叶 强,李华俊,李维斌

(核工业西南物理研究院聚变科学所，四川 成都 610041)

0 引 言

我国目前规模最大、参数最高的新一代核聚变试验研究装置中国环流器2号M装置(HL-2M)主供电系统包括4台飞轮脉冲发电机组，其中2台80 MVA机组(1#、2#)通过变压器和不可控整流设备为环向场线圈供电；125 MVA(3#)和300 MVA(4#)机组经变压器和可控硅变流单元为极向场线圈供电[1-3]。

励磁控制器作为HL-2M脉冲发电机励磁装置的主要构成之一，起着调控作用，是等离子体物理试验大系统中的关键环节。由于HL-2M装置中的环向场线圈供电回路的整流环节为不可控式，线圈电流波形只能由励磁控制器控制，同时励磁控制回路和环向场线圈供电回路时间常数较大，需要励磁控制器具备更短的响应时间、更高的控制精度和更好的可靠性，尤其是在实现HL-2M装置MA级等离子体放电能力的目标下，这种需求更为迫切。现有励磁控制系统仍沿用HL-2A时期的DOS系统，随着时间的推移呈现出了一些局限性，如数据实时传输方面难以满足当前励磁控制需求；同时系统需要由多个功能模块共同完成脉冲发电机的励磁控制，尤其是需要单独的数字触发板实现触发控制，可靠性较低。

为了满足HL-2M高水平等离子体物理试验对励磁控制系统快速响应的需求，本文利用CompactRIO嵌入式系统设计一种具有先进触发控制且适用于不同磁场线圈的励磁控制器。该控制器触发环节的精度较高，有利于提升控制器的整体控制精度。

1 励磁控制器基本原理及其硬件设计

脉冲发电机为磁场线圈负载和二级高压加热负载提供可靠的电力输出时离不开励磁控制器的参与。HL-2M装置的4台脉冲发电机励磁控制器运行环境基本相同，运行环境如图1所示，其中，if为励磁整流柜输出的励磁电流。励磁控制器工作原理是：励磁控制器的上位机在励磁投入前，下载、解析中控设置的参考波形VEC文件和控制参数DPF文件，在励磁退出后，完成励磁控制过程数据的打包上传，励磁控制器在待机期间，还不断检测来自励磁PLC系统的强励时序信号以投入工作；投入励磁控制后，励磁控制器的算法调节部分按时序以1 ms的控制周期实时调节励磁，在调节过程中输出控制电压UK和控制信号CTRL，并在灭磁完后整理形成励磁控制过程数据，控制器的触发部分根据同步信号周期和实时输出的UK与CTRL生成励磁整流单元的脉冲信号，实现对脉冲发电机励磁电流的控制。

图1 励磁控制器运行环境

根据励磁控制器的运行环境与工作原理，确定基本硬件架构为PC+CompactRIO，如图2所示，PC上位机为励磁控制器与中控的接口，实现人机交互和中控文件解析功能；CompactRIO为励磁控制器的控制核心，提供浮点运算、实时控制和逻辑处理等功能[3-5]，由实时控制器、可重配置的FPGA和工业级I/O模块3个部分组成[6-7]。基于实时控制器和LabVIEW图形化环境可实现集成浮点数据处理和过程控制的实时控制平台；实时控制器+FPGA+I/O的硬件布局使CompactRIO具备高精度测量和高速逻辑处理的能力。CompactRIO由励磁调节器与励磁触发器构成，分别实现励磁实时控制和脉冲触发控制。根据CompactRIO各部分的特点并结合励磁调节器和励磁触发器的任务需求，确定了下位机布局，即在RT层面实现励磁调节以及在FPGA电路中实现励磁触发。

图2 励磁控制器基本硬件框架

2 励磁实时控制及人机交互

励磁调节器实现励磁控制器的核心功能，即根据励磁控制算法和策略对脉冲发电机端电压进行实时控制。依据中控所设参考波形，将励磁调节过程划分为4个阶段：延时阶段、通电阶段、反馈阶段和灭磁阶段。控制时序如图3所示，tfe为强励时刻，tp为通电时刻，tf为反馈时刻，tde为灭磁时刻，te为退出时刻。延时阶段下励磁调节器不工作，仅用于计时；通电阶段要求励磁调节器依照励磁参考波形输出UK，其目的是为了保证在反馈时刻达到反馈设定的范围，进而提高反馈控制效率；反馈阶段的作用是基于PID控制算法调节目标波形，以按照中控设置的参考波形变化；最后是灭磁阶段，目的是减小在励磁功率柜上的冲击。根据控制的任务和特点，在RT VI中设计了初始化程序以接收上位机下传的参数；设计时间局部变量t、分段控制选择程序和增量PID控制程序实现核心算法的控制；设计FPGA接口读写程序实现UK与脉冲信号的转换。为了完善励磁调节器，还设计了故障保护程序以及励磁调节数据整理收集程序。调节器执行流程如图4所示，W为励磁电压参考波形。

图3 控制时序

图4 励磁调节器实时控制流程图

HMI人机交互界面包括炮号更新显示区、状态监测区、数据波形显示区、参数设置区；此外，上位机还要完成文件处理非实时任务。作为中控系统与CompactRIO的桥梁，上位机与中控通过TCP/IP协议通信，采用共享变量方式与CompactRIO进行数据交互。为保证励磁调节时放电参数不刷新，设计一个表征励磁控制状态的布尔变量ExWork实现上位机文件解读与下位机励磁调节互锁，只在ExWork=False时执行放电文件的下载和解读。工作过程如图5所示。

图5 上位机流程图

3 高精度触发控制

励磁触发器实现频率追踪和脉冲控制等功能。在励磁触发器软件开发中采用模块化、集成化和多线程的先进算法结构，有利于未来对系统进行升级和扩展，缩短开发周期和降低成本[8]。

所谓同步，就是要求加在励磁整流柜晶闸管的触发脉冲与加在晶闸管阳极电路上的电压在频率和相位上是一致的。实现同步是同步信号处理模块的主要功能，只有实时准确地测量出频率，且确保触发脉冲输出相位正确，才能可靠实现跟踪控制[9]。为获取高精度频率测量结果和提高同步信号故障检测的能力，在FPGA VI中采用3个高速循环结构并行执行采样、测量和诊断等任务。采样循环中以高达1 sample/10 ms的速度对同步信号进行采样，并完成正、负零点的判定；测量模块利用内嵌单周期定时循环(SCTL)结构以一个硬件时钟的循环步长测量同步信号周期；根据三相电压输入的各种情况[10]和缺相特征，在诊断循环中设计了相序错误和缺相的判断程序。同步信号处理模块的运行过程如图6所示，T为同步信号周期。

图6 同步信号处理流程图

脉冲控制要求控制精度高、实时性好、对称度高、稳定性强、触发安全可靠[11]。而实现高精度脉冲触发控制对逻辑处理速度要求较高。FPGA具有强大的逻辑处理能力和可重配性，易实现触发器的脉冲控制，借助LabVIEW FPGA工具使功能开发更加灵活。

HL-2M单台脉冲发电机组的励磁功率单元由2个晶闸管整流柜并联而成。在整流柜合闸起动过程中或电流断续时，为了保证电路的正常工作，需确保同时导通的2个晶闸管均有脉冲。由于宽脉冲触发方式存在脉冲变压器易饱和的问题，且改善成本较大，采用双脉冲触发。产生双窄脉冲的方法有2种，分别是外双脉冲法和内双脉冲法。基于FPGA+I/O灵活架构并考虑到实现的难易度，采用内外双窄脉冲混合触发的方式。然而，实际中采用双窄脉冲触发整流电路时往往会造成晶闸管热量升高和影响功放板中脉冲变压器的功能。为此，在触发双窄脉冲基础上，使之变成与之对应的一系列窄脉冲，从而形成双窄脉冲列输出。不同的可控硅可能需要脉冲列中脉冲个数不同，为了解决此问题，将脉冲列中窄脉冲周期设计为可调。

脉冲控制需要解决3个核心问题：频率是否与同步信号可靠同步；是否在正确时刻施加脉冲；脉冲形式的产生。具体设计为，在同步信号处理模块FPGA VI中建立并行的脉冲控制线程，实现脉冲触发控制与同步信号处理2个线程在硬件层面上的并行执行，满足2个模块对逻辑处理的高速性和独立性要求，并利用“同步信号周期”局部变量实时读取同步信号周期，实现2种信号的可靠同步；采用平铺式顺序结构+触发性延时结构组合用于固定脉冲施加的时间基准点(正确的起始时刻)，确保脉冲施加的有效性，提高系统可靠性；在SCTL中，根据励磁调节器设置的触发角α和脉宽，以硬件时钟为执行周期，输出一个周期的高低电平组合，形成标准的双窄脉冲，在双窄脉冲的基础上增加频率可调的低电平信号列，两者信号相加后，双窄脉冲信号低电平段不变，高电平段形成高低交替的脉冲列。脉冲触发控制模块执行过程如图7所示，CTRL为解封锁信号。

图7 脉冲控制流程图

4 试验验证

首先利用搭建的小型试验平台对跟炮下载与解读中控文件、励磁分段控制、同步信号周期测量、同步信号故障判断、脉冲信号触发控制等基础功能进行了验证，然后在与原有DOS微机励磁控制系统的并联运行中进行了调试。部分频率测量结果如表1所示，在80 Hz处出现最大测量误差(80.088 3-80.000 0)/80=0.11%。当输入50 Hz同步信号时，设置不同触发角对励磁整流柜的桥臂1、3、5双窄脉冲信号进行移相控制，脉冲控制结果如图8所示，脉冲信号的施加起始时刻正确，频率和同步信号可靠同步，在不同α控制下，脉冲控制精度均在100 ms内，其中α=36°、90°和126°时，控制误差分别为66.67 ms(3 666.67-3 600.00)、66.67 ms(6 666.67-6 600.00)和66.67 ms(8 666.67-8 600.00)。图9给出了双窄脉冲列信号及设置不同周期(对应脉冲列中极窄脉冲个数)的控制效果，极窄脉冲周期设置在30 ms和50 ms时，测量显示分别为32 ms和48 ms，极窄脉冲周期最小可设置为20 ms，可提高励磁控制器触发功能实用性。CompactRIO励磁控制器与DOS励磁控制器并联跟炮运行，在某一炮号下2个励磁控制系统的双窄脉冲输出波形对比如图10所示，其中黑色曲线是DOS保存的波形，灰色曲线是CompactRIO保存的波形，可以看出并联调试时，在强励信号正确触发励磁投入后，2个系统产生的控制趋势几乎一致。

表1 部分频率测量结果 Hz

图8 双窄脉冲移相控制

图9 双窄脉冲列控制

图10 控制波形对比

5 结 语

为了提高HL-2M脉冲发电机励磁控制的兼容性和可靠性，基于CompactRIO设计了一种励磁控制器。该控制器打破了原有需要单独数字触发板才能实现触发控制的励磁控制架构局限，降低了硬件设备复杂度，提高了励磁控制的可靠性。此外，控制器核心算法采用模块化编程，在FPGA+I/O架构下可适用于在环向场和极向场两种负载下开展励磁控制研究，提高了励磁控制的兼容性。基于试验验证平台进行验证，从上位机的数据解析和命令接收，到RT实时励磁控制，再到FPGA触发控制，整个过程协调有序；频率测量和脉冲控制精度均在微秒级，脉冲信号与同步信号可靠同步；可设置不同脉冲形式，对于双窄脉冲列脉冲形式还可以根据功放板需要设置构成脉冲列的极窄脉冲个数；新励磁控制系统产生的控制逻辑与原有系统一致。验证结果表明励磁控制器具备高精度、高灵活的先进触发控制功能，控制结果正确，满足励磁控制需求。