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根据医用重离子加速器的设计要求,表1给出了引出BUMP电源性能指标。励磁电流要在1~5 ms 快速上升并保证精度,控制器应该提供较快的电流和电压并行计算和调节能力;而且由于电源内部需要接收和处理多种波形数据[8],要有足够的实时性和灵活性。基于此,可采用Inter公司的CycloneIII作为电流、电压调节、波形控制算法实现的核心,引出BUMP电源数字控制器硬件设计如图2所示。CycloneIII由20 万个逻辑元件 (LE)、8.2 Mbit 片上内存以及 396 个嵌入式 18×18 乘法器组成,利用该芯片中的硬乘法器资源可以将闭环调节时间减小到1 μs以内;而且CycloneIII支持NiosII软核,利用其TCP/IP协议栈可实现波形的灵活处理。AD7634提供单通道18 bit、670 kSPS的采样率,其信噪比达到101 dB @ 2 kHz,总谐波失真为–112 dB @ 2 kH,用于反馈输出电流。AD7328支持高速串行接口,并达到 1 MSPS 吞吐量,用于实时检测母排电压。为了提高抗干扰能力,同时实现接口匹配,对波形触发、充电脉冲、并行PWM脉冲信号,分别采用集成光纤收发器HFBR2522、HFBR1522和HFBR1414来实现。利用EPM570T144芯片提供的高性价比IO可以实现电源内部状态的实时管理。
参数 值 跟踪错误 ±1×10–4 波形周期/s >5 波形数 255 上升时间/ms 1~5 下降时间/ms <500 电感/mH 0.2~0.4 -
主电路拓扑结构如图3所示,基本工作原理为三管并联相移的单管斩波模式,为了提高电流脉冲的上升时间及平台的稳定性,斩波器前级加入一级强励电压。图中C1为整流滤波储能电容;C2为提供强励电压的储能电容;E1为具有限流功能的电压源;V11为控制C2充电的可控功率管;V12只利用其内部的二极管;V21和V31为移相斩波功率管;V22和V32只利用其内部二极管做续流用;主回路可控功率管共三只(V11,V21、V31),这三个功率管的PWM脉冲由数字控制器提供,其他功率管在主电路中做封锁处理,主回路需提供C2两端的电压(经电压传感器隔离)和电源输出电流(DCCT信号)至数字控制器。
控制策略主要实现电流和电压的跟踪性能和稳态精度。由于采用了3并联IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)斩波器,且主电路模型是复杂的高阶系统,因此采用多回路PI实现电流的闭环控制。其中一个回路保证电流±1×10–4的跟踪精度,而其他3个回路实现均流环,确保IGBT可靠运行。已知调节周期为T,
$\kappa $ 时刻的控制量$\mu \left( \kappa \right)$ ,$\kappa $ -1时刻的控制量$\mu \left( {\kappa {\rm{ - }}1} \right)$ , 误差$e\left( \kappa \right)$ ,那么PI的差分方程为根据闭环系统的稳定性判据[9],计算比例系数kp=20,积分系数ki=0.01。由于电流采样周期小于3 μs,因此取
$T \!\leqslant\! 1\,{\rm\mu s}$ 。为适配传感器且电流值在正确范围,进入PI之前的电流值需要进行数据转换和滤波。由于一阶数字滤波器易实现,能有效滤除高频噪声,因而采用IIR一阶数字滤波器。已知k时刻,输入为$x\left( k \right)$ ,$k - 1$ 时刻,输出$y\left( {k - 1} \right)$ ,采样周期为T,则k时刻一阶IIR滤波输出${{y}}\left( k \right)$ 记为其中:
${T_{\rm{f}}}$ 为滤波时间常数,取0.1T。为适应不同的主电路拓扑,利用PWM(Pulse Width Modulation)模块来配置PWM信号,并通过归一化模块与PI适配。由于现场电磁环境复杂,需对AD7634采集的电流滤波再用于调节运算。充电控制的目的就是实现母排电压的实时调节,并与输出电流同步,充电脉冲时序如图4所示。通常母排电压变化相对较慢,在ms级别,多以采用滞环比较和延时模块控制充电。当触发信号选择波形数据时,利用电流变化率计算母排电压,然后由滞环比较器比较实际母排电压和计算母排电压的大小,以此来控制充电脉冲。实际母排电压比计算母排电压大则放电,小则充电。由于不同的主电路拓扑具有不同的放电延时,采用延时模块对其进行调整。上述控制策略采用VHDL语言(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)实现,其FPGA内部控制策略如图5所示,为了防止因给定波形出错而损坏功率元件,设计一阶滤波进行保护以保证电源的正常运行。
为了方便注入调试,利用电流波形数据来控制母排电压。在电流上升的过程中,如果母排电压低,则电流上升时间变长,无法控制同步性;而母排电压高则影响电流的稳定性。因此为保证上升电流的同步性,需要实时调整母排电压。首先根据波形数据计算电流上升率
$\frac{{{\rm{d}}i}}{{{\rm{d}}t}}$ ,并且已知,电流上升时间t,负载电感L、负载电阻R,根据电感感应定律,则所需的母排电压至少应该大于等于输入电压Uset,即其中:I0表示输出电流;
${U_{\rm{k}}}$ 表示修正电压。然后,利用FPGA内部的硬浮点乘法器计算Uset,并用32位整数变量控制充电脉冲的灵敏度(单位:0.5 μs)以减少噪声干扰。由于束流引出时,具有多种能量,不同能量对应不同的电流波形,为控制同步性,对不同波形需要足够的充电时间,经过实验测试,最长充电时间小于100 ms,利用该参数可对多种波形的Uset实现精确控制。FPGA内部模块工作参数见表2。模块 参数 值 一阶数字滤波器 截止频率 2 kHz PWM模块 开关频率 5 kHz 触发接收器 数据频率 390.06 BD AD7634 采样率 570 kSPS AD7328 采样率 1 MSPS PI 计算周期 1 μs 延迟 最长时间 10 μs
Design of Controller for Extraction BUMP Power Supplies in Medical Heavy-ion Facility
doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020080
- Received Date: 2020-12-04
- Rev Recd Date: 2021-02-18
- Available Online: 2021-07-22
- Publish Date: 2021-06-21
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Key words:
- cancer /
- medical device /
- real-time control /
- beam extraction /
- FPGA /
- BUMP power supply
Abstract: The BUMP power supply is the key equipment responsible for the beam extraction of the medical heavy ion accelerator. The synchronization of the current rise affects the extraction efficiency of the beam, and the diversity of the current waveform is closely related to the treatment mode and treatment accuracy. It is necessary to generate 1~5 ms rising and accurately synchronized excitation current on the convex rail magnet (0.2~0.4 mH), and ensure the current tracking and the diversity of the waveform. Real-time adjustment of the strong excitation voltage and current waveform based on characteristic parameters are adopted. Control Method. This article introduces the software and hardware design of the digital controller for the BUMP power supply based on Inter's SoC(System-on-a-Chip) technology, and it is applied to the medical heavy ion accelerator device for the first time. After field verification, it is produced on different convex rail magnets. The synchronously changing current of 1~5 ms is achieved, and the tracking accuracy (>5 s) of the current rising period is guaranteed, which meets the design requirements.
Citation: | Shuning LÜ, Jiang ZHAO, Zhongzu ZHOU, Daqing GAO. Design of Controller for Extraction BUMP Power Supplies in Medical Heavy-ion Facility[J]. Nuclear Physics Review, 2021, 38(2): 153-158. doi: 10.11804/NuclPhysRev.38.2020080 |