专利名称:低杂波功率控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于受控热核聚变领域，具体是在托卡马克核聚变装置上根据实验需要实现对低杂波输出功率的控制。
背景技术：
低杂波目前广泛的应用于核聚变实验中，其主要作用是电流驱动和辅助加热。低杂波系统主要通过多只高功率速调管输出功率。速调管的输出功率受到微波前级功率、高压、磁场、灯丝等多种因素的影响。目前在国内对于低杂波功率控制主要是通过实验前设定需要的高压，在实验时输出设定过的高压并打开前级PIN开关，根据经验确定输出的功率， 进行开环控制。这种模式就造成了低杂波功率输出的不稳定性、不确定性，因而不能满足对精度要求高的托卡马克物理实验要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种实现在托卡马克实验过程中，低杂波功率精确、稳定的输出的低杂波功率控制系统。
本发明的技术方案如下
托卡马克实验中低杂波功率控制系统，包括有多个大功率速调管，其特征在于所述各大功率速调管的输出端安装有定向耦合器，所述定向耦合器耦合出来的入射功率通过隔直器隔直滤波后送入检波器，所述检波器输出端出来的检波电压送入放大器，所述放大器输出的放大电压由模拟输入模块采集、A/D转换模块转换为数字信号、功率控制下位机处理、 D/A转换模块转换为模拟信号、模拟输出模块输出，所述模拟输出模块的输出端接入微波前级的PIN电调衰减器，所述功率控制下位机与功率控制上位机连接；所述放大器与模拟输入模块之间、模拟输出模块与PIN电调衰减器之间分别安装有一个隔离器。
所述的托卡马克实验中低杂波功率控制系统，其特征在于所述大功率速调管的个数为M支。
所述的托卡马克实验中低杂波功率控制系统，其特征在于所述功率控制下位机为cRIO系统，所述cRIO系统上具有与功率控制上位机进行通信的网络接口。
所述的托卡马克实验中低杂波功率控制系统，其特征在于所述检波器、放大器的输出电压为1-5V。
本发明的工作原理本发明通过功率控制上位机事先设定输出功率，通过网络传递给功率控制下位机，在速调管输出口有定向耦合器，定向耦合器耦合出少量微波，然后经过检波转换为电压信号，再经过放大、隔离、采集，从而可以实时的将速调管口的功率信号传送给功率控制下位机，根据功率控制下位机的PID算法，确定测量功率与设定功率的差值，功率控制下位机通过模拟输出模块输出模拟量控制前级放大器的PIN电调衰减器，从而控制微波前级的输出功率，使速调管的输出功率恒定不变。
本发明的优点是(1)实现低杂波功率的稳定输出。通过获取速调管输出口的实时功率信号，功率控制下位机基于FPGA的PID计算，对PIN电调衰减器的控制，整个功率控制系统可以实现IOOus 级别的闭环控制，满足托卡马克实验需求。
(2)功率控制下位机采用cRIO系统，此系统实现了 FPGA与微处理器的有机结合， 既可以实现基于硬件的准确可靠的功率控制，又具有微处理器的灵活性。该系统还具有网络接口和数字输入输出模块，可以通过上位机设置实现功率控制下位机多种功率控制模式的选择，也可以通过数字输入输出模块实现硬件级别的功率控制模式选择。
(3)实现低杂波系统保护状态的自动判断控制。低杂波系统中还有很多其他的保护系统。比如高反射保护、打火保护、过流保护，当发生这些保护时，微波前级系统会关闭一定的时间，从而关断速调管功率的输出，保护整个低杂波系统。这时前级功率控制功率控制下位机能够通过速调管输出口的功率信号和状态信号及时判断是否处于保护状态。当处于保护状态时，通过调整电调保证前级功率在恢复输出时为最小值，从而保证系统恢复功率输出时的安全。当系统恢复输出时，重置PID参数和时间，保证系统恢复输出后，能够快速的实现原先设定的功率值。这样根据各种实验的情况，功率控制下位机程序能够自动的控制低杂波的功率。
(4)实现低杂波系统在托卡马克特殊放电模式下的自动控制。托卡马克实验有时需要低杂波系统能够实现功率调制或者交流放电等特殊的功率输出方式。此时速调管的功率会发生较为频繁的改变。本发明在这种情况下，通过重置PID参数和时间可以实现功率的快速稳定，可以通过设定，实现在一定输出功率范围内渐变或跳跃式的功率输出，满足物理实验的需要.并且可以通过采集功率为零的时间长短来判断托卡马克放电是否结束。
(5)本系统中的所有放大器输出电压为1-5V，从而可以判断放大器工作是否正常。 各种触发信号和状态信号均采用低电平有效，同样可以实现系统故障的快速发现，克服了以往系统的缺点。
(6)本系统还具有拟合输出工作模式。由于CPI速调管有较好的可重复性，系统设置此工作模式。根据速调管在特定磁场电流、灯丝电流状态下，输出功率、高压、前级输入功率之间的关系可以进行数据拟合，从而可以实现较为准确的功率输出，并且可以提高功率控制系统的安全性和可靠性。
(7)本系统采用安全接地方式，放弃了以往系统中的悬浮工作方式。可以从根本上克服了以往系统中，由于系统故障或者保护引起的器件损坏，提高了系统的可靠性。
图1是本发明的单路系统结构示意图。
图2是本发明的功率控制下位机处理流程图。
具体实施方式
在我国第一个非圆截面超导托卡马克实验装置EAST上，实现了本发明提出的低杂波功率控制系统。
托卡马克实验中低杂波功率控制系统，包括有M支4. 6GHz的大功率速调管(总功率6丽)，从M支4. 6GHz的大功率速调管(总功率6丽)输出的微波功率通过微波传输线、天线送入托卡马克实验装置中；为测量微波功率信号，在M路大功率速调管输出端口分别安装了一个定向耦合器1，所述定向耦合器1耦合出来的入射功率通过隔直器2、滤波器隔直、滤波后送入检波器3，所述检波器3输出端出来的检波电压((TlOOmV)送入放大器4，所述放大器4输出的放大电压(广5V，对应功率(T250KW)由模拟输入模块5采集、A/D转换模块转换为数字信号、功率控制下位机6处理、D/A转换模块转换为模拟信号、模拟输出模块7 输出，所述模拟输出模块7的输出端接入微波前级的PIN电调衰减器8 ；所述放大器4与模拟输入模块5之间、模拟输出模块7与PIN电调衰减器8之间分别安装有一个隔离器9，功率控制上位机10可以与功率控制下位机9通信，实现控制信号、状态信号与采集数据的传输。
低杂波控制功率控制下位机通过模拟输出模块输出M路模拟信号来分别控制低杂波前级的各个子路的输出功率。模拟输出模块输出最大时，前级功率输出功率为可调节范围的最小值；反之为最大值。
低杂波控制程序在接收到低杂波系统的准备信号时，将模拟输出模块输出为最大值，使微波前级功率输出最小值，并等待触发信号，当触发信号到来时根据功率控制上位机参数设置开始工作，程序采集速调管输出功率数据，并进行PID计算，同时判断采集功率的大小，判断是否发生了保护，进而根据需要输出设定的低杂波功率。
权利要求
1.一种托卡马克实验中低杂波功率控制系统，包括有多个大功率速调管，其特征在于 所述各大功率速调管的输出端安装有定向耦合器，所述定向耦合器耦合出来的入射功率通过隔直器隔直滤波后送入检波器，所述检波器输出端出来的检波电压送入放大器，所述放大器输出的放大电压由模拟输入模块采集、A/D转换模块转换为数字信号、功率控制下位机处理、D/A转换模块转换为模拟信号、模拟输出模块输出，所述模拟输出模块的输出端接入微波前级的PIN电调衰减器，所述功率控制下位机与功率控制上位机连接；所述放大器与模拟输入模块之间、模拟输出模块与PIN电调衰减器之间分别安装有一个隔离器。
2.根据权利要求
1所述的托卡马克实验中低杂波功率控制系统，其特征在于所述大功率速调管的个数为M支。
3.根据权利要求
1所述的托卡马克实验中低杂波功率控制系统，其特征在于所述功率控制下位机为cRIO系统，所述cRIO系统上具有与功率控制上位机进行通信的网络接口。
4.根据权利要求
1所述的托卡马克实验中低杂波功率控制系统，其特征在于所述检波器、放大器的输出电压为1-5V。
专利摘要
本发明公开了一种托卡马克实验中低杂波功率控制系统，包括有24个大功率速调管，所述各大功率速调管的输出端安装有定向耦合器，所述定向耦合器耦合出来的入射功率通过隔直器、滤波器隔直、滤波后送入检波器，所述检波器输出端出来的检波电压送入放大器，所述放大器输出的放大电压由模拟输入模块采集、功率控制下位机处理、模拟输出模块输出，所述模拟输出模块的输出端接入微波前级的PIN电调衰减器。本发明通过功率控制下位机采集、PID算法、模拟输出模块输出来控制前级PIN电调衰减器，控制低杂波前级功率，从而控制速调管的输出功率。同时通过对速调管输出功率和状态信号的采集，判断系统的工作状态，根据需要调整PID控制，防止速调管输出过冲，从而保证了低杂波系统的稳定性，满足托卡马克物理实验的需要。本系统功率控制下位机采用cRIO系统，使控制系统既具有FPAG的准确性、可靠性，又具有普通工控机的灵活性。
文档编号G21B1/05GKCN102520682SQ201110388026
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月30日
发明者刘甫坤, 单家方, 徐旵东, 王茂, 胡怀传, 马文东 申请人:中国科学院等离子体物理研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan