Design of Controller for Extraction BUMP Power Supplies in Medical Heavy-ion Facility

重离子束以其独特的剂量分布和较高的生物学效应等特性，被誉为是面向21世纪最理想的放射治疗医用射线^[1]。目前，日本、德国、意大利等国家已经能利用重离子束实施更加精准的点扫描治疗^[2-3]，但关键技术并没有对外公开。为面向国内经济主战场，造福人民，中国科学院重点部署了医用重离子加速器产业化研发项目。经过多年的研究积累^[4]，由中国科学院近代物理研究所承担研发的医用重离子加速器装置开始在武威、兰州等地进行产业化推广。医用重离子加速器装置的模型如图1所示，该装置由回旋注入器、回旋加速器和四个治疗终端组成^[5-6]。其中同步加速器周长为56 m，能加速产生80~430 MeV/u的C⁶⁺离子束，用于深层治癌。重离子加速器的束流引出方式直接影响束流品质和治疗模式，因此为了产生高品质治疗束，该装置采用独特的手段——凸轨磁铁(BUMP)来实现束流引出。当束流在同步加速器中加速到一定能量，凸轨磁铁快速在环形轨道的引出点上产生局部变化，将束流引出^[7]。BUMP电源给凸轨磁铁提供励磁电流，因此，其电流的精确性、同步性影响治疗束流的引出效率。为了在不同的凸轨磁铁上产生1~5 ms同步变化的电流，同时保证电流上升时期的跟踪精度(>5 s)，在电流上升过程中，采用了施加强励电压的控制策略；同时为了实现波形的灵活控制，在电流上升后，提出用特征参数对电流波形进行控制的方法。本文详细介绍引出BUMP电源控制器硬件、控制策略设计及参数化波形控制方法。

根据医用重离子加速器的设计要求，表1给出了引出BUMP电源性能指标。励磁电流要在1~5 ms 快速上升并保证精度，控制器应该提供较快的电流和电压并行计算和调节能力；而且由于电源内部需要接收和处理多种波形数据^[8]，要有足够的实时性和灵活性。基于此，可采用Inter公司的CycloneIII作为电流、电压调节、波形控制算法实现的核心，引出BUMP电源数字控制器硬件设计如图2所示。CycloneIII由20 万个逻辑元件 (LE)、8.2 Mbit 片上内存以及 396 个嵌入式 18×18 乘法器组成，利用该芯片中的硬乘法器资源可以将闭环调节时间减小到1 μs以内；而且CycloneIII支持NiosII软核，利用其TCP/IP协议栈可实现波形的灵活处理。AD7634提供单通道18 bit、670 kSPS的采样率，其信噪比达到101 dB @ 2 kHz，总谐波失真为–112 dB @ 2 kH，用于反馈输出电流。AD7328支持高速串行接口，并达到 1 MSPS 吞吐量，用于实时检测母排电压。为了提高抗干扰能力，同时实现接口匹配，对波形触发、充电脉冲、并行PWM脉冲信号，分别采用集成光纤收发器HFBR2522、HFBR1522和HFBR1414来实现。利用EPM570T144芯片提供的高性价比IO可以实现电源内部状态的实时管理。

主电路拓扑结构如图3所示，基本工作原理为三管并联相移的单管斩波模式，为了提高电流脉冲的上升时间及平台的稳定性，斩波器前级加入一级强励电压。图中C₁为整流滤波储能电容；C₂为提供强励电压的储能电容；E₁为具有限流功能的电压源；V₁₁为控制C₂充电的可控功率管；V₁₂只利用其内部的二极管；V₂₁和V₃₁为移相斩波功率管；V₂₂和V₃₂只利用其内部二极管做续流用；主回路可控功率管共三只(V₁₁，V₂₁、V₃₁)，这三个功率管的PWM脉冲由数字控制器提供，其他功率管在主电路中做封锁处理，主回路需提供C₂两端的电压(经电压传感器隔离)和电源输出电流(DCCT信号)至数字控制器。

控制策略主要实现电流和电压的跟踪性能和稳态精度。由于采用了3并联IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)斩波器，且主电路模型是复杂的高阶系统，因此采用多回路PI实现电流的闭环控制。其中一个回路保证电流±1×10^–4的跟踪精度，而其他3个回路实现均流环，确保IGBT可靠运行。已知调节周期为T，$\kappa $时刻的控制量$\mu \left( \kappa \right)$，$\kappa $-1时刻的控制量$\mu \left( {\kappa {\rm{ - }}1} \right)$, 误差$e\left( \kappa \right)$，那么PI的差分方程为

根据闭环系统的稳定性判据^[9]，计算比例系数k_p=20，积分系数k_i=0.01。由于电流采样周期小于3 μs，因此取$T \!\leqslant\! 1\,{\rm\mu s}$ 。为适配传感器且电流值在正确范围，进入PI之前的电流值需要进行数据转换和滤波。由于一阶数字滤波器易实现，能有效滤除高频噪声，因而采用IIR一阶数字滤波器。已知k时刻，输入为$x\left( k \right)$，$k - 1$时刻，输出$y\left( {k - 1} \right)$，采样周期为T，则k时刻一阶IIR滤波输出${{y}}\left( k \right)$记为

其中：

${T_{\rm{f}}}$为滤波时间常数，取0.1T。为适应不同的主电路拓扑，利用PWM(Pulse Width Modulation)模块来配置PWM信号，并通过归一化模块与PI适配。由于现场电磁环境复杂，需对AD7634采集的电流滤波再用于调节运算。

充电控制的目的就是实现母排电压的实时调节，并与输出电流同步，充电脉冲时序如图4所示。通常母排电压变化相对较慢，在ms级别，多以采用滞环比较和延时模块控制充电。当触发信号选择波形数据时，利用电流变化率计算母排电压，然后由滞环比较器比较实际母排电压和计算母排电压的大小，以此来控制充电脉冲。实际母排电压比计算母排电压大则放电，小则充电。由于不同的主电路拓扑具有不同的放电延时，采用延时模块对其进行调整。上述控制策略采用VHDL语言(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)实现，其FPGA内部控制策略如图5所示，为了防止因给定波形出错而损坏功率元件，设计一阶滤波进行保护以保证电源的正常运行。

为了方便注入调试，利用电流波形数据来控制母排电压。在电流上升的过程中，如果母排电压低，则电流上升时间变长，无法控制同步性；而母排电压高则影响电流的稳定性。因此为保证上升电流的同步性，需要实时调整母排电压。首先根据波形数据计算电流上升率$\frac{{{\rm{d}}i}}{{{\rm{d}}t}}$，并且已知，电流上升时间t，负载电感L、负载电阻R，根据电感感应定律，则所需的母排电压至少应该大于等于输入电压U_set，即

其中：I₀表示输出电流；${U_{\rm{k}}}$表示修正电压。然后，利用FPGA内部的硬浮点乘法器计算U_set，并用32位整数变量控制充电脉冲的灵敏度(单位：0.5 μs)以减少噪声干扰。由于束流引出时，具有多种能量，不同能量对应不同的电流波形，为控制同步性，对不同波形需要足够的充电时间，经过实验测试，最长充电时间小于100 ms，利用该参数可对多种波形的U_set实现精确控制。FPGA内部模块工作参数见表2。

加速器脉冲电源波形控制常常采用下传波形数据的方法^{[8, 10-12]}，即将2 ms点间隔的波形数据下发到控制器，然后在控制器内插值为10 μs点间隔的波形数据。该方法易实现，但对于引出BUMP电源而言，该方法不可行。引出BUMP电源理想的电流曲线如图6所示。上升段曲线(OA)约为1~5 ms，是一段非线性曲线，2 ms的数据间隔无法实现上升段曲线的精确插值。而平顶AB段大于5 s，如果按照10 μs点间距插值又会产生大量的数据，引起数据传输和存储问题。为解决这一问题，本文提出一种基于特征参数的波形控制方法。

CPW(Characteristic Parameter of Waveform)方法将电源参考波形数据分为两部分。第一部分OA是上升数据段，是由电流值序列组成；第二部分ABCDE是特征参数段，由描述ABCDE部分特征的参数组成。两部分数据组成一个参考波形数据，发送给电源控制器。

参考波形数据结构如下。

struct current_waveform_data{

int *set_points; /* current reference of rising OA

waveform_parameter *wparam /* ABCD characteristic parameter

}

set_poins表示上升段数据OA，waveform_parameter表示波形ABCDE部分的特征参数。OA段数据(10 μs/点)由上层软件生成后，直接下载到控制器的SDRAM，不需要插值。

waveform_parameter表示ABCDE曲线的特征参数，数据结构如下。

sturct waveform_parameter {

float fisrt_point_value; /* current value A */

float second_point_vlaue; /* current value B */

int top_point_number; /* point number of AB */

float top_augment; /* linear augment of AB */

float end_point; /* last current value */

}

该数据结构的作用是对A点之后的参考波形进行特征描述，控制器通过获取这些特征参数，可以逐点计算输出参考波形ABCDE中的每一个电流值，输出电流波形，参考波形的数据生成流程图如图7所示。经过测试，根据特征参数NIOSII计算一次电流值可在10 μs内完成。

CPW方法能有效压缩波形控制的数据量。传统的方法，其数据量随着波形周期的变长而增加^{[8, 12]}，一个15 s长的参考波形大约15 kbyte。而CPW方法中，由于电流上升时间小于5 ms，同时特征参数只有40字节，所以一个参考波形的数据量非常小。无论电流波形周期的长短，单个参考波形数据量小于2 k字节，这可减轻波形数据传输和存储的压力。经过估算，该方法可在2 Mbyte的存储空间保存至少1 024种参考波形数据，完全满足现在和未来重离子治癌装置多能量点扫描治疗的需求。

利用TeK示波器DPO3034和电流传感器DCCT，在重离子治癌装置现场对三台不同规格的引出BUMP电源进行在线测试。测试结果表明，三台电源分别从0 上升到850 A(图8通道2，变比：100 A/V)，从0上升到540 A(图8通道3，变比100 A/V)，从0上升到300 A(图8通道1，变比60 A/V)的时间均可控制在5 ms。同时，控制器内部的电源跟踪误差参数小于±1×10^–4。此外，实时更换电流波形的测试如图9所示。其中，通道1表示电流波形(60 A/V)；通道2表示动态变化的母排电压；通道3表示母排电压的充电脉冲。该图显示母排电压随波形自动充电，且三种波形各有特征，其顶部及延时不同，第一种为平顶，持续5 s，第二种线性下降，持续8 s，第三种线性上升，持续4 s。以上测试结果证明引出BUMP电源控制器运行可靠，并满足要求。

在医用重离子加速器中，引出BUMP电源与束流引出的效率和能量模式密切相关，其控制器必须满足同步性、跟踪性、多波形控制等要求。针对上述要求，本文设计了一种引出BUMP电源控制器，经过测试，达到了设计要求。目前医用重离子加速器通过临床验收，并开始升级。由于治疗的精度和治疗效率的不断提升，治疗的能量也由十几种可能增加到上千种。本文提出的参数化波形控制方法能够实现束流的慢引出、单波形多能量控制，满足现在和未来医用重离子加速器装置点扫描精确治疗的需求，为今后重离子治癌装置的升级及广泛应用提供了技术保障。