[發明專利]低雜波功率控制系統

有效

• 申請號: 201110388026.4
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN102520682A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 馬文東;胡懷傳;王茂;劉甫坤;單家方;徐旵東
• 申請（專利權）人: 中國科學院等離子體物理研究所
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418;G21B1/05
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明屬于受控熱核聚變領域，具體是在托卡馬克核聚變裝置上根據實驗需要實現對低雜波輸出功率的控制。

背景技術

低雜波目前廣泛的應用于核聚變實驗中，其主要作用是電流驅動和輔助加熱。低雜波系統主要通過多只高功率速調管輸出功率。速調管的輸出功率受到微波前級功率、高壓、磁場、燈絲等多種因素的影響。目前在國內對于低雜波功率控制主要是通過實驗前設定需要的高壓，在實驗時輸出設定過的高壓并打開前級PIN開關，根據經驗確定輸出的功率，進行開環控制。這種模式就造成了低雜波功率輸出的不穩定性、不確定性，因而不能滿足對精度要求高的托卡馬克物理實驗要求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提出一種實現在托卡馬克實驗過程中，低雜波功率精確、穩定的輸出的低雜波功率控制系統。

本發明的技術方案如下：

托卡馬克實驗中低雜波功率控制系統，包括有多個大功率速調管，其特征在于：所述各大功率速調管的輸出端安裝有定向耦合器，所述定向耦合器耦合出來的入射功率通過隔直器隔直濾波后送入檢波器，所述檢波器輸出端出來的檢波電壓送入放大器，所述放大器輸出的放大電壓由模擬輸入模塊采集、A/D轉換模塊轉換為數字信號、功率控制下位機處理、D/A轉換模塊轉換為模擬信號、模擬輸出模塊輸出，所述模擬輸出模塊的輸出端接入微波前級的PIN電調衰減器，所述功率控制下位機與功率控制上位機連接；所述放大器與模擬輸入模塊之間、模擬輸出模塊與PIN電調衰減器之間分別安裝有一個隔離器。

所述的托卡馬克實驗中低雜波功率控制系統，其特征在于：所述大功率速調管的個數為24支。

所述的托卡馬克實驗中低雜波功率控制系統，其特征在于：所述功率控制下位機為cRIO系統，所述cRIO系統上具有與功率控制上位機進行通信的網絡接口。

所述的托卡馬克實驗中低雜波功率控制系統，其特征在于：所述檢波器、放大器的輸出電壓為1-5V。

本發明的工作原理：本發明通過功率控制上位機事先設定輸出功率，通過網絡傳遞給功率控制下位機，在速調管輸出口有定向耦合器，定向耦合器耦合出少量微波，然后經過檢波轉換為電壓信號，再經過放大、隔離、采集，從而可以實時的將速調管口的功率信號傳送給功率控制下位機，根據功率控制下位機的PID算法，確定測量功率與設定功率的差值，功率控制下位機通過模擬輸出模塊輸出模擬量控制前級放大器的PIN電調衰減器，從而控制微波前級的輸出功率，使速調管的輸出功率恒定不變。

本發明的優點是：

（1）實現低雜波功率的穩定輸出。通過獲取速調管輸出口的實時功率信號，功率控制下位機基于FPGA的PID計算，對PIN電調衰減器的控制，整個功率控制系統可以實現100us級別的閉環控制，滿足托卡馬克實驗需求。

（2）功率控制下位機采用cRIO系統，此系統實現了FPGA與微處理器的有機結合，既可以實現基于硬件的準確可靠的功率控制，又具有微處理器的靈活性。該系統還具有網絡接口和數字輸入輸出模塊，可以通過上位機設置實現功率控制下位機多種功率控制模式的選擇，也可以通過數字輸入輸出模塊實現硬件級別的功率控制模式選擇。

（3）實現低雜波系統保護狀態的自動判斷控制。低雜波系統中還有很多其他的保護系統。比如高反射保護、打火保護、過流保護，當發生這些保護時，微波前級系統會關閉一定的時間，從而關斷速調管功率的輸出，保護整個低雜波系統。這時前級功率控制功率控制下位機能夠通過速調管輸出口的功率信號和狀態信號及時判斷是否處于保護狀態。當處于保護狀態時，通過調整電調保證前級功率在恢復輸出時為最小值，從而保證系統恢復功率輸出時的安全。當系統恢復輸出時，重置PID參數和時間，保證系統恢復輸出后，能夠快速的實現原先設定的功率值。這樣根據各種實驗的情況，功率控制下位機程序能夠自動的控制低雜波的功率。

（4）實現低雜波系統在托卡馬克特殊放電模式下的自動控制。托卡馬克實驗有時需要低雜波系統能夠實現功率調制或者交流放電等特殊的功率輸出方式。此時速調管的功率會發生較為頻繁的改變。本發明在這種情況下，通過重置PID參數和時間可以實現功率的快速穩定，可以通過設定，實現在一定輸出功率范圍內漸變或跳躍式的功率輸出，滿足物理實驗的需要.并且可以通過采集功率為零的時間長短來判斷托卡馬克放電是否結束。

（5）本系統中的所有放大器輸出電壓為1-5V，從而可以判斷放大器工作是否正常。各種觸發信號和狀態信號均采用低電平有效，同樣可以實現系統故障的快速發現，克服了以往系統的缺點。