J-PARC粒子加速器功率转换器控制软件的开发

的结果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:为什么宇宙中包含的物质比反物质多得多，而人们认为大爆炸产生了等量的反物质和物质。T2K实验是一个长基线中微子振荡实验，在这个实验中，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中被观测到。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，通过J-PARC质子加速器将质子加速到接近光速并将其撞到目标材料中，产生了中微子。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体来控制质子束在环内的运动(图1)。

我们经常合作的制造商中，没有一家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，降低成本，我们采用基于模型设计的Simulink软件开发了电源控制软件^®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低60%的成本开发控制软件，并将开发时间缩短50%以上。

我们的挑战:几乎两倍的电压供应给J-PARC电磁铁

为了理解更大的电源对我们的研究有多么重要，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(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(周长约350米)中将质子加速到13亿电子伏(GeV)。然后这些质子被定向到主环(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装置。在最后阶段，中微子在295公里外的伊基诺山下的中微子天文台被观测到。

在主环中(图2)，弯曲和四极电磁铁通过施加精确的同步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，这意味着减少转换所需的时间(或周期)电磁铁从2.48秒到1.3秒。开关电磁铁所需的时间与施加的电压成反比，这意味着我们必须几乎加倍电压，对应大约100兆瓦的总输出功率——超过电网所能提供的。

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:一个用于给大电容充电的三相交直流电压转换器，以及一个从电容向电磁铁供电的斩波器(图3)。

在设计功率转换器控制器时，我们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转换器和斩波器的植物模型。然后我们创建了控制器和工厂的完整系统模型(图4)。

该控制器模型包括直流电压控制、有功功率控制、无功功率控制和脉宽调制的子系统，以及执行三相信号与直接正交(dq0)参考系之间的直接求零变换的元素(图5)。

我们为我们的设计的第一个版本选择了FPGA，因为我们需要控制多个模块，并且FPGA的输入/输出能力使其优于具有相对较少输入和输出的微控制器。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到微控制器上，我们将能够从现有的控制器设计中使用Embedded Coder生成C代码^®并且很快就能找到一个新目标。

在运行仿真验证设计和优化控制参数后，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家族和测试它使用一个更小版本的生产电源。我们验证了这种设置的波形与仿真结果中显示的波形相匹配，只有微小的偏差。

最后，在实际的电源变换器硬件上对FPGA控制器进行了测试和验证。

我们已经完成了第一个配备了基于fpga的控制器的功率转换器单元的实现。我们目前正在日本帕洛阿尔托研究中心建造整个主环所需的剩余单元。我们希望在完成这些单元的建造后，用这个新的装置开始中微子振荡实验。