上海质子治疗装置动态电源控制系统

上海质子治疗装置是由中国科学院上海应用物理研究所研制的首台全国产化的质子治疗设备。注入器产生不同能量的质子束满足多样化的治疗所需,而对不同能量束流的轨道约束则由加速器主环动态电源和对应磁铁动态电流的调整来实现。为了避免磁场动态改变时磁铁涡流特性变化带来的干扰,在传统静态电源控制基础上,利用PCASpy模块设计了全新符合实验物理及工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)规范的上层控制系统,通过高速下载预设电流波形和过程控制,基本消除了涡流影响。该控制系统目前已在主环束流调试过程中正常使用。

数字化超低纹波可编程动态电源

提出了一种超低纹波可编程动态电源设计方案，研制了一台1500A／50V数字化电源样机，用于高饱和磁铁的测磁。该电源采用全数字化控制技术，实现了多闭环均流控制、移相倍频、可编程动态电流波形输出。经测试，电源电流纹波在1～10kHz频率范围内优于1ppm，长期稳定性优于10ppm，可实现各种波形的在线编程和动态输出，对斜率为1715A／s的斜坡电流跟踪误差优于0．1％，达到了设计指标。

三电平SPWM波的改进算法研究与谐波分析

以提高正弦波脉宽调制(SPWM)供电质量为主要目的,SPWM脉宽调制法通常可分为两电平、三电平和多电平调制法,其中,三电平SPWM波比两电平SPWM波有更好的消除谐波特性。并且基于三电平的SPWM规则采样法是一种为简化SPWM波开关点计算衍生出来的计算方法,一定程度上可以替代比较调制算法。本文提出了一种三电平SPWM波开关点实时计算的方法,并且给出一般性计算公式。通过MATLAB编程,对计算结果进行了谐波分析,同时为了与实际应用相结合,提出了一种包含死区时间的三电平SPWM规则采样算法。在设计开关点算法时,把死区时间计算在内,分析了谐波含量,为工程应用作了铺垫。

质子加速器注入、引出磁铁电源的纹波抑制

在国产首台质子治疗示范装置研制项目中,质子加速器的注入、引出磁铁电源采用模块电源并联方式,但注入、引出磁铁的电感量较小不利于开关电源噪声抑制。为满足项目需要,提出了一种错相设计方案,并推导了三相错相的纹波归一化量值,理论上验证了方案的可行性。在此基础上,用MOSFET以H桥结构作为基本单元,采用3单元移相120°的方式构成模块电源。经测试,3台静磁切割磁铁电源开关纹波满足设计和使用要求,同时证实了电源拓扑结构的可行性。3台电源自投入使用以来,无故障可靠稳定运行20个月以上。

高精度同步数据获取系统的研制

在磁铁电源研制等多种应用场合需同步测量多个信号,同时要求测量数据要有较高的精度。利用高精度模数转换器AD7960实现高精度数据获取,使用可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)进行逻辑控制实现同步触发控制,研制出了高分辨率同步数据获取系统。分别针对高精度和同步性能进行测试和分析,得出系统的实际有效分辨率高于18位,并验证了系统能够实现高性能的同步数据采集。结合实际应用,进一步验证了系统的性能优势。

加速器电源电流突变补偿技术的研究

为解决加速器电源因电网电压陷落导致电源输出电流突变问题,提出一种基于磁铁负载侧的动态电流补偿方法,该方法以并联方式在负载端进行电流补偿。本文对其原理进行了可行性分析,用带通滤波器提取突变波形并实时计算通过比例积分(Proportional Integral,PI)控制产生反向突变电流以达到抑制的效果,并通过了原理性仿真以及样机验证。从实验结果验证了方案的合理性,补偿电流的响应速度能够跟上突变电流,对于突变电流确实有明显的抑制效果。