一种束流线磁铁电源的数字控制单元的制作方法

技术特征：
1.一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，该数字控制单元分别布设在质子治疗束流线多个磁铁的每个磁铁的磁铁电源控制系统中；该多个磁铁沿着质子治疗加速器系统束流线的起点到终点间隔布设，其特征在于：所述每个磁铁的磁铁电源包括磁铁主电源和磁铁从电源；所述数字控制单元包括磁铁主电源数字控制单元、以及磁铁从电源数字控制单元；所述磁铁主电源数字控制单元包括dds通讯/指令模块、查表模块、电流分配和参数转发模块、电源控制算法模块；所述磁铁从电源数字控制单元包括电源控制算法模块，该电源控制算法模块输入端连接磁铁主电源的电流分配和参数转发模块，输出端连接磁铁电源；所述磁铁主电源的dds通讯/指令模块，其输入端外联治疗头系统、输出端内连查表模块；所述dds通讯/指令模块，使得每个磁铁电源的数字控制单元在与治疗头共处同一个通信域中时，能够同时订阅其发布的dds数据，并能同时从dds数据中获取其需要的束流能量值；所述磁铁主电源查表模块的表按照束流线上的磁铁种类进行区分，相同种类的磁铁为同一张表，该表存储有针对某个种类磁铁的多套不同能量的控制参数信息，每个能量对应一套磁铁电流控制参数，每套磁铁电流控制参数包括能量参数、电流参数、pid参数、前馈参数、磁场响应达标值参数；其中，能量参数、pid参数、前馈参数、磁场响应达标值参数作为所述磁铁主电源和磁铁从电源的共用参数；电流参数由磁铁主电源分配给磁铁从电源；所述磁铁主电源的查表模块根据每个磁铁主电源数字控制单元的dds通讯/指令模块发送的束流能量信息，按照“能量-电流-pid和前馈参数-磁场响应达标值”的参数进行查表，得到对应的电流、pid和前馈参数设置值、以及磁场响应达标值，并将查表结果发送给电流分配和参数转发模块；所述磁铁主电源的电流分配和参数转发模块，进行主电源和从电源的电流分配，再将电流分配结果和查表得到的能量参数、pid参数、前馈参数、磁场响应达标值参数分别发送给磁铁主电源、以及磁铁从电源的电源控制算法模块、作为各自电源控制算法模块控制电源的依据。2.根据权利要求1所述一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，其特征在于：所述按照“能量-电流-pid和前馈参数-磁场响应达标值”的参数进行查表，该能量参数为束流能量值/mev，该电流参数为磁铁电源输出电流值/a，通过电源输出电流值/a控制磁铁磁场；该pid参数为电流控制环路的比例系数kp1、积分系数ki1和微分系数kd1、以及电压控制环路的比例系数kp2、积分系数ki2和微分系数kd2；该前馈参数为电流控制环路的前馈环节参数和电压控制环路的前馈环节参数；所述pid电流环比例系数kp1、积分系数ki1和微分系数kd1用于把针对当前能量的动态降能或升能过程控制在一个规定的时间内，所述的规定时间包括80毫秒；所述pid电压环比例系数kp2、积分系数ki2和微分系数kd2用于把针对当前能量的动态降能或升能过程控制在一个规定的时间内，所述的规定时间包括80毫秒。3.根据权利要求1所述一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，其特征在于：所述电源控制算法模块包括电流电压双闭环pid算法、前馈算法、动态过程精细pid参数调整算法；所述电流电压双闭环pid算法中的参数配置是根据查表得到的，并且在不同的能量阶梯下，配置的参数值是不同的；这样使得整个能量范围内的高能量降能阶梯和低能量降能阶梯中配置的pid参数均是最适的，使得每个降能阶梯的降能速度、稳定性、以及精度均能
达到最适；所述动态过程精细pid参数调整算法将每个能量阶梯对应的磁场变化动态过程再细分成多个细化动态过程段，对每个细化动态过程段的响应速度和响应状态进行调整，从而进一步使每个能量阶梯的响应速度、稳定性等得到提高。4.根据权利要求3所述一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，其特征在于：所述电流电压双闭环pid算法设有两个闭环控制环路：第一环路为电流环路，电流环路的反馈量和控制对象为输出电流；第二环路为电压环路，电压环路的反馈量和控制对象为负载电压，环路的输出量为可变占空比的pwm波，驱动电源主回路中的h桥，进而控制电源的输出电流；所述第二环路嵌套于第一环路中，第一环路的输出信号作为第二环路的输入量；所述第一、第二环路均含有pid控制环节，其作用为提高电源动态性能和系统稳定性，加快响应速度；所述前馈算法是指在电流环路和电压环路中各加一个前馈环节，与pid控制器共同作用，以达到在保证系统稳定性和精确性的基础上，大大加快响应速度，补偿被控系统的滞后性和阻尼。5.根据权利要求4所述一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，其特征在于：所述电流环路的前馈环节输入量取自输入电流环路的电流设置值；所述电压环路的前馈环节输入量取自电压环路的电压输入量；前馈环节参数从“能量-电流-pid和前馈参数-磁场响应达标值”查找表中获得。6.根据权利要求3所述一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，其特征在于：所述动态过程精细pid参数调整算法，是指将输出电流改变的动态过程再分成多段，根据负载磁铁的磁场响应情况自动调整pid参数；具体方法为：在每一段持续监测负载磁铁的磁场值，根据磁场值与达标值间差距的大小自动调节每一段两控制环的pid参数，从而使pid参数始终能够很好的匹配动态过程，加快响应速度并减小超调，消除磁滞现象的影响，所述动态过程分成多段至少分成三段。7.根据权利要求1所述一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，其特征在于：所述电源控制算法模块还包括安全联锁逻辑算法；安全联锁逻辑算法分为内部连锁和外部连锁，内部连锁逻辑指控制器对电源内部某些指标进行持续监测，当它们出现异常时，数字控制器能立即发现，并控制电源停机或保持当前状态不变，外部连锁逻辑则是电源外部某个指标出现异常时，数字控制器能立即发现，并控制电源停机或保持当前状态不变，外部连锁除了必要的接口之外，还应留有额外的接口供用户自定义设置。8.根据权利要求1所述一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，其特征在于：所述每个磁铁电源控制系统包括fpga、dsp、电源主回路、电流采集模块adc、信号放大模块、以及ad转换模块，所述数字控制单元布设在fpga中，所述fpga为zynq芯片，该zynq芯片能够搭载数字控制方法，并且在zynq中能够集成linux系统，以更好地控制和监督电源的输出过程、通信过程、问题诊断过程等；所述dsp受zynq芯片控制，能够根据数字控制器的输出量来产生驱动电源主回路中h桥的pwm波；所述电流采集模块adc、信号放大模块和ad转换模块用于在负载侧采集电源的输出，并将采集到的模拟信号进行放大并转换成数字信号，反馈到数字控制器中。9.根据权利要求1所述一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，其特征在于：所述dds通讯/指令模块包括通信域设置模块、通信域订阅模块、获取指令模块；所述通信域设置模块用于设置自身磁铁电源和当前治疗头在同一个通信域；所述通信域订阅模块用于订
阅当前通信域发布的指令消息；所述获取指令模块用于从指令中获取其需要的束流能量值。

技术总结
本发明公开了一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，包括磁铁主电源和磁铁从电源；该磁铁主电源数字控制单元包括DDS通讯/指令模块、查表模块、电流分配和参数转发模块、电源控制算法模块；该磁铁主电源查表模块的表按照束流线上的磁铁种类进行区分，相同种类的磁铁为同一张表，该表存储有针对某个种类磁铁的多套不同能量的控制参数信息，每个能量对应一套磁铁电流控制参数，每套磁铁电流控制参数包括能量参数、电流参数、PID参数、前馈参数、磁场响应达标值参数；本发明将DDS通讯模块、多套PID调整参数、细化PID调整参数、双环 前馈的闭环控制方法相结合，从四方面和五个层次层层递进，最终解决了质子治疗过程中束流线磁场快速动态响应的问题。动态响应的问题。动态响应的问题。


技术研发人员：殷治国 何澳来 宋琪琦 张天爵 黄鹏 蔡红茹 汪洋 赵博涵 魏素敏
受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院
技术研发日：2022.10.21
技术公布日：2023/1/13