CN109936345A - 脉冲调制器高压补偿装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲调制器高压补偿装置及方法，使用高压分压探头采集PFN脉冲形成网络的电压，并对该电压信号进行处理监测。当充电电源充电完毕后，比较PFN电压与实际设定电压的值。如果PFN电压小于实际设定电压，则提高充电电源电压，保证对PFN电压进行补偿，实现PFN电压稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲调制器电压稳定性补偿的装置及其方法，尤其涉及应用在加速器微波功率源前端脉冲调制器领域。
背景技术
综合了技术先进性，稳定可靠性，经费预算和时间进度的要求，大连相干光源的速调管管采用东芝公司生产的E3730A以及E3712两种型号。脉冲调制器设计为高压恒流电源电流直接充电，电容储能，氢闸流管开关放电，PFN脉冲形成，脉冲变压器升压输出的技术方案，其可以使速调管微波脉冲幅度稳定度达到0.06％rms。PEN的充电电源采用最高工作电压为50kV的电容恒流充电电源。为了保证微波功率幅度稳定性好于0.06％，要求充电电源的输出稳定度好于0.03％，而大连相干光源的设计指标是工作在50Hz。在50Hz的工作频率下，要求充电电源的输出稳定度好于0.03％，且充电电流可调，电源参数为50kV，1500mA，目前世界上几乎没有达到这个指标的产品。由于脉冲调制器和充电电源的重复频率在50Hz，在20ms内，充电电源很难将脉冲调制器中PFN的电荷充到需要的数值，从而影响速调管微波功率输出稳定性。因此，有必要提供一种脉冲高压补偿稳定装置及方法，用提高来高压充电电源及脉冲调制器系统在50Hz重复频率下输出高压的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以提高脉冲调制器电压稳定性的补偿装置及方法，满足自由电子激光装置对微波功率源稳定性的需求。
本发明的技术方案是：使用高压分压探头采集PFN脉冲形成网络的电压，并对该电压信号进行处理监测。当充电电源充电完毕后，比较PFN电压与实际设定电压的值。如果PFN电压小于实际设定电压，则提高充电电源电压，保证对PFN电压进行补偿，实现PFN电压稳定性。
脉冲调制器高压补偿装置，包括：电压采集装置、电压比较装置和电压补偿装置；
所述电压采集装置包括高压分压探头5和信号采集器6；所述高压分压探头5输入端连接到PFN4上，用来采集PFN4的电压信号，高压分压探头5输出端通过数据传输线连接到信号采集器6中；
所述信号采集器6输入端用来采集高压分压探头5输出的电压信号，信号采集器6输出端与电压比较装置相连接，所述信号采集器6将高压分压探头5采集到的模拟信号转换成数字信号；
所述电压比较装置包括信号解调器7和信号比较器8；所述信号解调器7输入端与信号采集器6的输出端相连接，信号解调器7输出端与信号比较器8相连接，所述信号解调器7将信号采集器6转换成的数字信号解调，成为信号比较器8可以比较的二进制数值；
所述信号比较器8设有回读电压端口14、设定值采集端口15、比较启动端口16三个输入端口、一个内部充电时间端口17和一个误差输出端口18；
所述回读电压端口14连接信号解调器7的输出端，所述设定值采集端口15读取高压充电电源3设定值，所述比较启动端口16用来接收高压充电电源3提供的充电完成信号，所述误差输出端口18用来输出一个误差信号给电压补偿装置；
所述电压补偿装置包括电压补偿控制器9和充电电源控制器底层电路通信接口19；所述电压补偿控制器9输入端用来接收信号比较器8中误差输出端口18输出的误差信号，电压补偿控制器9输出端连接充电电源控制器底层电路通信接口19，用来控制高压充电电源3的输出电压。
优选的：所述信号采集器6为ADC采集卡。
一种根据脉冲调制器高压补偿方法，所述方法包括以下步骤：
第一步：在脉冲调制器2开始充电时，补偿装置接收到触发信号，开始工作；
第二步：使用高压分压探头5，采集PNF4的高压信号；
第三步：将高压分压探头5采集到的PNF4高压信号传输到信号采集器6中，通过信号采集器6将PNF4高压模拟信号转换成数字信号；
第四步：通过信号解调器7将PNF4高压数字信号进行解调，得到需要的电压幅度信号；
第五步：触发信号来临后，信号比较器8读取高压充电电源3设定值并存入寄存器中，在下一个触发脉冲前不再读取该数值；
第六步：当高压充电电源3对脉冲调制器2中的PNF4的充电完成后，高压充电电源3会生产一个充电完成信号；
第七步：信号比较器8在接收到充电完成信号后，开始启动，将寄存器中高压充电电源3设定值与解调得到的PNF4高压幅度信号进行比较，得出二者的差值，并将这个差值作为误差信号传送给电压补偿控制器9；
第八步：通过电压补偿控制器9对脉冲调制器2进行电压补偿，在电压补偿控制器9得到信号比较器8的误差信号后，则向充电电源控制器底层电路通信接口19传输命令，提高高压充电电源的设定电压，提高后的设定电压数值等于当前设定电压加上误差值；
第九步：提高了充电高压数值的高压充电电源3会给PFN4充入额外的电荷，在下一个触发信号到达前，不断重复步骤7、步骤8对脉冲调制器2高压实时进行反馈，最终使误差信号为0，脉冲调制器2放电，其高压输出为一个稳定值，继续进入下一个工作周期。
本发明具有以下有益的效果：
本发明利用对脉冲高压调制器中PFN的高压进行监测，并比较PFN中高压与高压充电电源设定值间的差异进行反馈，从而起到稳定脉冲调制器高压的作用。对于提高重复频率在50Hz的脉冲调制器的输出稳定性，具有显著的效果。本发明具有结构简单，原理清晰，实现成本低等优点。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的结构示意图；
图中：1、速调管； 2、脉冲调制器； 3、高压充电电源； 4、PFN； 5、高压分压探头；6、信号采集器； 7、信号解调器； 8、信号比较器； 9、电压补偿控制器； 10、充电电源控制器； 11、充电电源控制器底层电路； 12、高压线缆； 13、充电电源模块； 14、回读电压端口；15、设定值采集端口； 16、比较启动端口； 17、内部充电时间端口； 18、误差输出端口； 19、充电电源控制器底层电路通信接口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
如图1、2所示，脉冲调制器高压补偿装置，包括：电压采集装置、电压比较装置和电压补偿装置；
电压采集装置包括高压分压探头5和信号采集器6；高压分压探头5输入端连接到PFN4上，用来采集PFN4的电压信号，高压分压探头5输出端通过数据传输线连接到信号采集器6中；
信号采集器6输入端用来采集高压分压探头5输出的电压信号，信号采集器6输出端与电压比较装置相连接，信号采集器6将高压分压探头5采集到的模拟信号转换成数字信号；
电压比较装置包括信号解调器7和信号比较器8，这二者功能可以在同一个FPGA中实现；信号解调器7输入端与信号采集器6的输出端相连接，信号解调器7输出端与信号比较器8相连接，信号解调器7将信号采集器6转换成的数字信号解调，成为信号比较器8可以比较的二进制数值；
信号比较器8设有回读电压端口14、设定值采集端口15、比较启动端口16三个输入端口、一个内部充电时间端口17和一个误差输出端口18；
回读电压端口14连接信号解调器7的输出端，设定值采集端口15读取高压充电电源3设定值，比较启动端口16用来接收高压充电电源3提供的充电完成信号，误差输出端口18用来输出一个误差信号给电压补偿装置；
设定值采集端口15可以选择两种连接方式：方式一，连接到高压充电电源3的充电电源控制器10中，从充电电源控制器10读取电压设定值；方式二，连接到充电电源控制器底层电路11中，从充电电源底层电路11读取电压设定值；二者取决于高压充电电源3是否完全开放底层电路接口，如果开放，则使用方式二，效果更好；
比较启动端口16，应该连接到充电电源控制器底层电路11中的充电完成信号接口上，或者充电电源控制器10提供的充电完成信号接口，但是鉴于部分高压充电电源3不开放底层电路11相关接口，或者没有充电完成信号，因此需要将比较启动端口16连接到内部充电时间端口17，使本发明正常工作；
内部充电时间端口17，当高压充电电源3不开放底层电路11相关接口，或者没有充电完成信号时，用来连接比较启动端口16，实现代替充电完成信号的作用；
电压补偿装置包括电压补偿控制器9和充电电源控制器底层电路通信接口19；电压补偿控制器9输入端用来接收信号比较器8中误差输出端口18输出的误差信号，电压补偿控制器9输出端连接充电电源控制器底层电路通信接口19，用来控制高压充电电源3的输出电压。
其中：信号采集器6为ADC采集卡。
一种根据脉冲调制器高压补偿方法，包括以下步骤：
第一步：在脉冲调制器2开始充电时，补偿装置接收到触发信号，开始工作；
第二步：使用高压分压探头5，采集PNF4的高压信号；
第三步：将高压分压探头5采集到的PNF4高压信号传输到信号采集器6中，通过信号采集器6将PNF4高压模拟信号转换成数字信号；
第四步：通过信号解调器7将PNF4高压数字信号进行解调，得到需要的电压幅度信号；
第五步：触发信号来临后，信号比较器8读取高压充电电源3设定值并存入寄存器中，在下一个触发脉冲前不再读取该数值；
读取设定值的方法有三种：
(1)如果高压充电电源开放控制器底层电路接口，可以直接从底层进行读取；
(2)如果没有开放接口，则从充电电源控制器读取；
(3)也可以使用与门电路同时读取；
方法3优于方法1和2，但是方法1和3能否执行，取决于高压充电电源是否提供控制器底层电路接口。
第六步：当高压充电电源3对脉冲调制器2中的PNF4的充电完成后，高压充电电源3会生产一个充电完成信号；
可以用三种方法得到这个信号：
(1)直接通过对充电电源控制器底层电路读取；
(2)由充电电源上层控制器给予；
(3)信号比较器8在接到触发信号后，内部生成一个18ms的延时信号，当延时信号结束，会对外输出一个内部充电完成信号；
在这三种方法中，其中方法1最优，方法3最劣，这三种方法实现难度：方法3最容易，方法1最难，其能否实现取决于高压充电电源是否提供相应的信号或接口。
第七步：信号比较器8在接收到充电完成信号后，开始启动，将寄存器中高压充电电源3设定值与解调得到的PNF4高压幅度信号进行比较，得出二者的差值，并将这个差值作为误差信号传送给电压补偿控制器9；
第八步：通过电压补偿控制器9对脉冲调制器2进行电压补偿，在电压补偿控制器9得到信号比较器8的误差信号后，则向充电电源控制器底层电路通信接口19传输命令，提高高压充电电源的设定电压，提高后的设定电压数值等于当前设定电压加上误差值；
第九步：提高了充电高压数值的高压充电电源3会给PFN4充入额外的电荷，在下一个触发信号到达前，不断重复步骤7、步骤8对脉冲调制器2高压实时进行反馈，最终使误差信号为0，脉冲调制器2放电，其高压输出为一个稳定值，继续进入下一个工作周期。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.脉冲调制器高压补偿装置，其特征在于：包括：电压采集装置、电压比较装置和电压补偿装置；
所述电压采集装置包括高压分压探头(5)和信号采集器(6)；所述高压分压探头(5)输入端连接到PFN(4)上，用来采集PFN(4)的电压信号，高压分压探头(5)输出端通过数据传输线连接到信号采集器(6)中；
所述信号采集器(6)输入端用来采集高压分压探头(5)输出的电压信号，信号采集器(6)输出端与电压比较装置相连接，所述信号采集器(6)将高压分压探头(5)采集到的模拟信号转换成数字信号；
所述电压比较装置包括信号解调器(7)和信号比较器(8)；所述信号解调器(7)输入端与信号采集器(6)的输出端相连接，信号解调器(7)输出端与信号比较器(8)相连接，所述信号解调器(7)将信号采集器(6)转换成的数字信号解调，成为信号比较器(8)可以比较的二进制数值；
所述信号比较器(8)设有回读电压端口(14)、设定值采集端口(15)、比较启动端口(16)三个输入端口、一个内部充电时间端口(17)和一个误差输出端口(18)；
所述回读电压端口(14)连接信号解调器(7)的输出端，所述设定值采集端口(15)读取高压充电电源(3)设定值，所述比较启动端口(16)用来接收高压充电电源(3)提供的充电完成信号，所述误差输出端口(18)用来输出一个误差信号给电压补偿装置；
所述电压补偿装置包括电压补偿控制器(9)和充电电源控制器底层电路通信接口(19)；所述电压补偿控制器(9)输入端用来接收信号比较器(8)中误差输出端口(18)输出的误差信号，电压补偿控制器(9)输出端连接充电电源控制器底层电路通信接口(19)，用来控制高压充电电源(3)的输出电压。
2.根据权利要求1所述的脉冲调制器高压补偿装置，其特征在于：所述信号采集器(6)为ADC采集卡。
3.一种根据权利要求1-2任一所述的脉冲调制器高压补偿装置的补偿方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
第一步：在脉冲调制器(2)开始充电时，补偿装置接收到触发信号，开始工作；
第二步：使用高压分压探头(5)，采集PNF(4)的高压信号；
第三步：将高压分压探头(5)采集到的PNF(4)高压信号传输到信号采集器(6)中，通过信号采集器(6)将PNF(4)高压模拟信号转换成数字信号；
第四步：通过信号解调器(7)将PNF(4)高压数字信号进行解调，得到需要的电压幅度信号；
第五步：触发信号来临后，信号比较器(8)读取高压充电电源(3)设定值并存入寄存器中，在下一个触发脉冲前不再读取该数值；
第六步：当高压充电电源(3)对脉冲调制器(2)中的PNF(4)的充电完成后，高压充电电源(3)会生产一个充电完成信号；
第七步：信号比较器(8)在接收到充电完成信号后，开始启动，将寄存器中高压充电电源(3)设定值与解调得到的PNF(4)高压幅度信号进行比较，得出二者的差值，并将这个差值作为误差信号传送给电压补偿控制器(9)；
第八步：通过电压补偿控制器(9)对脉冲调制器(2)进行电压补偿，在电压补偿控制器(9)得到信号比较器(8)的误差信号后，则向充电电源控制器底层电路通信接口(19)传输命令，提高高压充电电源的设定电压，提高后的设定电压数值等于当前设定电压加上误差值；
第九步：提高了充电高压数值的高压充电电源(3)会给PFN(4)充入额外的电荷，在下一个触发信号到达前，不断重复步骤7、步骤8对脉冲调制器(2)高压实时进行反馈，最终使误差信号为0，脉冲调制器(2)放电，其高压输出为一个稳定值，继续进入下一个工作周期。
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