Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SAP091

SACLA-BL1 アンジュレータ制御システムの改修
MODIFICATION OF SACLA-BL1 UNDULATOR CONTROL SYSTEM
黒木教平#, A), 吉永和矢 A), 北村全伸 A, 仲谷光司 A)
Kazutoshi Kurogi #, A), Kazuya YoshinagaA), Masanobu KitamuraA, Koji NakataniA)A)
Hitachizosen

Abstract
In this paper, it is shown for the modification of the main control system for the undulator used in SPring-8 Compact
SASE-FEL Source (SCSS) of the test acceler ator of the relocation plan to the b eam line BL1 of the XFEL(X-ray Free
Electron Laser: SACLA) facility of RIKEN. Major modification in relocation, 1-axis drive motor was changed to 2-axis
simultaneous driving. In addition, the soft limit function was added, and the backlash function was also modified.
Operation test of the modifications control system was carried out with a good result.

1.

はじめに

X 線自由電子レーザ XFEL ( X-ray Free ElectronLaser ) におけるアンジュレータとは、永久磁石(Figure 1)が生成する周期的な磁場を利用し、入射する電子を蛇行させ、高エネルギー電子ビームから X線レーザを取り出すための装置である[1]。
独立行政法人理化学研究所の XFEL 施設 SACLA(SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser) で使用されているアンジュレータ駆動架台の基本構造として、電子レーザが実際に通過する真空槽の上部および下部に磁石列を配置している。磁石列はボールねじのナット部に取り付いているため、ボールねじをモータにて回転させることで、磁石列が上下に動Figure 2: Controlled object undulator.
作する。また、モータシャフト部にはモータの回転角を測定するロータリエンコーダが取り付いており、磁石列の位置を測定することが可能である。
電子を蛇行させる磁場は、上下磁石列間の距離 2.
アンジュレータ制御システムの概要(ギャップ)に強く依存する。従って、磁石列を正確アンジュレータ制御システムの構成を Figure 3 にに目標位置へ移動を行うための制御システムが不可示す。アンジュレータ制御には制御プログラムをイ欠である。
本発表では、主に SACLA のビームライン BL1 に ンストールした専用 PLC ユニット(PLC-ID)を使用する。PLC-ID はステッピングモータをコントロール移設予定の SCSS(SPring-8 Compact SASE-FELSource)試験加速器で用いられたアンジュレータ(以 するモータドライバと DeviceNet ケーブルにて接続下、BL1 アンジュレータと記す Figure 2) を対象とし している。PLC-ID からステッピングモータ駆動のた主な制御システムの改修について示す。2 章では パルス指令をモータドライバへ送信することで、指アンジュレータ制御システムの概要、3 章ではアン 定分の駆動を行い、磁石列の目標位置移動が可能でジュレータ移設に伴う制御システムの改修について ある。用途によって、絶対値移動、相対値移動の選択が可能である。また、モータドライバからのレゾ示す。4 章では改修後の結果について示す。
ルバ信号を受信することで磁石列の現在値を把握することができる。
アンジュレータ操作やモータドライバから取得する情報は、PLC-ID と Ethernet にて接続するタッチパネルで操作および表示する。PLC-ID がローカルモードの場合、主として現在のギャップ幅および上下磁石列の中心軸高さ位置情報、ギャップ幅および中心軸高さの変更、アラームステータスをタッチパFigure 1: Permanent magnet.
ネルで操作および監視が可能である。タッチパネルの操作画面のイメージを Figure 4 に示す。PLC-ID が___________________________________________#
リモートモードの場合、FL-net 通信により、上位かkurogi@hitachizosen.co.jp- 752 -

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ら位置変更操作および状態監視が可能である。
アンジュレータ本体には磁石列の位置変更操作において、他機器との干渉に伴う破損防止のために、リミットスイッチを設置している。モータ正回転方向および逆回転方向のそれぞれリミットスイッチが押されると、モータドライバがリミット信号を検出しモータ駆動を停止する。以後、リミット信号検出に伴って発報したアラームをリセットしない限り、モータ駆動を行うことができない。リミット信号情報については、タッチパネルのステータス画面にて確認することが可能である。
なお、1 台の PLC-ID につき、アンジュレータ架台用モータドライバ 2 台(1 台につき 2 チャンネルを有する)、位相器用モータドライバ 1 台の制御が可能である。
Limit switch signal
Resolver input signal
Motor output signal
DeviceNet,Ethernet,FL-net etc
Touch panel

PLC-ID

Hub

Motor driver

Motor
RotaryencoderMagnetic array
Magnetic array

Rotaryencoder

Figure 4: Operation screen.

3.

BL1 アンジュレータの SACLA ビームラインへの移設にあたり、本アンジュレータの特異なシステム構成や制御機能増強の要件を満たすため、主として以下の改修を行った。
 モータの 2 軸同時駆動
BL1 アンジュレータは、既設の BL3 で使用されているアンジュレータとシステム構成が異なる。
Table 1 は、BL3 および BL1 アンジュレータの磁石列動作に使用するモータの構成表である。BL3 アンジュレータは、ギャップ操作を行うモータおよび中心軸高さ操作を行うモータを有する。従って、
BL3 磁石列操作は 1 軸のモータ駆動のみである。
これに対し、BL1 アンジュレータは、上部磁石列操作を行うモータおよび下部磁石列操作を行うモータを有する。既存の制御システムでは 1 軸のモータ駆動のみ行うため、ギャップ操作や中心軸高さ操作を行うことができない。従って、2 軸のモータを同時駆動が可能となるように制御システ
ムの改修を行った。
ギャップ操作は Figure 5 に示すイメージ図のように行う。上下の磁石列は、反対方向に同じ距離を移動する。これにより、中心軸高さを変えることなくギャップを操作することができる。ギャップ幅は(1)式から算出し、タッチパネル上に表示する。

W T B

Limit switch
Motor

Figure 3: Controlled object undulator.

アンジュレータ制御システムの改修(1)

ここで、W はギャップ幅、T は上側ロータリエンコーダで読み取る上側磁石列の現在位置、B は下側ロータリエンコーダで読み取る下側磁石列の現在位置とする。
中心軸高さ操作は Figure 6 に示すイメージ図のように行う。上下の磁石列は、同じ方向に同じ距離を移動する。これにより、ギャップ幅を変えることなく中心軸高さを操作することができる。中心軸高さは(2)式から算出し、タッチパネル上に表示する。

M  B  T  B  2
ここで、M は中心軸高さとする。

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

T : Height of top magnet
B : Height of bottom magnet
W : Gap
M : HeightTop magnet

ソフトリミット機能追加
磁石列の位置変更操作において、誤操作等により閾値以上の目標値設定した場合、機器がリミットスイッチを押すまでモータ駆動をすることになる。リミットスイッチによる停止を避けるために、ソフトリミット機能の追加を行った。本機能により、閾値以上の操作設定の場合には、モータを駆動させることなく誤った設定を取り消す。閾値は上下それぞれの磁石列ごとに物理値にて任意に設定することが可能である。
 バックラッシュ回避機能改修
磁石列をより正確に目標位置に移動させる目的
で、モータのバックラッシュ回避機能を改修した。
上下それぞれの磁石列に対し、モータの正回転または逆回転のいずれか一方をバックラッシュ有効方向として指定することができる。指定した方向については、目標位置まで移動した後、更に任意の指定量だけ移動を続け、その後、目標位置に戻る動作を行う。指定していない回転方向については、目標位置までの移動のみを行う。

Central axis
Bottom magnet
T

BL3 undulator

BL1 undulator

Axis 1GapTop magnet
array

Axis 2HeightBottom magnetarray

T : Height of top magnet
B : Height of bottom magnet
W : Gap
M : HeightTop magnet

W

Central axis
Bottom magnet
TM

BTop magnet
Central axis
Bottom magnet
TB

Bottom magnet

BM

Figure 6: Height operation.

4.

制御システムの改修後の結果

2 章で示した既存制御システムおよび 3 章で示した改修制御システムは独立行政法人理化学研究所内の施設にて、実機アンジュレータを用いて動作試験を行った。
試験内容としては、磁石列の移動操作、各ロータリエンコーダの読み取り値から算出する現在位置表示の確認、リミットスイッチ押下およびソフトリミット信号によるモータの停止確認を行った。
結果として、全ての機能において良好な結果を得ることができた。
また、ソフトリミットの機能については、既存のBL3 アンジュレータ、新設の BL2 アンジュレータ制御にも導入を予定している。

[1] T.Tanaka, “高エネルギー加速器セミナーOHO’13”,2013.
URL : http://accwww2.kek.jp/oho/OHOtxt/OHO2013/03_tanaka_takashi_2_20130710.pdf

WCentral axis

TW

参考文献

Gap change
Top magnet

M

B

Height change

Table 1: Configuration of the Motor
Undulator
typeW

M

Figure 5: Gap operation.

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