Raspberry Pi を用いた EPICS 対応 DC マグネット用バイポーラ電源
EPCIS COMPATIBLE BIPOLAR DC MAGNET POWER
SUPPLIES USING RASPBERRY PI榎本嘉範 ∗A) 、草野史郎 B) 、牛本信二 B)
Yoshinori Enomoto∗ A) , Shiro KusanoB) , Shinji UshimotoB)A)
KEKB)
Mitsubishi SC

Abstract

New power supplies for DC steering magnets were developed. Compared with the existing system, which
consists of several unit such as power circuit, PLCs and server computer, the new power supplies include
all of the functionalities into one case. This paper describes system configuration, circuit, specifications andevaluation results of the power supply. Details about the software are submitted in another proceeding of thisconference.

1.

はじめに

KEK 電⼦陽電⼦⼊射器では約 200 台の DC ステア
リングマグネット電源を運⽤している。Figure 1 に示すように、既存電源の出⼒制御、出⼒モニターはいずれもアナログ電圧制御となっており、それぞれが PLC の DAC、ADC に接続されている。PLC の制御はラダープログラムで⾏われているが、加速器全体の制御は EPICS が使われている。そのため両者の間を変換するためのソフトウェアが計算機上実⾏されている。今回これらの電源の置き換えとして、各電源内に Raspberry Pi を搭載し、Linux 上で EPICSIOC（input output controller）を動作させる事により、LAN ケーブル 1 本で直接 EPICS 制御可能な電源を開発した。本稿では電源の設計、製作から性能評価についてハードウェアを中⼼に紹介する。

• Interlock monitor PCB: 各種電源の内部状態をモニターする。ウィンドウコンパレータとロジック回路でインターロック信号を処理し、スケーリング⽤アンプでアナログ信号を Arduinoで読める値になるよう処理する。Arduino とはピンヘッダーを介して接続されている。
• control PCB: ADC, DAC、ロジック回路等を搭載し main PCB の出⼒を制御及びモニターする。Raspberry Pi と SPI や GPIO を介して接続される• I/O PCB: BNC コネクタ、LED、スイッチ⼊⼒を備え外部との接続、表示を担当する

3.

主回路構成

Figure 5 に主要部分の回路構成を示す。main amp部はパワーオペアンプを⽤いた電流フィードバック回路になっており、DAC からの電圧に比例した電流
2 . システム構成が出⼒される。この回路は [1] で説明されているも製作した電源の内部の様⼦を Fig. 2、⼊出⼒のある のと同じ回路となっている。main amp 部への電源供
フロントおよびリアパネルの様⼦を Fig. 3 に、シス 給は市販の AC-DC 電源（Omron, S8FS-G）から⾏っテム構成のブロック図を Fig. 4 にそれぞれ示す。フ ており、出⼒電圧に応じて 15 V（S8FS-G15015C）まロントパネルにはステータスを表示する LED4 個、 たは 24 V（S8FS-G15024C）品を搭載している。イ
モニター出⼒⽤ BNC4 個（うち 1 個は未使⽤）、オ ンターロック作動時にはリレーにより AC-DC 電源
フ、オン、インターロックリセット⽤の押しボタン から main amp 部への電⼒供給が遮断される。またスイッチ、通信⽤ RJ45 コネクタ（緑のカバーで覆わ AC-DC 電源の⼊⼒電圧、出⼒電圧、出⼒電流はモれている）が備わっている。リアパネルには出⼒⽤端 ニターされている。main amp からの出⼒は DCCT⼦台（M4）、AC ⼊⼒⽤ International Electrotechnical （Danisense, DP50IP-B）を通って magnet へ供給されCommission（IEC）C14 インレット（スイッチ、フュー る。出⼒電圧、出⼒電流はそれぞれ ADC へ接続されズ、EMI フィルター一体型）がそなわっている。内 モニターされるとともに、フロントパネルの BNC コ部は機能ごとに 5 種類の基板から構成されており、 ネクタへもスケールされて出⼒される。コスト削減のため、本電源には表示パネルが無いが、この BNCそれぞれの基板の役割は以下のようになっている。
• power PCB: ファンや他の基板の回路を動かす コネクタへ電圧計をつなぐことによって、ローカルために必要な各種電圧を AC ⼊⼒から生成し分 で出⼒状態をモニターすることができる。
配する• main PCB: パワーオペアンプを搭載した出⼒ 4 . 各種諸元
回路
電源の各種諸元を Table 1 に、使⽤しているコントローラやソフトウェア環境を Table 2 に示す。⼊⼒は AC100/200 V いずれにも対応している。出⼒∗ yoshinori.enomoto@kek.jp
電流は 5 A、出⼒電圧は内蔵するパワーオペアンプ

Figure 1: Comparison of the existing power supply system configuration and a new system.

Figure 2: Inside layout of the power supply.

⽤ AC-DC 電源のタイプによって 10 V、20 V を選択することができる。フィードバック抵抗は 0.2 Ωのため、最大電流出⼒時で 1 V の電圧降下、5 Wの発熱が発生する。出⼒電流のモニターには基板搭載型 DCCT（Danisense, DP50IP-B）を⽤いており、高精度抵抗（Vishay, VSMP）で電圧へ変換し、24 bit 分解能の ADC（Analog devices, LTC2380-24）でデジタイズしている。出⼒電流の設定は 20 bit 分解能の DAC（Analog devices, AD5791）で⾏っている。ADC、DAC はともにノイズカット⽤の絶縁インターフェース（Analoge devices, ADuM16xN）を介して SPI プロトコルでメインコントローラであるRaspberry Pi 4B へ接続されている。Raspberry Pi の
OS には Raspberry Pi OS を選択し、その上で EPICSIOC が動作している。Software に関しては [2] に詳細が記載されているので合わせて参照いただきたい。
サブコントローラとして Arduino mega を搭載しており、16 ch のアナログ⼊⼒と 33 ch のデジタル⼊⼒で各種電圧、センサー出⼒、インターロックステータスのモニターなどを⾏っている。Raspberry Pi とArduino 間は UART で接続し、Raspberry Pi からのコマンドに応じて Arduino から各種データを返す仕Figure 3: Front and back panel of the power supply.
RJ45 connector is covered by the green rubber.

組みでデータのやり取りを⾏っている。

5.

性能評価

製作した電源の出⼒安定度を評価するために、1 A出⼒設定で約 8 時間放置した場合の出⼒を測定した。
測定に⽤いた接続を Fig. 6 に、それぞれの分解能、フルレンジ、最小ステップを Table 3 に示す。電源と負荷の間にデジタルマルチメータ（DMM7510）を挿⼊し電流測定モードで動作させつつ測定するとともに、電源のフロントパネルにある Imonitor
BNC
端⼦にもデジタルマルチメータ（DMM6500）を接続しモニター電圧を測定した。さらに電源内部の ADCで読んだ値も合わせて記録しそれぞれを比較した。

Figure 4: Block diagram of the power supply.

Figure 5: A schematic view of the main circuit.

結果は Fig. 7 及び Table 4 に示したとおり、いずれの測定でもフルスケールに対して、2 ppm（20 µA）前後の変動幅となっており、高性能なデジタルマルチメータである DMM7510 で電流値を直接測定した
場合と遜色の無い結果が電源内臓のモニター系から得られている。

6.

まとめと今後Raspberry Pi を⽤いた EPICS 対応バイポーラ電源に関してハードウェアを中⼼に解説した。本電源

は 2020 年秋の運転より 5 台が先⾏試験として運⽤されており、約 1 年の運転期間中トラブルは生じなかった。これを受けて 2021 年秋の運転からは 57 台の運⽤を予定しており、本稿執筆時点で設置作業を完了した状態となっている。
Figure 4 で示したように、本電源では機能ごとに基板を分割し再利⽤性の高い構成となっている。パワー回路部のみを変更することによって、より大容量の電源を比較的容易に開発することができるた
め、ステアリング磁石⽤電源だけでなく、他の電磁Table 1: Specifications of the Power Supply
input voltage

AC 90 - 240 V (1φ)

output current±5 A

output voltage±10 V or ±20 V

power opamp

PA12 (Apex)

Feedback resister

0.2Ω

Table 3: Resolution, Full Range, Minimum Step ofthe DAC, the ADC Used in the Power Supply and theEvaluation System(Caddock,MP9100)
Current monitor

DP50IP (Danisense)

Current monitor bur-Y1624100R00Q9R

den resister(Vishay, VSMP)ADC

LTC2380-24

DAC

AD5791resolution

range

step

DAC

20 bit

5A

10 µA

ADC

24 bit5A

0.6 µA

DMM7510

7.5 digit

10 A

1.0 µA

DMM6500

6.5 digit

10 V

10 µV

Table 2: Details of the Controllers Used in the Power
Supplymain controller

Raspberry Pi 4B

OSRaspberry Pi OS

EPICS base version

3.15.7Sub controller

Arduino mega 2560
R3Figure 6: Block diagram of the evaluation system.

石⽤電源にも応⽤していく予定でいる。

参考文献[1] Y. Enomoto , “パルスステアリング磁石⽤バイポーラ電源”, In these Proceedings.
[2] S. Kusano et al., “Raspberry Pi を⽤いた EPICS 対応
DC マグネット電源⽤制御システムの開発”, In theseProceedings.

Figure 7: Stability of the power supply for 8 hours.
Table 4: Mean Value, Standard Deviation and Relative Stability to Full Scale During 8 Hours Stability
Test
Mean

Std. Dev.

Rel.

Imoni

2.023 143 V

35.9 µV

1.80 ppm

I1.005 246 A

21.2 µA2.12 ppm

IREAD_R

0.999 999 A

25.0 µA

2.50 ppm