回旋管阳极高压电源控制.doc

EAST ECRH系统CPI回旋管阳极高压电源控制王善林，丁伯江，徐旵东，杨永，冯建强（中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031）摘 要：电子回旋共振加热(ECRH)是托卡马克射频加热和电流驱动的重要方法之一，为此在EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak ）托卡马克装置上进行研究设计4MW长脉冲电子回旋加热系统，计划采用4只140GHz/1MW 长脉冲回旋管作为微波源。回旋管的阳极高压大小可以用于控制回旋管输出功率和提高转换效率，还可以通过调制阳极电源开展调制实验等。为此设计了可以远程控制输出0-10V的模拟电压信号来调节阳极高压电源对应输出0-30KV的高压，并利用了跨平台开发框架Qt进行控制界面的设计。关键词：EAST；ECRH；回旋管；阳极高压中图法分类号TP273+.5； 文献标志码A电子回旋共振加热是等离子体加热的重要方法之一，具有耦合效率高、局域性好和天线结构简单的特点，广泛使用在等离子体加热、电流驱动、等离子体电流剖面控制、抑制MHD不稳定性等方面，成为对托卡马克等离子体进行加热和分布控制的首选方法。为了在EAST托卡马克上开展兆瓦级、长脉冲电子回旋共振加热技术及研究ECRH和ECCD对MHD不稳定性（锯齿模、NTM等）的控制，以及LHCD和ECCD两波协同电流驱动的相关物理机理等。本所计划研究设计4MW长脉冲电子回旋加热系统。该系统计划采用4只140GHz/1MW 长脉冲回旋管作为微波源，其中2号回旋管采用的是美国CPI回旋管。整个ECRH系统由回旋管系统、传输系统、天线系统、监控保护系统、高压电源系统、水冷系统及配套的真空、低温等子系统构成，如图1所示，回旋管是整个系统的核心器件，其正常工作是必须有相应的高压供电系统，主要有阴极高压和阳极高压部分。 收稿日期：yyyy-mm-dd基金项目：国家磁约束核聚变能研究专项资助（2011GB102000）作者简介：王善林（1987），男，硕士研究生，主要研究方向：托卡马克电子回旋加热系统。E-mail：washli图1电子回旋加热系统结构图Fig. 1 ECRH system structure 1、阳极高压控制目的电子回旋加热系统主要的部件是回旋管，而回旋管要正常工作就必须对其高压供电，其中包括阴极高压和阳极高压两部分。阳极电源主要有两个作用：与阴极电源共同作用，加速进入谐振腔前的电子束，控制回旋管输出功率，并对通过谐振腔交换能量后的电子束减速，以提高回旋管的转换效率，降低收集级的热负荷。还可以通过调制阳极电源开展调制实验等。图2给出了美CPI回旋管测试曲线。从图中可以看出在阴极高压(CATH-TO-COLL)不变的情况下，改变阳极高压(BODY-TO-COLL)时回旋管输出功率随着阳极高压的增加而增加，而收集极功率随着下降即回旋管转换效率增加。图2 CPI回旋管测试曲线Fig. 2 CPI gyrotron test curve2、阳极高压控制系统设计本系统的阳极高压供电电源采用的是国内厂家生产的电源，该电源可以远程实时调节输出电压。控制过程是通过BNC接头外接入一个0-10VDC的模拟电压信号，即可控制电源输出对应的0-30KVDC的高压信号，该高压信号就接入到回旋管的管体-收集极上。因为通常在实验中要根据实验的要求来随时改变阳极电源的输出电压值，所以控制阳极电源输出的0-10V直流电压就必须能够在控制室随时对其进行设置。而阳极电源输出的是高压信号并且处于ECRH系统的现场。所以控制室控制信号必须和现场进行隔离。本系统采用光信号隔离，其中控制室和现场之间通信使用RS485通信协议。2.1控制器接口整个系统电路的设计主要涉及到两大块：485信号和光信号之间的相互转换和485信号到模拟电压信号的转换。为了提高系统的可靠性，这两部分购买自成熟的商业模块： MWF201-M-ST（485-fiber模块）和IPAM-4404（485-模拟量输出模块）。MWF201-M-ST模块是进行485信号和光信号之间相互转换的模块。实现RS-232/RS-485/RS-422信号在多模光纤上传输。该模块特点：850nm波长，5km传输距离，ST接口，300115.2Kbps自适应。IPAM-4404是模拟量输出模块，可以同时输出4路的模拟量信号，内部采用12位分辩率DAC。模拟量输出信号可以软件配置为电压信号输出或电流信号输出，电压信号输出范围为0-10V，电流信号可以选择为0-20mA或4-20mA输出。模块还具有4路数字量输入通道，可以采集电平信号或开关触点信号，为模拟量输出提供匹配输出功能。另外，IPAM-4404的模拟量输出具有安全输出、紧急输出、同步输出、匹配同步输出和可编程顺序输出的功能，可以通过提供的配置资源，对模块进行配置，模拟量输出通道将在条件满足的情况下，按照设置的输出方式进行输出。本设计将安全输出设置为0，紧急输出为0，无同步输出、匹配同步输出和可编程顺序输出。其中紧急输出为0时，需要DI输入作为使能。本设计中将DI0的匹配电平设为低电平，即在DI0输入低电平时，IPAM-4404使能紧急输出功能。同时该模块数字量输入地和模拟量输出地之间磁珠隔离，这两个地和模块供电电源地以及485地相互之间是电气隔离的。在本系统中模块的通信参数为：通信协议RTU；波特率9600bps；奇校验；8位数据位；1位停止位；使能C-ASCII校验；16进制数据ASCII数据格式。整个控制器的详细接口如图3所示。ECRH总控计算机通过458通信来远程调节IPAM-4404模块的模拟电压输出大小。为了辅助在中央控制器关闭高压源时，让控制器输出的模拟电压值为0V。所以在配置IPAM-图3 控制器信号连接接口Fig. 3 controller interface4404模块时具使能了紧急输出功能（紧急输出电压为0V），同时采用的是低电平匹配，即当IPAM-4404模块输入的数字量DI为低电平时触发IPAM-4404的紧急输出。故系统又增加了阳极电源启停信号光电转换板卡和触发电路来实现该功能，他们将中央控制器过来的光启停信号进行光电转换，并将转换的电信号调整整形成所需的触发信号来触发IPAM-4404模块的紧急输出。2.2 控制器软件设计在控制程序中必须包含有如何选择端口、如何对输出就行设置、如何显示输出值等主要结构模块。其中IPAM-4404模块模拟量输出AO0的地址是0X60，数字量输入DI0的地址为0X00。通信采用常见的485通信协议Modbus协议，该协议的报文格式包括了设备ID地址、功能码、协议命令、CRC校验。由于ECRH系统软件平台是异构的，存在着Windows和Linux等不同的操作系统，对软件开发提出了很高的跨平台性。Qt是一个用于跨平台的图形界面程序开发的C+开发框架，它允许软件开发人员编写具有代码级可移植性的源程序，这种源程序可以很容易地移植到Windows，Linux，HP-UX以及Solaris等操作系统上。Qt是完全面向对象的，非常容易扩展。Qt也是流行的Linux桌面环境KDE的基础，KDE是所有主要的Linux发行版的一个标准组件，目前Linux上比较成熟的集成开发环境也是基于Qt的。为此使用Qt Creator来开发控制软件。控制软件的功能模块如图4所示,它主要包含了串口通信参数设置模块、读写模块、采集模块、将采集到的数据进行实时显示的波形显示模块和用于检查系统是否正常的自检模块组成。图4 软件功能模块Fig. 4 software function module控制软件的类图如图5所示：图5 控制软件类图Fig. 5 software class diagram上类图是在设计和实现过程中所用到的最主要的几个类，包括系统自定义的类和开发人员自定义的类。QWidget类是个主窗口类。setSerConnect类是连接串口类，主要实现将4404模块和计算机串口的连接和断开连接和必要时进行通信参数的设置等操作。WriteAndReadModule类主要封装了读取和设置电压接口函数。DQAThread类是采集线程类主要用来对4404模块输出电压寄存器进行读取，并将读取的寄存器值转换为对应的电压值；同时该类还用于读取输入数字量DI的读取。QcustomPlot类用于波形显示，用于实时显示当前模块输出的电压值。控制程序界面见下图6所示：界面主要分为4个区域：串口设置区，主要用于连接串口；系统自检部分主要应用系统自检各个模块和通信线路是否正常；模块电压设置区，主要用于对4个模块的输出电压进行设置；当前电压值和输入数字电平显示区，主要实时显示当前输出电压值和输入高低电平；最后就是波形显示区。 图6 控制程序界面 Fig.6 software interface3、测试结果响应时间测试波形如图7所示，在启停信号触发到来时，系统辅助紧急输出功能的变化过程。从图中可以看出当启停信号触发时，系统从10V变到0V时，所需的时间在20ms左右，满足要求。图7 响应时间测试波形Fig. 7 response time test curve表1给出了理论值和测量值之间的电压误差，可以看出最大误差是10mV，精度为10mV/10000mV = 0.1%,满足要求。表1 测试结果Table 1 test results理论值mV0500100015002000250030003500400045005000测量值mV6.4490.5992.114931995249429943495399744964998理论值mV55006000650070007500800085009000950010000-测量值mV54975999649870007501800385009001950310004-4、结论电子回旋共振是等离子体加热的重要方法之一。而回旋管是ECRH系统的最主要部件。而阳极高压是回旋管正常工作必不可少的高压源之一。本文对阳极高压源的控制，购买成熟的模块，主要核心模块式IPAM-4404模块。在控制软件上使用面向对象的软件工程方法开发了控制软件部分，选用具有良好跨平台特性的Qt作为控制界面开发工具。最终结果满足设计要求。参考文献 1徐旵东.EAST长脉冲电子回旋加热技术及实验研究年度总结报告. 合肥: 中科院等离子体物理研究所, 2012.Xu Handong. Summary report of electron cyclotron heating technology and experimental on EAST. Hefei: Chinese Academy of Sciences Institute of Plasma Physics, 2012.2丁同海.EAST电子回旋加热及高压电源系统研究.合肥：中科院等离子体物理研究所，2007.Ding Tonghai. Study of EAST electron cyclotron heating and high voltage power supply system. Hefei: Chinese Academy of Sciences Institute of Plasma Physics, 2007.3Jasmin Blanchette，Mark Summerfield著,闫锋欣，曾泉人，张志强译. C+ GUI Qt4编程(第二版). 北京: 电子工业出版社, 2009.Jasmin Blanchette，Mark Summerfield Edit,Yan Fengxin, Zeng Quanren, Zhang Zhiqiang translate. C+ GUI programming with Qt4(Second Edition). Beijing: Publishing House of electronics industry, 2009.4Xteam（中国）软件技术有限公司编著. Qt程序设计. 北京：清华大学出版社，2002.Xteam (China) software technology Ltd edit. Qt program design. Beijing: Tsinghua University press, 2002.5A B Sterk, A G A Verhoeven, the ECRH team. Design and R&D for an ECRH power supply and power modulation system on jet. Fusion Engineering and Design, 2003, 66(68): 467-472.Design of anode high voltage power supply controller for CPI gyrotron of EAST ECRH systemWang Shanlin，Ding Bojiang，Xu Handong，Yang Yong，Feng Jianqiang(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)Astract ECRH （Electron-cyclotron resonance heating） is one of the important method of heating and current drive for a Tokamak,so studying and designing a 4MW long pulse electron cyclotron heating system in the EAST tokamak,and planing to use 4 140GHz/1MW long pulse gyrotrons as a microwave source.The anode voltage of a gyrotron can be used to control the gyrotron output power and improve the conversion efficiency and perform some modulation experiments.The aricle discribes the design of a controller that can output 0-10V voltages by remote settings.The output of the controller is used to control the anode high-voltage power supply output 0-30KV.The control interface software is designed by the cross platform development framework Qt. Key words EAST；ECRH；gyrotron；anode voltage