【摘 要】
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回旋行波管凭借着能够在毫米波波段产生高功率、宽频带微波的特点,广泛应用于毫米波雷达、通信、电子回旋共振加热等领域。超导磁体电源为超导磁体线圈提供励磁电流,以产生回旋行波管工作所需的稳态强磁场,是回旋行波管超导磁体系统的重要组成部分,其输出电流稳定度、纹波指标直接影响磁场的稳定程度,进而关系到回旋行波管的输出功率和增益。此外,效率和体积的优化对于扩大回旋行波管的应用场景具有重要意义。因此,超导磁体电
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回旋行波管凭借着能够在毫米波波段产生高功率、宽频带微波的特点,广泛应用于毫米波雷达、通信、电子回旋共振加热等领域。超导磁体电源为超导磁体线圈提供励磁电流,以产生回旋行波管工作所需的稳态强磁场,是回旋行波管超导磁体系统的重要组成部分,其输出电流稳定度、纹波指标直接影响磁场的稳定程度,进而关系到回旋行波管的输出功率和增益。此外,效率和体积的优化对于扩大回旋行波管的应用场景具有重要意义。因此,超导磁体电源的研究十分必要。本文结合回旋行波管实验测试平台的实际需求,针对2 T超导磁体电源,进行了研究与设计,主要研究内容如下:首先,根据技术指标要求,提出了一种基于移相全桥ZVS变换器的开关变换式主电路拓扑方案,利用其软开关特性和移相控制方式,提高超导磁体电源的效率和输出调节范围,同时减少对测量器件的电磁干扰。在对该变换器工作原理和设计考量因素分析的基础上,详细阐述了主电路关键元器件的参数计算过程,并给出了选型建议;利用Matlab/Simulink仿真软件对主电路进行了开环仿真,结果表明主电路的输出范围、输出电压纹波及软开关实现均符合设计要求,验证了主电路设计的合理性和有效性。其次,根据输出电流高稳定度和低纹波的控制需求,提出了一种基于PID电压内环和RST电流外环的双闭环数字控制系统设计方案。利用电压内环快速抑制输入电压波动、负载变化等扰动;电流外环采用RST控制算法,以解决单自由度控制算法无法兼顾跟踪和调节性能的问题,有效抑制负载变化、测量噪声等扰动的同时,完全消除输出电流在励磁和恒流状态转换时的超调。通过对占空比丢失影响的分析,给出了主电路的小信号模型和控制至输出传递函数,进一步采用伯德图法和独立目标的跟踪和调节法,分别对PID控制器和RST控制器进行了参数整定。最后,利用Matlab/Simulink仿真软件对电压内环和电流外环进行了仿真,结果表明两个环路均具备良好的跟踪参考输入和抑制扰动的效果,完全能够满足高电流稳定度、低电流纹波对控制系统性能的要求,验证了控制系统设计的结构合理性和参数有效性。
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