同步辐射光源增强器高频数字化低电平系统研制

来源 :中国科学院研究生院(上海应用物理研究所) | 被引量 : 9次 | 上传用户:zqg860808
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上海光源(SSRF)是一台高性能的第三代同步辐射光源,2009年5月起正式对用户开放,其性能指标位居世界前列。上海光源增强器高频低电平控制器的作用是调节高频腔压(ramping),稳定高频腔腔压的幅度和相位,控制高频腔的频率和场平坦度。增强器高频低电平控制器的性能优劣影响着增强器诸多重要技术指标,如束流品质和注入效率等。建设初期,上海光源增强器高频低电平控制器由于工程时间节点的限制,从德国引进已商业化的模拟控制系统,性能参数符合当时的技术指标、且运行尚佳,但也存在不足,如在故障处理和设备维护维修等方面。随着数字化低电平技术的发展及上海光源储存环高频自主研发的数字化低电平控制器的稳定运行,上海光源增强器高频低电平控制的数字化已具备重要的技术基础,同时由于模拟控制系统随着运行多年的老化必须进行必要的更新及换代(数字化技术的应用)。本论文首先从分析上海光源增强器高频系统的5-cell常温腔及微波系统的等效电路模型入手,引入高频腔及PI控制器的传递函数。然后,讨论系统闭环的稳定性,给出系统参数极限和优化值。同时,分析了闭环系统的时间响应等重要参数随PI参数设置的影响。其次,构建上海光源增强器高频数字化低电平控制的硬件系统平台是本论文的重点之一,主要采用自主研制的、基于贴片式芯片的印制电路板卡(PCB),包括:集成时钟分配的数字信号处理板卡、射频前端板卡和马达驱动控制板卡。因控制和监测的射频信号多(相对FPGA板卡集成的ADCs数量),依功能分别构建幅度相位环路控制器、频调环路和场平坦度环路控制器。针对远距离、抗干扰性能强等特点,选择位移传感器W-DCD70,实时反馈马达位置。并且,对整个数字化低电平控制系统进行现场布局和调试。在构建硬件平台的同时,本论文进一步对上海光源增强器高频数字化低电平控制器对应的软件系统的详细设计,包括幅度相位环路控制器、频调环路和场平坦度环路控制器对应的硬件控制算法和连锁逻辑算法。在幅度相位环路控制算法中,设计ramp升能曲线,ramp数据自动下载,数字IQ矢量和以及PI反馈控制算法等,实现上海光源增强器高频系统2台5-cell常温腔腔压以2Hz为重复频率,由0.4MV~1.8MV的升能。分析频调环路参数设计原理,并对CORDIC算法原理及其引入相位误差进行分析,在迭代次数为14次时,CORDIC算法引入的相位误差0.007o,可忽略。因ADC通道的限制,采用腔前信号和第二个cell信号的相位差作为频调环路调节依据。讨论在调频时对5-cell常温腔的场平坦度的影响,设计不同闭环模式下马达动作逻辑,实现同一台5-cell常温腔上2个步进马达的同步驱动。针对2台低电平控制器和马达驱动器,设计对应的连锁控制算法,并在测试中得到理想数据,获得了满意的结果。从2014年8月至今,研制的数字化低电平控制器已在上海光源增强器高频系统投入运行。ramp模式闭环下,相位稳定度的长期稳定性好于±0.15o,频调环路相位和场平坦度稳定度在±4o和±1.5%以内。其中相位稳定度和场平坦度稳定度优于设计指标,频调环路相位达到设计指标,表明该数字化低电平控制系统的研制圆满成功。
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