JP5329995B2 - Dead time compensation device and dead time compensation method for inverter system - Google Patents
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Description
本発明は、無駄時間を有する制御対象のフィードバック制御系において、非線形回路および非線形負荷を有する、例えばインバータ制御システムなどの無駄時間補償装置及びその方法に関するものである。 The present invention relates to a dead time compensation apparatus such as an inverter control system having a nonlinear circuit and a nonlinear load in a feedback control system to be controlled having a dead time, and a method thereof.
近年、工場の搬送車、エレベータなどの移動体に対して、接触給電や制御系ケーブルに替わる非接触給電の研究がされており、一部では実用化が始まっている。接触給電方式ではブラシの不良、磨耗、火花の発生のため保守および交換などが必要であったが、非接触給電ではいっさい必要がなくなる。その技術を応用し、医療機器用の非接触給電方式X線CT装置の研究が行われている。 In recent years, research has been conducted on contactless power supply and contactless power supply instead of control system cables for mobile objects such as factory vehicles and elevators, and some of them have been put into practical use. The contact power supply method requires maintenance and replacement due to defective brushes, wear, and sparks. However, contactless power supply eliminates the need for any contactless power supply. Research on non-contact power supply type X-ray CT apparatus for medical devices is being carried out by applying this technology.
この非接触給電方式X線CT装置の実現には、電力供給部分の非接触化とともに制御データ送受信の非接触化も必要となる。非接触データ通信として赤外線通信があるが、入出力のAD/DA変換や誤り検出などにより、制御データのフィードバックは、1ms程度の遅れをともなう。このような、情報の伝送遅延によりシステムの入出力に遅れを生じるシステムは、無駄時間システムと呼ばれている。 Realization of this non-contact power feeding type X-ray CT apparatus requires non-contact of control data transmission and reception as well as non-contact of the power supply portion. There is infrared communication as non-contact data communication, but feedback of control data is delayed by about 1 ms due to input / output AD / DA conversion and error detection. Such a system that causes a delay in input / output of the system due to information transmission delay is called a dead time system.
図1に医療機器用の非接触給電方式X線CT装置の全体構成ブロック図を示す。図1に示すように非接触給電方式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とを備える。電源1は、直流電圧を発生するものであり、インバータ2は、上記電源1から出力された直流電圧を交流に変換するものである。X線CT装置は、被検体の周囲をX線管7が回転するようになっているため、主変圧器4、整流器5、平滑コンデンサ6、X線管7については、共に回転部10として構成され、電源1、インバータ2については、共に固定部9として構成される。この固定部9のインバータ2の出力側に接続された巻線と、回転部10の主変圧器4の入力側に接続された巻線とを電磁気的に結合する巻線変圧器3が、非接触で所要の電力を供給するように互いに対向して配置され、固定部9と回転部10との間に備えられる。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ものであり、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ものである。これらにより、X線管7の高電圧発生装置が形成される。
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a non-contact power supply type X-ray CT apparatus for medical equipment. As shown in FIG. 1, the non-contact power feeding type X-ray CT apparatus includes a
一方、X線の放射が一定となるようにX線CT装置では、X線管7の両側の電圧(管電圧)の出力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、インバータ2の周波数や出力電圧の制御を行っている。前記フィードバック部は、図1に示すようにX線管7間の電圧をA/D変換回路11でデジタル信号化し、固定部9と回転部10との間を非接触データ通信装置12で送信して、インバータ制御回路8でインバータ2を制御することによりX線管7の電圧の安定化を図っている。このフィードバックは、固定部9と回転部10との間では非接触であるため時間遅延をともない、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の無駄時間を持つことになる。
On the other hand, in the X-ray CT apparatus, the output information of the voltage (tube voltage) on both sides of the
この非接触化にともなう無駄時間は、制御系の安定性を損なうものである。通常無駄時間が大きい制御対象に対してPID制御を行うと、オーバーシュート量が大きくなり、制御性が劣化し不安定となる。そこで無駄時間を補償するために、従来では制御系にスミス法を用いた補償装置が用いられていた。 This dead time associated with non-contact impairs the stability of the control system. When PID control is performed on a control target with a long normal dead time, the amount of overshoot increases, and the controllability deteriorates and becomes unstable. In order to compensate for the dead time, a compensation device using the Smith method has been conventionally used in the control system.
通常のフィードバック制御系を図2に示す。図2において、C(s)はコントローラ、G(s)は制御対象、e-sLは無駄時間要素、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、制御対象が1次遅れのみで無駄時間がほとんどない(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2の伝達関数は、次のようになる。 A normal feedback control system is shown in FIG. In FIG. 2, C (s) is a controller, G (s) is an object to be controlled, e- sL is a dead time element, R (s) is a control command, U (s) is an operation amount, D (s) is disturbance, Y (s) indicates an output. In this feedback control system, when the control target is only a first-order lag and there is almost no dead time (L≈0), it can be easily controlled by PI control. However, if the dead time of the control target is large, the control is greatly affected and the control becomes difficult. The transfer function of FIG. 2 at that time is as follows.
ただし、外乱は考えていない(D(s)=0)。前記式により、この制御系の特性方程式は、 However, no disturbance is considered (D (s) = 0). From the above equation, the characteristic equation of this control system is
となる。この特性方程式には無駄時間が含まれるため、制御性能が劣化し、コントローラの設計も困難のものとなる。 It becomes. Since this characteristic equation includes dead time, control performance deteriorates and controller design becomes difficult.
そこで上記に記載したように、この無駄時間を補償するために通常スミス法が用いられ、その基本構成図を図3に示す。図3において、P(s)は制御対象モデル、e-sLは無駄時間モデルを示し、これらを総称してスミス予測器とする。図3は、無駄時間を持つ制御対象G(s)e-sLに対して、制御対象モデルの伝達関数P(s)を介したフィードバックと、無駄時間要素e-sLと制御対象G(s)e-sLの差分をフィードバックすることで構成される。スミス法は、制御対象モデルと無駄時間モデルを持ち、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)に基づいて、コントローラ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3のフィードバック制御系にスミス予測器を付加した場合の制御指令値R(s)から出力Y(s)までの伝達関数は、次のようになる。 Therefore, as described above, the normal Smith method is used to compensate for this dead time, and its basic configuration is shown in FIG. In FIG. 3, P (s) represents a controlled object model, e −sL represents a dead time model, and these are collectively referred to as a Smith predictor. 3, the control object G (s) e -sL with dead time, the feedback through a transfer function P of the controlled object model (s), dead time element e -sl the control object G (s) It is configured by feeding back the difference of e- sL . The Smith method has a controlled object model and a dead time model, and performs control while always predicting a phenomenon that appears after the dead time has elapsed. That is, the operation amount U (s) is calculated by the controller C (s) based on the control amount and the set value R (s), and a change in the control amount with respect to the operation amount U (s) is predicted using the Smith predictor. Further, the operation amount U (s) is calculated in the controller C (s) based on the change amount. Therefore, the transfer function from the control command value R (s) to the output Y (s) when the Smith predictor is added to the feedback control system of FIG. 3 is as follows.
モデル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、次のようになる。 If there is no model error, that is, if P (s) = G (s), the characteristic equation is as follows.
伝達関数の分母多項式は、制御系の安定性を決める特性多項式であり、(数3)の分母多項式(数4)に無駄時間要素が残らないので、安定である。このような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)に精度よく追従することができ、無駄時間がない場合と同じコントローラを使用できる。 The denominator polynomial of the transfer function is a characteristic polynomial that determines the stability of the control system, and is stable because no dead time element remains in the denominator polynomial (Equation 4) of (Equation 3). By using such a Smith predictor, the influence of the dead time can be eliminated from the system, the output Y (s) can accurately follow the control command R (s), and the same controller 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。 The Smith method eliminates wasted time from the control loop because the wasted time can be eliminated, and eliminates wasted time from the characteristic equation of the feedback control system. In other words, there is a feature that, for example, the dead time remains as it is, so that it is left in a complicated state.
以上より、スミス法の構成には、正確な制御対象モデルG(s)および無駄時間モデルe-sLが必要であり、したがって、伝達関数で定義できる制御対象であれば、無駄時間要素の対応も容易である。 As described above, the Smith method configuration requires an accurate control target model G (s) and a dead time model e- sL . Therefore, if the control target can be defined by a transfer function, it is possible to deal with the dead time element. Easy.
しかし、例えばX線CT装置の高電圧発生装置などでは、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、この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り、制御装置への適用が不可能であるという問題点があった。 However, for example, a high voltage generator of an X-ray CT apparatus includes a diode rectifier circuit that is a non-linear element in a control target, and thus this control target is expressed by a transfer function or state equation required by a Smith predictor. There is a problem that it is difficult to create a model, and it is difficult to apply the model to a control device.
本発明は、上記問題点を解決するため、制御対象の構成にかかわらず、この制御対象の無駄時間を的確に補償することができる無駄時間補償装置を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a dead time compensation device capable of accurately compensating for a dead time of a control target regardless of the configuration of the control target.
請求項1の発明の無駄時間補償装置は、無駄時間を有する制御対象として、当該制御対象におけるフィードバック制御系の安定性を保つための無駄時間補償装置であって、前記制御対象は、非線形要素としてダイオード整流回路を含んでおり、前記制御対象と同じ応答特性を有する、ダイオード整流回路を含むモデル回路を実装したスミス予測器を具備することを特徴とする。
The dead time compensator of the invention of
請求項2の発明の無駄時間補償装置において、前記モデル回路は、オペアンプ回路によるアナログ計算機、又はFPGA(Field Programmable Gate array)回路のハードウエア回路を含むことを特徴とする。 In dead time compensator of the invention 請 Motomeko 2, the model circuit, an analog computer operational amplifier circuit, or characterized in that it comprises a hardware circuit FPGA (Field Programmable Gate array) circuit.
請求項3の発明の無駄時間補償装置において、前記モデル回路は、前記制御対象と同じ信号を入力して出力信号を取得し、前記取得した出力信号を前記フィードバック制御系に負帰還させ、さらに前記取得した出力信号を、前記制御対象と同じ無駄時間要素に入力し、前記入力した無駄時間要素の出力信号と前記制御対象の出力信号の差分信号を、前記フィードバック制御系に負帰還させるものであることを特徴とする。 In the dead time compensator according to the invention of claim 3, the model circuit receives the same signal as that to be controlled to acquire an output signal, negatively feeds back the acquired output signal to the feedback control system, and The acquired output signal is input to the same dead time element as the control target, and the difference signal between the input dead time element output signal and the output signal of the control target is negatively fed back to the feedback control system. It is characterized by that.
請求項4の発明の無駄時間補償装置において、前記制御対象は、A/D変換回路、D/A変換回路、サンプリング回路、又は通信遅延回路を含むことを特徴とする。 The dead time compensating apparatus according to claim 4 is characterized in that the control target includes an A / D conversion circuit, a D / A conversion circuit, a sampling circuit, or a communication delay circuit.
請求項5の発明の無駄時間補償方法は、無駄時間を有する制御対象として、当該制御対象におけるフィードバック制御系の安定性を保つための無駄時間補償方法であって、前記制御対象は、非線形要素としてダイオード整流回路を含んでおり、前記制御対象と同じ応答特性を有する、ダイオード整流回路を含むモデル回路を実装したスミス予測器を具備することを特徴とする。
The dead time compensation method of the invention of
請求項6の発明の無駄時間補償方法において、前記モデル回路は、オペアンプ回路によるアナログ計算機、又はFPGA(Field Programmable Gate array)回路のハードウエア回路を含むことを特徴とする。 In dead time compensation method of the invention 請 Motomeko 6, wherein the model circuit, an analog computer operational amplifier circuit, or characterized in that it comprises a hardware circuit FPGA (Field Programmable Gate array) circuit.
請求項7の発明の無駄時間補償方法において、前記モデル回路は、前記制御対象と同じ信号を入力して出力信号を取得し、前記取得した出力信号を前記フィードバック制御系に負帰還させ、さらに前記取得した出力信号を、前記制御対象と同じ無駄時間要素に入力し、前記入力した無駄時間要素の出力信号と前記制御対象の出力信号の差分信号を、前記フィードバック制御系に負帰還させるものであることを特徴とする。
In the dead time compensation method of the invention of
請求項8の発明の無駄時間補償方法において、前記制御対象は、A/D変換回路、D/A変換回路、サンプリング回路、又は通信遅延回路であることを特徴とする。
The dead time compensation method according to
本発明によれば、伝達関数または状態方程式を使わなくても、非線形要素である非線形回路および非線形負荷をアナログ計算機(オペアンプ回路)で構成することで演算の高速化を図るとともに、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に組み込んだスミス法を構築してスミス予測器を実現することで、例えばインバータ制御システムなどの無駄時間補償を解決するとともに、インバータ制御システムの安定化をはかることができる。 According to the present invention, a nonlinear circuit and a nonlinear load, which are nonlinear elements, are configured by an analog computer (op-amp circuit) without using a transfer function or a state equation. Realizing a Smith predictor by building a Smith method that directly incorporates a diode rectifier circuit into the model to be controlled can solve dead time compensation, such as an inverter control system, and stabilize the inverter control system. it can.
以下添付図面を参照しながら、本発明における、伝達関数の定義できない非線形回路及び非線形負荷をアナログ計算機のハードウエアで直接構成して、スミス予測器を構成して、無駄時間要素e-sLによる不安定な性能を改善する例えばインバータ制御システムなどの無駄時間補償を解決するための実施例を説明する。 With reference to the accompanying drawings, a non-linear circuit and a non-linear load in which transfer functions cannot be defined in the present invention are directly configured by analog computer hardware to form a Smith predictor, and a delay due to a dead time element e- sL . An embodiment for solving dead time compensation such as an inverter control system for improving stable performance will be described.
図4は、インバータの出力から負荷としてのX線管までの管電圧制御回路の等価回路を示す。図4に示すように管電圧制御回路の等価回路は、インバータ出力電圧vsからX線管の両端の電圧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線管部分は、抵抗Rxに置き換えている。スミス予測器作成のため、図4の等価回路のオペアンプ回路モデルの作成を行う。 FIG. 4 shows an equivalent circuit of a tube voltage control circuit from the output of the inverter to the X-ray tube as a load. Equivalent circuit of the tube voltage control circuit as shown in FIG. 4 shows the inverter output voltage v s to the voltage v dc across the X-ray tube. For simplification, the X-ray tube portion in the equivalent circuit is replaced with a resistor Rx . In order to create a Smith predictor, an operational circuit model of the equivalent circuit of FIG. 4 is created.
このモデル回路は、オペアンプによるアナログ回路によって作成する。図4の等価回路におけるコンデンサを図5aのオペアンプのアナログ回路に、リアクトル部分を図5bのオペアンプのアナログ回路にそれぞれ置き換えて計算を行う。 This model circuit is created by an analog circuit using an operational amplifier. Calculation is performed by replacing the capacitor in the equivalent circuit of FIG. 4 with the analog circuit of the operational amplifier of FIG. 5a and the reactor portion with the analog circuit of the operational amplifier of FIG. 5b.
等価回路の電圧センサ、電流センサの倍率を、それぞれ1/2000、1/10000とする。これにより、モデル回路と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。 The magnifications of the voltage sensor and current sensor of the equivalent circuit are 1/2000 and 1/10000, respectively. Thus, the impedance ratio K z the model circuit and the equivalent circuit can be calculated as follows.
したがって、インピーダンス比が5となるので、等価回路でのインピーダンスは、モデル回路内で5倍として計算される。等価回路の入力電圧(インバータ出力電圧)vsと入力電流is(インバータ出力電流)は、測定可能な値であり、これらの値を用いて等価回路に流れる電流、電圧の計算を行い、最終的にX線管電圧予測値vdcを求める。以下に、その計算方法を説明する。 Therefore, since the impedance ratio is 5, the impedance in the equivalent circuit is calculated as 5 times in the model circuit. The input voltage (inverter output voltage) v s and the input current i s (inverter output current) of the equivalent circuit are measurable values, and the current and voltage flowing through the equivalent circuit are calculated using these values. Thus, an X-ray tube voltage predicted value v dc is obtained. Below, the calculation method is demonstrated.
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100、第2等価回路200、第3等価回路300)に分割し、それぞれに対するモデル回路を設計する。図7aは、等価回路の第1等価回路を示し、図7bはそのモデル回路を示す。まず等価回路の、Cs、Rs、Lsrでの電圧降下vcs、vrs、vlsrをそれぞれ計算し、入力電圧vsから、それらの電圧降下の和vlcrを減算することで、この回路から出力される電圧vxを求める。例えば、Csによる電圧降下の計算は、等価回路として(数6)、そのモデル回路として(数7)のように行われる。
Here, the equivalent circuit of FIG. 4 is divided into three circuit parts (first
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、次のように計算できる。 Using the impedance ratio Kz , the capacitor and resistance corresponding to this circuit can be calculated as follows.
したがって、 Therefore,
ここで、C1=100pFとすると、図7bのR1は、 Here, if C 1 = 100 pF, R 1 in FIG.
以下、同様に計算を行う。図6の等価回路の第2等価回路を図8aに示し、そのオペアンプにより設計したモデル回路を図8bに示す。同様に、図6の等価回路の第3等価回路を図9aに示し、そのオペアンプにより設計したモデル回路を図9bに示す。 Hereinafter, the calculation is performed in the same manner. A second equivalent circuit of the equivalent circuit of FIG. 6 is shown in FIG. 8a, and a model circuit designed by the operational amplifier is shown in FIG. 8b. Similarly, FIG. 9a shows a third equivalent circuit of the equivalent circuit of FIG. 6, and FIG. 9b shows a model circuit designed by the operational amplifier.
図9aの非線形負荷であるダイオードブリッジを含む等価回路部分は、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、最終段の電圧v〜 dcをモデル回路の出力として使用する。また無駄時間要素は、アナログ回路での実現は困難であるので、この部分のみデジタル制御系で構成する。 The equivalent circuit portion including the diode bridge, which is the nonlinear load in FIG. 9a, 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 are used as the output of the model circuit. Also, since it is difficult to realize the dead time element in an analog circuit, only this part is configured by a digital control system.
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、モデル回路を図10のように変更する。すなわち、図9bのダイオードブリッジ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 region of the diode in the electronic circuit, the model circuit is changed as shown in FIG. That is, by replacing the diode bridge portion of FIG. 9b with an
以上を踏まえ、X線管電圧制御システムの時間応答のシミュレーションを行った。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た。 Based on the above, the time response of the X-ray tube voltage control system was simulated. 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. The one that has already been adjusted was used.
X線管電圧制御にスミス予測器を追加した制御回路ブロック図を図11に示す。図11のモデル回路G(s)の部分に、アナログ計算機(オペアンプ回路)で構成された図9a、図9b、図10のような非線形な制御対象が実装される。図11の点線内は、CPUのソフトウエアで構成されている部分である。このソフトウエア内で、無駄時間e-sLを組み込み、フィードバック制御系を構成している。 FIG. 11 shows a control circuit block diagram in which a Smith predictor is added to the X-ray tube voltage control. A non-linear control target as shown in FIGS. 9a, 9b, and 10 configured by an analog computer (op-amp circuit) is mounted on the model circuit G (s) in FIG. The dotted line in FIG. 11 is a portion configured by CPU software. In this software, a dead time e- sL is incorporated to constitute a feedback control system.
従来のX線管電圧制御システムのフィードバックに無駄時間がない場合の理想の時間応答シミュレーション結果を図12に示す。図11、図12において、vdc *はX線管電圧指令値、vdcはX線管電圧のフィードバック値を示している。このフィードバックにAD/DA変換がなく無駄時間もないため、X線管電圧は指令値によく追従する。 FIG. 12 shows an ideal time response simulation result when there is no dead time in the feedback of the conventional X-ray tube voltage control system. 11 and 12, v dc * indicates an X-ray tube voltage command value, and v dc indicates a feedback value of the X-ray tube voltage. Since this feedback has no AD / DA conversion and no dead time, the X-ray tube voltage follows the command value well.
次に、制御システムに通信遅延、及びAD/DA変換による無駄時間要素を入れたシミュレーションを行う。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。従来の無駄時間1msを持つX線管電圧制御システムの時間応答のシミュレーション結果を図13に示す。図13において、vdcdelayは無駄時間要素後のX線管電圧フィードバック値である。図13から明らかなように、X線管電圧vdcは指令値vdc *を中心に大きく振動しており、制御が不可能である。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。したがって、無駄時間が大きいためPI制御だけでは安定な応答を得ることはできない。 Next, a simulation is performed in which communication delays and dead time elements due to AD / DA conversion are added to the control system. Sampling by AD / DA conversion was set to 20 kHz, and dead time due to communication delay was set to 1 ms. FIG. 13 shows the simulation result of the time response of the conventional X-ray tube voltage control system having a dead time of 1 ms. In FIG. 13, v dcdelay is an X-ray tube voltage feedback value after the dead time element. As is apparent from FIG. 13, the X-ray tube voltage v dc oscillates largely around the command value v dc * and cannot be controlled. This seems to be caused by the large proportional gain of the X-ray tube voltage control. Accordingly, since the dead time is large, a stable response cannot be obtained only by the PI control.
これに対して、図14に無駄時間1msを持つX線管電圧制御システムに本発明のスミス法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。モデルには前述のアナログ計算の出力を用い、無駄時間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。図14のシミュレーション結果より、スミス予測器を用いた制御における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応答であり、この無駄時間システムに対して有効であることがわかる。 On the other hand, FIG. 14 shows a simulation result of time response when the Smith method of the present invention is applied to an X-ray tube voltage control system having a dead time of 1 ms. The model used the output of the above-mentioned analog calculation, and the dead time was reproduced by holding a digital value for each sampling. From the simulation result of FIG. 14, the response v dcdelay of the X-ray tube voltage in the control using the Smith predictor is almost the same as the response in the ideal state when a delay time of 1 ms occurs but there is no dead time. It is understood that this is effective for this dead time system.
また無駄時間モデルにモデル誤差が生じていた場合を考慮し、無駄時間1.1msに設定して、無駄時間モデルに最悪±20%の誤差を想定したシミュレーションを行ったが、その結果においても応答が悪化し振動はしているが、X線管電圧は指令値に追従していることがわかった。 Considering the case where a model error has occurred in the dead time model, the dead time model was set to 1.1 ms, and a simulation was performed assuming a worst-case error of ± 20%. However, the X-ray tube voltage was found to follow the command value.
以上のように本発明の実施例では、A/D変換回路、D/A変換回路、サンプリング回路、又は通信遅延回路を含む無駄時間を有する、例えば非接触給電方式X線CT装置などのデジタル制御系を制御対象として、当該制御対象であるX線管電圧におけるフィードバック制御系の安定性を保つための無駄時間補償装置であって、ダイオード整流回路及びX線管などの非線形要素を含む制御対象G(s)e-sLと同じ応答特性を有するモデル回路P(s)を、オペアンプ回路によるアナログ計算機、又はFPGA回路のハードウエア回路で実装したスミス予測器を具備し、前記モデル回路P(s)に、前記制御対象と同じ信号を入力して出力信号を取得し、前記取得した出力信号をフィードバック制御系に負帰還させ、さらに前記取得した出力信号を、前記制御対象と同じ無駄時間要素e-sLに入力し、前記入力した無駄時間要素e-sLの出力信号と前記制御対象の出力信号の差分信号を、フィードバック制御系に負帰還させている。 As described above, in the embodiment of the present invention, digital control such as a non-contact power feeding type X-ray CT apparatus having a dead time including an A / D conversion circuit, a D / A conversion circuit, a sampling circuit, or a communication delay circuit is provided. A dead time compensator for maintaining the stability of a feedback control system at an X-ray tube voltage, which is a control target, with a system as a control target, the control target G including nonlinear elements such as a diode rectifier circuit and an X-ray tube (S) A model circuit P (s) having the same response characteristic as that of e −sL is provided with a Smith predictor in which an analog computer using an operational amplifier circuit or a hardware circuit of an FPGA circuit is mounted, and the model circuit P (s) The same signal as that to be controlled is input to obtain an output signal, the obtained output signal is negatively fed back to a feedback control system, and the obtained output signal is further obtained. The inputs to the same dead time element e -sl and the control object, a differential signal of the output signal and the control target of the output signal of the dead time element e -sl that the input, thereby negatively fed back to the feedback control system .
このようにすれば、伝達関数または状態方程式を使わなくても、非線形回路および非線形負荷をアナログ計算機(オペアンプ回路)で構成することで演算の高速化を図るとともに、非線形要素であるダイオード整流回路を直接制御対象モデルに組み込んだスミス法を構築してスミス予測器を実現することで、例えばインバータ制御システムなどの無駄時間補償を解決するとともに、インバータ制御システムの安定化をはかることができる。 In this way, without using a transfer function or state equation, the nonlinear circuit and the nonlinear load are configured with an analog computer (op-amp circuit) to speed up the operation, and the diode rectifier circuit, which is a nonlinear element, can be achieved. By constructing the Smith method directly incorporated in the model to be controlled and realizing the Smith predictor, it is possible to solve the dead time compensation of the inverter control system, for example, and to stabilize the inverter control system.
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.
デジタル制御系で駆動されるインバータまたはコンバータは、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。1次側のインバータ回路からトランスを経由して2次側に電力を供給する場合の無駄時間を持つデジタル制御系では、このような非線形要素及び複数の制御モードを有する場合には伝達関数を定義することが困難であり、このような困難な部分に、オペアンプ回路に代表されるアナログ計算機、またはFPGA回路などで実装して、無駄時間の補償を容易に可能にする。このように無駄時間補償は、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できる。 An inverter or converter driven by a digital control system has a non-linear element such as a diode rectifier circuit and an active circuit portion having a plurality of control modes. In a digital control system having a dead time when power is supplied from the primary side inverter circuit to the secondary side via the transformer, a transfer function is defined when such a nonlinear element and a plurality of control modes are provided. In such a difficult part, an analog computer typified by an operational amplifier circuit, an FPGA circuit, or the like is mounted to easily compensate for dead time. Thus, the dead time compensation can be applied to a digital control system often used in an industrial system having a dead time such as an A / D conversion circuit, a D / A conversion circuit, a sampling circuit, or a communication delay circuit.
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 インバータ制御回路
9 固定部
10 回転部
11 A/D変換回路
12 非接触データ通信装置
100 第1等価回路
200 第2等価回路
300 第3等価回路
400 絶対値回路(全波整流回路)
500 負荷回路
1 Power supply (DC voltage)
2 Inverter 3 Winding transformer 4 by non-contact power supply 4
500 Load circuit
Claims (8)
前記制御対象は、非線形要素としてダイオード整流回路を含んでおり、前記制御対象と同じ応答特性を有する、ダイオード整流回路を含むモデル回路を実装したスミス予測器を具備することを特徴とする無駄時間補償装置。 As a control object having a dead time, a dead time compensation device for maintaining the stability of the feedback control system in the controlled object,
The control target includes a diode rectifier circuit as the nonlinear element, the control to have the same response characteristics as target, dead time, characterized in that it comprises a Smith Predictor which implements the model circuit comprising a diode rectifier circuit Compensation device.
さらに前記取得した出力信号を、前記制御対象と同じ無駄時間要素に入力し、前記入力した無駄時間要素の出力信号と前記制御対象の出力信号の差分信号を、前記フィードバック制御系に負帰還させるものであることを特徴とする、請求項1または2に記載の無駄時間補償装置。 The model circuit receives the same signal as that to be controlled to acquire an output signal, negatively feeds back the acquired output signal to the feedback control system,
Further, the acquired output signal is input to the same dead time element as the control target, and the difference signal between the input dead time element output signal and the control target output signal is negatively fed back to the feedback control system. The dead time compensator according to claim 1 or 2 , characterized in that:
前記制御対象は、非線形要素としてダイオード整流回路を含んでおり、前記制御対象と同じ応答特性を有する、ダイオード整流回路を含むモデル回路を実装したスミス予測器を具備することを特徴とする無駄時間補償方法。 As a control object having a dead time, a dead time compensation method for maintaining the stability of the feedback control system in the controlled object,
The control target includes a diode rectifier circuit as the nonlinear element, the control to have the same response characteristics as target, dead time, characterized in that it comprises a Smith Predictor which implements the model circuit comprising a diode rectifier circuit Compensation method.
さらに前記取得した出力信号を、前記制御対象と同じ無駄時間要素に入力し、前記入力した無駄時間要素の出力信号と前記制御対象の出力信号の差分信号を、前記フィードバック制御系に負帰還させるものであることを特徴とする、請求項5または6に記載の無駄時間補償方法。 The model circuit receives the same signal as that to be controlled to acquire an output signal, negatively feeds back the acquired output signal to the feedback control system,
Further, the acquired output signal is input to the same dead time element as the control target, and the difference signal between the input dead time element output signal and the control target output signal is negatively fed back to the feedback control system. The dead time compensation method according to claim 5 or 6 , wherein:
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