重离子加速器磁铁电源控制系统研制

刘伍丰，乔卫民，敬 岚，郭玉辉，张世杰，陈天飞，刘楠嶓

（1.河南工业大学电气工程学院，河南郑州 450001；2.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000）

重离子加速器磁铁电源控制系统研制

刘伍丰1，乔卫民2，敬 岚2，郭玉辉2，张世杰1，陈天飞1，刘楠嶓1

（1.河南工业大学电气工程学院，河南郑州 450001；2.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000）

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。

重离子加速器；磁铁电源；控制系统

磁铁电源控制系统是重离子加速器控制系统的关键子系统。磁铁电源控制系统通过控制磁铁电流来控制磁场从而对粒子进行约束，以达到加速器设计目标。重离子加速器控制系统［1－9］有控制运行周期，每个控制子系统均需严格按照控制周期进行响应运行。磁铁电源控制系统需符合重离子加速器控制系统的控制要求并满足其控制时序。因此，重离子加速器磁铁电源控制系统的研究工作在于磁铁电源控制器的设计。磁铁电源控制系统需预先进行波形数据与同步事例数据的分发与存储。同步事例数据存储于中央数据库中，并直接存储至磁铁电源控制器的寄存器中；波形数据存储于中央数据库与ARM控制器SQLite嵌入式数据库中，等待同步时钟系统的同步触发。当同步事例触发时磁铁电源控制系统的DSP波形发生器产生所需的控制波形输出，以完成这个控制周期的整个控制过程。本文将介绍重离子加速器磁铁电源控制系统的研制工作。

1 总体设计

磁铁电源控制系统作为重离子加速器控制系统的关键子系统，其中的ARM控制器需与加速器总体控制系统的中央Oracle数据库以及前端服务器的前端Oracle数据库进行数据通信。ARM控制器运行嵌入式数据库SQLite，通过中央数据库Oracle、前端数据库Oracle、嵌入式数据库SQLite 3层数据库同步更新系统实现数据的快速更新。DSP波形发生器根据控制数据经插值算法产生相应的控制波形。ARM控制器通过HPI接口实现与DSP波形发生器的快速数据交互。磁铁电源控制系统结构如图1所示。

1.1 前端ARM控制器

前端ARM控制器的主要功能是传输控制数据和负责磁铁电源所需的控制波形等数据的传输以及电源状态的采集存储，并利用ARM控制器上的DataFlash空间，存储需永久保存或反复使用的波形等数据，尽量减少与上层数据库的数据交换，它还驱动VME总线控制器，通过DSP提供的HPI接口管理访问和分配DSP的存储空间，因此，数据的存储地址对DSP是透明的。

图1 磁铁电源控制系统结构Fig.1 Structure of magnet power supply control system

前端ARM控制器连接至重离子加速器控制系统的控制局域网，实际即连接至前端服务器与集群服务器，并通过VME背板与DSP波形发生器相连接，实现前端ARM控制器与DSP波形发生器的数据交互。

1.2 DSP波形发生器

DSP波形发生器根据从存储空间中得到的当前控制周期所需的波形数据，通过二次插值算法向FPGA输出控制电源的波形数据，再经过DA转换，间接控制磁铁电源的输出，从而产生约束束流所需的磁场，满足加速器运行的需要。同时通过波形发生器的AD模块转换，采集并返回磁铁电源各时刻的状态值，供调试人员查询和检测。

DSP波形发生器与前端ARM控制器通过VME背板总线进行数据通信，且DSP波形发生器与FPGA同步事例发生器以及FPGA计数板（深层重离子治癌主动扫描中的扫描磁铁）通过光纤连接，从而实现同步实时。DSP波形发生器接收FPGA同步事例发生器或FPGA计数板发出的事例信号或脉冲，从而进行相应工作。

2 数据交互

重离子加速器总体控制系统预先对磁铁电源控制子系统进行波形数据与同步事例数据的分发与存储。总体控制系统将同步事例数据存储于中央数据库中，并存储于磁铁电源控制器的寄存器中。波形数据存储于中央数据库与ARM控制器中，DSP波形发生器等待同步时钟系统的同步事例触发。当同步事例触发时，磁铁电源控制系统的DSP波形发生器产生所需的控制波形输出，以完成控制周期的整个控制过程。

在兰州重离子加速器冷却储存环控制系统中，提出虚拟加速器的控制机制。从重离子加速器同步磁铁电源控制系统中的波形数据切换机制来进行阐述：当控制系统事例控制界面将同步事例发生器事例数据存入其RAM空间并使其发出切换数据的同步事例（如C05A2001）时，DSP波形发生器对接收到的同步事例信息进行接收与分析对比。FPGA判断同步事例的功能码位是否为切换波形数据。若是切换波形的同步事例，则DSP波形发生器中断前端ARM控制器，前端ARM控制器随后立即读出要切换的数据波形号（前端ARM控制器保存了各波形数据在DSP内存空间中的存储地址和长度），这时前端ARM控制器触发DSP波形发生器并传输该波形数据的存储首地址及长度使DSP读取波形数据，并通过插值算法进行插值。当第16～23位数据（功能码位）不是从同步时钟系统中的同步事例发生器上发出的同步事例信号（如C05A2001）时，DSP波形发生器收到该同步事例信号，打开DAC，并输出上次已切换好的波形数据。磁铁电源控制系统数据传输如图2所示。

图2 磁铁电源控制系统数据传输Fig.2 Data transmission of magnet power supply control system

3 运行测试

运行测试磁铁电源控制系统时需先录入1个二进制的波形文件数据。波形文件数据是在0～＋10V区间内对电压进行16位转换后的0～65 536的数据，每间隔64ms录入1个数据（重离子加速器磁铁电源控制系统波形数据格式）。该波形文件数据为1个梯形波形数据，平顶电压为1V。测试的波形数据如图3a所示，实际测得的控制电源波形如图3b所示。

图3 磁铁电源控制系统测试结果Fig.3 Test result of magnet power supply control system

4 小结

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的精度为100ppm，能满足当前重离子加速器核物理实验的要求。但随着重离子加速器一些研究的产业化（如重离子治癌），需对系统进行优化升级，优化工作已开展。重离子加速器磁铁电源控制系统缺乏快速连锁系统的接口并需提高控制的同步精度至ns量级；减少控制系统数据传输环节以及提高数据传输的速率至≥1Gb／s；优化完善快速数据获取系统以实现高速的磁铁电源控制闭环。总之，重离子加速器已通过长时间的运行，证明磁铁电源控制系统能满足当前实验及运行需求。

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Development of Magnet Power Supply Control System for Heavy Ion Accelerator

LIU Wu－feng1，QIAO Wei－min2，JING Lan2，GUO Yu－hui2，ZHANG Shi－jie1，CHEN Tian－fei1，LIU Nan－bo1
（1.College of Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou450001，China；2.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou730000，China）

The heavy ion accelerator constrains particles by magnetic field，and the magnet power supply is the important part for making magnetic field.Therefore，the magnet power supply control system needs high efficiency，high stability and high accuracy.The magnet power supply response operated according to accelerator’s cycle.The magnet power supply control system for heavy ion accelerator was developed.The magnet power supply control timing of heavy ion accelerator is consistent with the control cycle of heavy ion accelerator control system.And the synchronous timing system triggers magnet power supply.All control data of magnet power supply（such as synchronous event data and waveform data）are obtained from center oracle database of heavy ionaccelerator.Once the synchronous timing system triggers magnet power supply，the magnet power supply controller will read control data from RAM of ARM controller and process it by interpolation to control power supply.The precision of control system synchronization is 1μs，and ripple is 100ppm.It can meet requirement of heavy ion accelerator experiments.

heavy ion accelerator；magnet power supply；control system

TL503.6；TL56；TP23

A

1000－6931（2015）02－0362－04

10.7538／yzk.2015.49.02.0362

2013－11－19；

2014－02－06

国家自然科学基金资助项目（11005136）；国家星火计划资助项目（2013GA750006）；中国科学院西部之光人才培养计划资助项目（Y107130XBB）；河南工业大学高层次人才基金资助项目（2012BS036）

刘伍丰（1983—），男，湖南邵阳人，高级工程师，博士，从事加速器控制、控制工程、数据获取等研究