的结果T2K实验表明,中微子振荡可能的关键理解关于宇宙的一个基本问题:为什么它包含更物质比反物质宇宙大爆炸时被认为是产生等量的。T2K实验是一个长基线中微子振荡实验,中微子和反中微子产生日本质子加速器研究复杂(日本)中观察到的神冈探测器位于295公里之外。找到一个区别在中微子和反中微子振荡将提供一个基本了解宇宙是如何形成的。
实验的最大任务是生产大量中微子和反中微子。创建在T2K实验中,中微子与日本质子加速器由质子加速到接近光速,粉碎成目标材料。中微子振荡的扩大我们的调查,我们需要生产更多的中微子通过增加我们提供质子的速度通过加速器。一旦质子束进入主环,我们需要更强大的电磁铁控制梁他们环游环(图1)。
图1所示。鸟瞰的日本主环和路径的质子束流为红色。
所有的制造商我们通常一起工作能够设计一个电源转换器可以提供这些所需的功率更强大的电磁铁在我们的预算。因此,我们决定帮助工程自己努力通过开发控制软件。
中微子研究是一个竞争激烈的领域,我们需要跟上实验室在美国和欧洲从事类似的研究。加快开发和降低成本,我们开发了电源控制软件使用基于模型的设计与仿真软件金宝app®和部署一个FPGA使用HDL编码™。基于模型的设计使我们开发的控制软件成本低60%比主要制造商提供的估计和减少开发时间50%以上。
我们面临的挑战:近一倍的电压提供给日本电磁铁
欣赏是多么重要的一个更大的电源我们的研究,有助于理解的过程生成和探测中微子日本。首先,我们使用一个线性加速器加速负氢离子对4亿电子伏特(兆电子伏)。与日本同步,我们将离子质子和质子加速到13亿电子伏特(GeV)在日本的小戒指,周长约350米。质子被定向到主环,(周长约1.5公里),在那里他们被加速到30 GeV针对中微子生成工具。在最后阶段,中微子是观察到天文台坐落在Ikeno山295公里远。
在主环(图2),弯曲和四极电磁铁控制质子束流的轨迹通过应用精确同步的磁场。
图2。日本主要环,显示使用的弯曲和四极电磁铁控制质子束轨迹。
为我们即将到来的实验中,我们需要提供更多的质子,这意味着减少开关(或所需的时间周期从2.48秒到1.3秒)电磁铁。所需的时间开关电磁铁电压成反比,这意味着我们必须几乎两倍于电压,相应的总输出功率约100 MW-more比电网提供的能力。
设计和实现电源转换器控制器
转换器有两个主要组件:一个三相AC-to-DC电压转换器,用于大型电容器充电,和一个供电的直升机从电容器电磁铁(图3)。
图3。新电磁铁供电单元的示意图。
电源转换器控制器设计我们的目标之一是通过仿真来验证我们的设计在实际硬件上执行测试。我们开始通过创建一个植物模型电源的三相AC / DC转换器和直升机使用仿真软件,Simscape™,和Simscape电气™。金宝app然后,我们创建了一个完整的系统模型的控制器和植物(图4)。
图4。金宝app电源转换器及其控制器的仿真软件模型。
控制器模型包括直流电压控制子系统,有功功率控制、无功功率控制,脉冲宽度调制,以及元素执行direct-quadrature-zero三相信号之间的转换和direct-quadrature (dq0)参考系(图5)。
图5。金宝app仿真软件模型的控制器子系统。
我们选择的第一个版本的FPGA设计,因为我们需要控制多个模块,和FPGA的输入/输出功能使它比一个单片机与输入和输出相对较少。基于模型设计的一个优点是,我们应该选择重新部署在一个单片机在未来,我们将能够从我们现有的控制器设计与生成C代码嵌入的编码器®并很快启动并运行一个新的目标。
在运行模拟来验证设计和优化控制参数,生成synthesizable Verilog®使用HDL编码代码从我们的控制器模型。
我们这段代码部署到设备从英特尔的气旋®FPGA的家人和测试使用一个较小的版本生产电源。我们确认,这个设置匹配波形的波形仿真结果所示,只有轻微的偏差。
最后,我们测试和验证FPGA控制器在实际的电源转换器的硬件。
我们已经完成第一个电源转换器的实现单位配备了fpga控制器。我们正在建设所需的剩余单位整个主环日本。我们希望开始与这个新的中微子振荡实验设置这些单位建设完成时。
