HIRFL-RIBLL1电源控制系统升级改造

张华剑 白 真 上官靖斌 高大庆 史春逢 吴凤军

1（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）2（中国科学院大学 北京 100049）

HIRFL-RIBLL1电源控制系统升级改造

张华剑1,2白 真1上官靖斌1高大庆1史春逢1吴凤军1

1（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）2（中国科学院大学 北京 100049）

兰州重离子加速器放射性次级束分离线一号线(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou - Radioactive Ion Beam Line 1, HIRFL-RIBLL1)已运行多年，其电源控制系统因建设初期条件所限设计较为简单，加之近年来系统部件老化，已不能很好满足物理实验要求，迫切需要进行升级改造。新的电源控制系统针对现有问题，采用分布式架构，每台电源用一台高精度控制器就近控制。同时集成了二极磁铁磁场强度和所有电源输出电流的监控，并且利用滞环控制策略，实现了根据预设磁刚度自动调试电源的功能。新电源控制系统经过一年多来的几次实验调束验证，在调试精度、抗干扰性、易用性等方面满足了RIBLL1物理需求，大幅度提高了调束效率。

放射性次级束分离线，电源控制系统，分布式系统，滞环控制，自动调试

建设初期因条件所限，RIBLL1电源控制系统采用了较简易的实现方式[4−5]（图1）。控制终端通过PCI总线向PCI6208卡（美国国家仪器公司生产的16位8通道D/A卡）发送给定电压值，每一通道接到一台电源的远程给定接口；所有电源电流回读信号则同时送到PCLD 788卡（16通道继电器多路选通开关）上，该卡后接高精度数字电压表 HP 34401A用于A/D转换并去噪，再经由PCI总线传回控制终端。所有电源给定卡与回读卡安装于同一机柜，输入输出信号通过长距离的同轴线与不同电源连接。

图1 原电源控制系统原理图Fig.1 Schematic of former power supply control system.

在使用过程中，发现原电源控制系统有几个缺陷：1) 在强电磁干扰环境下长距离传输模拟给定信号，干扰很大，使开关电源稳定度降低；2) 长距离传输的模拟回读信号，容易耦合噪声，必须用数字万用表积分过滤，因此回读速度特别慢；3) PCI6208卡的8个通道是共地的，通道之间极易产生串扰；4) 电源控制操作界面功能单一，使用不便。

近年来，由于系统部件的老化，所固有的问题日益严重，对束流品质和RIBLL1运行效率的不良影响越来越大，鉴于此，2014年底开始对RIBLL1电源控制系统进行重新设计。重新设计不仅要解决已有问题，还要从控制算法层面加入根据预设磁刚度自动将电源输出电流稳定在需要范围的功能。国际国内很早就开始了自动调束研究[6−8]，并且成熟应用于加速器控制领域。而对HIRFL来讲，虽然也有系列研究[9−10]，但本系统是真正投入实际运行的电源控制系统。

1 RIBLL1新电源控制系统设计

1.1 设计要求

RIBLL1电源控制系统控制精度指标为二极铁电源优于0.01%，四极铁电源优于0.1%；硬件设计需要解决原控制系统信号干扰和串扰问题，提高稳定性；软件设计要求自动化程度高，增加磁刚度与电流值自动换算、磁刚度自动稳定、磁场强度监控等功能。

1.2 系统工作原理

新电源控制系统原理见图 2，系统采用了基于网络的分布式架构。选用20位数模转换和24位模数转换的高精度器件实现电源的给定和回读，器件集成在电源控制器中。每台控制器控制一台电源，安装在所控电源的电源柜体内，所有20台控制器接入控制局域网，控制器与控制终端之间传输数字信号。此架构在保证控制精度的同时，解决了原控制系统长距离传输模拟信号的干扰问题以及给定串扰问题。4台特斯拉计通过串口服务器接入控制局域网，提供磁场强度监控接口。

图2 新电源控制系统原理图Fig.2 Schematic of redesigned power supply control system.

控制界面除了最基本的电源给定和回读电流监控外，增加显示磁场强度回读值；自动根据二极磁铁的预设磁刚度Bρset计算每台电源预设电流值，并能单台或批量写入电源；支持所有回读量的计算、显示、绘图、存档；提供自动调试模式，保证每台电源输出电流与预设电流差值稳定在0.5 A内，从而稳定磁刚度。

1.3 电源控制器工作原理

电源控制器是一台工控机，内置了高精度电压发生采集卡PCI4524，其集成了分辨率为20位的专用高精度电压发生模块和 24位的高精度电压采集通道，电压输出范围和采集通道输入范围为±10 V DC。

控制器实现电源给定设计了缜密的电源保护逻辑，为防止给定基准突变给电源造成冲击，给定采取缓变方式，以一定缓变间隔和缓变步长逐步改变给定到设定值，其算法流程如下：

输入：给定电压值Vin，缓变步长Vstep，缓变时间步长Tstep。

1) 采集电源输出电压 Vout；计算循环次数 N=abs(Vin−Vout)/Vstep；计算符号 sign=(Vout＜Vin)? 1:0；

2) for t=1:N；

3) 间隔 Tstep时间，设置给定到电源，给定值Vin=Vout+sign×Vstep×t；

4) end for。

控制器使用滑动平均值处理采集的电源回读值，平均值在执行初始化后启动计算，在每次读取平均值数据后会重新开始计算。滑动平均值采集方法可解决回读数据的突刺现象，使回读更平滑稳定，其算法流程如下：

1) 清空采集记录，采集次数N=0，j=1；

2) 采集并记录电源输出值Vj，N ++，j ++；

3) 如果控制界面请求回读值，转到4)，否则转到2)；

2 RIBLL1新电源控制系统软件设计

电源控制系统软件需要与20台电源控制器和4台特斯拉计进行交互，进行回读量的获取、计算、显示、绘图以及存档；同时要响应操作人员鼠标键盘动作，进行电流给定，磁刚度到电流值计算，波形放大缩小，设置存档及载入等，编程较为复杂。故采用基于微软基础类库的 VC++多线程编程，封装的Windows API降低了编程难度，多线程运行效率高，易于组织逻辑。

2.1 系统软件流程设计

程序分为主界面程序和一个子线程。主界面程序负责响应各种鼠标键盘动作并执行指令，子线程负责输出电流和磁场强度的监控，在自动调试模式下执行自动调节算法，以及测量结果的显示、绘图等。主界面和子线程并行执行、各司其职，避免因阻塞读取磁场强度和输出电流时主界面不响应用户事件的界面阻滞现象。

主界面程序算法流程如下：

1) 界面初始化，申请资源，连接数据库，连接20台电源控制器，连接 4台特斯拉加计，创建子线程；

2) 等待用户动作，若用户点击界面按钮，如“一键写入给定电流”、“载入/保存设置”、“启动自动调试模式”等，则执行相应指令，然后转到2)；若用户关闭界面，则转到3)；

3) 销毁子线程，关闭电源控制器和特斯拉加计的连接，释放资源，关闭界面。

子线程被创建后就循环执行，直到被主程序销毁。其算法流程如：

1) for i = 1:20；

2) 采集第i台电源输出电压Vout，换算成输出电流Iout并显示；

3) 若处于自动调试模式，则对第i台电源启动自动调节算法，否则转到4)；

4) 若该电源是二极铁电源，则采集对应二极铁磁场强度并换算成磁刚度Bρout并显示，根据Iout换算出计算磁刚度Bρcal并显示；

5) end for；

6) 绘制4台二极铁电源的输出电流波形图；绘制4台二极铁的回读磁场强度波形图；保存回读数据日志文件；

7) 线程休眠2 s；转到1)。

2.2 系统核心算法

2.2.1 磁刚度与电流值间的换算

磁场回读过程：因为特斯拉计的回读磁场强度精确性不高，为了验证磁铁的磁刚度，只能依据多年测磁数据，用六次函数从电源输出电流 Iout拟合出计算磁刚度 Bρcal，比较 Bρset和 Bρcal的差异，再进行调整。

在原电源控制系统中，上述过程均为手动计算；新电源控制系统中，每台电源的各拟合系数均保存在配置文件中，软件实现了设置磁刚度Bρset到给定电流Iset和回读电流Iout到计算磁刚度间Bρcal的自动换算。

2.2.2 自动调试的实现

由于RIBLL1电源老化，其线性度欠佳，加之外部电磁干扰，写入值Iin与输出值Iout之间有偏差，并且无法通过刻度电源消除偏差。实验人员需要不断观察每台电源输出电流值Iout，根据经验微调写入电流值 Iin，直到输出电流值 Iout与预设电流值 Iset接近。新电源控制系统在软件上实现了自动调试，把电源控制系统设计为闭环控制系统，由程序实现繁琐手动调试过程，其示意图见图3。

图3 自动调试示意图Fig.3 Sketch of automatic commissioning.

采用滞环控制算法，将输出电流维持在以预设电流为中心的±0.5 A滞环宽度内。不断检测电源的输出电流Iout，将之与预设电流Iset比较，如果差值大于0.5 A，则重新计算写入电流Iin并给定到电源，新给定值为 Iin−(Iout−Iset)。

此算法有潜在危险：电源故障若输出为 0，系统会一直加大给定Iin，易对电源造成冲击；电源故障若输出波动，系统会反复调节Iin，加剧振荡。在程序中加入保护机制，限定写入Iin与输出Iout差值阈值，限定输出Iout与设置Iset差值阈值，超过阈值认为电源故障，不启用自动调试算法。并且限定每台电源写入电流的上下限值，保证写入电流在电源允许范围内。

3 新电源控制系统测试结果

对电源控制器输出电压稳定度和采集电压稳定度进行测试。输出电压稳定度测试方法：用控制器自带软件往电压发生器写入5 V电压值，用吉时利2002八位半数字多用表测量电压发生器的模拟输出值，编写软件每秒记录一次测量值V1并保存到文件，连续测试 8 h，经计算输出电压稳定度为 6.6×10−5，测量曲线见图 4。采集电压稳定度测试方法：在控制器采集电压端接入10 V标准基准源，编写软件每秒记录一次经数字化后的电压值V2并保存到文件，连续测试12 h，经计算采集电压稳定度为 4.9×10−5，测量曲线见图 5。结果表明，给定和回读稳定度均能满足RIBLL1电源控制要求。

对终端控制界面进行测试，结果证明新系统灵敏度高、响应迅速：完成一次磁场强度与输出电流的全局监控、显示、绘图、存档，总时间不超过3 s；在电源工作正常情况下，系统能在20 s内完成自动调试，使每台电源预设电流与输出电流差值小于0.5A。表1是运行在自动调试模式下的二极磁铁的实验数据，可见预设值与输出值非常接近，调试精度非常高。

图4 电源控制器输出电压精度测量曲线Fig.4 Voltage measurement chart of power controller output.

图5 电源控制器采集电压精度测量曲线Fig.5 Voltage measurement chart samplied by power controller.

表1 二极磁铁及对应电源调试数据Table 1 Steering data of dipole and its corresponding power supply.

4 结语

升级改造的RIBLL1电源控制系统于2015年投入运行，在功能和性能上达到了设计目标。最近两次实验，控制系统不间断稳定运行12 d，表现良好。升级改造后的控制系统提高了RIBLL1电源系统的整体性能，提升了束流品质；响应迅速、功能完备的控制界面提高了调束人员的工作效率。尤其是引入了自动调试功能，从控制软件层面入手实现电源闭环调节，根据预设磁刚度自动将电源输出电流稳定在需要范围，在HIRFL加速器控制系统中属于首创。因为回读磁场强度数据的精确性欠佳，磁刚度的闭环自动调束尚未实现，本工作为将来磁刚度闭环调束奠定了基础。

1 夏佳文, 詹文龙, 魏宝文, 等. 兰州重离子加速器研究装置HIRFL[J]. 科学通报, 2016, 61(4−5): 467−477. DOI:10.1360/N972015-00472.XIA Jiawen, ZHAN Wenlong, WEI Baowen, et al. Heavy ions research facility in Lanzhou (HIRFL)[J]. Chinese Science Bulletin, 2016, 61(4−5): 467−477. DOI:10.1360/N972015-00472.

2 詹文龙, 郭忠言, 刘冠华, 等. 兰州放射性核束流线的磁铁与电源[J]. 原子能科学技术, 2000, 34(1): 1−7. DOI:10.3969/j.issn.1000-6931.2000.01.001.ZHAN Wenlong, GUO Zhongyan, LIU Guanhua, et al.Magnet lens and power supply in radioactive ion beam line in Lanzhou[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2000, 34(1): 1−7. DOI: 10.3969/j.issn.1000-6931.2000.01.001.

3 上官靖斌, 陈又新, 燕宏斌, 等. 兰州重离子加速器RIBLL1开关电源的改造[J]. 电源世界, 2002, 5: 15−16.SHANGGUAN Jingbin, CHEN Youxin, YAN Hongbin, et al. Reconstructing RIBLL1 switching power supply in heavy ion research facility in Lanzhou[J]. The World of Power Supply, 2002, 5: 15−16.

4 孙志宇, 詹文龙, 郭忠言, 等. 兰州放射性束流线(RIBLL1)的控制系统[J]. 高能物理与核物理, 1999,23(3): 298−301.SUN Zhiyu, ZHAN Wenlong, GUO Zhongyan, et al.Control system of RIBLL1[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics, 1999, 23(3): 298−301.

5 Zhang X H, Bai Z, Shangguan J B, et al. Power control system of RIBLL1[J]. IMP & HIRFL Annual Report,2010: 252.

6 Autin B, Hemelsoet G H, Martini M, et al. Automatic beam steering in the CERN PS Complex[C]. Particle Accelerator Conference, 1995: 2178−2180.

7 Savalle A, Gillette P, Lemaitre E, et al. Automatic beam tuning at GANIL[C]. 15th International Conference on Cyclotrons and their Applications, 1998: 560−563.

8 Qian X P, Yao Z E, Wang Q. Model-predictive control of power supply for particle accelerators[J]. Nuclear Science and Techniques, 2014, 25(5): 050203. DOI: 10.13538/j.1001-8042/nst.25.050203.

9 张峡, 黄团华, 赵晓岩. 基于遗传算法进行加速器自动调束[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(9): 1222−1224.ZHANG Xia, HUANG Tuanhua, ZHAO Xiaoyan.Automatic beam steering in accelerator based on genetic algorithms[J]. High Power Laser and Particle Beams,2004, 16(9): 1222−1224.

10 曾贤强. 基于神经元网络的 SFC注入束运线自动调束控制系统研究[D]. 兰州: 兰州大学, 2012.ZENG Xianqiang. Research on the beam automatic modulating and control system for SFC injection beam line by artificial neural network[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2012.

Upgrade of power supplies control system of HIRFL-RIBLL1

ZHANG Huajian1,2BAI Zhen1SHANGGUAN Jingbin1GAO Daqing1SHI Chunfeng1WU Fengjun1
1(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Radioactive Ion Beam Line 1 of Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL-RIBLL1)could not fulfill physical experiment requirement ideally due to the simple initial design of its power control system and components degradation in recent years. Purpose: This study aims to reconstruct the power supplies system using new digital control techniques. Methods: Distributed architecture, i.e., one power supply under control of one precise controller closely, was adopted on the basis of Ethernet. Both magnetic field intensity of dipole magnets and output current of all power supplies were monitored. And automatic power supply steering according to presupposed magnetic rigidity was realized using the hysteresis control strategy. Results: The reconstructed system is verified in one-year beam steering to have fulfilled the requirements like steering precision, anti-interference performance and usability and it can improve the steering efficiency greatly. Conclusion: Network-based automatic power supply control system for HIRFL-RIBLL1 solves all problems existed in the previous system.

Radioactive ion beam line, Power supply control system, Distributed system, Hysteresis control,Automatic steering

兰州重离子加速器放射性次级束分离线一号线(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou -Radioactive Ion Beam Line 1, HIRFL-RIBLL1)[1]已稳定运行近20 a，承担了发现奇异核素等重要物理实验。磁场系统[2]是 RIBLL1最重要的组成部分，在放射性束的产生、分离、鉴别、聚焦、传输等功能中起着决定性的作用[1]。其由4台二极磁铁D1−D4、16台四极磁铁Q1−Q16组成，每台磁铁由一台同名字的电源为其供电励磁，电源全部为高精度高稳定低纹波直流稳流电源[3]。RIBLL1电源控制系统是HIRFL加速器控制系统的一部分，用以完成放射性次级束的调制以达到物理实验需求，其性能直接决定了磁铁电源系统乃至RIBLL1的性能。

ZHANG Huajian, female, born in 1984, graduated from Lanzhou University in 2010, doctoral student, focusing on accelerator power supply technology

date: 2017-07-20, accepted date: 2017-08-31

TL5

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.110103

国家自然科学基金(No.11405239)资助

张华剑，女，1984年出生，2010年毕业于兰州大学，现为博士研究生，研究领域为加速器电源技术

2017-07-20，

2017-08-31

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11405239)