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基于FPGA的磁控管低电平控制系统设计

基于FPGA的磁控管低电平控制系统设计

作者：赵顿长安大学

学位级别：硕士

磁控管是一种大功率微波源,在核医学、工业和民用加热、辐照育种、工业材料改性、先进控制等领域起到供给能源的作用。磁控管本质是一个极其不稳定的振荡器,因此对磁控管的稳定控制就显得十分必要与迫切。另外,对磁控管的频率、相位控... 详细信息

磁控管是一种大功率微波源,在核医学、工业和民用加热、辐照育种、工业材料改性、先进控制等领域起到供给能源的作用。磁控管本质是一个极其不稳定的振荡器,因此对磁控管的稳定控制就显得十分必要与迫切。另外,对磁控管的频率、相位控制需要调频回路与注入锁频联合调定;双只磁控管功率合成需要调相回路与大功率合成联合调定。论文以FPGA为核心控制单元,设计低电平(LLRF)控制系统对磁控管进行控制,目标是使磁控管低电平控制系统的频率稳定度为403±5MHz,相位稳定度为30±1°,功率稳定度为225±2.25k W。论文通过研究磁控管注入锁频特性、大功率合成特性,结合低电平控制算法完成低电平控制系统的搭建。对于频率调节,由于磁控管的极易震荡性,注入锁频之前需要通过调频回路预先调节,调频回路与谐振腔技术结合,将频率调节转化为相位调节,通过LLRF控制算法将偏差转化为驱动脉冲,驱动调谐杆进行频率调定;对于幅度调节,将能量耦合到磁控管的阳极电压上,使磁控管幅度稳定;对于相位调节,通过注入锁频方式保证两只磁控管的输出相位一致,使得大功率合成条件满足。磁控管LLRF控制系统的核心是基于FPGA的低电平控制算法,该算法利用滤波算法进行信号的降噪,利用数字IQ、CORDIC算法鉴别信号幅相、PID算法控制信号,使用RGMII千兆以太网进行数据的传输。论文将传统低电平控制算法中FIR滤波算法优化为自适应LMS滤波算法,采用ARP动态映射使得FPGA能够自动获取对端设备的MAC地址。算法与通信均在xc7z020clg400-2 FPGA上实现,验证了算法与通信系统的正确性。结果表明,自适应滤波算法使控制系统能够适应恶劣的电磁环境,增加采集数据的信噪比,采用ARP动态映射的通信方法增加了控制系统的兼容性,使低电平控制系统得到优化。

关键词：磁控管低电平控制系统自适应滤波 CORDIC算法数字矢量IQ算法

基于FPGA的超导加速器低电平控制系统设计

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基于FPGA的超导加速器低电平控制系统设计

作者：赵鹏长安大学

学位级别：硕士

低电平控制系统,英文简称为LLRFCS(Low Level Radiation Frequency Control System),主要应用于超导加速器或者超导加速舱等加速器领域。其主要功能是稳定高频腔的频率、高频信号的幅度和相位在一定的范围,并使超导腔能够长期稳定的工作... 详细信息

低电平控制系统,英文简称为LLRFCS(Low Level Radiation Frequency Control System),主要应用于超导加速器或者超导加速舱等加速器领域。其主要功能是稳定高频腔的频率、高频信号的幅度和相位在一定的范围,并使超导腔能够长期稳定的工作,超导腔的性能指标对束流品质影响很大。近年来,低电平技术逐渐从模拟低电平控制技术向数字IQ技术发展,这大大提高了低电平系统的性能,并且对低电平系统的硬件设计提出了很高的要求。本项目采用高性能FPGA作为主控芯片,高效的ADC+FPGA+DAC数据处理架构具有强大的数字信号处理解调电路,主控制板集成标准以太网高速接口、高速USB接口搭建起可进行高速信号矢量IQ解调、大容量存储和可实时与上位机通信等功能的复杂低电平控制系统。论文研究的主要内容包括:1、对低电平控制系统各个模块功能需求进行了分析,通过对低电平控制系统基本结构的介绍,确定了低电平控制系统整体构架和硬件电路的方案设计。2、在低电平控制系统的设计中,高速信号采集的硬件实现具体包括了系统采样时钟电路和采样电路的硬件设计等;高速数字信号处理模块的硬件实现具体包括了FPGA芯片的选型、FPGA芯片的管脚资源分配和板载数据缓存硬件电路的设计等;数据接口模块的硬件实现具体包括了以太网数据接口、高速USB总线接口的硬件电路设计等;最后设计了数字信号恢复部分的硬件电路。3、对于电源模块的设计,统计并分析了整个低电平控制系统的电源种类及其功耗需求,设计了符合要求的电源电路。4、最后对所设计的低电平系统电源模块以及FPGA开发板的硬件电路设计部分进行了测试,测试结果表明本论文硬件电路设计的正确性,能够满足低电平控制系统项目的需求,从而验证了论文方案设计的正确性。

关键词： FPGA 低电平控制系统数字IQ技术超导加速器电路设计

西安200MeV质子应用装置直线注入器低电平控制系统设计与测试

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现代应用物理 2021年第3期12卷 73-78页

作者：刘卧龙赵铭彤高建超姜勇赵军王志宇王茂成吕伟王百川雷钰邢庆子程诚王忠明强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室西安710024 西北核技术研究所西安710024 北京航天广通科技有限公司北京100854 清华大学工程物理系北京100084

西安200 MeV质子应用装置(XiPAF)直线注入器采用了2套500 kW四极管功率源和1套15 kW固态功率源,由3套数字化低电平控制系统(LLRF)独立驱动,工作频率为325 MHz,以脉冲模式运行,分别为射频四极加速器(RFQ)、漂移管直线加速器(DTL)和散束器... 详细信息

西安200 MeV质子应用装置(XiPAF)直线注入器采用了2套500 kW四极管功率源和1套15 kW固态功率源,由3套数字化低电平控制系统(LLRF)独立驱动,工作频率为325 MHz,以脉冲模式运行,分别为射频四极加速器(RFQ)、漂移管直线加速器(DTL)和散束器(debuncher)提供射频功率。LLRF采用基于FPGA的数字正交调制解调(I/Q)技术,可对RFQ、DTL和散束器腔内射频电场强度的幅度和相位进行精确控制,控制稳定度分别达到±1%,±1°以内。LLRF配备了1套驻波比保护装置,可对3路射频链路独立实施驻波比保护,响应时间小于10μs。LLRF通过以太网连接控制计算机,可通过Windows环境下的用户程序进行控制,也可由加速器中央控制系统远程控制。目前3套LLRF已应用于XiPAF直线注入器,并顺利实施了7 MeV负氢离子束注入实验。

关键词：低电平控制系统直线加速器数字正交调制解调(I/Q)

D-BNCT01实验装置数字低电平射频控制系统研制

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应用物理 2021年第7期11卷 345-354页

作者：谢哲新慕振成李健荣林艳李松周文中王博万马良刘美飞张辉徐新安欧阳华甫傅世年中国科学院高能物理研究所北京散裂中子源科学中心广东东莞中国科学院大学北京

中国散裂中子源(CSNS)硼中子俘获治疗(BNCT)实验装置加速器主体由一套速调管功率源和一台RFQ腔体组成,用于给带电粒子提供加速能量。其中,数字低电平控制系统(LLRF, Low Level Radio Frequency control system)用于控制速调管功率源的... 详细信息

中国散裂中子源(CSNS)硼中子俘获治疗(BNCT)实验装置加速器主体由一套速调管功率源和一台RFQ腔体组成,用于给带电粒子提供加速能量。其中,数字低电平控制系统(LLRF, Low Level Radio Frequency control system)用于控制速调管功率源的功率大小,并实现自动老炼、驻波比保护、ARC保护、调频、调谐等功能。本文详细介绍了各个系统的功能以及最终实现的情况。

关键词：低电平控制系统 BNCT 速调管功率源驻波比保护

用于实现能量倍增器平顶输出的双环PI控制技术研究及验证

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核技术 2022年第6期45卷 11-18页

作者：徐一茗张俊强肖诚成方文程中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院大学北京100049 中国科学院上海高等研究院上海201204

上海软X射线自由电子激光(Shanghai Soft X-ray Free-electron Laser,SXFEL)升级改造工程中,升级项目之一是使装置在双束团模式下运行,即在一个微波脉冲内加速得到两个相同能量的电子束团。为此设计开发了基于双环比例积分(Proportional... 详细信息

上海软X射线自由电子激光(Shanghai Soft X-ray Free-electron Laser,SXFEL)升级改造工程中,升级项目之一是使装置在双束团模式下运行,即在一个微波脉冲内加速得到两个相同能量的电子束团。为此设计开发了基于双环比例积分(Proportional Integral,PI)控制的微波低电平(Low Level Radio Frequency,LLRF)控制系统,用于调制微波脉冲能量倍增器的输出波形,使其变为平顶脉冲,以满足双束团模式的要求。该方法使用了两个反馈闭环分别控制输出脉冲整体的幅相稳定性和保持波形的平坦化。通过在微波实验平台上的连续测试,证明了双环PI控制法可以长时间维持能量倍增器输出脉冲的平坦度,并保证整体的幅相稳定性在0.09%和0.1°以内(均方根值),满足了设计要求。当对系统施加较大的外部干扰时,无需人为干预,算法能自动恢复平顶输出。

关键词：低电平控制系统微波脉冲能量倍增器 PI控制幅度调制

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250MeV回旋加速器高频低电平系统设计

原子能科学技术 2023年第7期57卷 1416-1424页

作者：牟雪儿殷治国魏俊逸刘萍宋琦琪中国原子能科学研究院核技术综合研究所北京102413

中国原子能科学研究院在研的250 MeV医用超导回旋加速器的高频控制系统需完成两组功率源的反相驱动,实现四腔体的加速Dee电压稳定、频率稳定及电压平衡调节。为提升高频系统启动速度,增加设计的灵活性,满足质子治疗应用中对加速器输出... 详细信息

中国原子能科学研究院在研的250 MeV医用超导回旋加速器的高频控制系统需完成两组功率源的反相驱动,实现四腔体的加速Dee电压稳定、频率稳定及电压平衡调节。为提升高频系统启动速度,增加设计的灵活性,满足质子治疗应用中对加速器输出剂量、电磁兼容设计等的特殊要求,250 MeV低电平控制系统在原有传统数模混合低电平系统的设计基础上,设计了FPGA和DSP的混合架构,利用DSP的高速乘法器与多总线结构,有效提升了PID运算速度,增强系统实时数字处理能力;增加了低功率调谐状态,优化了高频系统的启动流程;并创新实现了连续和脉冲的双模式闭环,同时满足日常运行和设备调试的需要。此外,还设计了高频隔离线路,针对医学应用优化系统的电磁兼容特性。

关键词：医用超导回旋加速器低电平控制系统紧凑型PCI

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硼中子俘获治疗实验装置射频功率源系统

强激光与粒子束 2021年第5期33卷 74-79页

作者：荣林艳慕振成周文中万马良谢哲新王博刘美飞李健徐新安张辉李松欧阳华甫傅世年散裂中子源科学中心广东东莞523803 中国科学院高能物理研究所北京100049 中国科学院大学北京100049

中国科学院高能物理研究所建造了一台基于加速器的硼中子俘获治疗(BNCT)实验装置。射频功率源系统为352.2 MHz射频四极加速器(RFQ)提供高频功率,使束流离开RFQ时,其能量达到3.5 MeV。BNCT射频功率源系统主要包括速调管功率源、数字低电... 详细信息

中国科学院高能物理研究所建造了一台基于加速器的硼中子俘获治疗(BNCT)实验装置。射频功率源系统为352.2 MHz射频四极加速器(RFQ)提供高频功率,使束流离开RFQ时,其能量达到3.5 MeV。BNCT射频功率源系统主要包括速调管功率源、数字低电平控制系统、射频传输系统。本文介绍了BNCT射频功率源系统,主要包括物理需求、系统组成、关键设备、安装和调试。目前该装置已进行动物实验,加速器打靶束流功率4.3 kW,加速器射频功率源系统运行稳定。

关键词：硼中子俘获治疗速调管功率源低电平控制系统功率传输系统

适用于SSRF的高性能频率合成源设计与实现

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核技术 2019年第4期42卷 25-31页

作者：袁慧赵玉彬郑湘宫鹏鹏黄雪芳夏洋洋赵申杰张志刚徐凯常强刘建飞中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院大学北京100049 上海市低温超导高频腔技术重点实验室上海201800

主信号源是高频数字化低电平控制系统(Low Level Radio Frequency,LLRF)的重要组成部分,它不仅用于产生高稳定度的参考信号,还用于产生控制系统所需的高精度工作时钟,其性能是高频系统性能的重要保障。本文以上海同步辐射光源(Shanghai ... 详细信息

主信号源是高频数字化低电平控制系统(Low Level Radio Frequency,LLRF)的重要组成部分,它不仅用于产生高稳定度的参考信号,还用于产生控制系统所需的高精度工作时钟,其性能是高频系统性能的重要保障。本文以上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)的主信号源作为研究对象,通过采用锁相环技术和直接模拟合成技术实现了500 MHz的单频信号源。实验测试结果显示:两种技术分别实现了-125 dBc/Hz@1 kHz和-132 d Bc/Hz@1 k Hz的相位噪声,均满足上海光源高频系统对信号源的性能要求。

关键词：低电平控制系统锁相环直接模拟合成上海同步辐射光源

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高功率耦合器测试系统研制

高功率耦合器测试系统研制

作者：陈龙中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)

学位级别：硕士

中国先导加速器驱动次临界系统项目(CiADS)需要建成一台强流超导质子直线加速器。CiADS对加速器稳定性提出了极为严苛的要求。高功率耦合器是加速器加速腔功率馈送关键部件,其对于加速器稳定性运行至关重要,因此需要严格的控制其性能。... 详细信息

中国先导加速器驱动次临界系统项目(CiADS)需要建成一台强流超导质子直线加速器。CiADS对加速器稳定性提出了极为严苛的要求。高功率耦合器是加速器加速腔功率馈送关键部件,其对于加速器稳定性运行至关重要,因此需要严格的控制其性能。高功率耦合器常温测试系统是检验耦合器加工缺陷,获取物理特性,以及离线锻炼的重要工具。本文对先导专项ADS 25MeV超导质子加速器样机HWR010和HWR015耦合器的高功率常温测试系统进行分析,总结该测试系统缺陷,针对存在问题提出改进方案。本文依据改进方案,着重对低电平控制和测试平台两大核心系统进行重新开发和设计。一方面,针对原系统锻炼模式缺陷和连锁保护的不足,以FPGA开发板为基础开发全新低电平控制系统。充分利用FPGA高速信号处理能力,实现了1μ至CW任意脉宽的RF脉冲调制。采用FPGA+PC模式,改进底层扫幅算法,实现了稳定的ms级三角波快扫幅和梯形波扫幅。同时开发了扫幅和非扫幅模式下自动锻炼程序,提高耦合器离线锻炼效率。此外该控制系统还实现了0.4μs打火(ARC)连锁保护(10μs以内总连锁)和0.2ms真空连锁保护(3ms以内总连锁)。另一方面,对原有耦合器测试平台同轴连接方式弊端进行分析,提出内导体非接触式测试腔体结构设计。本文从功率传输线和功率耦合理论出发,对耦合器非接触式测试锻炼进行物理抽象,导出了测试腔体功率传输效率与耦合端口耦合度的关系,同时利用CST对理论推导进行了模拟验证。结合测试腔体功率传输的理论推导和HWR010、HWR015耦合器运行指标,确定了测试腔体设计端口耦合度。设计并优化了低频率下低损耗、宽通带、多用途耦合器测试腔体。实现了耦合器内导体非接触式锻炼,20kW锻炼功率下60W左右的腔体损耗和11MHz-3dB通带带宽。论文最后介绍了新测试锻炼控制系统锻炼一对162.5MHz HWR015耦合器的全过程,验证了控制系统的可靠性。

关键词：耦合器常温锻炼低电平控制系统测试平台