摘 要：將運(yùn)動型PLC成功的應(yīng)用于加速器高頻D電路自動調(diào)諧系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動調(diào)諧。達(dá)到了在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。根據(jù)鑒相器的輸出的大小,用相應(yīng)的編程軟件對PLC兩路輸出脈沖進(jìn)行編程，控制輸出脈沖的頻率，結(jié)合使用三相混合式步進(jìn)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)及機(jī)械傳動系統(tǒng)，從而控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)D電路的精確調(diào)諧。使用PLC降低系統(tǒng)調(diào)試和布線難度，縮短了開發(fā)周期，并為系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)提供了靈活性。 關(guān)鍵詞：D電路 自動調(diào)諧 運(yùn)動型PLC 加速器 一、 概述： 　　D電路頻率自動微調(diào)是專門為加速器高頻D電路設(shè)計(jì)的，完成自動調(diào)諧的裝置。 　　D電路由一個(gè)高頻腔體構(gòu)成，這個(gè)腔體是加速器的重要組成部分之一，加速器運(yùn)行時(shí)，高頻電壓加在這個(gè)D電路上，用來實(shí)現(xiàn)對粒子的加速。D電路的示意圖如圖1所示，D電路的調(diào)諧是靠改變短路片的位置（粗調(diào)），細(xì)調(diào)是靠改變微調(diào)電容對D型盒的距離來實(shí)現(xiàn)。在正常運(yùn)行中，只要高頻機(jī)的頻率固定，短路片的位置就固定了，但是由于各種因素的影響（包括熱變型、機(jī)械震動等），D電路的參數(shù)是不穩(wěn)定的。因此D電路就不能保持在諧振狀態(tài)，且D電路的Q值很高（5.5Mhz時(shí)，可達(dá)8800），因此D電壓將不穩(wěn)定。所以要靠頻率微調(diào)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)D電路的自動調(diào)諧，以實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定。從而改善束流品質(zhì)，滿足實(shí)驗(yàn)對束流的要求。 　　具體參數(shù)要求為：頻率穩(wěn)定度為1×10[sup]-6[/sup]。（有自動和手動兩種模式）。 　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，原有的分離元件的頻調(diào)系統(tǒng)，器件老化，技術(shù)落后，已滿足不了物理實(shí)驗(yàn)的要求。我們在原有系統(tǒng)積累大量經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新的自動微調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由四部分組成，即360度電子移相器、鑒相器、運(yùn)動型PLC,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)及機(jī)械部分組成。 [align=center] 圖1[/align] 二、系統(tǒng)組成： 　　1. 360°電子矢量合成移相器見圖1 [align=center] 圖2、矢量合成移相器原理方框圖[/align] 　　 　　當(dāng)UA不變時(shí)UC也不變，因此移相時(shí)不伴隨幅度變化的條件是 　　 　　 　　乘法因子K1、K2由控制電壓確定，這樣w和U保持近似線性關(guān)系，通過調(diào)整K1、K2實(shí)現(xiàn)移相。 　　2. 相位檢波器 　　相位檢波器的功能是實(shí)現(xiàn)相位差轉(zhuǎn)換成電壓，即Dw——-V的轉(zhuǎn)換。從圖2可以看出，電路輸入的兩個(gè)原始信號U1、U2分來自高頻發(fā)射機(jī)和D電路，前者采用電容耦合，后者則為電感耦合，高頻機(jī)與D電路也是電容耦合，因此，當(dāng)D電路諧振時(shí)U1和U2之間的相位差Dw = p/2，失諧時(shí)，Dw < p/2或Dw > p/2，這是判別D電路諧振的基本點(diǎn)。由于U2的線太長，會造成傳輸過程的相移，我們在輸入端串入電子移相器，作為相位補(bǔ)償。 　　根據(jù)這種關(guān)系，我們選用XR-2208M乘法器作為相位檢波器，該乘法器輸出頻率可達(dá)100MHz，組成1808相位檢波器，其輸入兩信號的相位差與輸出直流電壓之間存在下式關(guān)系： 　　 　　Dw　——輸入兩信號的相位差 　　Kd ――是相位檢波器的轉(zhuǎn)換增益，在輸入信號/50mV.rms時(shí)，Kd ≈ 2V/弧度。并與信號幅度無關(guān)。 　　本相位檢波器的輸出電平有三種狀態(tài)。 　　當(dāng)Dw = p/2 時(shí)，VDw = 0 （諧振） 　　當(dāng)Dw < p/2 時(shí)，VDw >0 （失諧） 　　當(dāng)Dw > p/2 時(shí)，VDw <0 （失諧） 　　3. 可編程控制器（PLC） 　　我們選用日本松下電工面向運(yùn)動控制的PLC，具有2路10KHz脈沖輸出;2通道輸出時(shí)，每通道最高5KHz。且具有兩路A/D和一路D/A。 　　4. 德國百格拉三相混合式步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng) 　　驅(qū)動器WD-007采用交流伺服原理工作，輸入電壓220VAC，控制脈沖信號電壓為5VDC，輸出為3x325VAC，有過熱、過流、欠壓、過壓保護(hù)，電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)可依用戶要求分別設(shè)定為500、1000、5000、10000步/轉(zhuǎn)。 　　步進(jìn)電機(jī)采用VRDM-3910，最大扭矩4Nm。 　　5. 機(jī)械傳動部分 　　粗調(diào)采用蝸輪、渦桿傳動，它的優(yōu)點(diǎn)是可自鎖，但傳動效率低、功率損失大。細(xì)調(diào)為傘齒傳動 。蝸桿的螺距為2mm, 傘齒的螺距為0.5mm。脈沖當(dāng)量最小可達(dá)0.004mm/脈沖,可滿足調(diào)諧要求。 三、實(shí)現(xiàn)方法及編程： 　　我們對D電路的調(diào)諧是通過對PLC輸出脈沖的編程實(shí)現(xiàn)的。自動調(diào)諧的實(shí)現(xiàn)過程是，把鑒相器的輸出送給A/D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)A/D值進(jìn)行判斷，通過程序控制脈沖輸頻率和方向，結(jié)合使用上述的三相混合式步進(jìn)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)及機(jī)械傳動系統(tǒng),完成電容板的位置移動，從而實(shí)現(xiàn)D電路的精確調(diào)諧。（如圖3） [align=center] 如圖3[/align] 　　編程利用PLC脈沖輸出指令F168（SPD1）可以實(shí)現(xiàn)梯形控制，根據(jù)指定的初速度、最大速度、加/減速時(shí)間和目標(biāo)值能夠自動輸出脈沖。指令F169（PLS）,可以在執(zhí)行條件（觸發(fā)器）處于ON狀態(tài)時(shí)執(zhí)行JOG（點(diǎn)動）操作、從指定的通道輸出脈沖。利用增量型、絕對值型、原點(diǎn)返回控制模式并配合系統(tǒng)寄存器進(jìn)行輸出脈沖編程，省略了行程限位開關(guān)，減少了系統(tǒng)布線，提高系統(tǒng)的靈活性。 　　具體編程方法如下：利用PLC指令F168（SPD1）根據(jù)給定的參數(shù)表自動執(zhí)行梯形控制。 　　以上程序通過輸出端Y0輸出的脈沖初始速度為500Hz，最高速度為5000Hz，加減速時(shí)間為200ms，總移動量為10000個(gè)脈沖。 　　這時(shí)，高速計(jì)數(shù)器經(jīng)過值（DT9044和DT9045）會隨脈沖數(shù)增加。 　　脈沖輸出指令（F169） 　　當(dāng)執(zhí)行條件（觸發(fā)器）為ON時(shí)，本指令從指定的通道輸出脈沖，執(zhí)行JOG（點(diǎn)動）運(yùn)行。 　　當(dāng)X2處于ON狀態(tài)時(shí)，Y0發(fā)出頻率為300Hz、占空比為10%的脈沖。此時(shí)，方向輸出Y2為OFF，高速計(jì)數(shù)器CH0（DT9044和DT9045）的經(jīng)過值計(jì)數(shù)增加。 　　當(dāng)X6處于ON狀態(tài)時(shí)，Y1發(fā)出頻率為700Hz、占空比為10%的脈沖。此時(shí)，方向輸出Y3為OFF，高速計(jì)數(shù)器CH1（DT9048和DT9049）的經(jīng)過值計(jì)數(shù)減少。 四、結(jié)論： 　　1、該自動調(diào)諧系統(tǒng)采用PLC作為控制設(shè)備，用軟件編程完成各信號的邏輯關(guān)系處理及脈沖輸出編程，簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高整個(gè)系統(tǒng)的靈活性。 　　2、PLC是專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，以集成電路為基本元件的電子設(shè)備，在設(shè)計(jì)和制造過程中采取了多層次抗干擾和精選元器件措施，內(nèi)部處理不依賴觸點(diǎn)。適合于加速器高頻系統(tǒng)強(qiáng)電磁的運(yùn)行環(huán)境，從根本上保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。解決了控制設(shè)備在強(qiáng)電強(qiáng)磁環(huán)境下穩(wěn)定工作的要求。 　　目前，這個(gè)系統(tǒng)的安裝調(diào)試已經(jīng)完成，并以投入使用。基于PLC的加速器高頻D電路頻率自動調(diào)諧系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了1＊10-6 的頻率穩(wěn)定度設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。 參考文獻(xiàn) 　　1. [M]NAISPLC《FP系列編程手冊》Matsushita Electric Works, Ltd. 　　2. [M]高鐘毓等《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 機(jī)械工業(yè)出版社 1997年4月 　　3. [M]張肅文等《高頻電子線路》 高等教育出版社 1993年4月