Design of Non-single Operation Mode Dipole Magnet Power Supply Controller for Medical Accelerator

质子治疗技术是目前肿瘤治疗中一种适用病症多、治愈率高和副作用小的先进方法，是当前癌症治疗的最有效手段之一^[1-2]。由于占地面积小、可输出连续束流等优点，当前国际上多采用回旋加速器作为离子治疗装置的首选方案^[3-4]。由于回旋加速器引出的束流能量为固定能量(一般为230~250 MeV)^[5-6]，为满足治疗要求通常采用降能器^[7]和能量选择系统将束流能量调整到治疗用范围70~240 MeV^[8]，然后通过束流传输系统将束流送至治疗室^[9]。在此过程中，通常采用二极磁铁来实现能量选择和束流的偏转^[10]。为满足加速器调试和治疗对能量选择和束流偏转系统中二极磁铁的要求，电源需可靠工作于多种工作模式。而现有加速器装置的电源和控制器仅支持直流或周期脉冲单一的工作模式，无法实现多种模式的控制和切换，因此中国科学院近代物理研究所联合天水电气传动研究所设计了一种新的非单一工作模式的磁铁电源，实现可相互切换的直流、有序触发和周期脉冲三种模式，本文将对其进行详细介绍。

由于回旋加速器引出的束流能量为固定能量，治疗时为了实现能量自由选择，要求能量调制系统中的二极磁铁电源工作在有序触发模式，即针对病人病灶的不同深度采用不同能量的束流进行治疗；在加速器束流调试阶段，为了保证磁铁的励磁特性，电源需要工作于直流和周期脉冲模式。图1和图2所示为电源有序触发模式和周期脉冲模式的工作原理图。

在治疗前，技术人员会为每位患者制定治疗计划，用不同能量的束流照射病人癌细胞的不同层。物理人员再根据每一层的束流能量计算出治疗时电源需要输出的电流值，并将这些电流值作为给定电流提前下发至电源中进行保存，当电源接收到触发信号时，按照顺序依次输出这些电流值，每个电流值的保持时间由治疗计划决定。图1为电源工作于有序触发模式时的一个电流波形的例子，图中五个不同的电流值(I₁ ~ I₅)对应治疗需要的五种不同的束流能量，I_t为平顶电流值，该值一般为电源的额定输出电流值。电源工作时首先将电流由0升至I_t；当t₁时刻收到第一个触发信号时，将电流调整至第一个电流值I₁；t₂时刻收到第二个触发信号时，将电流调整至第二个电流值I₂；最后，在t₆时刻收到第六个触发信号时，将电流降到0电流，结束治疗，此为一个完整的有序触发工作周期。

图2给出了周期脉冲模式的电流工作波形，其中I_c为平顶电流值，该值不大于电源的额定输出电流值，T为波形周期。当电源工作于周期脉冲模式时，电源输出连续的周期脉冲电流。

根据医用回旋加速器能量调制与束流输运系统二极磁铁的工作要求，提出了如表1所列的电源技术参数。为了保证输出电流精度，直流模式下，要求长期稳定度小于50×10^–6，电流纹波小于0.001；有序触发和周期脉冲模式下，要求输出超调量小于100×10^–6。

医用回旋加速器能量调制与束流输运系统二极磁铁电源由天水电气传动研究所有限公司设计生产。电源结构如图3所示，由主回路(功率变换单元)和数字控制器组成。数字控制器使用中国科学院近代物理研究所自主研发的集成盒装式控制器，实现对电源的控制和继电保护功能。其中，触发系统产生用于有序触发模式的触发信号；本控和远控调试界面为调试人员提供开关机等命令下发、给定数据下发、参数设置和数据回读等功能；触摸屏为用户提供开关机、电流给定等输入操作和状态显示功能。

电源主回路拓扑由两个二极管整流电路和双H桥全桥串联升压单元(如图4所示)组成，通过两个H桥的触发脉冲进行错相处理，提高整机的输出频率和降低电流纹波。图4中，V₁₁、V₁₂、V₁₃和V₁₄四个IGBT开关管组成一个H桥，V₂₁、V₂₂、V₂₃和V₂₄四个IGBT开关管组成另一个H桥。工作时，二极管整流电路对380 V交流电压进行整流，经滤波处理转换成需要的直流电压E₁和E₂；再分别经L₁、C₁和L₂、C₂滤波后通过各自的H桥进行斩波，由PWM信号控制IGBT的导通和关断，从而控制H桥功率变换；然后两个H桥进行串联，最后电流经电抗器L₃和滤波电容C₃输出到负载电感L和电阻R^[11]。

如图3所示，数字控制器主要由核心控制单元和状态控制单元组成。其中核心控制单元主控器件采用Intel公司Cyclone II系列EP2C70F672 FPGA，基于FPGA编程实现对来自调试界面、触摸屏、状态控制单元和触发系统的各种命令和数据进行解析处理，采集并汇总电源电流、电压、过流故障等状态信息，进行闭环调节运算及产生驱动脉冲等功能^[12]。状态控制单元主控器件采用Intel公司MAXII系列EPM570GT100 CPLD，基于CPLD编程实现开关机逻辑控制、状态监测、与FPGA之间的命令(开机、关机、复位和状态查询)和状态(故障信息、输出电流和输出电压)等数据交互功能。

控制器硬件实物如图5所示，其中，(a)为触摸屏通讯电路；(b)为PWM信号调理放大电路；(c)为状态控制单元；(d)为控制器对外信号输入输出接口；(e)为核心控制单元；(f)为ADC板；(g)为电源管理单元；(h)为控制器备用外扩接口。

数字控制器软件设计主要包括核心控制单元的FPGA与状态控制单元的CPLD这两部分的软件设计。采用模块化的设计思想，基于Quartus II 10.0和Nios II 10.0 Software Build Tools for Eclipse开发工具来进行FPGA和CPLD软件设计，FPGA与CPLD、本远控调试界面、触摸屏之间通讯遵循电源系统内部制定的协议。

CPLD软件编程使用纯硬件描述语言，开发了继电器组控制模块、输入故障检测保护模块和基于RS485的串行收发模块。

如图6所示，FPGA软件设计主要包括可编程片上系统(SOPC)设计和NIOS II处理器软件设计两部分内容。使用Quartus自带的SOPC Builder工具，利用嵌入式软核处理器、存储器、定时器和接口等外设IP核，并与用户自定义的数字调节器组件、触发组件共同构建了基于Nios II双CPU(CPU1和CPU2)的片上可编程系统。其中，数字调节器组件实现了对ADC和DAC的控制、电流内环加电压外环的双环调节、PWM发生器等功能。触发组件通过光纤接收触发信号，并产生开始输出的中断信号。CPU1负责完成与本地和远控调试界面的网络通信、与触摸屏的RS485通信、与状态控制单元的RS485通信、整机保护等任务。CPU2负责响应触发组件的中断、定时更新给定电流值和存储回读数据的任务，根据不同的电源可以灵活配置给定电流和回读数据的更新频率。在CPU1上移植了操作系统μC/OS-II，并基于μC/OS-II实现了Niche Stack TCP/IP协议栈的移植及控制保护和接口通信两部分程序的编写，在CPU2上完成了定时更新数据的功能。

电源采用电流外环加电压内环的方式实现闭环反馈控制，外环和内环均使用PI算法^[12]。为了防止输出超调，对给定电流数据的上升段进行圆滑处理，下降段仅进行一次线性插值处理，以保证足够快的下降时间。为了保证输出电流的精度，对ADC采集的电流值进行校准，补偿增益和偏置误差。为了满足电源本地调试和远控运行的要求，控制器支持两种不同的网络协议与界面进行通讯，本地调试界面与控制器之间采用近物所自定义的网络协议，远控界面与控制器之间采用使用方自定义的网络协议，本地和远控界面的切换通过触摸屏的本远控切换按钮实现，提升了使用的灵活性。

工作模式越多，电源的控制难度越大。为了实现三种工作模式，控制器要支持三种不同的给定电流数据存储和输出方式，该功能在核心控制单元的FPGA中实现。FPGA通过接收触摸屏的模式转换指令，实现三种模式任意切换控制，为了保证安全，当检测到输出电流为0时，电源才能进入新的工作模式。

直流工作模式下核心控制单元接收来自调试界面或触摸屏的直流给定值。依据设定的上升速率或下降速率，对数据进行线性插值和圆滑处理，线性插值后的给定电流数据点间隔为2 048 µs；为了提高给定数据的精度，使用牛顿二次插值^[13]将数据点间隔由2 048 µs减小为16 µs，插值后的数据存储在SDRAM的区域REG3中；利用定时器中断，定时从REG3中取出给定数据，送给调节计算单元，从而完成上次给定电流值到当前给定电流值的变化。图7即为直流模式的处理流程。

如图8所示，有序触发模式下，界面会提前将治疗计划中多个束流能量对应的电流值I₁、I₂、I₃等以给定列表的形式下发至核心控制单元，核心控制单元对收到的电流值做数据判断，如果电流值都处于设定的区间内，这些电流值将被存储在SDRAM的区域REG1中，否则这些电流值将被丢弃，核心控制单元将继续等待接收新的电流值。在完成数据的存储后，当收到“开始执行列表”的命令时，电源会被加至平顶电流值，并开始等待并响应来自触发系统的信号。

当收到触发信号时，依次从REG1中取出电流值，同样进行插值和圆滑处理，同时通过另一路光纤发送反馈信号至上一级控制系统。当如图1中的电流值I₁输出时间满足要求后，核心控制单元会收到新的触发信号，从REG1中取出下一个电流值I₂，直到完成整个周期的输出。同时，为了避免误触发的发生，软件中增加了对触发信号的抗干扰措施。图9即为有序触发模式数据处理的流程图。

如图10所示，脉冲参数如平顶电流值、升流时间、降流时间、平顶时间、平底时间和cycle次数(周期循环次数)均可通过调试界面进行设置。控制器收到界面下发的以上参数时，会进行数据检查，不符合要求时会给界面返回相应的错误代码，符合要求的参数会被保存在控制器中。当收到“开始Cycle”命令后，核心控制单元根据接收到的上述参数，计算生成点间隔为2 048 µs的给定电流波形数据，并存储在SDRAM的区域REG2中。经过牛顿二次插值后定时将给定数据依次输出。当脉冲输出次数达到循环次数后，核心控制单元会停止周期脉冲模式的运行。周期脉冲模式数据处理的流程图如图11所示。

电源主回路和控制器设计并装配完成后，进行了一系列功能和性能指标测试。测试时感性负载用0.1 Ω的纯电阻负载来代替，使用RIGOL DG4202信号发生器产生如图12所示的有序触发模式下的触发信号，使用TEK DPO3034示波器测量输出波形，使用Keithley 2002数表测量输出稳定度。图13为有序触发模式下的一种输出电流波形，电流先上升至电源的额定输出电流值(510 A)，然后响应触发脉冲信号，依次降至500,400, 300, 200, 100 A和零电流。图14为周期脉冲模式下的输出电流波形，该平顶电流值为500 A。为测试电源性能，在直流模式下输出电流为500 A时对输出电压进行傅里叶分析，如图15所示电流纹波为3.64×10^–4；图16为500 A时的10 h稳定度测试结果，稳定度为2.1×10^–5。

为满足医用回旋加速器调试和治疗运行的要求，其能量调制与束流输运系统二极磁铁电源采用了H桥串联的主回路结构，使用自主研发的集成盒装式控制器实现了对主回路的控制和保护，使得电源能够工作在直流、有序触发和周期脉冲三种不同的模式，这也是本电源最大的特色和与众不同之处。测试结果表明，二极磁铁电源可长期稳定工作在不同模式，电源各项指标的测试结果完全满足技术参数要求。为了进一步提高束流使用效率，一种实时给定工作模式的研究正在进行中，给定电流通过SFP接口由控制系统发送至电源控制器，传输速率可达到10 Gbps，能够实现任意两个电流之间的快速切换，后期将在近代物理研究所自研电源上进行测试。