高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定

于俊英 閆懷海 張 帥 周忠祖 原振棟

1（中國科學(xué)院近代物理研究所蘭州730000）

2（中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

蘭州重離子加速器（Heavy Ion Research Facility in Lanzhou，HIRFL）是我國第一臺(tái)集加速、累積、冷卻、儲(chǔ)存、內(nèi)外靶實(shí)驗(yàn)及高分辨粒子探測于一體的大型重離子同步加速器裝置，主要由注入器（Sector Focusing Cyclotron，SFC）、束運(yùn)線（Beam Transport Line，BTL）、主 器（Separated Sector Cyclotron，SSC）、主環(huán)（The main Cooling Storage Ring，CSRm）、實(shí)驗(yàn)環(huán)（The Experimental Cooling Storage Ring，CSRe）及連接主環(huán)與實(shí)驗(yàn)環(huán)的次級(jí)放射性束流線（Radioactive Ion Beam Line 2，RIBLL2）等部分構(gòu)成，總長約500 m［1-2］。其中，磁鐵電源系統(tǒng)是HIRFL重要組成部分，其主要為磁鐵提供特定的勵(lì)磁電流以產(chǎn)生加速器所需要的磁場。磁鐵電源內(nèi)部的直流電流傳感器（DC Current Transducer，DCCT）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）等器件難免會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，這會(huì)影響電源電流的精度和一致性，進(jìn)而影響束流的穩(wěn)定性，所以有必要對(duì)電源的電流進(jìn)行標(biāo)定，以免產(chǎn)生這些誤差。

為了提高加速器電源輸出電流的輸出精度和回讀精度，國內(nèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)行了電源電流標(biāo)定的研究。中國科學(xué)院高能物理研究所針對(duì)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)模擬電源，提出了一套直流電流傳感器的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，采用10點(diǎn)線性回歸標(biāo)定擬合方程的方法，實(shí)現(xiàn)了DCCT性能指標(biāo)的檢測以及對(duì)模擬電源電流的標(biāo)定［3-4］。中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所針對(duì)上海光源數(shù)字電源，提出了一套基于LabVIEW的數(shù)字化電源高精度DCCT穩(wěn)定性測試系統(tǒng)，采用線性回歸法進(jìn)行線性擬合方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DCCT穩(wěn)定度和線性度精準(zhǔn)測量［5-6］。中國科學(xué)院近代物理研究所針對(duì)模擬電源，采用了旋轉(zhuǎn)平移坐標(biāo)系的方法，實(shí)現(xiàn)了電源了給定值、實(shí)際輸出值與回讀值一致性的電流標(biāo)定。

在HIRFL磁鐵電源系統(tǒng)中，高精度數(shù)字電源輸出的電流分為直流模式和脈沖模式。注入器、束運(yùn)線和主器上的電源主要工作在直流模式，采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得到給定系數(shù)和回讀系數(shù)。而主環(huán)、實(shí)驗(yàn)環(huán)和RIBLL2上的電源主要工作在脈沖模式，脈沖時(shí)間短，電流上升下降速率快。因此，為了保證HIRFL主環(huán)、實(shí)驗(yàn)環(huán)上束流的品質(zhì)［7-8］，本文提出了一種新的高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定算法，并以主環(huán)四極鐵電源為樣機(jī)，對(duì)其電流進(jìn)行標(biāo)定，然后對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到給定系數(shù)和回讀系數(shù)，實(shí)際電源標(biāo)定結(jié)果表明該脈沖電源標(biāo)定算法的可行性。

1 高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定系統(tǒng)

1.1 脈沖標(biāo)定算法原理

數(shù)字電源模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DCCT存在不可避免的誤差，本文以電源輸入和輸出為對(duì)象，把數(shù)字電源中的ADC、反饋DCCT和回讀DCCT及其他環(huán)節(jié)引入的誤差集成為一個(gè)“黑盒子”。首先對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)DCCT進(jìn)行標(biāo)定，通過標(biāo)準(zhǔn)DCCT測得的電流值對(duì)電源進(jìn)行給定電流標(biāo)定，得到給定系數(shù)（As、Bs）。然后再用此“標(biāo)準(zhǔn)”DCCT與回讀DCCT串接到一起進(jìn)行對(duì)回讀電流標(biāo)定，得到回讀系數(shù)（Ar、Br）。將所有電源的電流誤差統(tǒng)一為相對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)DCCT系統(tǒng)誤差。整個(gè)脈沖電源標(biāo)定原理可以以圖1所示，圖1中Rd2、Rd1分別為電源回讀DCCT采集脈沖波形的回讀平頂電流值和回讀平底電流值，Cref2、Cref1分別為電源標(biāo)準(zhǔn)DCCT采集脈沖波形的輸出平頂電流值和輸出平底電流值，Hset2、Lset1為上位機(jī)向電源數(shù)字控制器發(fā)送脈沖波形的給定平頂電流值和給定平底電流值。

圖1 高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定波形圖Fig.1 Pulse calibration waveform of high precision digital power supply

根據(jù)數(shù)字化電源的電流回讀值、電流輸出值、電流給定值一致性原理［9］，在一定的誤差范圍內(nèi)，電源具有很好的線性度，電流輸出值和電流給定值存在著線性關(guān)系。根據(jù)圖1中給定脈沖波形和輸出脈沖波形，建立給定方程組，如式（1）所示。計(jì)算出給定系數(shù)As、Bs，如式（2）所示。

同理，在一定的誤差范圍內(nèi)，電流輸出值和電流回讀值也存在著線性關(guān)系。因此，根據(jù)圖2中回讀脈沖波形和輸出脈沖波形，建立回讀方程組，如式（3）所示，計(jì)算出回讀系數(shù)Ar、Br，如式（4）所示。

1.2 脈沖標(biāo)定系統(tǒng)組成

高精度數(shù)字化電源脈沖電流標(biāo)定系統(tǒng)圖如圖2所示。該系統(tǒng)由NI（National Instruments）工控機(jī)、工控機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)DCCT（HITEC T20-8）、PXI/PCI-5922數(shù)據(jù)采集板卡、高精度數(shù)字化電源組成。根據(jù)高精度數(shù)字化電源脈沖電流標(biāo)定系統(tǒng)的實(shí)際需求和使用情況，工控機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)電源發(fā)送給定脈沖波形和觸發(fā)事例，電源輸出脈沖電流。然后NI工控機(jī)控制PXI/PCI-5922數(shù)據(jù)采集板卡，同時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)DCCT和電源回讀DCCT的脈沖電流數(shù)據(jù)。

電流標(biāo)定系統(tǒng)的核心儀器是PXI/PCI-5922數(shù)據(jù)采集板卡和標(biāo)準(zhǔn)DCCT（HITEC T20-8）。PXI/PCI-5922使用NI Flex II ADC技術(shù)，具有靈活的、用戶自定義的分辨率，并可在24位（500×103s-1）～16位（15×106s-1）之間任何一點(diǎn)進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)較大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)測量。標(biāo)準(zhǔn)DCCT（HITEC T20-8）是HITEC公司生產(chǎn)固定電壓輸出型TOPACC系列的DCCT。其具有高穩(wěn)定性，小于0.25×10-5K-1的溫度系數(shù)，優(yōu)于2.5×10-5的線性度。

圖2 高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定系統(tǒng)圖Fig.2 Block diagram of pulse calibration system for high precision digital power supply

2 高精度數(shù)字化電源脈沖標(biāo)定系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 數(shù)字電源調(diào)試軟件脈沖波形配置

根據(jù)HIRFL物理要求，通過數(shù)字電源調(diào)試軟件配置主環(huán)四極鐵電源（300 A/70 V）的脈沖波形。平底電流為20 A，平頂電流為300 A，平底電流時(shí)間和平頂電流時(shí)間均為1 s，電流上升和下降時(shí)間均為3 s，電流拐彎時(shí)間為512 ms，數(shù)字電源調(diào)試軟件脈沖波形配置如圖3所示。

圖3 數(shù)字電源調(diào)試軟件脈沖波形配置圖Fig.3 Configuration diagram of pulse waveform for digital power supply debugging software

2.2 標(biāo)定數(shù)據(jù)的獲取和處理

在主環(huán)四極鐵電源（240 A/70 V）的標(biāo)定中，數(shù)字電源調(diào)試軟件發(fā)送脈沖波形數(shù)據(jù)至電源數(shù)字控制器，PXI/PCI-5922采集數(shù)據(jù)軟件實(shí)時(shí)顯示電源的輸出電流標(biāo)準(zhǔn)波形和回讀波形，并將采集的電流數(shù)據(jù)保存至Excel表中，最后，通過Mathcad軟件根據(jù)式（2）和式（4）分析計(jì)算Excel表中的電流數(shù)據(jù)，計(jì)算出給定系數(shù)和回讀系數(shù)。實(shí)時(shí)顯示波形圖如圖4所示，Mathcad標(biāo)定參數(shù)分析如圖5所示，給定系數(shù)和回讀系數(shù)如表1所示。

圖4 實(shí)時(shí)顯示波形圖Fig.4 Waveform display in real time

圖5 Mathcad標(biāo)定參數(shù)分析Fig.5 Analysis of Mathcad calibration parameters

表1 給定系數(shù)和回讀系數(shù)Table 1 Setting coefficients and read-back coefficients

2.3 標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)表1中的給定系數(shù)代入式（1）得到修正后電流給定值表達(dá)式如式（5）所示。將電流給定值代入式（5），得到修正后電流給定值，重新配置數(shù)字電源調(diào)試軟件，發(fā)送新波形數(shù)據(jù)至電源數(shù)字控制器，進(jìn)行脈沖標(biāo)定，得到修正后的標(biāo)準(zhǔn)輸出電流值，進(jìn)行標(biāo)定給定結(jié)果對(duì)比。通過標(biāo)準(zhǔn)電流輸出值和修正后標(biāo)準(zhǔn)電流輸出值分別與電流給定值相減取其絕對(duì)值，分別得到給定誤差值和修正后給定誤差值如式（6）和式（7）所示，標(biāo)定給定結(jié)果對(duì)比如表2所示。

同理，根據(jù)表1中的回讀系數(shù)代入式（3）得到修正后電流回讀值表達(dá)式如式（8）所示。將電流回讀值代入式（8），得到修正后電流回讀值，進(jìn)行標(biāo)定回讀結(jié)果對(duì)比。通過電流回讀值和修正后電流回讀值分別與給定電流值相減取其絕對(duì)值，分別得到電流回讀誤差值和修正后電流回讀誤差值如式（9）和式（10）所示，標(biāo)定回讀結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表2 給定電源輸出的標(biāo)定前后結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of setting results before and the calibration

由表2中電流給定誤差值和修正后給定誤差值比較，標(biāo)定前標(biāo)準(zhǔn)輸出電流誤差在280 mA左右，標(biāo)定后標(biāo)準(zhǔn)DCCT輸出電流誤差在19 mA范圍以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)輸出電流值精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)表3中的電流回讀誤差值和修正后電流回讀誤差值比較，標(biāo)定前回讀電流誤差在2.2 A，標(biāo)定后回讀電流誤差在11.2 mA范圍內(nèi)，電流回讀值精度基本提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

表3 標(biāo)定回讀結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of read-back results before and after the calibration

3 結(jié)語

目前，該標(biāo)定方法已經(jīng)成功應(yīng)用于蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)和其他重離子項(xiàng)目中約200余臺(tái)數(shù)字脈沖電源標(biāo)定。通過在數(shù)字脈沖電源中應(yīng)用電流標(biāo)定，提高了電流的輸出精度和回讀精度，改善了HIRFL整體性能和束流品質(zhì)。隨著加速器物理科研實(shí)驗(yàn)需求的不斷提高，對(duì)加速器電源輸出電流準(zhǔn)確度的要求越來越高，下一步打算將給定系數(shù)（As、Bs）和回讀系數(shù)（Ar、Br）做到電源數(shù)字控制器中，使得電流標(biāo)定更加方便和快捷，提高效率。