脉冲功率源控制系统设计
摘要
脉冲功率源(PPS)技术是当代高科技的主要基础学科之一。随着现代许多新兴科学技术的发展,如可控核聚变、强激光、高能电子、粒子加速、新型武器等促使脉冲功率源技术得到快速发展。
影响脉冲功率源稳定、可靠工作的因素很多,其中之一是可靠的脉冲功率源控制系统。本课题在分析了脉冲功率源工作原理的基础之上,结合现有的实验项目设备,首先确定了主从方式的控制结构,选择基于光纤传输形式的CAN总线作为控制系统与电源模块间的信息交互方式。在总方案确定后,制定了相应的软件程序和整个控制系统的通信协议,总控制器的设计以ARM9为基础,设计了相应的硬件平台,编写了CAN驱动程序,完成了Linux操作系统的裁剪与移植,采用Qtopia软件设计了整个控制界面。电源模块(前端)控制采集器以C8051F060为基础,设计了电容放电电压、电流的采集电路,外部存储电路,充电机控制电路,晶闸管触发电路,光电转换电路等。
通过实际试验表明,系统的可靠性高,实时性好,操作方便,实现了对脉冲功率源的控制,测得的放电时电压,电流数据具有非常高的可信度。
The Pulse Power Source (PPS) technology is one of the main basic sciences of new high-tech. With the development of many new sciences, the PPS technology can be used in many aspects, such as controlled nuclear fusion, laser, high energy electrons, particle acceleration, new weapons and so on.These requirements making the PPS technology developed rapidly.
There are many factors affecting the stability and reliability of PPS's working, one of which is a reliable PPS control system. In this topic, the overall design of the PPS control system is proposed after analyzing the principle of the existing experiment equipments. Deciding to use CAN bus as the way of communication and use the fiber as transmission medium. The hardware platform of the head controller is designed on based of the ARM. Designed the CAN bus driver and completed the Linux operating system tailoring and transplantation. The Whole control interface has been designed by Qtopia. The main chip of front-end collecting control equipment is C8051F060. The circuit of data collection of high voltage and high current, charger control, thyristor trigger and external storage are designed. The corresponding software program and the whole control system communication protocol are designed after the hardware circuits are finished.
Through the actual experiments, the properties such as reliable and real time of PPS control system have been proved and the system's operating is very convenient. The important information of the system has been detected.
影响脉冲功率源稳定、可靠工作的因素很多,其中之一是可靠的脉冲功率源控制系统。本课题在分析了脉冲功率源工作原理的基础之上,结合现有的实验项目设备,首先确定了主从方式的控制结构,选择基于光纤传输形式的CAN总线作为控制系统与电源模块间的信息交互方式。在总方案确定后,制定了相应的软件程序和整个控制系统的通信协议,总控制器的设计以ARM9为基础,设计了相应的硬件平台,编写了CAN驱动程序,完成了Linux操作系统的裁剪与移植,采用Qtopia软件设计了整个控制界面。电源模块(前端)控制采集器以C8051F060为基础,设计了电容放电电压、电流的采集电路,外部存储电路,充电机控制电路,晶闸管触发电路,光电转换电路等。
通过实际试验表明,系统的可靠性高,实时性好,操作方便,实现了对脉冲功率源的控制,测得的放电时电压,电流数据具有非常高的可信度。
The Pulse Power Source (PPS) technology is one of the main basic sciences of new high-tech. With the development of many new sciences, the PPS technology can be used in many aspects, such as controlled nuclear fusion, laser, high energy electrons, particle acceleration, new weapons and so on.These requirements making the PPS technology developed rapidly.
There are many factors affecting the stability and reliability of PPS's working, one of which is a reliable PPS control system. In this topic, the overall design of the PPS control system is proposed after analyzing the principle of the existing experiment equipments. Deciding to use CAN bus as the way of communication and use the fiber as transmission medium. The hardware platform of the head controller is designed on based of the ARM. Designed the CAN bus driver and completed the Linux operating system tailoring and transplantation. The Whole control interface has been designed by Qtopia. The main chip of front-end collecting control equipment is C8051F060. The circuit of data collection of high voltage and high current, charger control, thyristor trigger and external storage are designed. The corresponding software program and the whole control system communication protocol are designed after the hardware circuits are finished.
Through the actual experiments, the properties such as reliable and real time of PPS control system have been proved and the system's operating is very convenient. The important information of the system has been detected.
引文
[1]徐远灿.冷阴极闸流管同步应用研究[硕士论文].西南交通大学,2010
[2]薄鲁海.晶闸管在脉冲功率电源中的应用研究[硕士论文].华中科技大学,2009
[3]薛刚.高功率脉冲电源自动控制系统体系结构设计[硕士论文].南京理工大学,2009
[4]刘芳敏.感应型发射器系统仿真及实验研究[硕士论文].哈尔滨理工大学,2008
[5]李贞晓,杨春霞,栗保明.高功率脉冲电源中晶闸管应用的研究.电力电子技术,2010,44(10)：87-88
[6]俞小华.小型化脉冲电源模块内部电抗器的磁场及电磁力研究[硕士论文].2010,22(6)：4-6
[7]至高.未来战场的杀手锏—新型电炮武器.坦克装甲车辆,2009：4-6
[8]郑明华.螺旋线圈式电磁炮发射机理与静动态电磁特性研究[硕士论文].国防科学技术大学,2010
[9]闫强华.超导储能脉冲放电系统研究[硕士论文].西南交通大学.2009
[10]郭明安,李斌康,孙凤容.便携式纳秒级脉冲功率高压源的设计与实现[J].高电压技术,2004(2)：48-50
[11]董健年,桂应春,李军,张军.电磁弹射系统的脉冲功率源设计[J].高电压技术,2007,33(22)：105-107
[12]周郁明.基于RSD开关的高功率窄脉冲发生与特性研究[硕士论文].华中科技大学,2007
[13]柴卫强.用于冷阴极场发射器件的高压脉冲电源的研制[硕士论文].东南大学,2008
[14]肖广大.基于超导磁体的快速换能系统研究制[硕士论文].西南交通大学,2009
[15]左朋.高压脉冲直流电源的应用研究[D].哈尔滨工程大学,2006
[16]刘锡三,高功率脉冲技术.国防工业出版社,2005
[17]Soung Soo Park,Sang Hoon Nam,etc. Characterization of a 30kV,75C Triggered VaCuum Switch.IEEE TRANSACTIONS ON PLASAM SCIENCE,2005,33(1)
[18]Hong-Sik Lee,Yong-Sik Jin,etc. Evaluation of a RVU-43 Switch as the Closing Switch for a Modular300kJ Pluse Supply for ETCApplication.IEEE TRANSACTION ON MAGNETICS,33(1),2001
[19]Spahn E, Zorngievel V, Sterzel Meier K, et al.50kJ Ultra-compact Pulsed Power Supply Unit for Various Applications[A].2005 European Conference on Power Electronics and Applications[C].Dresden, Germany,2005
[20]李贞晓,栗保明,林庆华.脉冲电源中续流硅堆保护的研究[J].电力电子技术,2009,43(4)：47-49
[21]罗山爱.比声音快7倍,能击穿任何装甲——电磁炮,没有炸药的“导弹”.环球人物,2011
[22]沐阳.美国电磁炮五年计划欲终结火炮时代.世界报,2006：1
[23]王群,耿云玲.电磁炮及其特点和军事应用前景.装备研究,2011：1-6
[24]王磊.美军试射超电磁炮创世界纪录.军事,2011：69
[25]陈福民.神通广大的电磁炮.走近科学,2011：37-38
[26]王树斌.美国弹道导弹防御系统的历史演变过程.江苏航空,2007：35-39
[27]李如年,王敬,王海.新概念动能武器-电磁炮.中国电子科学研究院学报,2011：126-128
[28]古刚等.国际电磁发射技术研究现状[J].舰船科学技术,2007,29(1)：156-158
[29]任旭,侯亚铭.电磁炮前世今生与未来.解放军报,2011：1-3
[30]罗山爱.电磁炮,没有炸药的“导弹”.国防时报,2011：1-2
[31]孔中华.金属化膜脉冲电容器若干问题的研究[硕士论文].华中科技大学,2008
[32]刘伟,童敏Linux2.6内核的嵌入式系统应用[J].电子技术应用,2006(1)：73-75
[33]宋作成,张广明,王崴.嵌入式Linux下CAN设备驱动的设计[J].计算机工程与设计,2009,30(15)：3552-3554
[34]周宇,徐寅林,李杰.基于嵌入式Linux的CAN总线驱动设计与实现[J].电子工程师.2008：50-52
[35]曾碚凯.电动公交车CAN总线系统通信节点的设计.沈阳工业大学学报,2007
[36]陈亚琼.基于CAN总线的车载娱乐系统节点设计.机电-体化,2009
[37]王晓雷.基于CAN总线的电动护理床控制系统的研究.河北工业大学,2007
[38]阳世荣,王少荣.基于RS2485与光纤混合通信网络的脉冲功率测控系统.广东电子,2006,19(9)：70-73
[39]S3C2440A,32-BIT CMOS MICROCONTROLLER USER'S MANUAL. (Revision 1), 2004 Samsung Electronics. Http://www.samsungsemi.com.
[40]顾而立,邵惠鹤.基于Linux和ARM的嵌入式智能控制系统软件编程的设计与实现[J].微型电脑应用,2008
[41]何永威,路林吉.基于嵌入式ARM和Linux的家用智能监控系统[J].微型电脑应用,2007
[42]宋作成,张广明,王崴.嵌入式Linux下CAN设备驱动的设计[J].计算机工程与设计,2009,30(15)：3552-3554,3558.
[43]张雪松,王鸿磊,徐钊.嵌入式Linux2.6内核的CAN驱动设计与实现.计算机工程与设,2010,31(15)：3397-3398
[44]陈福民.神通广大的电磁炮.走近科学,2011：37-38
[45]李如年,王敬,王海.新概念动能武器-电磁炮.中国电子科学研究院学报,2011：126-128
[46]古刚等.国际电磁发射技术研究现状[J].舰船科学技术,2007,29(1)：156-158
[47]任旭,侯亚铭.电磁炮前世今生与未来.解放军报,2011：1-3
[48]李艳民.基于Qt跨平台的人机交互界面的研究和应用[硕士论文].2007
[49]Nokia.QtReferenceDocumentation[DB/OL]. http://doc.qt.nokia.com/4.5/index.html
[50]Qt Reference Documentation (Open Source Edition),2007
[51]Fine.V.E Cross-platform Qt-based implementation of low level GUI layer of ROOT [J]
[52]Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,2003:681-683
[53]Gasmin Blanchette, Mark Sunnerfield齐亮译C++GUI Qt3编程[M].北京航空航天大学出版社,2005
[54]Silicon Laboratories.25MIPS,64kB Flash,16-Bit ADC,100-Pin Mixed-Signal MCU. 2004
[55]Agilent HFBR-0400, HFBR-14xx andHFBR-24xx Series Low Cost, Miniature Fiber Optic Components with ST, SMA, SC and FC Ports Data Sheet.2003
[56]Douglass J D, Greenly J B, Hammer D A, et al. Design and use of small Rogowski coils for use with large, fast current pulses.2005:717-720
[57]张瑜,刘金亮,文建春Rogowski线圈信号电阻对纳秒级脉冲大电流的响应.强激光与粒子束报,2009,21(10)：9-10
[58]王全海,周俊华,王振华.基于高线性光耦HCNR201的电压电流测量电路设计.今日电子,2010(4)：55-57
[59]强生泽,杨贵恒.电力电子装置的电磁兼容技术,电磁兼容2010：31-33
[2]薄鲁海.晶闸管在脉冲功率电源中的应用研究[硕士论文].华中科技大学,2009
[3]薛刚.高功率脉冲电源自动控制系统体系结构设计[硕士论文].南京理工大学,2009
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[6]俞小华.小型化脉冲电源模块内部电抗器的磁场及电磁力研究[硕士论文].2010,22(6)：4-6
[7]至高.未来战场的杀手锏—新型电炮武器.坦克装甲车辆,2009：4-6
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[46]古刚等.国际电磁发射技术研究现状[J].舰船科学技术,2007,29(1)：156-158
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[48]李艳民.基于Qt跨平台的人机交互界面的研究和应用[硕士论文].2007
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