NNBI射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 釗 王明偉 雷 濤 白建軍 葛 銳

1（陜西科技大學(xué) 電子信息與人工智能學(xué)院 西安 710021）

2（陜西循天廣播技術(shù)有限公司 咸陽 712000）

中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）是實(shí)現(xiàn)中國核聚變能商業(yè)堆過程中的重要研究項(xiàng)目［1］。中性束注入加熱系統(tǒng)是CFETR的重要組成部分［2］，隨著聚變等離子體性能的不斷提高，中國現(xiàn)有的中性束注入系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足需求［3］，因此，CFETR中性束注入加熱系統(tǒng)將采用新型負(fù)離子源，即負(fù)離子源中性束注入系統(tǒng)（Negative Ion Based Neutral Beam Injection System，NNBI）［4］。NNBI系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而龐大的大科學(xué)系統(tǒng)工程，涉及多種技術(shù)設(shè)備，射頻功率源為其中負(fù)責(zé)等離子體激發(fā)部分的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備［5］。射頻功率源是可以產(chǎn)生固定頻率的正弦波、具有一定頻率的高頻激勵(lì)源，主要由射頻信號(hào)源、射頻功率放大器及阻抗匹配器組成，是等離子體配套激勵(lì)源［6］。因CFETR NNBI設(shè)備參數(shù)要求的提高，配套的射頻功率源也需要優(yōu)化提升輸出功率的精度和穩(wěn)定性。NNBI射頻功率源目前由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)院委托陜西科技大學(xué)和陜西循天廣播技術(shù)有限公司聯(lián)合研制。

射頻功率源是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，其輸出功率存在較高的動(dòng)態(tài)性和滯后性，傳統(tǒng)射頻功率源功率控制方法存在控制精度較低，輸出功率穩(wěn)定性差等問題［7］。為了滿足CFETR NNBI系統(tǒng)中等離子體激發(fā)過程對(duì)射頻功率源輸出功率的穩(wěn)定性與控制精度方面的高指標(biāo)要求，本文采用ARM+CPLD（Advanced RISC Machine+Complex Programmable Logic Device）雙核控制結(jié)構(gòu)替代單核單片機(jī)控制；采用基于模塊化功率放大器合成技術(shù)的數(shù)字化功率控制方法替代模擬功率控制；采用基于射頻功率信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)的閉環(huán)功率控制方法替代開環(huán)控制。設(shè)計(jì)了新型射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)，并在射頻功率源樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)輸出功率具有高精度、高穩(wěn)定性，能夠滿足CFETR NNBI射頻功率源輸出功率的技術(shù)指標(biāo)。

1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)包括5大模塊：雙核控制模塊、設(shè)備狀態(tài)采集模塊、功率輸出控制模塊、功率監(jiān)測(cè)模塊和人機(jī)交互模塊。由運(yùn)行在上位機(jī)上的人機(jī)交互程序?qū)Χ鄠€(gè)子模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)控制與信息顯示。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，首先，ARM+CPLD雙核控制模塊通過設(shè)備狀態(tài)采集模塊，實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，并輸出至人機(jī)交互模塊進(jìn)行顯示，在設(shè)備出現(xiàn)狀態(tài)變化例如故障時(shí)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的控制操作，例如關(guān)機(jī)。功率輸出控制模塊會(huì)根據(jù)雙核控制模塊送來的輸出功率大小數(shù)據(jù)調(diào)制編碼出一個(gè)12 bit的二進(jìn)制控制字，進(jìn)而對(duì)多級(jí)射頻放大器進(jìn)行開閉控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的輸出功率控制。功率監(jiān)測(cè)模塊會(huì)實(shí)時(shí)地對(duì)射頻功率源的入射功率與反射功率進(jìn)行精確采樣并送回雙核控制模塊，實(shí)現(xiàn)功率的閉環(huán)控制和精確顯示。人機(jī)交互模塊包括嵌在機(jī)器上的觸摸屏界面和執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的上位機(jī)，這兩者都是通過串口通信的方式來與雙核控制模塊交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與控制指令下達(dá)。

圖1 功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of power control system design

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雙核控制結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)射頻功率源控制系統(tǒng)中，多個(gè)控制模塊算法都在一塊單片機(jī)芯片內(nèi)完成［8］，雖然可以通過程序優(yōu)化來進(jìn)行多個(gè)算法的分時(shí)復(fù)用處理，但處理速度依然會(huì)受到單片機(jī)性能的限制，特別是當(dāng)系統(tǒng)中控制的外圍設(shè)備較多時(shí)，單片機(jī)芯片需要大量時(shí)間與外圍設(shè)備通信，導(dǎo)致控制算法的運(yùn)行效率降低［9］。為此，本次射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了ARM+CPLD的雙核化控制模塊，使用軟、硬分離的方式將數(shù)字化功率控制算法、閉環(huán)功率控制算法等運(yùn)算以及人機(jī)交互通信放在ARM微控制器中執(zhí)行，同時(shí)將設(shè)備狀態(tài)采集、設(shè)備狀態(tài)控制、數(shù)字化功率放大器控制、輸出功率檢測(cè)板采集等功能放在CPLD中執(zhí)行。這樣可以提高控制系統(tǒng)中控制算法的執(zhí)行效率，同時(shí)保證外圍設(shè)備通信的實(shí)時(shí)性，增強(qiáng)射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)也為后續(xù)設(shè)備硬件的升級(jí)與拓展留下了空間［10］。

雙核控制模塊中微控制器芯片選用了STM32F 103VET6，這是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器，主頻為72 MHz，引腳100 Pin，并集成了GPIO、USART、IIC、SPI等片上外設(shè)［11］。其高效高穩(wěn)定性可以保障控制系統(tǒng)算法實(shí)時(shí)可靠地運(yùn)行。

雙核控制模塊中復(fù)雜可編程邏輯器件選用了EPM570T144A5，此類CPLD的本質(zhì)是數(shù)字集成電路，芯片內(nèi)部集成了大量的邏輯門單元，具有良好的靈活性和可重構(gòu)性，可以根據(jù)功能需求在CPLD芯片內(nèi)部可重復(fù)性地自行設(shè)計(jì)和構(gòu)造邏輯電路。它是Altera公司推出的MAX II系列產(chǎn)品，其突出特點(diǎn)是功耗低，成本低和外圍配置電路簡(jiǎn)單［12］。該芯片具有570個(gè)邏輯單元等效于440個(gè)宏單元，其并行化的多路數(shù)據(jù)讀寫處理可以滿足本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多路數(shù)據(jù)讀寫解算需求［13］。

雙核控制模塊中ARM芯片與CPLD芯片之間通過8位GPIO口進(jìn)行通信，保證了數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性和可靠性。

2.2 數(shù)字化功率控制

傳統(tǒng)的射頻功率源設(shè)備一般采用模擬量的功率控制方法，這種方法是直接使用DC電平控制功放模塊的電壓變化，進(jìn)而輸出相對(duì)應(yīng)的輸出功率值［14］，不過由于電平的幅度往往會(huì)存在一定的波動(dòng)，且無法對(duì)功放進(jìn)行模塊化改造，因此，這種模擬方式的控制精確度和穩(wěn)定性會(huì)差一些。

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且高精度的輸出功率控制，在本次射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)中采用了數(shù)字化的功率控制方法，即使用12位的二進(jìn)制控制字來控制多路功率放大器的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率大小的控制。以額定輸出功率50 kW射頻功率源為例，其邏輯是在硬件上為射頻功率源安裝了66個(gè)射頻功率放大器模塊，其中包括6個(gè)微調(diào)功放模塊以及60個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功放模塊。所謂的微調(diào)模塊指這6個(gè)模塊的輸出功率各不相同，每個(gè)模塊是另一個(gè)模塊的1/2，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)模塊的輸出功率為1，則6個(gè)微調(diào)模塊的輸出功率分別是1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64。由此也可以看出，射頻功率源的輸出功率分辨率是標(biāo)準(zhǔn)功放功率的1/64。

每bit（B1~B12）數(shù)字功率控制信號(hào)中，B1是最高位，B12是最低位，在射頻功率源中，該控制字被分成了兩組：B7~B12用于控制6個(gè)微調(diào)功放模塊的開關(guān)；B1~B6用于控制60個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功放模塊的開關(guān)。6位二進(jìn)制數(shù)與60個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功放模塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，標(biāo)準(zhǔn)功放提供相等的射頻輸出電壓，功放開通的數(shù)目不同時(shí)，可得到不同的輸出功率。

表1 二進(jìn)制數(shù)據(jù)B6~B1與標(biāo)準(zhǔn)功放模塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between binary data B6~B1 and standard power amplifier module

6位二進(jìn)制數(shù)B7~B12與6個(gè)微調(diào)功放模塊之間有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，也就是說B7對(duì)應(yīng)1/2功放模塊；B8對(duì)應(yīng)1/4功放模塊；B9對(duì)應(yīng)1/8功放模塊；B10對(duì)應(yīng)1/16功放模塊；B11對(duì)應(yīng)1/32功放模塊；B12對(duì)應(yīng)1/64功放模塊，數(shù)字位為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的模塊導(dǎo)通，數(shù)字位為0時(shí)，對(duì)應(yīng)模塊關(guān)斷。

從表1可以看到，6位二進(jìn)制數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)功放模塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系就是將二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換為這個(gè)值對(duì)應(yīng)的模塊數(shù)，如果6位二進(jìn)制值≥60，那么導(dǎo)通的模塊數(shù)量鉗位在60個(gè)，鉗位數(shù)量值取決于射頻功率源最大輸出功率值。

（四）在牧草種植、秸稈加工利用及農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼方面 目前牧草種子補(bǔ)貼已經(jīng)基本到位，但是秸稈加工利用所需的鍘草機(jī)和揉搓機(jī)等設(shè)備的補(bǔ)貼尚未到位。

射頻功率源控制系統(tǒng)通過12位數(shù)字化控制信號(hào)控制射頻功率放大器的開閉，進(jìn)而控制射頻功率放大器的工作狀態(tài)以及輸出功率的大小。射頻功率放大器用于進(jìn)行射頻信號(hào)的功率放大，其由上級(jí)控制信號(hào)決定工作狀態(tài)，并輸出功率信號(hào)至功率合成線圈進(jìn)行下一級(jí)功率合成。功率合成器將多級(jí)射頻功率放大器輸出的射頻信號(hào)進(jìn)行功率合成并輸出至射頻功率源的負(fù)載，其功率合成主要是通過合成線圈進(jìn)行的，功率合成的原理如圖2所示。從圖2可以看到，合成器是用高頻變壓器做成功率合成網(wǎng)絡(luò)，圖中變壓器T1、T2、…、Tm具有相同的匝數(shù)比K，設(shè)變壓器初級(jí)從電阻R1、R2、…、Rm兩端饋入射頻激勵(lì)電壓U1、U2、…、Um，且：

圖2 功率合成原理圖Fig.2 Schematic of power synthesis

則有射頻激勵(lì)電流I1、I2、…、Im，且：

則有射頻激勵(lì)功率P1、P2、…、Pm，且：

則在變壓器次級(jí)可得電壓Un1、Un2、…、Unm，且：

則有合成電壓Un，且：

功率合成器次級(jí)接有負(fù)載，設(shè)負(fù)載電阻為Rn，且：

則有合成電流In，且：

可以看出，這種模塊化的功率合成方式滿足功率相加條件。

微調(diào)功率合成器的結(jié)構(gòu)和原理與主功率合成器基本相同，不同的是微調(diào)功率合成器上插接的6個(gè)功放模塊的輸出功率各不相同（分別是標(biāo)準(zhǔn)功放模塊的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64）。由此，射頻功率源的輸出功率分辨率是標(biāo)準(zhǔn)功放功率的1/64，當(dāng)50個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功放模塊輸出50 kW功率時(shí)，功率源的輸出功率分辨率為：

按百分比計(jì)算為：

可以看出，通過數(shù)字化的射頻功率源輸出功率控制方法配合模塊化的功率放大器設(shè)計(jì)，對(duì)輸出功率控制的精確性相較于傳統(tǒng)的模擬電平信號(hào)功率控制方法有較大的優(yōu)勢(shì)。

2.3 閉環(huán)功率控制

傳統(tǒng)射頻功率源設(shè)備受限于輸出功率檢測(cè)精度以及對(duì)輸出功率波動(dòng)性要求較低，在輸出功率控制方面采用開環(huán)的方式，實(shí)際輸出功率大小并不會(huì)回饋到功率輸入控制中。因此，當(dāng)輸出功率意外下降時(shí)，功率控制電路并不會(huì)采取補(bǔ)償措施，導(dǎo)致實(shí)際輸出功率不達(dá)標(biāo)。本文的射頻功率源設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了輸出功率閉環(huán)控制的方法解決負(fù)載阻抗變化時(shí)，射頻功率源輸出功率下降的問題。比如，當(dāng)射頻功率源激發(fā)等離子體時(shí)，激發(fā)瞬間負(fù)載阻抗會(huì)發(fā)生很大變化，這樣射頻功率源的輸出阻抗與負(fù)載阻抗不匹配，射頻功率源的輸出功率就會(huì)發(fā)生變化［15］，大部分情況下，輸出功率會(huì)下降，這樣閉環(huán)控制就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)增加輸出功率，保持實(shí)際輸出功率維持在設(shè)定值附近，滿足CFETR NNBI系統(tǒng)對(duì)射頻功率源輸出功率穩(wěn)定性的要求。

射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制邏輯框圖如圖3所示。核心控制器實(shí)時(shí)輸出設(shè)定的輸出功率值和最小功率分辨率等數(shù)據(jù)，與輸出功率取樣電路采集到的實(shí)時(shí)實(shí)際輸出功率數(shù)據(jù)在輸出功率控制中經(jīng)過閉環(huán)控制算法處理后輸出動(dòng)態(tài)的功率控制信號(hào)，并通過射頻功率放大器控制信號(hào)調(diào)整66級(jí)射頻功率放大器的開閉進(jìn)而控制功率合成器的實(shí)際輸出功率。

圖3 功率閉環(huán)控制邏輯框圖Fig.3 Block diagram of power closed-loop control logic

所述輸出功率控制中通過將設(shè)定的輸出功率數(shù)據(jù)與輸出功率取樣電路采集的實(shí)際輸出功率數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償算法運(yùn)算，包括閉環(huán)增益、開平方器、乘法器、電源補(bǔ)償?shù)炔襟E后輸出補(bǔ)償后的輸出功率控制信號(hào)。系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了峰值過流保護(hù)和平均電流過流保護(hù)功能，電源補(bǔ)償功能可以在外部供電電壓變化的情況下實(shí)時(shí)補(bǔ)償，穩(wěn)定輸出功率大小。另外還可以通過人機(jī)交互界面控制信號(hào)實(shí)時(shí)進(jìn)行輸出功率升降或一鍵調(diào)節(jié)至設(shè)定的輸出功率大小，功率閉環(huán)控制策略如圖4所示。

圖4 功率閉環(huán)控制策略Fig.4 Block diagram of power closed-loop control strategy

輸出功率取樣電路包括：輸出射頻信號(hào)的電壓采樣電路和電流采樣電路，用于實(shí)時(shí)精確采樣射頻功率源實(shí)際輸出功率的大小數(shù)據(jù)，其中電壓信號(hào)采樣采取電容分壓法［16］，電流信號(hào)采樣采取電流互感器法［17］，采集入射電壓、入射電流、監(jiān)測(cè)取樣、網(wǎng)絡(luò)零位電壓、反射電壓、反射電流等數(shù)據(jù)，并反饋至輸出功率控制中進(jìn)行閉環(huán)的射頻功率源輸出功率控制，輸出功率取樣電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 輸出功率取樣電路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of output power sampling circuit

需要指出的是，閉環(huán)功率控制方法是受到一定限制的，主要是由于功放模塊承受反射功率的能力受到限制，功率源輸出功率下降，尤其是由于阻抗變化引起輸出功率降低時(shí)，均伴隨有反射功率增加的情況。實(shí)際情況是，在NNBI系統(tǒng)應(yīng)用中由于等離子體激發(fā)過程的等離子體密度變化特性，射頻功率源負(fù)載的等效阻抗會(huì)有較大變化，導(dǎo)致反射功率極大，尤其是等離子體激發(fā)瞬態(tài)會(huì)產(chǎn)生全反射［18］。因此，在NNBI系統(tǒng)應(yīng)用中，射頻功率源必須配套動(dòng)態(tài)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)使用，通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)維持射頻功率源的反射功率在較小值，從而維持穩(wěn)態(tài)放電工作。本次射頻功率源功放模塊設(shè)計(jì)中，承受駐波比≤3時(shí)，功放模塊可以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，以額定輸出功率50 kW的射頻功率源為例，當(dāng)反射功率大于6 kW時(shí)，人機(jī)交互界面中會(huì)顯示告警信息，當(dāng)反射功率大于10 kW時(shí)，射頻功率源會(huì)執(zhí)行關(guān)機(jī)操作，避免功放燒毀風(fēng)險(xiǎn)，并在人機(jī)交互界面中提示檢查負(fù)載阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

2.4 人機(jī)交互

射頻功率源的人機(jī)交互功能設(shè)計(jì)中，考慮到實(shí)際使用場(chǎng)景中可能存在實(shí)驗(yàn)人員在設(shè)備上直接操作以及在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安全距離外操作兩種情況，在研發(fā)中為射頻功率源設(shè)計(jì)了基于RS-232串口的兩套人機(jī)交互界面。一套直接內(nèi)接到設(shè)備上內(nèi)嵌的觸摸屏上，配合設(shè)計(jì)的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)在觸摸屏界面上的數(shù)據(jù)顯示與設(shè)備控制；另一套是通過串口線引出至現(xiàn)場(chǎng)安全距離外，接到上位機(jī)中，在通過上位機(jī)中定制的軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)顯示與設(shè)備控制，其中RS-232通信串口是通過ARM微控制器拓展的。

本次為設(shè)備定制了一套基于串口通信的人機(jī)交互通信協(xié)議。協(xié)議中每個(gè)數(shù)據(jù)幀的格式包括幀頭、長度、設(shè)備號(hào)、指令、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼6個(gè)部分。其中幀頭是固定的，占用2字節(jié)長度；長度指的是數(shù)據(jù)長度，占用1字節(jié)長度；設(shè)備號(hào)指與功率源交互的上位機(jī)的設(shè)備編號(hào)，占用1字節(jié)長度；指令指射頻功率源與上位機(jī)間的控制指令，占用1字節(jié)長度；數(shù)據(jù)指射頻功率源根據(jù)不同指令發(fā)送到上位機(jī)的具體數(shù)據(jù)內(nèi)容，占用字節(jié)長度不固定；校驗(yàn)指采用CRC校驗(yàn)方法生成的幀校驗(yàn)碼。射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)通過上述的人機(jī)交互通信協(xié)議，即可實(shí)現(xiàn)射頻功率源與上位機(jī)和觸摸屏之間的設(shè)備數(shù)據(jù)顯示與控制指令下達(dá)。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)的有效性，開發(fā)了搭載上述系統(tǒng)功能的射頻功率源測(cè)試樣機(jī)，樣機(jī)的額定輸出功率為50 kW，采用66級(jí)數(shù)字化模塊式功放功率合成方案，使用外置三相AC380 V，50 Hz供電，輸出阻抗為50 Ω，工作頻率為600 kHz~1.00 MHz，最大輸出功率裕度為20%，功率輸出信號(hào)波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，外接模擬負(fù)載（假負(fù)載）等效阻抗為50 Ω。測(cè)試樣機(jī)安裝在廠房室內(nèi)大廳，環(huán)境溫度為20~25 ℃，環(huán)境濕度為40%，樣機(jī)散熱方式為工業(yè)風(fēng)扇直吹。測(cè)試樣機(jī)中的核心控制板及板上功能分布結(jié)構(gòu)如圖6所示，多級(jí)射頻功放模塊包括微調(diào)功放與標(biāo)準(zhǔn)功放結(jié)構(gòu)如圖7所示。在樣機(jī)上分別對(duì)射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)的數(shù)字化功率控制功能、閉環(huán)功率控制功能及人機(jī)交互軟件進(jìn)行了測(cè)試。

圖6 核心控制板實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 Photo of core control board

圖7 多級(jí)射頻功放模塊實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Photo of multistage RF power amplifier module

3.1 數(shù)字化功率控制測(cè)試

本次使用了數(shù)字化的功率控制方法，為此，測(cè)試了對(duì)功率進(jìn)行數(shù)字化調(diào)整時(shí)射頻功率放大器模塊的開通數(shù)量以及射頻功率源實(shí)際輸出功率的變化情況，具體測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)字化功率控制測(cè)試結(jié)果Table 2 Digital power control test results

從測(cè)試結(jié)果中可以看出，在實(shí)際運(yùn)行中數(shù)字化的功率控制字可以實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻功率源功率放大板的數(shù)字化控制，輸出的數(shù)字化控制字和開通功放板數(shù)量實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的一一對(duì)應(yīng)效果。從實(shí)際測(cè)量的輸出功率變化情況來看，射頻功率源實(shí)現(xiàn)了從0%~110%的功率連續(xù)變化，且最小功率變化分辨率為16 W，即最小功率變化為全功率的0.04%，小于0.1%，上述性能滿足預(yù)期射頻功率源輸出功率控制的精確性指標(biāo)要求。

3.2 閉環(huán)功率控制測(cè)試

本次使用了閉環(huán)的功率控制方法，為此，使用調(diào)整模擬負(fù)載阻抗變化，進(jìn)而調(diào)整反射功率大小的方法，測(cè)試了射頻功率源在設(shè)定的輸出功率變化時(shí)，實(shí)際輸出功率的變化情況，具體測(cè)試結(jié)果如表3所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在實(shí)際使用中閉環(huán)的功率控制方式可以在射頻功率源實(shí)際輸出功率不足時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)開通更多的射頻功率放大器，使實(shí)際輸出功率維持在設(shè)定輸出功率范圍內(nèi)。從實(shí)際測(cè)量的輸出功率變化情況來看，大功率射頻功率源的實(shí)際輸出功率與設(shè)定輸出功率的誤差最大為120 W，即為全功率的0.24%，小于0.5%，上述性能指標(biāo)滿足射頻功率源輸出功率控制穩(wěn)定性指標(biāo)要求。

4 結(jié)語

本文為CFETR NNBI射頻功率源設(shè)計(jì)了一種射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)，利用ARM+CPLD雙核控制設(shè)計(jì)、數(shù)字化功率控制方法、閉環(huán)功率控制方法等實(shí)現(xiàn)了射頻功率源輸出功率控制性能的改良，預(yù)期可以滿足CFETR NNBI對(duì)射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)的功率控制精度、輸出功率穩(wěn)定性、人機(jī)交互界面友好等指標(biāo)要求。樣機(jī)射頻功率源外接模擬負(fù)載測(cè)試結(jié)果表明，在額定輸出功率為50 kW時(shí)，輸出功率的控制精度高于0.1%、穩(wěn)定性波動(dòng)小于0.5%、人機(jī)交互軟件功能完善。所研制的射頻功率源輸出功率控制系統(tǒng)功能完善，指標(biāo)優(yōu)秀，可以搭配阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于CFETR NNBI射頻功率源設(shè)備中。

作者貢獻(xiàn)聲明王釗：負(fù)責(zé)程序、文章的起草和修訂；王明偉：負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與調(diào)整；雷濤：負(fù)責(zé)資料的收集與整理；白建軍：負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的執(zhí)行；葛銳：負(fù)責(zé)圖表、文字的優(yōu)化。