CN1996546B - 离子源进气实时控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子源进气实时控制系统及控制方法。系统分为反馈信号产生与传输、信号处理与控制和控制传输与执行三大部分。离子饱和流传感器伸入到离子源内部，可控气阀安装在离子源侧面。根据离子饱和流传感器测得的离子饱和流信号和设置参考信号的差值调节离子源的进气量，以此来减小差值，控制可控气阀两端的电压，使得弧流逐渐逼近参考值。本发明可以使弧电源的工作模式简单，电源系统提高了可靠性和易于维护性；通过对进气量的调节，按照需要对等离子体进行加料，减轻了整个系统的真空系统的负担；可以获得稳定的等离子体、长脉冲运行和稳态均匀的等离子体密度，有利于系统引出高质量的束流。
Description
技术领域
本发明涉及高能离子束领域，特别属于离子源的等离子体产生、进气系统的实时控制。
背景技术
离子源是产生高能离子束的装置。它是各种粒子注入加速器的核心部件，也是中性束注入器的束源的关键部件。无论是离子束注入器还是中性束注入器，离子源都应该提供稳定而质量符合要求的离子束，以应用于各种不同的离子束引出场合。
在离子源等离子体起弧放电过程中，如果采用恒定电压、恒定电流和稳定的进气量条件，则很短时间内就会使弧电源超过负荷，形成电源过流保护或等离子体不稳定乃至破裂。目前用于控制离子源的起弧电流的技术主要是：采用互感器测得弧电流回路电流大小，用测得的电流大小与目标电流进行比较，根据比较结果来调节弧电压。这种方法有如下缺点：首先，以弧电源回路电流作为反馈信号不能准确地反映离子源的离子流密度的稳定性，因此获得的弧流离子密度可能分布不均匀，影响束流引出质量；其次，此方法应用的弧电源设计较复杂，在应用过程中生产投资大，而且维护困难。
发明内容
本发明的目的是提供需一种离子源进气实时控制系统及控制方法，可以实现离子源放电时获得稳定的等离子体和均匀的离子流密度。在离子源放电过程中，保持弧压稳定，把离子源内的离子饱和流传感器测得的离子流信号与参考值进行比较，将比较结果用于调节离子源放电进气量，从而实现保持弧流稳定和离子流密度均匀的目标。
本发明的技术方案是：
离子源进气实时控制系统，包括有离子源(11)，其特征在于离子饱和流传感器(12)伸入到离子源(11)内部，离子饱和流传感器(12)的输出端与采样电路(25)的输入端相连，采样电路(25)的输出端与信号隔离放大电路(26)的输入端相连，信号隔离放大电路的输出端与A/D采集模块(33)输入端相连，完成输出电路上传输反馈信号Vf(40)；工业控制计算机(30)与A/D采集模块(33)、网络模块(32)和D/A输出模块(31)通过PCI总线相连；D/A输出模块输出控制信号(41)到VF转换器(24)的输入端，VF转换器(24)的输出端与FV转换器(22)的输入端通过光纤(23)相连，FV转换器的输出端连接到气阀电源驱动模块(21)，气阀电源驱动模块(21)输出端连接到可控气阀(10)的电压两端，可控气阀(10)安装在离子源(11)侧面。
离子源进气实时控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)、将离子饱和流传感器(12)伸入到离子源(11)内部，离子饱和流传感器(12)提供的电压信号，采样电路(25)将电压信号进行采样送给信号隔离放大电路(26)进行隔离和放大，变成放大的反馈信号Vf(40)输入到A/D采集模块(33)，A/D采集模块(33)进行模数转换；
(b)、工业控制计算机和A/D采集模块(33)、网络模块(32)和D/A输出模块(31)之间通过PCI总线相连接，并管理这些模块；
(c)、工业控制计算机(30)将反馈信号Vf(40)与网络模块(32)设定的参考信号Vref(42)比较，将控制结果通过D/A输出模块(31)转换为控制信号Vc(41)，经过VF转换器(24)、光纤(23)和FV转换器(22)传输到气阀电源驱动模块(21)并实现与工业控制计算机(30)的隔离，气阀电源驱动模块(21)根据控制信号Vc(41)对安装在离子源(11)上的可控气阀(10)两端电压进行实时调节，进而实现对离子源(11)进气量的实时调节。
本发明的有益效果：可以使弧电源的工作模式简单，电源系统提高了可靠性和易于维护性；通过对进气量的调节，按照需要对等离子体进行加料，减轻了整个系统的真空系统的负担；可以获得稳定的等离子体、长脉冲运行和稳态均匀的等离子体密度，有利于系统引出高质量的束流。
附图说明
图1是本发明的系统方框图。
图2是系统控制原理方框图。
图中：10.可控气阀，11.离子源，12.离子饱和流传感器，21.气阀电源驱动模块，22.FV转换器，23.光纤，24.VF转换器，25.采样电路，26.信号隔离放大电路，30.系统控制器，31.D/A输出模块，32.网络模块，33.A/D采集模块，40.反馈信号Vf，41.控制信号Vc，42.参考信号Vref，43.控制误差信号Verr，50.PID控制计算，51.进气控制执行。
具体实施方式
本发明系统由三大部分组成，分为反馈信号产生与传输、信号处理与控制和控制传输与执行部分。反馈信号产生与传输部分由离子饱和流传感器(12)、采样电路(25)和信号隔离放大电路(26)组成；信号处理与控制部分由A/D采集模块(33)、网络模块(32)、D/A输出模块(31)和系统控制器(30)组成；控制传输与执行部分由VF转换器(24)、光纤(23)、FV转换器(22)、气阀电源驱动模块(21)和可控气阀(10)组成。反馈信号产生与传输部分将反馈信号Vf(40)传输至系统控制器(30)，系统控制器(30)将反馈信号Vf(40)与参考信号Vref(42)处理，根据处理结果系统控制器(30)将发出控制信号Vc(41)到控制传输与执行部分完成控制任务。这三部分顺次连接，完成对离子源(11)进行实时进气控制，组成一个封闭的实时反馈控制系统。
在图1中，离子饱和流传感器(12)伸入到离子源(11)内部，离子饱和流传感器的输出端与采样电路(25)的输入端相连，采样电路的输出端与信号隔离放大电路(26)的输入端相连，信号隔离放大电路的输出端与A/D采集模块(33)输入端相连，完成输出电路上传输反馈信号Vf(40)；系统控制器(30)与A/D采集模块、网络模块(32)和D/A输出模块(31)通过PCI总线相连；D/A输出模块输出控制信号(41)到VF转换器(24)的输入端，VF转换器的输出端与FV转换器(22)的输入端通过光纤(23)相连，FV转换器的输出端连接到气阀电源驱动模块(21)，气阀电源驱动模块输出端连接到可控气阀(10)的电压两端，可控气阀安装在离子源(11)侧面。
离子饱和流传感器(12)提供微弱的电压信号，该信号可以反映离子源(11)放电过程中离子密度，同时该信号的强弱与弧电流的强弱成一定的比例，也可以用作弧电流信号的监测。采样电路(25)将微弱的电压信号进行采样送给信号隔离放大电路(26)进行隔离和放大，经过放大的反馈信号(40)输入到A/D采集模块。
系统控制器(30)可以是一个程序化的控制器或者一个特殊目的的控制器。在一个实施实例中系统控制器(30)是一个运行实时控制程序的功能强大的工业控制计算机，它管理A/D采集模块(33)、网络模块(32)和D/A输出模块(31)，并对反馈信号Vf(40)和来自网络模块的用户设定的参考信号Vref(42)以图2所示的控制原理进行控制运算，把控制信号Vc(41)通过D/A输出模块输出。系统控制器运行实时控制程序，该程序以固定的周期启动A/D采集模块，对结果进行控制运算，然后把控制信号Vc(41)通过D/A输出模块(31)输出，如此完成一个控制循环。在优选的实施实例中，系统的控制时间最小周期可以达到50微秒，即其控制频率可达20kHz。
VF转换器(24)、光纤(23)和FV转换器(22)完成高压电源与系统控制器(30)的隔离，同时把控制信号Vc(41)传输给气阀电源驱动模块(21)。气阀电源驱动模块根据控制信号Vc(41)对可控气阀(10)进行实时操作，这样就可以完成对离子源(11)进气量的实时调节。
本发明采用的控制算法是在实时控制程序的控制周期内，根据离子饱和流传感器(12)测得的反馈信号Vf(40)与参考信号Vref(42)的差值控制误差信号Verr(43)，采用如图2中所示的PID控制计算(50)来调节进气控制执行(51)完成实时控制任务的。在实时控制程序周期内，PID控制计算部分不断地进行控制运算来输出控制信号Vc(41)，以使弧电流不断接近于参考信号Vref(42)。参考信号Vref是根据应用弧电流需要而设定的控制参考信号。控制误差信号Verr可以按照下式计算：Verr＝Vc-Vref。三个控制参数Kp、Kd、Ks和参考信号Vf可以通过网络模块进行设置。PID控制计算输出的信号可以由下式来确定：
Yc(t)＝Kp*E(t)+Kd*dE(t)/dt+[R(k)/Ks]
其中E(t)是瞬时控制误差信号，Yc(t)是瞬时输出控制信号，R(k)是一个实时控制周期计数器，每个运行周期进行加一，在式[R(k)/Ks]中，“[]”运算是对R(k)/Ks计算结果进行取整数。瞬时输出控制信号Yc(t)经过D/A输出模块输出后，可以提供一个控制可控气阀的控制命令信号，根据这个信号可以将弧电流强度调节到设定的参考值，同时获得离子源均匀的离子饱和流。Yc(t)的幅值和极性可以根据需要，通过网络模块对系统进行优化设置。
Claims (2)
1.离子源进气实时控制系统，包括有离子源(11)，其特征在于离子饱和流传感器(12)伸入到离子源(11)内部，离子饱和流传感器(12)的输出端与采样电路(25)的输入端相连，采样电路(25)的输出端与信号隔离放大电路(26)的输入端相连，信号隔离放大电路的输出端与A/D采集模块(33)输入端相连，完成输出电路上传输反馈信号Vf(40)；工业控制计算机(30)与A/D采集模块(33)、网络模块(32)和D/A输出模块(31)通过PCI总线相连；D/A输出模块输出控制信号(41)到电压/频率转换器(24)的输入端，电压/频率转换器(24)的输出端与频率/电压转换器(22)的输入端通过光纤(23)相连，频率/电压转换器的输出端连接到气阀电源驱动模块(21)，气阀电源驱动模块(21)输出端连接到可控气阀(10)的电压两端，可控气阀(10)安装在于离子源(11)侧面。
2.离子源进气实时控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(a)、将离子饱和流传感器(12)伸入到离子源(11)内部，离子饱和流传感器(12)提供的电压信号，采样电路(25)将电压信号进行采样送给信号隔离放大电路(26)进行隔离和放大，变成放大的反馈信号Vf(40)输入到A/D采集模块(33)，A/D采集模块(33)进行模数转换；
(b)、工业控制计算机和A/D采集模块(33)、网络模块(32)和D/A输出模块(31)之间通过PCI总线相连接，并管理这些模块；
(c)、工业控制计算机(30)将反馈信号Vf(40)与网络模块(32)设定的参考信号Vref(42)比较，将控制结果通过D/A输出模块(31)转换为控制信号Vc(41)，经过电压/频率转换器(24)、光纤(23)和频率/电压转换器(22)传输到气阀电源驱动模块(21)并实现与工业控制计算机(30)的隔离，气阀电源驱动模块(21)根据控制信号Vc(41)对安装在离子源(11)上的可控气阀(10)两端电压进行实时调节，进而实现对离子源(11)进气量的实时调节。
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