基于LabVIEW的J-TEXT扰动场电源控制系统的实现

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基于J-TEXT扰动场开展的一系列物理实验离不开其电源系统的支撑,而电源的实时控制系统是保证电源按照实验需求进行工作的核心。由于目前扰动场电源系统中直流电源输出能力有限,其产生的静态扰动场已经无法满足现在更高的实验需求。因此,针对物理实验对直流电源的迫切需求,本论文为扰动场电源系统中的双极性脉冲交流电源研制了一套直流运行控制系统。此外,J-TEXT正在建立磁岛偏滤器位形以施加边界扰动磁场,本论文完成了磁岛偏滤器电源样机控制系统的整体框架设计。本论文为扰动场电源系统现有的双极性脉冲交流电源重新设计了一套控制系统,将其升级成可以运行于直流模式的电源。由于LabVIEW编程的现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)在实时控制和数据处理方面具有执行速度快和开发周期短的优势,因此该控制系统采用了这种基于LabVIEW FPGA的开发环境进行设计。通过对双极性脉冲交流电源的拓扑结构和参数的分析,确定了在整流部分采用比例积分(Proportional Integral,PI)反馈的控制策略,实现对输出电流幅值毫秒级别的控制。同时,通过对逆变器开关管驱动信号的控制,实现了输出电流在一次脉冲运行中的方向变换。此外,在控制系统运行出现故障时,灵活控制直流母线上假负载支路的通断以完成电路中储能元件的能量泄放。并对该控制系统进行了开环和闭环测试,结果表明控制系统具有较高实时性,且输出电流波形能够很好地跟踪预设电流波形,实现了双极性脉冲交流电源的直流运行。此外,本论文基于双极性脉冲电源直流运行控制系统的开发经验,对尚在搭建的磁岛偏滤器电源样机的控制系统整体框架进行了设计。根据磁岛偏滤器电源直流和交流运行的需求,针对其逆变部分的串并联结构,选择了载波移相脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation,PWM)策略,并且在LabVIEW中实现了单个逆变器和串并联逆变桥的开关管驱动信号生成;针对输出电流的控制,采用了整流部分反馈和逆变部分反馈共同配合的控制思想。同时对磁岛偏滤器电源控制系统运行过程中可能出现的各类故障进行了分析,并给出了软件级别的故障处理方案。本论文工作实现了双极性脉冲交流电源运行模式的升级,满足了物理实验对静态扰动场的需求。同时为未来磁岛偏滤器电源控制系统的程序编写和调试提供了参考方案。
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