JP2800377B2 - Control device for constant current power supply - Google Patents

Control device for constant current power supply

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JP2800377B2
JP2800377B2 JP2164523A JP16452390A JP2800377B2 JP 2800377 B2 JP2800377 B2 JP 2800377B2 JP 2164523 A JP2164523 A JP 2164523A JP 16452390 A JP16452390 A JP 16452390A JP 2800377 B2 JP2800377 B2 JP 2800377B2
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紘一 石田
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、患者の断層像を人体への影響なしに得る
ことのできる医療診断装置として広く普及しつつある該
磁気共鳴装置(以下、MRI装置と略称する)の、断層面
を設定するために主コイルが生起する高均一磁場に重畳
させる傾斜磁場を生起する傾斜磁場コイルの定電流電源
のように、電流を高精度に制御する必要があり、しかも
主コイルやその支持構造などに使用される金属導体があ
る場合の定電流電源の制御装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a magnetic resonance apparatus (hereinafter referred to as an MRI) which has been widely used as a medical diagnostic apparatus capable of obtaining a tomographic image of a patient without affecting a human body. It is necessary to control the current with high precision like a constant current power supply of a gradient magnetic field coil that generates a gradient magnetic field that is superimposed on a highly uniform magnetic field generated by a main coil to set a tomographic plane. The present invention relates to a control device for a constant current power supply when there is a metal coil used for a main coil and its support structure.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

核磁気共鳴装置の傾斜磁場コイルは1枚の断層画像を
得るのに、数百回のパルス状電流が供給されてこの電流
に略相似の波形をして強度が変化するパルス状の磁場を
生起する。磁場強度の波形は断層画像の画像品質に影響
することから、パルス状電流の波形と波高値とを高精度
に制御することのできる定電流電源が傾斜磁場コイルの
電源として使用される。
In order to obtain one tomographic image, the gradient magnetic field coil of the nuclear magnetic resonance apparatus is supplied with a pulse-like current several hundred times, and generates a pulse-like magnetic field having a waveform substantially similar to this current and varying in intensity. I do. Since the waveform of the magnetic field intensity affects the image quality of the tomographic image, a constant current power supply that can control the waveform of the pulsed current and the peak value with high precision is used as the power supply of the gradient coil.

第4図は傾斜磁場コイルと定電流電源とを含めた主回
路とその制御装置の回路図である。この図において、電
力系統である交流電源200から供給される交流電力を電
力変換器1が変換して所定の波形と波高値を持ったパル
ス状電流を負荷である傾斜磁場コイル6に供給する。時
間的に変化する電流を高精度にその波形と波高値を制御
するためには、キャリア周波数が数10kHzの高周波のPWM
インバータが使用される。したがって、電力変換器1の
出力電圧V1にはキャリア周波数と同じ脈流が重畳してい
るので、これをカットするために図示のように低域通過
フィルタ4が挿入されている。
FIG. 4 is a circuit diagram of a main circuit including a gradient coil and a constant current power supply and a control device thereof. In this figure, the power converter 1 converts AC power supplied from an AC power supply 200 serving as a power system, and supplies a pulsed current having a predetermined waveform and a peak value to a gradient magnetic field coil 6 serving as a load. To control the waveform and peak value of a time-varying current with high precision, a high-frequency PWM with a carrier frequency of several tens of kHz is used.
An inverter is used. Therefore, the output voltage V 1 of the power converter 1 as the same pulsating carrier frequency is superimposed, the low-pass filter 4, as shown to cut it is inserted.

この低域通過フィルタ4は、直列に挿入されたインダ
クタ41と、並列に挿入されたコンデンサ42及びこのコン
デンサ42に直列に挿入されている抵抗43とからなってい
る。抵抗43はコンデンサ42とインダクタ41、傾斜磁場コ
イル6のそれぞれのインダクタンスとで共振を起こさな
いようにするための制振抵抗として挿入されているのも
ので、共振によって制御系が不安定となるのを防止して
いる。
The low-pass filter 4 includes an inductor 41 inserted in series, a capacitor 42 inserted in parallel, and a resistor 43 inserted in series with the capacitor 42. The resistor 43 is inserted as a damping resistor for preventing resonance from occurring between the capacitor 42, the inductor 41, and the respective inductances of the gradient coil 6, and the resonance causes the control system to become unstable. Has been prevented.

傾斜磁場コイル6が生起する磁束は負荷電流Iに略比
例したパルス状の波形となり、したがって、傾斜磁場コ
イル6近傍にある導体に渦電流を発生させる。超電導MR
I装置の場合は主コイルを収納し極低温に保持するクラ
イオスタットの容器や主コイルのアルミ製の捲枠などが
この導体に該当し、常電導MRI装置の場合は、常電導性
の主コイルの支持構造体や冷却板などが渦電流が流れる
導体になる。このようにMRI装置では傾斜磁場コイル6
が生起する磁束が渦電流の影響を受けるのはやむを得な
いことである。図の61は渦電流回路を表しており、実際
の渦電流回路を厳密に模擬するためには無限の数の回路
を必要とするが、この図ではこれらを総括して傾斜磁場
コイル6と相互インダクタンスM3で磁気結合されている
自己インダクタンスがL3、抵抗がR3とした1つの渦電流
回路61で等価的に表したものである。勿論、より等価性
の精度を上げるには1つよりも2つ、2つよりも3つと
いうようにより多くの渦電流回路で模擬すればよいが、
回路が複雑になるわりには精度がそれほど上がらないと
いう問題がある。
The magnetic flux generated by the gradient magnetic field coil 6 has a pulse-like waveform substantially proportional to the load current I, and thus generates an eddy current in the conductor near the gradient magnetic field coil 6. Superconducting MR
In the case of the I device, the conductor is a cryostat container that stores the main coil and keeps it at a very low temperature, or the aluminum winding frame of the main coil corresponds to the conductor. The support structure, the cooling plate, and the like become conductors through which the eddy current flows. Thus, in the MRI apparatus, the gradient coil 6
Is inevitably affected by the eddy current. Reference numeral 61 in the figure denotes an eddy current circuit, and an infinite number of circuits are required to exactly simulate an actual eddy current circuit. self inductance L 3 which are magnetically coupled by the inductance M 3, resistance is obtained equivalently represented by a single eddy current circuit 61 with R 3. Of course, to improve the accuracy of equivalence, it is sufficient to simulate with more eddy current circuits such as two than one and three rather than two.
There is a problem that accuracy does not increase so much as the circuit becomes complicated.

傾斜磁場コイル6に直列に分流器5が設けられてい
て、この分流器5によって負荷電流Iが計測される。制
御装置は電流設定値iを入力信号としてこの電流設定
値iから負荷電流Iの計測値iを差し引いて偏差値e
を出力する減算器71、偏差値eを入力信号として電力変
換器1のPWMインバータのパルス幅を指定する制御信号
uを出力する電流調節器7からなっている。電流調節器
7は比例要素と積分要素からなる比例積分調節器が通常
使用される。この電流調節器7はそれぞれの要素の係数
を調整して全体として最適の制御特性を持つように調整
されるものである。
A current divider 5 is provided in series with the gradient magnetic field coil 6, and the load current I is measured by the current divider 5. The controller uses the current set value i * as an input signal and subtracts the measured value i of the load current I from the current set value i * to obtain a deviation value e.
, And a current regulator 7 that outputs a control signal u specifying the pulse width of the PWM inverter of the power converter 1 using the deviation value e as an input signal. As the current regulator 7, a proportional-integral regulator composed of a proportional element and an integral element is usually used. The current regulator 7 is adjusted so as to have optimal control characteristics as a whole by adjusting the coefficients of the respective elements.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

前述のように傾斜磁場コイル6が生起するパルス状の
磁束によって周辺の導体に渦電流が発生するが、この渦
電流によって傾斜磁場コイル6に流れる負荷電流やそれ
によって発生する磁束の値や分布が変化するという問題
がある。渦電流が発生する導体の殆どは傾斜磁場コイル
6の外側に配置されるものであり、これらを組立ててマ
グネットとして完成して初めて渦電流の影響を考慮する
ことができるものであることから、これをあらかじめ考
慮して電流調節器7を調整して制御特性を設定するのは
困難である。また、可能であったとしても、後述のよう
に、渦電流回路61の影響で伝達関数の分母がプラス変換
の演算子Sに関する4次式になっていて、前述の電流調
節器7では調整しきれず良好な制御特性が得られないと
いう問題がある。
As described above, an eddy current is generated in the peripheral conductor by the pulse-shaped magnetic flux generated by the gradient magnetic field coil 6, and the load current flowing through the gradient magnetic field coil 6 and the value and distribution of the magnetic flux generated by the eddy current are caused by the eddy current. There is a problem of change. Most of the conductors in which eddy currents are generated are arranged outside the gradient magnetic field coil 6, and the effects of the eddy current can be considered only after these are assembled and completed as a magnet. It is difficult to set the control characteristics by adjusting the current regulator 7 in consideration of the above. Even if it is possible, the denominator of the transfer function is a quartic expression relating to the operator S of the positive transformation due to the influence of the eddy current circuit 61 as described later. Therefore, there is a problem that good control characteristics cannot be obtained.

この発明は、このような問題を解決し、渦電流の影響
を打ち消して良好な制御特性が得られる定電流電源の制
御回路を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve such a problem and to provide a control circuit of a constant current power supply capable of canceling the influence of eddy current and obtaining good control characteristics.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記目的を達成するためにこの発明によれば、電力変
換器から低域通過フィルタを介して誘導性負荷に供給さ
れる負荷電流を制御する制御装置であって、前記負荷電
流の計測値としての負荷電流実際値を負荷電流設定値か
ら差し引いた偏差値を演算する減算器と、この減算器の
出力信号を入力信号として前記電力変換器の制御信号を
出力する電流調節器とを備えた定電流電源の制御装置に
おいて、前記電流調節器と前記電力変換器との間に動的
補償器を直列に挿入し、この動的補償器が、前記電流調
節器の出力信号を入力信号とする遅延要素と、この遅延
要素の出力信号と前記負荷電流実際値とを入力信号とし
て前記電力変換器から負荷に至る主回路を模擬して前記
負荷電流とその高次微分値を推定するとともに前記動的
補償器の出力信号を出力する状態観測器と、この状態観
測器によって推定される前記負荷電流の推定値、その1
次以上の複数の高次微分推定値及び前記遅延要素の出力
信号を入力信号として、これらの入力信号にそれぞれ異
なる係数を掛けた上で加算しその加算値を出力信号とす
る演算器とを備え、この演算器の出力信号を前記遅延要
素の入力側にフィードバックし、前記状態観測器の入力
信号を前記動的補償器の出力信号とするものとする。
According to an embodiment of the present invention, there is provided a control device for controlling a load current supplied from a power converter to an inductive load via a low-pass filter. A constant current comprising: a subtractor for calculating a deviation value obtained by subtracting a load current actual value from a load current set value; and a current regulator for outputting a control signal of the power converter with an output signal of the subtractor as an input signal. In the power supply control device, a dynamic compensator is inserted in series between the current regulator and the power converter, and the dynamic compensator includes a delay element having an output signal of the current regulator as an input signal. And simulating a main circuit from the power converter to a load using the output signal of the delay element and the actual value of the load current as input signals to estimate the load current and its higher-order differential value, and to perform the dynamic compensation. Output signal A state observer to force, the estimated value of the load current is estimated by the state observer, Part 1
A plurality of higher-order differential estimated values of the second order or higher and an output signal of the delay element as input signals, multiplying these input signals by different coefficients, and adding them, and using the added value as an output signal. The output signal of the arithmetic unit is fed back to the input side of the delay element, and the input signal of the state observer is used as the output signal of the dynamic compensator.

〔作用〕[Action]

この発明の構成において、渦電流の影響をなくすため
に電流調節器と電力変換器との間に制御信号を補償する
動的補償器を直列に挿入し、この動的補償器を、電流調
節器の出力信号を入力信号とする遅延要素と、この遅延
要素の出力信号と負荷電流実際値とを入力信号として電
流変換器から負荷に至る主回路を模擬して負荷電流とそ
の高次微分値を推定するとともに動的補償器の出力信号
である補償された制御信号を出力する状態観測器と、こ
の状態観測器によって推定される負荷電流推定値、その
1次以上の複数の高次微分推定値、及び状態観測器の入
力信号を入力信号とし、これら入力信号にそれぞれ異な
る係数を掛けた上で加算して出力する演算器とで構成
し、この演算器の出力信号を遅延要素の入力側にフィー
ドバックしたことにより、推定値ではなく、負荷電流実
際値、その一次以上の複数の高次微分値、及び整流器の
制御信号をそれぞれ異なる係数を掛けて加算した加算値
を遅延要素の入力側にフィードバックする構成を採用し
たのと近似的に同じ制御特性が得られ、その制御特性を
表し制御信号に対する負荷電流の比で定義される伝達関
数の中に含まれる前述の係数に適切な値を選定すること
によって、渦電流によって生ずる項が打ち消されるとと
もに、伝達関数の分母のラプラス変換の演算子Sの巾乗
和のそれぞれの項の係数を最適の制御特性になるように
設定することができる。
In the configuration of the present invention, a dynamic compensator for compensating a control signal is inserted in series between the current regulator and the power converter in order to eliminate the influence of the eddy current, and the dynamic compensator is connected to the current regulator. The output signal of the delay element as an input signal, and the output signal of the delay element and the actual value of the load current are used as input signals to simulate the main circuit from the current converter to the load to calculate the load current and its higher-order differential value. A state observer for estimating and outputting a compensated control signal which is an output signal of a dynamic compensator, a load current estimated value estimated by the state observer, and a plurality of first-order or higher-order differential estimated values , And an operation unit that takes the input signal of the state observer as an input signal, multiplies these input signals by different coefficients, adds and outputs the result, and outputs the output signal of this operation unit to the input side of the delay element. By giving feedback Instead of the estimated value, the actual value of the load current, a plurality of first-order or higher-order differential values, and the sum of the control signals of the rectifier multiplied by different coefficients are added and fed back to the input side of the delay element. Approximately the same control characteristics as those described above can be obtained, and by selecting appropriate values for the aforementioned coefficients included in the transfer function that represents the control characteristics and is defined by the ratio of the load current to the control signal, The term caused by the current is canceled out, and the coefficient of each term of the sum of the powers of the Laplace transform operator S of the denominator of the transfer function can be set to have the optimum control characteristic.

〔実施例〕 以下この発明を実施例に基づいて説明する。第1図は
この発明の実施例の定電流電源とその制御装置を示す回
路図であり、第3図と共通の構成要素については同一の
参照符号を付すことによって詳細な説明を省略する。こ
の図において、電力変換器1と傾斜磁場コイル6との間
の主回路の両図の違いは、第3図には抵抗43が挿入され
ているのに対して第1図には無いことであり、これにと
もなって第1図の低域通過フィルタ40のインダクタ45と
コンデンサ46と回路定数は第3図の低減通過フィルタ4
のインダクタ41とコンデンサ42とのそれとは異なる。負
荷電流Iに含まれる脈流の減衰量を同じにするのに制動
抵抗が無い場合には低域通過フィルタのインダクタンス
やキャパシタンスは小さくてよいからである。後述のよ
うに、この発明を採用することによって制動抵抗を挿入
しなくても制御系が振動系にならなくなることから、こ
れを省略しているものである。
EXAMPLES The present invention will be described below based on examples. FIG. 1 is a circuit diagram showing a constant current power supply and a control device thereof according to an embodiment of the present invention. The same reference numerals are given to the same components as those in FIG. 3, and a detailed description thereof will be omitted. In this figure, the difference between the two figures of the main circuit between the power converter 1 and the gradient coil 6 is that the resistor 43 is inserted in FIG. 3, whereas it is not in FIG. Accordingly, the inductor 45, the capacitor 46 and the circuit constant of the low-pass filter 40 shown in FIG.
Are different from those of the inductor 41 and the capacitor 42 of FIG. This is because the inductance and capacitance of the low-pass filter may be small when there is no braking resistance to make the amount of pulsation contained in the load current I equal. As will be described later, by adopting the present invention, the control system does not become a vibration system even if no braking resistor is inserted, so that this is omitted.

第1図に示すように制御装置は、偏差信号eを入力信
号とし信号u1を出力信号とする電流調節器70に動的補償
器8を直列に接続し、その出力信号を電力変換器1の入
力信号としての制御信号uとする構成である制御信号u
は傾斜磁場コイル6が生起する磁束によって誘導される
渦電流の影響を補償した制御信号であり、これを傾斜磁
場コイル6の制御信号とすることにより前述の課題を解
決しようとするものである。
As shown in FIG. 1, the control device connects the dynamic compensator 8 in series to a current regulator 70 which uses the deviation signal e as an input signal and the signal u1 as an output signal, and outputs the output signal of the power converter 1 A control signal u having a configuration of a control signal u as an input signal
Is a control signal that compensates for the influence of the eddy current induced by the magnetic flux generated by the gradient coil 6. The above-mentioned problem is solved by using the control signal as the control signal of the gradient coil 6.

この図は傾斜磁場コイル6以降の回路の回路方程式は
次式となる。なお、Sはラプラス変換の演算子である。
In this figure, the circuit equations of the circuits subsequent to the gradient coil 6 are as follows. Note that S is an operator of Laplace transform.

ここで、 V ;傾斜磁場コイル6の端子電圧 I ;傾斜磁場コイル6の負荷電流 I3;渦電流回路61の渦電流 L ;傾斜磁場コイル6の自己インダクタンス R ;傾斜磁場コイル6の抵抗 M3;傾斜磁場コイル6と渦電流回路61との間の相互イン
ダクタンス L3;渦電流回路61の自己インダクタンス R3;渦電流回路61の抵抗 この式から渦電流I3を消去して電圧Vと電流Iの関係
を求めると次式となる。
V: terminal voltage of the gradient coil 6 I: load current of the gradient coil 6 I 3 : eddy current of the eddy current circuit 61 L; self-inductance of the gradient coil 6 R: resistance of the gradient coil 6 M 3 ; mutual inductance L 3 between the gradient coil 6 and the eddy current circuit 61; eddy current circuit 61 self-inductance R 3; eddy current circuit 61 of resistance erase and voltage V and current eddy current I 3 from the equation When the relationship of I is obtained, the following expression is obtained.

なお、負荷電流Iが求まれば渦電流I3は次式から求め
られる。
Incidentally, the eddy current I 3 If the load current I Motomare is determined from the following equation.

今、制御回路への転換を容易にするために、V0、I0,R
0をそれぞれ傾斜磁場コイル6の定格電圧、定格電流及
びこれら定格電圧と定格電流との比として定義される定
格抵抗とし、これらを基に前式の電圧、電流及び回路定
数を下記の式に基づいて無次元化する。ただし、Tで表
す定数は時間の次元を持つ時定数である。
Now, to facilitate conversion to the control circuit, V 0 , I 0 , R
Let 0 be the rated voltage and rated current of the gradient magnetic field coil 6 and the rated resistance defined as the ratio between these rated voltages and the rated current, respectively. Based on these, the voltage, current and circuit constant of the preceding equation are calculated based on the following equations. To make it dimensionless. Here, the constant represented by T is a time constant having a time dimension.

となり、これを伝達関数で表すと次式となる。 This is represented by the following equation when expressed by a transfer function.

次に、電力変換器1の出力電圧であるv1と負荷電流i
と関係を求めると次式となる。ただし、低域通過フィル
タ4の回路定数を次のように基準化する。
Next, the output voltage v 1 of the power converter 1 and the load current i
When the relation is obtained, the following equation is obtained. However, the circuit constants of the low-pass filter 4 are normalized as follows.

T3=L3/R0,K1=R0/R1,T2=L3/R0,K1=R0/R1 この式に(5)式を代入して整理すると結果的に次式
が得られる。
T 3 = L 3 / R 0 , K1 = R 0 / R 1, T 2 = L 3 / R 0, K 1 = R 0 / R 1 Substituting equation (5) into this equation and rearranging it results in the following equation.

第2図は第1図に示す動的補償器8のブロック線図で
ある。この図において、動的補償器8は、主回路の伝達
係数F(S)を模擬した状態観測器81、この状態観測器
81から推定される負荷電流推定値及びその高次微分値
をそれぞれ異なる係数を掛けた上で加算する演算を行う
演算器82及び遅延要素83からなっている。
FIG. 2 is a block diagram of the dynamic compensator 8 shown in FIG. In this figure, a dynamic compensator 8 includes a state observer 81 simulating the transfer coefficient F (S) of the main circuit,
It comprises an arithmetic unit 82 and a delay element 83 for performing an operation of multiplying the load current estimated value estimated from 81 and its higher-order differential value by different coefficients and adding the results.

第1図の電流調節器70の出力信号u1が動的補償器8の
入力信号である。これに演算器82の出力信号vf(=vf1
+vf2)がフィードバックされる形で加算点91で信号u1
から減算されて遅延要素83を通って状態観測器81に入力
される。状態観測打器81は(7)式の伝達係数F(S)
を模擬するもので、入力信号u1はまず整流器1を模擬す
る比例要素111を通って整流器1の出力電圧v1の推定値
となる。この後、直列接続されている4つの積分要素
31,32,33,34を通って電流推定値となり、この
とその一つ前の積分要素34の入力信号とにそれぞれ比例
要素15,16の係数C1,C2が掛けられた上で加算点96が加算
され更に比例要素17の係数bが掛け算されて負荷電流推
定値となる。それぞれの積分要素31,32,33,34の入力
側の信号はそれぞれ比例要素18,19,20,21の係数a0,a1,a
2,a3が掛け算された上で加算点98,99,100で加算されて
加算点92で減算される形でフィードバックされる。この
ような状態観測器81の構成によって電圧推定値と負荷
電圧推定値との関係が(7)式に一致することにな
る。負荷電流実際値iと負荷電圧推定値との偏差値e1
を比例要素11,12,13,14を介して加算点92,93,94,95に加
算しているのは状態観測器理論に基づいたもので、負荷
電圧推定値の負荷電流実際値iに対する追随性を最適
にするためにそれぞれの係数g1〜g4が決定されるもので
あり、その結果、偏差値e1は小さな値になって実質的に
=iとして状態観測器81の解析を行っても差し支えな
くなる。より詳細にははiに対して小さな時定数の一
次遅れで追随するものと近似することもできるが、この
発明においては、このような詳細な解析は煩雑になるだ
けなので省略し、以後は=iとして取り扱う。したが
って、比例要素11,12,13,14のそれぞれの係数g1,g2,g3,
g4も無視できることになる。
The output signal u 1 of the current regulator 70 in FIG. 1 is the input signal of the dynamic compensator 8. The output signal vf (= vf1
+ Vf2) is fed back at the summation point 91 to form a signal u 1
And is input to the state observer 81 through the delay element 83. The state observing percussion 81 has a transfer coefficient F (S) of the equation (7)
The input signal u 1 first passes through a proportional element 111 that simulates the rectifier 1 and becomes an estimated value of the output voltage v 1 of the rectifier 1. After this, the four integral elements connected in series
Next current estimated value e through 31, 32, 33, 34, the e
And the input signal of the preceding integral element 34 are multiplied by the coefficients C1 and C2 of the proportional elements 15 and 16, respectively, and an addition point 96 is added. It is an estimated value. The signals on the input side of the respective integral elements 31, 32, 33, 34 are the coefficients a 0 , a 1 , a of the proportional elements 18, 19, 20, 21 respectively.
2 and a 3 are multiplied, added at addition points 98, 99, and 100, and fed back in a form of being subtracted at addition point 92. With such a configuration of the state observer 81, the relationship between the estimated voltage value and the estimated load voltage value matches the equation (7). Deviation e 1 between load current actual value i and load voltage estimation value
Is added to the addition points 92, 93, 94, 95 via the proportional elements 11, 12, 13, 14 based on the state observer theory, and the load voltage estimated value is compared with the load current actual value i. The coefficients g 1 to g 4 are determined in order to optimize the followability, and as a result, the deviation value e 1 becomes a small value, and the analysis of the state observer 81 is made substantially as = i. You can go there. More specifically, it can be approximated to follow with a small time constant of primary delay with respect to i. However, in the present invention, such detailed analysis is only complicated, and is omitted. Treated as i. Therefore, the coefficients g1, g2, g3,
g4 can also be ignored.

比例要素111は前述のように整流器1を模擬したもの
であるが、この整流器1が例えばサイリスタ整流器でサ
イリスタの点弧角を制御することによって負荷電流iを
制御する方式の場合には、整流器1に入力される制御信
号uは点弧角指令値になり、このときの制御信号uと整
流器1の出力電圧V1との関係はV1∝cos(u)となって
非線形になることから単に比例要素で模擬できない。こ
のような場合には比例要素111の代わりに関数演算器を
使用することになる。PWMインバータの場合は制御信号
uはパルス幅を指定するものなので、前述のように整流
器1を比例要素で模擬することができるので、ここでは
これに基づいて比例要素111で模擬しているものであ
る。
The proportional element 111 simulates the rectifier 1 as described above. If the rectifier 1 controls the load current i by controlling the firing angle of the thyristor with a thyristor rectifier, for example, the rectifier 1 Becomes a firing angle command value, and the relationship between the control signal u and the output voltage V1 of the rectifier 1 at this time becomes V 1 ∝cos (u) and becomes non-linear. Cannot be simulated with elements. In such a case, a function calculator is used instead of the proportional element 111. In the case of the PWM inverter, since the control signal u specifies the pulse width, the rectifier 1 can be simulated by the proportional element as described above. Here, the rectifier 1 is simulated by the proportional element 111 based on this. is there.

この動的補償器8における入力信号u1と負荷電流推定
値との間の伝達関数は次式となる。
The transfer function between the input signal u 1 and the load current estimate in this dynamic compensator 8 becomes the following equation.

ここで、a0〜a3、C1,C2は(7)式のそれぞれの値を
模擬した比例要素の係数である。(7)式の値と区別す
るためには電圧や電流と同じようにその符号にハットを
付すのが正確な表現であるが、式が複雑になるので同じ
符号を使用してある。
Here, a0 to a3, C1 and C2 are coefficients of the proportional element simulating the respective values of the equation (7). (7) To distinguish it from the value of the equation, it is an accurate expression to attach a hat to the sign in the same manner as the voltage or the current, but the same sign is used because the equation becomes complicated.

(8)式の分母分子に(S+γ)S4をかけて分母分子
ともSに関して整理すると次式が得られる。
When the denominator of equation (8) is multiplied by (S + γ) S 4 and the denominator and numerator are arranged with respect to S, the following equation is obtained.

ただし、 Q(S)=b(C2S+C1) P(S)=2S5+(2γ+a3+k4K5)S4 +(a3γ+a2+hk4+γk4k5+k3k5)S3 +(a2γ+a1+hk3+γk3k5+k2k5)S2 +(a1γ+a0+hk2+γk2k5+k1k5)S +(a0γ+hk1+γk1k5) P(S)のS5の項を除いてSの巾乗の各項の係数の中
に任意に設定することのできる係数γ、k1〜K5が含まれ
ており、それぞれの項の係数を最適に選定することがで
きる。
However, Q (S) = b ( C 2 S + C 1) P (S) = 2S 5 + (2γ + a 3 + k 4 K 5) S 4 + (a 3 γ + a 2 + hk 4 + γk 4 k 5 + k 3 k 5) S 3 + (a 2 γ + a 1 + hk 3 + γk 3 k 5 + k 2 k 5) S 2 + (a 1 γ + a 0 + hk 2 + γk 2 k 5 + k 1 k 5) S + (a 0 γ + hk 1 + γk 1 k 5) P Coefficients γ, k 1 to K 5 , which can be set arbitrarily, are included in the coefficients of the powers of S except for the term S 5 of (S). It can be optimally selected.

ところで、(9)式は第2図の動的補償器8の中で成
立する式であるが、実際の制御系では動的補償器8で得
られた信号uが整流器1の制御信号として入力されて負
荷電流Iが制御される。その場合に伝達関数が改善され
ることによって始めてこの発明の目的が達成されること
になるので、次にこの点について説明する。
Incidentally, equation (9) is an equation that holds in the dynamic compensator 8 of FIG. 2, but in an actual control system, the signal u obtained by the dynamic compensator 8 is input as a control signal of the rectifier 1. Thus, the load current I is controlled. In this case, the object of the present invention can be achieved only by improving the transfer function. This will be described below.

第3図は第1図の回路を別の形で表したブロック線図
である。この図において、整流器1は比例要素110で、
整流器1の出力電圧V1から負荷電圧Iの関係を伝達関数
F(S)で表してある。
FIG. 3 is a block diagram showing the circuit of FIG. 1 in another form. In this figure, the rectifier 1 is a proportional element 110,
The relationship between the output voltage V1 of the rectifier 1 and the load voltage I is represented by a transfer function F (S).

前述のように状態観測器81は主回路を模擬したもので
あり、ブロック120で示す主回路の伝達係数F(S)に
対してブロック121で示すf(S)で表すことができ
る。制御信号uは状態観測器81の入力信号であるとして
(9)の式が導出されたものであるが、この制御信号u
はまた主回路の整流器1に入力されるのであるから、結
局近似的には信号u1と負荷電流Iとの間の伝達関数は近
似的に(9)式に比例するとしてよく、(9)式の左辺
分母の負荷電流推定値の代わりにI、右辺の比例要素
111の係数hの代わりに比例要素110の係数Hを使用する
ことによって主回路の制御特性を近似することができ
る。したがって、(9)式における制御特性改善のため
に任意に設定できる係数を最適に設定したとき主回路の
制御特性も最適に設定されたことになる。
As described above, the state observer 81 simulates a main circuit, and can be represented by f (S) shown by a block 121 with respect to a transfer coefficient F (S) of the main circuit shown by a block 120. Equation (9) is derived assuming that the control signal u is an input signal of the state observer 81, and this control signal u
Is also input to the rectifier 1 of the main circuit, so that eventually the transfer function between the signal u 1 and the load current I may be approximately proportional to equation (9), and (9) I instead of the load current estimate of the denominator on the left side of the equation, and the proportional element on the right side
By using the coefficient H of the proportional element 110 instead of the coefficient h of 111, the control characteristics of the main circuit can be approximated. Therefore, when the coefficient that can be arbitrarily set for improving the control characteristics in the equation (9) is optimally set, the control characteristics of the main circuit are also optimally set.

(9)式において、最適の制御特性になるように係数
γ、k1〜k4の選定の方法には種々あるが、いずれも自動
制御理論に基づいて行われる。一例をあげれば次のとお
りである。
In the equation (9), there are various methods for selecting the coefficients γ and k 1 to k 4 so as to obtain the optimum control characteristics, but all of them are performed based on the automatic control theory. An example is as follows.

P(S)がS=−C1/C2の根を持つように選定する。
これによりQ(S)の中の(C2S+C1)が消去されると
ともに、分母はSに関する4次式になり、(9)式は次
式となる。
P (S) is selected to have a root of S = -C 1 / C 2.
As a result, (C 2 S + C 1 ) in Q (S) is eliminated, and the denominator becomes a quartic equation relating to S, and the equation (9) becomes the following equation.

(10)式の分母の各係数d3〜d0を、例えば、バターワ
ースフィルタの係数と呼ばれている次のような値になる
ように選定する。d3=2.1、d2=3.4、d1=2.7、d0=1.
0。なお、(9)式において未知係数がS4〜S0のそれぞ
れの項の係数の5つに対して任意に選定可能の係数が前
述のように、γ、k1〜k4の6つあるので、、を同時
に満足することは可能である。
(10) the coefficients d 3 to d 0 in the denominator of the equation, for example, to be between the following values that are called coefficients of the Butterworth filter. d 3 = 2.1, d 2 = 3.4, d 1 = 2.7, d 0 = 1.
0. In the equation (9), there are six coefficients γ and k 1 to k 4 , which can be arbitrarily selected for five of the coefficients of the respective terms S 4 to S 0 as described above. Therefore, it is possible to satisfy at the same time.

(10)式の係数d3〜d1が最適な値になるようにこれら
の係数γ、k1〜K4が設定されることによって、低域通過
フィルタ40のコンデンサ45に直列に制振用の抵抗を挿入
していなくても共振が生ずることがなくなるとともに、
渦電流回路61に流れる渦電流による負荷電流Iの制御特
性に対する影響も消去された形になって良好な制御特性
を持った定電流電源の制御装置となる。なお、電流調節
器7は前述のように最適に設定された制御特性に対して
電流調節器7に含まれる比例要素や積分要素の係数を調
整することになる。前述の最適化には近似が含まれてい
るので、実際には前述の、が厳密に成立している訳
ではないので、電流調節器7による調整によってよりよ
い制御特性が得られる。
By setting these coefficients γ and k 1 to K 4 so that the coefficients d 3 to d 1 in the equation (10) become optimal values, the resistance for vibration suppression is connected in series with the capacitor 45 of the low-pass filter 40. Resonance will not occur even if no
The influence of the eddy current flowing in the eddy current circuit 61 on the control characteristics of the load current I is also eliminated, and the control device of the constant current power supply has good control characteristics. The current adjuster 7 adjusts the coefficients of the proportional element and the integral element included in the current adjuster 7 with respect to the optimally set control characteristics as described above. Since the above-mentioned optimization includes approximation, the above-mentioned is not strictly true in practice, so that better control characteristics can be obtained by adjustment by the current regulator 7.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

この発明は前述のように、電流調節器と電力変換器と
の間に、渦電流の影響をなくし共振が抑制される制御特
性が得られるように制御信号を補償する動的補償器を直
列に挿入する。そしてこの動的補償器を、電流調節器の
出力信号が入力される遅延要素と、この遅延要素の出力
信号と負荷電流実際値とを入力信号として電力変換器か
ら負荷に至る主回路を模擬して負荷電流とその高次微分
値を推定するとともに、補償された制御信号を出力する
状態観測器と、この状態観測器によって推定される負荷
電流の推定値、その1次以上の複数の高次微分推定値及
び状態観測器の入力信号を入力信号としてこれら入力信
号にそれぞれ異なる係数を掛けた上で加算して出力する
演算器とで構成し、この演算器の出力信号を遅延要素の
入力側にフィードバックする。このような構成を採用し
たことにより、負荷電流実際値、その一次以上の複数の
微分値、及び整流器の制御信号をそれぞれ異なる係数を
掛けて加算した加算値を遅延要素の入力側にフィードバ
ックした構成と近似的に同じ制御特性が得られる。電流
調節器の出力信号に対する負荷電流の比で定義される伝
達関数がこの制御特性を表すが、この伝達関数の中に含
まれる前述の遅延要素と演算器の係数をそれぞれ適切な
値に設定することによって、渦電流によって生ずる項を
打ち消すとともに、この伝達関数の分母のラプラス変換
の演算子Sの巾乗和のそれぞれの項の係数を最適の制御
特性になるように選定することができる。その結果、負
荷の近傍に配置された金属導体に流れる渦電流の影響を
なくすとともに、低域通過フィルタを構成するコンデン
サとインダクタ及び負荷のインダクタンスとによって決
まる周波数で共振する共振特性を抑制することができ
る。したがって、渦電流の影響で電流調節器による制御
特性の調整が困難になっていたのが解消されて電流調節
器のパラメータの調整が容易になるという効果が得られ
る。また、共振特性が抑制されることから、低域通過フ
ィルタのコンデンサに直列に挿入していた制振用の抵抗
を省略することができることから、この抵抗の冷却構造
が不要になるとともに、この抵抗による低域通過フィル
タの減衰率の低下がなくなるために低域通過フィルタの
コンデンサやインダクタの容量を低減することができる
ために低減通過フィルタの寸法縮小、価格低減の効果を
得られる。
According to the present invention, as described above, a dynamic compensator for compensating a control signal is provided in series between a current regulator and a power converter so as to obtain a control characteristic that eliminates the influence of eddy currents and suppresses resonance. insert. The dynamic compensator simulates a delay element to which the output signal of the current regulator is input, and a main circuit from the power converter to the load using the output signal of the delay element and the actual value of the load current as input signals. A state observer for estimating a load current and its higher derivative and outputting a compensated control signal; a load current estimated by the state observer; An arithmetic unit for multiplying these input signals by different coefficients, adding the differential estimation value and the input signal of the state observer as input signals, and then adding and outputting the output signals; and outputting the output signal of the arithmetic unit to the input side of the delay element. Feedback to By adopting such a configuration, a configuration in which the load current actual value, a plurality of first-order or higher differential values thereof, and an added value obtained by multiplying the control signal of the rectifier by a different coefficient and adding the same are fed back to the input side of the delay element. Approximately the same control characteristics are obtained. The transfer function defined by the ratio of the load current to the output signal of the current regulator expresses this control characteristic. The delay element and the coefficient of the arithmetic unit included in the transfer function are set to appropriate values. In this way, the term caused by the eddy current can be canceled, and the coefficient of each term of the sum of the powers of the Laplace transform operator S of the denominator of the transfer function can be selected so as to have the optimum control characteristic. As a result, it is possible to eliminate the influence of eddy current flowing in the metal conductor placed near the load, and to suppress the resonance characteristics that resonate at a frequency determined by the capacitor and the inductor constituting the low-pass filter and the inductance of the load. it can. Therefore, the effect that the adjustment of the control characteristics by the current controller has become difficult due to the influence of the eddy current is eliminated, and an effect is obtained that the adjustment of the parameters of the current controller becomes easier. In addition, since the resonance characteristics are suppressed, the resistance for vibration damping, which is inserted in series with the capacitor of the low-pass filter, can be omitted. As a result, the reduction of the attenuation factor of the low-pass filter is eliminated, and the capacitance of the capacitor and inductor of the low-pass filter can be reduced. Therefore, the effect of reducing the size and cost of the reduced-pass filter can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明の実施例の定電流電源とその制御装置
を示す回路図、第2図は第1図に示す動的補償器のブロ
ック線図、第3図は第1図の定電流電源とその制御装置
のブロック線図、第4図は従来の定電流電源とその制御
装置を示す回路図である。 1……整流器、4,40……低域通過フィルタ、 5……分流器、6……傾斜磁場コイル(負荷)、 61……渦電流回路、7,70……電流調節器、 71……減算器、8……動的補償器、81……状態観測器、 82……演算器、83……遅延要素。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a constant current power supply and its control device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of a dynamic compensator shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a block diagram showing a power supply and its control device, and FIG. 4 is a circuit diagram showing a conventional constant current power supply and its control device. 1 rectifier, 4, 40 low-pass filter, 5 shunt, 6 gradient coil (load), 61 eddy current circuit, 7, 70 current regulator, 71 Subtractor 8, Dynamic compensator 81 State observer 82 Operation unit 83 Delay element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G05F 1/10 H02M 7/21,7/48 A61B 5/05 G01R 33/22──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G05F 1/10 H02M 7 / 21,7 / 48 A61B 5/05 G01R 33/22

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】電力変換器から低域通過フィルタを介して
誘導性負荷に供給される負荷電流を制御する制御装置で
あって、前記負荷電流の計測値としての負荷電流実際値
を負荷電流設定値から差し引いた偏差値を演算する減算
器と、この減算器の出力信号を入力信号として前記電力
変換器の制御信号を出力する電流調節器とを備えた定電
流電源の制御装置において、 前記電流調節器と前記電力変換器との間に動的補償器を
直列に挿入し、この動的補償器が、前記電流調節器の出
力信号を入力信号とする遅延要素と、この遅延要素の出
力信号と前記負荷電流実際値とを入力信号として前記電
力変換器から負荷に至る主回路を模擬して前記負荷電流
とその高次微分値を推定するとともに前記動的補償器の
出力信号を出力する状態観測器と、この状態観測器によ
って推定される前記負荷電流の推定値、その1次以上の
複数の高次微分推定値及び前記遅延要素の出力信号を入
力信号として、これらの入力信号にそれぞれ異なる係数
を掛けた上で加算しその加算値を出力信号とする演算器
とを備え、この演算器の出力信号を前記遅延要素の入力
側にフィードバックし、前記状態観測器の入力信号を前
記動的補償器の出力信号とすることを特徴とする定電流
電源の制御装置。
1. A control device for controlling a load current supplied from a power converter to an inductive load via a low-pass filter, wherein a load current actual value as a measured value of the load current is set to a load current setting value. A control device for a constant current power supply, comprising: a subtractor that calculates a deviation value subtracted from the value; and a current regulator that outputs a control signal of the power converter with an output signal of the subtractor as an input signal. A dynamic compensator inserted in series between a regulator and the power converter, the dynamic compensator comprising a delay element having an output signal of the current regulator as an input signal, and an output signal of the delay element. A state in which the main circuit from the power converter to the load is simulated with the load current actual value as an input signal and the load current and its higher-order derivative are estimated, and the output signal of the dynamic compensator is output. Observer and this state An output value of the load current estimated by the observer, a plurality of first-order or higher-order differential estimated values thereof and the output signal of the delay element are used as input signals, and these input signals are multiplied by different coefficients. An arithmetic unit that adds the added value to the output of the delay element, feeds back the output signal of the arithmetic unit to the input side of the delay element, and outputs the input signal of the state observer to the output signal of the dynamic compensator. A control device for a constant current power supply.
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