关键词：D电路 自动调谐 运动型PLC 加速器
一、 概述：
D电路频率自动微调是专门为加速器高频D电路设计的，完成自动调谐的装置。
D电路由一个高频腔体构成，这个腔体是加速器的重要组成部分之一，加速器运行时，高频电压加在这个D电路上，用来实现对粒子的加速。D电路的示意图如图1所示，D电路的调谐是靠改变短路片的位置（粗调），细调是靠改变微调电容对D型盒的距离来实现。在正常运行中，只要高频机的频率固定，短路片的位置就固定了，但是由于各种因素的影响（包括热变型、机械震动等），D电路的参数是不稳定的。因此D电路就不能保持在谐振状态，且D电路的Q值很高（5.5Mhz时，可达8800），因此D电压将不稳定。所以要靠频率微调系统来实现D电路的自动调谐，以实现频率稳定。从而改善束流品质，满足实验对束流的要求。
具体参数要求为：频率稳定度为1×10-6。（有自动和手动两种模式）。
随着科学技术的不断进步，原有的分离元件的频调系统，器件老化，技术落后，已满足不了物理实验的要求。我们在原有系统积累大量经验的基础上，设计了新的自动微调系统。该系统由四部分组成，即360度电子移相器、鉴相器、运动型PLC,步进电机驱动器、步进电机及机械部分组成。
图1
二、系统组成：
1. 360°电子矢量合成移相器见图1
图2、矢量合成移相器原理方框图
当UA不变时UC也不变，因此移相时不伴随幅度变化的条件是
乘法因子K1、K2由控制电压确定，这样w和U保持近似线性关系，通过调整K1、K2实现移相。
2. 相位检波器
相位检波器的功能是实现相位差转换成电压，即Dw——-V的转换。从图2可以看出，电路输入的两个原始信号U1、U2分来自高频发射机和D电路，前者采用电容耦合，后者则为电感耦合，高频机与D电路也是电容耦合，因此，当D电路谐振时U1和U2之间的相位差Dw = p/2，失谐时，Dw < p/2或Dw > p/2，这是判别D电路谐振的基本点。由于U2的线太长，会造成传输过程的相移，我们在输入端串入电子移相器，作为相位补偿。
根据这种关系，我们选用XR-2208M乘法器作为相位检波器，该乘法器输出频率可达100MHz，组成1808相位检波器，其输入两信号的相位差与输出直流电压之间存在下式关系：
Dw ——输入两信号的相位差
Kd ――是相位检波器的转换增益，在输入信号/50mV.rms时，Kd ≈ 2V/弧度。并与信号幅度无关。
本相位检波器的输出电平有三种状态。
当Dw = p/2 时，VDw = 0 （谐振）
当Dw < p/2 时，VDw >0 （失谐）
当Dw > p/2 时，VDw <0 （失谐）
3. 可编程控制器（PLC）
我们选用日本松下电工面向运动控制的PLC，具有2路10KHz脉冲输出;2通道输出时，每通道最高5KHz。且具有两路A/D和一路D/A。
4. 德国百格拉三相混合式步进电机及驱动系统
驱动器WD-007采用交流伺服原理工作，输入电压220VAC，控制脉冲信号电压为5VDC，输出为3x325VAC，有过热、过流、欠压、过压保护，电机每转步数可依用户要求分别设定为500、1000、5000、10000步/转。
步进电机采用VRDM-3910，最大扭矩4Nm。
5. 机械传动部分
粗调采用蜗轮、涡杆传动，它的优点是可自锁，但传动效率低、功率损失大。细调为伞齿传动 。蜗杆的螺距为2mm, 伞齿的螺距为0.5mm。脉冲当量最小可达0.004mm/脉冲,可满足调谐要求。
三、实现方法及编程：
我们对D电路的调谐是通过对PLC输出脉冲的编程实现的。自动调谐的实现过程是，把鉴相器的输出送给A/D转换器。根据A/D值进行判断，通过程序控制脉冲输频率和方向，结合使用上述的三相混合式步进驱动器、步进电机及机械传动系统,完成电容板的位置移动，从而实现D电路的精确调谐。（如图3）
如图3
编程利用PLC脉冲输出指令F168（SPD1）可以实现梯形控制，根据指定的初速度、最大速度、加/减速时间和目标值能够自动输出脉冲。指令F169（PLS）,可以在执行条件（触发器）处于ON状态时执行JOG（点动）操作、从指定的通道输出脉冲。利用增量型、绝对值型、原点返回控制模式并配合系统寄存器进行输出脉冲编程，省略了行程限位开关，减少了系统布线，提高系统的灵活性。
具体编程方法如下：利用PLC指令F168（SPD1）根据给定的参数表自动执行梯形控制。
以上程序通过输出端Y0输出的脉冲初始速度为500Hz，最高速度为5000Hz，加减速时间为200ms，总移动量为10000个脉冲。
这时，高速计数器经过值（DT9044和DT9045）会随脉冲数增加。
脉冲输出指令（F169）
当执行条件（触发器）为ON时，本指令从指定的通道输出脉冲，执行JOG（点动）运行。
当X2处于ON状态时，Y0发出频率为300Hz、占空比为10%的脉冲。此时，方向输出Y2为OFF，高速计数器CH0（DT9044和DT9045）的经过值计数增加。
当X6处于ON状态时，Y1发出频率为700Hz、占空比为10%的脉冲。此时，方向输出Y3为OFF，高速计数器CH1（DT9048和DT9049）的经过值计数减少。
四、结论：
1、该自动调谐系统采用PLC作为控制设备，用软件编程完成各信号的逻辑关系处理及脉冲输出编程，简化了硬件电路的设计，提高整个系统的灵活性。
2、PLC是专为工业控制设计的，以集成电路为基本元件的电子设备，在设计和制造过程中采取了多层次抗干扰和精选元器件措施，内部处理不依赖触点。适合于加速器高频系统强电磁的运行环境，从根本上保证了控制系统的稳定性和可靠性。解决了控制设备在强电强磁环境下稳定工作的要求。
目前，这个系统的安装调试已经完成，并以投入使用。基于PLC的加速器高频D电路频率自动调谐系统运行稳定，达到了1＊10-6 的频率稳定度设计的预期目标。
参考文献
1. [M]NAISPLC《FP系列编程手册》Matsushita Electric Works, Ltd.
2. [M]高钟毓等《机电一体化系统设计》 机械工业出版社 1997年4月
3. [M]张肃文等《高频电子线路》 高等教育出版社 1993年4月
