CN112996214A - 一种磁场稳定性控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁场稳定性控制***及方法，其特征在于，包括磁铁、磁场传感器、磁场测量***、工控机、数字控制器和磁铁电源；磁铁的均匀场区间隔设置有至少三个磁场传感器；磁场测量***用于对各磁场传感器测量的模拟信号进行处理后，实时输出磁场传感器所测磁场大小的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号；工控机用于设定磁铁的工作磁场设定值和数字控制器的参数；数字控制器用于执行数字闭环控制算法，确定磁铁电源的标准电压控制信号或标准电流控制信号；磁铁电源用于根据标准电压控制信号或标准电流控制信号，按照I/B测磁曲线数值对应关系，实时向磁铁提供励磁电流，本发明可以广泛应用于加速器磁约束束流控制领域中。

Description

一种磁场稳定性控制***及方法

技术领域

本发明是关于一种磁场稳定性控制***及方法，属于加速器磁约束束流控制领域。

背景技术

随着加速器物理、粒子物理等基础科学研究和加速器在高端实验仪器领域中的应用和发展，人们对加速器中运行的带电粒子轨迹的控制指标要求越来越高，对加速器磁场的稳定性提出更高的要求。

在粒子加速器束流运行过程中，带电粒子最高以接近光的速度、在有限周长的真空管道内长时间运行。因此，需要设置高精度的磁铁***和高精度、高稳定度的磁铁电源***提供高精确度的磁场和磁场形态，以保证束流的轨道的稳定性。除此之外，对于某些高精度仪器，例如高精度二次离子质谱仪，为提高对同位素样品的分析速度、分析能力和原位分辨精度，更需要高精度、高稳定性的磁铁和电源***来实现快速脉冲质谱所需的超高稳定性磁场。

但是，高精度的磁铁和高精度、高稳定度的电源***，意味着设备研制成本和难度的翻倍增长。然而，现有技术中并没有基于现有常规粒子加速器使用的磁铁和电源设备，以提高磁场稳定度的控制***和方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于现有常规粒子加速器的磁铁和电源设备的成本低的用于粒子加速器的磁场稳定性控制***及方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种磁场稳定性控制***，包括磁铁、磁场传感器、磁场测量***、工控机、数字控制器和磁铁电源；

所述磁铁的均匀场区间隔设置有至少三个用于实时采集所述磁铁产生的磁场模拟信号的所述磁场传感器；

所述磁场测量***用于对各所述磁场传感器测量的模拟信号进行处理后，实时输出所述磁场传感器所测磁场大小的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号；

所述工控机用于设定所述磁铁的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和所述数字控制器的参数；

所述数字控制器用于执行数字闭环控制算法，实时确定所述磁铁的工作磁场设定值与所述磁场测量***输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号之间的磁场偏差，并根据工作磁场设定值对应的磁铁供电电流和磁场误差波动范围，确定所述磁铁电源的标准电压控制信号或标准电流控制信号；

所述磁铁电源用于根据标准电压控制信号或标准电流控制信号，按照I/B测磁曲线数值对应关系，实时向所述磁铁提供励磁电流。

进一步地，所述工控机包括控制界面、参数设定模块和监测模块；

所述控制界面用于控制所述控制器和磁铁电源的开启或关闭；

所述参数设定模块用于设定所述磁铁的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和所述数字控制器的参数；

所述监测模块用于远程监测所述磁场测量***、数字控制器和磁铁电源的运行状态。

进一步地，所述数字控制器包括ADC采集模块、数据处理模块和DAC输出模块；

所述ADC采集模块用于将所述磁场测量***实时输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号转换为数字信号后，依次进行高通、低通或带通的滤波处理和差分运算，得到当前磁场测量值；

所述数据处理模块用于采用数字PID算法，基于所述工控机设定的参数，根据磁铁的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和所述ADC采集模块得到的当前磁场测量值，实时确定所述磁铁电源的磁场调整量；

所述DAC输出模块用于采用数据平滑处理算法，根据所述磁铁电源的磁场调整量，通过标准电压或电流给定信号，得到所述磁铁电源的标准电压控制信号或标准电流控制信号，并通过控制接口发送至所述磁铁电源。

进一步地，所述数字控制器采用PID控制器，所述PID控制器的控制接口采用0～10V的电压信号接口；所述ADC采集模块的精度为24位，所述DAC输出模块的精度为16位。

进一步地，所述磁场传感器的准确度为±(满量程的0.02％+测量值的0.01％+0.00002)T；所述磁场传感器的采样率最高达10kHz。

进一步地，所述磁场传感器采用霍尔探头。

进一步地，所述磁场测量***采用磁场测量变送器。

一种磁场稳定性控制方法，包括以下内容：

1)在磁铁的均匀场区间隔设置至少三个磁场传感器，通过磁场测量***将磁铁的磁场工作范围标定至特定电压信号范围内；

2)工控机远程控制数字控制器和磁铁电源的开启，并设定磁铁的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和数字控制器的参数；

3)每一磁场传感器均实时采集磁铁产生的磁场的模拟信号，磁场测量***对各磁场传感器采集的模拟信号进行处理后，实时输出特定电压信号范围内磁场传感器所测磁场大小的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号；

4)数字控制器执行数字闭环控制算法，实时确定磁铁的工作磁场设定值与磁场测量***输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号之间的磁场偏差，并根据工作磁场设定值对应的磁铁供电电流和磁场误差波动范围，确定磁铁电源的标准电压控制信号；

5)磁铁电源根据标准电压控制信号或标准电流控制信号，按照I/B测磁曲线数值对应关系，实时向磁铁提供稳定的励磁电流。

进一步地，所述步骤4)的具体过程为：

4.1)ADC采集模块将磁场测量***实时输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号转换为数字信号后，依次进行高通、低通或带通的滤波处理和差分运算，得到当前磁场测量值；

4.2)数据处理模块采用数字闭环控制算法，基于工控机发送的参数，根据磁铁的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和ADC采集模块得到的当前磁场测量值，实时确定磁铁电源的磁场调整量；

4.3)DAC输出模块采用数据平滑处理算法，根据磁铁电源的磁场调整量，通过标准电压或电流给定信号，得到磁铁电源的标准电压控制信号或标准电流控制信号，并通过控制接口发送至磁铁电源，实现对磁铁电源输出至磁铁的励磁电流大小的控制。

进一步地，在进行所述步骤4.1)时，需结合其他磁场仪器对磁铁的磁场提前进行磁场信号的标定，标定后的数据曲线用于ADC采集模块采集的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号与实际磁铁磁场值之间的数据修正。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明在磁铁的均匀场区间隔设置有若干磁场传感器采集磁铁产生的磁场的模拟信号，作为磁场电源校正输出的反馈值，相较传统的通过电源自身的DCCT(直流流强检测器)电流反馈值和预先测定磁铁的I/B曲线间接推算磁场变化的方式，具有反馈物理量更真实、准确的特点。

2、本发明采用若干磁场传感器，通过多路数据的差分方法，能够降低单个磁场传感器由于自身稳定性或受到局部环境干扰而引起的测量误差问题，提高磁场采集值的准确度。

3、本发明的控制器基于FPGA硬件实现，磁场反馈值和磁场电源校正量的数据通信均通过模拟线路传输，减少数字编码和数据处理环节，具有更好的实时性和快速***响应能力。

4、本发明可以基于现有的磁场和磁铁电源，实现磁场的稳定性控制，方法简单、可实施性好且设备利用率高，可以广泛应用于加速器磁约束束流控制领域中。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的控制***的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的控制***的磁场反馈控制示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实施例的磁场稳定性控制***及方法基于磁场反馈控制原理和快速数据处理原则，磁场反馈控制主要在控制器、磁铁和磁场测量***3、磁场电源之间，通过控制器内设置的高精度的ADC(模数转换器)模块和DAC(数模转换器)模块，实现0～10V的模拟量采集和精确传输。对磁场***中均匀磁场区的数据采集采用若干个磁场传感器2，多路数据的差分方法，能够降低单个磁场传感器2由于自身稳定性或受到局部环境干扰而引起的测量误差问题，提高磁铁磁场采集值的准确性。控制器采用数字闭环控制算法，根据现场磁场的波动，通过快速调整磁铁电源6的给定励磁电流实现磁场的稳定性校正控制。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种磁场稳定性控制***包括磁铁1、磁场传感器2、磁场测量***3、工控机4、数字控制器5和磁铁电源6。

磁铁1的均匀场区间隔设置有至少三个磁场传感器2，每一磁场传感器2均连接磁场测量***3，工控机4分别通过网络接口连接数字控制器5和磁铁电源6，数字控制器5分别连接磁场测量***3和磁铁电源6，磁铁电源6还连接磁铁1。

磁场传感器2用于实时采集磁铁1产生的磁场的模拟信号。

磁场测量***3用于对各磁场传感器2采集的模拟信号进行放大、整形和温度线性补偿后，实时输出磁场传感器2所测特定磁场测量范围内磁场大小的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号，以方便后续数字控制器5的数据获取与处理，其中，特定磁场测量范围是指每一现场采用的磁铁1均有一个工作磁场范围，对同样的磁场精度要求，磁场工作范围越大，对磁场测量***3自身所带采集模拟信号的ADC的位数要求更高，若磁场测量范围低则采用12位ADC，若磁场测量范围大则采用16或24位ADC。

工控机4用于在线设定磁铁1的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和数字控制器5的参数以及远程控制数字控制器5和磁铁电源6的工作。

数字控制器5用于基于工控机4设定的参数，执行数字闭环控制算法，实时确定磁铁1的工作磁场设定值与磁场测量***3输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号(即磁场反馈值)之间的磁场偏差，并根据工作磁场设定值对应的磁铁供电电流和磁场误差波动范围，确定磁铁电源6的标准电压控制信号或标准电流控制信号，以通过实时调整磁铁电源6励磁电流的大小实现磁铁磁场信号的稳定控制。

磁铁电源6用于根据标准电压控制信号或标准电流控制信号，按照预先设定的I/B测磁曲线数值对应关系，实时向磁铁1提供稳定的励磁电流，以获得符合运行模式的稳定磁场形态结构。

在一个优选的实施例中，工控机4包括控制界面、参数设定模块和监测模块。

控制界面用于控制数字控制器5和磁铁电源6的开启或关闭。

参数设定模块用于预先设定磁铁1的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和数字控制器5的参数，其中，数字控制器5的参数包括闭环控制参数，例如PID控制器的比例、积分、微分参数，闭环控制参数根据现场设备的相关参数和实际设备运行调试情况确定，其中，现场设备包括磁铁1、工控机4和磁铁电源6，相关参数包括磁铁的温度、现场环境温度、磁铁电源6对于工控机4的响应、磁铁1对磁铁电源6输出励磁电流信号的响应、数字控制器5的执行时间和数据处理精度等。

监测模块用于远程监测磁场测量***3、数字控制器5和磁铁电源6的运行状态。

在一个优选的实施例中，数字控制器5可以采用PID(比例积分微分)控制器，PID控制器包括ADC采集模块、数据处理模块和DAC输出模块。

ADC采集模块用于将磁场测量***3实时输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号转换为数字信号后，依次进行高通、低通或带通的滤波处理和差分运算，得到当前磁场测量值，以提高磁场测量***3输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号的精确度。

数据处理模块用于实现当前磁场测量值与磁场设定值之间的误差控制，其采用数字PID算法，基于工控机4设定的参数，根据磁铁1的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和ADC采集模块得到的当前磁场测量值，实时确定磁铁电源6的磁场调整量。

DAC输出模块用于采用数据平滑处理算法，根据磁铁电源6的磁场调整量，通过标准电压或电流给定信号，得到磁铁电源6的标准电压控制信号或标准电流控制信号，并通过控制接口发送至磁铁电源6，实现对磁铁电源6输出至磁铁1的励磁电流大小的控制。

在一个优选的实施例中，PID控制器的控制接口可以采用0～10V的电压信号接口；ADC采集模块的精度为24位，DAC输出模块的精度为16位。

在一个优选的实施例中，网络接口可以采用100/1000M的以太网接口。

在一个优选的实施例中，磁场传感器2的准确度可以为±(满量程的0.02％+测量值的0.01％+0.00002)T，其中，T为磁场的单位特斯拉；磁场传感器2的采样率最高可达10kHz。

在一个优选的实施例中，磁场传感器2可以采用霍尔探头。

在一个优选的实施例中，磁场测量***3可以采用磁场测量变送器。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种磁场稳定性控制方法，包括以下步骤：

1)在磁铁1的均匀场区间隔设置有至少三个磁场传感器2，通过特定磁场范围的磁场测量***3，将磁铁1的磁场工作范围标定至0～10V的电压信号范围内。

2)工控机4远程控制数字控制器5和磁铁电源6开启，并设定磁铁1的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和数字控制器5的参数，具体为：

2.1)控制界面控制数字控制器5和磁铁电源6开启。

2.2)参数设定模块设定磁铁1的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁1供电电流和数字控制器5的参数。

2.3)监测模块远程监测磁场测量***3、数字控制器5和磁铁电源6的运行状态。

3)每一磁场传感器2均实时采集磁铁1产生的磁场的模拟信号，磁场测量***3对各磁场传感器2采集的模拟信号进行放大、整形和温度线性补偿后，实时输出0～10V内磁场传感器2所测磁场大小的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号。

4)数字控制器5执行数字闭环控制算法，实时确定磁铁1的工作磁场设定值与磁场测量***3输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号之间的磁场偏差，并根据工作磁场设定值对应的磁铁供电电流和磁场误差波动范围，确定磁铁电源6的标准电压控制信号，具体为：

4.1)ADC采集模块将磁场测量***3实时输出的0～10V内的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号转换为数字信号后，依次进行高通、低通或带通的滤波处理和差分运算，得到当前磁场测量值。其中，在ADC模块采集标准电压模拟信号或标准电流模拟信号时，需结合其他高精度磁场仪器(例如核磁共振)对磁铁1的磁场提前进行磁场信号的标定，标定后的数据曲线用于ADC采集模块采集的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号与实际磁铁磁场值之间的数据修正。

4.2)数据处理模块采用数字闭环控制算法，基于工控机4发送的参数，根据磁铁1的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和ADC采集模块得到的当前磁场测量值，实时确定磁铁电源6的磁场调整量：

数据处理模块将磁铁1的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和ADC采集模块得到的当前磁场测量值作为信号输入，将磁铁电源6的磁场调整量作为信号输出，通过PID算法实现磁场测量值与磁场设定值的一致。

4.3)DAC输出模块采用数据平滑处理算法，根据磁铁电源6的磁场调整量，通过标准电压或电流给定信号，得到磁铁电源6的标准电压控制信号或标准电流控制信号，并通过控制接口发送至磁铁电源6，实现对磁铁电源6输出至磁铁1的励磁电流大小的控制：

本发明的数据平滑处理算法为：将DAC输出模块输出的标准电压控制信号曲线或标准电流控制信号曲线中的折线或存在突跳的部分，采用抛物线拟合法代替，以避免磁铁电源6的突变输出，由于上述突变信号变化太快，磁铁电源6会反应不及时，采用数据平滑处理，可以提高磁场控制的稳定性。

上述抛物线平滑处理方法主要就是采用抛物线拟合折线，具体过程为：首先，将已存在的两条直线作为抛物线的切线；然后，在折点的两端的直线上取两个切点，并根据上述条件，计算出一条抛物线的方程式；其次，采用一定的递增量逐个算出对应的值；最后，将这些值按照磁铁电源6能反应的时间间隔逐次输出，即能够实现励磁电流信号的平滑处理。

5)磁铁电源6根据标准电压控制信号或标准电流控制信号，按照I/B测磁曲线数值对应关系，实时向磁铁1提供稳定的励磁电流，以获得符合运行模式的稳定磁场形态结构。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种磁场稳定性控制***，其特征在于，包括磁铁、磁场传感器、磁场测量***、工控机、数字控制器和磁铁电源；

所述磁铁的均匀场区间隔设置有至少三个用于实时采集所述磁铁产生的磁场模拟信号的所述磁场传感器；

所述磁场测量***用于对各所述磁场传感器测量的模拟信号进行处理后，实时输出所述磁场传感器所测磁场大小的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号；

所述工控机用于设定所述磁铁的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和所述数字控制器的参数；

所述数字控制器用于执行数字闭环控制算法，实时确定所述磁铁的工作磁场设定值与所述磁场测量***输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号之间的磁场偏差，并根据工作磁场设定值对应的磁铁供电电流和磁场误差波动范围，确定所述磁铁电源的标准电压控制信号或标准电流控制信号；

所述磁铁电源用于根据标准电压控制信号或标准电流控制信号，按照I/B测磁曲线数值对应关系，实时向所述磁铁提供励磁电流。

2.如权利要求1所述的一种磁场稳定性控制***，其特征在于，所述工控机包括控制界面、参数设定模块和监测模块；

所述控制界面用于控制所述控制器和磁铁电源的开启或关闭；

所述参数设定模块用于设定所述磁铁的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和所述数字控制器的参数；

所述监测模块用于远程监测所述磁场测量***、数字控制器和磁铁电源的运行状态。

3.如权利要求1所述的一种磁场稳定性控制***，其特征在于，所述数字控制器包括ADC采集模块、数据处理模块和DAC输出模块；

所述ADC采集模块用于将所述磁场测量***实时输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号转换为数字信号后，依次进行高通、低通或带通的滤波处理和差分运算，得到当前磁场测量值；

所述数据处理模块用于采用数字PID算法，基于所述工控机设定的参数，根据磁铁的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和所述ADC采集模块得到的当前磁场测量值，实时确定所述磁铁电源的磁场调整量；

所述DAC输出模块用于采用数据平滑处理算法，根据所述磁铁电源的磁场调整量，通过标准电压或电流给定信号，得到所述磁铁电源的标准电压控制信号或标准电流控制信号，并通过控制接口发送至所述磁铁电源。

4.如权利要求3所述的一种磁场稳定性控制***，其特征在于，所述数字控制器采用PID控制器，所述PID控制器的控制接口采用0～10V的电压信号接口；所述ADC采集模块的精度为24位，所述DAC输出模块的精度为16位。

5.如权利要求1所述的一种磁场稳定性控制***，其特征在于，所述磁场传感器的准确度为±(满量程的0.02％+测量值的0.01％+0.00002)T；所述磁场传感器的采样率最高达10kHz。

6.如权利要求1所述的一种磁场稳定性控制***，其特征在于，所述磁场传感器采用霍尔探头。

7.如权利要求1所述的一种磁场稳定性控制***，其特征在于，所述磁场测量***采用磁场测量变送器。

8.一种磁场稳定性控制方法，其特征在于，包括以下内容：

1)在磁铁的均匀场区间隔设置至少三个磁场传感器，通过磁场测量***将磁铁的磁场工作范围标定至特定电压信号范围内；

2)工控机远程控制数字控制器和磁铁电源的开启，并设定磁铁的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和数字控制器的参数；

3)每一磁场传感器均实时采集磁铁产生的磁场的模拟信号，磁场测量***对各磁场传感器采集的模拟信号进行处理后，实时输出特定电压信号范围内磁场传感器所测磁场大小的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号；

4)数字控制器执行数字闭环控制算法，实时确定磁铁的工作磁场设定值与磁场测量***输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号之间的磁场偏差，并根据工作磁场设定值对应的磁铁供电电流和磁场误差波动范围，确定磁铁电源的标准电压控制信号；

5)磁铁电源根据标准电压控制信号或标准电流控制信号，按照I/B测磁曲线数值对应关系，实时向磁铁提供稳定的励磁电流。

9.如权利要求8所述的一种磁场稳定性控制方法，其特征在于，所述步骤4)的具体过程为：

4.1)ADC采集模块将磁场测量***实时输出的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号转换为数字信号后，依次进行高通、低通或带通的滤波处理和差分运算，得到当前磁场测量值；

4.2)数据处理模块采用数字闭环控制算法，基于工控机发送的参数，根据磁铁的工作磁场设定值、工作磁场设定值对应的磁铁供电电流、磁场误差波动范围和ADC采集模块得到的当前磁场测量值，实时确定磁铁电源的磁场调整量；

4.3)DAC输出模块采用数据平滑处理算法，根据磁铁电源的磁场调整量，通过标准电压或电流给定信号，得到磁铁电源的标准电压控制信号或标准电流控制信号，并通过控制接口发送至磁铁电源，实现对磁铁电源输出至磁铁的励磁电流大小的控制。

10.如权利要求9所述的一种磁场稳定性控制方法，其特征在于，在进行所述步骤4.1)时，需结合其他磁场仪器对磁铁的磁场提前进行磁场信号的标定，标定后的数据曲线用于ADC采集模块采集的标准电压模拟信号或标准电流模拟信号与实际磁铁磁场值之间的数据修正。

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