谐振腔水平精密三反馈调控系统论文和设计

全文摘要

本实用新型公开了一种谐振腔水平精密三反馈调控系统，包含有谐振腔、移动平台、光栅尺、控制箱、网络分析仪、温度控制器、加热毯和上位机；所述控制箱与所述移动平台、温度控制器和上位机分别信号连接，所述谐振腔分别与所述移动平台、温度控制器和网络分析信号连接，所述网络分析仪与所述上位机信号连接；通过采用FPGA作为主要控制器，FPGA的运算速度快，可靠性高，开发周期短，控制精度高，较单片机和PLC有明显优势。

主设计要求

1.一种谐振腔水平精密三反馈调控系统，其特征在于，包含有谐振腔、移动平台、光栅尺、控制箱、网络分析仪、温度控制器、加热毯和上位机；所述控制箱与所述移动平台、温度控制器和上位机分别信号连接，所述谐振腔分别与所述移动平台、温度控制器和网络分析信号连接，所述网络分析仪与所述上位机信号连接；所述谐振腔、移动平台、光栅尺、上位机、真空度检测仪和水压计构成第一反馈调控系统；所述谐振腔、移动平台、网络分析仪、上位机、真空度检测仪和水压计构成第二反馈调控系统；所述谐振腔、网络分析仪、温度控制器、加热毯、上位机、真空度检测仪和水压计构成第三反馈调控系统。

设计方案

1.一种谐振腔水平精密三反馈调控系统，其特征在于，包含有谐振腔、移动平台、光栅尺、控制箱、网络分析仪、温度控制器、加热毯和上位机；

所述控制箱与所述移动平台、温度控制器和上位机分别信号连接，所述谐振腔分别与所述移动平台、温度控制器和网络分析信号连接，所述网络分析仪与所述上位机信号连接；

所述谐振腔、移动平台、光栅尺、上位机、真空度检测仪和水压计构成第一反馈调控系统；

所述谐振腔、移动平台、网络分析仪、上位机、真空度检测仪和水压计构成第二反馈调控系统；

所述谐振腔、网络分析仪、温度控制器、加热毯、上位机、真空度检测仪和水压计构成第三反馈调控系统。

2.根据权利要求1所述的谐振腔水平精密三反馈调控系统，其特征在于，所述谐振腔上设有真空检测仪和水压计。

3.根据权利要求1所述的谐振腔水平精密三反馈调控系统，其特征在于，所述控制箱包括开关、电源、FPGA、接线板和步进电机驱动器、电源转换模块、数字显示器、接口和电风扇；

所述接口包括上位机通讯串口，光栅尺通讯串口、步进电机通讯串口、温度控制器通讯串口、网络分析仪通讯USB口。

4.根据权利要求3所述的谐振腔水平精密三反馈调控系统，其特征在于，所述上位机通讯串口连接上位机，

所述光栅尺通讯串口连接光栅尺，

所述步进电机通讯串口连接移动平台，

所述温度控制器通讯串口连接加热毯，

所述网络分析仪通讯USB口连接网络分析仪。

5.根据权利要求3所述的谐振腔水平精密三反馈调控系统，其特征在于，所述FPGA主要包括步进电机脉冲信号发生模块和光栅尺信号处理模块，

步进电机脉冲信号发生模块产生控制步进电机转动的脉冲信号，

光栅信号处理模快将光栅信号处理成位移信号。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及谐振腔测控技术领域，具体涉及谐振腔水平精密三反馈调控系统。

背景技术

目前，谐振腔已经广泛应用于加速器系统中，在保证束流品质的作用中发挥着不可替代的作用。在实际应用中，为了减少束流发散和提高束流品质，谐振腔会有配套的调控系统，由于目前的调控手段大多依赖于手动调节，调控方法单一，同时手动控制无法应对谐振腔频率发生的微小变化，并且长时间盯着谐振腔增加了工作人员的工作压力。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出了谐振腔水平精密三反馈调控系统，以通过采用FPGA作为主要控制器，FPGA的运算速度快，可靠性高，开发周期短，控制精度高，较单片机和PLC有明显优势，也降低了工作人员的工作压力。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种谐振腔水平精密三反馈调控系统，包含有谐振腔、移动平台、光栅尺、控制箱、网络分析仪、温度控制器、加热毯和上位机；

所述谐振腔、移动平台、光栅尺、上位机、真空度检测仪和水压计构成第一反馈调控系统；

所述谐振腔、移动平台、网络分析仪、上位机、真空度检测仪和水压计构成第二反馈调控系统；

所述谐振腔、网络分析仪、温度控制器、加热毯、上位机、真空度检测仪和水压计构成第三反馈调控系统。

作为优选的，所述谐振腔上设有真空检测仪和水压计。

作为优选的，所述控制箱包括开关、电源、FPGA、接线板、步进电机驱动器、电源转换模块、数字显示器、接口和电风扇；

所述接口包括上位机通讯串口、光栅尺通讯串口、步进电机通讯串口、温度控制器通讯串口、网络分析仪通讯USB口。

作为优选的，所述上位机通讯串口连接上位机，

所述光栅尺通讯串口连接光栅尺，

所述步进电机通讯串口连接移动平台，

所述温度控制器通讯串口连接加热毯，

所述网络分析仪通讯USB口连接网络分析仪。

作为优选的，所述FPGA主要包括步进电机脉冲信号发生模块和光栅尺信号处理模块，步进电机脉冲信号发生模块产生控制步进电机转动的脉冲信号，

光栅信号处理模快将光栅信号处理成位移信号。

本实用新型具有如下优点：

1.本实用新型通过采用FPGA作为主要控制器，FPGA的运算速度快，可靠性高，开发周期短，控制精度高，较单片机和PLC有明显优势。

2.本实用新型采用三级反馈系统实现自动调节和频率补偿的功能，保证了系统的稳定性以及提高了系统的容错率。

3.本实用新型三反馈调控系统提高了系统的控制精度；采用光栅尺记录位移信号，精度可达0.001mm；并且通过FPGA处理光栅信号，保证了实时性的要求。

4.本实用新型保证了调控系统的稳定性和实时性。并且设有频率补偿机制和增加了系统容错率，可自动调节。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型实施例公开的谐振腔水平精密三反馈调控系统的系统原理图；

图2为本实用新型实施例公开的谐振腔水平精密三反馈调控系统中第一反馈的系统原理图；

图3为本实用新型实施例公开的谐振腔水平精密三反馈调控系统中第二反馈的系统原理图；

图4为本实用新型实施例公开的谐振腔水平精密三反馈调控系统中第二反馈的系统原理图；

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.谐振腔 2.移动平台 3.光栅尺 4.控制箱 5.网络分析仪

6.温度控制器 7.加热毯 8.上位机 9.开关 10.电源 11.FPGA

12.接线板 13.步进电机驱动器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面结合实施例和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-图4所示，一种谐振腔水平精密三反馈调控系统，包含有谐振腔1(所述谐振腔上设有真空检测仪和水压计)、移动平台2、光栅尺3、控制箱4、网络分析仪5、温度控制器6、加热毯7和上位机8；

所述谐振腔、移动平台、光栅尺、上位机、真空度检测仪和水压计构成第一反馈调控系统；

所述谐振腔、移动平台、网络分析仪、上位机、真空度检测仪和水压计构成第二反馈调控系统；

所述谐振腔、网络分析仪、温度控制器、加热毯、上位机、真空度检测仪和水压计构成第三反馈调控系统。

其中：

所述控制箱包括开关9、电源10、FPGA11、接线板12、步进电机驱动器13、电源转换模块、数字显示器、接口和电风扇；

所述接口包括上位机通讯串口，光栅尺通讯串口、步进电机通讯串口、温度控制器通讯串口、网络分析仪通讯USB口。

所述上位机通讯串口连接上位机，

所述光栅尺通讯串口连接光栅尺，

所述步进电机通讯串口连接移动平台，

所述温度控制器通讯串口连接加热毯，

所述网络分析仪通讯USB口连接网络分析仪。

所述FPGA主要包括步进电机脉冲信号发生模块和光栅尺信号处理模块，

步进电机脉冲信号发生模块产生控制步进电机转动的脉冲信号，

光栅信号处理模快将光栅信号处理成位移信号。

本实用新型的具体使用步骤如下：再如图1-4所示，移动平台2固定在谐振腔体1上，步进电机驱动器12转动带动螺杆转动，从而使调节棒在腔体内来回移动，达到调节腔体频率的目的。

光栅尺6固定在移动平台1上，主要用来读取调节棒的位置信息。

控制箱15中的FPGA14处理光栅信号、发送脉冲信号给步进电机。

温度控制器10通过调节加热毯9的温度调节腔体的工作频率。网络分析仪12检测腔体的工作频率。

上位机13读取FPGA14传送来的位移数据和网络分析仪12传送来的频率数据。通过将位移数据与频率数据与工作位移和工作频率进行比较，产生控制信号，反馈控制移动平台1 工作，从而控制调节棒7水平移动，使谐振腔的频率达到额定工作频率。

真空度检测仪和水压计安装在谐振腔体上，监测腔体真空度和水压。

系统一上电，第二反馈系统先起作用，然后第一反馈系统起作用，此时第二反馈系统可屏蔽，其中网络分析仪可以拆卸下来用于其他设备的测量，在第一反馈系统出现故障时或第一反馈系统频率补偿不足的情况下，第三反馈系统开始起作用。

第二反馈系统自动调节如下：

假设当前腔体工作的频率为F1，且F1<F0,再如附图3所示，谐振腔输出信号连接到网络分析仪，然后网络分析仪通过USB通讯将测得的频率数据传递到上位机的USB口，此时上位机检测到腔体当前工作的频率为F1，上位机通过比较频率F1与F0，产生控制信号，控制信号通过串口线传递到控制箱的通讯串口C输送到FPGA14，FPGA14内部的电机调速模块产生PWM信号通过通讯口A传递到步进电机驱动器，步进电机驱动器产生相电流传递到步进电机串口，然后控制步进电机正转，电机正转带动螺杆转动，使得调节棒向右水平移动。随着调节棒向右水平移动，频率F1增大，当增大到F0时，上位机发送控制信号，断开FPGA14的电机调速模块的脉冲信号的输出。脉冲信号一旦断开，电机停止转动，此时调节棒的位移为工作位移X。上位机读取到光栅位移信号，并且记录此时的位移为工作位移X。即此时的工作位移X对应工作频率F0。

因为受腔体密封性的影响，腔体真空度会变化。在真空度允许范围内，真空度变化所引起的频率变化是可补偿的。通过第二反馈系统上位机记录在不同真空度下所对应的工作位移，因为在以后的工作中，第一反馈系统起主要作用，所以频率补偿主要通过第一反馈系统实现。

假设工作位移X0所对应的真空度为V0，工作位移X1所对应的真空度为V1。

第一反馈系统自动调节原理如下：

通过第二反馈系统确定了谐振腔的工作位移X以及上位机记录了不同真空度所对应的工作位移。

如图2所示，虚线框里面是FPGA的电机调速模块和光栅信号处理模块。光栅位移信号传递到FPGA，光栅信号通过信号整形、细分、计数器、输出锁存和输出缓冲五大模块被处理成位移信号，FPGA将处理后的位移信号通过接口模块传递到通讯接口板的串口，然后通过串口位移信号传递到上位机串口。谐振腔工作一段时间后，真空度发生变化。由原来的V0变为V1。

上位机检测到V1<V0,通过查询上位机记录的不同真空度所对应的工作位移，首先产生方向控制信号，方向控制信号通过上位机串口经信号线输出到FPGA串口。如图2所示，FPGA 接口接收到来自上位机的方向控制信号，方向控制信号作用到方向控制模块，方向控制模块产生方向控制信号输出到步进电机驱动器，此时步进电机相电流顺序发生颠倒，即此时电机反转状态变为正转状态。

然后上位机产生速度控制信号，速度分四个频段，分别为快速、中速、慢速和微调。速度控制信分别对应于000、001、010和011。速度控制信号通过上位机串口经信号线输出到FPGA串口。FPGA接口接收到来自上位机的速度控制信号，速度控制模块(速度控制模块，核心是锁相环PLL宏模块电路)在不同速度控制信号作用下，可将经时钟分频器分频后的系统时钟改变为4种的PWM信号，为快速、中速、慢速和微调，至于选择哪路控制信号，由上位机自动调节。如果此时调节棒的距离与工作位移相差较远，会调节为快速模式，如果相差较近，会调节为微调模式。假设此时速度控制模块输出快速的PWM信号，PWM信号输入到步进电机驱动器，此时步进电机反转。

随着步进电机正转，X0增大，当上位机检测到X0＝X1时，上位机产生速度控制信号，速度控制信号通过上位机串口经信号线输出FPGA串口，FPGA接口接收到来自上位机的速度控制信号，此时中断PWM信号的输出。

第三反馈系统自动调节原理如下：

温度控制器的型号为8路温度控制器PT100。

如果上位机检测到谐振腔当前工作的频率脱离工作频率的时间超过3s，则说明第一反馈系统可能出现故障，此时自动启用第三反馈系统。

如果第一反馈系统不能使谐振腔的工作的频率达到工作频率，此时自动启用第三反馈系统。

第三反馈系统通过调节加热毯的温度来改变谐振腔的工作的频率。如附图4所示，通过8路温度控制器控制加热毯的温度。当上位机监测到谐振腔的工作频率发生变化时，上位机通过串口线1、2发送温度控制信号改变加热毯的温度，使腔体当前工作的频率恢复到工作频率。

该系统的精确调控原理如下：

精确调控通过FPGA和光栅尺实现。光栅尺可以精确到0.001mm，FPGA中电机调速模块产生4个频段的PWM脉冲信号。分别为快速，中速，慢速和微调：

在快速模式下，位移信号的个位数快速变化；

在中速模式下，位移信号的十分位快速变化；

在慢速模式下，位移信号的百分位快速变化；

在微调模式下，位移信号的千分位快速变化。

以上所述的仅是本实用新型所公开的谐振腔水平精密三反馈调控系统的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

设计图

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主设计要求

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