Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 FRP043

J-PARC RCS 主電磁石電源制御系の更新
RENEWAL OF CONTROL SYSTEM OF THE J-PARC RCS MAGNET POWER SUPPLY
渡辺泰広#, A), 柳橋孝則 A), 小松崎誠 B)
Yasuhiro Watanabe #, A), Yanagibashi TakanoriA), Makoto KomatsuzakiB)
A)
Japan Atomic Energy Agency
B)
AimusuAbstract
J-PARC RCS accelerates a high-intensity proton beam from 400 MeV to 3 GeV at a repetition rate of 25 Hz. The main
magnet system of the RCS is composed of a family of dipole magnets and seven families of quadrupole magnets excitedby eight independent resonant circuits. The current control system of the main magnet power supply requires highprecision tracking control between different magnet families. The original control system of the main magnet power
supply had been operated without major problems for fifteen years since the start of operation of the RCS, while thecontrol system component is obsolete. We developed a new power supply controller based on SoC FPGA. The controller
consists of a main board and four daughter boards and all functions required for current control of the power supply are
installed in a 19-inch rack 2U control unit.

1.

はじめに

J-PARC 3 GeV シンクロトロン(RCS)は，繰り返し周波数 25 Hz で 400 MeV から 3 GeV まで加速する速い繰り返しの陽子シンクロトロンである。RCS の主電磁石は，1ファミリ 24 台の偏向電磁石と，7 ファミリ 60 台の四極電磁石から構成され，8 つの独立した共振回路[1-3]により励磁される。RCS 主電磁石の磁場波形は，直流バイアスされた 25 Hz の正弦波交流であり，各電磁石ファミリの電磁石磁場を高精度でトラッキング制御する必要がある。
現在の RCS 主電磁石電源電流制御システムは，JPARC の建設期に設計，製作され，2007 年の RCS ビーム調整開始から今日まで 15 年にわたり運用されてきた。
また，2010 年に導入した六極電磁石電源[4]の制御シス
テムも，主電磁石電源制御システムのハードウエアを流用して構築している。しかし，現在ではハードウエアとして古く機能を拡張することが困難であることや，使用する電子部品の一部が生産中止となり予備品の製作が難しくなっていることから，電源制御システム全体の更新を検討している。
現在の電源制御システムは，これまで大きなトラブルもなく安定に動作しているが，運用において以下の問題が明らかとなっている。
• VME バスを用いた古い規格を使用しており，最低限の制御システムを構成する場合でも VME シャーシと CPU ボードが必要となる。
• 1 台の電磁石電源を制御するためのハードウエアが制御盤と電源盤の 2 か所に分散しており，トラブルが生じた場合の原因究明の妨げとなっている。
• 電磁石電源ごとに要求されるサンプリング周波数や垂直分解能が異なるため，仕様の異なるハードウエアを用意する必要がある。
現在運用している電源制御システムを開発した当時を比較すると，半導体の動作周波数や集積密度が向上し

Figure 1: Excitation pattern of RCS main magnets.

Figure 2: Equivalent circuit of the resonant circuit in RCS
main magnet power supplies.ているため，現在の半導体技術を用いて同一の機能を持つ制御装置に置き換えた場合，大幅な小型化，簡素化が可能である。そのため，今回新たに開発した電源制御システムは，全体の制御に SoC FPGA を用いて電源制御に必要なすべてのハードウエアを 19 インチラック 2Uサイズの制御ユニットに集約した。この制御ユニットは，電源盤に内蔵することを前提とするため，電源１台に対して制御ユニット１台という構成にした。さらに，全体の制御を担う主基板と，個別の機能を実現する拡張基板を分離し，拡張基板と FPGA のファームウエアを交換することにより，他電源や他の用途に流用できるような構成としている。

___________________________________________# yasuhiro.watanabe@j-parc.jp- 1024 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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16 bit,100 kHz 電流指令パターンを DAC によりアナログ変換した信号𝐼 と，電磁石電源の DCCT から検出した
Figure 1 に RCS 主電磁石の励磁パターンを，Fig. 2 に出力電流信号𝐼 との差分をとり，PI 制御を介して電磁石RCS 主電磁石電源で使用する共振回路の等価回路を電源の電圧指令信号𝑉 を生成している。①のフィード示す。電磁石磁場波形は，直流バイアスされた 25 Hz のバック制御は，PI 制御のゲインを大きくすることにより電正弦波交流波形であり，1 周期の最少磁場でビームを入流偏差を減らすことができるが，制御ゲインを大きくする射し最大磁場でビームを取り出す。電磁石はインダクタと高周波の電流リップルを増大させる問題が生じる。電ンス負荷であるため，繰り返し周波数を大きくすると，励流リップルが増大しないよう PI 制御のゲインを適切に設磁に必要となる所要電圧が大きくなる。そのため，電磁定すると，①の電流フィードバック制御のみでは，10-3 レ石に対して直列に共振コンデンサを接続し，さらに直流ベルの電流偏差が生じる。これは，10-5 レベルのトラッキ成分をバイパスさせるため，共振コンデンサに対して並ング精度が要求されるシンクロトロン用電磁石電源として列にチョークトランスを接続した共振回路を構成する。こは不十分である。
こで，共振回路の共振周波数をシンクロトロンの運転周➁計算機による電流フィードバック制御は，①の電流波数 25 Hz と一致させることにより，電源側から見た共振フィードバック制御を補うための制御であり，温度変化な回路のインピーダンスは，運転周波数で最小となるため，どの遅い外乱を抑制するため，電流設定値と出力電流純抵抗成分のみの電源電圧で 25 Hz の交流励磁が可値が一致するように，電源に与える電流指令値に対して能となる。
補正を加えている。補正を行う制御周期は 20 秒に設定
RCS の主電磁石は偏向電磁石１ファミリ，四極電磁石している。➁の電流フィードバック制御では，垂直分解能７ファミリから構成されており，それぞれ独立した共振電16 bit，サンプリング周波数 100 kHz の ADC で出力電流源で励磁することから，電磁石ファミリ間の高精度な磁場信号𝐼 を 1 秒間（25 サイクル）サンプリングしたデータをトラッキング制御が必要となる。電磁石の電流と磁場は非FFT 解析して，出力電流の基本波振幅𝐼 と，基本波位線形な関係であり，高精度磁場トラッキング制御を行うた
相値𝜃 のみフィードバック制御を行う。一方，直流電流めには，電磁石の磁場測定から得られた飽和特性や渦値や，高調波電流値，位相値はフィードバックを行わず，電流特性を考慮した磁場-電流変換テーブル[5]を用い定常偏差を補正するためのオフセット値を加えたフィードて電流設定値を生成する必要がある。
フォワード制御としている。
Figure 3 に，RCS 主電磁石電源の電流フィードバック
基本波成分のみフィードバック制御をする理由は，温制御のブロック図を示す。
度変化による遅い外乱の大半は，屋外に設置している磁場設定値として，磁場パターンの直流成分𝐵 ，基本共振コンデンサの温度変換で生じる静電容量変動によ波(25 Hz)交流成分𝐵 ，基本波位相成分𝜃 が，EPICS をるものであり，共振周波数である基本波成分のみが影響経由して与えられる。この 3 つの磁場設定値から，磁場を受け，直流成分や高調波成分はほとんど影響を受け電流変換テーブルにより，電流設定値として直流設定値ないためである。
𝐼 と基本波振幅設定値𝐼 ，基本波位相設定値𝜃 ，2 次～10 次までの高調波振幅値𝐼 − 𝐼 ，と位相値𝜃 − 𝜃 に 3.
現行制御システムのハードウエア構成変換される。これらの電流設定値と電源の出力電流値がFigure 4 に，現在運用している主電磁石電源制御シス一致するよう，以下に述べる 2 つの電流フィードバック制テムを示す。本システムは，タイミングユニット，RPO御を行う。
（RapidPatternOutput），波形レコーダから構成されてお電流フィードバック制御では，外乱による出力電流変動を抑制すると同時に，制御偏差を低減させなければな り，各機器は Ethernet を介して制御用 PC から制御されらない。電流フィードバック制御は，①電磁石電源内部 る。
タイミングユニットは，J-PARC のタイミングシステムからのアナログ回路による電流フィードバック制御と，➁計算供給されるクロック信号（12MHz）とトリガ信号（25 Hz）を機による電流フィードバック制御から構成されている。①
元に，次に述べる
RPO
や波形レコーダで使用する共通のアナログ回路による電流フィードバック制御は，受電電圧変動などの速い外乱を抑制するためのものであり， のクロック信号（100 kHz）とトリガ信号（25 Hz）を作成する。

2.

RCS 主電磁石電源の電流制御システム

Figure 3: Block diagram of the magnet current control in RCS main magnet power supplies.

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PASJ2022 FRP043枚）から構成されており，19 インチラック規格の 2U サイズにすべてのプリント基板を収納しており，信号の取り合いは正面パネルのみで行う。
4.1 主基板
主基板は，SoC FPGA と各種メモリ，周辺ペリフェラルを実装しており，拡張基板を接続するため４つのスロットを設けている。SoC FPGA には Zynq-7000 を用いている。
Zynq-7000 は，Processing System(PS)と ProgrammableLogic（PL）から構成されており，PS-PL 間は AXI バスにより高速データ転送が可能である。
PS は，Arm Cotex-A9 Dualcore を中心とした CPU コアと，メモリインターフェイス，IO ペリフェラルから構成されており，メインメモリとして DDR3(1 GB)，データ保存用メモリとして eMMC(32 GB)，起動時に使用するブート用メモリとして SDCARD，QSPI Flash(128 MB) ，外部装置との通信用として Ethernet や UART と接続している。PS では OS として Petalinux を用いており，OS 上で PL 側のロジック回路を制御するためのソフトを動かしている。
PL は，拡張基板を制御するための専用ロジック回路を動かしており，IO ピンを介して拡張基板と接続している。
PL で使用するクロック信号とタイミング信号は，4ch の光レシーバと 1ch の SFP モジュールから供給される。光レシーバにはクロック信号（12 MHz），トリガ信号（25 Hz），MLF/MR の切り替え信号を入力する。本装置は，電源盤に内蔵して使用することから，タイミング系の入力信号はすべて光ファイバーを用いている。

タイミングユニット

RPO ボード(a)Control cabinet (Timing Unit and RPO).

波形レコーダ(ADC)

4.2(b)Power supply cabinet (ADC Unit).
Figure 4: Control system of RCS main magnet power
supplies.
RPO は，16 bit, 100 kHz，RS422 仕様の高速ディジタ
ル出力を 1ch 内蔵している VME 規格のボードであり，タイミングユニットから供給されるクロック信号とトリガ信号に同期して，電源に与える電流指令パターンを出力する。
RCS の主電磁石電源は全 9 台あることから，9 枚の RPOボードと 1 枚の CPU ボードを共通の VME クレートに実装している。
波形レコーダは，垂直分解能 16 bit，サンプリング周波数 100 kHz の ADC を 2ch 内蔵しており，タイミングユニットから供給されるクロック信号とトリガ信号に同期して，電磁石電源の出力電流と出力電圧をモニタする。
各ハードウエアの設置場所は，タイミングユニットとRPO ボードを搭載した VME クレートは，制御用の 19 インチラックに設置する一方，波形レコーダは電源に内蔵している DCCT からの出力電流信号を入力する必要があることから，DCCT の近傍である電源盤内に設置している。

4.

新電源制御ユニットのハードウエア構成

Figure 5, 6 に，今回開発した電源制御ユニットのハードウエア構成を示す。本システムは，全体の制御を担う
主基板と，個別の機能を実現するための 4 枚の拡張基板（パターン出力基板 2 枚，ADC 基板 1 枚，DIO 基板 1

パターン出力基板

パターン出力基板は，現在運用している電源制御システムの RPO ボードに相当し，タイミング信号に同期した，最大 20 bit の指令パターンを出力する。パターン出
力のクロック周波数は，電源の仕様に合わせて，100 kHz，200 kHz，500 kHz，1 MHz から選択できる。パターン出
力基板には，主基板と拡張基板の間を絶縁するためのアイソレータと，RS422 トランシーバが実装されている。
主電磁石電源では，電源に与える指令パターンは電流指令パターンのみであるが，電圧指令パターンが要求されるパターン電源もあるため，パターン出力基板は 2枚実装している。
パターン出力基板は，RCS で使用する他のパターン電源でも使用できるよう，（１）正弦波モードと（２）任意波形モードの２つのモードが選択できる。
（１）正弦波モードは，RCS の主電磁石電源のような共振電源で使用する。共振電源では，電源容量は共振回路の抵抗成分のみしか持たないため，急峻な電流変化をさせようとすると，過電圧や過電流が生じる。これを避けるため，電磁石電流値が定常状態に達するまで，徐々に電流振幅を増加させる必要がある。そのため，電流パターンの立ち上げ及び立ち下げ時には，電流パターンが不連続とならないよう制御している。
（２）任意波形モードは，トリガ毎に波形パターンを任意に変更できるモードである。RCS のパターン電源の中には，ビームの行き先が MLF と MR で異なる励磁パターンが要求される場合がある。パターンの切り替えは，主基板に入力される，MLF/MR 切り替え信号で切り替えることができる。

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Figure 5: Block diagram of the new power supply controller.
4.3

ADC 基板主基板

ADC 基板は，現在運用している電源制御システムの波形レコーダに相当し，電磁石電源の出力電流，出力電圧信号をモニタするため，垂直分解能 18 bit，最大サンプリング周波数 1MHz の ADC を 2ch 内蔵している。サンプリング周波数は電源の仕様に合わせて，100 kHz，200 kHz，500 kHz，1 MHz から選択できる。サンプリングされた波形データは，AXI バスを介して PS 側のメインメモリに保存され，この波形データは，Ethernet を経由して外部から取り出しできる。メインメモリには，1ch 当たり最大 10 秒まで波形データの保存ができる。
4.4

拡張基板

(a)Main board and four daughter boards.

DIO 基板

DIO 基板は，外部から制御ユニットを直接操作するために設けられており，ディジタル入力 8ch，ディジタル出力 8ch から構成されている。

5.

単体動作試験

実際の電磁石電源に組み込む前に，単体での動作確認を行った。制御用 PC から Ethernet を介した遠隔制御により，パターン基板，ADC 基板，DIO 基板の動作確認を行った。

6.

(b) Front Panel.
Figure 6: New power supply controller.

まとめ

本論文では，現在運用している J-PARC RCS の主電磁石電源制御システムを代替する，新たな電源制御システムを開発した。本システムは，19 インチラック 2U サイズに，電源の電流制御に用いるすべてのハードウエアを収納することにより，現在運用しているシステムと比較して，大幅な小型化と簡素化を実現した。今後は，実際の電磁石電源と組み合わせて通電試験を行い，性能を評価する。

謝辞
本システムの開発にあたって，日立造船株式会社の山本氏，河村氏，石坂氏，向井氏にご協力いただきました。誠にありがとうございました。

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参考文献[1] Y. Watanabe et al., “Power Supply Systems for Rapid
Cycling Synchrotron”, IEEJ Trans. IA, Vol.126, No.5, 2006.
[2] Y. Watanabe et al., “Suppression scheme of COD variation
caused by switching ripple in J-PARC 3GeV Dipole Magnet
Power Supply”, Proceedings of IPAC2010, 3242-3244.
[3] Y. Watanabe et al., “Development of a Feedback Control
System for Resonant Power Supplies in the J-PARC 3-GeV
Synchrotron”, Proceedings of IPAC2013, 672-674.
[4] Y. Watanabe et al., “Rapid-Cycling Power Supplies for theJ-PARC RCS Sextupole Magnets”, Proceedings ofIPAC2011, 3338-3340.
[5] Y. Watanabe et al., “速い繰り返しの電磁石における高精度 ト ラ ッ キ ン グ 制 御 ”, Proceedings of the 10th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, 538-540.

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