CN105262482A - 一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及回旋加速器的高频控制技术，具体涉及一种回旋加速器多腔体加速相位的智能搜索和锁定方法。该方法通过数字鉴相器对腔体取样信号和相位基准进行比较，得到腔体的相对相位差，通过模数转换器将相位差量化为16位数字量，经过数字信号处理器对腔体相位差进行智能搜索，丢弃数字鉴相器由于死区影响而输出的错误结果，调节高频腔体相位使鉴相器工作于线性区，在此区域内，进行比例积分运算，根据控制算法的结果实时修改直接数字频率合成器的相位偏移量，从而达到闭环调节系统相位差的目的。这种智能搜索和锁定方法可以提高多腔体回旋加速器的高频系统智能化程度，避免数字鉴相器死区问题带来的工程技术问题，能有效稳定加速相位，缩短高频系统启动时间。

Description

一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法

技术领域

本发明涉及回旋加速器的高频控制技术，具体涉及一种回旋加速器多腔体加速相位的智能搜索和锁定方法。

背景技术

回旋加速器是一种利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经过高频电场反复加速以提高粒子能量的装置，其基本结构包括磁铁系统，真空系统和高频系统等等。其中，高频系统包括腔体、发射机和低电平系统，为被加速粒子提供能量。在多个高频腔体独立驱动的加速器中，高频加速相位的一致性是加速器的重要参数，失配将引起束流丢失。对于两个独立驱动的腔体，各自的Dee电压建立后，两个腔体的相位是不确定的；低电平控制系统在运行过程中受到温度、湿度以及噪声等影响，会导致信号相位随时间漂移或偶然突变。因此，相应的控制系统需要相位环路来实现多个腔体的相位锁定，以保证加速器稳定运行。

相位环路采用鉴相器实现相位鉴别。对于TYPE-II型边沿触发鉴相器，其鉴相范围为-π-+π。理论输出直流电压计算公式为：其中K为比例系数，Vod为输出驱动电平，PWf为输入信号频率。由于现代数字鉴相器由于器件内部延迟不可避免的存在死区，在死区内，输出直流电压不满足上述计算公式，并且非线性，不能作为反馈依据。因此需要使用软件搜索算法对鉴相器死区进行规避，调整系统相位使鉴相器工作在线性区内。

在鉴相器的线性工作区内，使用数字信号处理器根据相位差值和给定的命令进行PID计算，现代数字信号处理器主频通常在80-100MHz，具备硬件MAC单元能够实时完成大量PID算法的计算。

本发明中相位锁定的最终执行单元是直接数字频率合成器(DDS)，DDS是由J.Tierney和C.M.Tader等人提出的第三代频率合成技术。DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个位相位寄存器组成，每一个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0-360o范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，驱动DAC输出模拟量。DDS输出频率为此处N为累加器位宽，f_ref为计数时钟，K为频率控制字。DDS的最小相位分辨率为在本发明中，使用DSP根据PID运算结果实时修改DDS相位控制字相，完成对相位的调节，以实现相位稳定在设定值上。

发明内容

本发明的目的在于针对目前多高频腔体回旋加速器高频加速相位锁定的问题，结合TYPE-II型边沿触发鉴相器的特点，提出一种回旋加速器多高频腔体加速相位的智能搜索和锁定方法，从而有效的防止多个腔体进行相位锁定时由于数字鉴相器死区带来的问题，稳定加速相位，缩短高频系统启动时间。

本发明的技术方案如下：一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法，所述方法包括如下步骤：

(1)根据测量数据，得到数字鉴相器的Phase-Voltage特性曲线，采用最小二乘法拟合鉴相器的实际鉴相函数y＝f(φ)，与理想鉴相函数u＝kφ+b，φ∈[0,360]，b∈R对比，得到该鉴相器的死区范围φ∈U(0,δ)，确定自动搜索算法的相位判别范围δ。

(2)根据腔体取样信号和相位基准比较得出腔体当前相位，由数模转换器(ADC)量化为16位数字量，输入DSP进行智能搜索算法，根据步骤(1)中得到的相位判别范围δ，控制DDS调整高频腔体相位，自动规避数字鉴相器死区φ∈U(0,δ)，使鉴相器工作在线性区φ∈[δ,360-δ]。进一步，智能搜索算法在鉴相器线性工作区内搜索鉴相零点，使腔体相位与基准源相位相同，完成腔体相位自动搜索对齐过程，得到基准相位字φ₀。

(3)对模拟PID算法离散化可得差分方程：y(n)＝y(n-2)+k₀e(n)+k₁e(n-1)+k₂e(n-2)，其中

由DSP进行数字PID计算，得到相位控制量输出φ，根据步骤(2)中得到的基准相位字，最终写入DDS相位字为Phase＝φ+φ₀。

进一步，如上述的一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法，步骤(2)中所述的智能搜索算法的具体实现方式如下：

A.相位字步进0.1度。

B.根据ADC采样值判断鉴相器输出电压绝对值是否小于0.03，若满足条件，得到当前相位φ_zero，进入步骤C，否则回到步骤A。

C.判断在φ∈U(φ_zero,δ)内鉴相器输出值是否与理论值一致，如果一致，则φ_zero即为步骤(2)所述的φ₀，否则，回到步骤A。

本发明针对回旋加速器两个腔体需要在线调整相位关系的加速器低电平系统，提出了一种基于DDS软件实现相位闭环的高精度数字化方式，具有调节速度快，使用灵活，控制精度高的特点。该技术相位稳定效果良好，已将质子加速器到接近0.5倍光速；该技术还可以推广到具有多个腔体的其它回旋和直线加速器低电平系统中。

附图说明

图1是2π型数字鉴相器工作特性示意图；

图2是最终锁定后的两个腔体相位取样信号示意图。

图3是本发明的基于DDS的软件相位闭环技术示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

以100MeV回旋加速器高频系统为例，介绍一种回旋加速器多高频腔体加速相位的智能搜索和锁定方法应用情况。

该回旋加速器高频系统采用两个独立的高频腔、用两台100kW高频发射机通过6英寸硬馈管和耦合电容馈入高频功率，高频腔体谐振频率44.8125MHz。在高频腔体顶部安装有电感耦合器，用来产生低电平系统相位环路的一路输入信号，相位环鉴相器的第二路输入信号为系统的基准相位信号。

通过实际测量，得到数字鉴相器的鉴相曲线，如图1所示。根据该数字鉴相器鉴相曲线的特点，得到δ＝25°，从而该鉴相器死区范围为：φ∈U(0,25)。优化智能搜索算法，判断在φ∈U(φ_zero,25)内鉴相器输出值是否与理论值一致，规避数字鉴相器死区。在鉴相器线性工作区内，ADC输出值在-0.03和+0.03之间时，认为找到相位闭环工作点。

找到正确的闭环工作点后，DSP在此工作点上进行相位闭环PID控制。模拟PID算法离散化可得差分方程：y(n)＝y(n-2)+k₀e(n)+k₁e(n-1)+k₂e(n-2)，其中，

根据100MeV回旋加速器高频系统实际情况，最终PID调试参数为Kp＝300，2Kd/T＝0，KiT/2＝0.001。最终实现相位控制精度0.3度，相位自动搜索时间小于30秒。闭环状态下两个腔体的相位波形如图2所示。

图3为本发明的基于DDS的软件相位闭环技术示意图。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)根据测量数据，得到数字鉴相器的相位-电压特性曲线，采用最小二乘法拟合鉴相器的实际鉴相函数y＝f(φ)，与理想鉴相函数u＝kφ+b，φ∈[0,360]，b∈R对比，得到该数字鉴相器的死区范围φ∈U(0,δ)，确定自动搜索算法的相位判别范围δ；

(2)根据腔体取样信号和相位基准比较得出腔体当前相位，由数模转换器(ADC)量化为16位数字量，输入DSP进行智能搜索算法，根据步骤(1)中得到的相位判别范围δ，控制直接数字频率合成器(DDS)调整高频腔体相位，自动规避数字鉴相器死区φ∈U(0,δ)，使鉴相器工作在线性区φ∈[δ,360-δ]；进一步，智能搜索算法在鉴相器线性工作区内搜索鉴相零点，使腔体相位与基准源相位相同，完成腔体相位自动搜索对齐过程，得到基准相位字φ₀；

(3)对模拟PID算法离散化可得差分方程：y(n)＝y(n-2)+k₀e(n)+k₁e(n-1)+k₂e(n-2)，

其中

由DSP进行数字PID计算，得到相位控制量输出φ，根据步骤(2)中得到的基准相位字，最终写入直接数字频率合成器(DDS)相位字为Phase＝φ+φ₀。

2.根据权利要求1所述的一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法，其特征在于：步骤(1)中所述的数字鉴相器为TYPE-II型边沿触发鉴相器，工作范围为

3.根据权利要求1所述的一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法，其特征在于：步骤(1)中所述的数字鉴相器，其死区范围φ∈U(0,δ)由器件本身的半导体工艺和输入信号频率共同决定。

4.根据权利要求1所述的一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法，其特征在于：步骤(2)中所述的智能搜索算法的具体实现方式如下：

A.相位字步进0.1度；

B.根据ADC采样值判断鉴相器输出电压绝对值是否小于0.03，若满足条件，得到当前相位φ_zero，进入步骤C，否则回到步骤A；

C.判断在φ∈U(φ_zero,δ)内鉴相器输出值是否与理论值一致，如果一致，则φ_zero即为步骤(2)所述的φ₀，否则，回到步骤A。

5.根据权利要求1所述的一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法，其特征在于：步骤(3)所述的数字PID控制由DSP实现，并将最终结果转化为直接数字频率合成器(DDS)相位字，控制直接数字频率合成器(DDS)改变输出信号相位，从而实现相位闭环控制。

6.根据权利要求4所述的一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法，其特征在于：在所述智能搜索算法中，已知数字鉴相器的实际特性曲线和理论特性曲线，自动规避鉴相器死区，将系统相位调整到鉴相器线性工作区的零点上。

7.根据权利要求1所述的一种回旋加速器多高频腔体加速相位的搜索和锁定方法，其特征在于：两个独立的腔体相位都与一个相位基准进行比较，当两个独立腔体都与相位基准同相时，认为这两个独立的腔体相位相等。