基于FPGA技术的加速器切束控制系统设计

针对加速器驱动次临界系统(ADS)中强流质子直线加速器,即ADS注入器Ⅱ,设计了采用现场可编程门阵列(FPGA)切束技术的加速器快保护控制系统。当系统检测到束流异常故障信号时能快速切断束流,并上传故障信息,方便故障排查和后期数据分析。该控制器基于FPGA设计,可实现光纤通信、串口通信、逻辑电平信号输出等功能。其中,光纤通信功能用于控制斩波器电源快速切断束流;串口通信用于实时传输设备状态信息;逻辑电平信号输出用于控制继电器产生开关量信号去远程控制保护设备,以防止运行设备的损害。通过现场运行测试,切束响应时间在10 s之内,达到安全设计要求。     

HL-2Aװ��ECRH�����ѹ��Դϵͳ����

ECRH阳极高压电源系统由高压直流电源及调制器两部分组成。高压直流电源采用晶闸管调节升压变压器的输入电压,在低电位端利用三极管串联线性调整输出DC电压,控制器采用了内外双闭环控制技术,其最大输出为30kV/130mA;调制器使用真空四极管为核心部件。使用仿真软件对电路进行了优化设计。独立调试实验及HL-2A装置放电实验数据表明,该电源系统具有大范围调压、低纹波输出、快速调制等特点。     

磁偏置高温超导限流器监控系统设计

针对磁偏置高温超导限流器并网运行实验要求,设计了具有高压隔离、快速采集及故障录波功能的监控系统。该监控系统采用现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)双重硬件架构设计模式,其中,FPGA用于快速采集实时数据和快速开关控制;DSP从FPGA获取状态量和模拟量等采集信号,集成超导限流器监控系统核心控制器的快速控制算法,实现超导单元保护指令的输出。给出了超导限流器监控系统的设计原理、核心控制器软硬件设计和上位机软件设计,并进行10 kV并网运行实验验证。监控系统运行结果表明,所设计的磁偏置高温超导限流器监控系统可以很好地实现对电网及限流器运行状态的实时、可靠监测与控制。     

HL-2A装置ECRH系统回旋管次高压电源研制

ECRH作为一种有效的加热手段，在托卡马克聚变装置实验中运用广泛，HL-2A装置ECRH系统采用了双高压电源模式的电子回旋管。这种结构的回旋管最大优点是输出效率高，对主高压电源要求相对较低。为了满足实验要求，使回旋管正常工作并得到较大的输出功率，研制性能稳定可靠、控制方便并具有较高技术指标的次高压电源必不可少。     

基于直接数字合成技术超声电源控制器的研究

功率超声技术在国民经济各部门的日益广泛应用,越来越需要一种通用型智能化大功率超声电源。控制器是大功率超声电源的核心,它应具有根据大功率超声应用的具体情况自动跟踪振动系统的谐振频率和进行功率大小自动控制的功能。本文以现场可编程门阵列器件(FPGA)作为控制器核心,采用直接数字频率合成技术控制信号输出频率,用改变输出信号占空比的方式实现功率调整,用振动系统的电流和电压相位差信息自动跟踪频率。仿真结果表明,该控制器不仅对信号频率稳定性高,便于功率调整,而且易于实现频率自动跟踪。     

HL-2Aװ��3MW 68GHz ECRHϵͳ����������

HL-2A装置3MW ECRH系统采用双高压电源形式的电子回旋管,阴极高压电源为回旋管提供加速束电流,阳极高压电源对通过转换区后的束电流施加减速作用,利于回旋管收集极吸收。根据回旋管运行特点和各回旋管不同的工作特性,合理优化回旋管阴极、阳极高压电源工作电压和其他参数。通过远程监控系统,使同时工作的回旋管处于较好的工作状态,充分提高 HL-2A 装置 ECRH 系统多管运行的微波输出功率。实验中,6支回旋管同时运行时,微波最高输出功率2.5MW,达到设计额定值83%,使HL-2A装置中等离子体得到了有效的加热。     

基于现场可编程门阵列的加速器同步控制器设计

针对加速器驱动次临界系统(ADS)注入器Ⅱ的控制中对于同步触发信号的要求,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高精度同步控制器,它能为加速器设备提供同步工作所需的脉冲信号。控制器采用粗延时结合精延时的方式,FPGA实现粗延时,专用延时芯片实现精延时,提高了延时精度,同时增大了延时、脉宽及周期的调节范围。测试结果表明,该控制器输出脉冲的最小延时步距为0.25ns,延时、脉宽及周期调节范围为1μs~2s,周期抖动的标准偏差为70ps。该控制器输出信号满足要求,程序界面操作简便,通过串口RS-422远程控制稳定可靠。     

HL-2A装置3MW 68GHz ECRH系统调试与运行

HL-2A装置3MW ECRH系统采用双高压电源形式的电子回旋管,阴极高压电源为回旋管提供加速束电流,阳极高压电源对通过转换区后的束电流施加减速作用,利于回旋管收集极吸收。根据回旋管运行特点和各回旋管不同的工作特性,合理优化回旋管阴极、阳极高压电源工作电压和其他参数。通过远程监控系统,使同时工作的回旋管处于较好的工作状态,充分提高HL-2A装置ECRH系统多管运行的微波输出功率。实验中,6支回旋管同时运行时,微波最高输出功率2.5MW,达到设计额定值83%,使HL-2A装置中等离子体得到了有效的加热。     

基于FPGA的能量倍增器相位翻转系统的研制

介绍了基于可编程逻辑门阵列(FPGA)的能量倍增器(SLED)相位翻转系统。该系统主要由微波IQ调制器、FPGA和高速DAC组成。在FPGA的控制下,DAC输出两路双极性脉冲电平信号,加载于调制器的IQ端,将微波连续波输入信号转变为4μs脉冲输出信号,并且在3μs时刻微波相位发生180°跳变。经测试,相位翻转精度为180°±2°,翻转相位的长期稳定度优于±0.5°;相位翻转系统驱动的6台SLED的输出功率增益均超过7dB,最高达到7.54dB,增益的长期稳定度达到±0.1dB。     

ECRH负高压脉冲电源系统控制特性研究

负高压脉冲电源是ECRH系统最重要的组成部分之一。电源系统工作的可靠性与稳定性直接影响整个ECRH系统的运行。给出了电源系统各环节的动态数学模型，设计出带有前馈的PI调节器。利用MATLAB仿真确定了调节器参数。实验结果显示，该电源系统具有较好的控制特性。     

用于回旋管测试台的高压电源及控制系统设计北大核心CSCD

从一套用于回旋管测试台的基于脉冲阶梯调制(PSM)技术的-60kV DC/50A高压电源入手,提出了一套基于单片机和现场可编程门阵列(FPGA)的控制系统设计,不仅满足了电源系统各种运行尤其是1kHz调制的要求以及各种监控的要求,还满足了回旋管测试台的各种逻辑控制与快速联锁保护的要求。最终测试结果表明:该套电源及控制系统逻辑结构清晰,操作简洁,运行可靠,能够满足测试台系统对高压电源各项逻辑控制、精确定时控制、快速保护等控制要求。     

HL-2A装置辅助加热高压电源控制系统的设计与实现

研制了HL-2A装置LHCD和ECRH系统使用的高压电源,其电源拓扑分别为晶闸管交流调压型和星点控制型高压电源,通过高压脉冲调制器给LHCD和ECRH系统供电,采用了波头补偿、前馈和反馈相结合的控制方法,弥补了电源拓扑本身固有的瞬态特性不足和发电机输出的不稳定性,使电源输出电压输出平顶的稳定度优于1%。介绍了高压电源的主回路结构,对高压电源的控制进行了论述,同时给出了实验结果。     

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研制了HL-2A装置LHCD和ECRH系统使用的高压电源,其电源拓扑分别为晶闸管交流调压型和星点控制型高压电源,通过高压脉冲调制器给LHCD和ECRH系统供电,采用了波头补偿、前馈和反馈相结合的控制方法,弥补了电源拓扑本身固有的瞬态特性不足和发电机输出的不稳定性,使电源输出电压输出平顶的稳定度优于1%。介绍了高压电源的主回路结构,对高压电源的控制进行了论述,同时给出了实验结果。     

基于TTL数字电路控制的高压脉冲源

给出了一种基于TTL数字电路作为高压脉冲源触发控制单元的设计原理和方法。介绍了高压脉冲源的工作原理,设计了一台脉冲输出幅度5 kV、脉冲宽度大于200 s及脉冲前沿小于30 ns的高压脉冲源。将触发控制单元和前级开关金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）组合成一体,控制后级气体高压开关管放电输出高压脉冲信号。实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,给出了单次触发情况下的实验结果。     

HL-2A装置ECRH主高压电源的研制

介绍了HL-2A装置电子回旋系统主高压电源的研制。用星点控制技术实现了高压直流平台输出电压的调节;用TM-703FB大功率调制管为核心的高压调制技术实现了高压电源输出电压的快速升降及电源的快速保护。用前馈补偿和反馈控制技术实现了输出电压波纹小于1%。电源输出总体指标为-60kV/(25A×4)/1s,满足了ECRH系统的要求。     

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The hardware design of solid-state anode high-voltage power supply in electron cyclotron resonance heating system (ECRH) is presented. The anode power supply uses the method that combined high-frequency pulse width modulation (PWM) and phase shift modulation (PSM) control technology. The former in the supply uses the SG3525 to control the IGBT to complete the high frequency invert. The latter is made up of a total of 59 modules connected in series. The output voltage of each module is basically stabilized by feedback of the first stage module output voltage. DSP controls the number of PSM module on and off and the 59th module BUCK circuit duty cycle to achieve the output voltage of the superimposed output, and the output voltage can be adjusted within the full range of 35kV with accuracy less than 0.1kV, the output current up to 200mA, modulation frequency more than 1kHz. The anode power supply has three operating modes, and the rising edge time of the waveform can be adjusted within 3ms. The results tested from dummy load and ECRH experimental platform show that its performance is stable, and the hardware design method is feasible.     

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HL-2A装置电子回旋共振加热系统的主要指标是2MW/1s/68GHz,系统由4个单元组成,每个单元包括一只回旋管,微波传输系统,控制保护测量和冷却等子系统。通过对ECRH系统和回旋管的调试,每只管子微波输出功率500kW,脉冲宽度1s,四管并联运行时总输出功率达到1.63MW,系统使用效率高于80%。     

兰州重离子加速器控制系统DSP组件设计

针对重离子加速器部分电源的控制要求,进行了分析研究,提出并实现了一种实时、高效、多功能的控制系统。该系统基于数字信号处理器（DSP）和两片现场可编程门阵列（FPGA）芯片相结合的核心处理构架,在系统后端利用PXI总线接口配合FPGA来与工控机箱中的系统控制器和其他控制组件进行大批量数据交互;系统前端利用直接数字频率合成器、模数转换器和数模转换器等器件结合DSP和FPGA中的控制算法及相应控制机制来实现对不同电源控制参数的处理和功率的输出;平台中两组光纤模块也与FPGA相配合实现对同步触发事例等实时数据的收发和调试。     

Beam transport experiment with a new kicker control system on the HIRFL

A kicker control system is used for beam extraction and injection between two cooling storage rings(CSRs) at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou(HIRFL). To meet the requirements of special physics experiments, the kicker controller has been upgraded, with a new controller designed based on ARM+DSP+FPGA technology and monolithic circuit architecture, which can achieve a precision time delay of 2.5 ns. In September2014, the new kicker control system was installed in the kicker field, and the test experiment using the system was completed. In addition, a pre-trigger signal was provided by the controller, which was designed to synchronize the beam diagnostic system and physics experiments. Experimental results indicate that the phenomena of "missed kick"and "inefficient kick" were not observed, and the multichannel trigger signal delay could be adjusted individually for kick power supplies in digitization; thus, the beam transport efficiency was improved compared with that of the original system. The fast extraction and injection experiment was successfully completed based on the new kicker control systems for HIRFL.