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，

Presentation on theme: "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，"— Presentation transcript:

1 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， (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

2 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 干渉計構成の複雑化 Lock acquisition
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 (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

3 ２．Lock Acquisition Error signal と制御 短い瞬間の間に限られた力で引き込む難しさ
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 短い瞬間の間に限られた力で引き込む難しさ 理想のerror signal 干渉計のerror signal 電圧 電圧 線形域がせまい 変位 変位 (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

4 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 Lock acquisitionの改善をしたい
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 (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

5 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 IO-board 平塚エンジニアリング社 DSK6000IFA Sampling frequency Max200kHz 16bit 8ch-ADC, 4ch-DAC (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

6 ５．デジタルフィルタにおける遅延 TAMAでのデジタル制御 時間遅れ問題 ＤＳＰを用いたシステムの遅延
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 1kHz ＵＧＦとして数百～1kHzくらいは期待できる (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

7 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 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 300m 10m (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

8 ７．デジタルフィルタ デジタルフィルタの周波数応答 アナログフィルタとほぼ同一のフィルタを実現
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 デジタル（Gain up） デジタル 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 アナログ デジタル デジタル（Gain up） (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

9 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 工夫その1 工夫その2
(cf. LIGO, VIRGO) 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 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 Error signal と透過光量 規格化後 Error signal 線形域 演算後 Error signal 生Error signal 1 トリガー 透過光量 変位 (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

10 ９．改良フィルタでのLock acquisition
透過光量 生error signal 演算後 error signal トリガー Feed back Lock acquisitionに成功！ (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

11 １０．Open loop伝達関数 Unity Gain Frequency デジタル 800Hzを達成 1 位相余裕 アナログ 800
30° アナログに対する位相遅れ 今回のＤＳＰシステムの時間遅れと一致 1 アナログ 800 アナログ デジタル (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

12 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 アナログ（従来のTAMA）　 　　　５分に１回程度 平均所要時間 3.0 sec / Lock 　 デジタル（改良後）　　　 　　35回／200秒 (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

13 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 デジタルフィルタの形 ノイズレベル
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 (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保　

14 １３．まとめ 典型的に５分 → ３．０秒／Lock 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 (水) ２００５年物理学会秋季大会（大阪市大）　　　　中川　憲保