摘要:中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)中的射频低电平控制系统是基于FPGA的全数字控制系统,旨在完成对射频频率、加速电压和同步加速相位的控制。介绍了CSNS/RCS射频系统的低电平数字化控制设计方案,并着重对射频加速电压幅度控制回路进行了分析与讨论。电压幅度控制环路通过射频电压幅度信号与电压幅度设定值的比较,得到误差信号。误差信号经过控制器来控制输入到射频腔的功率,以达到稳定和改变腔压的目的。通过对控制对象的分析和建模,得到了满足系统要求的控制器。详细介绍了数字系统的实现,尤其是信号的解调和控制算法的实现。用ALTERA公司的DSP builder进行数字控制系统开发,系统仿真结果表明,环路误差信号大约于10μs(400个系统时钟)后归于0,整个电压幅度控制环路能稳定运行。
在中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)中,控制束流损失是纵向束流动力学设计的重要一环,射频加速电压、射频频率和同步加速相位是决定纵向束流动力学的主要因素。RCS射频系统的主要作用是为束流提供所需的射频电压,完成对注入质子束团的纵向俘获和加速。
射频系统通过低电平控制系统(LLRF)来实现对电压幅度和加速相位的控制,并同时提供扫频载波信号。LLRF经历过全模拟控制、数字加模拟控制和正在发展的全数字控制三个阶段[1]。由于对RCS射频系统的动态性能和稳定性要求较高,并且控制功能复杂,低电平控制系统将采用全数字的控制技术。本文将重点介绍电压幅度数字控制回路的设计方案。
1 RF低电平控制系统的设计方案
根据CSNS/ RCS的物理设计要求,射频系统需要8~10个铁氧体加载腔,提供最大165 kV的射频加速电压。每腔配以独立的偏流源系统、射频功率源和低电平控制系统。在RCS中,铁氧体加载腔以脉冲方式工作,占空比为50%,重复频率25 Hz,即每个工作周期为20 ms。在一个工作周期内,射频系统要提供变化的射频频率、加速电压和同步加速相位,以满足对由直线加速器注入到环形同步加速器中的质子束团进行俘获、加速和引出的需要。经RAMA程序优化设计的加速电压[2]、射频频率的变化情况如图1所示。为减小射频俘获过程中的束流损失,要求在加速开始阶段很短的时间内射频电压梯度有很大的提高,对应于整个加速周期开始的0.5 ms内,加速电压由起始的21 kV提高到70 kV;在5 ms附近,电压上升到最大值165 kV;在加速周期的最后阶段,电压下降到约为100 kV。
CSNS/RCS LLRF数字控制系统主要由以下几个部分组成:(1)电压幅度控制环,控制腔的加速电压幅度跟随电压幅度曲线;(2)束流同步相位控制环,控制腔压相位来保持它与束流相位的同步,用以抑制同步振荡;(3)腔体调谐控制环,通过控制腔的偏流源电流来改变加载电感,使高频腔在设定的RF频率下谐振;(4)束流前馈补偿环,通过功率放大器产生相反的电流来抵消束流的感应电流,用以补偿大束流负载。整个系统的结构如图2所示。
RCS射频电压幅度控制回路的结构如图3所示。电压幅度控制环路通过射频电压幅度信号与电压幅度设定值的比较,得到误差信号。误差信号经过控制器来控制输入到射频腔的功率,以达到稳定和改变腔压的目的[3]。 其中前置放大器用于将射频信号放大,产生足以驱动功率放大器的输出功率,功率放大器将射频信号放大到百kW量级,经磁耦合方式馈入射频加速腔,腔的间隙电压对质子束流加速。
由于固态前置放大器采用宽带放大器,在其工作范围内可以看成是线性放大器[4]。末级功放采用射频大功率四极管放大器,铁氧体加载腔实际是射频功率源的末级调谐负载,腔体谐振是通过对铁氧体偏流磁场的调节(偏流源)实现的。因此铁氧体加载腔的带宽决定了功率放大器的带宽。
腔体通常用RLC等效电路表示,其并联谐振电路的阻抗可以写为
当载波频率为腔的谐振频率时(ωR=ω0),射频高功率系统对两种调制可等效为一阶系统,并且两种调制之间没有耦合
由上面的分析,电压幅度闭环控制系统的结构如图4所示。Vprog为幅度设定值,即腔压幅度工作曲线,Gv(s)为控制器和环路总延迟,Gaa(s)为射频高功率系统。
系统中各个器件中都有不同的延迟,为了方便研究,可以把所有的延迟看成一个总延迟,它包括控制器、传输线、高频器件和腔的时延。系统采用PI控制器[6],比例P只改变系统增益,而积分I有利于系统稳态性能的提高。因此控制器和环路总时延对应的传递函数可以表示为
在一个加速周期内,由于射频腔的谐振频率要跟随加速频率而变化,因此射频腔的带宽是不断变化的,其带宽约为10 kHz,我们可以取σ≈2π×104rad/s。整个环路纯时延估计约为3μs,包括传输线延迟(500ns)、前置放大器、功率放大器和模拟滤波器和腔等高频器件的延迟(500 ns),以及数字控制器运算延迟(2μs)。我们取τ=3μs,有kP<π/2τσ≈8.3。超过这个值时系统将变得不稳定。当kI取不同的值时,kP的上限会有所变化,但在基本抵消极点的工作状况下,可以认为比例增益的上限为8.3,以满足系统稳定性要求。
闭环单位阶跃响应的稳态误差为
2 控制系统的数字实现和仿真
控制环路的FPGA编程实现如图5所示,腔压信号经A/D转换成数字信号,然后通过数字I/Q解调,得到射频腔实际电压幅度信号与参考电压幅度比较的差值,即误差信号[7]。误差信号经过数字PI控制算法处理,对由DDS射频信号发生器输出的RF信号进行数字调制后通过D/A转换器将RF驱动信号送到RF前置放大器。
2.1 数字I/Q解调模块
2.2 数字PI控制器
数字PI控制器[9]如图7所示,其迭代算式为
2.3 仿真结果和分析
我们用ALTERA公司的DSP builder开发由上面模块组成的数字控制环路。DSP builder是一个系统级的(或算法级)的开发工具,它架构在多个软件工具之上,并把系统级和RTL级两个设计领域的设计工具连接起来,最大程度地发挥了各种工具的优势。取系统时钟为40 MHz,系统的载波信号由ALTERA公司的NCO IPcore产生,频率变化范围为1.0~2.5 MHz。由上面的分析我们可以取PI参数为kP=1,kI=7×104。由DSPbuilder进行系统仿真,得到系统的阶跃响应误差信号如图8所示,可知,环路误差信号大约于10μs(400个系统时钟)后归于0。仿真结果表明系统的动态性能和稳态性能均满足要求。
3 结 语
在整个电压幅度控制环路中,系统采用数字I/Q解调和PI控制算法,环路在变频的条件下能稳定地工作。下一步的方向是通过优化数字低通滤波器的参数,以提高滤波器的性能,减少整个回路的延迟,从而可以在保证系统稳定的情况下,增大系统的带宽。
参考文献:
[1] Ma H J,Kasemer K,Champion M, et al. Digital RF control for spallation neutron source accumulator rin[C]//Proceedings of PAC, 2007:611-613.
[2] Wei T, Fu S N, Qin Q, et al. RF trapping and acceleration in CSNS/RCS[J].Chinese Physics C,2008,32(6):437-441.
[3] Tamura F, Schnase A, Nomura M, et al. Low level RF control system of J-PARC synchrotrons[C]//Proceedings of PAC. 2005:3624-3626.
[4] 耿哲峤.BEPCII直线加速器相控系统设计研制[D].北京:中国科学院研究生院,2007:50-55.( Geng Z Q. Design and construction of thephasing system for BEPCⅡLinac. Beijing: Graduate UNIversity of Chinese Academy of Sciences, 2007:50-55)
[5] Turner S. CAS CERN accelerator school RF engineering for particle accelerators(VolⅡ)[M]. Oxford: CERN, 1992: 449-453.
[6] 邹伯敏.自动控制理论[M].2版.北京:机械工业出版社, 2004:260-270.(Zou B M. Principle of automatic control. second edition. Beijing:China Machine Press, 2004:260-270)
[7] Schnase A, Nomura M, Tamura F, et al. Control loops for the J-PARC RCS digital low-level RF control[C]//Proceedings of PAC, 2005:1063-1065.
[8] 潘松,黄继业. EDA技术与VHDL[M]. 2版.北京:清华大学出版社, 2007:393-396.( Pan S,Huang J Y. EDA technology and VHDL.second edition. Beijing: Tsinghua Univisity Press, 2007:393-396)
[9] 贺允东.数字控制系统[M].北京:人民邮电出版社, 1986:331-333. (He Y D. Digital control system. Beijing: Posts and Telecom Press,1986: 331-333)
基金项目:中国散裂中子源预研项目
作者简介:邱颖伟(1982—),男,博士研究生,从事射频系统数字低电平控制系统研究;qiuyw@ihep.ac.cn。
通信作者:孙虹,sunh@ihep.ac.cn。
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