MAGNET POWER SUPPLY STABILIZED BY HIGH-BIT ADC & DAC
Toshiyuki Ozaki
Accelerator Laboratory, KEK
1-1 Oho, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305-0801
Abstract
X-ray ERL will require the high stable magnetic field, particularly on the main dipole magnets. We expect that
LHC type magnet power supply is a candidate for the severe requirements. The key point is utilization of highresolution ADC in the current feedback loop. Nowadays ΔΣtype ADCs have been rapidly developing and steadily
spreading the applications. We have fabricated a small-scale magnet power system and examined the current stability
by means of the digital feedback control which uses 24-bit ADC and 16-bit DAC.

高ビットADC・DACによる安定化電磁石電源
１．はじめに

３．試験装置の概要

X線の5GeVのERL加速器は、従来のX線のストレー
本論文で報告する試験装置の全体を図１に示す。
ジ・リングで使用している電磁石電源よりも、さら電磁石はＨ型で、中央にＮＭＲプローブを挿入してに電流が安定した電源を必要とするであろう。
TRISTAN、 KEKB、新AR‑B電源の電流安定度は、 いる。電磁石電源は外部アナログ電圧で制御される。
50ppm前後である。それらは、16 bitのDACで、基準 出力電流はDCCTで測定している。そのデジタルの電圧を作り、出力電流をDCCTでモニターし、両者を値を、パソコン内で電流設定値と比較し、差があれ比較し、その差を、パワー回路に送り、補正し、電ばDACを通して補償するよう動作させる。
流の安定化を図っている。つまり、アナログの基準電圧とアナログの検出電圧の差を、パワー回路にフィードバックしている。この方法は、非常に長い歴史と実績がある。
近年、LHCの電磁石電源は、数ppm程度の電流安定度を達成した(1) 。主たる相違は、デジタルのデータの差として比較し、パワー回路を調整していることである。本論文で、このデジタル制御法を報告する。

２．ΔΣ変調型ＡＤＣ
近年、進展したのが、ΔΣ変調型ＡＤＣである。
現在、24bitの製品が数多くでている。また、地震探
図１ 試験装置の全体図査などを用途とする32bitもある。他方、ＤＡＣについ て は 、 ト リ ス タ ン で は 、 ANALOG DEVICE
3.1 電磁石
DAC1136 を採用したが、姉妹品とのDAC1138は、１８ビットである。以後、サイズは、驚異的に小さ電磁石は、以前にＡＲで使用したステアリング電くなったが、性能の向上は無い。この状況の変化が、 磁石を再利用した。そのポールに軟鉄（ＳＳ材）の電源の制御回路に大きな変革をもたらしたと言える。 プレート（180x175x57.5と160x175x10）を、各２枚
LHC電源グループは、1999年に22bitのＡＤＣを利ほど追加して、ギャップを20mmに狭め、より高い用し、1ppmの安定度の電源を製作した事を発表し 磁場で、均一領域の広い磁場を発生するようにした。
(2)た 。
ポアソン・コードで、上記プレートを追加した場
最近は、24bitのＡＤＣは、量産されていて、容易合の磁場分布を計算した。第１象限の磁場分布を図に入手できるようになっている。 また、直流用Δ ２に示す。
Σ型ＡＤＣも製作されている。これらは、50Hz通電して、ＮＭＲの波形を観測した所、理想的なや60Hzのハムの除去用のノッチフィルタを内蔵 形状であり、状態のロックが非常に安定していた。
している（ 3） 。今後の発展が見込まれるので、それを応用することが、大変に重要である。

図３

ＬＨＣ電源の電流安定化ループ

今回は、一定電流の運転試験であるから、単純に、-1

図 ３ の 各 伝 達 関 数 を 各 々 、 T (z ) = 1
図２

磁場安定度測定用電磁石

ＮＭＲ測定器で、磁場強度を、GP-IBを通して、Visual BASIC を用い、パソコンで読み、記録した。
3.2 励磁用ＤＣ 電源
ＤＣ電源は、以前にＡＲで使用した補正電磁石用電源を再利用した。トランジスタ・ドロッパーの市販の電源である、最大35V20Aである。電源背部のＴＢに設定電圧を加えて、定電圧動作をさせる。
3.3 電流検出
電流測定のＤＣＣＴは、ＬＥＭ社のIT150-Sを用いた。精度は、2ppm以内、温度に対する変動は、0.3 ppm /℃ である。1次電流の0-150Aを、２次電流0-200mA に変換する。したがって、１次側のケーブルは１５ターンほど巻いて、今回の電源の定格規
模 と 合 わ せ た 。 ２ 次 側 の バーデ ン抵抗は 、アルファ・エレクトロニクス社の超精密電力抵抗で、25Ω・2Wである。バーデン抵抗の温度依存性は、±2.5 ppm/℃である。
3.4 デジタル部
Ａ ＤＣは、 interface社のボードLPC-320724 で、24bit の Ａ Ｄ Ｃ を 搭 載し て い る 。 そ れ は 、 Analog
Devices社のAD7760BSVZである。カタログによれば、
ゼロ誤差ドリフトは 190ppm/℃で、ゲイン誤差ドリフトは2ppm/℃である。
ＤＡＣは、トリスタン電磁石電源の回路を参考にして基板を製作した。温度係数は5ppm/℃ である。
本来、ＡＤＣ、ＤＡＣやバーデン抵抗は恒温槽に入れるものがあるが、今回は準備できなかったので、外気温にさらしたままで、短時間の試験をした。
3.5 制御ソフト
図３に、LHCの電磁石電源の電流安定化ループの制御回路の伝達関数を示す (4)。ＬＨＣのような加速の運転する場合には、最適な関数を与える必要がある(5)。

1/ S ( z -1 ) = 1/(1 - z -1 )R( z -1 ) =1 N -1åzN i =1とする。
信号処理は、Windows XP で、Delphi言語でプログラミングした。１秒毎に、電流フィードバック動作をさせている。そのシーケンスは、DCCTから電流を1mS毎に読み、約０．５秒間（Ｎ＝５１２）読み続け、そのデータを平均化処理する。これは、主として、ADCのデータに、50Hzが含まれるので、平均化で消すためである。今回の試験では、測定された電流が設定電流よりも高い場合は、DACに送るデジタルデータを１ビット下げる。逆に、低ければ、１ビット上げていくと言う単純なシーケンスとした。

４．試験運転4.1 電流安定性
試験運転をした例を、図４に示す。通電開始から、コイルの温度が安定するまでに半日程度は掛かるが、その途上の温度変化に伴う抵抗変化に対抗して、電流を一定に保つ動作をしている事が分る。電流の偏差を読み、最小ビットの上げ下げをプログラムで行っている。つまり、16ppmを１単位として、補正動作をしていることを示す。

図４

安定化動作

プログラミングで、フィードバックのシーケンスを代えてみた。安定しているが、図５に、ある１分間のデータを示すが、１ビット〜２ビットの振動が発生している場合もあった。

０点のデータである。このドリフトを１次関数で近次し、短時間変動のみ残す処理をして、ヒストグラフにした。これを図８に示す。

図５

発振モード（２５秒継続）

次に、通電後８時間から９時間までの１時間における偏差データ（３７９０点）をヒストグラフにした。
これを図６に示す。ガウシャンでフィティングして
図８ 磁場変動の分布
みると、標準偏差は、全幅で32ppm であった。
これは、ソフトウエアーのシーケンスとしては、15.3ppm以内から抜け出たデータを検出したら、1 図８を、ガウシャンでフィティングして、標準偏差bit (15.3ppm相当)を上下する操作を、ほぼ毎回、実 を計算すると、全幅で25.2pp である。
施している事からも予測できる数値である。

５．実用化へのＲ＆Ｄ

図６

電流偏差の分布4.2 磁場安定性
電磁石の磁場をＮＭＲで測定したデータを図７ に示す。通電開始から８時間から９時間までのデータである。この測定ではドリフトが観測された。大きさは40ppm/hourである。種々の原因が考えられる。
本来、基準となるべきADCを恒温槽に入れるべきであるが、今回は準備できなかったので、おそらく、その影響と思われる。さらに、また、ＮＭＲの発振器の温度安定性も調査する必要がある。

図７

磁場の時間変動（１２０分間）

図７は、ＮＭＲ測定器をＧＰＩＢで３０秒に１回読んで、通電開始後７時間から９時間までの間の２４本論文のデータは、短時間での運転で得たものである。長時間で、高精度で運転するには、ＡＤＣやＤＣＣＴバーデン抵抗は恒温槽に入れて温度管理せねばならない。従来は、ＤＡＣを恒温槽にいれて、最も重要な機器として扱われたが、今回の方法では、ＤＡＣは、完全にslaveであり、ＡＤＣがmasterの関係にある。したがって、ＤＡＣに温度補償の必要はなく、分解能があればよい。オーディオ用の高いビットのＤＡＣでも良いとの報告もある(4)。
ゲイン誤差、オフセット誤差、積分非直線誤差は、校正によってデジタルでの補償できる。

６．まとめ
本論文では、ＬＨＣのデジタル制御型の電源を試作し、短時間運転の検査をした。実用化への最初のステップとして、有意義な知見が得られた。

参考文献
[1]

M. Bastos, et al “Developments in high-precision aspectsof power converter control for LHC” PAC07 pp314-316[2] I. Barnett, et al “Development in the high precisioncontrol of magnet currents for LHC” PAC99 pp3743-3745[3] 松井邦彦 ΔΣ型Ａ−Ｄコンバータの使い方（２）直流測定型の精度を引き出す トランジスタ技術（2007年9月号213-220）[4] J.C.L. Brazier, et al “The All-Digital Approach to LHCPower Converter Current Control”, Proceedings of the 8thInternational Conference on Accelerator & Large
Experimental Physics Control Systems (2001) pp 453-455[5] F. Bordry, H. Thiesen “RST Digital Algorithm forControlling the LHC Magnet Current” LHC project
Report 258.