HIRFL主加速器相位穩(wěn)定系統(tǒng)的環(huán)路設(shè)計

李 強，張紅濤，李 靖，許 哲，王春曉，石愛民

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081;2.中國科學(xué)院近代物理研究所，甘肅蘭州 730000)

0 引言

中國科學(xué)院近代物理研究所重離子加速器(HIRFL)的加速腔高頻相位穩(wěn)定系統(tǒng)是整個加速器腔體低電平控制系統(tǒng)的重要組成部分，它用來保證各腔得到具有嚴(yán)格的頻率關(guān)系和相位關(guān)系的高頻信號，在各個加速器腔體間建立穩(wěn)定且正確的相位，抑制腔體由于振動、電源等引起的相位調(diào)制［1］。為解決相位穩(wěn)定系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性與調(diào)相抑制度的矛盾，舊系統(tǒng)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)(E.APC)抑制相位調(diào)制，外環(huán)(慢環(huán))設(shè)置與維持腔體與基準(zhǔn)信號的相位［2］。新設(shè)計的相位穩(wěn)定系統(tǒng)采用一個在FPGA上實現(xiàn)的數(shù)字穩(wěn)相環(huán)路，達到了所有的指標(biāo)與功能需求。

1 相位穩(wěn)定系統(tǒng)環(huán)路濾波器參數(shù)設(shè)計

1.1 相位穩(wěn)定環(huán)路簡介

建立腔體的相位穩(wěn)定系統(tǒng)傳輸模型［1］如圖1所示。其中移相器為固定增益為1，相位穩(wěn)定系統(tǒng)的環(huán)路濾波器的傳輸函數(shù)為F(s)。

圖1 腔體相位穩(wěn)定系統(tǒng)傳輸模型

腔體在加速不同離子時工作頻率從5.5～16 MHz，腔體的品質(zhì)因數(shù)Q值從5000～12000，諧振腔體近似為單調(diào)諧特性［2］，它的相位傳輸函數(shù)為［2］:

1.2 環(huán)路濾波器理論分析

環(huán)路濾波器傳輸函數(shù)如:

穩(wěn)相環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)是設(shè)計系統(tǒng)重要依據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求(干擾抑制度)合理設(shè)計環(huán)路濾波器參數(shù)，可以使穩(wěn)相環(huán)的閉環(huán)性能達到系統(tǒng)干擾抑制度指標(biāo)要求。圖2為開環(huán)設(shè)計的波特圖。

圖2 環(huán)路濾波器設(shè)計波特圖

1.3 環(huán)路濾波器數(shù)字化設(shè)計結(jié)構(gòu)

式(4)分為前后兩部分，分別對應(yīng)式(2)的前后兩部分。將上式使用FPGA實現(xiàn)，得到實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖中虛框內(nèi)部為式(4)的第1部分，實現(xiàn)PI調(diào)節(jié);虛框外部分為式(4)的第2部分，實現(xiàn)零極點重構(gòu)，根據(jù)當(dāng)前工作頻率與Q值計算出參數(shù)設(shè)置進去。

圖3 穩(wěn)相環(huán)的環(huán)路濾波器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

1.4 穩(wěn)相環(huán)的環(huán)路濾波器參數(shù)設(shè)計

根據(jù)調(diào)相抑制度指標(biāo)要求(如表1所示)，可以得到在相位調(diào)制頻率600 Hz處抑制度為計算基點計算出τ1，其他值依次計算出。

① 計算 τ4

以SSC腔體相位穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)相環(huán)為例，已知工作在8.4347 MHz時腔體Q值為7029，所以

因此，取 τ4=T0=2.6526 × 10－4s/rad;

② 計算 τ1

系統(tǒng)要求在600 Hz時有40 dB抑制度，在此取43 dB開環(huán)增益，從0～600 Hz的波特圖斜率為－20 dB/10倍頻，因此的穿越頻率為:

因此，可選 τ1=1.8779 × 10－6s/rad;

③ 計算 τ3

根據(jù)系統(tǒng)相位抑制需求，可選取600 Hz時為極點τ3的拐點頻率，因此:

④ 計算 τ2

根據(jù)經(jīng)典控制理論，開環(huán)傳遞函數(shù)在穿越頻率ωc處應(yīng)為－20 dB/10倍頻，所以應(yīng)該在穿越頻率之前，并為使過渡過程較好，應(yīng)有≤～，在此取=，所以頻率處開環(huán)增益為20lg3=9.5 dB。

⑤參數(shù)確定

將計算出的τ1～τ4與采樣周期代入式(4)的各個部分，然后量化設(shè)置到圖3的各個相關(guān)部分。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 閉環(huán)相位長期穩(wěn)定度

在實際SSC腔體上進行24小時閉環(huán)相位長期穩(wěn)定度測試，采用穩(wěn)相環(huán)自身鑒相器檢測與鎖定放大器同時檢測，測試結(jié)果為:穩(wěn)相環(huán)鑒相器:±0.0016°，SR884 鎖定放大器:±0.04°。

在長期觀測的曲線上，穩(wěn)相環(huán)鑒相器的輸出是一根均值為零的直線上疊加了一部分噪聲，噪聲的最大值為±0.0016°。測試結(jié)果遠優(yōu)于指標(biāo)要求的±0.7°的要求，已經(jīng)達到SR884儀器自身精度的極限，SR884測試出的結(jié)果主要是儀器自身的相位漂移，說明穩(wěn)相環(huán)的相位長期穩(wěn)定度肯定優(yōu)于鎖定放大器測出的指標(biāo)。

2.2 調(diào)相抑制度

調(diào)相抑制度測試采用在傳輸通道內(nèi)加相位調(diào)制，然后在調(diào)制點之后采用頻譜儀進行測試。在穩(wěn)相環(huán)開環(huán)時記錄調(diào)制頻譜功率，然后閉穩(wěn)相環(huán)再次測試調(diào)制頻譜功率，然后得到閉環(huán)調(diào)制抑制度。在模擬負載與實際SSC腔體上進行不同工作頻率下分別測試，實測得到穩(wěn)相環(huán)閉環(huán)調(diào)相抑制結(jié)果如表1所示。

表1 腔體的干擾抑制仿真與實測結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，采用模擬腔體負載時，穩(wěn)相環(huán)的調(diào)相抑制度與理論計算結(jié)果相吻合。在采用實際腔體負載測試時滿足指標(biāo)要求，但是在調(diào)制頻率小于300 Hz時與計算結(jié)果有較大差別，主要原因有2個:一個是在接近中心頻率測試時調(diào)制信號淹沒在腔體噪聲中，測試誤差較大;另一個是腔體只是近似的單調(diào)諧系統(tǒng)，零極點不能完全對消。

低頻端頻譜儀測試圖如圖4所示。

圖4 調(diào)相抑制度測試頻譜圖

2.3 腔體調(diào)制抑制效果

在SSC D1腔體上13.5418 MHz工作頻率下，閉穩(wěn)幅環(huán)后，分別測試穩(wěn)相環(huán)開環(huán)與閉環(huán)的頻譜圖，得到相位穩(wěn)定系統(tǒng)的腔體相位調(diào)制抑制測試頻譜圖如圖5所示。

圖5 腔體的調(diào)相抑制實測頻譜圖

3 結(jié)束語

經(jīng)過實際測試，證明設(shè)計合理可行，達到并超過了指標(biāo)需求。在實際工程應(yīng)用中采用同樣方法設(shè)計了SSC D1腔體、SSC D2腔體、NB1腔體、NB2腔體和SFC腔體的相位穩(wěn)定系統(tǒng)與幅度穩(wěn)定系統(tǒng)，經(jīng)測試都達到了較高的長期相位穩(wěn)定度(測試結(jié)果小于0.1°)，相位調(diào)制抑制度優(yōu)于指標(biāo)要求并有一定的抑制余量。采用PI控制加零極點對消的設(shè)計方法可以廣泛應(yīng)用于可變單極點負載穩(wěn)定系統(tǒng)的環(huán)路濾波器設(shè)計，并可達到較高的性能。

［1］馬瑞昌，王芳.蘭州重離子加速器高頻相位穩(wěn)定環(huán)路的設(shè)計與實驗［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1997，23(10):22－24.

［2］邱穎偉，孫虹，唐靖宇，等.快循環(huán)同步加速器射頻加速電壓幅度的數(shù)字化控制［J］.強激光與離子束，2008，20(11):1908 －1912.

［3］陸光華，張林讓，謝智波.數(shù)字信號處理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［4］溫希東.自動控制原理及其應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2004.