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。
实验的最大任务是产生大量中微子和反中微子。在T2K实验中，J-PARC质子加速器通过将质子加速到接近光速并将其粉碎成目标材料来产生中微子。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中的传播（图1）。
图1。J-PARC鸟瞰图，以红色显示质子束的主环和路径。
我们通常与之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功率转换器。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编码器将其部署到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:几乎两倍的电压提供给J-PARC电磁铁
为了了解更大的电源对我们的研究有多么重要，有助于理解J-PARC产生和探测中微子的过程。首先，我们使用直线加速器将负氢离子加速到大约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，并在周长约350米的J-PARC小环中将质子加速到13亿电子伏（GeV）。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，然后被定向到中微子产生设施。在最后一个阶段，中微子是在295公里外的伊克诺山下的中微子观测站观测到的。
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电磁铁和四极电磁铁。
对于我们即将进行的实验，我们需要提供更多的质子，这意味着减少切换（或转换）所需的时间周期)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。
功率变换器控制器的设计与实现
转换器有两个主要部件：一个三相AC-DC电压转换器，用于为大型电容器充电；一个斩波器，用于从电容器向电磁铁供电（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®并且很快地建立并运行在一个新的目标上。
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®代码从我们的控制器模型使用HDL编码器。
我们将此代码部署到Intel Cyclone的一个设备上®FPGA系列，并使用更小版本的生产电源对其进行了测试。我们验证了该设置的波形与仿真结果中显示的波形匹配，只有微小偏差。
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。
