空间磁场环境模拟线圈驱动恒流源设计

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1、2015年6月第4l卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2015V01．41NO．6http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．onDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0403空间磁场环境模拟线圈驱动恒流源设计张鹏飞，齐铂金，郑敏信+，张伟(北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京100191)摘要：针对空间磁场环境模拟线圈磁感应强度0～20Gs连续可调，磁场稳定度优于1％的要求，采用前级电压源与后级电流源串联的主电路

2、拓扑结构，结合电压双闭环控制和电流闭环负反馈控制的方法，实现了稳定的电流输出，减小了功率金属．氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的功耗，提高了恒流源的效率．测试结果表明：恒流源输出电流0～10A连续可调，霍姆赫兹线圈中心磁感应强度能达到20Gs的设计要求，电流稳定度优于0．1％，磁场稳定度优于l％．关键词：霍姆赫兹线圈；恒流源；功率金属．氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)；比例积分微分(PID)控制；磁感应强度中图分类号：V19：TM937．2文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)06—1102一06为提高航天产品空间应用在轨可靠性和寿命，促进国产宇航元器件和

3、材料空间应用品质的提升，模拟航天产品在轨的外太空空间环境意义重大⋯．电磁场是诱发航天产品在轨故障的主要原因之一．为了获得均匀的电磁场，通常采用霍姆赫兹线圈来产生电磁场怛3．其驱动电源可采用恒压源或恒流源，由于模拟空间电磁场环境的稳定度要求较高(优于1％)，若采用恒压源驱动霍姆赫兹线圈，线圈发热会引起其阻值改变，使得线圈的电流也随之变化，从而导致电磁场不稳定；若采用恒流源驱动霍姆赫兹线圈，则可以避免线圈电阻变化引起的励磁电流变化，从而产生稳定的电磁场p1．恒流源作为稳定电源的一个分支，按功率器件的工作状态不同，可分为开关型恒流源和线性恒流源．开关型恒流源效率较高，但高频噪声大，输出纹波较大

4、；线性恒流源输出电流稳定，电路简单可靠，但其效率较低Ho．考虑到电磁场对稳定度要求较高，本文采用线性恒流源驱动霍姆赫兹线圈¨⋯．针对模拟线圈磁感应强度0—20Gs连续可调，磁场稳定度优于1％的要求，采用前级电压源与后级电流源串联的主电路拓扑结构，结合电压闭环控制和电流闭环负反馈控制的方法，实现了稳定的恒流输出．其中，电压源采用适合中小功率的半桥逆变结构，电流源采用功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal—Oxide—SemiconductorField—EffectTransistor，MOSFET)，并使其工作在线性放大区，以实现高精度恒流输出．为了减小功率MOSFET的损耗，采

5、用MOSFET漏源极电压闭环负反馈调节电压源的输出电压，不仅实现了稳定电压的输出，而且使输出电压随负载电流改变，始终将MOSFET的漏源电压保持在较低的电压，提高了恒流源的效率．1恒流源的构成为了提高电流控制精度，恒流源采用前级电压源与后级电流源串联的主电路拓扑结构．其中，电收稿日期：2014-07-03；录用日期：2014—10—11；网络出版时间：2014．10．3011：12网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／lO．13700／j．bh．1001-5965．2014．0403．html基金项目：北京航空航天大学基本科研业务费(YwF．14．JXXY-012)作

6、者简介：张鹏飞(1988一)，男，山西河津人，硕士研究生，zhangpengfeigrxx@163．eom*通讯作者：郑敏信(1978一)，男，山西原平人，实验师，zhminxin@buaa．edu．1211，主要研究方向为机电过程控制及自动化和新能源技术．引用格式：张鹏飞，齐铂金，郑敏信，等．空间磁场环境模拟线圈驱动恒流源设计fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41f6)：1102—107．ZhangPF，QiBJ，ZhengMX，eta1．DesignofconstantcurrentsousetodriveanalogcoilofspacemageticenvironmentL

7、Ji．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015．41(6)：1102—1107(inChinese)．第6期张鹏飞，等：空间磁场环境模拟线圈驱动恒流源设计1103压源输出电压为0～50V连续可调，恒流源输出电流为0—10A连续可调，其基本构成如图1所示．电压源部分电流源部分图1恒流源的基本构成Fig．1Basiccompositionofconstantc