ICRH远程调配系统前端控制器的毕业设计论文.doc
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1、1 目 录 中文摘要3 英文摘要4 1 离子回旋共振加热(ICRH)简介6 1.1 ICRH 系统组成与原理6 1.1.1 高频发射机 6 1.1.2 射频传输和阻抗匹配系统 7 1.1.3 ICRH 天线7 1.2ICRH 系统控制要求.8 1.2.1 ICRH 电容调配系统的特点8 1.2.2 系统的控制要求 8 1.2.3 本课题的主要工作.9 2 ICRH 前端控制器电路设计 .10 2.1 中央处理器电路10 2.1.1 控制结构 .10 2.1.2 芯片选择 .11 2.1.3 电路功能与结构分析 .12 2.2 伺服驱动器的控制逻辑13 2.2.1 驱动器输入输出信号端子 .13
2、 2.2.2 电机运行驱动控制逻辑 .13 2.3CPLD 内部逻辑的实现14 2.4伺服驱动器接口电路16 2.5编码器信号的返回与处理17 2.6状态信号的返回与处理.18 2.7控制单元的电压设计19 3 前端控制器固件设计.20 3.1 通信协议的定义20 3.2固件设计23 3.3 脉冲命令的执行处理.25 3.4停转命令的执行处理27 3.5电容校准命令处理27 4 实验测试及结果.29 4.1 ICRH 系统操作界面29 4.2测试内容与测试方法30 4.3测试结果及结果分析32 2 结束语.34 参考文献.35 附录 1 单片机程序 36 附录 2 CPLD 程序.50 附录
3、3 电路图及 PCB 版图 .53 3 ICRH 远程天线调配系统前端控制器的设计 摘要:ICRH 天线调配系统的工作环境和工作要求对电容调配控制系统的设计 与实现提出了很高的要求,因此,构建一个可靠的、精准的、易操控控 制系统是非常重要的。本课题要设计的前端控制器是 ICRH 天线远程电 容调配系统的一个关键控制模块。前端控制器直接接收远程控制终端的 控制命令,按命令执行规定的操作,并检测执行结果和当前状态返回给 远程控制终端。 本文在充分分析了 ICRH 系统工作原理和控制要求的基础上,对前端控 制器的功能需求进行了深刻分析,完成了前端控制器的硬件电路和固件 设计、调试工作和实验测试工作,
4、给出了测试结果,并对测试结果进行 了分析。电路设计时充分考虑了特定的工作环境、功能需求以及可扩展 性,采用 CPU+CPLD 的控制结构。CPU 主要用于通信控制、数据处理 以及伺服系统工作状态配置,CPLD 则用于实现电机运行的控制逻辑并 对返回信号进行处理,二者之间采用总线交换数据。CPU 和 CPLD 等 主要芯片选用工业级芯片,对输入输出采用严格的隔离、退耦和电磁屏 蔽措施,保证电路的可靠性。固件设计时充分考虑了可能出现的精确定 位、电容安全、误差消除以及可靠性等关键问题。固件中自定义了 RS485 应用层协议,其特点是精简、多种差错控制,从而保障了执行效 率和通信的可靠性。为了进一步
5、保证控制精度,在固件设计时对发出的 脉冲指令和实际返回编码器指令进行实时监视,并对偏差自动校正,另 外协议设置了校准命令可以消除误差积累。实验测试着重对控制器的可 靠性、响应速度、误差校准以及定位精度进行了反复实验和分析,结论 是达到了预期的设计要求。 关键词:ICRH 天线远程调配系统,电容调配,前端控制器,硬件,固件 4 Abstract: The ICRH antenna mixed systems work conditions and requirement set high request to the design and realization of remote contro
6、l system of vacuum tuning capacitor, therefore, constructing one reliably, accurate control system easy to control is very important. The front controller designed in this topic is a key control module of the ICRH antenna long- distance electric capacity system, which receives control command direct
7、ly from the remote control terminal, executives commands according to the order, examines the result, returns the result and the current condition to the remote control terminal. On the basees of analyzing the work principle and control request of the ICRH system, this article has carried profound a
8、nalysis on the front controllers function and demand, and completed the hardware circuit and firmware design, the debugging work and test-work of the front controller. The article also has given the test result, and carried on analysis to it. Think of the specific working conditions, the function de
9、mand as well as the extendibility, the article uses the control structure of CPU+CPLD. CPU mainly be used in corresponding control, data processing as well as server active status disposition, CPLD is used in realizing the control logic of the electrical machine and processing tthe inverse signal, b
10、etween the two uses the main line to exchange data. CPU and CPLD and other main chips select the technical chips, which use strict isolation, decoupling and electromagnetic screen to guarantee circuits reliability in input and output. It had considered fully on key questions in the firmware design w
11、hich possibly appear such as pinpointing, electric capacity security, error cancelling as well as reliable and so on. It defines agreement on the RS485 application layer in firmware, whose character is simplification, many kinds of error controls, thus guarantees the efficiency and the correspondenc
12、e reliability. To further guarantee the control precision,there are real-time examination to pulse instruction and actual bridging orders, automatic correction to deviation. The agreement established calibration order to eliminate the accumulation error. The 5 experiment tested emphatically the cont
13、rollers reliability, the speed of response, the erroneous calibration as well as the pointing accuracy, the conclusion has achieved the anticipated design requirements. Keyword: The ICRH antenna long-distance mixed system, The electric capacity mixes, Front controller, Hardware, Firmware 6 1 离子回旋共振加
14、热(ICRH)简介 1.1 ICRH 系统组成与原理 离子回旋共振加热(Ion Cyclotron Resonance Heating,简称 ICRH)是等 离子体加热的方法之一。它采用的是处于离子回旋频段的电磁波(频率为 10MHZ-200MHZ)对等离子体进行辐射,使等离子体的温度升高至发生核聚变反 应所需的温度。整个离子回旋共振加热系统主要由高频发射机、射频传输和阻 抗匹配系统、天线三个主要部分组成。由于离子回旋加热所使用的射频波处于 10200MHz 范围,与此相关的技术比较成熟,可以比较容易地获得高功率的射 频源,系统的造价也相对较低,并且此种加热方式可获得较好的加热效果。离 子回旋
15、共振加热的加热功率主要是被共振离子所吸收,通过控制纵场的大小或 选择适当的快波加热效率,使共振吸收在等离子体中心区域附近,这样,可以 将快波加热能量有效的耦合到等离子体中心区域。理论分析及实验结果表明, 采用少数离子加热时,适当地控制少数离子的浓度,可以进一步改善加热效果。 1.1.1 高频发射机 HT-7 装置 ICRH 系统可输出 300 千瓦的 RF 功率,可在连续波或脉冲波两种 模式下工作,主要用于对托卡马克等离子体进行射频加热实验和壁处理。在 EAST 超导托卡马克实验装置中,新系统具有 1.5 兆瓦的射频输出能力,脉冲宽 度大于 1000 秒。 1.1.2 射频传输和阻抗匹配系统
16、射频传输系统负责将发射机产生的高频电磁波传输至加热天线。传输线采 用同轴线,其特性阻抗为 50 欧姆。由于波在传输过程中会不可避免地发生反射, 而阻抗匹配是使微波电路或系统无反射、载行波尽量接近行波状态的技术措施, 所以它是微波电路和系统(包括天线)设计时必须考虑的重要问题之一,其重 要性主要体现在以下几个方面: 7 1.阻抗匹配时天线负载吸收的功率最大,从而发射机的输出功率通过天 线负载能有效地耦合到等离子体中,且此时馈线中的功率损耗最小; 2.阻抗失配时传输大功率容易导致击穿; 3.阻抗失配时的反射波会对信号源产生频率牵引作用,使信号源工作不 稳定,甚至不能正常工作。 基于上述原因,在传输
17、系统中,必须辅以阻抗匹配系统才可以尽可能的把 波由发射机传输至天线辐射给等离子体。EAST 装置中有两套不同的阻抗调配系 统,一套是紧贴天线的真空调配电容系统,另一套是原 HT-7 装置中使用的支节 调配器,它是三根终端短路或开路的传输线段,在可变电容调节天线输入阻抗匹 配不理想时,辅助匹配。 EAST-ICRH 射频传输和阻抗匹配系统大体如图 1.1 所示: 图 1.1 EAST-ICRH 射频传输和阻抗匹配系统 1.1.3 ICRH 天线 ICRH 天线是射频功率传输系统中与等离子体直接耦合的器件,可看作终端 短路的 TEM 传输线。EAST 装置中使用的天线是一种新型 ICRH 天线,在
18、它与馈 线之间装有真空调配电容,以调节天线的输入阻抗与馈线阻抗匹配,提高天线 的辐射能力。对离子回旋共振加热系统天线真空调配电容的调节,是实现阻抗 匹配的一个比较快速、高效的办法。 1.2ICRH 系统控制要求 定向耦合器 电压探针 可变电容 相移器支节调配器 8 1.2.1 ICRH 电容调配系统的特点 在 ICRH 系统中,高频发射机的输出阻抗为 50 欧姆,而天线的输入阻抗是 未知的,它随等离子体和放电参数的变化而变化。一般情况下,在放电期间阻 抗实部的值通常在 0.52 欧姆的范围内变化。为了实现传输线阻抗与天线负载 阻抗的匹配,在天线与高频发射机之间必须接入可调的阻抗匹配装置。 新型
19、天线的真空调配电容共有 4 个,在调配过程中每个电容在调阻抗匹配 时是独立工作的,所以需要四套控制设备分别进行控制,控制系统中的通信采 用点对多的通信方式。 天线电容调配靠近 EAST 装置,工作环境恶劣,工作控制室与被控对象距离 大于 200 米以上,适宜采用远程控制方式。 考虑到系统天线台需要移动、同轴开关需要换向、支节匹配器的控制以及 被控对象的备用等因素,系统要具备扩展能力。 由于真空调节电容是非线性多圈平板电容,厂家只给出了几个有限点的参 考值,其它点的电容值需要拟合得到,它的非线性也需要通过控制系统进行校 正。 在进行实验研究时,等离子体放电时间在几秒至几百秒之间,天线调配希 望在
20、尽可能短的时间内完成,这就需要控制系统有足够快的相应速度。 1.2.2 系统的控制要求 综合 ICRH 阻抗调配系统的特点以及调配电容本身的特性,同时考虑到系 统的扩展性,针对实际情况提出以下控制要求: 1要有较高的定位精度,就是电机转动是严格按照上位机的指令进行的。 比如说:当电容从 54.3pF 调到 70.3pF 的时候,需要转动的圈数是 5 圈,对应 2500 个脉冲,那么这时,就要求电机能完全执行 2500 个脉冲,即不能多转也 不能少转;同时转动方向也能保持绝对准确,这就是精确定位。 2要有较快的动态响应,在本系统中,主要是看系统的响应时间符不符合 放电的要求。针对放电要求,系统的
21、响应时间不能太长,但又要确保控制命令 以及反馈数据被正确的发送和接收,这是远程控制功能稳定准确实现的又一关 9 键所在。系统响应时间定义:在发出脉冲指令后到定位完成的平均时间,响应 时间应不大于 100ms。 3电容安全:电容可在 15pF 与 150pF 之间进行调整,若电容的调节超过 这个范围,这必然会导致电容被损坏。当电容的可动部分(螺杆)转到头(15 或 150PF)的时候,电机是应能及时停止转动的,这样电容才不会被损坏。所 以要保证在这样的情况下电机能及时停转。 4本系统将运行于 EAST 装置,系统的可靠性和抗干扰能力十分重要。要 对强磁场进行屏蔽以保障电机工作正常,也要隔离可能存
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