JPH02241368A - コイル用電源の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、医療機器や加速器等の分野において、マグネ
ットやコイル等の誘導性負荷へ高精度で電流を供給する
コイル用電源の制御装置に関する。

（従来の技術） 第４図は、マグネット等のコイル用電源の制御回路の従
来例を示すものである。同図において、１は直流電源、
２はトランジスタ、ＧＴＯサイリスタ、ＭＯＳ−ＦＥＴ
等の半導体スイッチング素子Ｔ　ｕ　、　Ｔ　ｘとダイ
オードＤｕ、Ｄｘとからなる電圧形インバータの如き電
圧形電力変換器、３はマグネットを構成する負荷として
のコイルをそれぞれ示しており、直流電源１及び電力変
換器２によってコイル用電源５が構成されている。この
コイル用電源５では、直流電源１が発生する直流電圧を
電力変換器２によりスイッチング制御することにより、
コイル３に任意の正負電流を供給している。

コイル用電源５の制御装置１０’の構成及び作用を説明
すると、以下のとおりである。すなわち、電流検出器１
１により検出されたコイル用電源５の出力電流ｉと設定
電流ｉ１１との偏差が加算器１２により求められ、この
偏差は、これを零とするように機能する電流調節器１３
に入力される。この電流調節器１３の出力は、電力変換
器２の８力電圧指令λとして移相器１４に入力される。

この移相器１４において、出力電圧指令λは三角波また
は鋸歯状波の変調信号によりＰＷＭ変調されてパルス化
され、電力変換器２に対する基準ＯＮ／ＯＦＦ指令ａと
なる。

この基準０Ｎ１０　Ｆ　Ｆ指令ａは、パルス分配器１５
により電力変換器２のスイッチング素子Ｔ　ｕ　、　Ｔ
Ｘ用の各点弧パルスＰｕ、Ｐｘに分配され、これらの点
弧パルスはパルス増幅器１６により増幅されて電力変換
器２に送られる。そして、かかる点弧パルスＰ　ｕ、　
Ｐ　ｘのオン、オフ指令に基づいて電力変換器２が高周
波スイッチングを行い、出力平均電圧を調節して高精度
の電流制御を行っている。

なお、第４図においては、電力変換器２を便宜上、１上
下ア一ム分についてのみ示しているが、実際には第６図
に示すように単相回路であったり第７図のように三相回
路であるのが普通である。

これらの図において、２’、２’は電力変換器を、また
、５’、５’はコイル用電源をそれぞれ示している。

（発明が解決しようとする課題） 上記制御装置１０’において、点弧パルスＰｕ、Ｐｘを
発生するための移相器１４及びパルス分配器１５の動作
メカニズムを第５図に示す、すなわち、移相器１４にお
いては、電流調節器１３からの出力電圧指令λと三角波
または鋸歯状波の変調信号ｍとの切り合い比較を行い、
その大小に応じて電力変換器２の上側アームのスイッチ
ング素子Ｔｕまたは下側アームのスイッチング素子Ｔｘ
のどちらを点弧するべきかの基準ＯＮ／ＯＦＦ指令ａを
出力する。

パルス分配器１５では、上記指令ａから実際の点弧パル
スＰｕ、Ｐｘを生成するが、この際に上下アームの同時
点弧によるアーム短絡故障を避けるために、第５図に示
す如く点弧パルスＰ　ｕ、　Ｐ　ｘにデッドタイムｔｄ
を設けることが通常行われている。

このデッドタイムｔｄはこの種の電圧形電力変換器では
不可欠のものであるが、各スイッチング素子Ｔｕ、Ｔｘ
が点弧するべき本来のタイミングが基準ＯＮ／ＯＦＦ指
令ａに従ったものであるのに対し、上記デッドタイムｔ
ｄに起因して点弧パルスＰｕ、ＰｘはＯＮのタイミング
がずれたものとなる。この現象はコイル用電源５の出力
電流（電圧）の制御に悪影響をもたらし、特に高精度制
御を行う場合には誤差原因として大きな問題となる。こ
れを第８図ないし第１２図を参照して更に詳述する。

まず、第８図は第４図に示したコイル用型ｇ５による給
電回路であり、また、第９図は、第５図に加えてスイッ
チング素子ＴｕとダイオードＤｘとのオン、オフ状態及
びコイル用電源５の出力電圧Ｖを示したものである。い
ま、コイル用電源５の出力電流ｉの正方向を第８図の矢
印方向とし、コイル３のインダクタンスが大きいためス
イッチングの数サイクルにおいては電流値は変化しない
ものとする。

さて、コイル用電源５では、前述の如く生成された点弧
パルスＰｕ、Ｐｘによりスイッチング素子Ｔｕ、Ｔｘの
点消弧が行われるが、第８図では出方電流ｉが正方向で
あるため、実際に点弧し得るのは上アームのスイッチン
グ素子Ｔｕと下アームのダイオードＤｘのみであり（こ
のときの電流方向を第８図の矢印■、■で示す）、その
オン・オフタイミング及びオン・オフ期間は第９図の通
りとなる。

従って出力電圧Ｖは、これらのスイッチング素子Ｔｕ及
びダイオードＤｘのオン・オフ期間にそのまま対応して
図示のように変化する。このことがら明らかなように、
出力電流ｉが図示の正方向であるときには、スイッチン
グ素子Ｔｕのオン期間がデッドタイムｔｄの影響によっ
て本来のものよりも短くなるため、出力電圧Ｖの平均値
が低めになる。逆に、下アームのスイッチング素子Ｔｘ
と上アームのダイオードＤｕとがオン・オフする負方向
電流の場合には、ｔｄの影響によって出方電圧Ｖが高め
となることは容易に類推できる。

ところで、この種のコイル用電源の出力制御の面から言
えば、出力電圧Ｖは本来的に電流調節器１３からの出力
電圧指令λの大きさに比例して得られることが望ましい
。これは、出力電圧Ｖが基準○Ｎ１０　Ｆ　Ｆ指令ａの
波形と相似形になれば達成できることであるが、実際に
はデッドタイムｔｄにより前述のように誤差が生じ、出
力電圧指令λと出力電圧Ｖとの関係は第１０図の通りと
なる。ここで、−点鎖線で示すのが理想直線（曲線）Ｐ
工であるのに対し、出力電流の正負方向に応じてＰ２゜
Ｐ、のようにλとＶとがずれてしまう。また、第１１図
は出力電圧指令λと出力電流ｉとの関係を示しており、
Ｐｌは理想直線、Ｐ４は実際の特性線、λ。ｆはオフセ
ット電圧をそれぞれ表わしている。

以上の点に起因し、電流調節器１３がＰ（比例）調節器
であれば、設定電流ｉ１１と出方電流ｉとの関係は第１
２図の理想直線Ｐ８のようにはならず、誤差の生じた特
性線Ｐｒとなることがわかる。ここで、低出力領域では
ｉ　１１に対して電流のゲインを零としているが、実際
には様々な理由で多少のゲインを持つことが多く、その
場合には特性線Ｐｒが破線で示すような特性となる。

何れにしても、従来では低出力領域で極端にゲインが低
下することにより、出力電流主に誤差が生じるという不
都合があった。また、この誤差をなくすために電流調節
器１３としてＰＩ（比例積分）調節器を用いることも考
えられるが、出力電流ｉを変化させる際には積分項では
十分に補正しきれず、やはり過渡的に誤差が発生すると
いう問題があった。

本発明は上記問題点を解決するために提案されたもので
あり、その目的とするところは、上述したような上下ア
ーム短絡故障防止期間としてのデッドタイムｔｄに起因
した出力電流の誤差を除去して高精度な電流制御を可能
にしたコイル用電源の制御装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成する“ため、第１の発明は、直流電源と
、この直流電源による直流電力を交流電力に変換して負
荷コイルに交流電流を供給する電圧形電力変換器とから
なるコイル用電源を制御するための制御装置であって、
前記コイル用電源の出力電流と設定電流との偏差に基づ
き前記コイル用電源の出力電圧指令を生成する電流調節
器と、前記出力電圧指令に基づき前記電力変換器のスイ
ッチング素子に対するＯ　Ｎ１０　Ｆ　Ｆ指令を生成す
る移相器とを備えたコイル用電源の制御装置において、
前記電力変換器の上下アーム短絡防止期間に起因する前
記コイル用電源の出力電圧の変化を相殺するためのオフ
セット電圧を前記出力電流から求め、このオフセット電
圧を前記出力電圧指令に加算するオフセット補償回路を
備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、前記構成のコイル用電源の制御装
置において、前記設定電流を遅れ回路に入力して前記コ
イル用電源の出力電流を模擬すると共に、この出力電流
から求めた前記オフセット電圧を前記出力電圧指令に加
算するオフセット補償回路を備えたことを特徴とする。

（作用） 第１の発明によれば、コイル用電源の出力電流の極性に
応じて電流調節器からの出力電圧指令にオフセット電圧
が加算される。これにより、コイル用電源の出力電圧指
令に対して出力電圧及び出力電流が比例関係になり、上
下アーム短絡防止期間に起因する低出力領域での誤差が
解消されて高精度な電流制御が行なわれる。

また、第２の発明では、前記オフセット電圧を設定電流
に基づく出力電流の予測値から求めることにより、実際
の出力電流にリプルが含まれている場合にも電流極性の
判別に支障をきたすことがなく、第１の発明と同様に誤
差のない電流制御が可能となる。

（実施例） 以下、図に沿って本発明の詳細な説明する。

まず第１図は、第１の発明の一実施例の構成をコイル用
電源５及びコイル３と共に示したものであり、制御装置
１０は第４図の制御装置１０′にオフセット補償回路２
０を付加して構成されている。

すなわち、オフセット補償回路２０は、電流検出器１１
により検出された出力電流ｉの極性を判別する極性判別
回路１７と、この極性判別回路１７から出力される電流
極性に応じた±１の極性信号を、前記デッドタイムｔｄ
に起因して電流調節器１３に要求されるオフセット電圧
λｏｆの相当値に増幅して出力する比例アンプ１８と、
この比例アンプ１８からのオフセット電圧λｏｆを電流
調節器１３から出力される出力電圧指令λに加算する加
算器１９とから構成されている。

なお、直流電源１及び電圧形電力変換器２からなるコイ
ル用電源５、コイル３、制御装置１０内の他の構成要素
は第４図と同様であるため、重複を避けるために詳述を
省略する。ここで、前記同様に電力変換器２は単相、三
相の何れであってもよく、半導体スイッチング素子の種
類も図示例に何ら限定されるものではない。

次に、この動作を第２図を参照しつつ説明すると、この
実施例において、移相器１４の入力λ′とコイル用電源
５の出力電流ｉとの関係は、前述したように第２図（イ
）（第１１図に相当）に示すような非線形特性となるが
、極性判別回路１７及び比例アンプ１８を介して得られ
た第２図（ロ）に示す如きオフセット電圧λｏｆを、加
算器１９において電流調節器１３からの出力電圧指令λ
に加算することにより、出力電圧指令λと出力電流ｉと
の関係は第２図（ハ）に示すとおりとなる。すなわち、
出力電圧指令λと出力電流ｉとは線形（比例）関係とな
って前記デッドタイムｔｄに起因する誤差を解消するこ
とができる。

これにより、コイル用電源５からは出力電圧指令λに比
例した電圧Ｖを出力させることができ。

また、設定電流１８に一致する電流ｉを出力させること
が可能となる。

なお、移相器１４の入力λ′に対し、出力電流ｉが低出
力領域で零ゲインでなく多少ゲインを持つ場合には、前
記極性判別回路１７はこれに応じた高ゲインのアンプと
リミッタとで置き換えることが可能である。

次に、第３図は第２の発明の一実施例を示しており、こ
の発明は、以下の点に鑑みてなされたものである。

すなわち、上記第１の発明では、本来的に出力電流ｉの
低出力領域における極性判別が必要であるため、極性判
別回路１７としては高感度であることが要請される。し
かるに、このように極性判別回路１７を高感度にした場
合には、出力電流ｉにリプルが存在する場合に極性判別
回路１７が誤動作してしまい、場合によっては異常発振
現象を起こす恐れがある。よって第２の発明は、コイル
用電源５の出力電流ｉにリプルが存在する場合にも高精
度の電流制御を行なえるようにしたものである。

以下、第３図を参照しつつこの実施例の構成を説明する
と、第３図において第１図の実施例と異なるのはオフセ
ット補償回路２０Ａの構成である。

すなわち、オフセット補償回路２０Ａは、設定電流１１
に対する出力電流ｉの応答特性を模擬するための一次遅
れまたは二次遅れ要素からなる遅れ回路２１と、前記極
性判別回路１７及び比例アンプ１８と、比例アンプ１８
の出力であるオフセット電圧λｏｆを出力電圧指令λに
加算する加算器１９とから構成されている。なお、他の
構成は第１図においてオフセット補償回路２０を除いた
ものと同一である。

この動作を説明すると、本実施例において、設定電流ｉ
ＩＩを遅れ回路２１に入力した結果の出力はコイル用電
源５の出力電流ｉの予測値となる。この予測値は、前記
同様に極性判別回路１７において極性が判別され、±１
の極性信号に変換される。

この極性信号は、比例アンプ１８により前記デッドタイ
ムｔｄに起因して電流調節器１３に要求されるオフセッ
ト電圧λｏｆの相当値に増幅され、この電圧は加算器１
９によって電流調節器１３からの出力電圧指令λに加算
される。そして、この加算結果であるλ′が移相器１４
に入力されてＰＷＭ変調が行なわれ、以後、第１図の実
施例と同一の動作となる。

これにより、本実施例においても第２図（ハ）に示すよ
うな出力電流ｉ及び出力電圧指令λの線形特性を得るこ
とができる。

しかしてこの実施例においては、設定電流ｉｌ′に基づ
いてオフセット補償が行なわれるため、実際の出力電流
ｉにリプルが含まれていても極性判別回路１７が誤動作
する恐れがなく、異常発振等の問題を生じることがない
、なお、必要に応じて極性判別回路１７を高ゲインのア
ンプとリミッタとに置換可能であるのは、第１図の実施
例と同様である。

（発明の効果） 以上のように第１または第２の発明によれば、従来の制
御装置に電流極性判別回路や比例アンプ、加算器、更に
は必要に応じて遅れ回路等の簡易な回路を付加するだけ
で、コイル用電源の出力電圧指令に対する出力電圧及び
出力電流を比例関係にすることができる。

従って、上下アームの短絡防止のためのデッドタイムに
起因して従来存在していた低出力領域での出力電流の誤
差を解消することができ、コイル用電源の高精度な電流
制御を実現することが可能である。

また、特に第２の発明では、出力電流のりプルに影響さ
れない高精度な電流制御が可能である等の効果を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明の一実施例を示す回路図、第２図（
イ）〜（ハ）はその作用を説明するための特性図、第３
図は第２の発明の一実施例を示す回路図、第４図ないし
第１２図は従来技術を示すもので。 第４図は全体の回路図、第５図は第４図における点弧パ
ルス生成動作を示すタイミングチャート、第６図及び第
７図は主回路例を示す回路図、第８図は第４図に相当す
る回路図、第９図は第８図における点弧パルス生成動作
や出力電圧等を示すタイミングチャート、第１０図は出
力電圧指令と出力電圧との関係を示す特性図、第１１図
は出力電圧指令と出力電流との関係を示す特性図、第１
２図は設定電流と出力電流との関係を示す特性図である
。 １８・・・比例アンプ ２０　、２０Ａ・・・オフセット補償回路２１・・・遅
れ回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）直流電源と、この直流電源による直流電力を交流
   電力に変換して負荷コイルに交流電流を供給する電圧形
   電力変換器とからなるコイル用電源を制御するための制
   御装置であって、前記コイル用電源の出力電流と設定電
   流との偏差に基づき前記コイル用電源の出力電圧指令を
   生成する電流調節器と、前記出力電圧指令に基づき前記
   電力変換器のスイッチング素子に対するＯＮ／ＯＦＦ指
   令を生成する移相器とを備えたコイル用電源の制御装置
   において、 前記電力変換器の上下アーム短絡防止期間に起因する前
   記コイル用電源の出力電圧の変化を相殺するためのオフ
   セット電圧を前記出力電流から求め、このオフセット電
   圧を前記出力電圧指令に加算するオフセット補償回路を
   備えたことを特徴とするコイル用電源の制御装置。
2. （２）直流電源と、この直流電源による直流電力を交流
   電力に変換して負荷コイルに交流電流を供給する電圧形
   電力変換器とからなるコイル用電源を制御するための制
   御装置であって、前記コイル用電源の出力電流と設定電
   流との偏差に基づき前記コイル用電源の出力電圧指令を
   生成する電流調節器と、前記出力電圧指令に基づき前記
   電力変換器のスイッチング素子に対するＯＮ／ＯＦＦ指
   令を生成する移相器とを備えたコイル用電源の制御装置
   において、 前記設定電流を遅れ回路に入力して前記コイル用電源の
   出力電流を模擬すると共に、この出力電流から、前記電
   力変換器の上下アーム短絡防止期間に起因する前記コイ
   ル用電源の出力電圧の変化を相殺するためのオフセット
   電圧を求め、このオフセット電圧を前記出力電圧指令に
   加算するオフセット補償回路を備えたことを特徴とする
   コイル用電源の制御装置。