Transcript 2005.09.14(水) レーザー干渉計制御のデジタル化

レーザー干渉計制御のデジタル化
中川憲保，新井宏二A，佐藤修一A，高橋竜太郎A，
阿久津智忠B，辰巳大輔A，長野重夫A，福嶋美津広A，
山崎利孝A，川村静児A，藤本眞克A，黒田和明
東大宇宙線研，国立天文台A，東大天文B，
2005.09.14(水)
２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）
中川 憲保
１．レーザー干渉計
重力波検出器としてのレーザー干渉計
干渉計には制御が欠かせない
干渉計構成の複雑化
ＦＰ共振器
リサイクリング
他のアップグレード
Lock acquisition
干渉計が複雑化するほど、Lockしにくくなる
アナログでは複雑になりすぎる制御が今後必要になってくる
今回デジタル制御によるLock Acquisitionに取り組んだ
2005.09.14(水)
２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）
中川 憲保
２．Lock Acquisition
Error signal と制御
動作点を０としてその周りの線形域の信号を頼りに動作点に引き込む
のがLock
変位に対する感度が高くなるように干渉計を構成
線形領域が狭くなった
理想のerror signal
電
圧
干渉計のerror signal
電
圧
線形域がせまい
x10
-3
x10
変位
-3
変位
短い瞬間の間に限られた力で引き込む難しさ
2005.09.14(水)
２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）
中川 憲保
３．アナログとデジタル
TAMAはアナログフィルタで制御されてきた
世界に先駆けて大型干渉計を稼働させるのが目的だった
安価である
ノウハウの蓄積がある
低ノイズ回路を作りやすい
Lock acquisitionの改善をしたい
アナログでは演算、調整に限界がある
デジタルフィルタを用いて制御の改良を行う
アナログフィルタだと厄介な複雑な信号演算が出来る
臨機応変にフィルタの変更が出来る
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中川 憲保
４．今回用いたデジタルシステム
DSP
IO-board
TI社 TMS320C6711 DSK
クロック周波数
150MHz
浮動小数点演算器
平塚エンジニアリング社 DSK6000IFA
Sampling frequency
Max200kHz
16bit 8ch-ADC, 4ch-DAC
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５．デジタルフィルタにおける遅延
TAMAでのデジタル制御
UGFが数十Hzの制御サーボはある
現在のＣＰＵではこれが限界
時間遅れ問題
サンプリング、ADC、DACなどで時間遅れが生じる
これが制御ループの伝達関数にかかってくる
制御に非常に重要な位相に関して、遅れてしまう
ＤＳＰを用いたシステムの遅延
時間遅れ 21.7us （200kHz sampling）
↓
位相遅れ 8.1°@ 1kHz
ＵＧＦとして数百～1kHzくらいは期待できる
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６．片腕のmass制御によるlock
時間がかかるLock acquisition
レーザー周波数は10m Mode-Cleaner (MC)を用いて安定化
• 腕による安定化はしない
片腕を自分のmassのみでロックする
アナログフィルタでは典型的には５分程度かかる
300m
10m
Front mirrorを用いて300m-Cavityを片腕mass lock
MC : Cavity = 1 : 30
腕CavityはMC変位の３０倍したものに追従しなくてはならない
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７．デジタルフィルタ
アナログ
デジタルフィルタの周波数応
答
アナログフィルタと同一になるよ
う設計
ロック後の低周波ゲインブースト
Magni t ude
10
1
0. 1
デジタル
0. 01
0. 001
0. 0001
10
Phase [ degr ee]
アナログフィルタとほぼ同一
のフィルタを実現
デジタル系の時間遅れに相
当する位相遅れが見られた
デジタル（Gain up）
150
100
50
0
-50
-100
-150
10
1
2
3
10
10
Fr equency [ Hz]
4
10
アナログ
デジタル
デジタル（Gain up）
10
2005.09.14(水)
0
0
10
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1
2
3
10
10
Fr equency [ Hz]
中川 憲保
4
10
８． Error signalの演算
Lockをかかりやすくするため
Error signalに演算を加える
(cf. LIGO, VIRGO)
Error signal と透過光量
規格化後
Error signal
線形域
工夫その1
透過光量を用いて規格化する
• Error signalの線形領域を増やす
工夫その2
生Error signal
透過光量を用いてトリガーにする
透過光量がある閾値以下ではerr=0
にする
• ノイズ部分を消す
1
トリガー
0
透過光量
2005.09.14(水)
演算後
Error signal
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変位
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９．改良フィルタでのLock acquisition
既存のアナログフィルタでは、典型的に５分程度かかった
lockだったが、制御開始数秒後…
Lock!
透過光量
生error signal
演算後
error signal
トリ
ガー
Feed back
0
0 .0 1
0 .0 2
Ti me [ sec]
0 .0 3
Lock acquisitionに成功！
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中川 憲保
0 .0 4
１０．Open loop伝達関数
1
Magnitude
1
-1
10
アナログ
-3
10
位相余裕
800
-5
10
2
10
Phase [ degree]
Unity Gain Frequency
800Hzを達成
デジタル
10
30°
3
10
Frequency [ Hz]
4
10
アナログに対する位相遅
れ
アナログ
100
0
今回のＤＳＰシステムの時
間遅れと一致
デジタル
-100
2
10
2005.09.14(水)
3
4
10
10
Frequency [ Hz]
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１１．既存のLock acquisitionとの比較
２００秒間測定し、lockがかかれば手動で強制的に落として
何回lockするかを調べた
Lockするまでの時間のヒストグラ
ム
10
アナログ（従来のTAMA）
５分に１回程度
平均所要時間
8
3.0 sec / Lock
6
4
デジタル（改良後）
2
35回／200秒
0
0
2
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4
6
8
10
Time [ sec]
12
14
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１２．デジタルフィルタ設計上の困難
1サンプリング以内に演算を終える必要
ＤＳＰの演算機能による問題(e.g.除算)
デジタルフィルタの形
桁落ち（e.g.縦続型、直接Ⅱ型）
ノイズレベル
300nV / rtHz
ホワイトニングの必要性
PCと接続する事によるノイズレベル悪化
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中川 憲保
１３．まとめ
デジタルで現状のアナログフィルタは再現できた
ＵＧＦ、800Hzを達成
規格化とトリガーにより飛躍的にLock acquisitionが向
上
周波数安定化無しによる片腕Lock
典型的に５分
→ ３．０秒／Lock
今後の予定
RFPMIをデジタルフィルタでlockさせる
ノイズが影響する時のホワイトイング、デホワイトニング
他の制御servoへの取り組み
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中川 憲保