【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电流源控制，尤其涉及一种强磁场快速变换的电流控制装置。
技术介绍
1、在超导-冷原子系统中，原子与超导芯片的耦合是极为重要的一环，控制原子团位置的磁场需要一个稳定性高，响应速度快的电流源，而由于多匝线圈一般情况下都为阻感特性，要达到微秒级别的响应时间目前还较为困难，国内外已有不少小组采用额外的电流控制装置来控制冷原子系统中的线圈电流，但在功率和速度方面都具有一定的局限性。市面上现有的大功率商用电源不少都有较大的电流输出能力，但很少有针对电感性负载的响应速度进行优化的电流源。
2、对于大多常用数设配而言，较慢的响应速度其实并不会有太大的影响，开关快慢并不影响设备的运行。然而，在冷原子系统中，这一要求就变得苛刻得多了，原子的寿命是非常有限的，若不能对其磁场进行足够快的操控，基本上无法观测到想要的结果。另一方面，由于系统的稳定性需求，供电部分在很多情况下需要使用不间断电源(uninterruptible power supply，ups)或蓄电池供电，而使用该供电方式便对输出效率有一定需求。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术的目标是提供一种强磁场快速变换的电流控制装置，能够加快感性负载的电流变化速度，同时兼顾电流输出能力和输出效率。
2、本专利技术所采用的技术方案是：一种强磁场快速变换的电流控制装置，包括第一pid调节电路、第二pid调节电路、第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、线圈、信号放大器、霍尔元件、直流电源、pw
3、所述线圈用于产生线圈电流；
4、所述霍尔元件用于将线圈电流转换成第一电压信号；
5、所述信号放大器用于对第一电压信号进行缩放，得到第二电压信号；
6、所述第一pid调节电路用于结合电流控制信号和第二电压信号，得到第一控制电压信号；
7、所述第一绝缘栅双极型晶体管用于结合第一控制电压信号对线圈回路阻抗进行调整，进而调控线圈电流；
8、所述直流电源用于产生输出电压；
9、所述电压采样模块用于对供电电压信号进行采样，得到采样电压信号；
10、所述阻抗计算模块用于计算回路阻抗，并输出第三控制电压信号；
11、所述第二pid调节电路用于结合第三控制电压信号和采样电压信号，得到第二控制电压信号；
12、所述pwm控制电路用于将第二控制电压信号转换成pwm控制信号；
13、所述第二绝缘栅双极型晶体管用于结合pwm控制信号和输出电压对供电电压信号进行调控。
14、进一步，所述pid调节电路包括pi控制电路和关断加速电路，其中：
15、所述pi控制电路包括第一运算放大器、第一电容、第一电位器和第二电位器；
16、所述关断加速电路包括第一电阻、第二晶体管、第一二极管；
17、所述第一电阻一端与所述第一绝缘栅双极型晶体管门极、所述第一二极管阴极连接；所述第一电阻另一端与所述第二晶体管发射极连接；所述第二晶体管集电极接地；所述第二晶体管基极与所述第一二极管阳极、所述第一运算放大器输出端、所述第一电位器的第一固定端连接；所述第一电位器的第二固定端与第一电容一端连接；所述第一电容另一端与所述第一运算放大器的反向输入端、所述第二电位器的第一固定端连接；所述第二电位器的第二固定端与所述信号放大器输出端连接；所述第一运算放大器的正向输入端与所述电流控制信号输入端连接。
18、进一步，所述第二晶体管用于加速所述第一绝缘栅双极型晶体管的关断过程，当所述第一运算放大器的输出电压信号经过所述第一二极管到达所述第一绝缘栅双极型晶体管门极时，所述第一绝缘栅双极型晶体管导通；当所述第一运算放大器的输出电压信号变为低电平时，所述第二晶体管be间电压小于开启电压，所述第二晶体管导通，为所述第一绝缘栅双极型晶体管提供低阻抗通道，所述第一绝缘栅双极型晶体管的门极电荷沿所述第一电阻、所述第二晶体管发射极、所述第二晶体管基极快速释放。
19、进一步，所述第一二极管用于保护所述第二晶体管的基极和发射极在导通开始时不被反向击穿。
20、进一步，所述pi控制电路，其控制电压的计算表达式如下：
21、
22、其中，uc表示pi控制电路输出控制信号的电压值，ur表示输入的电流控制信号的电压值，uh表示信号放大器输出信号的电压值，rv1表示第一电位器的阻值，rv2表示第二电位器的阻值，c1表示第一电容的容值，t表示时序控制的时间。
23、进一步，应用本专利技术一种强磁场快速变换的电流控制装置，其调控方法包括以下步骤：
24、基于系统传递函数的增益确定系统参数，并设定最大工作电流；
25、测量电流控制信号的电压值、线圈内阻和线圈电流；
26、基于系统参数、最大工作电流、电流控制信号的电压值和线圈电流计算装置所需的电压；
27、将装置所需的电压与线圈的电压进行比较，并基于比较结果对装置所需的电压进行放大，得到最终控制电压；
28、基于pwm控制电路将电流控制信号的电压值调制为最终控制电压。
29、进一步，所述装置所需的电压，其计算表达式如下：
30、us＝k*(1+is/im)*ur
31、其中，us表示装置所需的电压，k表示系统参数，is表示线圈电流，im表示最大工作电流，ur表示电流控制信号的电压值。
32、本专利技术的有益效果是：本专利技术通过使用绝缘栅双极型晶体管将线圈内的残留能量耗散掉，以缩短残留电流的存续时间；通过使用三极管加快绝缘栅双极型晶体管的关断进程；通过使用二极管进行导通的同时避免三极管被击穿以及残留电流流入驱动电路；通过使用pi控制电路实现电流的时序控制；通过调控方法系统的对电池的输出电压进行调控，实现对主电路的工作效率进行优化，能够减少在绝缘栅双极型晶体管上的热能损耗；最终实现加快感性负载的电流变化速度，同时兼顾电流输出能力和输出效率。
33、附图说明
34、图1是本专利技术一种强磁场快速变换的电流控制装置的结构示意图；
35、图2是本专利技术一种强磁场快速变换的电流控制装置的绝缘栅双极型晶体管关断过程的等效电路图；
36、图3是本专利技术一种强磁场快速变换的电流控制装置的绝缘栅双极型晶体管关断过程的响应曲线图；
37、图4是本专利技术一种强磁场快速变换的电流控制装置的pid调节电路原理图；
38、图5是本专利技术一种强磁场快速变换的电流控制装置的时序控制示意图；
39、图6是本专利技术一种强磁场快速变换的电流控制装置的调控方法流程图；
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1.一种强磁场快速变换的电流控制装置，其特征在于，包括第一PID调节电路、第二PID调节电路、第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、线圈、信号放大器、霍尔元件、直流电源、PWM控制电路、电压采样模块和阻抗计算模块，其中：
2.根据权利要求1所述一种强磁场快速变换的电流控制装置，其特征在于，所述PID调节电路包括PI控制电路和关断加速电路，其中：
3.根据权利要求2所述一种强磁场快速变换的电流控制装置，其特征在于，所述第二晶体管用于加速所述第一绝缘栅双极型晶体管的关断过程，当所述第一运算放大器的输出电压信号经过所述第一二极管到达所述第一绝缘栅双极型晶体管门极时，所述第一绝缘栅双极型晶体管导通；当所述第一运算放大器的输出电压信号变为低电平时，所述第二晶体管BE间电压小于开启电压，所述第二晶体管导通，为所述第一绝缘栅双极型晶体管提供低阻抗通道，所述第一绝缘栅双极型晶体管的门极电荷沿所述第一电阻、所述第二晶体管发射极、所述第二晶体管基极快速释放。
4.根据权利要求2所述一种强磁场快速变换的电流控制装置，其特征在于，所述第一二极管用于保护所述第
5.根据权利要求2所述一种强磁场快速变换的电流控制装置，其特征在于，所述PI控制电路，其控制电压的计算表达式如下：
6.根据权利要求1-5任一项所述一种强磁场快速变换的电流控制装置，其特征在于，其调控方法包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述一种强磁场快速变换的电流控制装置，其特征在于，所述装置所需的电压，其计算表达式如下：
...【技术特征摘要】
1.一种强磁场快速变换的电流控制装置，其特征在于，包括第一pid调节电路、第二pid调节电路、第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、线圈、信号放大器、霍尔元件、直流电源、pwm控制电路、电压采样模块和阻抗计算模块，其中：
2.根据权利要求1所述一种强磁场快速变换的电流控制装置，其特征在于，所述pid调节电路包括pi控制电路和关断加速电路，其中：
3.根据权利要求2所述一种强磁场快速变换的电流控制装置，其特征在于，所述第二晶体管用于加速所述第一绝缘栅双极型晶体管的关断过程，当所述第一运算放大器的输出电压信号经过所述第一二极管到达所述第一绝缘栅双极型晶体管门极时，所述第一绝缘栅双极型晶体管导通；当所述第一运算放大器的输出电压信号变为低电平时，所述第二晶体管be间电压...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱世钰，古锦浩，杨震寰，吕庆先，颜辉，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：
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