THP011

Raspberry piを用いたEPICS対応DCマグネット用バイポーラ電源
榎本 嘉範（高エネ研），草野 史郎，牛本 信二（三菱電機システム・サービス）

要旨
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。既存電源の出⼒制御はアナログ電圧制御、出⼒モニターはアナログ電圧出⼒となっており、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EPICS IOC(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。電源はraspberry piに加えて、制御回路、パワー回路、インターロックおよびモニター回路、内部電源回からなる。パワー回路の制御及びモニターは制御回路上の20bit DAC
及び24 bit ADCで⾏い、raspberry piとSPI通信で接続されている。各種内部温度等のモニターとしきい値判定はウィンドウコンパレータやロジック回路を⽤いた構成となっており、測定値や判定値はArduinoを⽤いて収集しUART通信にてraspberry piへ送信している。本発表では電源の設計、製作から性能評価、運⽤についてハードウェアを中⼼に紹介する。
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はじめにPresent system configuration

New system configuration

Operator’s PC
GUI

Operator’s PC
GUInetwork
Server computer
EPICS IOC
Magnet PLC
Ladder program
ADC
DAC

DAC
ADC

Power circuit
output

ADC
DAC

DAC
ADC

Power circuti

Power supply＝
EPICS IOC+Power circuit+
Interlockcircuit

Power supply＝
EPICS IOC+Power circuit+
Interlockcircuit

Analog signal

既存マグネット用電源の制御システム（左）と新電源（右）の構成
既存電源はアナログ電圧制御→PLCのDAC電圧で制御全体の制御系（EPICS）へ接続するために外部にIOCを立てて、PLCのラダープログラムと通信
インターロック、ステータス信号は電源のデジタル出力をPLCのデジタル入力でよませている
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システム構成
AC 100-240 Vin
fuseline filter
SW

AC power
DC powerControl signal
othersAnalog signal
communication

RJ45
out
power PCB
SW1offfan
DC 24V
AC-DC converter
24 V / 15 V 150 W

SW2
on

AC-DC converter
24 V / 15 V 150 W

SW3
reset

ethernet

UART
outputterminal

main PCB

Arduino PCB
I monitor
I set

電源は5枚の基板、入出力コネクタ、スイッチ、ファン、組み込み
AC-DC電源などからなる。
Power PCB : AC入力から各種制御用電源をつくる。
Main PCB : パワーオペアンプによる電流出力回路。
Arduino PCB : インターロック、モニター用回路。
Raspberry pi PCB : ADC, DACを搭載しMain PCBの制御を行う。
I/O PCB : スイッチ, BNC, LEDを備え、外部との入出力を行う 。
既存電源の置き換えを目的とするため、外形寸法は互換性を保つ
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Raspberry pi
PCB

I/O PCB主回路構成主回路はパワーオペアンプによる電流フィードバック回路• フィードバック抵抗は0.2Ω• 出力電流モニターはDCCT• インターロック作動時はオペアンプへの電源供給をリレーでカット• オペアンプ電源は既製品を使用（Omron S8FS-Gシリーズ）• 出力電流に加えて• 出力電圧• DAC入力電圧• オペアンプ電源入力電圧• オペアンプ電源入力電流• AC入力電圧のモニターあり•

IEC C14
inlet

EMI filter

AD-DCconverter

HI in range
Lcomparator

VCC Vmonitor
current
sensorImonitor

VCC Imonitor
100 Ω 0.05% 0.2ppm/deg

ADC

inter lockoff/onDCCT statuscurrent sense
feedback

DAC

DCCT

magnetdivider
100 W, 0.2Ω, 1%,
0 to +200 ppm/deg
divider
VREAD_R1
DAC monitor
divider
Vmonitor
current
sensorVEE Imonitor

VEE Vmonitor
AD-DC
converter

Trans+bride
diode

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AC voltage

各種諸元回路

Value

入力電圧

単相AC 90 ~ 240 V

出力電流±5 A

出力電圧± 10 V or ±20 V

内蔵するオペアンプ電源(Omron S8FS-Gシリーズ)のタイプによるパワーオペアンプ

PA12Apex

Feedback 抵抗

0.2 Ω

Caddoc MP9100シリーズ

電流モニターDP50IP

Danisense

電流モニターburden抵抗

Y1624100R000Q9R

Vishay, VSMPシリーズ, 100 Ω, 0.02%,0.2 ppm/℃

ADC

LTC2380-24

0 - 5V入力, 24 bit, 2Msps
Raspberry piとはSPIで通信

DAC

AD5791±10 V出力, 20 bit,
Raspberry piとはSPIで通信制御

Valuecomment

主コントローラ

Raspberry pi 4B

OS

Raspberry pi OS

EPICS base version

3.15.7

補助コントローラ

Arduino mega 2560 R3

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comment

各種モニターに使用
16 ch アナログ入力
33 ch デジタル入力Raspberry piとはUARTで通信性能評価と運用

Software feedbackで出力電流を一定に保つようDAC出力は変動している

標準偏差

Full scale (10 A)
相対値

2.023143 V

35.9 uV1.80 ppm(2)1.005246 A

21.2 uA

2.12 ppm(3)0.999999 A

25.0 uA

2.50 ppm

1.07601.07591.07582.0234

Imoni (V)

(1)*

平均値

DAC (V)

出力1 Aを指定したときの8時間安定度

1.07612.02322.02312.02301.00535*±5 Aが±10 Vになるようスケールされている(2) 外部電流計(Keithley DMM 7510)で測定した電流

1.00530

I (A)

測定系の分解のは以下の通り(1) フロントパネルモニター出力

2.02331.00525
1.00520

フルスケール

最小ステップ

電源DAC

20 bit

±5 A

10 uA

電源ADC

24 bit±5 A

0.6 uA

DMM7510

7.5 桁

±10 A

1 uA

IREAD_R (A)

分解能

1.00515
1.00010(3)電源内蔵モニター(DCCT + ADC)が示す値

1.00005
1.00000
0.99995
0.99990

05000

10000

15000

20000

25000

time (s)8 hours

安定度は2.5 ppm(rms) @ 1 A
内蔵モニターの返す値と外部電流計（性能評価用）の値はオフセットはあるものの変動は概ね一致→内蔵モニター値はこの測定精度において信頼できる。
2020秋より試作品5台を運転で利用
2021秋より量産品57台を運転で利用予定
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summary• EPICS制御に対応したDCステアリング磁石用バイポーラ
電源（±10 or ±20V, ±5 A出力）を開発した。
• 主コントローラにはRaspberry pi 4Bを採用。
• Raspberry pi os上でEPICS IOCを動かしている。
• 各種モニター用にArduino megaを搭載し、RaspberrypiへUARTで情報を送っている。
• 機能ごとに基板を分割し、別の定格の電源を制作する際に再利用可能な構成としている。
• 主回路構成はパワーオペアンプによる電流フィードバック回路。
• 1 A出力時に 25 uA (2.5 ppm) rms / 8 hourの安定度• 2020秋より5台運用中、2021秋より57台追加運用予定PASJ2021 THP011, Y. Enomoto – 7/7