J-PARC粒子加速器功率转换器控制软件开发

来自T2K实验表明中微子振荡可能是理解宇宙一个基本问题的关键:为什么宇宙中含有的物质比反物质多得多，而大爆炸被认为产生了同等数量的物质和反物质。T2K实验是一个长基线中微子振荡实验，在该实验中，日本质子加速器研究中心(J-PARC)产生的中微子和反中微子在位于295公里外的超级神冈探测器上观测。发现中微子和反中微子之间振荡的差异，将为我们的宇宙是如何形成提供一个重要的线索。

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，通过J-PARC质子加速器将质子加速到接近光速并将其粉碎到目标材料中，从而产生中微子。为了扩大我们对中微子振荡的研究，我们需要通过增加我们通过加速器提供质子的速率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环内移动(图1)。

我们经常合作的制造商没有一个能够在我们的预算范围内设计出能够为这些更强的电磁铁提供所需功率的电源转换器。因此，我们决定通过自己开发控制软件来帮助工程工作。

中微子研究是一个竞争激烈的领域，我们需要与美国和欧洲从事类似研究的实验室保持同步。为了加快开发速度和降低成本，我们采用Simulink基于模型的设计方法开发了电源控制软件万博1manbetx^®并使用HDL Coder™将其部署到FPGA。基于模型的设计使我们能够以比主要制造商提供的估算低60%的成本开发控制软件，并将开发时间缩短了50%以上。

我们的挑战:J-PARC电磁铁的电压几乎翻倍

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约4亿电子伏特(MeV)。通过J-PARC同步加速器，我们将离子转换为质子，并在J-PARC的小环中将质子加速到13亿电子伏特(GeV)，这个环的周长约为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，然后被定位到中微子产生设施。在最后阶段，中微子将在295公里外的伊基诺山下的中微子观测站进行观测。

在主环中(图2)，弯曲和四极电磁铁通过施加精确同步的磁场来控制质子束的轨迹。

对于我们即将进行的实验，我们需要提供更多的质子，这意味着减少转换(或转换)所需的时间周期)电磁铁从2.48秒变到1.3秒。开关电磁铁所需的时间与施加的电压成反比，这意味着我们必须将电压几乎提高一倍，对应的总输出功率约为100毫瓦——超过电网所能提供的功率。

功率变换器控制器的设计与实现

该转换器有两个主要部件:用于给大电容器充电的三相ac - dc电压转换器，以及从电容器向电磁铁供电的斩波器(图3)。

我们设计功率转换器控制器的目标之一是在对实际硬件进行测试之前，通过仿真验证我们的设计。我们首先使用Simulink、Simscape™和Simscape Electrical™创建电源的三相AC/DC转换器和斩波器的工厂模型。万博1manbetx然后，我们创建了控制器和设备的完整系统模型(图4)。

该控制器模型包括直流电压控制子系统、有功功率控制子系统、无功功率控制子系统和脉宽调制子系统，以及用于在三相信号和直接正交参考系(dq0)之间进行直接求零变换的元件(图5)。

我们在设计的第一个版本中选择了FPGA，因为我们需要控制多个模块，FPGA的输入/输出能力使其优于输入和输出相对较少的微控制器。基于模型的设计的一个优点是，如果我们选择在未来重新部署在微控制器上，我们将能够从我们现有的控制器设计中使用嵌入式Coder生成C代码^®并且迅速地开始并运行在一个新的目标上。

在运行仿真验证设计和调优控制参数后，我们生成了可合成的Verilog^®代码从我们的控制器模型使用HDL Coder。

我们把这段代码部署到英特尔旋风的一个设备上^®FPGA家族，并使用较小版本的生产电源进行测试。我们验证了这种设置的波形与模拟结果中显示的波形相匹配，只有微小的偏差。

最后，我们在实际的功率转换器硬件上对FPGA控制器进行了测试和验证。

我们已经完成了第一个配备基于fpga控制器的功率转换器单元的实现。我们目前正在J-PARC建造整个主环所需的剩余单元。我们期望在这些单元的建造完成后，开始使用这种新的装置进行中微子振荡实验。