JP2012020008A - Wasted time compensation device and x-ray ct apparatus using the same - Google Patents

Wasted time compensation device and x-ray ct apparatus using the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an X-ray CT apparatus able to compensate for the wasted time of a control target and for variation in wasted time.SOLUTION: A control section 8 feed-back-controls an inverter 2 by using the information of an X-ray tube transmitted to an immovable section 9 from a rotary section 10 by use of transmitting sections 20 and 21. A Smith estimating unit 80 includes a control target model circuit 81 and a wasted-time model circuit 84. A delay-time calculating section 85 calculates the wasted time caused by the transmission of the information of a radiating section by the transmitting sections 20 and 21, and compensates for the wasted time of the wasted-time model circuit. Thus, even in the case where the transmitting section carries out digital transmission with an error correction function, control using a Smith method can be exerted by compensating for delay time resulting from error correction made by the error correction function.

Description

本発明は、回転部に搭載された制御対象を静止部に配置された制御回路によって制御するX線CT装置において、信号伝送の無駄時間およびそのゆらぎを補償する機能に関する。   The present invention relates to a function for compensating a dead time of signal transmission and fluctuation thereof in an X-ray CT apparatus that controls a control target mounted on a rotating unit by a control circuit disposed in a stationary unit.

X線CT装置では、X線管およびX線検出器を回転盤に搭載し、被検体の周囲を回転させながらX線を照射および検出を行う。このため、静止側のインバータ回路から回転盤上のX線管へ電力を供給するとともに、X線検出器の検出信号を回転盤から静止側の信号処理装置に受け渡すために、回転盤と静止部との間の接触部には電力や信号の伝送手段が配置されている。例えば、スリップリングとブラシとを組み合わせた伝送手段が広く知られている。   In the X-ray CT apparatus, an X-ray tube and an X-ray detector are mounted on a rotating disk, and X-ray irradiation and detection are performed while rotating around the subject. For this reason, in order to supply power from the inverter circuit on the stationary side to the X-ray tube on the rotating disk and to pass the detection signal of the X-ray detector from the rotating disk to the stationary signal processing device, Electric power and signal transmission means are arranged at the contact portion between the two portions. For example, a transmission means combining a slip ring and a brush is widely known.

特許文献1には、スリップリングとブラシの接触部に摩耗が生じるという問題を解決するため、回転盤と静止部との対向面にそれぞれコイルを配置し、電磁誘導作用により非接触で電力を供給する技術が開示されている。   In Patent Document 1, in order to solve the problem that wear occurs in the contact portion between the slip ring and the brush, coils are arranged on the opposing surfaces of the rotating disk and the stationary portion, and power is supplied in a non-contact manner by electromagnetic induction. Techniques to do this are disclosed.

また、特許文献1の段落0019には、スリップリングや非接触電磁誘導の他に、光や電波を用いた通信システムにより、回転盤上のX線検出器の検出信号を静止部に伝送することが記載している。   In paragraph 0019 of Patent Document 1, in addition to the slip ring and non-contact electromagnetic induction, the detection signal of the X-ray detector on the turntable is transmitted to the stationary part by a communication system using light or radio waves. Is described.

また、静止部のインバータ回路の制御回路には、回転盤上のX線管の管電圧をフィードバックさせ、所定のX線出力が得られるように制御している。このため、管電圧信号は、スリップリング、非接触電磁誘導、光や電波を用いた通信システムにより静止部に伝送される。   Further, the control circuit of the inverter circuit of the stationary part is controlled so as to obtain a predetermined X-ray output by feeding back the tube voltage of the X-ray tube on the rotating disk. For this reason, the tube voltage signal is transmitted to the stationary part by a slip ring, non-contact electromagnetic induction, a communication system using light or radio waves.

一方、火力発電所等のプラントにおいて、ボイラへ供給される燃料の流量等を制御する際には一般的にPID制御が用いられる。制御対象への制御量を変更した後、制御対象からその応答が検出されるまでの遅れ(無駄時間)が大きい場合、フィードバック制御が困難になるため、スミス法が用いられる。例えば、特許文献2には、ボイラの蒸気温度の制御のためにスミス予測器を用いている。特許文献2の技術は、無駄時間に変動がある場合に蒸気温度が発散してしまうことを防止するために、自己回帰モデルを用いて無駄時間を算出している。また、特許文献3には、プラント制御において制御対象の特性やゲインが変化する場合にも、スミス法の機能を十分発揮させるために、制御対象モデル手段の出力からゲイン比率の変化を求め、制御信号のゲインを修正する技術が開示されている。   On the other hand, in a plant such as a thermal power plant, PID control is generally used when controlling the flow rate of fuel supplied to a boiler. The Smith method is used because feedback control becomes difficult when there is a large delay (dead time) until a response is detected from the control target after changing the control amount to the control target. For example, Patent Document 2 uses a Smith predictor for controlling the steam temperature of a boiler. The technique of Patent Document 2 calculates the dead time using an autoregressive model in order to prevent the steam temperature from being emitted when there is a fluctuation in the dead time. Further, Patent Document 3 obtains a change in the gain ratio from the output of the control target model means in order to sufficiently exert the function of the Smith method even when the characteristics and gain of the control target change in plant control, and control is performed. A technique for correcting the gain of a signal is disclosed.

ここで一般的なフィードバック制御系とスミス法について簡単に説明する。通常のフィードバック制御系を図19に示す。図19において、C(s)はコントローラ101の伝達関数、G(s)は制御対象102の伝達関数、e-sLは無駄時間要素の伝達関数、R(s)は制御指令、U(s)は操作量、D(s)は外乱、Y(s)は出力を示している。このフィードバック制御系において、制御対象102が1次遅れのみで無駄時間Lがほとんどない(L≒0)場合、PI制御によって容易に制御できる。しかし制御対象102の無駄時間が大きい場合には、制御に大きな影響を生じ、制御が難しくなっていく。そのときの図19の制御系の伝達関数は、下記(式1)のように表される。 Here, a general feedback control system and the Smith method will be briefly described. A normal feedback control system is shown in FIG. In FIG. 19, C (s) is a transfer function of the controller 101, G (s) is a transfer function of the controlled object 102, e- sL is a transfer function of a dead time element, R (s) is a control command, U (s) Indicates an operation amount, D (s) indicates a disturbance, and Y (s) indicates an output. In this feedback control system, when the control object 102 is only the first-order delay and there is almost no dead time L (L≈0), it can be easily controlled by PI control. However, when the dead time of the control object 102 is large, the control is greatly affected and the control becomes difficult. The transfer function of the control system in FIG. 19 at that time is expressed as shown in (Equation 1) below.

・・・・・(式1)
ただし、外乱は考えていない(D(s)=0)。上記式1により、この制御系の特性方程式は、下記式2のように表される。
... (Formula 1)
However, no disturbance is considered (D (s) = 0). From the above equation 1, the characteristic equation of this control system is expressed as the following equation 2.

・・・・・(式2) ... (Formula 2)

この特性方程式には無駄時間Lが含まれるため、Lが無視できない大きさである場合には制御性能が劣化し、コントローラ101の設計が困難のものとなる。   Since this characteristic equation includes the dead time L, when L is a size that cannot be ignored, the control performance is degraded, and the controller 101 is difficult to design.

そこで、この無駄時間を補償するために、従来の特許文献2、3のようなプラント制御では、スミス法が用いられる。スミス法を用いた制御系の基本構成図を図20に示す。図20において、制御対象モデル103は、制御対象102の伝達関数G(s)とほぼ等しい伝達関数P(s)を持ち、無駄時間モデル104は、無駄時間要素と等しい伝達関数e-sLを持つ。制御対象モデル103と無駄時間モデル104とを併せてスミス予測器105と称する。 Therefore, in order to compensate for this dead time, the Smith method is used in the conventional plant control as disclosed in Patent Documents 2 and 3. A basic configuration diagram of a control system using the Smith method is shown in FIG. In FIG. 20, the control target model 103 has a transfer function P (s) substantially equal to the transfer function G (s) of the control target 102, and the dead time model 104 has a transfer function e −sL equal to the dead time element. . The controlled object model 103 and the dead time model 104 are collectively referred to as a Smith predictor 105.

図20のように、スミス法を用いた制御系は、無駄時間を持つ制御対象102(伝達関数G(s)e-sL)に対して、制御対象モデル103の伝達関数P(s)のフィードバックならびに、無駄時間モデル104の伝達関数e-sLと制御対象102の伝達関数G(s)e-sLの差分をフィードバックする。すなわち、スミス法は、制御対象モデル103と無駄時間モデル104を持ち、無駄時間経過後に現れる現象を常に予測しながら制御を行う。つまり、制御量および設定値R(s)およびコントローラ101の伝達関数C(s)によって操作量U(s)が算出され、スミス予測器を用いて操作量U(s)に対する制御量の変化が予測され、さらに、この変化量に基づきコントローラC(s)内で操作量U(s)が算出される。したがって、図20のスミス予測器105を備えたフィードバック制御系の制御指令値R(s)から出力Y(s)までの伝達関数は、(式3)のようになる。 As shown in FIG. 20, the control system using the Smith method feeds back the transfer function P (s) of the control target model 103 to the control target 102 (transfer function G (s) e −sL ) having a dead time. In addition, the difference between the transfer function e −sL of the dead time model 104 and the transfer function G (s) e −sL of the control target 102 is fed back. That is, the Smith method has a control target model 103 and a dead time model 104, and performs control while always predicting a phenomenon that appears after the dead time. That is, the manipulated variable U (s) is calculated from the controlled variable, the set value R (s), and the transfer function C (s) of the controller 101, and the change of the controlled variable with respect to the manipulated variable U (s) is changed using the Smith predictor. Further, an operation amount U (s) is calculated in the controller C (s) based on the amount of change. Therefore, the transfer function from the control command value R (s) to the output Y (s) of the feedback control system provided with the Smith predictor 105 of FIG.

・・・・・(式3) ... (Formula 3)

制御対象モデル103の伝達関数と制御対象102の伝達関数に誤差が全くない場合、すなわちP(s)=G(s)であれば、特性方程式は、(式4)のようになる。
・・・・・(式4)
(式4)の特性方程式には、無駄時間Lが残らないので安定である。このようにスミス予測器を用いることで、システムから無駄時間による影響を排除でき、出力Y(s)を制御指令R(s)に精度よく追従させることができる。また、無駄時間がない場合と同じコントローラ101を使用できる。
If there is no error between the transfer function of the control target model 103 and the transfer function of the control target 102, that is, if P (s) = G (s), the characteristic equation is as shown in (Expression 4).
(Formula 4)
The characteristic equation of (Equation 4) is stable because the dead time L does not remain. By using the Smith predictor in this way, the influence of dead time can be eliminated from the system, and the output Y (s) can accurately follow the control command R (s). Moreover, the same controller 101 as when there is no dead time can be used.

スミス法は、無駄時間を制御ループから排除できるため、見かけ上制御対象に無駄時間がなくなること、フィードバック制御系の特性方程式から無駄時間が排除されるためコントローラの設計が容易になること、外乱に対しては無駄時間がそのまま残るため複雑なまま放置されること、などの特徴を有することが知られている。   The Smith method eliminates wasted time from the control loop, which eliminates the wasted time in the control target, and eliminates the wasted time from the characteristic equation of the feedback control system. On the other hand, it is known that it has a feature such that it is left as it is complicated because the dead time remains as it is.

特許第4008010号公報Japanese Patent No. 4008010 特開昭62−248902号公報JP-A-62-248902 特開平5−35306号公報JP-A-5-35306

X線CT装置では、X線管の管電圧情報を光ファイバなどの通信システムでフィードバックし、これによりインバータの周波数や出力電圧を制御することでX線管への供給電力を制御している。X線管は、回転盤に搭載されているため、管電圧情報を静止側のインバータ回路へフィードバックする際には、回転盤から静止側への伝送が必要である。伝送にはスリップリング、光伝送、静電伝送、電波等が用いられるが、伝送の途中で回転盤から静止側へ伝送する構成を伴うため、1ms〜数msの時間遅延(無駄時間)が生じる。特に、デジタル伝送を行う場合、伝送データの間違い検出処理や、間違いが発見された時のエラー訂正処理等により、高精度に情報を伝送することができるが、これら処理時間により伝送に遅れ(無駄時間)が生じ、しかも伝送遅れにばらつき(無駄時間のばらつき)が生じる。   In the X-ray CT apparatus, tube voltage information of the X-ray tube is fed back by a communication system such as an optical fiber, thereby controlling the power supplied to the X-ray tube by controlling the frequency and output voltage of the inverter. Since the X-ray tube is mounted on the rotating disk, when the tube voltage information is fed back to the stationary inverter circuit, transmission from the rotating disk to the stationary side is required. For transmission, slip ring, optical transmission, electrostatic transmission, radio wave, etc. are used. However, since transmission involves transmission from the rotating disk to the stationary side during transmission, a time delay (dead time) of 1 ms to several ms occurs. . In particular, when digital transmission is performed, information can be transmitted with high accuracy by error detection processing of transmitted data, error correction processing when an error is found, and the like. Time) and transmission delay (variation of dead time) occurs.

また、管電圧情報の伝送のために、独立した伝送経路を用意するのは装置の大型化やコストアップにつながる。このため、X線検出器のX線検出データの伝送経路を利用し、管電圧信号を送信することが考えられる。この場合、X線検出データの伝送タイミングを見計らい、その合間に管電圧信号を伝送する必要があるため、無駄時間および無駄時間のばらつきは大きくなる。   Also, preparing an independent transmission path for transmission of tube voltage information leads to an increase in the size and cost of the apparatus. For this reason, it is conceivable to transmit the tube voltage signal using the transmission path of the X-ray detection data of the X-ray detector. In this case, since it is necessary to estimate the transmission timing of the X-ray detection data and transmit the tube voltage signal in the meantime, the variation in the waste time and the waste time becomes large.

無駄時間の大きいプラントの制御にスミス法を用いる特許文献2、3に記載の技術を、X線CT装置に応用し、無駄時間の大きな管電圧情報を用いたインバータ回路を制御することが考えられる。しかし、スミス予測器には、上述したように、制御対象と等しい伝達関数を持つ制御対象モデル、および無駄時間と等しい伝達関数をもつ無駄時間モデルが必要である。X線CT装置のように高電圧を発生する装置では、制御対象内に非線形要素であるダイオード整流回路を含んでいるため、制御対象をスミス予測器が必要とする伝達関数または状態方程式で表現することが難しく、モデルの作成は困難である。また、無駄時間のばらつきが不明であるため、無駄時間モデルの作成も困難である。   It is conceivable to apply the techniques described in Patent Documents 2 and 3 that use the Smith method to control a plant with a large dead time to an X-ray CT apparatus to control an inverter circuit using tube voltage information with a large dead time. . However, as described above, the Smith predictor requires a controlled object model having a transfer function equal to the controlled object and a dead time model having a transfer function equal to the dead time. An apparatus that generates a high voltage, such as an X-ray CT apparatus, includes a diode rectifier circuit that is a non-linear element in the controlled object, so that the controlled object is expressed by a transfer function or state equation required by the Smith predictor. It is difficult to create a model. In addition, since the variation in the dead time is unknown, it is difficult to create a dead time model.

特許文献2ではボイラへの燃料流量制御弁の制御する際の、ボイラの蒸気温度信号の無駄時間を自己回帰モデルを用いて算出する構成が開示されているが、この構成を用いて、X線管電圧のデジタルデータの伝送時の間違い検出やエラー訂正処理等に起因する無駄時間や無駄時間のばらつきを検出することはできない。   Patent Document 2 discloses a configuration for calculating the waste time of the steam temperature signal of the boiler when the fuel flow control valve to the boiler is controlled by using an autoregressive model. It is not possible to detect dead time and variations in dead time due to error detection, error correction processing, and the like during transmission of tube voltage digital data.

本発明の目的は、制御対象の無駄時間および無駄時間の変動を補償することができるX線CT装置を提供することにある。   The objective of this invention is providing the X-ray CT apparatus which can compensate the fluctuation | variation of the waste time of a control object, and a waste time.

上記目的を達成するために、本発明によれば以下のようなX線CT装置が提供される。すなわち、X線CT装置は、X線照射部およびX線検出部を搭載して被検体の周囲を回転する回転部と、X線照射部へ電力を供給する電力供給部および制御部を含む静止部と、回転部から静止部へ信号を伝送する伝送部とを有する。制御部は、伝送部により回転部から静止部へ伝送されたX線照射部の情報を用いて電力供給部をフィードバック制御する。制御部は、制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、X線照射部の情報の伝送部による伝送により生じる遅れ時間を算出し、無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備える。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the following X-ray CT apparatus is provided. That is, the X-ray CT apparatus includes an X-ray irradiation unit and an X-ray detection unit, a rotating unit that rotates around the subject, a power supply unit that supplies power to the X-ray irradiation unit, and a stationary unit that includes a control unit. And a transmission unit that transmits a signal from the rotating unit to the stationary unit. The control unit performs feedback control of the power supply unit using the information of the X-ray irradiation unit transmitted from the rotating unit to the stationary unit by the transmission unit. The control unit calculates a delay time caused by a Smith predictor including a control target model circuit and a dead time model circuit, and transmission of information of the X-ray irradiation unit by a transmission unit, and compensates for a dead time of the dead time model circuit A time calculation unit.

例えば、伝送部がエラー訂正機能を備えたデジタル伝送を行う構成である場合、遅れ時間には、エラー訂正機能によるエラー訂正で生じる遅れ時間が含まれる。   For example, when the transmission unit is configured to perform digital transmission having an error correction function, the delay time includes a delay time caused by error correction by the error correction function.

例えば、回転部は、X線照射部の情報を検出して、この情報に、伝送部による伝送前の時刻を表す情報を重畳して伝送部に伝送させる回転側制御部を備える構成とする。この場合、遅延時間演算部は、伝送部により伝送された情報に重畳された時刻と、伝送後の時刻との差を求めることにより遅れ時間を算出することができる。   For example, the rotation unit is configured to include a rotation-side control unit that detects information of the X-ray irradiation unit and superimposes information indicating the time before transmission by the transmission unit and transmits the information to the transmission unit. In this case, the delay time calculation unit can calculate the delay time by obtaining the difference between the time superimposed on the information transmitted by the transmission unit and the time after transmission.

また例えば、回転部は、X線照射部の前記情報を検出し、この情報に、所定のタイミングで番号を表す情報を重畳して伝送部に伝送させる回転側制御部を備える構成とする。この場合、遅延時間演算部は、伝送部により伝送された情報に重畳された番号から遅れ時間を演算することができる。   In addition, for example, the rotation unit is configured to include a rotation-side control unit that detects the information of the X-ray irradiation unit and superimposes information indicating a number at a predetermined timing and transmits the information to the transmission unit. In this case, the delay time calculation unit can calculate the delay time from the number superimposed on the information transmitted by the transmission unit.

また例えば、遅延時間演算部は、伝送部からエラー訂正の回数を受け取って、このエラー訂正回数と予め定められたエラー訂正に要する時間とを用いて遅れ時間を演算することができる。   Further, for example, the delay time calculation unit can receive the number of error corrections from the transmission unit and calculate the delay time using the number of error corrections and a predetermined time required for error correction.

制御対象モデル回路は、例えば、制御対象と等価な、オペアンプ回路、または、プロブラマブル集積回路によって構成することができる。   The control target model circuit can be configured by, for example, an operational amplifier circuit or a programmable integrated circuit equivalent to the control target.

また、本発明の別の態様によれば、無駄時間を有する制御対象をフィードバック制御する無駄時間補償機能を備えた制御装置が提供される。この制御装置は、制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、制御対象からの信号伝送において生じる遅れ時間を算出し、無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備える。   According to another aspect of the present invention, a control device having a dead time compensation function for performing feedback control of a control target having a dead time is provided. The control device includes a Smith predictor including a control target model circuit and a dead time model circuit, a delay time calculation unit that calculates a delay time that occurs in signal transmission from the control target, and compensates for the dead time of the dead time model circuit; Is provided.

本発明によれば、回転部から静止部への信号伝送に遅れ時間が生じ、かつ、この遅れ時間に変動が生じる場合であっても、この遅れ時間を算出し、無駄時間モデル回路の無駄時間を補償することができる。よって、X線CT装置のように、回転部と静止部との間の信号伝送が必要な装置であっても、精度の高い制御を行うことができる。   According to the present invention, even when a delay time occurs in the signal transmission from the rotating part to the stationary part and the delay time fluctuates, the delay time is calculated and the dead time of the dead time model circuit is calculated. Can be compensated. Therefore, even an apparatus that requires signal transmission between the rotating part and the stationary part, such as an X-ray CT apparatus, can perform highly accurate control.

実施形態の非接触給電方式X線CT装置の概略構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a contactless power feeding type X-ray CT apparatus of an embodiment. 図1のX線CT装置の管電圧の制御系を示すブロック図。The block diagram which shows the control system of the tube voltage of the X-ray CT apparatus of FIG. 図2の制御系による無駄時間の演算処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the calculation processing procedure of the dead time by the control system of FIG. 実施形態のインバータ2の出力からX線管7までの管電圧制御回路の等価回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the equivalent circuit of the tube voltage control circuit from the output of the inverter 2 of embodiment to the X-ray tube 7. FIG. オペアンプを用いた積分回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the integration circuit using an operational amplifier. オペアンプを用いた微分回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the differentiation circuit using an operational amplifier. 図4の等価回路を3分割した等価回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the equivalent circuit which divided the equivalent circuit of FIG. 4 into three. 図6で分割した等価回路の第1等価回路を取り出した回路図。The circuit diagram which took out the 1st equivalent circuit of the equivalent circuit divided | segmented in FIG. 図7の第1等価回路をオペアンプ回路で表したモデル回路図。FIG. 8 is a model circuit diagram illustrating the first equivalent circuit of FIG. 7 by an operational amplifier circuit. 図6で分割した等価回路の第2等価回路を取り出した回路図。The circuit diagram which extracted the 2nd equivalent circuit of the equivalent circuit divided | segmented in FIG. 図9の第2等価回路をオペアンプ回路で表したモデル回路図。FIG. 10 is a model circuit diagram illustrating the second equivalent circuit of FIG. 9 as an operational amplifier circuit. 図6で分割した等価回路の第3等価回路を取り出した回路図。The circuit diagram which extracted the 3rd equivalent circuit of the equivalent circuit divided | segmented in FIG. 図11の第3等価回路のオペアンプ回路で表したモデル回路図。The model circuit diagram represented with the operational amplifier circuit of the 3rd equivalent circuit of FIG. 図12の回路のダイオードブリッジのダイオード順方向電圧降下の補償をするためのオペアンプ回路図。FIG. 13 is an operational amplifier circuit diagram for compensating for a diode forward voltage drop of a diode bridge in the circuit of FIG. 12. 比較例の無駄時間がない理想のX線管電圧制御システムをPI制御した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the simulation result of the time response at the time of carrying out PI control of the ideal X-ray tube voltage control system with no dead time of a comparative example. 比較例の無駄時間1msを持つX線管電圧制御システムをPI制御した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the simulation result of the time response at the time of carrying out PI control of the X-ray tube voltage control system with the dead time of 1 ms of a comparative example. 無駄時間1msで一定のX線管電圧制御システムに、スミス予測器80を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the simulation result of the time response at the time of applying the Smith predictor 80 to a fixed X-ray tube voltage control system with dead time 1ms. 無駄時間が変動するX線管電圧制御システムに、スミス予測器80を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the simulation result of the time response at the time of applying the Smith predictor 80 to the X-ray tube voltage control system in which dead time fluctuates. 無駄時間が変動するX線管電圧制御システムに、本実施形態のスミス予測器80と時間遅延演算回路85を備えた管電圧制御回路8を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the simulation result of the time response at the time of applying the tube voltage control circuit 8 provided with the Smith predictor 80 of this embodiment and the time delay calculating circuit 85 to the X-ray tube voltage control system in which dead time fluctuates. 一般的なフィードバック制御系を示すブロック図。The block diagram which shows a general feedback control system. 一般的なスミス法の制御系を示すブロック図。The block diagram which shows the control system of a general Smith method.

以下、本発明の一実施形態のX線CT装置について説明する。   Hereinafter, an X-ray CT apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.

(第1の実施形態)
図1に、第1の実施形態の非接触給電方式X線CT装置概要を示す。図1のように、このX線CT装置は、電源1と、インバータ2と、非接触給電による巻線変圧器3と、主変圧器4と、整流器5と、平滑コンデンサ6と、X線管7と、管電圧制御回路8と、X線検出器12と、信号処理部22と、陽極回転駆動回路31と、フィラメント加熱回路32とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an outline of the non-contact power feeding type X-ray CT apparatus of the first embodiment. As shown in FIG. 1, this X-ray CT apparatus includes a power source 1, an inverter 2, a winding transformer 3 by non-contact power feeding, a main transformer 4, a rectifier 5, a smoothing capacitor 6, and an X-ray tube. 7, a tube voltage control circuit 8, an X-ray detector 12, a signal processing unit 22, an anode rotation drive circuit 31, and a filament heating circuit 32.

X線管7、主変圧器4、整流器5、平滑コンデンサ6、X線検出器12は、被検体の周囲を回転する回転盤(不図示)に搭載され、回転部10を構成する。電源1とインバータ2は、共に静止部9として構成される。   The X-ray tube 7, the main transformer 4, the rectifier 5, the smoothing capacitor 6, and the X-ray detector 12 are mounted on a rotating disk (not shown) that rotates around the subject and constitutes a rotating unit 10. Both the power source 1 and the inverter 2 are configured as a stationary part 9.

静止部9側の固定枠と回転部10の回転盤が対向する位置には、それぞれ第1巻線3a、第2巻線3bが互いの磁束が鎖交するように配置され、非接触給電を行う巻線変圧器3を構成している。   At the position where the stationary frame on the stationary part 9 side and the rotating disk of the rotating part 10 face each other, the first winding 3a and the second winding 3b are arranged so that the magnetic fluxes are linked to each other. The winding transformer 3 to perform is comprised.

また、回転部10の回転盤には回転側空間伝送モジュール21が搭載され、固定部9には静止側空間伝送モジュール20が配置されている。これらは、回転部10から固定部9へと情報を送信する通信システムであり、光通信,静電伝送,または電波による通信システムを用いる。   In addition, a rotation side space transmission module 21 is mounted on the turntable of the rotation unit 10, and a stationary side space transmission module 20 is disposed on the fixed unit 9. These are communication systems that transmit information from the rotating unit 10 to the fixed unit 9 and use optical communication, electrostatic transmission, or communication systems using radio waves.

静止部9の電源1は、直流電圧を発生する。インバータ2は、インバータ回路と、インバータ駆動回路を含み、上記電源1から出力された直流電圧を交流に変換する。インバータ回路およびインバータ駆動回路の構成については、例えば、特開2005−94913号公報等に記載された広く知られた構成であるので、詳細な回路構成の説明は省略する。インバータ駆動回路は、インバータ回路の出力電流と、管電圧検出部14が検出し、管電圧制御回路8等を介してフィードバックした管電圧に基づき、インバータ回路内の複数の半導体スイッチのオン/オフタイミングを制御することにより、インバータ回路の出力電流、出力電圧を制御し、X線管7に供給する電力を制御する。   The power source 1 of the stationary part 9 generates a DC voltage. The inverter 2 includes an inverter circuit and an inverter drive circuit, and converts the DC voltage output from the power source 1 into AC. About the structure of an inverter circuit and an inverter drive circuit, since it is a well-known structure described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2005-94913 etc., description of a detailed circuit structure is abbreviate | omitted. The inverter drive circuit is configured to turn on / off the plurality of semiconductor switches in the inverter circuit based on the output current of the inverter circuit and the tube voltage detected by the tube voltage detection unit 14 and fed back through the tube voltage control circuit 8 or the like. By controlling the output current, the output current and output voltage of the inverter circuit are controlled, and the power supplied to the X-ray tube 7 is controlled.

インバータ2の出力側に、巻線変圧器3の第1巻線3aが接続されている。第2巻線3bは、回転部10の主変圧器4の入力側に接続されている。巻線変圧器3は、第1および第2巻線3a、3bの互いの磁束を鎖交させることにより電磁気的に結合させ、非接触で所要の電力を固定部9側から回転部10側に受け渡す。   The first winding 3 a of the winding transformer 3 is connected to the output side of the inverter 2. The second winding 3 b is connected to the input side of the main transformer 4 of the rotating unit 10. The winding transformer 3 is electromagnetically coupled by linking the magnetic fluxes of the first and second windings 3a and 3b, and the required power is contactlessly transferred from the fixed portion 9 side to the rotating portion 10 side. Deliver.

主変圧器4は、上記インバータ2から出力された交流電圧を昇圧する。整流器5と平滑コンデンサ6は、主変圧器4の出力電圧を直流の高電圧にする。   The main transformer 4 boosts the AC voltage output from the inverter 2. The rectifier 5 and the smoothing capacitor 6 make the output voltage of the main transformer 4 a DC high voltage.

回転部10の回転盤には、更に、管電圧検出部14、陽極回転駆動回路31、フィラメント加熱回路32、回転側制御回路30、回転側空間伝送モジュール21、A/D変換器11,13が搭載されている。   The rotating plate of the rotating unit 10 further includes a tube voltage detecting unit 14, an anode rotation driving circuit 31, a filament heating circuit 32, a rotating side control circuit 30, a rotating side space transmission module 21, and A / D converters 11 and 13. It is installed.

陽極回転駆動回路31は、X線管7の円盤型の陽極ターゲットを回転させる。これにより、陰極で発生した熱電子が、陽極ターゲットに衝突してX線が発生する際の衝突のエネルギーを分散させる。フィラメント加熱回路32は、X線管7の陰極のフィラメントを加熱し、熱電子を発生させる。   The anode rotation drive circuit 31 rotates the disk-type anode target of the X-ray tube 7. Thereby, the thermal electrons generated at the cathode collide with the anode target and disperse the energy of collision when X-rays are generated. The filament heating circuit 32 heats the cathode filament of the X-ray tube 7 and generates thermoelectrons.

X線管7から出射されたX線は、被検体に照射され、被検体を通過したX線は、X線検出器12によって検出される。X線検出器12の検出信号は、A/D変換器13によってデジタル信号に変換され、回転側空間伝送モジュール21から固定部9の静止側空間伝送モジュール20に送信される。   X-rays emitted from the X-ray tube 7 are irradiated onto the subject, and the X-rays that have passed through the subject are detected by the X-ray detector 12. The detection signal of the X-ray detector 12 is converted into a digital signal by the A / D converter 13 and transmitted from the rotation side space transmission module 21 to the stationary side space transmission module 20 of the fixed unit 9.

静止側空間伝送モジュール20が受信したX線検出器12の検出信号は、信号処理部22により画像再構成処理等が行われ、被検体の断層画像等が再構成される。   The detection signal of the X-ray detector 12 received by the stationary side spatial transmission module 20 is subjected to image reconstruction processing or the like by the signal processing unit 22 to reconstruct a tomographic image of the subject.

回転部10の回転盤上には、さらに、X線管7の両側の電圧(管電圧)を検出する管電圧検出部14と、A/D変換器11が搭載されている。管電圧検出部14の検出した管電圧は、A/D変換回路11でデジタル信号化され、回転側制御回路30でシリアル信号化される。このとき、本実施の形態では、回転側制御回路30は、A/D変換器11が管電圧信号のA/D変換を開始した時刻T0を記録する。   On the turntable of the rotating unit 10, a tube voltage detecting unit 14 for detecting a voltage (tube voltage) on both sides of the X-ray tube 7 and an A / D converter 11 are further mounted. The tube voltage detected by the tube voltage detector 14 is converted into a digital signal by the A / D conversion circuit 11 and converted into a serial signal by the rotation side control circuit 30. At this time, in the present embodiment, the rotation-side control circuit 30 records the time T0 when the A / D converter 11 starts the A / D conversion of the tube voltage signal.

回転側空間伝送モジュール21は、A/D変換された管電圧信号と、時刻T0を示す信号を回転側制御回路30から受け取って、静止側空間伝送モジュール20に伝送する。また、回転側空間伝送モジュール21は、X線検出器12の出力するX線検出信号も静止側空間伝送モジュール20に伝送する。   The rotation side space transmission module 21 receives the A / D converted tube voltage signal and the signal indicating the time T 0 from the rotation side control circuit 30 and transmits them to the stationary side space transmission module 20. The rotation-side space transmission module 21 also transmits the X-ray detection signal output from the X-ray detector 12 to the stationary-side space transmission module 20.

静止側空間伝送モジュール20は、受信信号から管電圧信号と時刻T0の情報信号を分離し、管電圧制御回路8を介してインバータ2にフィードバックする。受信信号のうちX線検出信号は、信号処理装置22に受け渡す。   The stationary side space transmission module 20 separates the tube voltage signal and the information signal at time T0 from the received signal and feeds back to the inverter 2 via the tube voltage control circuit 8. Among the received signals, the X-ray detection signal is transferred to the signal processing device 22.

管電圧のフィードバックは、静止部9と回転部10との間を回転側空間伝送モジュール21および静止側空間伝送モジュール20により光伝送,静電伝送,または電波による空間伝送するため時間遅延をともなう。そのためインバータ制御回路8では、管電圧のフィードバックに1ms−数msの無駄時間が発生してしまう。   The feedback of the tube voltage is accompanied by a time delay because optical transmission, electrostatic transmission, or spatial transmission using radio waves is performed between the stationary unit 9 and the rotating unit 10 by the rotation-side spatial transmission module 21 and the stationary-side spatial transmission module 20. Therefore, in the inverter control circuit 8, a dead time of 1 ms to several ms is generated for the feedback of the tube voltage.

また、陽極回転駆動回路31、フィラメント加熱回路32などの動作開始信号や異常信号など、これら回路の動作に関する信号も回転側制御回路30を介してシリアル信号化し、回転側空間伝送モジュール30により静止側空間伝送モジュール20と送受信する。   In addition, signals related to the operation of these circuits, such as operation start signals and abnormality signals of the anode rotation drive circuit 31 and the filament heating circuit 32, are also converted into serial signals via the rotation side control circuit 30, and are stationary by the rotation side spatial transmission module 30. It transmits and receives to and from the spatial transmission module 20.

静止側空間伝送モジュール20及び回転側空間伝送モジュール21の伝送遅延による無駄時間は、伝送時に発生するエラーの訂正プロトコルも含まれるため、一定ではなく変動する。伝送エラーの検出には例えばパリティチェック,サムチェック,CRCチェックなどの方法が用いられる。   The dead time due to the transmission delay of the stationary-side spatial transmission module 20 and the rotation-side spatial transmission module 21 includes a correction protocol for errors that occur during transmission, and thus varies rather than being constant. For example, methods such as a parity check, a sum check, and a CRC check are used to detect a transmission error.

つぎに、管電圧制御回路8は、管電圧のフィードバックに伴う無駄時間および無駄時間の変動を補償するため、本実施形態では、図2のようなスミス予測器80を用いた制御系である。   Next, the tube voltage control circuit 8 is a control system using a Smith predictor 80 as shown in FIG. 2 in order to compensate for the dead time and fluctuations of the dead time accompanying the feedback of the tube voltage.

図2のように管電圧制御回路8は、PI制御を行うコントローラ82と、スミス予測器80と、時間遅延演算回路85とを備えている。管電圧制御回路8の制御対象102の主回路100は、図1で示した巻線変圧器3と主変圧器4と整流器5と平滑コンデンサ6を含んでいる。主回路100、A/D変換器11、回転側制御回路30、回転側空間伝送モジュール21、静止側空間伝送モジュール20を含む回路が、管電圧制御回路8の制御対象102である。   As shown in FIG. 2, the tube voltage control circuit 8 includes a controller 82 that performs PI control, a Smith predictor 80, and a time delay calculation circuit 85. The main circuit 100 of the control target 102 of the tube voltage control circuit 8 includes the winding transformer 3, the main transformer 4, the rectifier 5, and the smoothing capacitor 6 shown in FIG. A circuit including the main circuit 100, the A / D converter 11, the rotation-side control circuit 30, the rotation-side space transmission module 21, and the stationary-side space transmission module 20 is the control object 102 of the tube voltage control circuit 8.

制御対象102の伝達関数はG(s)であるが、無視できない無駄時間L(遅れ時間、伝達関数e-sL)を含むため、制御対象102の伝達関数はG(s)e-sLと表される。しかも、この無駄時間Lは、上述したように静止側空間伝送モジュール20及び回転側空間伝送モジュール21によるエラーの訂正プロトコルも含まれるため、一定ではなく変動する。 The transfer function of the control target 102 is G (s), but includes a dead time L (delay time, transfer function e −sL ) that cannot be ignored. Therefore , the transfer function of the control target 102 is expressed as G (s) e −sL. Is done. In addition, since the dead time L includes the error correction protocol by the stationary side space transmission module 20 and the rotation side space transmission module 21 as described above, the dead time L is not constant and varies.

スミス予測器80は、制御対象モデル回路81と無駄時間モデル回路84とを含む。制御対象モデル回路81は、制御対象102の伝達関数G(s)とほぼ等しい伝達関数P(s)を持ち、無駄時間モデル回路84は、無駄時間要素と等しい伝達関数e-sLをもつ。これらモデル回路81,84の具体的な構成については、後述する。 The Smith predictor 80 includes a control target model circuit 81 and a dead time model circuit 84. The control target model circuit 81 has a transfer function P (s) substantially equal to the transfer function G (s) of the control target 102, and the dead time model circuit 84 has a transfer function e −sL equal to the dead time element. Specific configurations of the model circuits 81 and 84 will be described later.

管電圧制御回路8は、スミス法により、コントローラ82(伝達関数Gc(s))に対して、制御対象モデル81の伝達関数P(s)を介したフィードバック90、および、無駄時間モデル104の伝達関数e-sLと制御対象102の伝達関数G(s)e-sLとの差分88のフィードバック86を行う。これにより、コントローラ82は、無駄時間を持つ制御対象102(伝達関数G(s)e-sL)を制御する。外乱87は、ゼロとする(d=0)。すなわち、コントローラ82は、スミス法により、制御対象モデル回路81と無駄時間モデル回路84により、無駄時間経過後に現れる現象を常に予測しながら、制御量(差分88)および設定値R(s)およびコントローラ101の伝達関数C(s)によって操作量U(s)を算出する。 The tube voltage control circuit 8 transmits the feedback 90 and the dead time model 104 via the transfer function P (s) of the control target model 81 to the controller 82 (transfer function Gc (s)) by the Smith method. A feedback 86 of a difference 88 between the function e −sL and the transfer function G (s) e −sL of the control target 102 is performed. Thereby, the controller 82 controls the control object 102 (transfer function G (s) e −sL ) having a dead time . The disturbance 87 is zero (d = 0). That is, the controller 82 always predicts the phenomenon that appears after the lapse of the dead time by the control target model circuit 81 and the dead time model circuit 84 by the Smith method, while controlling the control amount (difference 88), the set value R (s), and the controller. The operation amount U (s) is calculated from the transfer function C (s) of 101.

制御対象モデル回路81の伝達関数P(s)が、制御対象102の伝達関数G(s)に等しく、無駄時間モデル回路84の無駄時間Lが、制御対象102の無駄時間Lに等しい場合には、管電圧制御回路8および制御対象102で構成されるフィードバック制御系の制御指令値R(s)から出力Y(s)までの伝達関数は、上述した(式3)および(式4)から明らかなように、無駄時間Lが残らないため安定である。よって、管電圧を安定してフィードバック制御することができる。   When the transfer function P (s) of the controlled object model circuit 81 is equal to the transfer function G (s) of the controlled object 102 and the dead time L of the dead time model circuit 84 is equal to the dead time L of the controlled object 102 The transfer function from the control command value R (s) to the output Y (s) of the feedback control system composed of the tube voltage control circuit 8 and the control object 102 is apparent from the above-described (Expression 3) and (Expression 4). As described above, since the dead time L does not remain, it is stable. Therefore, the tube voltage can be stably feedback controlled.

このとき、制御対象モデル回路81として、伝達関数P(s)が制御対象102の伝達関数G(s)に等しい回路を構築することが必要であり、かつ、無駄時間モデル回路84として、無駄時間Lが制御対象102の無駄時間Lに等しい値を用いることが必要である。   At this time, it is necessary to construct a circuit in which the transfer function P (s) is equal to the transfer function G (s) of the control object 102 as the control target model circuit 81, and the dead time model circuit 84 is used as a dead time. It is necessary to use a value where L is equal to the dead time L of the control target 102.

しかしながら、制御対象102には、非線形要素であるダイオード整流回路5が含まれるため、制御対象102の伝達関数を求めることは困難である。そこで、本実施形態では、制御対象102の主回路100と同じ応答特性を有する制御対象モデル回路81を構築し、実装する。例えば、制御対象モデル回路81は、オペアンプ回路によるアナログ計算機、または、FPGA(Field Programmable Gate Array)をはじめとするプログラマブルLSI等のハードウエア回路によって構成する。   However, since the controlled object 102 includes the diode rectifier circuit 5 that is a non-linear element, it is difficult to obtain the transfer function of the controlled object 102. Therefore, in this embodiment, a control target model circuit 81 having the same response characteristics as the main circuit 100 of the control target 102 is constructed and mounted. For example, the control target model circuit 81 is configured by an analog computer using an operational amplifier circuit, or a hardware circuit such as a programmable LSI including an FPGA (Field Programmable Gate Array).

主回路100に含まれる非線形要素をアナログ計算機(オペアンプ回路)等で構成することにより、非線形回路であるダイオード整流回路を直接、制御対象モデル回路81に組み込むことができる。このため、制御対象モデル回路81の出力信号の精度を高めることができる。   By configuring the non-linear element included in the main circuit 100 with an analog computer (op-amp circuit) or the like, the diode rectifier circuit that is a non-linear circuit can be directly incorporated in the control target model circuit 81. For this reason, the accuracy of the output signal of the control target model circuit 81 can be increased.

また、制御対象102の主回路100の応答特性をオペアンプ回路で再現しているため、制御対象モデル回路81の出力信号には、主回路100において生じる無駄時間が含まれる。これにより、主回路100において生じる無駄時間を制御対象モデル回路81によって補償することができる。また、オペアンプ回路で構成することにより、制御対象モデル回路81の演算の高速化が可能である。具体的な、制御対象モデル回路81の構成については、後述する。   In addition, since the response characteristic of the main circuit 100 of the control target 102 is reproduced by the operational amplifier circuit, the output signal of the control target model circuit 81 includes a dead time generated in the main circuit 100. As a result, the dead time generated in the main circuit 100 can be compensated by the control target model circuit 81. In addition, the operation of the control target model circuit 81 can be speeded up by configuring with an operational amplifier circuit. A specific configuration of the control target model circuit 81 will be described later.

なお、制御対象モデル回路81を除く管電圧制御回路8の他の構成(図2の点線枠83内のコントローラ82、無駄時間モデル回路84、時間遅延演算回路85)は、CPUとメモリによって構成され、CPUがメモリ内の所定のソフトウエアを実行することにより、上記構成の動作を実行する。   Other configurations of the tube voltage control circuit 8 excluding the control target model circuit 81 (the controller 82, the dead time model circuit 84, and the time delay calculation circuit 85 in the dotted line frame 83 in FIG. 2) are configured by a CPU and a memory. The CPU executes predetermined software in the memory to execute the operation of the above configuration.

一方、無駄時間モデル回路84は、制御対象102の無駄時間Lに等しい無駄時間Lを用いて伝達関数を演算する必要がある。制御対象モデル回路81の出力信号には、主回路100において生じる無駄時間が含まれている。そのため、無駄時間モデル回路84では、図2のように、制御対象102の主回路100を除いた回路110(A/D変換器11〜静止側空間伝送モジュール20)で生じる無駄時間Lを算出すればよい。しかしながら、A/D変換器11から静止側空間伝送モジュール20の間に生じる無駄時間Lは、静止側空間伝送モジュール20及び回転側空間伝送モジュール21によるエラーの訂正プロトコルも含まれるため、一定ではなく変動する。   On the other hand, the dead time model circuit 84 needs to calculate a transfer function using a dead time L equal to the dead time L of the control target 102. The output signal of the control target model circuit 81 includes a dead time generated in the main circuit 100. Therefore, the dead time model circuit 84 calculates the dead time L generated in the circuit 110 (A / D converter 11 to stationary space transmission module 20) excluding the main circuit 100 of the controlled object 102 as shown in FIG. That's fine. However, the dead time L generated between the A / D converter 11 and the stationary side spatial transmission module 20 is not constant because the error correction protocol by the stationary side spatial transmission module 20 and the rotation side spatial transmission module 21 is also included. fluctuate.

そこで本実施形態では、時間遅延演算回路85により、エラー訂正等による変動を含む無駄時間Lを図3のフローのように算出する。   Therefore, in this embodiment, the time delay calculation circuit 85 calculates the dead time L including fluctuation due to error correction or the like as shown in the flow of FIG.

すなわち、本実施の形態では、回転側制御回路30は、A/D変換器11が管電圧信号のA/D変換を開始した時刻T0を記録するように構成されている(ステップ501)。回転側空間伝送モジュール21は、A/D変換された管電圧信号と、時刻T0の情報を示す信号を回転側制御回路30から受け取って、静止側空間伝送モジュール20に伝送する(ステップ502)。静止側空間伝送モジュール20は、これを受信し、受信信号から管電圧信号と時刻T0を分離して管電圧制御回路8にフィードバックする(ステップ503)。   That is, in the present embodiment, the rotation side control circuit 30 is configured to record the time T0 when the A / D converter 11 starts A / D conversion of the tube voltage signal (step 501). The rotation-side space transmission module 21 receives the A / D converted tube voltage signal and the signal indicating the information at time T0 from the rotation-side control circuit 30, and transmits them to the stationary-side space transmission module 20 (step 502). The stationary side space transmission module 20 receives this, separates the tube voltage signal and the time T0 from the received signal, and feeds back to the tube voltage control circuit 8 (step 503).

時間遅延演算回路85は、静止側空間伝送モジュール20から時刻T0を示す信号を受け取って、時間遅延演算回路85が静止側空間伝送モジュール20からの受信した時刻T1との差L0(=T1−T0)を演算する(ステップ504)。これにより、A/D変換器11〜静止側空間伝送モジュール20までの回路110で生じる無駄時間L0が算出される。   The time delay calculation circuit 85 receives a signal indicating the time T0 from the stationary side space transmission module 20, and the difference L0 (= T1-T0) from the time T1 received by the time delay calculation circuit 85 from the stationary side space transmission module 20 ) Is calculated (step 504). Thereby, the dead time L0 generated in the circuit 110 from the A / D converter 11 to the stationary side space transmission module 20 is calculated.

時間遅延演算回路85は、予め演算により求めておいた、制御対象モデル回路81では補償しきれない主回路100の無駄時間や、時間遅延演算回路85自身により生じる無駄時間L1(一定値)を、必要に応じてL0に加算して、無駄時間L(=L0+L1)を求める(ステップ505)。求めた無駄時間Lは、無駄時間モデル回路84に受け渡す。   The time delay calculation circuit 85 calculates a dead time of the main circuit 100 that cannot be compensated for by the control target model circuit 81 or a dead time L1 (a constant value) generated by the time delay calculation circuit 85 itself, which has been obtained by calculation in advance. If necessary, the dead time L (= L0 + L1) is obtained by adding to L0 (step 505). The obtained dead time L is transferred to the dead time model circuit 84.

無駄時間モデル回路84は伝達関数e-sLの回路であり、時間遅延演算回路85が演算した無駄時間Lをフィードバックに組み込む。 The dead time model circuit 84 is a circuit of the transfer function e −sL and incorporates the dead time L calculated by the time delay calculation circuit 85 into the feedback.

なお、回転側制御回路30と時間遅延演算回路85の参照する時刻は、同期させておく。   In addition, the time which the rotation side control circuit 30 and the time delay calculating circuit 85 refer is synchronized.

このように、本実施形態では、管電圧信号の伝送に伴い変動する無駄時間Lを演算により求めることができるため、スミス法を用いて、精度よく管電圧を制御することができる。   As described above, in this embodiment, since the dead time L that fluctuates with the transmission of the tube voltage signal can be obtained by calculation, the tube voltage can be accurately controlled using the Smith method.

つぎに、制御対象モデル回路81の詳しい構成について以下説明する。本実施形態では、制御対象モデル回路81を、主回路100と等しい応答特性を示すオペアンプ回路によって構成する。   Next, a detailed configuration of the control target model circuit 81 will be described below. In the present embodiment, the control target model circuit 81 is configured by an operational amplifier circuit having response characteristics equal to those of the main circuit 100.

まず、主回路100の等価回路を図4に示す。図4に示すように管電圧制御回路の等価回路は、インバータ2の出力電圧vsからX線管7の両端の電圧vdcまでを示している。また簡単化のために、等価回路におけるX線管7部分は、抵抗Rxに置き換えている。制御対象モデル回路81を構成するために、図4の等価回路をオペアンプよるアナログ回路により構成する。   First, an equivalent circuit of the main circuit 100 is shown in FIG. As shown in FIG. 4, the equivalent circuit of the tube voltage control circuit shows from the output voltage vs of the inverter 2 to the voltage vdc across the X-ray tube 7. For simplification, the X-ray tube 7 portion in the equivalent circuit is replaced with a resistor Rx. In order to configure the control target model circuit 81, the equivalent circuit of FIG. 4 is configured by an analog circuit using an operational amplifier.

まず、図4の等価回路におけるコンデンサは、図5(a)のオペアンプのアナログ回路に、リアクトル部分は、図5(b)のオペアンプのアナログ回路にそれぞれ置き換える。   First, the capacitor in the equivalent circuit of FIG. 4 is replaced with the analog circuit of the operational amplifier of FIG. 5A, and the reactor portion is replaced with the analog circuit of the operational amplifier of FIG. 5B.

等価回路の電圧センサ600、電流センサ700の倍率を、それぞれ1/2000、1/10000とする。これにより、構成する制御対象モデル回路81と図4の等価回路とのインピーダンス比Kzが次のように計算できる。
・・・・・(式5)
The magnifications of the equivalent circuit voltage sensor 600 and current sensor 700 are set to 1/2000 and 1/10000, respectively. Thereby, the impedance ratio Kz between the control object model circuit 81 and the equivalent circuit of FIG. 4 can be calculated as follows.
... (Formula 5)

このように、インピーダンス比が5となるので、図4の等価回路でのインピーダンスは、制御対象モデル回路81内で5倍となる。等価回路の入力電圧(インバータ2出力電圧)vsと入力電流is(インバータ2出力電流)は、測定可能な値であり、モデル回路81内では、これらの値を取り込んで計算を行い、最終的にX線管電圧予測値vdcを求め出力する。   Thus, since the impedance ratio is 5, the impedance in the equivalent circuit of FIG. The input voltage (inverter 2 output voltage) vs and the input current is (inverter 2 output current) of the equivalent circuit are measurable values. In the model circuit 81, these values are taken in and calculated. An X-ray tube voltage predicted value vdc is obtained and output.

ここで図4の等価回路を図6に示すように3つの回路部(第1等価回路201、第2等価回路202、第3等価回路203)に分割し、それぞれに対するモデル回路を設計する。図7は、等価回路の第1等価回路201を取りだしたものであり、図8は、第1等価回路201をオペアンプで構成したモデル回路を示す。まず第1等価回路201のCs、Rs、Lsrでの電圧降下vcs、vrs、vlsrをそれぞれ計算し、入力電圧(インバータ出力電圧)vsから、それらの電圧降下の和vlcrを減算することで、この第1等価回路201から出力される電圧vxを求める。例えば、Csによる電圧降下は、等価回路においては、(式6)により、そのモデル回路においては(式7)により求められる。   Here, the equivalent circuit of FIG. 4 is divided into three circuit parts (a first equivalent circuit 201, a second equivalent circuit 202, and a third equivalent circuit 203) as shown in FIG. 6, and a model circuit for each is designed. FIG. 7 shows a first equivalent circuit 201 that is an equivalent circuit, and FIG. 8 shows a model circuit in which the first equivalent circuit 201 is configured by an operational amplifier. First, voltage drops vcs, vrs, and vlsr at Cs, Rs, and Lsr of the first equivalent circuit 201 are calculated, and the sum vlcr of these voltage drops is subtracted from the input voltage (inverter output voltage) vs. The voltage vx output from the first equivalent circuit 201 is obtained. For example, the voltage drop due to Cs is obtained by (Equation 6) in the equivalent circuit and by (Equation 7) in the model circuit.

・・・・・(式6)
・・・・・(式7)
... (Formula 6)
... (Formula 7)

インピーダンス比Kzを用いて、この回路に相当するコンデンサや抵抗は、次(式8)のように計算できる。
・・・・・(式8)
Using the impedance ratio Kz, the capacitor and resistance corresponding to this circuit can be calculated as follows (Equation 8).
(Equation 8)

(式8)より、抵抗R1は、(式9)のようになる。
・・・・・(式9)
From (Equation 8), the resistance R1 is as shown in (Equation 9).
(Equation 9)

ここで、C1=100pFとすると、図8のR1は、下の(式10)で求められる。
・・・・・(式10)
Here, assuming that C1 = 100 pF, R1 in FIG. 8 is obtained by (Equation 10) below.
(Equation 10)

以下、同様に、オペアンプ回路の抵抗等の値を定める。図6の等価回路の第2等価回路202を取りだしたものを図9に示し、図9の第2等価回路202をオペアンプで構成したモデル回路を図10に示す。同様に、図6の等価回路の第3等価回路203を取りだしたものを図11に示し、図11の第3等価回路203をオペアンプにより構成したモデル回路を図12に示す。   Hereinafter, similarly, the value of the resistance of the operational amplifier circuit is determined. FIG. 9 shows a second equivalent circuit 202 extracted from the equivalent circuit of FIG. 6, and FIG. 10 shows a model circuit in which the second equivalent circuit 202 of FIG. Similarly, FIG. 11 shows a third equivalent circuit 203 extracted from the equivalent circuit of FIG. 6, and FIG. 12 shows a model circuit in which the third equivalent circuit 203 of FIG.

図11の第3等価回路203において、非線形負荷であるダイオードブリッジ211を含む部分は、インピーダンスを5倍にしてそのままモデル回路上で用いる。そして、第3等価回路203の最終段の電圧v〜dcを制御対象モデル回路81の出力として使用する。   In the third equivalent circuit 203 of FIG. 11, the portion including the diode bridge 211 that is a non-linear load is used as it is on the model circuit with the impedance increased by a factor of five. Then, the voltages v to dc at the final stage of the third equivalent circuit 203 are used as the output of the control target model circuit 81.

一方、電子回路でのダイオードには、約0.3Vの不感領域および順方向電圧降下が存在する。すなわち、アノードとカソード間に加わる順方向電圧が、0.3Vを越えるとオンとなって電流が流れ、それ以外の電圧0〜0.3V間ではオンにならないことが存在する。実際の等価回路でもダイオードの不感領域は存在するが、電子回路におけるダイオードとパワーモジュールのダイオードとではその比が大きく異なるため、モデル回路に誤差を生じる可能性がある。   On the other hand, a diode in an electronic circuit has a dead region and a forward voltage drop of about 0.3V. That is, when the forward voltage applied between the anode and the cathode exceeds 0.3V, the current is turned on and current flows, and the voltage other than 0 to 0.3V does not turn on. Even in an actual equivalent circuit, there is a diode insensitive region, but the ratio between the diode in the electronic circuit and the diode in the power module is greatly different, which may cause an error in the model circuit.

そこで、電子回路におけるダイオードの不感領域の影響を無くすために、図12のモデル回路のダイオードブリッジ211から負荷までを図13のように変更する。すなわち、図12のダイオードブリッジ211の部分を、全波整流の出力電圧となる絶対値回路400に置き換え、さらに半波整流回路と電圧ホロア回路を用いたピークホールド回路を応用した負荷回路500を加えることにより、ダイオードのオン、オフを再現する。したがって、これらの補償回路により、モデル回路内では理想ダイオードとなるため、不感領域を生じない。なお、等価回路におけるパワーモジュールダイオードの順方向電圧降下分は、モデル回路の絶対値回路手前で減算することにより、補正できる。   Therefore, in order to eliminate the influence of the insensitive area of the diode in the electronic circuit, the distance from the diode bridge 211 to the load of the model circuit in FIG. 12 is changed as shown in FIG. That is, the portion of the diode bridge 211 in FIG. 12 is replaced with an absolute value circuit 400 that is an output voltage of full-wave rectification, and a load circuit 500 that applies a peak hold circuit using a half-wave rectification circuit and a voltage follower circuit is added. As a result, the on / off state of the diode is reproduced. Therefore, since these compensation circuits become ideal diodes in the model circuit, no dead area is generated. Note that the forward voltage drop of the power module diode in the equivalent circuit can be corrected by subtraction before the absolute value circuit of the model circuit.

以上により、図8、図10、図12(一部図13で置き換え)のオペアンプ回路(アナログ計算機)で構成された制御対象モデル回路81が得られる。このオペアンプ回路を図2の制御対象モデル回路81の部分に実装する。主回路100は、非線形要素であるダイオード整流回路5が含まれるため、伝達関数を求めることは困難であるが、本実施形態では、制御対象102の主回路100と同じ応答特性を有する制御対象モデル回路81をオペアンプ回路により構築することができるため、スミス法を用いた制御が可能である。   As described above, the controlled object model circuit 81 configured by the operational amplifier circuit (analog computer) shown in FIGS. 8, 10, and 12 (partially replaced by FIG. 13) is obtained. This operational amplifier circuit is mounted on the control target model circuit 81 shown in FIG. Since the main circuit 100 includes the diode rectifier circuit 5 that is a non-linear element, it is difficult to obtain a transfer function. However, in this embodiment, a controlled object model having the same response characteristics as the main circuit 100 of the controlled object 102 is used. Since the circuit 81 can be constructed by an operational amplifier circuit, control using the Smith method is possible.

本実施形態の管電圧制御システムの性能を確認するためにシミュレーションを行った。   A simulation was performed to confirm the performance of the tube voltage control system of this embodiment.

X線管電圧は、X線を放射している状態に近づけるため、570Vにステップ状に変化させる制御を行い、X線管電圧の制御は、位相シフト型インバータを用い、PI制御などの各ゲインは、すでに調整されているものを用いるものとしてシミュレーションした。   The X-ray tube voltage is controlled to change to 570 V in a stepwise manner to approach the state of emitting X-rays. The X-ray tube voltage is controlled by using a phase shift inverter, and each gain such as PI control. Were simulated using the already adjusted ones.

まず、比較例のX線管電圧制御システムのフィードバック系として、AD/DA変換器を備えず、また、空間伝送のエラー訂正も行わず、無駄時間がない理想のフィードバック(PI制御)系の時間応答シミュレーション結果を図14に示す。図14において、vdcrefは、X線管電圧設定値、vdcはX線管電圧のフィードバック値を示している。図14から明らかなように、このフィードバック系は無駄時間もないため、X線管電圧は設定値によく追従している。   First, as a feedback system of the X-ray tube voltage control system of the comparative example, an ideal feedback (PI control) system time without an AD / DA converter, no error correction of spatial transmission, and no dead time. The response simulation result is shown in FIG. In FIG. 14, vdcref represents an X-ray tube voltage setting value, and vdc represents an X-ray tube voltage feedback value. As apparent from FIG. 14, since this feedback system has no dead time, the X-ray tube voltage follows the set value well.

次に、比較例として、制御システムに空間伝送に伴う遅延、及び、AD/DA変換器により、一定の無駄時間があるフィードバック系をスミス予測器80を用いず、通常のフィードバック制御(PI制御)で制御した場合のシミュレーションを行った。具体的には、AD/DA変換によるサンプリングは20kHz、通信遅延による無駄時間は1msと設定した。その結果を図15に示す。図15において、vdcdelayは、無駄時間要素が加わった後のX線管電圧フィードバック値である。図15から明らかなように、X線管電圧vdcは指令値vdcrefを中心に大きく振動しており、安定した制御ができていない。これは、X線管電圧制御の比例ゲインが大きいことが原因であると思われる。このように、無駄時間が大きい場合には、PI制御だけでは安定な応答を得ることはできないことが分かる。   Next, as a comparative example, normal feedback control (PI control) without using the Smith predictor 80 as a feedback system having a certain dead time due to a delay due to spatial transmission in the control system and an AD / DA converter A simulation was performed when controlled by. Specifically, sampling by AD / DA conversion was set to 20 kHz, and dead time due to communication delay was set to 1 ms. The result is shown in FIG. In FIG. 15, vdcdelay is an X-ray tube voltage feedback value after a dead time element is added. As apparent from FIG. 15, the X-ray tube voltage vdc oscillates largely around the command value vdcref, and stable control cannot be performed. This seems to be caused by the large proportional gain of the X-ray tube voltage control. Thus, it can be seen that when the dead time is large, a stable response cannot be obtained only by the PI control.

これに対して、図15と同じ条件の一定の無駄時間1msを持つX線管電圧制御システムに、本実施形態のスミス予測器80を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示す。ただし、無駄時間が一定であるため、時間遅延演算回路85は用いず、無駄時間モデル回路84の無駄時間Lはデジタル値でサンプリング毎に保持することで再現した。また、制御対象モデル回路81には、上述のアナログ計算機(オペアンプ回路)の出力を用いた。シミュレーション結果を図16に示す。スミス予測器80を用いた場合、X線管電圧の応答vdcdelayは、1msの遅れ時間は発生するが、無駄時間がない場合の理想状態の応答とほぼ同じく、X線管電圧は設定値vdcrefによく追従しており、無駄時間のあるシステムに対して有効であることがわかる。   On the other hand, the simulation result of the time response at the time of applying the Smith predictor 80 of this embodiment to the X-ray tube voltage control system with the fixed dead time 1ms of the same conditions as FIG. 15 is shown. However, since the dead time is constant, the time delay calculation circuit 85 is not used, and the dead time L of the dead time model circuit 84 is reproduced by holding each time as a digital value. Further, the output of the above-described analog computer (op-amp circuit) is used for the control target model circuit 81. The simulation result is shown in FIG. When the Smith predictor 80 is used, the X-ray tube voltage response vdcdelay generates a delay time of 1 ms, but is almost the same as the response in the ideal state when there is no dead time, the X-ray tube voltage is set to the set value vdcref. It can be seen that the system follows well and is effective for a system with dead time.

しかしながら、無駄時間があり、かつ、エラー訂正動作等により無駄時間が変動する場合には、スミス予測器80を用いた場合であっても、図17のように、伝送エラー訂正による無駄時間の変動によって不安定になり振動してしまう。(なお、管電圧の設定値は図15、図16とは異なり、50kVである。)このため、スミス予測器80による無駄時間補償機能だけではこれを安定化させることはできない。   However, if there is a dead time and the dead time fluctuates due to an error correction operation or the like, even if the Smith predictor 80 is used, the fluctuation of the dead time due to transmission error correction as shown in FIG. Will become unstable and vibrate. (Note that the set value of the tube voltage is 50 kV unlike FIGS. 15 and 16.) Therefore, the dead time compensation function by the Smith predictor 80 cannot be stabilized.

そこで、本実施形態の時間遅延演算回路85を動作させ、無駄時間の変動を補償した場合には、図18に示すようになる。管電圧検出信号に生じる一定の無駄時間だけでなく,エラー訂正で発生する無駄時間の変動をも補償することができるために,管電圧vdcは常に安定に制御できることが確認できる。   Therefore, when the time delay calculation circuit 85 of this embodiment is operated to compensate for the variation in the dead time, the result is as shown in FIG. Since it is possible to compensate not only for the fixed dead time generated in the tube voltage detection signal but also for the fluctuation of the dead time caused by error correction, it can be confirmed that the tube voltage vdc can always be controlled stably.

また、図1に示した回転側空間伝送モジュール21と静止側空間伝送モジュール20間では、上述の管電圧の出力情報およびX線検出信号だけでなく、他の情報も送受信することが可能である。例えば、回転部10で発生した異常信号などである。   Further, not only the above-described tube voltage output information and X-ray detection signal but also other information can be transmitted and received between the rotation-side space transmission module 21 and the stationary-side space transmission module 20 shown in FIG. . For example, an abnormal signal generated in the rotating unit 10.

また、上述の実施形態では、PI制御を行うコントローラ82をソフトウェアで構成するとしているが、これに限らず、アナログ回路,FPGA(Field Programmable Gate Array)などを用いたハードウェアで構成することも可能である。   In the above-described embodiment, the controller 82 that performs PI control is configured by software. However, the present invention is not limited to this, and it may be configured by hardware using an analog circuit, FPGA (Field Programmable Gate Array), or the like. It is.

ここでは無駄時間補償装置をX線CT装置に備えた例について説明したが、本実施形態の時間遅延演算回路85およびスミス予測器80は、変動する無駄時間が生じる他の装置に用いることが可能である。   Here, an example in which the dead time compensation apparatus is provided in the X-ray CT apparatus has been described. However, the time delay calculation circuit 85 and the Smith predictor 80 of the present embodiment can be used for other apparatuses in which the dead time fluctuates. It is.

以上のように、本実施形態のX線CT装置は、リアルタイム性の要求される管電圧の出力情報をシリアル信号空間伝送手段を用いてインバータへフィードバックする。このシリアル信号空間伝送手段は、空間伝播遅延やエラー訂正による遅延時間(無駄時間要素e-sL)を有し、またその時間は変動するが、時間遅延演算回路85とスミス予測器80により、安定した管電圧特性を得ることができ信頼性の高いX線CT装置を提供できる。 As described above, the X-ray CT apparatus of the present embodiment feeds back tube voltage output information that requires real-time characteristics to the inverter using the serial signal space transmission means. This serial signal spatial transmission means has a spatial propagation delay and a delay time due to error correction ( dead time element e −sL ), and the time varies, but the time delay arithmetic circuit 85 and the Smith predictor 80 stabilize the operation. Therefore, it is possible to provide a highly reliable X-ray CT apparatus capable of obtaining the tube voltage characteristics.

また、非線形回路および非線形負荷を含む制御対象のモデル回路を、アナログ計算機(オペアンプ回路)で構成することで、伝達関数または状態方程式を使わなくてスミス予測器を実現することができる。よって、X線CT装置のインバータ制御システムのように、通常のスミス法による制御対象の安定化をはかることができる。   Further, by configuring a model circuit to be controlled including a nonlinear circuit and a nonlinear load with an analog computer (op-amp circuit), a Smith predictor can be realized without using a transfer function or a state equation. Therefore, as in the inverter control system of the X-ray CT apparatus, it is possible to stabilize the controlled object by the normal Smith method.

なお本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば本実施例の制御対象内の非線形要素は、ダイオード整流回路に限らず、トランジスタ回路等であってもよい。   In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of this invention. For example, the non-linear element in the control target of the present embodiment is not limited to the diode rectifier circuit but may be a transistor circuit or the like.

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、A/D変換開始の時刻T0と時間遅延演算回路85の受信時刻T1との差から無駄時間L0を求めたが、第2の実施形態では別の方法で無駄時間L0を求める。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the dead time L0 is obtained from the difference between the A / D conversion start time T0 and the reception time T1 of the time delay calculation circuit 85. However, in the second embodiment, the dead time L0 is obtained by another method. Ask for.

空間伝送モジュール20,21の特性が予めわかっている場合には、伝送エラーに伴う再伝送回数Rの関数と、1回の再伝送に要する時間Trの関数によって無駄時間L0を求めることができる。1回の再伝送に要する時間Trは、空間伝送モジュール20,21の特性によって定まる値であり、予め求めることができる。   When the characteristics of the spatial transmission modules 20 and 21 are known in advance, the dead time L0 can be obtained from the function of the number of retransmissions R associated with a transmission error and the function of the time Tr required for one retransmission. The time Tr required for one retransmission is a value determined by the characteristics of the spatial transmission modules 20 and 21 and can be obtained in advance.

そこで第2の実施形態では、静止側空間伝送モジュール20が伝送エラーに伴う再伝送回数Rをカウントし、時間遅延演算回路85に受け渡す構成とする。   Therefore, in the second embodiment, the stationary-side spatial transmission module 20 counts the number of retransmissions R that accompanies a transmission error, and passes it to the time delay calculation circuit 85.

時間遅延演算回路85は、下記(式11)により、L0を求め、(式12)により無駄時間Lを求める。   The time delay calculation circuit 85 obtains L0 by the following (Equation 11) and obtains the dead time L by (Equation 12).

L0=R*Tr ・・・(式11)
L=L0+L1 ・・・(式12)
ただし、(式12)において、L1は、第1の実施形態と同様に、予め演算により求めておいた、制御対象モデル回路81では補償しきれない主回路100の無駄時間や、時間遅延演算回路85自身により生じる無駄時間であり、一定値である。
L0 = R * Tr (Formula 11)
L = L0 + L1 (12)
However, in (Equation 12), L1 is a dead time of the main circuit 100 that has been previously calculated by calculation and cannot be compensated for by the control target model circuit 81, or a time delay calculation circuit, as in the first embodiment. 85 is a dead time caused by itself, and is a constant value.

他の構成は、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。   Other configurations are the same as those of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

第2の実施形態の構成では、第1の実施形態のように回転側制御回路がA/D変換を開始した時刻T0を記録し、時刻T0情報を管電圧情報に重畳して伝送する必要がなく、静止側の静止側伝送モジュール20と時間遅延演算回路85の動作のみで無駄時間Lを演算できる、というメリットがある。   In the configuration of the second embodiment, it is necessary to record the time T0 when the rotation side control circuit starts A / D conversion as in the first embodiment, and to transmit the time T0 information superimposed on the tube voltage information. In addition, there is an advantage that the dead time L can be calculated only by the operation of the stationary side transmission module 20 and the time delay calculation circuit 85 on the stationary side.

(第3の実施形態)
第3の実施形態では、A/D変換器11は、所定の一定のタイミングおよび間隔でA/D変換処理を行う構成とする。回転側制御回路30は、時刻T0を記録するのではなく、A/D変換された管電圧値に、連続した番号を割り当てて管電圧値データに重畳し、空間伝送モジュール20、21により伝送する。
(Third embodiment)
In the third embodiment, the A / D converter 11 is configured to perform A / D conversion processing at a predetermined constant timing and interval. The rotation-side control circuit 30 does not record the time T0, but assigns consecutive numbers to the A / D converted tube voltage values, superimposes them on the tube voltage value data, and transmits them by the space transmission modules 20 and 21. .

時間遅延演算回路85では、管電圧値データに重畳された番号から、A/D変換が開始された時刻を演算により求め、現在時刻との差からL0を計算する。L0に所定のL1を加算し、無駄時間Lを演算する。L1は、第1の実施形態と同様に所定の値を用いる。   The time delay calculation circuit 85 calculates the time at which A / D conversion is started from the number superimposed on the tube voltage value data, and calculates L0 from the difference from the current time. A predetermined L1 is added to L0 to calculate the dead time L. L1 uses a predetermined value as in the first embodiment.

第3の実施形態の構成によれば、回転側制御回路は、時刻T0を記録するのではなく、連続した番号を割り当てるため、時刻を用いる必要がない。このため、回転側制御回路の参照する時計機能と、時間遅延演算回路の参照する時計機能の時刻を同期させる必要がなく、構成を簡略化することができるというメリットがある。   According to the configuration of the third embodiment, since the rotation-side control circuit does not record the time T0 but assigns consecutive numbers, it is not necessary to use the time. For this reason, there is no need to synchronize the time of the clock function referred to by the rotation side control circuit and the time of the clock function referred to by the time delay calculation circuit, and there is an advantage that the configuration can be simplified.

上述してきた第1〜第3の実施形態では、インバータ2を主回路100に含めていないが、インバータ2を主回路100に含め、インバータ2を含む主回路100の等価回路をオペアンプ回路で構成した制御対象モデル回路81を用いることも可能である。インバータ2は、ダイオード整流回路などの非線形要素と複数の制御モードを持つ能動回路部分を有するため、伝達関数を定義することは困難であるが、本実施形態のようにオペアンプ回路を用いることにより制御対象モデル回路81を構成することが可能である。   In the first to third embodiments described above, the inverter 2 is not included in the main circuit 100, but the inverter 2 is included in the main circuit 100, and an equivalent circuit of the main circuit 100 including the inverter 2 is configured by an operational amplifier circuit. It is also possible to use the control target model circuit 81. Since the inverter 2 has a non-linear element such as a diode rectifier circuit and an active circuit portion having a plurality of control modes, it is difficult to define a transfer function, but it is controlled by using an operational amplifier circuit as in this embodiment. The target model circuit 81 can be configured.

また、本実施形態の無駄時間補償の構成は、X線CT装置に限らず、A/D変換回路、D/A変換回路、サンプリング回路、又は通信遅延回路などの無駄時間を有する産業用システムでよく用いられるデジタル制御系に適用することができる。   In addition, the configuration of the dead time compensation of the present embodiment is not limited to the X-ray CT apparatus, but is an industrial system having dead time such as an A / D conversion circuit, a D / A conversion circuit, a sampling circuit, or a communication delay circuit. It can be applied to a frequently used digital control system.

1:電源(直流電圧)、2:インバータ、3:非接触給電による巻線変圧器、4:主変圧器、5:整流器、6:平滑コンデンサ、7:X線管、8:管電圧制御回路、9:静止部、10:回転部、11、13:A/D変換回路、14:管電圧検出部、20:静止側空間伝送モジュール、21:回転側空間伝送モジュール、30:回転側制御回路、80:スミス予測器、81:制御対象モデル回路、82:コントローラ、84:無駄時間モデル回路、85:時間遅延演算回路、100:主回路、101:コントローラ、102:制御対象、103:制御対象モデル、104:無駄時間モデル、105:スミス予測器、201:第1等価回路、202:第2等価回路、203:第3等価回路、400:絶対値回路(全波整流回路)500:負荷回路、600:電圧センサ、700:電流センサ 1: power supply (DC voltage), 2: inverter, 3: winding transformer with non-contact power supply, 4: main transformer, 5: rectifier, 6: smoothing capacitor, 7: X-ray tube, 8: tube voltage control circuit , 9: stationary part, 10: rotating part, 11, 13: A / D conversion circuit, 14: tube voltage detecting part, 20: stationary side spatial transmission module, 21: rotational side spatial transmission module, 30: rotational side control circuit 80: Smith predictor 81: Control target model circuit 82: Controller 84: Dead time model circuit 85: Time delay arithmetic circuit 100: Main circuit 101: Controller 102: Control target 103: Control target Model: 104: Dead time model, 105: Smith predictor, 201: First equivalent circuit, 202: Second equivalent circuit, 203: Third equivalent circuit, 400: Absolute value circuit (full-wave rectifier circuit) 500: Load circuit 600: voltage sensor, 700: current sensor

本発明は、回転部に搭載された制御対象を静止部に配置された制御回路によって制御するX線CT装置において、信号伝送の無駄時間およびそのゆらぎを補償する機能に関する。   The present invention relates to a function for compensating a dead time of signal transmission and fluctuation thereof in an X-ray CT apparatus that controls a control target mounted on a rotating unit by a control circuit disposed in a stationary unit.

X線CT装置では、X線管およびX線検出器を回転盤に搭載し、被検体の周囲を回転させながらX線を照射および検出を行う。このため、静止側のインバータ回路から回転盤上のX線管へ電力を供給するとともに、X線検出器の検出信号を回転盤から静止側の信号処理装置に受け渡すために、回転盤と静止部との間の接触部には電力や信号の伝送手段が配置されている。例えば、スリップリングとブラシとを組み合わせた伝送手段が広く知られている。   In the X-ray CT apparatus, an X-ray tube and an X-ray detector are mounted on a rotating disk, and X-ray irradiation and detection are performed while rotating around the subject. For this reason, in order to supply power from the inverter circuit on the stationary side to the X-ray tube on the rotating disk and to pass the detection signal of the X-ray detector from the rotating disk to the stationary signal processing device, Electric power and signal transmission means are arranged at the contact portion between the two portions. For example, a transmission means combining a slip ring and a brush is widely known.

特許文献1には、スリップリングとブラシの接触部に摩耗が生じるという問題を解決するため、回転盤と静止部との対向面にそれぞれコイルを配置し、電磁誘導作用により非接触で電力を供給する技術が開示されている。   In Patent Document 1, in order to solve the problem that wear occurs in the contact portion between the slip ring and the brush, coils are arranged on the opposing surfaces of the rotating disk and the stationary portion, and power is supplied in a non-contact manner by electromagnetic induction. Techniques to do this are disclosed.

また、特許文献1の段落0019には、スリップリングや非接触電磁誘導の他に、光や電波を用いた通信システムにより、回転盤上のX線検出器の検出信号を静止部に伝送することが記載している。   In paragraph 0019 of Patent Document 1, in addition to the slip ring and non-contact electromagnetic induction, the detection signal of the X-ray detector on the turntable is transmitted to the stationary part by a communication system using light or radio waves. Is described.

また、静止部のインバータ回路の制御回路には、回転盤上のX線管の管電圧をフィードバックさせ、所定のX線出力が得られるように制御している。このため、管電圧信号は、スリップリング、非接触電磁誘導、光や電波を用いた通信システムにより静止部に伝送される。   Further, the control circuit of the inverter circuit of the stationary part is controlled so as to obtain a predetermined X-ray output by feeding back the tube voltage of the X-ray tube on the rotating disk. For this reason, the tube voltage signal is transmitted to the stationary part by a slip ring, non-contact electromagnetic induction, a communication system using light or radio waves.

一方、火力発電所等のプラントにおいて、ボイラへ供給される燃料の流量等を制御する際には一般的にPID制御が用いられる。制御対象への制御量を変更した後、制御対象からその応答が検出されるまでの遅れ(無駄時間)が大きい場合、フィードバック制御が困難になるため、スミス法が用いられる。例えば、特許文献2には、ボイラの蒸気温度の制御のためにスミス予測器を用いている。特許文献2の技術は、無駄時間に変動がある場合に蒸気温度が発散してしまうことを防止するために、自己回帰モデルを用いて無駄時間を算出している。また、特許文献3には、プラント制御において制御対象の特性やゲインが変化する場合にも、スミス法の機能を十分発揮させるために、制御対象モデル手段の出力からゲイン比率の変化を求め、制御信号のゲインを修正する技術が開示されている。   On the other hand, in a plant such as a thermal power plant, PID control is generally used when controlling the flow rate of fuel supplied to a boiler. The Smith method is used because feedback control becomes difficult when there is a large delay (dead time) until a response is detected from the control target after changing the control amount to the control target. For example, Patent Document 2 uses a Smith predictor for controlling the steam temperature of a boiler. The technique of Patent Document 2 calculates the dead time using an autoregressive model in order to prevent the steam temperature from being emitted when there is a fluctuation in the dead time. Further, Patent Document 3 obtains a change in the gain ratio from the output of the control target model means in order to sufficiently exert the function of the Smith method even when the characteristics and gain of the control target change in plant control, and control is performed. A technique for correcting the gain of a signal is disclosed.

ここで一般的なフィードバック制御系とスミス法について簡単に説明する。通常のフィードバック制御系を図19に示す。図19において、C(s)はコントローラ101の伝達関数、G(s)は制御対象102の伝達関数、e-sLは無駄時間要素の伝達関数、R(s)は制御指令、U(s)は操作量、D(s)は外乱、Y(s)は出力を示している。このフィードバック制御系において、制御対象102が1次遅れのみで無駄時間Lがほとんどない(L≒0)場合、PI制御によって容易に制御できる。しかし制御対象102の無駄時間が大きい場合には、制御に大きな影響を生じ、制御が難しくなっていく。そのときの図19の制御系の伝達関数は、下記(式1)のように表される。 Here, a general feedback control system and the Smith method will be briefly described. A normal feedback control system is shown in FIG. In FIG. 19, C (s) is a transfer function of the controller 101, G (s) is a transfer function of the controlled object 102, e- sL is a transfer function of a dead time element, R (s) is a control command, U (s) Indicates an operation amount, D (s) indicates a disturbance, and Y (s) indicates an output. In this feedback control system, when the control object 102 is only the first-order delay and there is almost no dead time L (L≈0), it can be easily controlled by PI control. However, when the dead time of the control object 102 is large, the control is greatly affected and the control becomes difficult. The transfer function of the control system in FIG. 19 at that time is expressed as shown in (Equation 1) below.

・・・・・(式1)
ただし、外乱は考えていない(D(s)=0)。上記式1により、この制御系の特性方程式は、下記式2のように表される。
... (Formula 1)
However, no disturbance is considered (D (s) = 0). From the above equation 1, the characteristic equation of this control system is expressed as the following equation 2.

・・・・・(式2) ... (Formula 2)

この特性方程式には無駄時間Lが含まれるため、Lが無視できない大きさである場合には制御性能が劣化し、コントローラ101の設計が困難のものとなる。   Since this characteristic equation includes the dead time L, when L is a size that cannot be ignored, the control performance is degraded, and the controller 101 is difficult to design.

そこで、この無駄時間を補償するために、従来の特許文献2、3のようなプラント制御では、スミス法が用いられる。スミス法を用いた制御系の基本構成図を図20に示す。図20において、制御対象モデル103は、制御対象102の伝達関数G(s)とほぼ等しい伝達関数P(s)を持ち、無駄時間モデル104は、無駄時間要素と等しい伝達関数e-sLを持つ。制御対象モデル103と無駄時間モデル104とを併せてスミス予測器105と称する。 Therefore, in order to compensate for this dead time, the Smith method is used in the conventional plant control as disclosed in Patent Documents 2 and 3. A basic configuration diagram of a control system using the Smith method is shown in FIG. In FIG. 20, the control target model 103 has a transfer function P (s) substantially equal to the transfer function G (s) of the control target 102, and the dead time model 104 has a transfer function e −sL equal to the dead time element. . The controlled object model 103 and the dead time model 104 are collectively referred to as a Smith predictor 105.

図20のように、スミス法を用いた制御系は、無駄時間を持つ制御対象102(伝達関数G(s)e-sL)に対して、制御対象モデル103の伝達関数P(s)のフィードバックならびに、無駄時間モデル104の伝達関数e-sLと制御対象102の伝達関数G(s)e-sLの差分をフィードバックする。すなわち、スミス法は、制御対象モデル103と無駄時間モデル104を持ち、無駄時間経過後に現れる現象を常に予測しながら制御を行う。つまり、制御量および設定値R(s)およびコントローラ101の伝達関数C(s)によって操作量U(s)が算出され、スミス予測器を用いて操作量U(s)に対する制御量の変化が予測され、さらに、この変化量に基づきコントローラC(s)内で操作量U(s)が算出される。したがって、図20のスミス予測器105を備えたフィードバック制御系の制御指令値R(s)から出力Y(s)までの伝達関数は、(式3)のようになる。 As shown in FIG. 20, the control system using the Smith method feeds back the transfer function P (s) of the control target model 103 to the control target 102 (transfer function G (s) e −sL ) having a dead time. In addition, the difference between the transfer function e −sL of the dead time model 104 and the transfer function G (s) e −sL of the control target 102 is fed back. That is, the Smith method has a control target model 103 and a dead time model 104, and performs control while always predicting a phenomenon that appears after the dead time. That is, the manipulated variable U (s) is calculated from the controlled variable, the set value R (s), and the transfer function C (s) of the controller 101, and the change of the controlled variable with respect to the manipulated variable U (s) is changed using the Smith predictor. Further, an operation amount U (s) is calculated in the controller C (s) based on the amount of change. Therefore, the transfer function from the control command value R (s) to the output Y (s) of the feedback control system provided with the Smith predictor 105 of FIG.

・・・・・(式3) ... (Formula 3)

制御対象モデル103の伝達関数と制御対象102の伝達関数に誤差が全くない場合、すなわちP(s)=G(s)であれば、特性方程式は、(式4)のようになる。
・・・・・(式4)
(式4)の特性方程式には、無駄時間Lが残らないので安定である。このようにスミス予測器を用いることで、システムから無駄時間による影響を排除でき、出力Y(s)を制御指令R(s)に精度よく追従させることができる。また、無駄時間がない場合と同じコントローラ101を使用できる。
If there is no error between the transfer function of the control target model 103 and the transfer function of the control target 102, that is, if P (s) = G (s), the characteristic equation is as shown in (Expression 4).
(Formula 4)
The characteristic equation of (Equation 4) is stable because the dead time L does not remain. By using the Smith predictor in this way, the influence of dead time can be eliminated from the system, and the output Y (s) can accurately follow the control command R (s). Moreover, the same controller 101 as when there is no dead time can be used.

スミス法は、無駄時間を制御ループから排除できるため、見かけ上制御対象に無駄時間がなくなること、フィードバック制御系の特性方程式から無駄時間が排除されるためコントローラの設計が容易になること、外乱に対しては無駄時間がそのまま残るため複雑なまま放置されること、などの特徴を有することが知られている。   The Smith method eliminates wasted time from the control loop, which eliminates the wasted time in the control target, and eliminates the wasted time from the characteristic equation of the feedback control system. On the other hand, it is known that it has a feature such that it is left as it is complicated because the dead time remains as it is.

特許第4008010号公報Japanese Patent No. 4008010 特開昭62−248902号公報JP-A-62-248902 特開平5−35306号公報JP-A-5-35306

X線CT装置では、X線管の管電圧情報を光ファイバなどの通信システムでフィードバックし、これによりインバータの周波数や出力電圧を制御することでX線管への供給電力を制御している。X線管は、回転盤に搭載されているため、管電圧情報を静止側のインバータ回路へフィードバックする際には、回転盤から静止側への伝送が必要である。伝送にはスリップリング、光伝送、静電伝送、電波等が用いられるが、伝送の途中で回転盤から静止側へ伝送する構成を伴うため、1ms〜数msの時間遅延(無駄時間)が生じる。特に、デジタル伝送を行う場合、伝送データの間違い検出処理や、間違いが発見された時のエラー訂正処理等により、高精度に情報を伝送することができるが、これら処理時間により伝送に遅れ(無駄時間)が生じ、しかも伝送遅れにばらつき(無駄時間のばらつき)が生じる。   In the X-ray CT apparatus, tube voltage information of the X-ray tube is fed back by a communication system such as an optical fiber, thereby controlling the power supplied to the X-ray tube by controlling the frequency and output voltage of the inverter. Since the X-ray tube is mounted on the rotating disk, when the tube voltage information is fed back to the stationary inverter circuit, transmission from the rotating disk to the stationary side is required. For transmission, slip ring, optical transmission, electrostatic transmission, radio wave, etc. are used. However, since transmission involves transmission from the rotating disk to the stationary side during transmission, a time delay (dead time) of 1 ms to several ms occurs. . In particular, when digital transmission is performed, information can be transmitted with high accuracy by error detection processing of transmitted data, error correction processing when an error is found, and the like. Time) and transmission delay (variation of dead time) occurs.

また、管電圧情報の伝送のために、独立した伝送経路を用意するのは装置の大型化やコストアップにつながる。このため、X線検出器のX線検出データの伝送経路を利用し、管電圧信号を送信することが考えられる。この場合、X線検出データの伝送タイミングを見計らい、その合間に管電圧信号を伝送する必要があるため、無駄時間および無駄時間のばらつきは大きくなる。   Also, preparing an independent transmission path for transmission of tube voltage information leads to an increase in the size and cost of the apparatus. For this reason, it is conceivable to transmit the tube voltage signal using the transmission path of the X-ray detection data of the X-ray detector. In this case, since it is necessary to estimate the transmission timing of the X-ray detection data and transmit the tube voltage signal in the meantime, the variation in the waste time and the waste time becomes large.

無駄時間の大きいプラントの制御にスミス法を用いる特許文献2、3に記載の技術を、X線CT装置に応用し、無駄時間の大きな管電圧情報を用いたインバータ回路を制御することが考えられる。しかし、スミス予測器には、上述したように、制御対象と等しい伝達関数を持つ制御対象モデル、および無駄時間と等しい伝達関数をもつ無駄時間モデルが必要である。X線CT装置のように高電圧を発生する装置では、制御対象内に非線形要素であるダイオード整流回路を含んでいるため、制御対象をスミス予測器が必要とする伝達関数または状態方程式で表現することが難しく、モデルの作成は困難である。また、無駄時間のばらつきが不明であるため、無駄時間モデルの作成も困難である。   It is conceivable to apply the techniques described in Patent Documents 2 and 3 that use the Smith method to control a plant with a large dead time to an X-ray CT apparatus to control an inverter circuit using tube voltage information with a large dead time. . However, as described above, the Smith predictor requires a controlled object model having a transfer function equal to the controlled object and a dead time model having a transfer function equal to the dead time. An apparatus that generates a high voltage, such as an X-ray CT apparatus, includes a diode rectifier circuit that is a non-linear element in the controlled object, so that the controlled object is expressed by a transfer function or state equation required by the Smith predictor. It is difficult to create a model. In addition, since the variation in the dead time is unknown, it is difficult to create a dead time model.

特許文献2ではボイラへの燃料流量制御弁の制御する際の、ボイラの蒸気温度信号の無駄時間を自己回帰モデルを用いて算出する構成が開示されているが、この構成を用いて、X線管電圧のデジタルデータの伝送時の間違い検出やエラー訂正処理等に起因する無駄時間や無駄時間のばらつきを検出することはできない。   Patent Document 2 discloses a configuration for calculating the waste time of the steam temperature signal of the boiler when the fuel flow control valve to the boiler is controlled by using an autoregressive model. It is not possible to detect dead time and variations in dead time due to error detection, error correction processing, and the like during transmission of tube voltage digital data.

本発明の目的は、制御対象の無駄時間および無駄時間の変動を補償することができるX線CT装置を提供することにある。   The objective of this invention is providing the X-ray CT apparatus which can compensate the fluctuation | variation of the waste time of a control object, and a waste time.

上記目的を達成するために、本発明によれば以下のようなX線CT装置が提供される。すなわち、X線CT装置は、X線照射部およびX線検出部を搭載して被検体の周囲を回転する回転部と、X線照射部へ電力を供給する電力供給部および制御部を含む静止部と、回転部から静止部へ信号を伝送する伝送部とを有する。制御部は、伝送部により回転部から静止部へ伝送されたX線照射部の情報を用いて電力供給部をフィードバック制御する。制御部は、制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、X線照射部の情報の伝送部による伝送により生じる遅れ時間を算出し、無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備える。   In order to achieve the above object, according to the present invention, the following X-ray CT apparatus is provided. That is, the X-ray CT apparatus includes an X-ray irradiation unit and an X-ray detection unit, a rotating unit that rotates around the subject, a power supply unit that supplies power to the X-ray irradiation unit, and a stationary unit that includes a control unit. And a transmission unit that transmits a signal from the rotating unit to the stationary unit. The control unit performs feedback control of the power supply unit using the information of the X-ray irradiation unit transmitted from the rotating unit to the stationary unit by the transmission unit. The control unit calculates a delay time caused by a Smith predictor including a control target model circuit and a dead time model circuit, and transmission of information of the X-ray irradiation unit by a transmission unit, and compensates for a dead time of the dead time model circuit A time calculation unit.

例えば、伝送部がエラー訂正機能を備えたデジタル伝送を行う構成である場合、遅れ時間には、エラー訂正機能によるエラー訂正で生じる遅れ時間が含まれる。   For example, when the transmission unit is configured to perform digital transmission having an error correction function, the delay time includes a delay time caused by error correction by the error correction function.

例えば、回転部は、X線照射部の情報を検出して、この情報に、伝送部による伝送前の時刻を表す情報を重畳して伝送部に伝送させる回転側制御部を備える構成とする。この場合、遅延時間演算部は、伝送部により伝送された情報に重畳された時刻と、伝送後の時刻との差を求めることにより遅れ時間を算出することができる。   For example, the rotation unit is configured to include a rotation-side control unit that detects information of the X-ray irradiation unit and superimposes information indicating the time before transmission by the transmission unit and transmits the information to the transmission unit. In this case, the delay time calculation unit can calculate the delay time by obtaining the difference between the time superimposed on the information transmitted by the transmission unit and the time after transmission.

また例えば、回転部は、X線照射部の前記情報を検出し、この情報に、所定のタイミングで番号を表す情報を重畳して伝送部に伝送させる回転側制御部を備える構成とする。この場合、遅延時間演算部は、伝送部により伝送された情報に重畳された番号から遅れ時間を演算することができる。   In addition, for example, the rotation unit is configured to include a rotation-side control unit that detects the information of the X-ray irradiation unit and superimposes information indicating a number at a predetermined timing and transmits the information to the transmission unit. In this case, the delay time calculation unit can calculate the delay time from the number superimposed on the information transmitted by the transmission unit.

また例えば、遅延時間演算部は、伝送部からエラー訂正の回数を受け取って、このエラー訂正回数と予め定められたエラー訂正に要する時間とを用いて遅れ時間を演算することができる。   Further, for example, the delay time calculation unit can receive the number of error corrections from the transmission unit and calculate the delay time using the number of error corrections and a predetermined time required for error correction.

制御対象モデル回路は、例えば、制御対象と等価な、オペアンプ回路、または、プロブラマブル集積回路によって構成することができる。   The control target model circuit can be configured by, for example, an operational amplifier circuit or a programmable integrated circuit equivalent to the control target.

また、本発明の別の態様によれば、無駄時間を有する制御対象をフィードバック制御する無駄時間補償装置が提供される。この無駄時間補償装置は、制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、制御対象からの信号伝送において生じる遅れ時間を算出し、無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備える。 According to another aspect of the present invention, there is provided a dead time compensation device that performs feedback control of a control target having a dead time . This dead time compensator calculates a delay time calculation that compensates for a dead time of a dead time model circuit by calculating a delay time generated in signal transmission from the controlled object model circuit and a Smith predictor including the dead time model circuit and a controlled object. A part.

本発明によれば、回転部から静止部への信号伝送に遅れ時間が生じ、かつ、この遅れ時間に変動が生じる場合であっても、この遅れ時間を算出し、無駄時間モデル回路の無駄時間を補償することができる。よって、X線CT装置のように、回転部と静止部との間の信号伝送が必要な装置であっても、精度の高い制御を行うことができる。   According to the present invention, even when a delay time occurs in the signal transmission from the rotating part to the stationary part and the delay time fluctuates, the delay time is calculated and the dead time of the dead time model circuit is calculated. Can be compensated. Therefore, even an apparatus that requires signal transmission between the rotating part and the stationary part, such as an X-ray CT apparatus, can perform highly accurate control.

実施形態の非接触給電方式X線CT装置の概略構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a contactless power feeding type X-ray CT apparatus of an embodiment. 図1のX線CT装置の管電圧の制御系を示すブロック図。The block diagram which shows the control system of the tube voltage of the X-ray CT apparatus of FIG. 図2の制御系による無駄時間の演算処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the calculation processing procedure of the dead time by the control system of FIG. 実施形態のインバータ2の出力からX線管7までの管電圧制御回路の等価回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the equivalent circuit of the tube voltage control circuit from the output of the inverter 2 of embodiment to the X-ray tube 7. FIG. オペアンプを用いた積分回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the integration circuit using an operational amplifier. オペアンプを用いた微分回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the differentiation circuit using an operational amplifier. 図4の等価回路を3分割した等価回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the equivalent circuit which divided the equivalent circuit of FIG. 4 into three. 図6で分割した等価回路の第1等価回路を取り出した回路図。The circuit diagram which took out the 1st equivalent circuit of the equivalent circuit divided | segmented in FIG. 図7の第1等価回路をオペアンプ回路で表したモデル回路図。FIG. 8 is a model circuit diagram illustrating the first equivalent circuit of FIG. 7 by an operational amplifier circuit. 図6で分割した等価回路の第2等価回路を取り出した回路図。The circuit diagram which extracted the 2nd equivalent circuit of the equivalent circuit divided | segmented in FIG. 図9の第2等価回路をオペアンプ回路で表したモデル回路図。FIG. 10 is a model circuit diagram illustrating the second equivalent circuit of FIG. 9 as an operational amplifier circuit. 図6で分割した等価回路の第3等価回路を取り出した回路図。The circuit diagram which extracted the 3rd equivalent circuit of the equivalent circuit divided | segmented in FIG. 図11の第3等価回路のオペアンプ回路で表したモデル回路図。The model circuit diagram represented with the operational amplifier circuit of the 3rd equivalent circuit of FIG. 図12の回路のダイオードブリッジのダイオード順方向電圧降下の補償をするためのオペアンプ回路図。FIG. 13 is an operational amplifier circuit diagram for compensating for a diode forward voltage drop of a diode bridge in the circuit of FIG. 12. 比較例の無駄時間がない理想のX線管電圧制御システムをPI制御した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the simulation result of the time response at the time of carrying out PI control of the ideal X-ray tube voltage control system with no dead time of a comparative example. 比較例の無駄時間1msを持つX線管電圧制御システムをPI制御した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the simulation result of the time response at the time of carrying out PI control of the X-ray tube voltage control system with the dead time of 1 ms of a comparative example. 無駄時間1msで一定のX線管電圧制御システムに、スミス予測器80を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the simulation result of the time response at the time of applying the Smith predictor 80 to a fixed X-ray tube voltage control system with dead time 1ms. 無駄時間が変動するX線管電圧制御システムに、スミス予測器80を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the simulation result of the time response at the time of applying the Smith predictor 80 to the X-ray tube voltage control system in which dead time fluctuates. 無駄時間が変動するX線管電圧制御システムに、本実施形態のスミス予測器80と時間遅延演算回路85を備えた管電圧制御回路8を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the simulation result of the time response at the time of applying the tube voltage control circuit 8 provided with the Smith predictor 80 of this embodiment and the time delay calculating circuit 85 to the X-ray tube voltage control system in which dead time fluctuates. 一般的なフィードバック制御系を示すブロック図。The block diagram which shows a general feedback control system. 一般的なスミス法の制御系を示すブロック図。The block diagram which shows the control system of a general Smith method.

以下、本発明の一実施形態のX線CT装置について説明する。   Hereinafter, an X-ray CT apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.

(第1の実施形態)
図1に、第1の実施形態の非接触給電方式X線CT装置概要を示す。図1のように、このX線CT装置は、電源1と、インバータ2と、非接触給電による巻線変圧器3と、主変圧器4と、整流器5と、平滑コンデンサ6と、X線管7と、管電圧制御回路8と、X線検出器12と、信号処理部22と、陽極回転駆動回路31と、フィラメント加熱回路32とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an outline of the non-contact power feeding type X-ray CT apparatus of the first embodiment. As shown in FIG. 1, this X-ray CT apparatus includes a power source 1, an inverter 2, a winding transformer 3 by non-contact power feeding, a main transformer 4, a rectifier 5, a smoothing capacitor 6, and an X-ray tube. 7, a tube voltage control circuit 8, an X-ray detector 12, a signal processing unit 22, an anode rotation drive circuit 31, and a filament heating circuit 32.

X線管7、主変圧器4、整流器5、平滑コンデンサ6、X線検出器12は、被検体の周囲を回転する回転盤(不図示)に搭載され、回転部10を構成する。電源1とインバータ2は、共に静止部9として構成される。   The X-ray tube 7, the main transformer 4, the rectifier 5, the smoothing capacitor 6, and the X-ray detector 12 are mounted on a rotating disk (not shown) that rotates around the subject and constitutes a rotating unit 10. Both the power source 1 and the inverter 2 are configured as a stationary part 9.

静止部9側の固定枠と回転部10の回転盤が対向する位置には、それぞれ第1巻線3a、第2巻線3bが互いの磁束が鎖交するように配置され、非接触給電を行う巻線変圧器3を構成している。   At the position where the stationary frame on the stationary part 9 side and the rotating disk of the rotating part 10 face each other, the first winding 3a and the second winding 3b are arranged so that the magnetic fluxes are linked to each other. The winding transformer 3 to perform is comprised.

また、回転部10の回転盤には回転側空間伝送モジュール21が搭載され、固定部9には静止側空間伝送モジュール20が配置されている。これらは、回転部10から固定部9へと情報を送信する通信システムであり、光通信,静電伝送,または電波による通信システムを用いる。   In addition, a rotation side space transmission module 21 is mounted on the turntable of the rotation unit 10, and a stationary side space transmission module 20 is disposed on the fixed unit 9. These are communication systems that transmit information from the rotating unit 10 to the fixed unit 9 and use optical communication, electrostatic transmission, or communication systems using radio waves.

静止部9の電源1は、直流電圧を発生する。インバータ2は、インバータ回路と、インバータ駆動回路を含み、上記電源1から出力された直流電圧を交流に変換する。インバータ回路およびインバータ駆動回路の構成については、例えば、特開2005−94913号公報等に記載された広く知られた構成であるので、詳細な回路構成の説明は省略する。インバータ駆動回路は、インバータ回路の出力電流と、管電圧検出部14が検出し、管電圧制御回路8等を介してフィードバックした管電圧に基づき、インバータ回路内の複数の半導体スイッチのオン/オフタイミングを制御することにより、インバータ回路の出力電流、出力電圧を制御し、X線管7に供給する電力を制御する。   The power source 1 of the stationary part 9 generates a DC voltage. The inverter 2 includes an inverter circuit and an inverter drive circuit, and converts the DC voltage output from the power source 1 into AC. About the structure of an inverter circuit and an inverter drive circuit, since it is a well-known structure described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2005-94913 etc., description of a detailed circuit structure is abbreviate | omitted. The inverter drive circuit is configured to turn on / off the plurality of semiconductor switches in the inverter circuit based on the output current of the inverter circuit and the tube voltage detected by the tube voltage detection unit 14 and fed back through the tube voltage control circuit 8 or the like. By controlling the output current, the output current and output voltage of the inverter circuit are controlled, and the power supplied to the X-ray tube 7 is controlled.

インバータ2の出力側に、巻線変圧器3の第1巻線3aが接続されている。第2巻線3bは、回転部10の主変圧器4の入力側に接続されている。巻線変圧器3は、第1および第2巻線3a、3bの互いの磁束を鎖交させることにより電磁気的に結合させ、非接触で所要の電力を固定部9側から回転部10側に受け渡す。   The first winding 3 a of the winding transformer 3 is connected to the output side of the inverter 2. The second winding 3 b is connected to the input side of the main transformer 4 of the rotating unit 10. The winding transformer 3 is electromagnetically coupled by linking the magnetic fluxes of the first and second windings 3a and 3b, and the required power is contactlessly transferred from the fixed portion 9 side to the rotating portion 10 side. Deliver.

主変圧器4は、上記インバータ2から出力された交流電圧を昇圧する。整流器5と平滑コンデンサ6は、主変圧器4の出力電圧を直流の高電圧にする。   The main transformer 4 boosts the AC voltage output from the inverter 2. The rectifier 5 and the smoothing capacitor 6 make the output voltage of the main transformer 4 a DC high voltage.

回転部10の回転盤には、更に、管電圧検出部14、陽極回転駆動回路31、フィラメント加熱回路32、回転側制御回路30、回転側空間伝送モジュール21、A/D変換器11,13が搭載されている。   The rotating plate of the rotating unit 10 further includes a tube voltage detecting unit 14, an anode rotation driving circuit 31, a filament heating circuit 32, a rotating side control circuit 30, a rotating side space transmission module 21, and A / D converters 11 and 13. It is installed.

陽極回転駆動回路31は、X線管7の円盤型の陽極ターゲットを回転させる。これにより、陰極で発生した熱電子が、陽極ターゲットに衝突してX線が発生する際の衝突のエネルギーを分散させる。フィラメント加熱回路32は、X線管7の陰極のフィラメントを加熱し、熱電子を発生させる。   The anode rotation drive circuit 31 rotates the disk-type anode target of the X-ray tube 7. Thereby, the thermal electrons generated at the cathode collide with the anode target and disperse the energy of collision when X-rays are generated. The filament heating circuit 32 heats the cathode filament of the X-ray tube 7 and generates thermoelectrons.

X線管7から出射されたX線は、被検体に照射され、被検体を通過したX線は、X線検出器12によって検出される。X線検出器12の検出信号は、A/D変換器13によってデジタル信号に変換され、回転側空間伝送モジュール21から固定部9の静止側空間伝送モジュール20に送信される。   X-rays emitted from the X-ray tube 7 are irradiated onto the subject, and the X-rays that have passed through the subject are detected by the X-ray detector 12. The detection signal of the X-ray detector 12 is converted into a digital signal by the A / D converter 13 and transmitted from the rotation side space transmission module 21 to the stationary side space transmission module 20 of the fixed unit 9.

静止側空間伝送モジュール20が受信したX線検出器12の検出信号は、信号処理部22により画像再構成処理等が行われ、被検体の断層画像等が再構成される。   The detection signal of the X-ray detector 12 received by the stationary side spatial transmission module 20 is subjected to image reconstruction processing or the like by the signal processing unit 22 to reconstruct a tomographic image of the subject.

回転部10の回転盤上には、さらに、X線管7の両側の電圧(管電圧)を検出する管電圧検出部14と、A/D変換器11が搭載されている。管電圧検出部14の検出した管電圧は、A/D変換回路11でデジタル信号化され、回転側制御回路30でシリアル信号化される。このとき、本実施の形態では、回転側制御回路30は、A/D変換器11が管電圧信号のA/D変換を開始した時刻T0を記録する。   On the turntable of the rotating unit 10, a tube voltage detecting unit 14 for detecting a voltage (tube voltage) on both sides of the X-ray tube 7 and an A / D converter 11 are further mounted. The tube voltage detected by the tube voltage detector 14 is converted into a digital signal by the A / D conversion circuit 11 and converted into a serial signal by the rotation side control circuit 30. At this time, in the present embodiment, the rotation-side control circuit 30 records the time T0 when the A / D converter 11 starts the A / D conversion of the tube voltage signal.

回転側空間伝送モジュール21は、A/D変換された管電圧信号と、時刻T0を示す信号を回転側制御回路30から受け取って、静止側空間伝送モジュール20に伝送する。また、回転側空間伝送モジュール21は、X線検出器12の出力するX線検出信号も静止側空間伝送モジュール20に伝送する。   The rotation side space transmission module 21 receives the A / D converted tube voltage signal and the signal indicating the time T 0 from the rotation side control circuit 30 and transmits them to the stationary side space transmission module 20. The rotation-side space transmission module 21 also transmits the X-ray detection signal output from the X-ray detector 12 to the stationary-side space transmission module 20.

静止側空間伝送モジュール20は、受信信号から管電圧信号と時刻T0の情報信号を分離し、管電圧制御回路8を介してインバータ2にフィードバックする。受信信号のうちX線検出信号は、信号処理装置22に受け渡す。   The stationary side space transmission module 20 separates the tube voltage signal and the information signal at time T0 from the received signal and feeds back to the inverter 2 via the tube voltage control circuit 8. Among the received signals, the X-ray detection signal is transferred to the signal processing device 22.

管電圧のフィードバックは、静止部9と回転部10との間を回転側空間伝送モジュール21および静止側空間伝送モジュール20により光伝送,静電伝送,または電波による空間伝送するため時間遅延をともなう。そのためインバータ制御回路8では、管電圧のフィードバックに1ms−数msの無駄時間が発生してしまう。   The feedback of the tube voltage is accompanied by a time delay because optical transmission, electrostatic transmission, or spatial transmission using radio waves is performed between the stationary unit 9 and the rotating unit 10 by the rotation-side spatial transmission module 21 and the stationary-side spatial transmission module 20. Therefore, in the inverter control circuit 8, a dead time of 1 ms to several ms is generated for the feedback of the tube voltage.

また、陽極回転駆動回路31、フィラメント加熱回路32などの動作開始信号や異常信号など、これら回路の動作に関する信号も回転側制御回路30を介してシリアル信号化し、回転側空間伝送モジュール30により静止側空間伝送モジュール20と送受信する。   In addition, signals related to the operation of these circuits, such as operation start signals and abnormality signals of the anode rotation drive circuit 31 and the filament heating circuit 32, are also converted into serial signals via the rotation side control circuit 30, and are stationary by the rotation side spatial transmission module 30. It transmits and receives to and from the spatial transmission module 20.

静止側空間伝送モジュール20及び回転側空間伝送モジュール21の伝送遅延による無駄時間は、伝送時に発生するエラーの訂正プロトコルも含まれるため、一定ではなく変動する。伝送エラーの検出には例えばパリティチェック,サムチェック,CRCチェックなどの方法が用いられる。   The dead time due to the transmission delay of the stationary-side spatial transmission module 20 and the rotation-side spatial transmission module 21 includes a correction protocol for errors that occur during transmission, and thus varies rather than being constant. For example, methods such as a parity check, a sum check, and a CRC check are used to detect a transmission error.

つぎに、管電圧制御回路8は、管電圧のフィードバックに伴う無駄時間および無駄時間の変動を補償するため、本実施形態では、図2のようなスミス予測器80を用いた制御系である。   Next, the tube voltage control circuit 8 is a control system using a Smith predictor 80 as shown in FIG. 2 in order to compensate for the dead time and fluctuations of the dead time accompanying the feedback of the tube voltage.

図2のように管電圧制御回路8は、PI制御を行うコントローラ82と、スミス予測器80と、時間遅延演算回路85とを備えている。管電圧制御回路8の制御対象102の主回路100は、図1で示した巻線変圧器3と主変圧器4と整流器5と平滑コンデンサ6を含んでいる。主回路100、A/D変換器11、回転側制御回路30、回転側空間伝送モジュール21、静止側空間伝送モジュール20を含む回路が、管電圧制御回路8の制御対象102である。   As shown in FIG. 2, the tube voltage control circuit 8 includes a controller 82 that performs PI control, a Smith predictor 80, and a time delay calculation circuit 85. The main circuit 100 of the control target 102 of the tube voltage control circuit 8 includes the winding transformer 3, the main transformer 4, the rectifier 5, and the smoothing capacitor 6 shown in FIG. A circuit including the main circuit 100, the A / D converter 11, the rotation-side control circuit 30, the rotation-side space transmission module 21, and the stationary-side space transmission module 20 is the control object 102 of the tube voltage control circuit 8.

制御対象102の伝達関数はG(s)であるが、無視できない無駄時間L(遅れ時間、伝達関数e-sL)を含むため、制御対象102の伝達関数はG(s)e-sLと表される。しかも、この無駄時間Lは、上述したように静止側空間伝送モジュール20及び回転側空間伝送モジュール21によるエラーの訂正プロトコルも含まれるため、一定ではなく変動する。 The transfer function of the control target 102 is G (s), but includes a dead time L (delay time, transfer function e −sL ) that cannot be ignored. Therefore , the transfer function of the control target 102 is expressed as G (s) e −sL. Is done. In addition, since the dead time L includes the error correction protocol by the stationary side space transmission module 20 and the rotation side space transmission module 21 as described above, the dead time L is not constant and varies.

スミス予測器80は、制御対象モデル回路81と無駄時間モデル回路84とを含む。制御対象モデル回路81は、制御対象102の伝達関数G(s)とほぼ等しい伝達関数P(s)を持ち、無駄時間モデル回路84は、無駄時間要素と等しい伝達関数e-sLをもつ。これらモデル回路81,84の具体的な構成については、後述する。 The Smith predictor 80 includes a control target model circuit 81 and a dead time model circuit 84. The control target model circuit 81 has a transfer function P (s) substantially equal to the transfer function G (s) of the control target 102, and the dead time model circuit 84 has a transfer function e −sL equal to the dead time element. Specific configurations of the model circuits 81 and 84 will be described later.

管電圧制御回路8は、スミス法により、コントローラ82(伝達関数Gc(s))に対して、制御対象モデル81の伝達関数P(s)を介したフィードバック90、および、無駄時間モデル104の伝達関数e-sLと制御対象102の伝達関数G(s)e-sLとの差分88のフィードバック86を行う。これにより、コントローラ82は、無駄時間を持つ制御対象102(伝達関数G(s)e-sL)を制御する。外乱87は、ゼロとする(d=0)。すなわち、コントローラ82は、スミス法により、制御対象モデル回路81と無駄時間モデル回路84により、無駄時間経過後に現れる現象を常に予測しながら、制御量(差分88)および設定値R(s)およびコントローラ101の伝達関数C(s)によって操作量U(s)を算出する。 The tube voltage control circuit 8 transmits the feedback 90 and the dead time model 104 via the transfer function P (s) of the control target model 81 to the controller 82 (transfer function Gc (s)) by the Smith method. A feedback 86 of a difference 88 between the function e −sL and the transfer function G (s) e −sL of the control target 102 is performed. Thereby, the controller 82 controls the control object 102 (transfer function G (s) e −sL ) having a dead time . The disturbance 87 is zero (d = 0). That is, the controller 82 always predicts the phenomenon that appears after the lapse of the dead time by the control target model circuit 81 and the dead time model circuit 84 by the Smith method, while controlling the control amount (difference 88), the set value R (s), and the controller. The operation amount U (s) is calculated from the transfer function C (s) of 101.

制御対象モデル回路81の伝達関数P(s)が、制御対象102の伝達関数G(s)に等しく、無駄時間モデル回路84の無駄時間Lが、制御対象102の無駄時間Lに等しい場合には、管電圧制御回路8および制御対象102で構成されるフィードバック制御系の制御指令値R(s)から出力Y(s)までの伝達関数は、上述した(式3)および(式4)から明らかなように、無駄時間Lが残らないため安定である。よって、管電圧を安定してフィードバック制御することができる。   When the transfer function P (s) of the controlled object model circuit 81 is equal to the transfer function G (s) of the controlled object 102 and the dead time L of the dead time model circuit 84 is equal to the dead time L of the controlled object 102 The transfer function from the control command value R (s) to the output Y (s) of the feedback control system composed of the tube voltage control circuit 8 and the control object 102 is apparent from the above-described (Expression 3) and (Expression 4). As described above, since the dead time L does not remain, it is stable. Therefore, the tube voltage can be stably feedback controlled.

このとき、制御対象モデル回路81として、伝達関数P(s)が制御対象102の伝達関数G(s)に等しい回路を構築することが必要であり、かつ、無駄時間モデル回路84として、無駄時間Lが制御対象102の無駄時間Lに等しい値を用いることが必要である。   At this time, it is necessary to construct a circuit in which the transfer function P (s) is equal to the transfer function G (s) of the control object 102 as the control target model circuit 81, and the dead time model circuit 84 is used as a dead time. It is necessary to use a value where L is equal to the dead time L of the control target 102.

しかしながら、制御対象102には、非線形要素であるダイオード整流回路5が含まれるため、制御対象102の伝達関数を求めることは困難である。そこで、本実施形態では、制御対象102の主回路100と同じ応答特性を有する制御対象モデル回路81を構築し、実装する。例えば、制御対象モデル回路81は、オペアンプ回路によるアナログ計算機、または、FPGA(Field Programmable Gate Array)をはじめとするプログラマブルLSI等のハードウエア回路によって構成する。   However, since the controlled object 102 includes the diode rectifier circuit 5 that is a non-linear element, it is difficult to obtain the transfer function of the controlled object 102. Therefore, in this embodiment, a control target model circuit 81 having the same response characteristics as the main circuit 100 of the control target 102 is constructed and mounted. For example, the control target model circuit 81 is configured by an analog computer using an operational amplifier circuit, or a hardware circuit such as a programmable LSI including an FPGA (Field Programmable Gate Array).

主回路100に含まれる非線形要素をアナログ計算機(オペアンプ回路)等で構成することにより、非線形回路であるダイオード整流回路を直接、制御対象モデル回路81に組み込むことができる。このため、制御対象モデル回路81の出力信号の精度を高めることができる。   By configuring the non-linear element included in the main circuit 100 with an analog computer (op-amp circuit) or the like, the diode rectifier circuit that is a non-linear circuit can be directly incorporated in the control target model circuit 81. For this reason, the accuracy of the output signal of the control target model circuit 81 can be increased.

また、制御対象102の主回路100の応答特性をオペアンプ回路で再現しているため、制御対象モデル回路81の出力信号には、主回路100において生じる無駄時間が含まれる。これにより、主回路100において生じる無駄時間を制御対象モデル回路81によって補償することができる。また、オペアンプ回路で構成することにより、制御対象モデル回路81の演算の高速化が可能である。具体的な、制御対象モデル回路81の構成については、後述する。   In addition, since the response characteristic of the main circuit 100 of the control target 102 is reproduced by the operational amplifier circuit, the output signal of the control target model circuit 81 includes a dead time generated in the main circuit 100. As a result, the dead time generated in the main circuit 100 can be compensated by the control target model circuit 81. In addition, the operation of the control target model circuit 81 can be speeded up by configuring with an operational amplifier circuit. A specific configuration of the control target model circuit 81 will be described later.

なお、制御対象モデル回路81を除く管電圧制御回路8の他の構成(図2の点線枠83内のコントローラ82、無駄時間モデル回路84、時間遅延演算回路85)は、CPUとメモリによって構成され、CPUがメモリ内の所定のソフトウエアを実行することにより、上記構成の動作を実行する。   Other configurations of the tube voltage control circuit 8 excluding the control target model circuit 81 (the controller 82, the dead time model circuit 84, and the time delay calculation circuit 85 in the dotted line frame 83 in FIG. 2) are configured by a CPU and a memory. The CPU executes predetermined software in the memory to execute the operation of the above configuration.

一方、無駄時間モデル回路84は、制御対象102の無駄時間Lに等しい無駄時間Lを用いて伝達関数を演算する必要がある。制御対象モデル回路81の出力信号には、主回路100において生じる無駄時間が含まれている。そのため、無駄時間モデル回路84では、図2のように、制御対象102の主回路100を除いた回路110(A/D変換器11〜静止側空間伝送モジュール20)で生じる無駄時間Lを算出すればよい。しかしながら、A/D変換器11から静止側空間伝送モジュール20の間に生じる無駄時間Lは、静止側空間伝送モジュール20及び回転側空間伝送モジュール21によるエラーの訂正プロトコルも含まれるため、一定ではなく変動する。   On the other hand, the dead time model circuit 84 needs to calculate a transfer function using a dead time L equal to the dead time L of the control target 102. The output signal of the control target model circuit 81 includes a dead time generated in the main circuit 100. Therefore, the dead time model circuit 84 calculates the dead time L generated in the circuit 110 (A / D converter 11 to stationary space transmission module 20) excluding the main circuit 100 of the controlled object 102 as shown in FIG. That's fine. However, the dead time L generated between the A / D converter 11 and the stationary side spatial transmission module 20 is not constant because the error correction protocol by the stationary side spatial transmission module 20 and the rotation side spatial transmission module 21 is also included. fluctuate.

そこで本実施形態では、時間遅延演算回路85により、エラー訂正等による変動を含む無駄時間Lを図3のフローのように算出する。   Therefore, in this embodiment, the time delay calculation circuit 85 calculates the dead time L including fluctuation due to error correction or the like as shown in the flow of FIG.

すなわち、本実施の形態では、回転側制御回路30は、A/D変換器11が管電圧信号のA/D変換を開始した時刻T0を記録するように構成されている(ステップ501)。回転側空間伝送モジュール21は、A/D変換された管電圧信号と、時刻T0の情報を示す信号を回転側制御回路30から受け取って、静止側空間伝送モジュール20に伝送する(ステップ502)。静止側空間伝送モジュール20は、これを受信し、受信信号から管電圧信号と時刻T0を分離して管電圧制御回路8にフィードバックする(ステップ503)。   That is, in the present embodiment, the rotation side control circuit 30 is configured to record the time T0 when the A / D converter 11 starts A / D conversion of the tube voltage signal (step 501). The rotation-side space transmission module 21 receives the A / D converted tube voltage signal and the signal indicating the information at time T0 from the rotation-side control circuit 30, and transmits them to the stationary-side space transmission module 20 (step 502). The stationary side space transmission module 20 receives this, separates the tube voltage signal and the time T0 from the received signal, and feeds back to the tube voltage control circuit 8 (step 503).

時間遅延演算回路85は、静止側空間伝送モジュール20から時刻T0を示す信号を受け取って、時間遅延演算回路85が静止側空間伝送モジュール20からの受信した時刻T1との差L0(=T1−T0)を演算する(ステップ504)。これにより、A/D変換器11〜静止側空間伝送モジュール20までの回路110で生じる無駄時間L0が算出される。   The time delay calculation circuit 85 receives a signal indicating the time T0 from the stationary side space transmission module 20, and the difference L0 (= T1-T0) from the time T1 received by the time delay calculation circuit 85 from the stationary side space transmission module 20 ) Is calculated (step 504). Thereby, the dead time L0 generated in the circuit 110 from the A / D converter 11 to the stationary side space transmission module 20 is calculated.

時間遅延演算回路85は、予め演算により求めておいた、制御対象モデル回路81では補償しきれない主回路100の無駄時間や、時間遅延演算回路85自身により生じる無駄時間L1(一定値)を、必要に応じてL0に加算して、無駄時間L(=L0+L1)を求める(ステップ505)。求めた無駄時間Lは、無駄時間モデル回路84に受け渡す。   The time delay calculation circuit 85 calculates a dead time of the main circuit 100 that cannot be compensated for by the control target model circuit 81 or a dead time L1 (a constant value) generated by the time delay calculation circuit 85 itself, which has been obtained by calculation in advance. If necessary, the dead time L (= L0 + L1) is obtained by adding to L0 (step 505). The obtained dead time L is transferred to the dead time model circuit 84.

無駄時間モデル回路84は伝達関数e-sLの回路であり、時間遅延演算回路85が演算した無駄時間Lをフィードバックに組み込む。 The dead time model circuit 84 is a circuit of the transfer function e −sL and incorporates the dead time L calculated by the time delay calculation circuit 85 into the feedback.

なお、回転側制御回路30と時間遅延演算回路85の参照する時刻は、同期させておく。   In addition, the time which the rotation side control circuit 30 and the time delay calculating circuit 85 refer is synchronized.

このように、本実施形態では、管電圧信号の伝送に伴い変動する無駄時間Lを演算により求めることができるため、スミス法を用いて、精度よく管電圧を制御することができる。   As described above, in this embodiment, since the dead time L that fluctuates with the transmission of the tube voltage signal can be obtained by calculation, the tube voltage can be accurately controlled using the Smith method.

つぎに、制御対象モデル回路81の詳しい構成について以下説明する。本実施形態では、制御対象モデル回路81を、主回路100と等しい応答特性を示すオペアンプ回路によって構成する。   Next, a detailed configuration of the control target model circuit 81 will be described below. In the present embodiment, the control target model circuit 81 is configured by an operational amplifier circuit having response characteristics equal to those of the main circuit 100.

まず、主回路100の等価回路を図4に示す。図4に示すように管電圧制御回路の等価回路は、インバータ2の出力電圧vsからX線管7の両端の電圧vdcまでを示している。また簡単化のために、等価回路におけるX線管7部分は、抵抗Rxに置き換えている。制御対象モデル回路81を構成するために、図4の等価回路をオペアンプよるアナログ回路により構成する。   First, an equivalent circuit of the main circuit 100 is shown in FIG. As shown in FIG. 4, the equivalent circuit of the tube voltage control circuit shows from the output voltage vs of the inverter 2 to the voltage vdc across the X-ray tube 7. For simplification, the X-ray tube 7 portion in the equivalent circuit is replaced with a resistor Rx. In order to configure the control target model circuit 81, the equivalent circuit of FIG. 4 is configured by an analog circuit using an operational amplifier.

まず、図4の等価回路におけるコンデンサは、図5(a)のオペアンプのアナログ回路に、リアクトル部分は、図5(b)のオペアンプのアナログ回路にそれぞれ置き換える。   First, the capacitor in the equivalent circuit of FIG. 4 is replaced with the analog circuit of the operational amplifier of FIG. 5A, and the reactor portion is replaced with the analog circuit of the operational amplifier of FIG. 5B.

等価回路の電圧センサ600、電流センサ700の倍率を、それぞれ1/2000、1/10000とする。これにより、構成する制御対象モデル回路81と図4の等価回路とのインピーダンス比Kzが次のように計算できる。
・・・・・(式5)
The magnifications of the equivalent circuit voltage sensor 600 and current sensor 700 are set to 1/2000 and 1/10000, respectively. Thereby, the impedance ratio Kz between the control object model circuit 81 and the equivalent circuit of FIG. 4 can be calculated as follows.
... (Formula 5)

このように、インピーダンス比が5となるので、図4の等価回路でのインピーダンスは、制御対象モデル回路81内で5倍となる。等価回路の入力電圧(インバータ2出力電圧)vsと入力電流is(インバータ2出力電流)は、測定可能な値であり、モデル回路81内では、これらの値を取り込んで計算を行い、最終的にX線管電圧予測値vdcを求め出力する。   Thus, since the impedance ratio is 5, the impedance in the equivalent circuit of FIG. The input voltage (inverter 2 output voltage) vs and the input current is (inverter 2 output current) of the equivalent circuit are measurable values. In the model circuit 81, these values are taken in and calculated. An X-ray tube voltage predicted value vdc is obtained and output.

ここで図4の等価回路を図6に示すように3つの回路部(第1等価回路201、第2等価回路202、第3等価回路203)に分割し、それぞれに対するモデル回路を設計する。図7は、等価回路の第1等価回路201を取りだしたものであり、図8は、第1等価回路201をオペアンプで構成したモデル回路を示す。まず第1等価回路201のCs、Rs、Lsrでの電圧降下vcs、vrs、vlsrをそれぞれ計算し、入力電圧(インバータ出力電圧)vsから、それらの電圧降下の和vlcrを減算することで、この第1等価回路201から出力される電圧vxを求める。例えば、Csによる電圧降下は、等価回路においては、(式6)により、そのモデル回路においては(式7)により求められる。   Here, the equivalent circuit of FIG. 4 is divided into three circuit parts (a first equivalent circuit 201, a second equivalent circuit 202, and a third equivalent circuit 203) as shown in FIG. 6, and a model circuit for each is designed. FIG. 7 shows a first equivalent circuit 201 that is an equivalent circuit, and FIG. 8 shows a model circuit in which the first equivalent circuit 201 is configured by an operational amplifier. First, voltage drops vcs, vrs, and vlsr at Cs, Rs, and Lsr of the first equivalent circuit 201 are calculated, and the sum vlcr of these voltage drops is subtracted from the input voltage (inverter output voltage) vs. The voltage vx output from the first equivalent circuit 201 is obtained. For example, the voltage drop due to Cs is obtained by (Equation 6) in the equivalent circuit and by (Equation 7) in the model circuit.

・・・・・(式6)
・・・・・(式7)
... (Formula 6)
... (Formula 7)

インピーダンス比Kzを用いて、この回路に相当するコンデンサや抵抗は、次(式8)のように計算できる。
・・・・・(式8)
Using the impedance ratio Kz, the capacitor and resistance corresponding to this circuit can be calculated as follows (Equation 8).
(Equation 8)

(式8)より、抵抗R1は、(式9)のようになる。
・・・・・(式9)
From (Equation 8), the resistance R1 is as shown in (Equation 9).
(Equation 9)

ここで、C1=100pFとすると、図8のR1は、下の(式10)で求められる。
・・・・・(式10)
Here, assuming that C1 = 100 pF, R1 in FIG. 8 is obtained by (Equation 10) below.
(Equation 10)

以下、同様に、オペアンプ回路の抵抗等の値を定める。図6の等価回路の第2等価回路202を取りだしたものを図9に示し、図9の第2等価回路202をオペアンプで構成したモデル回路を図10に示す。同様に、図6の等価回路の第3等価回路203を取りだしたものを図11に示し、図11の第3等価回路203をオペアンプにより構成したモデル回路を図12に示す。   Hereinafter, similarly, the value of the resistance of the operational amplifier circuit is determined. FIG. 9 shows a second equivalent circuit 202 extracted from the equivalent circuit of FIG. 6, and FIG. 10 shows a model circuit in which the second equivalent circuit 202 of FIG. Similarly, FIG. 11 shows a third equivalent circuit 203 extracted from the equivalent circuit of FIG. 6, and FIG. 12 shows a model circuit in which the third equivalent circuit 203 of FIG.

図11の第3等価回路203において、非線形負荷であるダイオードブリッジ211を含む部分は、インピーダンスを5倍にしてそのままモデル回路上で用いる。そして、第3等価回路203の最終段の電圧v〜dcを制御対象モデル回路81の出力として使用する。   In the third equivalent circuit 203 of FIG. 11, the portion including the diode bridge 211 that is a non-linear load is used as it is on the model circuit with the impedance increased by a factor of five. Then, the voltages v to dc at the final stage of the third equivalent circuit 203 are used as the output of the control target model circuit 81.

一方、電子回路でのダイオードには、約0.3Vの不感領域および順方向電圧降下が存在する。すなわち、アノードとカソード間に加わる順方向電圧が、0.3Vを越えるとオンとなって電流が流れ、それ以外の電圧0〜0.3V間ではオンにならないことが存在する。実際の等価回路でもダイオードの不感領域は存在するが、電子回路におけるダイオードとパワーモジュールのダイオードとではその比が大きく異なるため、モデル回路に誤差を生じる可能性がある。   On the other hand, a diode in an electronic circuit has a dead region and a forward voltage drop of about 0.3V. That is, when the forward voltage applied between the anode and the cathode exceeds 0.3V, the current is turned on and current flows, and the voltage other than 0 to 0.3V does not turn on. Even in an actual equivalent circuit, there is a diode insensitive region, but the ratio between the diode in the electronic circuit and the diode in the power module is greatly different, which may cause an error in the model circuit.

そこで、電子回路におけるダイオードの不感領域の影響を無くすために、図12のモデル回路のダイオードブリッジ211から負荷までを図13のように変更する。すなわち、図12のダイオードブリッジ211の部分を、全波整流の出力電圧となる絶対値回路400に置き換え、さらに半波整流回路と電圧ホロア回路を用いたピークホールド回路を応用した負荷回路500を加えることにより、ダイオードのオン、オフを再現する。したがって、これらの補償回路により、モデル回路内では理想ダイオードとなるため、不感領域を生じない。なお、等価回路におけるパワーモジュールダイオードの順方向電圧降下分は、モデル回路の絶対値回路手前で減算することにより、補正できる。   Therefore, in order to eliminate the influence of the insensitive area of the diode in the electronic circuit, the distance from the diode bridge 211 to the load of the model circuit in FIG. 12 is changed as shown in FIG. That is, the portion of the diode bridge 211 in FIG. 12 is replaced with an absolute value circuit 400 that is an output voltage of full-wave rectification, and a load circuit 500 that applies a peak hold circuit using a half-wave rectification circuit and a voltage follower circuit is added. As a result, the on / off state of the diode is reproduced. Therefore, since these compensation circuits become ideal diodes in the model circuit, no dead area is generated. Note that the forward voltage drop of the power module diode in the equivalent circuit can be corrected by subtraction before the absolute value circuit of the model circuit.

以上により、図8、図10、図12(一部図13で置き換え)のオペアンプ回路(アナログ計算機)で構成された制御対象モデル回路81が得られる。このオペアンプ回路を図2の制御対象モデル回路81の部分に実装する。主回路100は、非線形要素であるダイオード整流回路5が含まれるため、伝達関数を求めることは困難であるが、本実施形態では、制御対象102の主回路100と同じ応答特性を有する制御対象モデル回路81をオペアンプ回路により構築することができるため、スミス法を用いた制御が可能である。   As described above, the controlled object model circuit 81 configured by the operational amplifier circuit (analog computer) shown in FIGS. 8, 10, and 12 (partially replaced by FIG. 13) is obtained. This operational amplifier circuit is mounted on the control target model circuit 81 shown in FIG. Since the main circuit 100 includes the diode rectifier circuit 5 that is a non-linear element, it is difficult to obtain a transfer function. However, in this embodiment, a controlled object model having the same response characteristics as the main circuit 100 of the controlled object 102 is used. Since the circuit 81 can be constructed by an operational amplifier circuit, control using the Smith method is possible.

本実施形態の管電圧制御システムの性能を確認するためにシミュレーションを行った。   A simulation was performed to confirm the performance of the tube voltage control system of this embodiment.

X線管電圧は、X線を放射している状態に近づけるため、570Vにステップ状に変化させる制御を行い、X線管電圧の制御は、位相シフト型インバータを用い、PI制御などの各ゲインは、すでに調整されているものを用いるものとしてシミュレーションした。   The X-ray tube voltage is controlled to change to 570 V in a stepwise manner to approach the state of emitting X-rays. The X-ray tube voltage is controlled by using a phase shift inverter, and each gain such as PI control. Were simulated using the already adjusted ones.

まず、比較例のX線管電圧制御システムのフィードバック系として、AD/DA変換器を備えず、また、空間伝送のエラー訂正も行わず、無駄時間がない理想のフィードバック(PI制御)系の時間応答シミュレーション結果を図14に示す。図14において、vdcrefは、X線管電圧設定値、vdcはX線管電圧のフィードバック値を示している。図14から明らかなように、このフィードバック系は無駄時間もないため、X線管電圧は設定値によく追従している。   First, as a feedback system of the X-ray tube voltage control system of the comparative example, an ideal feedback (PI control) system time without an AD / DA converter, no error correction of spatial transmission, and no dead time. The response simulation result is shown in FIG. In FIG. 14, vdcref represents an X-ray tube voltage setting value, and vdc represents an X-ray tube voltage feedback value. As apparent from FIG. 14, since this feedback system has no dead time, the X-ray tube voltage follows the set value well.

次に、比較例として、制御システムに空間伝送に伴う遅延、及び、AD/DA変換器により、一定の無駄時間があるフィードバック系をスミス予測器80を用いず、通常のフィードバック制御(PI制御)で制御した場合のシミュレーションを行った。具体的には、AD/DA変換によるサンプリングは20kHz、通信遅延による無駄時間は1msと設定した。その結果を図15に示す。図15において、vdcdelayは、無駄時間要素が加わった後のX線管電圧フィードバック値である。図15から明らかなように、X線管電圧vdcは指令値vdcrefを中心に大きく振動しており、安定した制御ができていない。これは、X線管電圧制御の比例ゲインが大きいことが原因であると思われる。このように、無駄時間が大きい場合には、PI制御だけでは安定な応答を得ることはできないことが分かる。   Next, as a comparative example, normal feedback control (PI control) without using the Smith predictor 80 as a feedback system having a certain dead time due to a delay due to spatial transmission in the control system and an AD / DA converter A simulation was performed when controlled by. Specifically, sampling by AD / DA conversion was set to 20 kHz, and dead time due to communication delay was set to 1 ms. The result is shown in FIG. In FIG. 15, vdcdelay is an X-ray tube voltage feedback value after a dead time element is added. As apparent from FIG. 15, the X-ray tube voltage vdc oscillates largely around the command value vdcref, and stable control cannot be performed. This seems to be caused by the large proportional gain of the X-ray tube voltage control. Thus, it can be seen that when the dead time is large, a stable response cannot be obtained only by the PI control.

これに対して、図15と同じ条件の一定の無駄時間1msを持つX線管電圧制御システムに、本実施形態のスミス予測器80を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示す。ただし、無駄時間が一定であるため、時間遅延演算回路85は用いず、無駄時間モデル回路84の無駄時間Lはデジタル値でサンプリング毎に保持することで再現した。また、制御対象モデル回路81には、上述のアナログ計算機(オペアンプ回路)の出力を用いた。シミュレーション結果を図16に示す。スミス予測器80を用いた場合、X線管電圧の応答vdcdelayは、1msの遅れ時間は発生するが、無駄時間がない場合の理想状態の応答とほぼ同じく、X線管電圧は設定値vdcrefによく追従しており、無駄時間のあるシステムに対して有効であることがわかる。   On the other hand, the simulation result of the time response at the time of applying the Smith predictor 80 of this embodiment to the X-ray tube voltage control system with the fixed dead time 1ms of the same conditions as FIG. 15 is shown. However, since the dead time is constant, the time delay calculation circuit 85 is not used, and the dead time L of the dead time model circuit 84 is reproduced by holding each time as a digital value. Further, the output of the above-described analog computer (op-amp circuit) is used for the control target model circuit 81. The simulation result is shown in FIG. When the Smith predictor 80 is used, the X-ray tube voltage response vdcdelay generates a delay time of 1 ms, but is almost the same as the response in the ideal state when there is no dead time, the X-ray tube voltage is set to the set value vdcref. It can be seen that the system follows well and is effective for a system with dead time.

しかしながら、無駄時間があり、かつ、エラー訂正動作等により無駄時間が変動する場合には、スミス予測器80を用いた場合であっても、図17のように、伝送エラー訂正による無駄時間の変動によって不安定になり振動してしまう。(なお、管電圧の設定値は図15、図16とは異なり、50kVである。)このため、スミス予測器80による無駄時間補償機能だけではこれを安定化させることはできない。   However, if there is a dead time and the dead time fluctuates due to an error correction operation or the like, even if the Smith predictor 80 is used, the fluctuation of the dead time due to transmission error correction as shown in FIG. Will become unstable and vibrate. (Note that the set value of the tube voltage is 50 kV unlike FIGS. 15 and 16.) Therefore, the dead time compensation function by the Smith predictor 80 cannot be stabilized.

そこで、本実施形態の時間遅延演算回路85を動作させ、無駄時間の変動を補償した場合には、図18に示すようになる。管電圧検出信号に生じる一定の無駄時間だけでなく,エラー訂正で発生する無駄時間の変動をも補償することができるために,管電圧vdcは常に安定に制御できることが確認できる。   Therefore, when the time delay calculation circuit 85 of this embodiment is operated to compensate for the variation in the dead time, the result is as shown in FIG. Since it is possible to compensate not only for the fixed dead time generated in the tube voltage detection signal but also for the fluctuation of the dead time caused by error correction, it can be confirmed that the tube voltage vdc can always be controlled stably.

また、図1に示した回転側空間伝送モジュール21と静止側空間伝送モジュール20間では、上述の管電圧の出力情報およびX線検出信号だけでなく、他の情報も送受信することが可能である。例えば、回転部10で発生した異常信号などである。   Further, not only the above-described tube voltage output information and X-ray detection signal but also other information can be transmitted and received between the rotation-side space transmission module 21 and the stationary-side space transmission module 20 shown in FIG. . For example, an abnormal signal generated in the rotating unit 10.

また、上述の実施形態では、PI制御を行うコントローラ82をソフトウェアで構成するとしているが、これに限らず、アナログ回路,FPGA(Field Programmable Gate Array)などを用いたハードウェアで構成することも可能である。   In the above-described embodiment, the controller 82 that performs PI control is configured by software. However, the present invention is not limited to this, and it may be configured by hardware using an analog circuit, FPGA (Field Programmable Gate Array), or the like. It is.

ここでは無駄時間補償装置をX線CT装置に備えた例について説明したが、本実施形態の時間遅延演算回路85およびスミス予測器80は、変動する無駄時間が生じる他の装置に用いることが可能である。   Here, an example in which the dead time compensation apparatus is provided in the X-ray CT apparatus has been described. However, the time delay calculation circuit 85 and the Smith predictor 80 of the present embodiment can be used for other apparatuses in which the dead time fluctuates. It is.

以上のように、本実施形態のX線CT装置は、リアルタイム性の要求される管電圧の出力情報をシリアル信号空間伝送手段を用いてインバータへフィードバックする。このシリアル信号空間伝送手段は、空間伝播遅延やエラー訂正による遅延時間(無駄時間要素e-sL)を有し、またその時間は変動するが、時間遅延演算回路85とスミス予測器80により、安定した管電圧特性を得ることができ信頼性の高いX線CT装置を提供できる。 As described above, the X-ray CT apparatus of the present embodiment feeds back tube voltage output information that requires real-time characteristics to the inverter using the serial signal space transmission means. This serial signal spatial transmission means has a spatial propagation delay and a delay time due to error correction ( dead time element e −sL ), and the time varies, but the time delay arithmetic circuit 85 and the Smith predictor 80 stabilize the operation. Therefore, it is possible to provide a highly reliable X-ray CT apparatus capable of obtaining the tube voltage characteristics.

また、非線形回路および非線形負荷を含む制御対象のモデル回路を、アナログ計算機(オペアンプ回路)で構成することで、伝達関数または状態方程式を使わなくてスミス予測器を実現することができる。よって、X線CT装置のインバータ制御システムのように、通常のスミス法による制御対象の安定化をはかることができる。   Further, by configuring a model circuit to be controlled including a nonlinear circuit and a nonlinear load with an analog computer (op-amp circuit), a Smith predictor can be realized without using a transfer function or a state equation. Therefore, as in the inverter control system of the X-ray CT apparatus, it is possible to stabilize the controlled object by the normal Smith method.

なお本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば本実施例の制御対象内の非線形要素は、ダイオード整流回路に限らず、トランジスタ回路等であってもよい。   In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of this invention. For example, the non-linear element in the control target of the present embodiment is not limited to the diode rectifier circuit but may be a transistor circuit or the like.

(第2の実施形態)
第1の実施形態では、A/D変換開始の時刻T0と時間遅延演算回路85の受信時刻T1との差から無駄時間L0を求めたが、第2の実施形態では別の方法で無駄時間L0を求める。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the dead time L0 is obtained from the difference between the A / D conversion start time T0 and the reception time T1 of the time delay calculation circuit 85. However, in the second embodiment, the dead time L0 is obtained by another method. Ask for.

空間伝送モジュール20,21の特性が予めわかっている場合には、伝送エラーに伴う再伝送回数Rの関数と、1回の再伝送に要する時間Trの関数によって無駄時間L0を求めることができる。1回の再伝送に要する時間Trは、空間伝送モジュール20,21の特性によって定まる値であり、予め求めることができる。   When the characteristics of the spatial transmission modules 20 and 21 are known in advance, the dead time L0 can be obtained from the function of the number of retransmissions R associated with a transmission error and the function of the time Tr required for one retransmission. The time Tr required for one retransmission is a value determined by the characteristics of the spatial transmission modules 20 and 21 and can be obtained in advance.

そこで第2の実施形態では、静止側空間伝送モジュール20が伝送エラーに伴う再伝送回数Rをカウントし、時間遅延演算回路85に受け渡す構成とする。   Therefore, in the second embodiment, the stationary-side spatial transmission module 20 counts the number of retransmissions R that accompanies a transmission error, and passes it to the time delay calculation circuit 85.

時間遅延演算回路85は、下記(式11)により、L0を求め、(式12)により無駄時間Lを求める。   The time delay calculation circuit 85 obtains L0 by the following (Equation 11) and obtains the dead time L by (Equation 12).

L0=R*Tr ・・・(式11)
L=L0+L1 ・・・(式12)
ただし、(式12)において、L1は、第1の実施形態と同様に、予め演算により求めておいた、制御対象モデル回路81では補償しきれない主回路100の無駄時間や、時間遅延演算回路85自身により生じる無駄時間であり、一定値である。
L0 = R * Tr (Formula 11)
L = L0 + L1 (12)
However, in (Equation 12), L1 is a dead time of the main circuit 100 that has been previously calculated by calculation and cannot be compensated for by the control target model circuit 81, or a time delay calculation circuit, as in the first embodiment. 85 is a dead time caused by itself, and is a constant value.

他の構成は、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。   Other configurations are the same as those of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

第2の実施形態の構成では、第1の実施形態のように回転側制御回路がA/D変換を開始した時刻T0を記録し、時刻T0情報を管電圧情報に重畳して伝送する必要がなく、静止側の静止側伝送モジュール20と時間遅延演算回路85の動作のみで無駄時間Lを演算できる、というメリットがある。   In the configuration of the second embodiment, it is necessary to record the time T0 when the rotation side control circuit starts A / D conversion as in the first embodiment, and to transmit the time T0 information superimposed on the tube voltage information. In addition, there is an advantage that the dead time L can be calculated only by the operation of the stationary side transmission module 20 and the time delay calculation circuit 85 on the stationary side.

(第3の実施形態)
第3の実施形態では、A/D変換器11は、所定の一定のタイミングおよび間隔でA/D変換処理を行う構成とする。回転側制御回路30は、時刻T0を記録するのではなく、A/D変換された管電圧値に、連続した番号を割り当てて管電圧値データに重畳し、空間伝送モジュール20、21により伝送する。
(Third embodiment)
In the third embodiment, the A / D converter 11 is configured to perform A / D conversion processing at a predetermined constant timing and interval. The rotation-side control circuit 30 does not record the time T0, but assigns consecutive numbers to the A / D converted tube voltage values, superimposes them on the tube voltage value data, and transmits them by the space transmission modules 20 and 21. .

時間遅延演算回路85では、管電圧値データに重畳された番号から、A/D変換が開始された時刻を演算により求め、現在時刻との差からL0を計算する。L0に所定のL1を加算し、無駄時間Lを演算する。L1は、第1の実施形態と同様に所定の値を用いる。   The time delay calculation circuit 85 calculates the time at which A / D conversion is started from the number superimposed on the tube voltage value data, and calculates L0 from the difference from the current time. A predetermined L1 is added to L0 to calculate the dead time L. L1 uses a predetermined value as in the first embodiment.

第3の実施形態の構成によれば、回転側制御回路は、時刻T0を記録するのではなく、連続した番号を割り当てるため、時刻を用いる必要がない。このため、回転側制御回路の参照する時計機能と、時間遅延演算回路の参照する時計機能の時刻を同期させる必要がなく、構成を簡略化することができるというメリットがある。   According to the configuration of the third embodiment, since the rotation-side control circuit does not record the time T0 but assigns consecutive numbers, it is not necessary to use the time. For this reason, there is no need to synchronize the time of the clock function referred to by the rotation side control circuit and the time of the clock function referred to by the time delay calculation circuit, and there is an advantage that the configuration can be simplified.

上述してきた第1〜第3の実施形態では、インバータ2を主回路100に含めていないが、インバータ2を主回路100に含め、インバータ2を含む主回路100の等価回路をオペアンプ回路で構成した制御対象モデル回路81を用いることも可能である。インバータ2は、ダイオード整流回路などの非線形要素と複数の制御モードを持つ能動回路部分を有するため、伝達関数を定義することは困難であるが、本実施形態のようにオペアンプ回路を用いることにより制御対象モデル回路81を構成することが可能である。   In the first to third embodiments described above, the inverter 2 is not included in the main circuit 100, but the inverter 2 is included in the main circuit 100, and an equivalent circuit of the main circuit 100 including the inverter 2 is configured by an operational amplifier circuit. It is also possible to use the control target model circuit 81. Since the inverter 2 has a non-linear element such as a diode rectifier circuit and an active circuit portion having a plurality of control modes, it is difficult to define a transfer function, but it is controlled by using an operational amplifier circuit as in this embodiment. The target model circuit 81 can be configured.

また、本実施形態の無駄時間補償の構成は、X線CT装置に限らず、A/D変換回路、D/A変換回路、サンプリング回路、又は通信遅延回路などの無駄時間を有する産業用システムでよく用いられるデジタル制御系に適用することができる。   In addition, the configuration of the dead time compensation of the present embodiment is not limited to the X-ray CT apparatus, but is an industrial system having dead time such as an A / D conversion circuit, a D / A conversion circuit, a sampling circuit, or a communication delay circuit. It can be applied to a frequently used digital control system.

1:電源(直流電圧)、2:インバータ、3:非接触給電による巻線変圧器、4:主変圧器、5:整流器、6:平滑コンデンサ、7:X線管、8:管電圧制御回路、9:静止部、10:回転部、11、13:A/D変換回路、14:管電圧検出部、20:静止側空間伝送モジュール、21:回転側空間伝送モジュール、30:回転側制御回路、80:スミス予測器、81:制御対象モデル回路、82:コントローラ、84:無駄時間モデル回路、85:時間遅延演算回路、100:主回路、101:コントローラ、102:制御対象、103:制御対象モデル、104:無駄時間モデル、105:スミス予測器、201:第1等価回路、202:第2等価回路、203:第3等価回路、400:絶対値回路(全波整流回路)500:負荷回路、600:電圧センサ、700:電流センサ 1: power supply (DC voltage), 2: inverter, 3: winding transformer with non-contact power supply, 4: main transformer, 5: rectifier, 6: smoothing capacitor, 7: X-ray tube, 8: tube voltage control circuit , 9: stationary part, 10: rotating part, 11, 13: A / D conversion circuit, 14: tube voltage detecting part, 20: stationary side spatial transmission module, 21: rotational side spatial transmission module, 30: rotational side control circuit 80: Smith predictor 81: Control target model circuit 82: Controller 84: Dead time model circuit 85: Time delay arithmetic circuit 100: Main circuit 101: Controller 102: Control target 103: Control target Model: 104: Dead time model, 105: Smith predictor, 201: First equivalent circuit, 202: Second equivalent circuit, 203: Third equivalent circuit, 400: Absolute value circuit (full-wave rectifier circuit) 500: Load circuit 600: voltage sensor, 700: current sensor

Claims (7)

X線照射部およびX線検出部を搭載して被検体の周囲を回転する回転部と、前記X線照射部へ電力を供給する電力供給部および制御部を含む静止部と、前記回転部から静止部へ信号を伝送する伝送部とを有し、
前記制御部は、前記伝送部により前記回転部から静止部へ伝送された前記X線照射部の情報を用いて前記電力供給部をフィードバック制御するために、制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、前記X線照射部の情報の前記伝送部による伝送により生じる遅れ時間を算出し、前記無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備えることを特徴とするX線CT装置。
A rotating unit that mounts an X-ray irradiation unit and an X-ray detection unit and rotates around the subject, a stationary unit including a power supply unit and a control unit that supplies power to the X-ray irradiation unit, and the rotation unit A transmission unit for transmitting a signal to the stationary unit,
The control unit includes a control target model circuit and a dead time model circuit for feedback control of the power supply unit using the information of the X-ray irradiation unit transmitted from the rotation unit to the stationary unit by the transmission unit. A delay time calculation unit that calculates a delay time caused by transmission of information of the X-ray irradiation unit by the transmission unit and compensates for a dead time of the dead time model circuit. X-ray CT system.
請求項1に記載のX線CT装置において、前記伝送部は、エラー訂正機能を備えたデジタル伝送を行い、
前記遅れ時間は、エラー訂正機能によるエラー訂正で生じる遅れ時間を含むことを特徴とするX線CT装置。
The X-ray CT apparatus according to claim 1, wherein the transmission unit performs digital transmission having an error correction function,
The X-ray CT apparatus, wherein the delay time includes a delay time caused by error correction by an error correction function.
請求項1に記載のX線CT装置において、前記回転部は、前記X線照射部の前記情報を検出し、該情報に、前記伝送部による伝送前の時刻を表す情報を重畳して前記伝送部に伝送させる回転側制御部を備え、
前記遅延時間演算部は、前記伝送部により伝送された前記情報に重畳された前記時刻と、伝送後の時刻との差を求めることにより遅れ時間を算出することを特徴とするX線CT装置。
2. The X-ray CT apparatus according to claim 1, wherein the rotation unit detects the information of the X-ray irradiation unit, and superimposes information indicating a time before transmission by the transmission unit on the information. A rotation-side control unit for transmission to the unit,
The X-ray CT apparatus, wherein the delay time calculation unit calculates a delay time by obtaining a difference between the time superimposed on the information transmitted by the transmission unit and a time after transmission.
請求項1に記載のX線CT装置において、前記回転部は、前記X線照射部の前記情報を検出し、該情報に、所定のタイミングで番号を表す情報を重畳して前記伝送部に伝送させる回転側制御部を備え、
前記遅延時間演算部は、前記伝送部により伝送された前記情報に重畳された前記番号から遅れ時間を演算することを特徴とするX線CT装置。
The X-ray CT apparatus according to claim 1, wherein the rotation unit detects the information of the X-ray irradiation unit and superimposes information representing a number at a predetermined timing on the information and transmits the information to the transmission unit. Equipped with a rotating side control unit,
The X-ray CT apparatus, wherein the delay time calculation unit calculates a delay time from the number superimposed on the information transmitted by the transmission unit.
請求項2に記載のX線CT装置において、前記遅延時間演算部は、前記伝送部からエラー訂正の回数を受け取って、エラー訂正回数と予め定められたエラー訂正に要する時間とを用いて遅れ時間を演算することを特徴とするX線CT装置。   3. The X-ray CT apparatus according to claim 2, wherein the delay time calculation unit receives the number of error corrections from the transmission unit, and uses the error correction number and a predetermined time required for error correction to delay time. X-ray CT apparatus characterized by calculating 請求項1に記載のX線CT装置において、前記制御対象モデル回路は、制御対象と等価な、オペアンプ回路、または、プロブラマブル集積回路によって構成されていることを特徴とするX線CT装置。   2. The X-ray CT apparatus according to claim 1, wherein the control target model circuit is configured by an operational amplifier circuit or a programmable integrated circuit equivalent to the control target. 無駄時間を有する制御対象をフィードバック制御する無駄時間補償機能を備えた制御装置であって、
制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、前記制御対象からの信号伝送において生じる遅れ時間を算出し、前記無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備えることを特徴とする無駄時間補償機能を備えた制御装置。
A control device having a dead time compensation function for feedback control of a control target having a dead time,
A Smith predictor including a control target model circuit and a dead time model circuit; and a delay time calculation unit that calculates a delay time generated in signal transmission from the control target and compensates for the dead time of the dead time model circuit. The control apparatus provided with the dead time compensation function characterized by this.
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