的结果T2K实验认为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，而大爆炸被认为产生了等量的物质。T2K实验是一个长基线中微子振荡实验，在295公里外的SuperKamiokande探测器上观测到日本质子加速器研究中心(J-PARC)产生的中微子和反中微子。发现中微子和反中微子之间振荡的差异将为我们了解宇宙是如何形成的提供重要线索。
实验的最大任务是生产众多的中微子和抗内乳芽孢杆菌。在T2K实验中，通过将质子加速到光速附近并将其粉碎成靶材料，用J-PARC质子加速器使用J-PARC质子加速器产生中微子。为了扩大我们对中微子振荡的调查，我们需要通过增加通过加速器供应质子的速率来生产更多的中微子。然后，一旦质子束进入主环，我们需要更强大的电磁磁体以在环绕环时控制光束（图1）。
图1. J-PARC的鸟瞰图显示了红色的主环和质子束的主环和路径。
我们通常与我们通常合作的制造商都无法为我们的预算中提供可以提供这些更强大的电磁铁所需的功率转换器。因此，我们决定通过开发自己的控制软件来帮助工程努力。
中微子研究是一个竞争激烈的领域，我们需要跟上从事类似研究的美国和欧洲实验室的步伐。为了加快开发速度和降低成本，我们使用基于模型的设计和Simulink开发了电源控制软件金宝app®并使用HDL Coder™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计数量低60％的成本开发控制软件，并将开发时间减少超过50％。
我们的挑战:几乎两倍的电压提供给J-PARC电磁铁
为了欣赏我们对研究的重要信息，有助于了解在J-PARC下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至约4亿电子伏特（MEV）。通过J-PARC同步rotron，我们将离子转换为质子，并在J-PARC的小环中加速质子为13亿电子伏特（GEV），其周长约为350米。然后将质子引导到主环，（在圆周中约1.5km），在靶向中性生成设施之前，它们在30 gev中加速到30 gev。在最后阶段，在位于Ikeno距离的伊克诺山下的Nevertrino天文台观察到中微子。
在主环中(图2)，弯曲电磁铁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。
图2. J-PARC主环，显示用于控制质子束轨迹的弯曲和四极电磁铁。
对于我们即将到来的实验，我们需要提供更多质子，这意味着减少切换所需的时间量（或循环)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，这意味着我们必须将电压翻倍，相当于大约100兆瓦的总输出功率——比电网能够提供的还要多。
设计和实施电源转换器控制器
转换器有两个主要组件：三相AC-TO-DC电压转换器用于对大电容器充电，以及从电容器供电到电磁铁的斩波器（图3）。
图3。新型电磁铁电源装置的原理图。
我们设计功率变换器控制器的目标之一是在实际硬件上进行测试之前，通过仿真验证我们的设计。首先，我们使用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。金宝app然后我们创建了控制器和设备的完整系统模型(图4)。
图4。金宝appSimulink模型的功率变换器及其控制器。
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(dq0)参考系之间进行直接正交零变换的元件(图5)。
图5.控制器子系统的金宝appSimulink模型。
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，而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势是，如果我们选择在未来的微控制器上重新部署，我们将能够从我们现有的控制器设计与嵌入式编码器生成C代码®并非常快速地在新目标上运行。
在运行仿真验证设计和调整控制参数后，我们生成了可合成的Verilog®来自我们的控制器模型的代码使用HDL编码器。
我们将此代码部署到来自英特尔飓风的设备®FPGA系列并使用较小版本的生产电源进行测试。我们验证了来自此设置的波形匹配模拟结果中显示的波形，只有轻微的偏差。
最后，在实际的电源转换器硬件上对FPGA控制器进行了测试和验证。
我们已经完成了第一个配备了基于fpga的控制器的功率转换单元的实现。我们目前正在建造J-PARC整个主环所需的剩余单元。当这些装置建成后，我们期望用这个新装置开始中微子振荡实验。
