高能同步辐射光源高精度直流稳流电源样机研制

即将建造的高能同步辐射光源对四极磁铁电源的性能提出了很高的要求。为了掌握此类型磁铁电源的关键技术并解决其技术难点,在验证装置中研制了高精度直流稳流电源样机。样机采用模块化设计,利用数字、模拟调节器相结合的控制方式,实现对输出电流的高精度控制。为了实现电流稳定度的设计指标,样机采用自主研发的高精度数字控制器和DCCT,对闭环控制中的关键器件进行了恒温控制。实验结果表明,样机的电流稳定度达到了10 ppm,电压纹波低于设计指标5 mV。样机的其他性能指标也均达到了物理设计的要求,并最终通过验收测试。     

高能同步辐射光源高精度直流稳流电源样机研制

即将建造的高能同步辐射光源对四极磁铁电源的性能提出了很高的要求。为了掌握此类型磁铁电源的关键技术并解决其技术难点,在验证装置中研制了高精度直流稳流电源样机。样机采用模块化设计,利用数字、模拟调节器相结合的控制方式,实现对输出电流的高精度控制。为了实现电流稳定度的设计指标,样机采用自主研发的高精度数字控制器和DCCT,对闭环控制中的关键器件进行了恒温控制。实验结果表明,样机的电流稳定度达到了10 ppm,电压纹波低于设计指标5 mV。样机的其他性能指标也均达到了物理设计的要求,并最终通过验收测试。     

基于Modbus/RS232的数字电源控制器的远控设计与实现

中国散裂中子源(CSNS)的磁铁电源全面采用数字化技术。磁铁电源是由电源内部的数字电源控制器DPSCM来进行电压电流回路的调节,其主要是由CYCLONE Core+NIOS-II系统组成,它具有RS-232通信(MODBUS协议)接口。为此,远程控制系统制定了基于Modbus/RS232的DPSCM的通讯规约,并使用MOXA嵌入式串口设备DA682开发了基于Modbus/RS232的EPICS IOC和实时数据库,并与DPSCM及RCS动态电源进行了现场联调。调试结果表明,使用DA682完全能够实现对RCS磁铁电源的远程控制,系统稳定可靠易扩展,满足物理要求。     

基于FPGA的数字电源调节器研究与设计

详细描述了基于FPGA方案的数字电源调节器。首先介绍了数字调节器的硬件功能模块设计,重点对用于采样电源输出电流的高速高精度AD7634的工作原理做了描述,并给出了AD7634采集一个电压信号的工作波形;其次介绍了数字调节器的软件设计,包括调节器算法、功能以及在FPGA内的实现方法;最后,以一台15 A/15 V校正磁铁电源为样机,进行了闭环调节实验,给出了测试结果。     

HEPS磁铁电源控制系统设计

介绍了高能同步辐射光源中磁铁电源控制系统的设计。该系统硬件部分包括嵌入式边缘计算控制器Atlas 200和数字电源控制模块。在主控模块Atlas 200中运行EPICS IOC,其设备驱动基于StreamDevice开发,通过Modbus-TCP协议与数字电源控制模块通信,进而实现对磁铁电源的远程控制及未来可扩展的智能控制。上层人机界面采用CS-Studio开发,能够直接控制并保护电源运行状态。本系统已完成离线测试,控制功能均可正常运行。     

CSNS磁铁电源远控系统设计

磁铁电源远控系统采用嵌入式工控机DA710作为控制器,运行EPICS IOC,通过Modbus RTU协议来与数字电源控制模块(DPSCM)通信,从而来控制各类磁铁电源。上层应用程序采用Control System Studio(CSS)来开发,包括人机界面和语音报警。通过性能测试表明该系统满足物理调束的要求,该系统已正式投入运行。     

基于现场可编程门阵列的数字调节器设计

根据磁铁稳流电源闭环控制的基本原理,将模拟调节器及相关的外围控制电路采用全数字化控制技术,并通过嵌入数字信号处理模块的现场可编程门阵列（FPGA）来实现,设计了数字调节器（DRL）。通过样机试验证明,该数字调节器可实现对电源的全数字化调节和控制,满足多数加速器对静态磁铁稳流电源的控制需求。     

用于电源检修的远程控制装置研制

加速器磁铁电源由中央控制室通过电源的远程数字量和模拟量接口实现开关机和升降流,并长期运行在远程控制状态。为检修电源,本文研制电源检修用远程控制装置(简称装置),以能在电源厅本地通过远程控制接口实现对电源的控制,为电源的检修提供帮助。该装置采用单片机控制,矩阵键盘输入,清晰的人机界面显示结合高精度A/D和D/A芯片,实现操控电源的功能。实验证明,该装置能精确给定电源电流及回采给定值,达到了设计要求,为查找电源问题提供了有力的条件。     

高精度磁铁稳流电源智能化接口的研制

介绍一台专用于高精度稳流电源的智能化接口的设计方案及样机的研制结果。该接口用单片机作为核心实现对大功率、高精度的磁铁电源进行智能化的本地控制与作为远程遥控接口的功能。具有运行参数的设定、运行状态的检测、故障报警及记录、运行数据的保存及与计算机的通讯等功能。采用了主控机箱与操作面板分离的两体方案,主机与面板之间用串行数字信号进行连接。     

LabVIEW在SSRF数字电源研制中的应用

上海同步辐射装置数字化电源的开发主要是采用完全数字化PWM直接控制功率管IGBT的数字控制器,利用LabVIEW平台开发了数字电源的监控程序,通过串口通讯（R232）进行监控,友好、清晰的人机界面能够方便监测数字电源和修改它的控制参数。并基于LabVIEW编写的另一个虚拟仪器程序通过高精度的Keithley仪器和计算机实现该数字电源的电流长期稳定性测试和记录,Excel格式数据存储通过该程序完成,可以为以后进一步分析做准备。     

重离子加速器磁铁电源控制系统研制

重离子加速器通过一定周期的磁场对带电粒子进行约束,磁铁电源是产生所需磁场的关键部件,因此,要求磁铁电源控制系统具备高效性、稳定性、精确性。磁铁电源需按加速器运行周期进行响应运行。重离子加速器磁铁电源的时序必须严格按重离子加速器控制系统的控制时序进行控制。本工作研制了重离子加速器磁铁电源控制系统,通过磁铁电源控制器与同步时钟系统的通信进行控制时序的运行;通过与中央数据库的数据通信获取磁铁电源控制器所需的全部数据(如同步事例数据、波形数据等)。同步时钟信号一旦触发,磁铁电源控制器进行相应的数据获取并进行插值运算输出至磁铁电源进行控制。重离子加速器磁铁电源控制系统同步精度为1μs,实验平台测试控制器平台纹波精度为100ppm,能满足重离子加速器实验运行的要求。     

高能同步辐射光源储存环快校正磁铁电源设计

高能同步辐射光源（HEPS）具有0.1 nm·rad的超低发射度,对束流稳定度提出了较高要求,研制1台高性能快校正磁铁电源用来提高快速轨道反馈系统（FOFB）的性能以提升束流稳定度。电源样机采用新颖的多电平级联拓扑结构提升电源样机的动态性能,使用基于数字控制的新颖控制方法实现样机的动态性能提升。软件仿真与样机试验数据证明,电源样机具有10 kHz小信号带宽、电源阶跃响应时间小于70 μs、输出电流纹波低于20 ppm,电源样机可很好地满足HEPS建设需求。     

Design of Fast Corrector Magnet Power Supply for HEPS Storage Ring

The high energy photon source (HEPS) has an ultra-low emittance of 0.1 nm·rad, which puts forward high requirement for beam stability. A high performance fast corrector magnet power supply was developed to improve the performance of the fast orbit feedback system to improve the beam stability. The prototype adopted a novel multi-level cascade topology structure to improve the dynamic performance, and a novel control method based on digital control was used to improve the dynamic performance of the prototype. Software simulation and the prototype test data show that the prototype has a small signal bandwidth of 10 kHz, step response time lower than 70 μs, output current ripple of less than 20 ppm. The power supply prototype can meet the requirement of HEPS.     

加速器磁铁电源的被控对象辨识模块设计

国内加速器磁铁电源的控制策略基本上以比例-积分-微分(Proportion-Integral-Derivative,PID)控制为主,对被控对象的处理是基于物理模型归纳传递函数,并在此基础上设计控制器。该方法受制于物理模型中元器件参数的不精确性和结构上的不确定性,更重要的是控制器设计一般不关注被控对象的内部机理而是其输入输出(Input-output,I/O)特性。本文提出一种可工作于电源数控平台上的辨识建模方法,其表现出了更好的实时性、适用性和通用性。借助一类子空间模型辨识方法(Multivariable Output Error State s Pace,MOESP),在现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)上有针对性地设计模块,并使用可编程片上系统(System On a Programmable Chip,SOPC)集成软核处理器来完成数据处理和参数计算。基于北京正负电子对撞机II期(Beijing Electron Positron Collider II,BEPCII)和加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System,ADS)磁铁电源数控平台的被控对象辨识模块已成功运用在BEPCII和ADS电源样机上。经过严格的测试表明,辨识模型可以对电源的实际输出电流作出较精确的预报。该辨识模块易于使用,为控制系统设计提供了关键信息,适用于各种特性的负载。     

质子加速器注入、引出磁铁电源的纹波抑制

在国产首台质子治疗示范装置研制项目中,质子加速器的注入、引出磁铁电源采用模块电源并联方式,但注入、引出磁铁的电感量较小不利于开关电源噪声抑制。为满足项目需要,提出了一种错相设计方案,并推导了三相错相的纹波归一化量值,理论上验证了方案的可行性。在此基础上,用MOSFET以H桥结构作为基本单元,采用3单元移相120°的方式构成模块电源。经测试,3台静磁切割磁铁电源开关纹波满足设计和使用要求,同时证实了电源拓扑结构的可行性。3台电源自投入使用以来,无故障可靠稳定运行20个月以上。     

Design and Development of a Power Supply System for NBI Test Stand of EAST

A neutral beam injector (NBI) test stand was constructed to develop a multi-megawatt prototype ion source as an auxiliary heating system on experimental advanced superconducting tokamak. A power supply system for the NBI test stand components such as a set of dc power supplies for plasma generator, a dc high voltage power supply of a tetrode accelerator, a transmission line and a surge energy suppressor. Stable arc discharges of the plasma generator with hydrogen gases for 100 s long pulse have been produced by six Langmuir probes feedback loop regulation mode to control the arc power supply. The 4 MW hydrogen ion beam of 1 s is extracted with beam energy of 80 keV and the beam current of 52 A. The dc high voltage power supply for the plasma grid of the prototype ion source was designed to contribute maximum voltage of 100 kV and current of 100 A. The high voltage power output is continuously adjustable to satisfy with plasma physics experiment in operation frequency of 10 Hz. To prevent damage of the beam source at high voltage breakdown, core snubber using deltamax soft magnetic materials have been adopted to satisfy the input energy into the accelerator from the power supply can be reduced to about 5 J in the case of breakdown at 80 kV. For the transmission line, a disc shape multi cable coaxial configuration was adopted and which the dimension of the diameter is 140 mm at the core snubber. The major issues of discharge characteristics with long pulse and beam extraction with high power for the prototype ion source were investigated on the NBI test stand.     

基于串行收发器的加速器电源数字控制器研究

为满足强流重离子加速装置（HIAF）对电源控制器多版本兼容和高精度控制性能的要求,研发了1套基于串行收发器的加速器电源数字控制器（APSDC）。该控制器采用基于总线互联的模块化设计架构,在保证加速器电源数字控制器高精度控制性能的前提下,兼具多版本兼容能力。设计了1套基于串行收发器的高速同步数据总线（HSB）用于数字控制器子板间数据通信,总线带宽达2 Gbps,且板间数据同步误差低于1 ns。电源上线运行实验结果表明,APSDC各项设计指标符合HIAF对电源的高精度控制及其他关键性能的技术要求,并具备较强的系统扩展性。     

基于FPGA状态空间方程解算器的HIRFL-CSR电源控制器设计

兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)磁铁电源控制系统迫切需要提高性能,为实现基于现代控制理论的复杂控制算法,设计了ARM+FPGA结构的数字电源控制器。在FPGA中,设计了全新的硬件状态空间方程解算器,对电源进行实时、高速的状态反馈控制。结果证明,控制器可很好地实现最优观测状态反馈闭环控制,且其动态响应速度、稳态精度、抗干扰性及鲁棒性均有很大的提高。     

HIRFL-CSR二极磁铁电源的研制

研制了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)二极磁铁电源,提出了一种基于晶闸管相控整流技术和IGBT脉宽调制(PWM)变换技术的同步加速器二极磁铁电源的设计方案,分析、仿真了其工作原理,并设计、生产了1套完整的电源样机。经现场试验、长期运行及测试,电流稳定度±5×10-5/8h,跟踪精度±2×10-4,电流纹波1×10-5。该方案满足HIRFL-CSR二极磁铁对电源技术指标的要求。