体的，首先将积分增益和微分增益置零，缓慢增加比例增益，直到控制器输出在投切电容器时的超调量大约为1/4，比例增益整定完成。然后逐渐增加积分增益，在不发生震荡的前提下使消除静差的速度尽量增加，取发生震荡时的积分增益的一半，积分增益整定完成。积分增益整定完成后，再次调节比例增益使超调量重新变为1/4。然后慢慢增加微分增益并调整微分滤波器阶数，在不发生震荡的情况下尽量减小超调量，同时微调比例增益和积分增益，直到波形较为理想，即可得到较适合的PID参数。

本发明与现有技术相比，增加了与磁体串联、由PWM进行控制、可以等效为受控电阻的调整支路，可以通过改变调整支路的PWM占空比改变其等效电阻，从而参与主电路的电压分配，控制磁体上的电压，得到稳定度很高的平顶电流。

现有技术中使用电感耦合或其他脉冲成形方法抵消多余电压，无闭环控制，对电路参数变化敏感，电容充电电压的误差以及电路由于温度等原因带来的参数变化对平顶波形影响较大，因此稳定度不高，重复性差。本发明在现有技术只能开环控制的基础上，通过电流传感器、控制器、驱动电路和调整支路协同工作，引入负反馈控制，可以补偿因温度变化、电源充电误差等原因带来的误差，实现稳定度很高、重复性很好的平顶磁场。同时，调整支路与磁体串联，不需要承受磁体两端较高的电压，可以使用耐压值较低的调整管，整体成本较低。

图2示出了本发明的一个实施例提供的平顶脉冲磁场产生装置主回路的具体电路结构，为了便于描述只示出了与本发明实施例相关的部分，现结合附图详述如下：

在本发明实施例中，为了提高系统容量，电容支路11采用多组电容并联的结构，从而形成了多模块时序放电的脉冲成形网络。

现以三组电容并联的结构为例详述如下：电容支路11包括：第一电容支路111，第二电容支路112和第三电容支路113，其中第一电容支路111由第一电容C1和第一开关K1串联组成；第二电容支路112由第二电容C2和第二开关K2串联组成；第三电容支路113由第三电容C3和第三开关K3串联组成。

其中，上述开关可以为晶闸管，电容可以为高压脉冲电容。使用晶闸管是因为其具有耐压高，电流大，触发时序准确的优点。使用高压脉冲电容是因为其具有耐受冲击电流能力强的优点。

本发明实施例中，调整支路13采用多个调整单元并联后再与主分压电阻R4并联的结构；主分压电阻R4用于保护调整管，其阻值的选择应使调整管全部关断之后，电流全部流经主分压电阻，产生的电压不使调整管发生击穿；调整单元在放电过程中等效为可变电阻；由于单个调整单元调节能力有限，多个调整单元并联可以提高调整支路的调节能力；通过改变各调整单元的等效电阻，可以改变整个调整支路的等效电阻，从而电路阻抗实现电流调节。

具体地以四个支路为例详述如下：调整支路13包括第一调整单元131、第二调整单元132(图中未示出)、第三调整单元133(图中未示出)和第四调整单元134；

其中，第一调整单元131由分压电阻Rp1和第一调整管Q1串联组成，第二调整单元132由分压电阻Rp2和第二调整管Q2串联组成，第三调整单元133由分压电阻Rp3和第三调整管Q3串联组成，第四调整单元134由分压电阻Rp4和第四调整管Q4串联组成；

其中，分压电阻可以为高压脉冲电阻，调整管可以为IGBT。使用高压脉冲电阻是因为其具耐受脉冲功率能力和抗闪络能力强，使用IGBT是因为其响应速度较快，耐压较高，电流较大。

本发明实施例中，由第一调整单元131、第二调整单元132、第三调整单元133和第四调整单元134以及主分压电阻R4并联组成调整支路13；调整支路主分压电阻R4流经主要磁体电流，限制调整管两端电压，第一调整单元131、第二调整单元132、第三调整单元133和第四调整单元134通过PWM控制等效为可控电阻后与R4并联，共同改变调整支路13的等效电阻，从而改变电路阻抗，实现对磁体电压的控制，进而实现高稳定度平顶电流。

本发明实施例中，由电容支路11，磁体等效电感L1，磁体等效电阻R3，调整支路13依次串联组成主回路。

本发明实施例中，主回路还包括续流支路12，其并联在电容支路11两端；续流支路12由续流二极管D1和续流电阻R1串联组成。

本发明实施例中，第一电容C1的正极与第一开关K1的一个连接端连接，第一电容C1的负极与第二电容C2的负极和第三电容C3的负极、续流电阻R1、主分压电阻R4、第一调整单元131中第一调整管Q1的发射极、第二调整单元132中第二调整管Q2的发射极、第三调整单元133中第三调整管Q3的发射极、第四调整单元134中第四调整管Q4的发射极连接。

本发明实施例中，第一开关K1的另一个连接端与第二开关K2、第三开关K3的一个连接端、续流二极管D1的阴极以及常温磁体的一个连接端连接。

本发明实施例中，第二电容C2的正极与第二开关K2的另一个连接端连接，负极与第一电容C1的负极、第三电容C3的负极、续流电阻R1、主分压电阻R4、第一调整管Q1的发射极、第二调整管Q2的发射极、第三调整管Q3的发射极和第四调整管Q4的发射极连接。

本发明实施例中，第三电容C3的正极与第三电容支路开关K3的另一个连接端连接，第三电容C3的负极与第一电容C1的负极、第二电容C2的负极、续流电阻R1、主分压电阻R4、第一调整单元131中的第一调整管Q1的发射极、第二调整单元132中的第二调整管Q2的发射极、第三调整单元133中的第三调整管Q3的发射极和第四调整单元134中的第四调整管Q4的发射极连接。

本发明实施例中，续流二极管D1的阳极通过续流电阻器R1连接到第一电容C1的负极、第二电容C2的负极和第三电容C3的负极、主分压电阻R4、第一调整单元131中的第一调整管Q1的发射极、第二调整单元132中的第二调整管Q2的发射极、第三调整单元133中的第三调整管Q3的发射极和第四调整单元134中的第四调整管Q4的发射极连接。

本发明实施例中，常温磁体的另一连接端连接到第一调整单元131中的第一分压电阻Rp1、第二调整单元132中的第二分压电阻Rp2、第三调整单元133中的第三分压电阻Rp3和第四调整单元134中的第四分压电阻Rp4，并通过主分压电阻R4连接到第一电容C1的负极、第二电容C2的负极和第三电容C3的负极、续流电阻R1、第一调整单元131中第一调整管Q1的发射极、第二调整单元132中第二调整管Q2的发射极、第三调整单元133中第三调整管Q3的发射极和第四调整单元134中第四调整管Q4的发射极。

本发明实施例中，第一分压电阻Rp1的一端与磁体和主分压电阻R4和第二分压电阻Rp2、第三分压电阻Rp3、第四分压电阻Rp4连接，另一端与第一调整管Q1的集电极连接。第二分压电阻Rp2的一端与磁体和主分压电阻R4和第一分压电阻Rp1、第三分压电阻Rp3、第四分压电阻Rp4连接，第二分压电阻Rp2的另一端与第二调整管Q2的集电极连接。第三分压电阻Rp3的一端与磁体和主分压电阻R4和第一分压电阻Rp1、第二分压电阻Rp2、第四分压电阻Rp4连接，第三分压电阻Rp3的另一端与第三调整管Q3的集电极连接。第四分压电阻Rp4的一端与磁体和主分压电阻R4和第一分压电阻Rp1、第二分压电阻Rp2和第三分压电阻Rp3连接，第四分压电阻Rp4的另一端与第四调整管Q4的集电极连接。

本发明实施例中，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3均可以为晶闸管，其优点是耐压高、电流大、触发时序控制准确。

本发明实施例中，期望的平顶电流为19.8kA，对应的磁场强度为14.87T。

为了使本发明的工作工程更加清楚，现结合本实施例对本发明的工作过程进行进一步解释。

首先，测量磁体初始温度，然后由控制器计算各电容器充电电压和触发时序，计算方法在公式(2)～公式(7)中给出。

然后，控制器控制充电机对第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3进行充电。

然后，保持第一调整管Q1、第二调整管Q2、第三调整管Q3和第四调整管Q4导通，闭合第一开关K1，第一电容C1对磁体放电，此时电路等效原理图如图2所示。

此时调整支路等效电阻的阻值Rv为：

其中R4为主分压电阻R4的阻值，Rp1为第一分压电阻Rp1的阻值，Rp2为第二分压电阻Rp2的阻值，Rp3为第三分压电阻Rp3的阻值，Rp4为第四分压电阻Rp4的阻值。

由于磁体电感L1的存在，磁体电流I₁缓慢上升，进入如图3所示的第一阶段。

在磁体电流I₁上升至电流阈值后，通过PWM控制第一调整管Q1、第二调整管Q2、第三调整管Q3和第四调整管Q4的导通关断，假设占空比为D，则调整支路等效电阻的阻值Rv为：

由基尔霍夫电压定律，磁体电流I₁的变化率为：

为得到特定的磁场强度，需要改变调整支路的占空比D，进而改变调整支路等效电阻的阻值Rv，进而改变磁体电流变化率，进而改变磁体电流。磁体电流达到参考值后，再通过改变调整支路的占空比D，使磁体电流变化率为零，得到准确稳定的磁体电流。

由于第一电容C1储能有限，电压将在放电过程中缓慢下降，调整支路占空比D将逐渐增大至阈值。待占空比D达到阈值后，打开第二开关K2，第一开关K1承受反压自动关断，第二电容C2开始对磁体进行放电，电路进入如图3所示的第二阶段。

由于第二电容C2储能有限，电压将在放电过程中缓慢下降，调整支路占空比D将逐渐增大至阈值。待占空比D达到阈值后，打开第三电容支路开关K3，第二开关K2承受反压自动关断，第三电容C3开始对磁体进行放电，电路进入如图3所示的第三阶段。

由于第三电容C3储能有限，电压将在放电过程中缓慢下降，调整支路占空比D将逐渐增大至1。待占空比D达到1后，电路进入第四阶段。在第四阶段，占空比D保持为1。由于晶闸管不能自行关断，在第四阶段，磁体能量通过续流支路12、磁体电阻R3、调整支路13释放，并将一部分能量回收到第三电容C3中。当磁体电流下降为0时，关闭调整支路13，放电过程结束。

图4示出了本发明实施例中的充电机电压偏移设定电压千分之一点五后，磁体电流、调整支路电流以及作为对比的未加入调整支路的电流波形，在上述波形中省略了一部分磁体续流阶段的波形。从图4中可以看出，在未添加调整支路时，充电机充电时有千分之一点五的误差，将使磁体电流偏离千分之三误差限制，在加入调整支路后，即使充电机充电时有千分之一点五的误差，磁体电流也可以满足千分之三误差限制。

本发明实施例中，放电结束后，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3仍有残余电压，可以回收或通过电阻泄能。

在本发明实施例中，上述负反馈调节过程由数字控制器实现。

通过本发明提供的方案，加入负反馈控制后，为获得3‰准确度，4ms脉宽的平顶磁场，在计算系统各组成部分的老化、温漂后，可以允许充电机在为第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3充电时有千分之一点五的误差，具有工程上实现的可能。如不加调整回路，为获得千分之三准确度，4ms脉宽的平顶磁场，在计算系统各组成部分的老化、温漂后，则只允许充电机在为第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3充电时有万分之四的误差，在工程上很难实现。

通过仿真可知：本发明实施例提供的平顶磁场发生装置的放电过程中开关的导通关系以及调整支路中调整管的PWM占空比；其中，占空比通过计算磁体电流和参考电流的误差，然后将误差通过PID控制器运算后得到；PID参数通过试凑法得到，在本发明实施例中，比例增益为0.003，积分增益为0.00045并带有积分分离算法，微分增益为0.00003，滤波系数为60，采样频率为2Ksps。从仿真结果可以看出，经过适当调参后，调整支路的占空比跟随电容器触发时序以及电流而变化，除开始和结束的饱和阶段外，由控制算法限制其不达到0和1。

本发明提供的平顶磁场发生装置既可以应用于长脉宽大功率高频回旋管太赫兹发生装置，也可以应用于高场核磁共振装置；为其产生所需磁场。具体地，平顶磁场产生方法包括下述步骤：

首先，测量磁体温度并输入控制器；控制器计算电容器充电电压和触发时序。然后，控制器控制充电机按照计算好的电压为电容器充电，然后控制触发电路按照触发时序触发电容器，得到粗略调整的平顶电流。

然后再通过电流传感器采集电流信号并与参考值比较，误差送入PID控制器，PID控制器输出调整支路的PWM占空比，经过驱动电路驱动调整支路调整管，从而控制磁体电流。

在平顶时间结束之后，通过续流支路释放磁体能量，放电过程结束。

本发明提供的平顶磁场产生方法与现有技术相比，由于使用常温磁体，相比较于超导磁体、水冷磁体和低温脉冲磁体方案，建设成本、维护成本低；由于通过电流传感器和调整支路、控制器、驱动电路等构成负反馈控制，因此波形重复性好，准确度高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种平顶磁场发生装置，其特征在于，包括：常温磁体、充电机、触发电路、电容支路（11）、电流传感器、调整支路（13）、驱动保护电路和控制器；

所述电容支路（11）与所述常温磁体、所述调整支路（13）依次串联组成主回路；

所述充电机的触发端与所述触发电路的输出端连接，所述充电机的充电端与所述电容支路（11）连接，所述控制器的输入端连接至所述电流传感器的输出端，所述控制器的第一输出端连接至所述驱动保护电路的输入端，所述控制器的第二输出端连接至所述触发电路的输入端；所述驱动保护电路的输出端连接所述调整支路（13）；

所述电容支路（11）用于为所述常温磁体供电；所述电容支路（11）采用多组电容并联的结构，形成了多模块时序放电的脉冲成形网络；根据放电时序切换不同的电容支路工作实现了对电源电压的改变；

所述充电机用于根据控制器输出的第一控制信号为所述电容支路（11）中的电容进行充电；

所述触发电路用于根据控制器输出的第二控制信号触发所述充电机对所述电容支路（11）进行充电，并在充电完成后提供电容支路开关的触发驱动信号；

所述电流传感器用于采集常温磁体的电流信号并传递给所述控制器；

所述驱动保护电路用于接收控制器输出的第三控制信号，并将第三控制信号进行逻辑处理和功率放大后驱动调整支路来改变调整支路的等效电阻，实现对电路的反馈闭环控制；

所述调整支路（13）用于在放电过程中等效为可变电阻，并在驱动保护电路的驱动下通过改变电路阻抗来实现电流的控制；

其中计算电容器充电电压和触发时序的过程为：测量常温磁体初始温度并输入控制器，由控制器计算得到首个电容器充电电压，同时保存此时磁体电流和磁体温度用于计算下一个电容器的充电电压和触发时间，重复上述过程依次得到各电容器充电电压和触发时间；

所述控制器用于在放电开始前计算电容器充电电压并根据电压计算结果输出第一控制信号；在放电阶段根据预先计算的时序输出第二控制信号并根据放电时序控制触发电路切换不同的电容支路实现电源电压的改变；还用于根据所述常温磁体电流信号输出第三控制信号。

2.如权利要求1所述的平顶磁场发生装置，其特征在于，所述电容支路（11）包括：第一电容支路（111），第二电容支路（112）和第三电容支路（113），所述第一电容支路（111）由第一电容C1和第一开关K1串联组成；所述第二电容支路（112）由第二电容C2和第二开关K2串联组成；所述第三电容支路（113）由第三电容C3和第三开关K3串联组成。

3.在如权利要求1所述的平顶磁场发生装置，其特征在于，所述调整支路（13）采用多个调整单元并联后再与主分压电阻R4并联的结构；

所述主分压电阻R4用于保护所述调整单元中的调整管，其阻值的选择应使调整管全部关断后电流全部流经所述主分压电阻，产生的电压不使所述调整管发生击穿；所述调整单元在放电过程中等效为可变电阻，多个调整单元并联后用于提高调整支路的调节能力；通过改变各调整单元的等效电阻来改变整个调整支路的等效电阻，实现基于电路阻抗的电流调节。

4.如权利要求3所述的平顶磁场发生装置，其特征在于，所述调整支路（13）包括：第一调整单元（131）、第二调整单元（132）、第三调整单元（133）和第四调整单元（134）；

所述第一调整单元（131）由第一分压电阻Rp1和第一调整管Q1串联组成，所述第二调整单元（132）由第二分压电阻Rp2和第二调整管Q2串联组成，所述第三调整单元（133）由第三分压电阻Rp3和第三调整管Q3串联组成，所述第四调整单元（134）由第四分压电阻Rp4和第四调整管Q4串联组成。

5.如权利要求4所述的平顶磁场发生装置，其特征在于，第一分压电阻Rp1、第二分压电阻Rp2、第三分压电阻Rp3和第四分压电阻Rp4为高压脉冲电阻；第一调整管Q1、第二调整管Q2、第三调整管Q3和第四调整管Q4为IGBT。

6.如权利要求1所述的平顶磁场发生装置，其特征在于，所述主回路还包括：续流支路（12），其并联连接在所述电容支路（11）两端，用于在放电结束后释放磁体能量。

7.如权利要求6所述的平顶磁场发生装置，其特征在于，所述续流支路（12）包括：串联连接的续流二极管D1和续流电阻R1。

8.一种基于权利要求1-7任意一项所述的平顶磁场发生装置的平顶磁场产生方法，其特征在于，包括下述步骤：

测量磁体温度并输入控制器，控制器计算电容器充电电压和触发时序；

控制器控制充电机根据计算好的电压为电容器充电，并控制触发电路根据触发时序触发电容器，获得粗略调整的平顶电流；

通过电流传感器采集所述粗略调整的平顶电流并与参考值比较，比较误差送入PID控制器，PID控制器输出调整支路的PWM占空比，经过驱动电路驱动调整支路调整管，从而改变电路等效阻抗，实现精细控制磁体电流，并产生所需要的平顶磁场。

9.如权利要求8所述的平顶磁场产生方法，其特征在于，所述参考值为产生额定磁场时的磁体电流，即平顶磁场装置的额定磁场除以磁体磁场电流系数后得到的商。

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