从结果T2K实验表明中微子振荡可能持有的关键在于了解有关宇宙的根本问题：为什么它含有比当宇宙大爆炸被认为已经产生两个等量的反物质得多的事情。T2K实验是其中中微子和在日本质子加速器研究络合物（J-PARC）中产生反中微子在位于295公里远的超级神冈探测器检测器观察到一个长基线中微子振荡实验。在寻找中微子和反中微子之间振荡的差异将提供关于如何形成我们的宇宙的重要线索。
实验的最大任务是产生大量的中微子和反中微子。在T2K实验中，中微子是由J-PARC质子加速器通过将质子加速到接近光速并将其撞向目标物质而产生的。为了扩大我们对中微子振荡的研究，我们需要通过增加加速器提供质子的速度来产生更多的中微子。然后，一旦质子束进入主环，我们需要更强大的电磁铁来控制质子束在主环上的运动(图1)。
图1所示。J-PARC鸟瞰图，以红色显示质子束的主环和路径。
我们经常合作的制造商没有一家能够在我们的预算范围内设计出能够提供这些更强的电磁铁所需能量的功率转换器。因此，我们决定通过自己开发控制软件来帮助工程工作。
中微子研究是竞争激烈的领域，我们需要保持与美国和欧洲的实验室正在从事类似的研究步伐。为了加快发展，不断降低成本，我们开发了使用基于模型的设计与Simulink的电源控制软件万博1manbetx®并使用HDL Coder™将其部署到FPGA上。基于模型的设计使我们能够以比主要制造商提供的估计少60%的成本开发控制软件，并将开发时间减少了50%以上。
我们的挑战：几乎翻番提供给J-PARC电磁铁的电压
为了了解更大的电源对我们的研究有多重要，它有助于理解在J-PARC产生和检测中微子的过程。首先，我们使用线性加速器将负氢离子加速到大约4亿电子伏特(MeV)。利用J-PARC同步加速器，我们将离子转化为质子，并在J-PARC的小环内将质子加速到13亿电子伏特(GeV)，这个小环的周长约为350米。然后质子被引导到主环(周长约1.5公里)，在那里它们被加速到30 GeV，然后被定向到中微子产生设施。在最后阶段，位于295公里外的伊基诺山下的中微子天文台观测到了中微子。
在主环（图2），弯曲和四极电磁铁通过施加精确地同步的磁场控制质子束的轨迹。
图2。J-PARC主环，显示了用来控制质子束轨道的弯曲和四极电磁铁。
在我们即将进行的实验中，我们需要提供更多的质子，这意味着减少切换所需的时间周期）从2.48秒电磁铁到1.3秒。所需要的时间来切换电磁体是反比于电压施加，这意味着我们必须几乎两倍的电压，其对应于大约100 MW-超过电网能够提供的总输出功率。
功率变换器控制器的设计与实现
该转换器有两个主要组件:一个用于为大型电容器充电的三相交直流电压转换器，以及一个从电容器向电磁铁供电的斩波器(图3)。
图3.新的电磁铁电源装置的原理图。
我们的一个设计功率转换器控制器的目标是在实际的硬件进行测试之前，验证通过模拟我们的设计。我们开始创建利用Simulink，的Simscape™电源的三相AC / DC转换器和断路器的植物模型和电气的Simscape™。万博1manbetx然后，我们创建了控制器和设备的一个完整的系统模型（图4）。
功率转换器及其控制器万博1manbetx的图4 Simulink模型。
控制器模型包括用于执行三相信号和直接正交之间的直接正交零变换为直流电压控制，有功功率控制，无功功率控制和脉冲宽度调制子系统，以及元件（DQ0）参考帧（图5）。
图5。万博1manbetx控制器子系统的Simulink模型。
我们选择的FPGA我们设计的第一个版本，因为我们需要控制多个模块，以及FPGA的输入/输出能力使得它优选以相对较少的输入和输出的微控制器。基于模型的设计的一个优点是，我们应该选择重新部署在未来的微控制器，我们将能够从我们现有的控制器设计与嵌入式编码生成C代码®很快就能找到新的目标。
运行模拟来验证设计和调整控制参数后，我们产生综合的Verilog®代码从我们的控制器模型使用HDL编码器。
我们将这段代码部署到Intel的Cyclone设备上®FPGA家族和测试它使用一个较小的版本的生产电源。我们验证了该装置的波形与仿真结果一致，只有微小的偏差。
最后，我们测试和验证的实际功率转换器硬件的FPGA控制器。
我们已经完成安装了我们的基于FPGA的控制器第一电源转换器单元的实现。目前，我们正在建设需要在J-PARC整个主环的剩余单位。我们希望这个新的设置开始中微子振荡实验完成这些单位的建筑时。
