JP2012519465A - デジタル制御される磁気供給装置のための制御概念 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、磁気供給装置を制御するための方法および装置が開示される。この方法は以下の工程を含む：ａ）制御の基本構造を、磁気電圧用の電圧制御ループと磁気電流用の電流制御ループによる２ループ制御として実施する工程、ここでは２つの制御回路が好ましくは１つの制御器にまとめられる；ｂ）電圧制御ループを状態制御器として実施する工程、ここでは状態制御器へのフィードバックパラメータが必要に応じて、電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性に適合される；ｃ）電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性を観測器（オブザーバ、ルーエンバーガー観測器、カルマンフィルタ）によりモデル化し、観測器を電力変換器、出力フィルタおよび負荷の有効特性に追従制御させる工程；ｄ）電流制御ループを適応形ＰＩ制御器として実現する工程。

Description

本発明は、デジタル制御される磁気供給装置を調整するための方法および装置に関する。

粒子加速のためには高価な磁気供給装置が必要である。既存の機器の精度を向上し、ならびに新規の機器を開発したいという要請がある。以下では現在の状況および既存の供給装置の品質の向上の途を簡単に述べる。

磁気供給装置（一般的には制御されるシステム）の精度および速度は、構造が決まっていればシステム全体の速度（周波数特性）と閉ループ利得によって決定される。周波数特性と閉ループ利得は、次のことにより制限される：
・制御すべきシステムの形式と数学的な次数→安定性；
・測定の際の遅延（アナログデジタル変換、ＡＤＣ）と静止状態での目標値の変換（電力変換器、コンバータ）；
・システムにおける測定ノイズおよびノイズ→閉ループ利得の制限；
・使用される制御の形式（比例積分微分制御器（ＰＩＤ）、状態制御器、線形／非線形制御器、適応構造、連続時間制御／離散的時間制御等）。

現在の適応形ＰＩ制御（比例積分制御器）により、デジタル制御される供給装置の速度と精度がかなり改善された。制御構造が同じ場合には、さらに高速で高精度な機器は、半導体のスイッチング速度と制御サイクルの上昇によってしか実現できない。機器の能力が決まっていれば、半導体のスイッチング速度は入手可能な素子によって決められる。半導体の技術的限界の推移はゆっくりであり、したがってこのようにしては近い将来での精度と速度の向上もゆっくりしたものでしかない。

したがって高速の機器のためには、使用されるデジタル制御の能力を向上させなければならない。このことは一方では制御ハードウエアの改善と、他方では実現される制御構造の改善によって行われる。

可能であれば常に、制御にＰＩＤ構造が使用される。設計が比較的簡単であるほかに、ＰＩＤ制御器は一般的に頑強である。すなわち最適に設計されていなくても（典型的には、負荷がモデルどおりに挙動しなくても）良好な結果が得られ、制御されるシステムが安定している。アンチワイドアップ等の適応特性の拡張は、特性をさらに改善する。これは現在の機器の実証された制御構造である。

制御技術的に良好な結果は、状態制御器の使用によって達成される。状態制御器は完全であれば、制御されるシステムのすべての内部状態（電流と電圧）を処理する。ここで発生し得る障害は、これらの状態のすべてが測定可能ではないことである。

したがって本発明の基礎とする課題は、制御概念の頑強性を高め、制御概念の応答時間をさらに短縮し、制御概念の精度をさらに改善する磁気供給装置を制御するための方法および装置を提供することである。

方法に関してこの課題は本発明により、
ａ）制御の基本構造を、磁気電圧用の電圧制御ループと磁気電流用の電流制御ループによる２ループ制御として実施する工程、ここでは２つの制御回路が好ましくは１つの制御器にまとめられ；
ｂ）電圧制御ループを状態制御器として実施する工程、ここでは状態制御器へのフィードバックパラメータが必要に応じて、電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性に適合され；
ｃ）電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性を、観測器（オブザーバ、ルーエンバーガー観測器、カルマンフィルタ）によりモデル化し、観測器を電力変換器、出力フィルタおよび負荷の有効特性に適合して追従制御する工程；そして
ｄ）電流制御ループを適応形ＰＩ制御器として実現する工程；
を含む磁気供給装置の制御方法によって解決される。

装置に関してこの課題は本発明により、
ａ）磁気電圧用の電圧制御ループと磁気電流用の電流制御ループによる２ループ制御としての制御部の基本構造を有し、２つの制御回路が好ましくは１つの制御器にまとめられており；
ｂ）電圧制御ループが状態制御器として構成されており、状態制御器へのフィードバックパラメータが必要に応じて、電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性に適合され；
ｃ）電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性をモデル化するための観測器を有し、観測器が電力変換器、出力フィルタおよび負荷の有効特性に追従制御され；
ｄ）電流制御ループが適応形ＰＩ制御器として構成されている；
磁気供給装置の制御装置によって解決される。

このようにして観測器（オブザーバ）を用いてこのシステムモデルは、従来技術で公知の制御器に対して改善された頑強性を達成することができる。ここで観測器の経過は、物理的システムの特性にできるだけ正確に連続的に追従される。システム特性は、時間および動作点の関数とすることができる。制御器の調節パラメータを自動適合することにより、制御への負の影響が低下し、頑強性が向上する。

本発明の有利な構成では、設置された完成磁気供給装置で制御係数を計算し、適合するために、出力フィルタおよび負荷の同一確認を行うことができる。このようにして基本関数およびそれに関連するパラメータを決定することができる。付加的に、専用の動作モデルにおいて同一確認を実施することができ、この動作モデルでは動作的に現実のパラメータを得ることができる。その代わりに、同一確認を運転中に連続的に行うこともできる。

本発明の別の有利な構成では、制御の正確な機能および電力変換器に対する保護機能（たとえば必要な場合にはｄ／ｄｔ制限）のために保護に関連する制限を行うことができる。この場合、制御構造は典型的には時間離散的に実現することができる。

本発明の好ましい実施例を、図面に基づき詳細に説明する。

本発明によって制御される磁気供給装置の概略的ブロック回路図である。 磁気供給装置のフィルタおよび負荷を同一確認するための概略的ブロック回路図である。

実施例は、以下の構成を備えるコレクタ給電機器において実現される。

制御の基本構造は、「２ループ」として構成されている。磁気電圧用の電圧制御ループと、磁気電流用の電流制御ループが存在する。ここで２つの制御回路は、１つの制御器にまとめることもできる。

電圧制御ループは状態制御器として実施される。フィードバックパラメータは必要な場合には、電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性に適合される。電圧および電流は調整素子の出力端およびフィルタでノイズを受け、大きな波動性を有しているから、これらを単純に測定して、状態制御器のフィードバックに使用することはできない。したがって電力変換器、出力フィルタおよび負荷は、観測器（オブザーバ、ルーエンバーガー観測器、カルマンフィルタ）によりモデル化される。観測器は、回路の有効特性に追従する。

最後に、電流制御ループは適応形ＰＩ制御器として実現されている。制御係数を計算および適合するために、設置された完成機器で（すなわち負荷付きで）、フィルタと負荷の同一確認が行われる。この同一確認は、さしあたり専用の動作モデルで実施される。同様に、同一確認を運転中に連続的に行うこともできる。制御の正確な機能および電力変換器に対する保護機能（たとえば必要な場合にはｄ／ｄｔ制限）のために保護に必要な制限が行われる。最終的な制御構造は時間離散的に実現される。

デジタル制御構造を備える単純な磁気供給装置には３つの重大な欠点があり、それらは図１の本発明の解決手段を使用すれば少なくとも緩和することができる。

１．電力変換器、フィルタおよび負荷の内部状態は有意義に測定することができない。なぜならそれらは、接続された半導体の動作の結果、大きく歪んでいるからである。これらの信号によっては、状態フィードバックは不可能である。しかし観測器（オブザーバ）におけるそれらの対応するシミュレーションは歪んでおらず、これにより高速な制御を実現することができる。

２．アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）でのデータ変換およびプロセッサ（コントローラ）へのデータ伝送により、制御速度を制限する遅延が生じる。ハードウエアのモデルが良好であれば、高速過程のためにはモデルの内部値により制御することができ、モデル自体は有効値に緩慢に追従する。この措置により、緩慢ではあるが精確なＡＤ変換器を使用することができる。

３．従来の制御では、意味のあるコントロールサイクルはＡＤ変換器サイクルと、せいぜい同程度の速度である。変換器が高精度であれば、このサイクルは非常に制限された大きさである。現在普及している観測器を使用すると、ＡＤ変換器とは関係なく半導体の制御性に関して意義のあるように、コントロールサイクルを高速に選択することができる。

制御パラメータを求めるためには、正確なシステム記述（モデル）が必要である。実際には、設置された完成機器でデータが測定される。

測定された負荷電圧と負荷電流の応答特性のデータから、多次元最適化を用いて数値的システムシミュレーションが計算される。続いてこのシステムシミュレーションから制御係数が決定される。データの測定は、磁気供給装置と所属のコントローラによって行われる。システムシミュレーションの決定と制御係数の計算は、ＰＣで実行される。続いて係数がコントローラにロードされ、システムは自動的に実行される。演算に関しては、図２の概略的ブロック回路図が当てはまる。

Claims (12)

1. 磁気供給装置の制御方法であって、
   ａ）制御の基本構造を、磁気電圧用の電圧制御ループと磁気電流用の電流制御ループによる２ループ制御として実施する工程と、ここでは２つの制御回路が好ましくは１つの制御器にまとめられ；
   ｂ）電圧制御ループを状態制御器として実施する工程と、ここでは状態制御器へのフィードバックパラメータが必要に応じて、電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性に適合され；
   ｃ）電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性を観測器（オブザーバ、ルーエンバーガー観測器、カルマンフィルタ）によりモデル化し、観測器を電力変換器、出力フィルタおよび負荷の有効特性に追従制御させる工程と；
   ｄ）電流制御ループを適応形ＰＩ制御器として実現する工程と；
   を含む、磁気供給装置の制御方法。
2. 制御係数を計算および適合するために、設置された完成磁気供給装置で（すなわち負荷付きで）、出力フィルタと負荷の同一確認が行われる、請求項１に記載の方法。
3. 同一確認は専用の動作モデルで実施される、請求項２に記載の方法。
4. 同一確認は運転中に連続して行われる、請求項２に記載の方法。
5. 制御の正確な機能および電力変換器に対する保護機能（たとえば必要な場合にはｄ／ｄｔ制限）のために保護に関連する制限が行われる、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. 制御構造は時間離散的に実現されている、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 磁気供給装置の制御装置であって、
   ａ）磁気電圧用の電圧制御ループと磁気電流用の電流制御ループによる２ループ制御としての制御部の基本構造を有し、２つの制御回路が好ましくは１つの制御器にまとめられており；
   ｂ）電圧制御ループは状態制御器として構成されており、状態制御器へのフィードバックパラメータが必要に応じて、電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性に適合され、
   ｃ）電力変換器、出力フィルタおよび負荷の特性をモデル化するための観測器を有し、観測器が電力変換器、出力フィルタおよび負荷の有効特性に追従制御され、
   ｄ）電流制御ループが適応形ＰＩ制御器として構成されている；
   磁気供給装置の制御装置。
8. 制御係数を計算および適合するために、設置された完成磁気供給装置で（すなわち負荷付きで）、出力フィルタと負荷の同一確認が行われる、請求項７に記載の装置。
9. 同一確認は専用の動作モデルで実施される、請求項７に記載の装置。
10. 同一確認は運転中に連続して行われる、請求項７に記載の装置。
11. 制御の正確な機能および電力変換器に対する保護機能（たとえば必要な場合にはｄ／ｄｔ制限）のために保護に関連する制限が行われる、請求項７から１０までのいずれか一項に記載の装置。
12. 制御構造は時間離散的に実現されている、請求項７から１１までのいずれか一項に記載の装置。

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