的结果T2K实验表明中微子振荡可能是理解一个关于宇宙的基本问题的关键:当大爆炸被认为产生了等量的物质和反物质时，为什么它包含的物质远远多于反物质。T2K实验是一个长基线中微子振荡实验，在这个实验中，日本质子加速器研究中心(J-PARC)产生的中微子和反中微子在295公里外的超级神冈探测器上被观测到。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的中微子和反中微子。在T2K实验中，中微子是由J-PARC质子加速器通过将质子加速到接近光速并将其粉碎到目标物质中而产生的。为了扩大我们对中微子振荡的研究，我们需要通过增加通过加速器提供质子的速度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体来控制质子束在环上的运动(图1)。
图1所示。J-PARC的鸟瞰图显示质子束的主环和路径为红色。
没有一个我们通常合作的制造商能够在我们的预算之内设计出能够提供这些更强的电磁铁所需电力的电源转换器。因此，我们决定自己开发控制软件，以帮助工程工作。
中微子研究是一个竞争激烈的领域，我们需要与从事类似研究的美国和欧洲实验室保持同步。为了加快开发速度，降低开发成本，我们利用Simulink进行了基于模型设计的电源控制软件的开发金宝app®并使用HDL Coder™将其部署到FPGA。基于模型的设计使我们开发控制软件的成本比主要制造商提供的估计成本低60%，并将开发时间缩短了50%以上。
我们的挑战:提供给J-PARC电磁铁的电压几乎翻倍
为了理解更大的电源供应对我们的研究有多么重要，这有助于理解J-PARC产生和检测中微子的过程。首先，我们使用直线加速器将负氢离子加速到大约4亿电子伏特(MeV)。利用J-PARC的同步加速器，我们将离子转化为质子，并在J-PARC的周长约350米的小环中将质子加速到13亿电子伏(GeV)。然后质子被定向到主环(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。在最后阶段，中微子在295公里外池野山下的中微子观测站被观测到。
在主环中(图2)，弯曲电磁铁和四极电磁铁通过施加精确同步的磁场来控制质子束的轨迹。
图2。J-PARC的主环，展示了用于控制质子束轨迹的弯曲和四极电磁铁。
在我们即将进行的实验中，我们需要提供更多的质子，这意味着减少转换所需的时间(或周期)电磁铁从2.48秒到1.3秒。开关电磁铁所需的时间与所施加的电压成反比，这意味着我们必须将电压增加一倍，相当于大约100兆瓦的总输出功率——这比电网能够提供的功率还要多。
电源转换器控制器的设计与实现
该变换器有两个主要部件:用于给大电容器充电的三相交直流电压变换器，以及从电容器向电磁铁供电的斩波器(图3)。
图3。新型电磁铁电源装置原理图。
在设计功率变换器控制器时，我们的目标之一是在实际硬件上进行测试之前，通过仿真来验证我们的设计。我们首先使用Simulink、Simscape™和Simscape Electrical™创建电源三相AC/DC变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app功率变换器及其控制器的Simulink模型。
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，以及三相信号与直接正交(dq0)参考系之间进行直接正交零转换的元件(图5)。
图5。金宝app控制器子系统的Simulink模型。
我们在第一个版本的设计中选择了FPGA，因为我们需要控制多个模块，而FPGA的输入/输出能力使其优于具有相对较少的输入和输出的微控制器。基于模型的设计的一个优点是，如果我们选择在未来重新部署在一个微控制器上，我们将能够从现有的控制器设计与嵌入式编码器生成C代码®很快就能找到新的目标。
经过仿真验证设计和调整控制参数，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。
我们把这段代码部署到一个英特尔旋风设备上®FPGA系列，并使用一个较小版本的生产电源进行了测试。我们验证了该设置的波形与仿真结果中显示的波形相匹配，只有很小的偏差。
最后，我们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。我们期望在这些装置建造完成后，用这个新的装置开始中微子振荡实验。
