李開湖 郭春龍 李 瑞 李德明

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201204)

加速器磁鐵電源對輸出電流紋波有較高的性能指標(biāo)要求(10–5-10–3)[1-3]，而影響磁場性能的紋波成分主要是工頻紋波及其倍頻。進(jìn)一步降低電流紋波，特別是降低彎轉(zhuǎn)磁鐵等大功率電源的紋波，有利于進(jìn)一步改善加速器的束流性能[1,4]。我們對正在研制的新型質(zhì)子醫(yī)療加速器[5]的勵磁電源輸出電流紋波提出了<10–6的性能指標(biāo)要求，這一指標(biāo)的提出給磁鐵電源的設(shè)計和紋波電流的檢測提出了新的挑戰(zhàn)。

本文旨在設(shè)計并搭建一個針對1 kHz以下頻率紋波，能檢測到10–6數(shù)量級紋波電流的檢測系統(tǒng)，以滿足電流紋波檢測指標(biāo)要求。紋波檢測系統(tǒng)由DCCT(零磁通直流電流傳感器)、高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等組成，通過FFT分析方式實現(xiàn)超低紋波電流檢測。

1 超低紋波電流檢測方法

加速器磁鐵電源的輸出電流及其紋波通常使用示波器進(jìn)行測量和觀察，但要觀察10–6數(shù)量級的電流紋波，采用示波器難以實現(xiàn)。為了觀測10–6數(shù)量級的電流紋波，本文介紹一種基于數(shù)字化方式的電流紋波檢測方法：待測磁鐵電源輸出的電流經(jīng)UTRASTAB 866-600I電流型DCCT和精密電阻取樣變換后接入高精度ADC作A/D變換，再經(jīng)DSP處理后，通過串口將處理過的電流數(shù)據(jù)傳送至計算機(jī)分析系統(tǒng)，采用計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT頻譜分析，最終獲得加速器磁鐵電源輸出電流的紋波數(shù)據(jù)。

2 超低紋波電流檢測系統(tǒng)

本文設(shè)計的超低紋波電流檢測系統(tǒng)主要由UTRASTAB 866-600I電流型DCCT和精密電阻構(gòu)成的電流測量變換部分、高精度的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、計算機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和輔助電源等組成(見圖1)。

圖1 超低紋波電流檢測系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the testing system on ultra-low current ripple observation.

與負(fù)載相連的待測電源輸出電流通過電流型DCCT測量變換后到達(dá)高精度數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(含輔助電源卡、模數(shù)轉(zhuǎn)換卡、控制卡)。待測電流經(jīng)過采樣處理后通過串口通訊線上傳至計算機(jī)，然后利用計算機(jī)對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行FFT分析，最終得到待測電流的紋波頻譜圖。

為有效抑制空間干擾，圖1中點畫線內(nèi)部的部件用一個3U機(jī)箱封裝完整，與外部器件的連接線通過機(jī)箱上的接口引出，與計算機(jī)相連的串口通訊線采用屏蔽電纜線。

依照圖1所示的硬件組成搭建了一套紋波電流檢測系統(tǒng)，電流檢測范圍為0-300 A，即被測試的電源最大直流輸出電流為300 A。本文所指紋波幅度測試性能均以300 A為參照。

3 超低紋波電流檢測系統(tǒng)的噪聲本底

檢測系統(tǒng)上電后，在沒有接通電源的情況下，測量此電流紋波檢測系統(tǒng)的噪聲本底。得到此檢測系統(tǒng)的本底數(shù)據(jù)后，再運用 MATLAB軟件對這些數(shù)據(jù)作FFT分析，得到檢測系統(tǒng)的本底電流紋波的典型頻譜圖(如圖2)。

圖2 超低紋波電流檢測系統(tǒng)的本底噪聲頻譜圖(采樣間隔140 ms)Fig.2 Self testing spectrum of the ripple current observation system(step size 140 ms).

由圖2可以看出，在1000 Hz以下頻段范圍內(nèi)的本底電流紋波幅值均在0.1 mA以下，故此檢測系統(tǒng)本底噪聲的幅度分辨率為：

系統(tǒng)可觀測的最小紋波幅度為0.1 mA，相對于300 A 的測量范圍為 0.33×10–6。

系統(tǒng)本底紋波測試是在室溫環(huán)境下完成的，F(xiàn)FT采樣點數(shù)N=8192，采樣步長Size可調(diào)，為20 ms的整數(shù)倍。計算得到不同采樣間隔對應(yīng)的FFT變換的基波頻率為：

當(dāng)采樣間隔為20 ms，基波頻率為6.10 Hz；采樣間隔為140 ms，基波頻率為0.87 Hz；紋波測量系統(tǒng)的基波頻率決定了系統(tǒng)的頻率分辨率。

4 電流紋波檢測系統(tǒng)示波器比對驗證

為驗證測試系統(tǒng)的可信性，首先將測量結(jié)果和輸出電壓紋波的FFT觀測結(jié)果進(jìn)行對比。測量對象為一臺50 V/280 A 的高精度穩(wěn)流電源，電源接純電阻負(fù)載，電源輸出電流為280 A，負(fù)載標(biāo)稱值為0.1 ?，通電后負(fù)載實際測試的阻值約為0.124 ?。

設(shè)置電流紋波檢測系統(tǒng)采樣步長Size=140 ms，圖3是利用檢測系統(tǒng)的電流紋波頻譜分析結(jié)果。結(jié)果顯示，利用上述檢測系統(tǒng)測試的待測穩(wěn)流電源的電流紋波頻率為300 Hz、幅值為103.8 mA。

用 TDS3034型號示波器觀測這臺四極磁鐵高精度穩(wěn)流電源的輸出電壓紋波。輸出電壓交流耦合，市電觸發(fā)，32次平均，時基10 ms/div，輸出電壓交流耦合FFT運算頻譜見圖4。

從圖4中可以看出，示波器觀測此穩(wěn)流電源的輸出電壓紋波均方根值為9.12 mV，頻率為300 Hz。將示波器測試的電壓紋波均方根值換算成電流紋波幅值為：

這里負(fù)載電阻為通電后熱態(tài)電阻，計算結(jié)果與利用上述電流紋波檢測系統(tǒng)的觀測結(jié)果(103.8 mA)相吻合，測試結(jié)果符合預(yù)期。

圖3 電阻負(fù)載下280 A輸出電流紋波頻譜圖Fig.3 Ripple current spectrum with 280 A output on resistive load.

圖4 示波器觀測的電壓紋波頻譜圖Fig.4 Voltage ripple spectrum with oscilloscope.

5 函數(shù)發(fā)生器電流紋波驗證

用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個特定頻率的電壓紋波，將該電壓紋波加在一個精密電阻上可以得到一個精密紋波電流源，此電流源為獨立電流源，可以和基礎(chǔ)電流組合成被測電流，從而檢驗上述電流紋波檢測系統(tǒng)的紋波檢測能力。實驗采用Agilent 33220A型信號發(fā)生器和50 ?精密電阻構(gòu)成紋波電流源，通過向精密電阻施加正弦波電壓信號獲得所需電流紋波信號。

首先打開前述待測的高精度穩(wěn)流電源，讓它滿量程 280 A輸出，作為基礎(chǔ)電流。再用 Agilent 33220A型信號發(fā)生器向50 ?精密電阻施加一個峰值為3 V、頻率為150 Hz正弦波電壓紋波，對應(yīng)電流紋波應(yīng)為30 mA。FFT采樣點數(shù)N=8192，采樣步長Size=140 ms，利用上述紋波檢測系統(tǒng)測量的結(jié)果FFT頻譜圖如圖5。因為此電源300 Hz頻率點紋波幅值太大，為便于觀察150 Hz點處紋波幅值，將300 Hz頻率點紋波幅值作了隱藏處理。

圖5顯示，采用上述紋波檢測系統(tǒng)測試的150 Hz頻率點處實際測試幅值為30.05 mA，與通過信號發(fā)生器注入的紋波電流頻率和幅度相一致。

圖5 用函數(shù)發(fā)生器注入一個30 mA@150 Hz正弦波的紋波電流頻譜Fig.5 Ripple current spectrum with a 30 mA@150 Hz sine wave added on the load current.

此檢測系統(tǒng)能夠測試的紋波電流最小可達(dá) 0.1 mA，為進(jìn)一步驗證該檢測系統(tǒng)的紋波檢測能力，不加基礎(chǔ)電流，用Agilent 33220A型信號發(fā)生器向50 ?精密電阻施加一個峰值為100 mV、頻率為150 Hz正弦波電壓紋波，對應(yīng)電流紋波為1 mA。FFT采樣點數(shù)N=8192，采樣步長Size=140 ms，利用上述檢測系統(tǒng)測量的結(jié)果FFT頻譜圖如圖6。

圖6 零偏置1 mA @150 Hz正弦波的紋波電流頻譜Fig.6 Current spectrum of a pure 1 mA @150 Hz sine wave.

圖6結(jié)果顯示：采用上述紋波檢測系統(tǒng)測試的150 Hz頻率點處實際測試幅值為0.9982 mA，與通過函數(shù)發(fā)生器注入的紋波電流頻率和幅度相一致。

6 超低電流紋波測試

利用此檢測系統(tǒng)對上海光源備用的30 V/10 A的儲存環(huán)快校正磁鐵電源進(jìn)行測量，采用純電阻負(fù)載，負(fù)載電阻標(biāo)稱值為20 ?。設(shè)定電流1.2 A，測量電源的輸出電流紋波。圖7是實測得到的輸出電流FFT頻譜圖，其中FFT采樣點數(shù)N=8192，采樣步長 Size=100 ms。

圖7 10 A/30 V待測電源的輸出電流紋波頻譜圖Fig.7 Ripple current spectrum of a 10 A/30 V power supply.

圖7結(jié)果表明：在1000 Hz以下，上述被測電源的電流紋波幅值為0.58 mA，頻率為50.05 Hz，其它頻率成分的紋波很小或接近測量本底。

7 結(jié)語

本文采用數(shù)字化方式檢測磁鐵電源輸出電流的超低紋波電流，采用FFT分析方法克服了模擬觀測方式精度不足的限制。FFT分析具有確定的頻率分辨率，通過調(diào)整采樣間隔，使FFT離散頻率點靠近被測頻率，可減小測量誤差。測試系統(tǒng)具有固有的本底噪聲，而噪聲的幅度決定了測試系統(tǒng)可觀測的最小紋波幅度，當(dāng)被測電源存在較大紋波時，測量本底會有所增加，但不影響對被測系統(tǒng)紋波指標(biāo)的評定。

當(dāng)被測磁鐵電源輸出電流為0-300 A時，系統(tǒng)能觀測到0.2 mA的紋波電流，和測量范圍相比好于10–6。通過示波器電壓紋波觀測對比和函數(shù)發(fā)生器注入紋波驗證，表明此系統(tǒng)觀測紋波數(shù)據(jù)真實可信，可用于超低電流紋波的觀測和評估。

1 郭春龍, 李瑞, 李開湖. 用并聯(lián)旁路吸收電路濾除超低電流紋波[C]. 第三屆全國加速器磁鐵電源會議文集, 2012 GUO Chunlong, LI Rui, LI Kaihu. Filtering out low-level current ripple with bypass absorbing circuit[C]. The third national symposium on accelerator magnet and power supply, 2012

2 徐建銘. 加速器原理(修訂版)[M]. 北京: 科學(xué)出版社,1981: 304-309 XU Jianming. Principles of accelerator (Revision)[M].Beijing: Science Press, 1981: 304-309

3 徐中雄, 王放安, 齊欣. 加速器磁鐵電源低次紋波抑制實驗研究[J]. 高能物理與核物理, 2003, 27(7): 637-640 XU Zhongxiong, WANG Fangan, QI Xin. Experimental studies on sub-harmonic suppression of magnet power supply[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics,2003, 27(7): 637-640

4 肖國春, 裴元慶, 姜桂賓, 等. 大功率低紋波穩(wěn)定電源用直流有源濾波器[J]. 電力電子技術(shù), 2001, 35(4): 12-15 XIAO Guochun, PEI Yuanqing, JIANG Guibin,et al. DC active filter for large power and low ripple stable supply[J]. Power Electronics, 2001, 35(4): 12-15

5 Accelerator complex study group. Proton-ion medical machine study (PIMMS) part one[R]. Geneva,Switzerland, 1999