專利名稱:離子源進(jìn)氣實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高能離子束領(lǐng)域，特別屬于離子源的等離子體產(chǎn)生、進(jìn)氣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。
背景技術(shù)：
離子源是產(chǎn)生高能離子束的裝置。它是各種粒子注入加速器的核心部件，也是中性束注入器的束源的關(guān)鍵部件。無論是離子束注入器還是中性束注入器，離子源都應(yīng)該提供穩(wěn)定而質(zhì)量符合要求的離子束，以應(yīng)用于各種不同的離子束引出場(chǎng)合。
在離子源等離子體起弧放電過程中，如果采用恒定電壓、恒定電流和穩(wěn)定的進(jìn)氣量條件，則很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)使弧電源超過負(fù)荷，形成電源過流保護(hù)或等離子體不穩(wěn)定乃至破裂。目前用于控制離子源的起弧電流的技術(shù)主要是采用互感器測(cè)得弧電流回路電流大小，用測(cè)得的電流大小與目標(biāo)電流進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來調(diào)節(jié)弧電壓。這種方法有如下缺點(diǎn)首先，以弧電源回路電流作為反饋信號(hào)不能準(zhǔn)確地反映離子源的離子流密度的穩(wěn)定性，因此獲得的弧流離子密度可能分布不均勻，影響束流引出質(zhì)量；其次，此方法應(yīng)用的弧電源設(shè)計(jì)較復(fù)雜，在應(yīng)用過程中生產(chǎn)投資大，而且維護(hù)困難。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供需一種離子源進(jìn)氣實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)及控制方法，可以實(shí)現(xiàn)離子源放電時(shí)獲得穩(wěn)定的等離子體和均勻的離子流密度。在離子源放電過程中，保持弧壓穩(wěn)定，把離子源內(nèi)的離子飽和流傳感器測(cè)得的離子流信號(hào)與參考值進(jìn)行比較，將比較結(jié)果用于調(diào)節(jié)離子源放電進(jìn)氣量，從而實(shí)現(xiàn)保持弧流穩(wěn)定和離子流密度均勻的目標(biāo)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
離子源進(jìn)氣實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，包括有離子源(11)，其特征在于離子飽和流傳感器(12)伸入到離子源(11)內(nèi)部，離子飽和流傳感器(12)的輸出端與采樣電路(25)的輸入端相連，采樣電路(25)的輸出端與信號(hào)隔離放大電路(26)的輸入端相連，信號(hào)隔離放大電路的輸出端與A/D采集模塊(33)輸入端相連，完成輸出電路上傳輸反饋信號(hào)Vf(40)；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(30)與A/D采集模塊(33)、網(wǎng)絡(luò)模塊(32)和D/A輸出模塊(31)通過PCI總線相連；D/A輸出模塊輸出控制信號(hào)(41)到VF轉(zhuǎn)換器(24)的輸入端，VF轉(zhuǎn)換器(24)的輸出端與FV轉(zhuǎn)換器(22)的輸入端通過光纖(23)相連，F(xiàn)V轉(zhuǎn)換器的輸出端連接到氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)，氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)輸出端連接到可控氣閥(10)的電壓兩端，可控氣閥(10)安裝在離子源(11)側(cè)面。離子源進(jìn)氣實(shí)時(shí)控制方法，其特征在于包括以下步驟(a)、將離子飽和流傳感器(12)伸入到離子源(11)內(nèi)部，離子飽和流傳感器(12)提供的電壓信號(hào)，采樣電路(25)將電壓信號(hào)進(jìn)行采樣送給信號(hào)隔離放大電路(26)進(jìn)行隔離和放大，變成放大的反饋信號(hào)Vf(40)輸入到A/D采集模塊(33)，A/D采集模塊(33)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；(b)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和A/D采集模塊(33)、網(wǎng)絡(luò)模塊(32)和D/A輸出模塊(31)之間通過PCI總線相連接，并管理這些模塊；(c)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(30)將反饋信號(hào)Vf(40)與網(wǎng)絡(luò)模塊(32)設(shè)定的參考信號(hào)Vref(42)比較，將控制結(jié)果通過D/A輸出模塊(31)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)Vc(41)，經(jīng)過VF轉(zhuǎn)換器(24)、光纖(2 3)和FV轉(zhuǎn)換器(22)傳輸?shù)綒忾y電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)并實(shí)現(xiàn)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(30)的隔離，氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)根據(jù)控制信號(hào)Vc(41)對(duì)安裝在離子源(11)上的可控氣閥(10)兩端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)離子源(11)進(jìn)氣量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的有益效果可以使弧電源的工作模式簡(jiǎn)單，電源系統(tǒng)提高了可靠性和易于維護(hù)性；通過對(duì)進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)，按照需要對(duì)等離子體進(jìn)行加料，減輕了整個(gè)系統(tǒng)的真空系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；可以獲得穩(wěn)定的等離子體、長(zhǎng)脈沖運(yùn)行和穩(wěn)態(tài)均勻的等離子體密度，有利于系統(tǒng)引出高質(zhì)量的束流。
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)方框圖。
圖2是系統(tǒng)控制原理方框圖。
圖中10.可控氣閥，11.離子源，12.離子飽和流傳感器，21.氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊，22.FV轉(zhuǎn)換器，23.光纖，24.VF轉(zhuǎn)換器，25.采樣電路，26.信號(hào)隔離放大電路，30.系統(tǒng)控制器，31.D/A輸出模塊，32.網(wǎng)絡(luò)模塊，33.A/D采集模塊，40.反饋信號(hào)Vf，41.控制信號(hào)Vc，42.參考信號(hào)Vref，43.控制誤差信號(hào)Verr，50.PID控制計(jì)算，51.進(jìn)氣控制執(zhí)行。
具體實(shí)施方式本發(fā)明系統(tǒng)由三大部分組成，分為反饋信號(hào)產(chǎn)生與傳輸、信號(hào)處理與控制和控制傳輸與執(zhí)行部分。反饋信號(hào)產(chǎn)生與傳輸部分由離子飽和流傳感器(12)、采樣電路(25)和信號(hào)隔離放大電路(26)組成；信號(hào)處理與控制部分由A/D采集模塊(33)、網(wǎng)絡(luò)模塊(32)、D/A輸出模塊(31)和系統(tǒng)控制器(30)組成；控制傳輸與執(zhí)行部分由VF轉(zhuǎn)換器(24)、光纖(23)、FV轉(zhuǎn)換器(22)、氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)和可控氣閥(10)組成。反饋信號(hào)產(chǎn)生與傳輸部分將反饋信號(hào)Vf(40)傳輸至系統(tǒng)控制器(30)，系統(tǒng)控制器(30)將反饋信號(hào)Vf(40)與參考信號(hào)Vref(42)處理，根據(jù)處理結(jié)果系統(tǒng)控制器(30)將發(fā)出控制信號(hào)Vc(41)到控制傳輸與執(zhí)行部分完成控制任務(wù)。這三部分順次連接，完成對(duì)離子源(11)進(jìn)行實(shí)時(shí)進(jìn)氣控制，組成一個(gè)封閉的實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)。
在圖1中，離子飽和流傳感器(12)伸入到離子源(11)內(nèi)部，離子飽和流傳感器的輸出端與采樣電路(25)的輸入端相連，采樣電路的輸出端與信號(hào)隔離放大電路(26)的輸入端相連，信號(hào)隔離放大電路的輸出端與A/D采集模塊(33)輸入端相連，完成輸出電路上傳輸反饋信號(hào)Vf(40)；系統(tǒng)控制器(30)與A/D采集模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊(32)和D/A輸出模塊(31)通過PCI總線相連；D/A輸出模塊輸出控制信號(hào)(41)到VF轉(zhuǎn)換器(24)的輸入端，VF轉(zhuǎn)換器的輸出端與FV轉(zhuǎn)換器(22)的輸入端通過光纖(23)相連，F(xiàn)V轉(zhuǎn)換器的輸出端連接到氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)，氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊輸出端連接到可控氣閥(10)的電壓兩端，可控氣閥安裝在離子源(11)側(cè)面。
離子飽和流傳感器(12)提供微弱的電壓信號(hào)，該信號(hào)可以反映離子源(11)放電過程中離子密度，同時(shí)該信號(hào)的強(qiáng)弱與弧電流的強(qiáng)弱成一定的比例，也可以用作弧電流信號(hào)的監(jiān)測(cè)。采樣電路(25)將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣送給信號(hào)隔離放大電路(26)進(jìn)行隔離和放大，經(jīng)過放大的反饋信號(hào)(40)輸入到A/D采集模塊。
系統(tǒng)控制器(30)可以是一個(gè)程序化的控制器或者一個(gè)特殊目的的控制器。在一個(gè)實(shí)施實(shí)例中系統(tǒng)控制器(30)是一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)控制程序的功能強(qiáng)大的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它管理A/D采集模塊(33)、網(wǎng)絡(luò)模塊(32)和D/A輸出模塊(31)，并對(duì)反饋信號(hào)Vf(40)和來自網(wǎng)絡(luò)模塊的用戶設(shè)定的參考信號(hào)Vref(42)以圖2所示的控制原理進(jìn)行控制運(yùn)算，把控制信號(hào)Vc(41)通過D/A輸出模塊輸出。系統(tǒng)控制器運(yùn)行實(shí)時(shí)控制程序，該程序以固定的周期啟動(dòng)A/D采集模塊，對(duì)結(jié)果進(jìn)行控制運(yùn)算，然后把控制信號(hào)Vc(41)通過D/A輸出模塊(31)輸出，如此完成一個(gè)控制循環(huán)。在優(yōu)選的實(shí)施實(shí)例中，系統(tǒng)的控制時(shí)間最小周期可以達(dá)到50微秒，即其控制頻率可達(dá)20kHz。
VF轉(zhuǎn)換器(24)、光纖(23)和FV轉(zhuǎn)換器(22)完成高壓電源與系統(tǒng)控制器(30)的隔離，同時(shí)把控制信號(hào)Vc(41)傳輸給氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)。氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)控制信號(hào)Vc(41)對(duì)可控氣閥(10)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，這樣就可以完成對(duì)離子源(11)進(jìn)氣量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
本發(fā)明采用的控制算法是在實(shí)時(shí)控制程序的控制周期內(nèi)，根據(jù)離子飽和流傳感器(12)測(cè)得的反饋信號(hào)Vf(40)與參考信號(hào)Vref(42)的差值控制誤差信號(hào)Verr(43)，采用如圖2中所示的PID控制計(jì)算(50)來調(diào)節(jié)進(jìn)氣控制執(zhí)行(51)完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)的。在實(shí)時(shí)控制程序周期內(nèi)，PID控制計(jì)算部分不斷地進(jìn)行控制運(yùn)算來輸出控制信號(hào)Vc(41)，以使弧電流不斷接近于參考信號(hào)Vref(42)。參考信號(hào)Vref是根據(jù)應(yīng)用弧電流需要而設(shè)定的控制參考信號(hào)。控制誤差信號(hào)Verr可以按照下式計(jì)算Verr＝Vc-Vref。三個(gè)控制參數(shù)Kp、Kd、Ks和參考信號(hào)Vf可以通過網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行設(shè)置。PID控制計(jì)算輸出的信號(hào)可以由下式來確定Yc(t)＝Kp*E(t)+Kd*dE(t)/dt+[R(k)/Ks]
其中E(t)是瞬時(shí)控制誤差信號(hào)，Yc(t)是瞬時(shí)輸出控制信號(hào)，R(k)是一個(gè)實(shí)時(shí)控制周期計(jì)數(shù)器，每個(gè)運(yùn)行周期進(jìn)行加一，在式[R(k)/Ks]中，“[]”運(yùn)算是對(duì)R(k)/Ks計(jì)算結(jié)果進(jìn)行取整數(shù)。瞬時(shí)輸出控制信號(hào)Yc(t)經(jīng)過D/A輸出模塊輸出后，可以提供一個(gè)控制可控氣閥的控制命令信號(hào)，根據(jù)這個(gè)信號(hào)可以將弧電流強(qiáng)度調(diào)節(jié)到設(shè)定的參考值，同時(shí)獲得離子源均勻的離子飽和流。Yc(t)的幅值和極性可以根據(jù)需要，通過網(wǎng)絡(luò)模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。
權(quán)利要求
1.離子源進(jìn)氣實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，包括有離子源(11)，其特征在于離子飽和流傳感器(12)伸入到離子源(11)內(nèi)部，離子飽和流傳感器(12)的輸出端與采樣電路(25)的輸入端相連，采樣電路(25)的輸出端與信號(hào)隔離放大電路(26)的輸入端相連，信號(hào)隔離放大電路的輸出端與A/D采集模塊(33)輸入端相連，完成輸出電路上傳輸反饋信號(hào)Vf(40)；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(30)與A/D采集模塊(33)、網(wǎng)絡(luò)模塊(32)和D/A輸出模塊(31)通過PCI總線相連；D/A輸出模塊輸出控制信號(hào)(41)到VF轉(zhuǎn)換器(24)的輸入端，VF轉(zhuǎn)換器(24)的輸出端與FV轉(zhuǎn)換器(22)的輸入端通過光纖(23)相連，F(xiàn)V轉(zhuǎn)換器的輸出端連接到氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)，氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)輸出端連接到可控氣閥(10)的電壓兩端，可控氣閥(10)安裝在離子源(11)側(cè)面。
2.離子源進(jìn)氣實(shí)時(shí)控制方法，其特征在于包括以下步驟(a)、將離子飽和流傳感器(12)伸入到離子源(11)內(nèi)部，離子飽和流傳感器(12)提供的電壓信號(hào)，采樣電路(25)將電壓信號(hào)進(jìn)行采樣送給信號(hào)隔離放大電路(26)進(jìn)行隔離和放大，變成放大的反饋信號(hào)Vf(40)輸入到A/D采集模塊(33)，A/D采集模塊(33)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；(b)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和A/D采集模塊(33)、網(wǎng)絡(luò)模塊(32)和D/A輸出模塊(31)之間通過PCI總線相連接，并管理這些模塊；(c)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(30)將反饋信號(hào)Vf(40)與網(wǎng)絡(luò)模塊(32)設(shè)定的參考信號(hào)Vref(42)比較，將控制結(jié)果通過D/A輸出模塊(31)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)Vc(41)，經(jīng)過VF轉(zhuǎn)換器(24)、光纖(23)和FV轉(zhuǎn)換器(22)傳輸?shù)綒忾y電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)并實(shí)現(xiàn)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(30)的隔離，氣閥電源驅(qū)動(dòng)模塊(21)根據(jù)控制信號(hào)Vc(41)對(duì)安裝在離子源(11)上的可控氣閥(10)兩端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)離子源(11)進(jìn)氣量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種離子源進(jìn)氣實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)及控制方法。系統(tǒng)分為反饋信號(hào)產(chǎn)生與傳輸、信號(hào)處理與控制和控制傳輸與執(zhí)行三大部分。離子飽和流傳感器伸入到離子源內(nèi)部，可控氣閥安裝在離子源側(cè)面。根據(jù)離子飽和流傳感器測(cè)得的離子飽和流信號(hào)和設(shè)置參考信號(hào)的差值調(diào)節(jié)離子源的進(jìn)氣量，以此來減小差值，控制可控氣閥兩端的電壓，使得弧流逐漸逼近參考值。本發(fā)明可以使弧電源的工作模式簡(jiǎn)單，電源系統(tǒng)提高了可靠性和易于維護(hù)性；通過對(duì)進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)，按照需要對(duì)等離子體進(jìn)行加料，減輕了整個(gè)系統(tǒng)的真空系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；可以獲得穩(wěn)定的等離子體、長(zhǎng)脈沖運(yùn)行和穩(wěn)態(tài)均勻的等離子體密度，有利于系統(tǒng)引出高質(zhì)量的束流。
文檔編號(hào)H05H1/00GK1996546SQ200610098152
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月5日
發(fā)明者胡純棟, 劉勝, 盛鵬, 宋士花, 劉智民, 王紹虎 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan