本實用新型涉及一種基于PLC和觸摸屏的超導(dǎo)腔調(diào)諧控制系統(tǒng)，屬于粒子加速器、低溫超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

為了使經(jīng)過超導(dǎo)腔的束流能夠持續(xù)加速，需要將超導(dǎo)腔的諧振頻率鎖定在工作頻率上，則必須為每一支腔配備一套可連續(xù)調(diào)節(jié)腔頻率的調(diào)諧器和調(diào)諧控制系統(tǒng)，才能保證高頻功率饋入超導(dǎo)腔用于加速束流。其中，調(diào)諧控制系統(tǒng)的主要用途是補償或阻尼超導(dǎo)腔運行時由于氦壓波動、束流負載效應(yīng)、洛倫茲失諧和麥克風(fēng)效應(yīng)等因素所引起的超導(dǎo)腔頻率變化，通過反饋控制使超導(dǎo)腔始終處于諧振狀態(tài)。

調(diào)諧控制系統(tǒng)是以調(diào)諧器作為執(zhí)行機構(gòu)來調(diào)節(jié)超導(dǎo)腔頻率的，近些年來，國內(nèi)外調(diào)諧方式并沒有理論上的革新，一般采用步進電機+壓電陶瓷(可選)的機械結(jié)構(gòu)，通過改變腔體軸向長度來調(diào)節(jié)超導(dǎo)腔的頻率。早期調(diào)諧控制系統(tǒng)多采用模擬電子器件搭建，20世紀90年代，一些大的實驗室開始基于數(shù)字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)實現(xiàn)調(diào)諧控制系統(tǒng)，還未開展基于PLC和觸摸屏的調(diào)諧控制系統(tǒng)研究。

調(diào)諧器一般由機械調(diào)諧器和壓電陶瓷兩部分構(gòu)成，國際上日本高能加速器研究組織(KEK)的調(diào)諧控制系統(tǒng)原理如圖1所示，調(diào)諧控制系統(tǒng)是根據(jù)超導(dǎo)腔入射功率的射頻信號(Pin)和天線從超導(dǎo)腔內(nèi)耦合出的射頻信號(Pt)之間的相位差來進行頻率調(diào)節(jié)的。其中Pin和Pt的幅值分別表征入射功率大小和耦合功率大小。

可根據(jù)相位差的大小將控制區(qū)分成4個部分：

(1)壓電陶瓷控制區(qū)：當(dāng)相位差小于±1°時，壓電陶瓷驅(qū)動器產(chǎn)生正比于相位差大小的高壓，加在壓電陶瓷兩端的高壓會使其伸長或者縮短，從而改變腔體頻率，此時步進電機處于停止?fàn)顟B(tài)；

(2)重疊區(qū)：壓電陶瓷和步進電機都會產(chǎn)生驅(qū)動信號改變腔體頻率；

(3)步進電機變速區(qū)：只有步進電機控制器產(chǎn)生脈沖信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)動速度(單位：Hz)與相位差絕對值的大小呈正比，此時壓電陶瓷兩端只有一定的偏置高壓，無調(diào)節(jié)腔體頻率的能力；

(4)步進電機恒速區(qū)：當(dāng)相位差超過一定的范圍，發(fā)送給步進電機的脈沖速度為恒定值，與相位差大小無關(guān)。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點

國際上的調(diào)諧控制方案一般都是基于此原理(見圖1)進行設(shè)計的，開發(fā)者可根據(jù)不同的控制精度和需求進行相應(yīng)的改進，目前國內(nèi)的調(diào)諧控制方案主要是基于模擬電子技術(shù)、DSP和FPGA技術(shù)實現(xiàn)的，主要有以下缺點和不足：

1.模擬電子技術(shù)缺點

(1)對于復(fù)雜的模擬電路，如果一旦設(shè)計并加工完畢，若有更改器件或者增加功能的需求，都需要重新加工，耗時較長且成本較高；

(2)模擬器件配線復(fù)雜，不易于調(diào)試，需要豐富的調(diào)試經(jīng)驗和較長的調(diào)試時間；

(3)模擬器件無法執(zhí)行較復(fù)雜的算法，控制精度低；

(4)抗干擾能力差，容易受到噪聲的干擾。

2.DSP和FPGA技術(shù)缺點

(1)成本較高，對同一套調(diào)諧控制系統(tǒng)來說，成本是PLC控制器的幾倍；

(2)為了節(jié)省開發(fā)周期，一般各DSP和FPGA芯片公司都有基本板卡，但板卡的輸入輸出端口較少，不適用于多個調(diào)諧器的控制。

(3)調(diào)諧控制系統(tǒng)的特點是需要多軸步進電機控制和多個數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC(Digital to Analog Converter)用于壓電陶瓷控制，需要資源單一且同一接口需要數(shù)量較多，而DSP和FPGA板卡配套資源豐富，但數(shù)量較少，會造成資源浪費。

除此之外，模擬電子器件、DSP和FPGA板卡與用戶操作界面的通信需要采用總線設(shè)計和較復(fù)雜的輸入輸出控制器IOC(Input/Output Controller)才可以實現(xiàn)，通信復(fù)雜，且抗干擾能力差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本實用新型的目的在于提供一種基于PLC和觸摸屏的超導(dǎo)腔調(diào)諧控制系統(tǒng)。

本實用新型的技術(shù)方案為：

一種基于PLC和觸摸屏的超導(dǎo)腔調(diào)諧控制系統(tǒng)，其特征在于，包括一PLC基板，該PLC基板上設(shè)有PLC電源模塊、CPU模塊、位置控制模塊、第一模擬輸入模塊、第二模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、TTL輸入模塊；超導(dǎo)腔的入射功率射頻信號引出端和超導(dǎo)腔內(nèi)耦合出的射頻信號引出端分別與一鑒相器的兩輸入端連接，該鑒相器的一輸出端經(jīng)一低通濾波器與第一模擬輸入模塊連接，該鑒相器的另一輸出端與該TTL輸入模塊輸入端連接，第二模擬輸入模塊與超導(dǎo)腔調(diào)諧位移傳感器輸出端和壓電陶瓷高壓電源模擬電壓輸入端連接，位置控制模塊與超導(dǎo)腔調(diào)諧器的步進電機驅(qū)動器脈沖輸入端連接，模擬輸出模塊與壓電陶瓷高壓電源模擬輸入端連接，該CPU模塊與一觸摸屏單元連接；其中，

CPU模塊，用于對各輸入模塊采集到的信號以及通過觸摸屏輸入的參數(shù)進行處理，生成控制信號發(fā)送到對應(yīng)模塊；

第一模擬輸入模塊，用于采集超導(dǎo)腔的鑒相器輸出的相位差信號以及超導(dǎo)腔腔壓信號發(fā)送給CPU模塊，CPU模塊根據(jù)相位差信號、超導(dǎo)腔腔壓信號分別生成不同的脈沖頻率指令發(fā)送給位置控制模塊；

第二模擬輸入模塊，用于采集超導(dǎo)腔調(diào)諧器中步進電機位置傳感器的電壓信號、超導(dǎo)腔調(diào)諧器中壓電陶瓷高壓電源的輸入信號發(fā)送給CPU模塊，CPU模塊根據(jù)該電壓信號、超導(dǎo)腔調(diào)諧器中壓電陶瓷高壓電源的輸入信號生成指令發(fā)送給模擬輸出模塊；

位置控制模塊，用于根據(jù)CPU模塊發(fā)出的指令生成脈沖信號，控制超導(dǎo)腔調(diào)諧器中步進電機轉(zhuǎn)動頻率、轉(zhuǎn)動方向；

模擬輸出模塊，用于根據(jù)CPU模塊發(fā)出的指令輸出模擬電壓信號給壓電陶瓷高壓電源，控制壓電陶瓷伸長或者縮短的長度；

TTL輸入模塊，用于采集鑒相器根據(jù)超導(dǎo)腔的腔壓幅度是否大于設(shè)定值而生成的信號并發(fā)送給CPU模塊，CPU模塊根據(jù)該信號生成指令發(fā)送給位置控制模塊。

進一步的，模擬輸入模塊中設(shè)有一低通濾波器，用于對超導(dǎo)腔機械振蕩信號的濾波。

進一步的，該CPU模塊將相位差信號經(jīng)一比例積分控制器和低通濾波器處理后發(fā)送給該模擬輸出模塊。

進一步的，CPU模塊為順控型CPU模塊。

進一步的，該TTL輸入模塊，還用于采集調(diào)諧控制系統(tǒng)調(diào)諧信號和發(fā)射機開啟信號并發(fā)送給CPU模塊。

進一步的，還包括一TTL輸出模塊，用于采集CPU模塊根據(jù)超導(dǎo)腔調(diào)諧器就緒信號、故障信號以及步進電機轉(zhuǎn)動信號并發(fā)送給中央控制系統(tǒng)。

進一步的，還包括一繼電器輸入模塊，用于采集步進電機位置上限位報警信號、步進電機位置下限位報警信號和步進電機驅(qū)動器工作正常信號并發(fā)送給CPU模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的積極效果為：

該實用新型是基于PLC和觸摸屏的，相比以上方案(模擬電路控制方案、DSP和FPGA數(shù)字控制方案)具有如下優(yōu)點：

(1)降低成本：與DSP和FPGA數(shù)字板卡相比，商業(yè)化的PLC成本較低，性價比較高；

(2)易于調(diào)整設(shè)計方案，可隨時增加輸入輸出接口，維護方便，開發(fā)周期短，靈活性高：在系統(tǒng)調(diào)試期間，若系統(tǒng)需要更改一些功能，增加一些系統(tǒng)資源，只需要再購買所需的PLC模塊(輸入輸出模塊)并對程序進行相應(yīng)的修改即可，縮短了開發(fā)周期，且無需整機更換；

(3)資源整合，按需選材，防止資源浪費：調(diào)諧控制系統(tǒng)的控制對象為步進電機和壓電陶瓷，隨著加速器能量需求的不斷提高，目前的加速器中超導(dǎo)腔數(shù)量逐漸增多，有的甚至達到幾萬支，而每一支超導(dǎo)腔都需要有一套調(diào)諧器，這就要求調(diào)諧控制系統(tǒng)能夠進行多軸步進電機控制，且具有較多的數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行壓電陶瓷控制。目前PLC早已實現(xiàn)了模塊化，且模塊種類豐富，無需定制即可根據(jù)系統(tǒng)需求選擇相應(yīng)的模塊，使資源的利用更加合理、高效；

(4)易于實現(xiàn)基本的算法控制且控制精度較高：PLC中有專門的算法控制指令，如調(diào)諧控制系統(tǒng)上比較常用的控制算法比例-積分控制器(PI，用于對相位差信號進行放大和積分處理，將調(diào)諧器控制系統(tǒng)的相位差信號波動范圍控制在±1°以內(nèi))，可通過PLC的PI控制指令實現(xiàn)，方便快捷，且目前PLC的控制精度很高，其中數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制位數(shù)可達16位，已經(jīng)遠遠超過調(diào)諧控制系統(tǒng)精度需求。

(5)高可靠性且抗干擾能力強：PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很強的抗干擾能力；PLC還可進行雙冗余，這些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間遠超過30萬小時，且PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息，故障也會大大降低，具有較高的可靠性；

(6)配套齊全，功能完善，適用性強：PLC具有較強的通信能力，支持串口、以太網(wǎng)接口等，隨著人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易，用戶界面操作簡單，運行穩(wěn)定，不易受到外界干擾。本實用新型控制邏輯清晰全面，代碼具有較好的移植性，可為之后大科學(xué)裝置的調(diào)諧控制系統(tǒng)提供較好的參考。

附圖說明

圖1為BEPCII調(diào)諧控制系統(tǒng)原理圖；

圖2為基于PLC和觸摸屏的超導(dǎo)腔調(diào)諧控制系統(tǒng)框圖；

圖3為調(diào)諧控制系統(tǒng)原理圖；

圖4為本實用新型的調(diào)諧控制方法流程圖。

具體實施方式

為了更好的理解本實用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型做進一步的詳細描述。

超導(dǎo)腔調(diào)諧控制系統(tǒng)采用PLC作為核心控制器，在超導(dǎo)高頻腔內(nèi)建立高頻電場，利用鑒相器得到的高頻相位差，指引步進電機和壓電陶瓷對腔的諧振頻率進行反饋控制，與觸摸屏構(gòu)成人機界面，實現(xiàn)自動捕捉鎖定腔頻率，相位控制精度可達±0.7°，對應(yīng)頻率控制精度為±4Hz，該超導(dǎo)腔的調(diào)諧靈敏度為1.1kHz/um，相位靈敏度為5nm/1°，則相位和頻率的對應(yīng)關(guān)系為5.5Hz/1°。

1.控制系統(tǒng)工作原理

若需要在超導(dǎo)腔中饋入功率，首先要有信號源，信號源發(fā)出的是小功率信號，信號經(jīng)過連鎖開關(guān)、射頻開關(guān)到達發(fā)射機，信號經(jīng)過發(fā)射機會被放大，發(fā)射機輸出的大功率信號經(jīng)過定向耦合器饋入超導(dǎo)腔，只有當(dāng)超導(dǎo)腔的頻率與信號源頻率一致時，功率才能饋入超導(dǎo)腔用于加速束流。

超導(dǎo)腔入射功率的射頻信號(Pin)和天線從超導(dǎo)腔內(nèi)耦合出的射頻信號(Pt)接入鑒相器進行鑒相，得到的相位差信號(理想情況下為直流電壓信號，但一般會存在高頻分量)經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量得到較為理想的直流電壓信號，通過PLC的插件模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC(Analog to Digital Converter)輸入PLC中，同時鑒相器輸出Level OK信號給PLC的TTL輸入模塊，使PLC可以判斷腔內(nèi)場的大小，PLC通過判斷相位差信號的大小對步進電機轉(zhuǎn)動頻率和高壓電源的高壓進行反饋控制，原理圖詳見圖3，鑒相器的鑒相范圍為±180°，相位靈敏度為10mV/°，則PLC可通過采集到的直流電壓信號判斷相位差的大小。使用梯形圖編寫程序，設(shè)置步進電機的加速時間和減速時間分別為500ms。

如圖3所示，當(dāng)相位差信號小于±4°，只有壓電陶瓷工作，步進電機處于停止?fàn)顟B(tài)，相位差信號經(jīng)過PLC梯形圖PID指令和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DAC內(nèi)置的低通濾波器處理之后，由DAC向壓電陶瓷的高壓電源輸出幅值與相位差呈正比(比例系數(shù)K2為0.5V/°)的直流電壓(Piezo Output)，且Piezo Output信號在PLC中被限制在±3V以內(nèi)，信號經(jīng)過高壓電源被放大100倍后加在壓電陶瓷的兩端，其中高壓電源的高壓偏置為500V，則實際加在壓電陶瓷兩端的電壓為200V-800V，高壓的改變會改變壓電陶瓷的伸縮長度，進而通過調(diào)諧機構(gòu)改變腔體軸向長度。

當(dāng)相位差信號在+4°～+6°和-6°～-4°之間，壓電陶瓷和步進電機協(xié)同工作，壓電陶瓷控制方式如上一自然段描述，步進電機系統(tǒng)控制方式見下一自然段描述。

當(dāng)相位差信號在+6°～+10°和-10°～-6°之間時，壓電陶瓷無調(diào)節(jié)能力，只有步進電機工作。利用梯形圖程序控制PLC位置控制模塊向步進電機驅(qū)動器輸出不同頻率的脈沖，該頻率與相位差呈正比(比例系數(shù)K1為167Hz/°)，則驅(qū)動器可驅(qū)動步進電機主軸轉(zhuǎn)動，通過調(diào)諧器調(diào)節(jié)超導(dǎo)腔的長度，進而改變超導(dǎo)腔頻率。

當(dāng)相位差信號在+10°～+45°和-45°～-10°之間時，步進電機進入恒速區(qū)域，PLC梯形圖程序設(shè)置步進電機轉(zhuǎn)動頻率為1000Hz。當(dāng)相位差信號超過±45°時，步進電機處于停止?fàn)顟B(tài)，認為超過調(diào)諧控制系統(tǒng)捕捉帶。

2.PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號處理流程

如圖2所示為基于PLC和觸摸屏的超導(dǎo)腔調(diào)諧控制系統(tǒng)框圖，PLC和觸摸屏基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議進行通信，觸摸屏作為操作員界面可以通過給其控件分配PLC的地址來完成控制功能。本實用新型的PLC控制系統(tǒng)主要包括13槽位的基板、PLC電源模塊和PLC輸入輸出模塊。13槽位的基板表示除了PLC電源模塊以外最多可安裝13個PLC模塊，根據(jù)PLC安裝手冊，不同的PLC模塊按照一定的順序安裝在PLC基板上，其中PLC電源模塊和CPU模塊是必須要安裝的，且安裝位置最左側(cè)必須是電源模塊，槽位1#必須安裝CPU模塊，PLC的其他輸入/輸出模塊可以選擇性安裝，且安裝位置可根據(jù)開發(fā)者需求安裝在2#-13#槽位任一槽位，無明確的安裝位置規(guī)定。各模塊之間是通過基板上的總線進行通信，本實用新型系統(tǒng)PLC模塊從左至右的安裝順序如表1：

表1PLC系統(tǒng)模塊分布表

0#槽位電源模塊負責(zé)給PLC各模塊供電；1#槽位順控型CPU模塊根據(jù)梯形圖程序邏輯對所有PLC輸入模塊采集到的數(shù)據(jù)進行信號處理，處理完畢將多種輸出控制信號發(fā)送到PLC輸出模塊，如模擬輸出信號發(fā)送給模擬輸出模塊6#，TTL輸出信號發(fā)送給TTL輸出模塊11#，脈沖輸出信號發(fā)送給位置控制模塊；2#槽位位置控制模塊(共8軸電機控制輸出)可根據(jù)CPU模塊發(fā)出的指令發(fā)出不同頻率的脈沖，用于控制步進電機的轉(zhuǎn)動頻率和方向，CPU模塊根據(jù)觸摸屏設(shè)置的參數(shù)生成指令發(fā)送給位置控制模塊；3#槽位模擬輸入模塊(共8路模擬電壓/電流輸入，下同)負責(zé)采集7路模擬信號量-步進電機位置傳感器的電壓信號(Tuner Position)；4#槽位模擬輸入模塊負責(zé)采集7路模擬電壓信號量-壓電陶瓷高壓電源的輸入信號(Piezo Input)；5#槽位模擬輸入模塊負責(zé)采集7路模擬電壓信號量-鑒相器輸出的相位差信號；6#槽位模擬輸出模塊(共8路模擬電壓/電流輸出)用于輸出一定范圍內(nèi)的模擬電壓信號(Piezo Output)給壓電陶瓷高壓電源，控制壓電陶瓷伸長或者縮短的長度；7#槽位、8#槽位、9#槽位的繼電器輸入模塊(共8路繼電器觸點輸入)分別負責(zé)采集7路步進電機位置上限位報警信號(Up limit switch)、步進電機位置下限位報警信號(Down limit switch)和步進電機驅(qū)動器工作正常信號(READY)；10#槽位的TTL輸入模塊(共32路TTL信號輸入)負責(zé)采集7路Level OK信號，7路調(diào)諧控制系統(tǒng)調(diào)諧信號(Tuned)和7路發(fā)射機已開啟信號(RF ON)；11#槽位的TTL輸出模塊(共32路TTL信號輸出)用于將調(diào)諧控制系統(tǒng)的狀態(tài)信號-7路調(diào)諧器故障信號(Error)，7路調(diào)諧器準備就緒信號(Ready)，7路步進電機正在轉(zhuǎn)動信號(Run)發(fā)送到中央控制室。12#槽位模擬輸入模塊負責(zé)采集7路超導(dǎo)腔腔壓信號(Vc)，13#槽位為FA總線模塊，用于連接其他的PLC從站。

為了明確調(diào)諧器的工作狀態(tài)，PLC利用相應(yīng)的采集模塊對以下信號進行了采集：安全聯(lián)鎖信號，調(diào)諧器相關(guān)的信號，如步進電機位置傳感器的電壓信號(Tuner Positon)和電機位置上/下限位報警信號(Up/Down limit switch)，壓電陶瓷高壓電源的輸入信號(Piezo Input)，步進電機驅(qū)動器工作正常信號(READY)，發(fā)射機已開啟信號(RF ON)，調(diào)諧控制系統(tǒng)調(diào)諧信號(Tuned)等，所有采集到的信號都會被存入CPU的內(nèi)存地址中，CPU通過梯形圖程序?qū)Σ杉降男盘栠M行一定的處理，處理完畢后CPU對PLC輸出模塊(如位置控制模塊和模擬輸出模塊等)發(fā)出控制命令，由調(diào)諧器執(zhí)行；與此同時，PLC也會向其他系統(tǒng)發(fā)出信號，報告調(diào)諧控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如調(diào)諧器準備就緒信號(Ready)，步進電機正在轉(zhuǎn)動信號(Run)等下面對圖2系統(tǒng)框圖各信號含義進行介紹：

RF On/Off:信號源開/關(guān)，當(dāng)信號源打開時，才能有小功率信號輸出到發(fā)射機。

射頻信號：

Pin:超導(dǎo)腔入射功率的射頻信號；Pt:天線從超導(dǎo)腔中耦合出的射頻信號；

TTL輸入信號(其他系統(tǒng)輸出到PLC)：

Level OK：當(dāng)超導(dǎo)腔的腔壓大于0.1MV時，鑒相器發(fā)出低電平信號，指示燈亮，當(dāng)超導(dǎo)腔的腔壓小于0.1MV時，發(fā)出高電平信號，指示燈滅；Tuned:當(dāng)腔內(nèi)電場的幅度和相位分別小于±1％和±1°時，中央控制室發(fā)出高電平信號，否則為低電平信號；RF On:當(dāng)發(fā)射機輸出功率達到1W以上，發(fā)射機發(fā)出高電平信號，否則為低電平。

繼電器輸入信號：(其他系統(tǒng)輸出到PLC)

Up/Down limit switch:調(diào)諧器限位開關(guān)，由于調(diào)諧器可以擠壓超導(dǎo)腔，也可以拉伸超導(dǎo)腔，但腔體承受的擠壓或拉伸范圍有限，需要對調(diào)諧器調(diào)諧臂的位移量進行限制，限位開關(guān)限位和非限位情況下，開關(guān)的狀態(tài)不同，當(dāng)開關(guān)閉合時，輸出為0，未限位，調(diào)諧器可繼續(xù)移動，當(dāng)輸出為1時，有限位，調(diào)諧器不可以繼續(xù)移動；READY:步進電機驅(qū)動器無故障時，繼電器節(jié)點閉合，驅(qū)動器向PLC輸出0，否則為1。

ADC輸入信號：(其他系統(tǒng)輸出到PLC)

Tuner Position:步進電機位置傳感器的電壓信號，用于測量調(diào)諧器調(diào)諧臂的位移量，輸出模擬電壓值；Piezo Input:壓電陶瓷高壓電源的輸入信號，輸出模擬電壓值；相位差信號：超導(dǎo)腔入射功率和從超導(dǎo)腔中提取出的功率的相位矢量差，相位差信號越大，說明超導(dǎo)腔失諧越大，當(dāng)超導(dǎo)腔頻率與信號源頻率一致時，相位差信號幾乎為0°，是調(diào)諧控制系統(tǒng)判斷超導(dǎo)腔是否處于諧振狀態(tài)的重要依據(jù)；Vc：超導(dǎo)腔腔壓信號，用于表征超導(dǎo)腔內(nèi)電場的幅度和饋入功率的大小。

TTL輸出信號：(PLC輸出到其他系統(tǒng))

Ready:當(dāng)調(diào)諧器執(zhí)行機構(gòu)(電機系統(tǒng))無故障，發(fā)出高電平信號，否則為低電平信號；Run:當(dāng)步進電機處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)時，發(fā)出高電平信號，否則為低電平；LLRF OK(LLRF，即Low Level Radio Frequency，低電平控制系統(tǒng))：當(dāng)超導(dǎo)腔處于諧振狀態(tài)，同時超導(dǎo)腔幅度控制環(huán)路和相位控制環(huán)路將超導(dǎo)腔內(nèi)的電場幅度和相位都控制在一定的范圍內(nèi)(控制指標(biāo)分別為±1％和1°)，發(fā)出高電平信號，否則為低電平。

ADC輸出信號：(PLC輸出到其他系統(tǒng))

Piezo Output:PLC輸出模擬信號給壓電陶瓷驅(qū)動電源，用于壓電陶瓷的閉環(huán)反饋控制。

3.軟件控制流程

如圖4所示為超導(dǎo)腔調(diào)諧控制系統(tǒng)軟件流程圖，首先要利用PLC第一次上電循環(huán)指令對PLC的特殊模塊(如模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、位置控制模塊等)進行參數(shù)設(shè)置的初始化，為了保證數(shù)據(jù)采集的實時性和準確性設(shè)置模擬輸入模塊的采樣時間(一般為20us)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間和模擬輸出模塊中濾波器的帶寬(一般為幾kHz)等，位置控制模塊初始化了步進電機的加速時間為500ms、減速時間為500ms、所發(fā)最大脈沖數(shù)為2147483647個和初始速度為1000Hz，并采用非原點搜索方式對步進電機進行相對位置定位，設(shè)定步進電機自動搜索的搜索范圍，一般是在1#槽位模擬輸入模塊采集到的Tuner Position數(shù)值±2mV，即自動搜索的頻率范圍為±2kHz(步進電機位置傳感器的電壓值與位置的對應(yīng)關(guān)系為1um/mV，超導(dǎo)腔調(diào)諧靈敏度為1um/kHz)，設(shè)定步進電機軟件限位范圍Tuner Position數(shù)值±4mV，對應(yīng)頻率范圍為±4kHz，除此之外，還需手動設(shè)置壓電陶瓷高壓電源的偏置電壓為500V。

之后檢測電機驅(qū)動器READY信號是否正常，如果READY＝1，說明電機系統(tǒng)無故障，通過PLC的TTL輸出模塊發(fā)出Ready＝1信號給中央控制室，調(diào)諧控制系統(tǒng)準備就緒，步進電機可隨時進入工作狀態(tài)，如果READY＝0，檢查并排除驅(qū)動器及電機故障，繼續(xù)檢測READY是否為1，直至READY＝1。當(dāng)READY＝1時，PLC繼電器輸入模塊(7#槽位和8#槽位)檢測電機位置是否有機械限位，在工作狀態(tài)下，PLC繼電器輸入模塊對應(yīng)的機械限位觸點為常開，該觸點的狀態(tài)可通過基板總線以0/1的狀態(tài)存入PLC CPU相應(yīng)的內(nèi)存位地址中(其他PLC輸入模塊采集到的信號也是通過基板總線傳輸?shù)絇LC CPU的相應(yīng)內(nèi)存位地址或字地址中，不再詳述)，如果有機械限位，觸點變?yōu)槌ｉ]，CPU相應(yīng)的內(nèi)存位地址狀態(tài)變?yōu)?，進入手動開環(huán)控制程序；如果無機械限位，則繼續(xù)檢測電機位置是否有軟件限位，步進電機軟件限位值是在初始化時寫入CPU內(nèi)存字地址中的，如果有步進電機的軟件限位(即采集到的Tuner Position數(shù)值超過了軟件限位值)，CPU中相應(yīng)內(nèi)存位地址會變?yōu)?，此時需要在觸摸屏上進入調(diào)諧器參數(shù)設(shè)置界面，進行軟件上限位設(shè)置和軟件下限位設(shè)置，設(shè)置范圍均為0-5V，且上限位值必須高于下限位，一般軟件限位范圍必須要小于機械限位范圍，設(shè)置完畢后軟件限位值會自動在PLC CPU相應(yīng)內(nèi)存字地址中更新數(shù)值，可繼續(xù)返回觸摸屏操作主界面進行下一步操作，若無軟件限位，則繼續(xù)檢測觸摸屏上AUTO按鈕是否被按下(觸摸屏上的AUTO按鈕內(nèi)存與PLC CPU中的內(nèi)存位地址一一對應(yīng))，如果被按下，PLC CPU中對應(yīng)的內(nèi)存位地址為1，則執(zhí)行自動搜索程序，如果AUTO按鈕沒有被按下，PLC CPU中對應(yīng)的內(nèi)存位地址為0，則執(zhí)行手動開環(huán)控制程序。一般情況下，超導(dǎo)腔的頻率可通過頻譜儀進行觀測，當(dāng)有束流通過時，超導(dǎo)腔需要工作在諧振狀態(tài)(即超導(dǎo)腔的頻率基本等于信號源的頻率)，相位差幾乎為0°，當(dāng)無束流通過超導(dǎo)腔時，超導(dǎo)腔可根據(jù)實驗者的需求工作在失諧狀態(tài)(即超導(dǎo)腔的頻率偏離信號源的頻率)，相位差在±180°范圍內(nèi)除了0°以外的區(qū)域。當(dāng)執(zhí)行手動開環(huán)程序時，根據(jù)不同的實驗需求，為了使超導(dǎo)腔處于諧振狀態(tài)或者失諧狀態(tài)，首先通過觸摸屏操作界面中的對話框設(shè)置電機轉(zhuǎn)動頻率和調(diào)諧器參數(shù)設(shè)置界面中的對話框設(shè)置所發(fā)脈沖數(shù)，電機轉(zhuǎn)動頻率范圍為0-10000Hz，所發(fā)脈沖數(shù)范圍為0-2，147，483，647個，步進電機正轉(zhuǎn)時，超導(dǎo)腔頻率變小，步進電機反轉(zhuǎn)時，超導(dǎo)腔頻率變大，實驗者可參考頻譜儀中超導(dǎo)腔的頻率，結(jié)合實驗具體需求在此范圍內(nèi)任意設(shè)定電機轉(zhuǎn)動頻率和所發(fā)脈沖數(shù)。設(shè)置完畢后，檢測觸摸屏中UP按鈕和DOWN按鈕是否只有一個被按下(觸摸屏中的按鈕意義對應(yīng)PLC CPU中的內(nèi)存位地址，下同)，如果兩個按鈕都沒有被按下或者同時被按下，步進電機不啟動；當(dāng)兩個按鈕有且只有一個被按下時，CPU相應(yīng)的內(nèi)存位地址為1，CPU執(zhí)行梯形圖程序中的電機控制程序，PLC位置控制模塊根據(jù)實驗者設(shè)定的電機轉(zhuǎn)動頻率和所發(fā)的脈沖數(shù)(根據(jù)實驗者需求)給電機驅(qū)動器發(fā)脈沖，步進電機轉(zhuǎn)動，超導(dǎo)腔的頻率發(fā)生變化，同時PLC的TTL輸出模塊向中央控制室發(fā)出Run信號(高電平)，即當(dāng)UP按鈕被按下，電機正轉(zhuǎn)，超導(dǎo)腔頻率變小，當(dāng)DOWN按鈕被按下，電機反轉(zhuǎn)，超導(dǎo)腔頻率變大，之后繼續(xù)檢測電機是否發(fā)送完畢設(shè)定的脈沖數(shù)，如果發(fā)送完畢，PLC位置定位模塊中特定的位地址會置位，CPU中的梯形圖程序根據(jù)該地址的狀態(tài)(為1)使步進電機自動停止轉(zhuǎn)動，如果未發(fā)送完畢時，觸摸屏中STOP按鈕被按下，則CPU中與STOP按鈕相對應(yīng)的內(nèi)存位地址為1，CPU模塊中的梯形圖程序使啟動電機停止程序，步進電機停止轉(zhuǎn)動，同時UP/DOWN/AUTO按鈕在CPU中對應(yīng)的內(nèi)存位地址置位，則UP/DOWN/AUTO按鈕都會自動彈起，程序結(jié)束，STOP按鈕為緊急停止按鈕或者手動停止按鈕，無論調(diào)諧控制系統(tǒng)處于任何狀態(tài)，只要STOP按鈕被按下，步進電機都會停止轉(zhuǎn)動；除了這種情況，當(dāng)模擬輸入模塊采集到的相位差信號在±4°以內(nèi)，電機也會停止轉(zhuǎn)動。

當(dāng)AUTO＝1時執(zhí)行手動自動搜索程序，首先檢測步進電機自動搜索范圍是否正確，如果搜索上、下限位值在當(dāng)前步進電機位置傳感器的電壓信號(Tuner Position)的±2mV(對應(yīng)搜索頻率范圍為±2kHz)之外，則重新設(shè)定搜索范圍，在觸摸屏調(diào)諧器參數(shù)設(shè)置界面，對自動搜索上限位值(一般設(shè)置為Tuner Position數(shù)值+2mV)和自動搜索下限位值(一般設(shè)置為Tuner Position數(shù)值-2mV)進行手動設(shè)置，設(shè)置完畢繼續(xù)檢測自動搜索范圍是否正確，直至搜索上、下限位值在當(dāng)前步進電機位置傳感器的電壓信號(Tuner Position)的±3mV以內(nèi)。

當(dāng)搜索范圍正確時，判斷RF ON是否等于1，如果RF ON≠1，打開信號源和發(fā)射機并加小功率將325MHz頻率的功率饋入超導(dǎo)腔內(nèi)，當(dāng)RF ON＝1時，繼續(xù)判斷PLC 5#槽位的模擬輸入模塊采集到的相位差是否大于0°，由于超導(dǎo)Spoke012腔存在機械振蕩，當(dāng)機械振蕩出現(xiàn)時，相位差信號不是穩(wěn)定的直流信號，而是直流信號上疊加了頻率為250Hz的正弦振蕩信號，故在5#槽位的模擬輸入模塊中增加了帶寬為50Hz的濾波器(該低通濾波是本實用新型針對于超導(dǎo)Spoke012腔進行設(shè)置的，濾波效果良好)。當(dāng)相位差>0°時，說明超導(dǎo)腔頻率大于信號源的頻率，CPU中梯形圖指令使PLC位置控制模塊輸出速率恒定為1000Hz的脈沖信號給步進電機驅(qū)動器，調(diào)節(jié)步進電機正轉(zhuǎn)使超導(dǎo)腔頻率減小，則相位差信號也隨之減小(超導(dǎo)腔頻率越接近信號源頻率則相位差信號絕對值越小)，此時腔內(nèi)的電場強度變大，腔壓變大，當(dāng)腔壓幅度大于0.1MV時，PLC中的TTL輸入模塊采集到的Level OK信號為低電平(即Level OK＝0)；如果Level OK＝1，即高電平，則檢測當(dāng)前步進電機位置傳感器的電壓信號(Tuner Position)是否有自動搜索軟件上限位，如果沒有，按下觸摸屏上的SEARCH按鈕，步進電機繼續(xù)正轉(zhuǎn)，如果有自動搜索軟件上限位，電機停止轉(zhuǎn)動，則表明此次未將超導(dǎo)腔頻率調(diào)諧，不能進行自動閉環(huán)程序，PLC CPU內(nèi)部計數(shù)器自動加1，即搜索超導(dǎo)腔頻率失敗1次；如果PLC 5#槽位的模擬輸入模塊采集到的相位差≤0°，說明超導(dǎo)腔頻率小于信號源的頻率，CPU中梯形圖指令使PLC位置控制模塊輸出速率恒定為1000Hz的脈沖信號給步進電機驅(qū)動器，調(diào)節(jié)步進電機反轉(zhuǎn)使超導(dǎo)腔頻率增大，則相位差信號絕對值也隨之減小，此時腔內(nèi)的電場強度變大，腔壓變大，如果Level OK＝1，檢測當(dāng)前步進電機位置傳感器的電壓信號(Tuner Position)是否有自動搜索軟件下限位，如果沒有，按下觸摸屏上的SEARCH按鈕，步進電機繼續(xù)反轉(zhuǎn)，如果有自動搜索軟件下限位，電機停止轉(zhuǎn)動，PLC CPU內(nèi)部計數(shù)器在原來數(shù)值的基礎(chǔ)上自動加1，則表明此次未將超導(dǎo)腔頻率調(diào)諧，搜索超導(dǎo)腔頻率又失敗1次；搜索失敗的原因為自動搜索軟件上下限位值設(shè)置不當(dāng)，即當(dāng)步進電機在此范圍內(nèi)運動時，超導(dǎo)腔頻率無法與信號源頻率一致，超導(dǎo)腔無法諧振。當(dāng)CPU內(nèi)部計數(shù)器數(shù)值≤3時，可手動調(diào)整自動搜索軟件上下限位值范圍(最大范圍為當(dāng)前步進電機位置傳感器的電壓信號Tuner Position值±3mV)，按下觸摸屏上的SEARCH按鈕，可再次進行超導(dǎo)腔頻率自動搜索，如果CPU內(nèi)部計數(shù)器數(shù)值＞3，則自動搜索超導(dǎo)腔頻率失敗且電機停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)入手動開環(huán)控制程序，如果在搜索過程中若檢測到Level OK＝0，則說明高頻功率饋入超導(dǎo)腔且在超導(dǎo)腔內(nèi)建立起一定幅度的電場，自動搜索超導(dǎo)腔頻率成功，即操作員只需要按下觸摸屏中的SEARCH按鈕即可使超導(dǎo)腔頻率與信號源頻率接近，無需再進行人為手動調(diào)節(jié)頻率。本實用新型超導(dǎo)腔頻率自動搜索功能可實現(xiàn)一鍵開啟調(diào)諧控制環(huán)路，使超導(dǎo)腔自動跟蹤信號源頻率，避免過多的人為干涉，實現(xiàn)調(diào)諧控制系統(tǒng)的自動化，大大提高了調(diào)諧效率。

如果超導(dǎo)腔頻率搜索成功，說明超導(dǎo)腔內(nèi)已經(jīng)初步饋入功率，可建立微弱電場，CPU梯形圖程序繼續(xù)檢測PLC5#槽位的模擬輸入模塊采集到的相位差是否在±45°之間，如果不在，即超過調(diào)諧控制系統(tǒng)捕捉帶，電機停止轉(zhuǎn)動，也進入手動開環(huán)控制程序。如果相位差在±1°之間，則超導(dǎo)腔頻率鎖定成功，即超導(dǎo)腔頻率與信號源頻率基本一致，超導(dǎo)腔內(nèi)的電場幅度最大，能夠更有效的加速束流，如果相位差在±45°之間但大于±1°，執(zhí)行自動閉環(huán)控制程序。

當(dāng)4°<相位差<10°時，PLC CPU中梯形圖程序根據(jù)相位差絕對值的大小對電機的速度進行實時的調(diào)整(電機速度＝相位差*K1+b)，PLC的位置控制模塊按照CPU發(fā)出的控制指令輸出步進電機頻率實時變化的脈沖給步進電機驅(qū)動器，電機正轉(zhuǎn)，使超導(dǎo)腔頻率變小，不斷接近信號源頻率，相位差信號也不斷變小，腔壓不斷變大，繼續(xù)檢測相位差是否在±1°以內(nèi)；同理，當(dāng)-10°<相位差<-4°時，PLC CPU中梯形圖程序根據(jù)相位差絕對值的大小對電機的速度進行實時的調(diào)整(電機速度＝相位差*K1+b)，PLC的位置控制模塊按照CPU發(fā)出的控制指令輸出步進電機頻率實時變化的脈沖給步進電機驅(qū)動器，電機反轉(zhuǎn)，繼續(xù)檢測相位差是否在±1°以內(nèi)；本實用新型這種創(chuàng)新的電機速度處理方式可保證超導(dǎo)腔頻率越來越慢的接近信號源頻率，防止由于電機速度過快錯過超導(dǎo)腔諧振點，提高了電機控制系統(tǒng)的控制精度。

當(dāng)-6°<相位差<6°時，電機停止轉(zhuǎn)動，壓電陶瓷控制系統(tǒng)進行閉環(huán)工作，PLC的CPU將5#槽位模擬輸入模塊采集到的相位差信號依次經(jīng)過CPU梯形圖程序—PID控制指令的處理和模擬輸出模塊內(nèi)部的低通濾波器的濾波處理后(如果沒有PID和濾波處理，得到的相位差有很多高頻分量，不是穩(wěn)定的直流信號，且壓電陶瓷高壓也會波動很大，損壞壓電陶瓷)，根據(jù)PLC12#槽位模擬輸入模塊采集到的超導(dǎo)腔腔壓信號Vc，CPU在內(nèi)存地址中通過公式計算(該電壓值公式為：電壓值＝相位差絕對值*K2+(Vc/Leff)^2*K3)向PLC模擬輸出模塊發(fā)出指令，使其發(fā)出經(jīng)過公式計算后的模擬電壓值，用于高壓電源的高壓輸入，高壓電源將該模擬電壓信號放大100倍后加在壓電陶瓷兩端，壓電陶瓷使超導(dǎo)腔的頻率改變更加細微，分辨率更高，PID控制參數(shù)可以通過調(diào)諧器參數(shù)設(shè)置界面中相應(yīng)對話框設(shè)置，當(dāng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快且相位差波動范圍小時，PID的參數(shù)為最佳，該參數(shù)的調(diào)節(jié)只能根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗進行，不同的系統(tǒng)PID參數(shù)不同；高壓電源輸入電壓值＝相位差絕對值*K2+(Vc/Leff)^2*K3公式中的后一項為本實用新型的創(chuàng)新處理，CPU中梯形圖PID指令和濾波器的設(shè)置為了使相位差信號高頻分量被濾去，處理后的直流電壓比較穩(wěn)定，提高控制精度，后一項是為了抵消洛倫茲失諧引起的超導(dǎo)腔頻率變化而引入的前饋控制，壓電陶瓷系統(tǒng)閉環(huán)之后相位差信號的控制精度達到±0.7°，其中K1＝167，b＝—667，在相位差+4°～+10°和-4°～-10°范圍變化時，PLC位置控制模塊輸出的脈沖頻率從0Hz線性變化到1000Hz，可根據(jù)該線性關(guān)系求解出K1和b值，K2＝0.005，該參數(shù)只是為了使CPU內(nèi)存地址的數(shù)值轉(zhuǎn)化為高壓電源的電壓值(V)，與模擬輸出模塊的量程有關(guān)，為固定值，K3為洛倫茲系數(shù)，隨著超導(dǎo)腔的不同而改變，需要實際測量，以7#超導(dǎo)Spoke012腔為例，其洛倫茲系數(shù)K3＝10，Leff為有效加速長度，對于該超導(dǎo)腔Leff＝0.111。其中步進電機控制和壓電陶瓷控制重疊區(qū)域為4°<相位差<6°和-6°<相位差<-4°。

當(dāng)10°<相位差<45°時，PLC的位置控制模塊輸出電機速度為1000Hz的脈沖，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)-45°<相位差<-10°時，PLC的位置控制模塊輸出電機速度為1000Hz的脈沖，電機反轉(zhuǎn)；同時不斷檢測相位差是否在±1°之間，如果相位差在±1°，則鎖頻成功，退出程序。當(dāng)超導(dǎo)腔處于諧振狀態(tài)，超導(dǎo)腔內(nèi)電場幅度控制在±1％(峰峰值)且電場相位控制精度達到±1°時，PLC的TTL輸出模塊向中央控制室發(fā)出LLRF OK信號(即LLRF＝1)。

綜上所述，以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用于限定本實用新型的保護范圍。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。