扫描磁铁电源的仿真与实现

申万增 燕宏斌 高大庆 周忠祖 张显来

（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

扫描磁铁电源的仿真与实现

申万增 燕宏斌 高大庆 周忠祖 张显来

（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

介绍一款高电压扫描电源的设计方案。利用两组H桥串联技术使得电源输出电压可高达700 V，采用闭环控制策略获得较好品质连续稳定的三角波或者正弦波电流波形。首先介绍了电源的设计思路，接着利用Simplorer软件对电源主回路及PWM (Pulse Width Modulation)控制回路进行了建模和仿真，最后给出了电源实际的调试结果，结果表明电源设计方案合理可行。

扫描，H桥串联，Simplorer，PI调节

骨质疏松治疗仪是利用脉冲磁场作用于患处，从而缓解和消除由于骨质疏松引起的腰背疼痛等临床症状。由毕奥-沙法尔定律[1]知道环形线圈中心的磁场与电流呈线性关系，本文介绍了一款可以输出峰值为0 - ±15 A、频率为0-50 Hz连续可调的三角波、正弦波波形电流的扫描磁铁电源，可以在环形线圈中形成不同的脉冲磁场，现已经成功应用于兰州某医院的骨质疏松治疗仪中。目前大部分扫描电源均是小功率开关电源，本文把H桥串联技术用到扫描电源中，实现了扫描电源的大功率设计。

1 电源主回路设计

治疗骨质疏松所用的参数诸如频率、强度、脉冲等各不相同，就要求电源输出电流波形的频率、幅值、占空比等参数可调，而且要求电源输出精度高和输出误差小。本电源采用串联移相技术及经典的PI调节器控制技术来实现三角波等波形电流的输出。将电源输出电流用HITEC公司的MACC传感器采样作为反馈量，与PI调节器的给定值做比较后得到控制量，控制量输入脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)控制器后输出驱动脉冲去控制电源功率开关的导通与关断，由此构成一个稳定的闭环控制系统。

电源主回路由交流220 V经变压器和整流部分变换成直流电压后，加到由两个串联的H桥上。通过合理的导通与关断组成H桥的IGBT，输出方波电压Vo送到感性负载上，同时用MACC传感器采集电源的电流输出值，与波形给定信号共同构成闭环系统控制整个电源系统[2]。电源主回路的电压电流方程为：

由此可见，电源的输出电压与负载电阻以及负载电感上电流的变化率有关。本扫描磁铁电源的负载电感较大，故采用H桥的串联以达到输出电压的要求。输出电压最大值计算公式如下：

式中，maxI为负载上最大电流值。按照设计要求计算得到输出电压最大值为700 V。

电源输出电流波形由给定波形决定，通过PI调节使输出波形与给定波形达到同步[3]。电源主电路原理图如图1所示，整流后的直流电压分别加到两H桥上。控制各IGBT的导通与关断，就可以在感性负载上得到连续的电流波形。由于输出正弦波或者三角波电流既有正向又有负向，要求每个IGBT快速地导通和关断，设置死区时间为2 μs，这样既保证各H桥上IGBT安全工作，又不浪费占空比。

图1 主回路原理图Fig.1 Schematic of major loop.

2 控制回路的设计

为实现电流输出连续三角波、正弦波等波形电流，需要对电压进行调节，使得负载上电压波形为方波、余弦波等。本电源通过电流传感器采集负载电流后，通过反馈电阻变成电压信号再与给定电压Vref相比较，通过误差放大器输出电压Ve与载波三角波进行比较，输出PWM脉冲波形控制构成逆变H桥的IGBT，从而调节输出电压Vo使得负载上输出需要的电流波形，整个系统的工作原理如图 2所示，其中δ为PWM环节输出为脉冲占空比，V1为桥口输出电压，经过滤波器后负载上电压为Vo。

图2 电源控制系统框图Fig.2 Power supply control system diagram.

假设调节器的传递函数为G1，PWM输出为脉冲占空比δ=K1，反馈电阻比例系数为K2，用H(s)表示闭环系统中的传递函数，G(s)表示先前传递函数，则整个电源系统的开环传递函数为[4]：

闭环传递函数为：

为了使电源输出线性度良好的电流波形，采用PI调节器。PI调节器的传递函数为G1的形式为：

式中，Kp= Rf/ Ri为比例系数；Ti= 1 / RiC为积分时间常数。

把G1(s)的表达式以及电源的L、C等参数代入闭环传递函数，通过特征方程以及劳斯判据可以知道，取合适的Kp和Ti参数，整个系统便可以稳定工作。

3 建模与仿真

利用电力电子仿真软件Simplorer对电源主回路和PWM控制回路进行建模和仿真分析。图1为电源主回路仿真模型，按照理论计算值设置图1中各元件，如叠母电容C1和C3、滤波电感L1、滤波电容C2等元件的参数值，其中负载电感L2为160mH，负载等效电阻R2为2.4 Ω。用Simplorer软件自带的控制模块构建PI调节器闭环系统和IGBT功率管的驱动信号，建立PWM控制回路仿真模型如图3所示，其中T0为电源给定信号源，Gain2为传感器采集的电源输出电流值，PI为PI调节电路，给定与输出电流采样值经过PI调节后的值LIMIT1与相位相反的载波三角波信号T11、T14和T21、T24进行比较产生PWM信号。其中Comp11、Comp12、Comp13和Comp14分别为图1中IGBT11、IGBT12、IGBT13和IGBT14的驱动信号；Comp21、Comp22、Comp23和Comp24分别为图1中IGBT21、IGBT22、IGBT23和IGBT24的驱动信号。当给定波形输出后，每个功率管IGBT会按照各自的驱动信号工作，使电源输出需要的励磁电流。

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

为了使电源的输出电流指标达到设计要求，电源工作在闭环状态，图3中Gain2表示构成反馈回路的采样单元。在仿真过程中，需要对PI_1调节电路的PI参数Kp和Ti进行设置，电源输出波形才能达到设计要求。当给定信号为三角波时，运行仿真模型得到电源输出电流波形如图4。当给定三角波±1.5 V，频率为40 Hz，电源的输出电流波形为±15A，频率为40 Hz。从仿真结果来看，输出电流值与理论计算值相符合，同时计算电源输出误差与输出电压值，均与理论计算相吻合。可见，电源设计可以实现预期设计目标。同理当给定信号为正弦波时，仿真结果也达到了设计要求。

图4 三角波电流输出的仿真结果Fig.4 Simulation result of triangular wave current.

4 电源测试结果

在闭环状态下调试电源的输出电流，设置合适的PI参数，使电源输出电流稳定平滑。其中比例环节即时成比例地反应控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分时间常数Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。整定好PI参数Kp和Ti，当给定信号为三角波的时候，电源可输出平滑的三角波电流[5]。如图5中通道1为电源给定波形，通道2为电源实际输出波形，可以看出输出电流波形很好地跟随了给定波形。而且可以看出电源输出还有一些毛刺，这是因为给定波形上就有毛刺而导致，电源系统快速响应，实时反映了给定波形的变化。图5中通道4波形所示电源输出电压波形，当给定波形频率与峰值达到一定值时候，输出电压可以高达700 V，与仿真结果一致。电源跟踪误差Er是指电源输出跟随给定变化的能力，其表达式为：

式中，Er表示电源输出误差；Ir为给定电流值；Io为实际电源输出电流值。采集实际输出电流值数据计算得电源跟踪误差为±0.2%，电源跟踪误差也达到了预期设计要求。

从测试结果知，电源输出的连续三角波波形电流平滑稳定，而且与给定波形的幅值相位均保持一致。同样测得输出电流为正弦波波形电流时候效果也满足要求。当然电源输出还可以更进一步完善，比如优化给定波形、加合适的EMI滤波等，这也是需要进一步研究的内容。

图5 电源输出三角波波形电流Fig.5 Triangular wave current of the power supply.

5 结语

目前电源已投入使用，实际测试表明这台扫描电源跟踪误差为±2×10-3，满足实际应用需求。本设计中把H桥串联移相技术和PI调节器控制技术运用到扫描磁铁电源中，实现了高电压大功率输出，而且电源具有输出精度高、输出误差小、频率可调等优点。随着科技的进步和科学实验的需求，目前加速器电源或者医疗电源均希望有更大功率的扫描电源出现，本文的设计也为以后设计更大功率扫描磁铁电源提供了现实依据。

1 赵凯华, 陈熙谋. 电磁学[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 郑机. 电力半导体直流稳定电源[M]. 北京: 机械工业出版社, 1984: 33-36

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

3 冯德仁, 王相綦, 徐玉存, 等. 工业辐照加速器扫描磁铁电源的研制[J]. 强激光与粒子束, 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 陈佰时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 1996: 54-56

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

5 胡鹏飞, 李瑞, 胡志敏, 等. 开关型扫描磁铁电源的研制[J]. 核技术, 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

青年科学基金项目(11105204)资助

申万增，男，1982年出生，2011年于西安电子科技大学获硕士学位，从事加速器电源的研究设计工作

2013-08-28，

2013-12-23