JP7805081B2 - electromagnetic power supply - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電磁石電源装置に関する。 An embodiment of the present invention relates to an electromagnetic power supply device.
ステップ状に変化する電流パターンに応じた電流を電磁石に供給する電圧形電力変換装置の電磁石電源装置が知られている。こうした電磁石電源装置において、2つのチョッパ回路を直列に接続することが行われている。一方のチョッパ回路は、電流指令値がステップ状に変化する期間に動作する。このチョッパ回路は、例えば、フォーシング回路などと呼ばれる。他方のチョッパ回路は、電流指令値が一定の期間に動作する。このチョッパ回路は、例えば、フラット維持回路などと呼ばれる。 Electromagnet power supplies for voltage-source power conversion devices are known that supply an electromagnet with a current that corresponds to a current pattern that changes in a stepwise manner. In such electromagnet power supplies, two chopper circuits are connected in series. One chopper circuit operates during the period when the current command value changes in a stepwise manner. This chopper circuit is called, for example, a forcing circuit. The other chopper circuit operates during the period when the current command value is constant. This chopper circuit is called, for example, a flat maintenance circuit.
このように、直列に接続された2つのチョッパ回路を設けることにより、電流指令値の変化に対する負荷電流の高い応答性を得ることができるとともに、一定の電流指令値に対して負荷電流を高精度に制御することができる。こうした電磁石電源装置は、例えば、医療用のスキャニング電磁石などに用いられる。 In this way, by providing two chopper circuits connected in series, it is possible to obtain high responsiveness of the load current to changes in the current command value, and to control the load current with high precision relative to a constant current command value. Such electromagnet power supply units are used, for example, in medical scanning electromagnets.
フォーシング回路及びフラット維持回路は、例えば、4つのスイッチング素子をフルブリッジ接続したフルブリッジ構成の変換器である。フォーシング回路及びフラット維持回路は、各スイッチング素子のスイッチングにより、正の極性の電流及び負の極性の電流を電磁石に対して供給可能とする。負の極性の電流は、正の極性の電流に対して逆向きに流れる電流である。 The forcing circuit and flat maintenance circuit are, for example, full-bridge converters with four switching elements connected in a full bridge configuration. The forcing circuit and flat maintenance circuit are capable of supplying positive and negative polarity currents to the electromagnet by switching each switching element. Negative polarity current flows in the opposite direction to positive polarity current.
フラット維持回路の各スイッチング素子のスイッチングの制御には、例えば、各スイッチング素子のオン状態及びオフ状態を周期的に変化させる、いわゆるPWM(Pulse Width Modulation)制御が用いられる。フラット維持回路は、各スイッチング素子のオン状態及びオフ状態の比率(デューティ比)を変化させることにより、電磁石に供給する電流が電流指令値に応じた一定の大きさとなるようにする。 To control the switching of each switching element in the flat maintenance circuit, for example, so-called PWM (Pulse Width Modulation) control is used, which periodically changes the on and off states of each switching element. By changing the ratio (duty ratio) of the on and off states of each switching element, the flat maintenance circuit ensures that the current supplied to the electromagnet remains constant according to the current command value.
上記のような電磁石電源装置において、フォーシング回路とフラット維持回路との切り替わりの周波数を数十kHzとするなど、比較的高速な動作を求められる場合がある。換言すれば、電流パターンの比較的高速な変化が求められる場合がある。こうした高速動作においては、特に、フォーシング回路からフラット維持回路への移行を高速かつ安定して行い、フラット維持回路での高精度な電流制御が重要となる。このため、高速動作を行うためには、フラット維持回路の各スイッチング素子のスイッチング周波数を高くする必要がある。 In electromagnetic power supply devices like those described above, relatively high-speed operation is sometimes required, such as switching between the forcing circuit and the flat maintenance circuit at a frequency of several tens of kHz. In other words, relatively high-speed changes in the current pattern are sometimes required. In such high-speed operation, it is particularly important to transition from the forcing circuit to the flat maintenance circuit quickly and stably, and to achieve highly accurate current control in the flat maintenance circuit. For this reason, in order to achieve high-speed operation, it is necessary to increase the switching frequency of each switching element in the flat maintenance circuit.
しかしながら、PWM制御を行う場合に、フラット維持回路の各スイッチング素子のスイッチング周波数を高くすると、各スイッチング素子の最小オン時間及びデッドタイムの影響が大きくなり、出力電流の制御性が低下してしまう可能性がある。例えば、出力電流の正側の最大値付近及び出力電流の負側の最大値付近において制御量の裕度がなくなり、電流指令値に応じた大きさの電流を電磁石に対して適切に供給することができなくなる可能性が生じてしまう。 However, when performing PWM control, increasing the switching frequency of each switching element in the flat maintenance circuit increases the impact of the minimum on-time and dead time of each switching element, potentially reducing the controllability of the output current. For example, there may be no margin for control near the maximum positive and negative values of the output current, making it impossible to properly supply a current of a magnitude corresponding to the current command value to the electromagnet.
このため、電磁石電源装置では、電流パターンが高速に変化する際にも、電磁石に供給する電流をより高精度に制御できるようにすることが望まれる。 For this reason, it is desirable for electromagnet power supply devices to be able to control the current supplied to the electromagnet with greater precision, even when the current pattern changes rapidly.
本発明の実施形態は、電流パターンが高速に変化する際にも、電磁石に供給する電流をより高精度に制御できる電磁石電源装置を提供する。 Embodiments of the present invention provide an electromagnet power supply device that can control the current supplied to the electromagnet with greater precision, even when the current pattern changes rapidly.
本発明の実施形態によれば、電磁石と接続され、ステップ状に変化する電流パターンに応じた電流を前記電磁石に供給する主回路部と、前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電流パターンの入力を受け、入力された前記電流パターンと、前記電流検出器の検出結果と、を基に、前記主回路部の動作を制御する制御部と、を備え、前記電流パターンは、前記電磁石に供給する電流の最大値と最小値との間のステップ状の変化を繰り返す周期的なパターンであり、前記主回路部は、前記電流パターンがステップ状に変化する期間に動作するフォーシング回路と、前記フォーシング回路と直列に接続され、前記電流パターンが一定の期間に動作するフラット維持回路と、を有し、前記フラット維持回路は、フルブリッジ接続された4つのスイッチング素子を有し、前記4つのスイッチング素子のうちの2つのスイッチング素子により、正の極性の電流を前記電磁石に供給可能であるとともに、前記4つのスイッチング素子のうちの残りの2つのスイッチング素子により、負の極性の電流を前記電磁石に供給可能であり、前記制御部は、前記フラット維持回路から前記電磁石に対して正の極性の電流を供給する場合に、前記電磁石に対して正の極性の電流を供給するための前記2つのスイッチング素子のオン状態及びオフ状態を所定の周期で切り替えるとともに、前記電流検出器の検出結果及び前記電流パターンを基に、オン状態及びオフ状態の比率を変化させ、かつ前記電磁石に対して負の極性の電流を供給するための前記2つのスイッチング素子を前記所定の周期の全ての期間においてオフ状態に設定することにより、前記電流パターンに応じた一定の正の極性の電流が前記電磁石に供給されるようにし、前記フラット維持回路から前記電磁石に対して負の極性の電流を供給する場合に、前記電磁石に対して負の極性の電流を供給するための前記2つのスイッチング素子のオン状態及びオフ状態を所定の周期で切り替えるとともに、前記電流検出器の検出結果及び電流パターンを基に、オン状態及びオフ状態の比率を変化させ、かつ前記電磁石に対して正の極性の電流を供給するための前記2つのスイッチング素子を前記所定の周期の全ての期間においてオフ状態に設定することにより、前記電流パターンに応じた一定の負の極性の電流が前記電磁石に供給されるようにする2象限制御を行う電磁石電源装置が提供される。 According to an embodiment of the present invention, a power supply includes a main circuit unit connected to an electromagnet and supplying the electromagnet with a current corresponding to a step-like changing current pattern; a current detector that detects the current flowing through the electromagnet; and a control unit that receives the current pattern and controls the operation of the main circuit unit based on the input current pattern and the detection result of the current detector. The current pattern is a periodic pattern in which the current supplied to the electromagnet repeatedly changes stepwise between maximum and minimum values. The main circuit unit includes a forcing circuit that operates during the period in which the current pattern changes stepwise, and a flat maintenance circuit that is connected in series with the forcing circuit and operates during a fixed period in which the current pattern changes stepwise. The flat maintenance circuit has four switching elements connected in a full bridge configuration, and two of the four switching elements are capable of supplying a positive polarity current to the electromagnet, and the remaining two of the four switching elements are capable of supplying a negative polarity current to the electromagnet. The control unit controls the flat maintenance circuit to supply a positive polarity current to the electromagnet. In this case, the two switching elements for supplying a positive polarity current to the electromagnet are switched between on and off states at a predetermined cycle, the ratio between on and off states is changed based on the detection results of the current detector and the current pattern, and the two switching elements for supplying a negative polarity current to the electromagnet are set to the off state for the entire period of the predetermined cycle, thereby supplying a constant positive polarity current to the electromagnet in accordance with the current pattern. When a negative polarity current is supplied to the electromagnet from the flat maintenance circuit, the two switching elements for supplying a negative polarity current to the electromagnet are switched between on and off states at a predetermined cycle, the ratio between on and off states is changed based on the detection results of the current detector and the current pattern, and the two switching elements for supplying a positive polarity current to the electromagnet are set to the off state for the entire period of the predetermined cycle, thereby supplying a constant negative polarity current to the electromagnet in accordance with the current pattern.
本発明の実施形態によれば、電流パターンが高速に変化する際にも、電磁石に供給する電流をより高精度に制御できる電磁石電源装置が提供される。 Embodiments of the present invention provide an electromagnet power supply device that can control the current supplied to the electromagnet with greater precision, even when the current pattern changes rapidly.
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between parts, etc. are not necessarily the same as those in reality. Furthermore, even when the same part is shown, the dimensions and ratios may be different depending on the drawing.
In the present specification and the drawings, elements similar to those described above with reference to the previous drawings are designated by the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted as appropriate.
図1は、実施形態に係る電磁石電源装置を模式的に表すブロック図である。
図1に表したように、電磁石電源装置10は、主回路部12と、制御部14と、を備える。主回路部12は、負荷である電磁石2と接続され、ステップ状に変化する電流パターンに応じた電流を電磁石2に供給する。主回路部12は、電流の供給により、電磁石2を動作させる。主回路部12は、例えば、電圧形の電力変換装置である。制御部14は、主回路部12の動作を制御する。制御部14は、より詳しくは、主回路部12による電磁石2への電流の供給の動作を制御する。
FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating an electromagnetic power supply device according to an embodiment.
As shown in Fig. 1, the electromagnet power supply device 10 includes a main circuit unit 12 and a control unit 14. The main circuit unit 12 is connected to an electromagnet 2, which is a load, and supplies a current to the electromagnet 2 according to a current pattern that changes stepwise. The main circuit unit 12 operates the electromagnet 2 by supplying the current. The main circuit unit 12 is, for example, a voltage-type power conversion device. The control unit 14 controls the operation of the main circuit unit 12. More specifically, the control unit 14 controls the operation of the main circuit unit 12 to supply current to the electromagnet 2.
主回路部12は、フォーシング回路16と、フラット維持回路18と、を有する。フラット維持回路18は、フォーシング回路16と直列に接続されている。フォーシング回路16は、電流パターン(電流指令値)がステップ状に変化する期間に動作する。フラット維持回路18は、電流パターン(電流指令値)が一定の期間に動作する。 The main circuit section 12 has a forcing circuit 16 and a flat maintenance circuit 18. The flat maintenance circuit 18 is connected in series with the forcing circuit 16. The forcing circuit 16 operates during periods when the current pattern (current command value) changes stepwise. The flat maintenance circuit 18 operates during periods when the current pattern (current command value) is constant.
フォーシング回路16の出力側には、例えば、リアクトル21、22が設けられる。フラット維持回路18の出力側には、例えば、リアクトル23、24が設けられる。リアクトル21~24は、例えば、リプル平滑用のリアクトルである。フラット維持回路18は、例えば、リアクトル22、23を介してフォーシング回路16と直列に接続される。フォーシング回路16及びフラット維持回路18(主回路部12)は、リアクトル21、24を介して電磁石2と接続される。 For example, reactors 21 and 22 are provided on the output side of the forcing circuit 16. For example, reactors 23 and 24 are provided on the output side of the flat maintenance circuit 18. Reactors 21 to 24 are, for example, reactors for smoothing ripple. The flat maintenance circuit 18 is connected in series with the forcing circuit 16 via reactors 22 and 23, for example. The forcing circuit 16 and flat maintenance circuit 18 (main circuit section 12) are connected to the electromagnet 2 via reactors 21 and 24.
電磁石電源装置10は、例えば、直流電源30と、直流電源40と、をさらに備える。フォーシング回路16は、負荷である電磁石2と接続されるとともに、直流電源30と接続されている。フォーシング回路16は、直流電源30から供給された直流電圧の電磁石2への供給、及び供給の停止を切り替えることにより、電磁石2に供給する電流をステップ状に変化させる動作を行う。主回路部12から電磁石2に供給する電流は、フォーシング回路16が直流電圧を出力している状態の時に、ステップ状に変化する。 The electromagnet power supply device 10 further includes, for example, a DC power supply 30 and a DC power supply 40. The forcing circuit 16 is connected to the electromagnet 2, which is a load, and also to the DC power supply 30. The forcing circuit 16 operates to change the current supplied to the electromagnet 2 in a step-like manner by switching between supplying and stopping the DC voltage supplied from the DC power supply 30 to the electromagnet 2. The current supplied from the main circuit unit 12 to the electromagnet 2 changes in a step-like manner when the forcing circuit 16 is outputting a DC voltage.
直流電源30は、例えば、変圧器31と、整流器32と、リアクトル33と、コンデンサ34と、を有する。整流器32は、変圧器31を介して交流電源4と接続されている。整流器32は、交流電源4から供給された交流電力を整流し、整流電力に変換する。リアクトル33及びコンデンサ34は、整流器32によって変換された整流電力を平滑化し、直流電力に変換する。これにより、直流電源30は、直流電力をフォーシング回路16に供給する。 The DC power supply 30 includes, for example, a transformer 31, a rectifier 32, a reactor 33, and a capacitor 34. The rectifier 32 is connected to the AC power supply 4 via the transformer 31. The rectifier 32 rectifies the AC power supplied from the AC power supply 4 and converts it into rectified power. The reactor 33 and capacitor 34 smooth the rectified power converted by the rectifier 32 and convert it into DC power. In this way, the DC power supply 30 supplies DC power to the forcing circuit 16.
フラット維持回路18は、負荷である電磁石2と接続されるとともに、直流電源40と接続されている。フラット維持回路18は、直流電源40から供給された直流電圧の電磁石2への供給、及び供給の停止を切り替えることにより、電磁石2に供給する電流を電流パターンの表す電流指令値に応じた一定の電流となるように制御する。 The flat maintenance circuit 18 is connected to the electromagnet 2, which serves as a load, and also to a DC power supply 40. The flat maintenance circuit 18 controls the current supplied to the electromagnet 2 to be a constant current according to the current command value represented by the current pattern by switching between supplying and stopping the DC voltage supplied from the DC power supply 40 to the electromagnet 2.
直流電源40は、例えば、変圧器41と、整流器42と、リアクトル43と、コンデンサ44と、を有する。直流電源40の構成は、直流電源30の構成と同様であるから、詳細な説明は省略する。これにより、直流電源40は、直流電力をフラット維持回路18に供給する。 The DC power supply 40 includes, for example, a transformer 41, a rectifier 42, a reactor 43, and a capacitor 44. The configuration of the DC power supply 40 is similar to that of the DC power supply 30, so a detailed description will be omitted. As a result, the DC power supply 40 supplies DC power to the flat maintenance circuit 18.
なお、直流電源30、40の構成は、上記に限ることなく、フォーシング回路16及びフラット維持回路18に直流電力を供給可能な任意の構成でよい。また、電磁石電源装置10は、必ずしも直流電源30、40を備えなくてもよい。フォーシング回路16及びフラット維持回路18は、外部の直流電源から直流電力の供給を受けてもよい。 The configuration of the DC power supplies 30, 40 is not limited to the above, and any configuration that can supply DC power to the forcing circuit 16 and the flat maintenance circuit 18 may be used. Furthermore, the electromagnet power supply device 10 does not necessarily have to include the DC power supplies 30, 40. The forcing circuit 16 and the flat maintenance circuit 18 may receive DC power from an external DC power supply.
図2は、主回路部を模式的に表す回路図である。
図2に表したように、フォーシング回路16は、フルブリッジ接続された4つのスイッチング素子50a~50dと、4つのスイッチング素子50a~50dのそれぞれに逆並列に接続された4つの整流素子52a~52dと、を有する。
FIG. 2 is a circuit diagram schematically showing the main circuit section.
As shown in FIG. 2, the forcing circuit 16 has four full-bridge-connected switching elements 50a to 50d and four rectifying elements 52a to 52d connected in anti-parallel to the four switching elements 50a to 50d, respectively.
同様に、フラット維持回路18は、フルブリッジ接続された4つのスイッチング素子54a~54dと、4つのスイッチング素子54a~54dのそれぞれに逆並列に接続された4つの整流素子56a~56dと、を有する。 Similarly, the flat maintenance circuit 18 has four full-bridge-connected switching elements 54a-54d and four rectifying elements 56a-56d connected in anti-parallel to each of the four switching elements 54a-54d.
フォーシング回路16及びフラット維持回路18は、換言すれば、チョッパ回路である。フォーシング回路16は、換言すれば、第1チョッパ回路であり、フラット維持回路18は、換言すれば、第2チョッパ回路である。 The forcing circuit 16 and the flat maintenance circuit 18 are, in other words, chopper circuits. The forcing circuit 16 is, in other words, the first chopper circuit, and the flat maintenance circuit 18 is, in other words, the second chopper circuit.
フォーシング回路16では、上側(ハイサイド側)のスイッチング素子50aと、下側(ローサイド側)のスイッチング素子50cと、の接続点、及び上側のスイッチング素子50bと、下側のスイッチング素子50dと、の接続点が、それぞれ一対の出力点16a、16bとなる。同様に、フラット維持回路18では、上側のスイッチング素子54aと、下側のスイッチング素子54cと、の接続点、及び上側のスイッチング素子54bと、下側のスイッチング素子54dと、の接続点が、それぞれ一対の出力点18a、18bとなる。 In the forcing circuit 16, the connection point between the upper (high-side) switching element 50a and the lower (low-side) switching element 50c, and the connection point between the upper switching element 50b and the lower switching element 50d, respectively, form a pair of output points 16a and 16b. Similarly, in the flat maintenance circuit 18, the connection point between the upper switching element 54a and the lower switching element 54c, and the connection point between the upper switching element 54b and the lower switching element 54d, respectively, form a pair of output points 18a and 18b.
フラット維持回路18の出力点18aは、リアクトル22、23を介してフォーシング回路16の出力点16bと接続される。これにより、フラット維持回路18の出力側が、フォーシング回路16の出力側と直列に接続される。フォーシング回路16の出力点16aは、リアクトル21を介して電磁石2の一端と接続される。フラット維持回路18の出力点18bは、リアクトル24を介して電磁石2の他端と接続される。これにより、直列に接続されたフォーシング回路16及びフラット維持回路18の出力側が、電磁石2と接続され、フォーシング回路16及びフラット維持回路18から出力された電力が、電磁石2に供給される。 Output point 18a of flat maintenance circuit 18 is connected to output point 16b of forcing circuit 16 via reactors 22 and 23. This connects the output side of flat maintenance circuit 18 in series with the output side of forcing circuit 16. Output point 16a of forcing circuit 16 is connected to one end of electromagnet 2 via reactor 21. Output point 18b of flat maintenance circuit 18 is connected to the other end of electromagnet 2 via reactor 24. This connects the output sides of forcing circuit 16 and flat maintenance circuit 18, which are connected in series, with electromagnet 2, and power output from forcing circuit 16 and flat maintenance circuit 18 is supplied to electromagnet 2.
各スイッチング素子50a~50d、54a~54dは、一対の主端子と、制御端子と、を有する。各スイッチング素子50a~50d、54a~54dは、制御端子に入力された電圧に応じて、一対の主端子間に電流を流すオン状態と、一対の主端子間に流れる電流を遮断するオフ状態と、を切り替える。なお、オフ状態は、主端子間に流れる電流を完全に遮断する状態に限ることなく、主回路部12の動作に影響が無い範囲の微弱な電流が主端子間に流れる状態でもよい。オン状態は、換言すれば、主端子間に電流が流れる第1状態であり、オフ状態は、換言すれば、主端子間に電流が流れる第1状態よりも小さい第2状態である。 Each switching element 50a-50d, 54a-54d has a pair of main terminals and a control terminal. Depending on the voltage input to the control terminal, each switching element 50a-50d, 54a-54d switches between an ON state, in which current flows between the pair of main terminals, and an OFF state, in which current is blocked between the pair of main terminals. The OFF state does not necessarily have to be a state in which current flow between the main terminals is completely blocked, but may also be a state in which a weak current flows between the main terminals to the extent that it does not affect the operation of the main circuit unit 12. The ON state is, in other words, a first state in which current flows between the main terminals, and the OFF state is, in other words, a second state in which current flows between the main terminals in a smaller amount than in the first state.
各スイッチング素子50a~50d、54a~54dには、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの自励式の半導体スイッチング素子が用いられる。但し、各スイッチング素子50a~50d、54a~54dは、これに限ることなく、オン状態及びオフ状態の切り替えを制御可能な任意のスイッチング素子でよい。 Each of the switching elements 50a-50d, 54a-54d is a self-excited semiconductor switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). However, the switching elements 50a-50d, 54a-54d are not limited to this and may be any switching element that can be controlled to switch between an on state and an off state.
フルブリッジ回路のフォーシング回路16及びフラット維持回路18では、各スイッチング素子50a~50d、54a~54dのスイッチングにより、電磁石2に供給する電流の向きを制御することができる。フォーシング回路16及びフラット維持回路18は、各スイッチング素子50a~50d、54a~54dのスイッチングにより、正の極性の電流及び負の極性の電流を電磁石2に対して供給可能とする。 The forcing circuit 16 and flat maintenance circuit 18 of the full-bridge circuit can control the direction of the current supplied to the electromagnet 2 by switching each of the switching elements 50a-50d, 54a-54d. The forcing circuit 16 and flat maintenance circuit 18 can supply positive and negative polarity currents to the electromagnet 2 by switching each of the switching elements 50a-50d, 54a-54d.
フラット維持回路18において、スイッチング素子54aは、換言すれば、第1上側スイッチング素子である。スイッチング素子54bは、換言すれば、第1下側スイッチング素子である。スイッチング素子54cは、換言すれば、第2上側スイッチング素子である。スイッチング素子54dは、換言すれば、第2下側スイッチング素子である。例えば、スイッチング素子54aは、U相のスイッチング素子、スイッチング素子54bは、X相のスイッチング素子、スイッチング素子54cは、V相のスイッチング素子、スイッチング素子54dは、Y相のスイッチング素子などと呼ばれる場合もある。 In the flat maintenance circuit 18, switching element 54a is, in other words, the first upper switching element. Switching element 54b is, in other words, the first lower switching element. Switching element 54c is, in other words, the second upper switching element. Switching element 54d is, in other words, the second lower switching element. For example, switching element 54a may be called the U-phase switching element, switching element 54b the X-phase switching element, switching element 54c the V-phase switching element, and switching element 54d the Y-phase switching element.
スイッチング素子54aの一方の主端子は、直流電源40(コンデンサ44)の高電位側の端子と接続されている。スイッチング素子54aの他方の主端子は、スイッチング素子54bの一方の主端子と接続されている。スイッチング素子54bの他方の主端子は、直流電源40(コンデンサ44)の低電位側の端子と接続されている。スイッチング素子54cの一方の主端子は、直流電源40(コンデンサ44)の高電位側の端子と接続されている。スイッチング素子54cの他方の主端子は、スイッチング素子54dの一方の主端子と接続されている。スイッチング素子54dの他方の主端子は、直流電源40(コンデンサ44)の低電位側の端子と接続されている。 One main terminal of switching element 54a is connected to the high-potential terminal of the DC power supply 40 (capacitor 44). The other main terminal of switching element 54a is connected to one main terminal of switching element 54b. The other main terminal of switching element 54b is connected to the low-potential terminal of the DC power supply 40 (capacitor 44). One main terminal of switching element 54c is connected to the high-potential terminal of the DC power supply 40 (capacitor 44). The other main terminal of switching element 54c is connected to one main terminal of switching element 54d. The other main terminal of switching element 54d is connected to the low-potential terminal of the DC power supply 40 (capacitor 44).
スイッチング素子54a、54bは、直列に接続され、フルブリッジ回路の一方のレグを構成する。スイッチング素子54c、54dは、直列に接続されるとともに、スイッチング素子54a、54bと並列に接続され、フルブリッジ回路の他方のレグを構成する。 Switching elements 54a and 54b are connected in series and form one leg of a full-bridge circuit. Switching elements 54c and 54d are connected in series and in parallel with switching elements 54a and 54b and form the other leg of the full-bridge circuit.
これにより、フラット維持回路18では、スイッチング素子54aとスイッチング素子54dとをオン状態とし、スイッチング素子54bとスイッチング素子54cとをオフ状態とすることで、正の極性の電流を電磁石2に対して供給することができる。そして、スイッチング素子54bとスイッチング素子54cとをオン状態とし、スイッチング素子54aとスイッチング素子54dとをオフ状態とすることで、負の極性の電流を電磁石2に対して供給することができる。 As a result, in the flat maintenance circuit 18, by turning on switching elements 54a and 54d and turning off switching elements 54b and 54c, a positive polarity current can be supplied to the electromagnet 2. By turning on switching elements 54b and 54c and turning off switching elements 54a and 54d, a negative polarity current can be supplied to the electromagnet 2.
このように、フラット維持回路18は、フルブリッジ接続された4つのスイッチング素子54a~54dのうちの2つのスイッチング素子54a、54dにより、正の極性の電流を電磁石2に供給可能であるとともに、4つのスイッチング素子54a~54dのうちの残りの2つのスイッチング素子54b、54cにより、負の極性の電流を電磁石2に供給可能である。 In this way, the flat maintenance circuit 18 can supply positive polarity current to the electromagnet 2 using two of the four full-bridge-connected switching elements 54a to 54d, namely, switching elements 54a and 54d, and can supply negative polarity current to the electromagnet 2 using the remaining two of the four switching elements 54a to 54d, namely, switching elements 54b and 54c.
フォーシング回路16の構成は、フラット維持回路18の構成と同様である。但し、フォーシング回路16及びフラット維持回路18の構成は、上記に限ることなく、フルブリッジ接続された4つのスイッチング素子を少なくとも有し、電磁石2に対してステップ状に変化する電流パターンに応じた電流を適切に供給することが可能な任意の構成でよい。フォーシング回路16及びフラット維持回路18は、例えば、直列又は並列に接続された複数のスイッチング素子によって各アームを構成することにより、高い電圧や大きな電流に対応できるようにしてもよい。フォーシング回路16の構成は、必ずしもフラット維持回路18の構成と同じでなくてもよい。 The configuration of the forcing circuit 16 is the same as that of the flat maintenance circuit 18. However, the configurations of the forcing circuit 16 and the flat maintenance circuit 18 are not limited to the above and may be any configuration that has at least four full-bridge connected switching elements and is capable of appropriately supplying current to the electromagnet 2 in accordance with a current pattern that changes stepwise. The forcing circuit 16 and the flat maintenance circuit 18 may be able to handle high voltages and large currents, for example, by configuring each arm with multiple switching elements connected in series or parallel. The configuration of the forcing circuit 16 does not necessarily have to be the same as that of the flat maintenance circuit 18.
制御部14は、例えば、各スイッチング素子50a~50d、54a~54dのそれぞれの制御端子と接続され、各スイッチング素子50a~50d、54a~54dのそれぞれのオン状態及びオフ状態の切り替えを制御することにより、フォーシング回路16及びフラット維持回路18の動作を制御する。 The control unit 14 is connected, for example, to the control terminals of each of the switching elements 50a-50d, 54a-54d, and controls the operation of the forcing circuit 16 and the flat maintenance circuit 18 by controlling the switching between the on and off states of each of the switching elements 50a-50d, 54a-54d.
制御部14は、フォーシング回路16の各スイッチング素子50a~50dのそれぞれのオン状態及びオフ状態の切り替えを制御することにより、電磁石2に供給する電流をステップ状に変化させる動作を制御する。 The control unit 14 controls the switching between the on and off states of each of the switching elements 50a to 50d in the forcing circuit 16, thereby controlling the operation of changing the current supplied to the electromagnet 2 in a stepwise manner.
また、制御部14は、電流パターンがステップ状に変化する期間の時に、電圧を出力する出力動作をフォーシング回路16に行わせるとともに、電流パターンが一定の期間の時に、出力側を導通(バイパス)させて電圧の出力を停止する停止動作をフォーシング回路16に行わせる。出力動作は、換言すれば、フォーシング動作である。 In addition, the control unit 14 causes the forcing circuit 16 to perform an output operation that outputs a voltage during a period in which the current pattern changes stepwise, and also causes the forcing circuit 16 to perform a stop operation that stops the voltage output by making the output side conductive (bypass) during a period in which the current pattern is constant. The output operation is, in other words, a forcing operation.
この例では、上側のスイッチング素子50a、50cをオン状態とし、下側のスイッチング素子50b、50dをオフ状態とするか、反対に、上側のスイッチング素子50a、50cをオフ状態とし、下側のスイッチング素子50b、50dをオン状態とすることにより、一対の出力点16a、16bの間を導通させた状態とすることができる。 In this example, the pair of output points 16a, 16b can be brought into a conductive state by turning on the upper switching elements 50a, 50c and turning off the lower switching elements 50b, 50d, or conversely, turning off the upper switching elements 50a, 50c and turning on the lower switching elements 50b, 50d.
制御部14は、フラット維持回路18の各スイッチング素子54a~54dのそれぞれのオン状態及びオフ状態の切り替えを制御することにより、電流パターンが一定の期間の時に、電磁石2に供給する電流を電流パターンに応じた一定の電流となるように制御する。制御部14は、例えば、各スイッチング素子54a~54dのそれぞれのオン状態及びオフ状態を高速に切り替えることにより、電磁石2に供給する電流を電流パターンに応じた一定の電流となるように制御する。制御部14は、例えば、フラット維持回路18に対してACR(Auto Current Regulator)制御を行うことにより、電磁石2に供給する電流を電流パターンに応じた一定の電流となるように制御する。 The control unit 14 controls the on/off switching of each of the switching elements 54a-54d of the flat maintenance circuit 18, thereby controlling the current supplied to the electromagnet 2 to be a constant current corresponding to the current pattern when the current pattern is for a fixed period. The control unit 14 controls the current supplied to the electromagnet 2 to be a constant current corresponding to the current pattern, for example, by quickly switching the on/off states of each of the switching elements 54a-54d. The control unit 14 controls the current supplied to the electromagnet 2 to be a constant current corresponding to the current pattern, for example, by performing ACR (Auto Current Regulator) control on the flat maintenance circuit 18.
図1に表したように、電磁石電源装置10は、例えば、電流検出器60をさらに備える。電流検出器60は、電磁石2に流れる電流を検出し、検出結果を制御部14に入力する。 As shown in FIG. 1, the electromagnet power supply device 10 further includes, for example, a current detector 60. The current detector 60 detects the current flowing through the electromagnet 2 and inputs the detection result to the control unit 14.
図3(a)及び図3(b)は、制御部の動作の一例を模式的に表すグラフである。
図3(a)は、制御部14に入力される電流パターンの一例、及び主回路部12から電磁石2に供給される出力電流の一例を模式的に表している。図3(b)は、図3(a)の破線で囲んだ部分を拡大して表している。
3A and 3B are graphs that schematically show an example of the operation of the control unit.
Fig. 3(a) schematically shows an example of a current pattern input to the control unit 14 and an example of an output current supplied from the main circuit unit 12 to the electromagnet 2. Fig. 3(b) shows an enlarged view of the area surrounded by the dashed line in Fig. 3(a).
図3(a)及び図3(b)に表したように、制御部14には、ステップ状に変化する電流パターンが入力される。電流パターンは、電磁石2に供給する電流の最大値と最小値との間のステップ状の変化を繰り返す周期的なパターンである。電流パターンは、例えば、電磁石2に供給する電流の最小値から最大値に向かってステップ状に変化し、最大値から最小値に向かってステップ状に変化することを繰り返す。また、電流パターンは、例えば、電磁石2に供給する電流の向きを正側及び負側に変化させる。電磁石2に供給する電流の最大値は、換言すれば、正側の最大値であり、電磁石2に供給する電流の最小値は、換言すれば、負側の最大値である。電流パターンの周波数は、例えば、数kHz(1kHz以上)である。電流パターンの周波数は、換言すれば、最大値から次の最大値までの周期の逆数である。 As shown in Figures 3(a) and 3(b), a current pattern that changes in a stepwise manner is input to the control unit 14. The current pattern is a periodic pattern that repeats a stepwise change between the maximum and minimum values of the current supplied to the electromagnet 2. For example, the current pattern repeats a stepwise change from the minimum value of the current supplied to the electromagnet 2 to the maximum value, and then a stepwise change from the maximum value to the minimum value. Furthermore, the current pattern, for example, changes the direction of the current supplied to the electromagnet 2 between the positive and negative sides. The maximum value of the current supplied to the electromagnet 2 is, in other words, the maximum value on the positive side, and the minimum value of the current supplied to the electromagnet 2 is, in other words, the maximum value on the negative side. The frequency of the current pattern is, for example, several kHz (1 kHz or more). In other words, the frequency of the current pattern is the reciprocal of the period from the maximum value to the next maximum value.
電流パターンは、例えば、上位のコントローラなどから通信を介して制御部14に随時入力される。換言すれば、制御部14は、上位のコントローラなどの外部機器と通信を行うことにより、外部機器から電流パターンの入力を受ける。電流パターンは、換言すれば、電磁石2に供給する電流の大きさを表す電流指令値である。制御部14は、換言すれば、外部機器と通信を行うことにより、外部機器から電流指令値の入力を受ける。 The current pattern is input to the control unit 14 as needed, for example, via communication from a higher-level controller. In other words, the control unit 14 receives the current pattern input from an external device such as a higher-level controller by communicating with the external device. The current pattern is, in other words, a current command value that indicates the magnitude of the current to be supplied to the electromagnet 2. In other words, the control unit 14 receives the current command value input from the external device by communicating with the external device.
電流パターン(電流指令値)は、例えば、制御部14に予め入力しておき、制御部14の記憶部や、制御部14に接続された別の記憶部などに記憶させておいてもよい。制御部14への電流パターンの入力方法は、上記に限ることなく、制御部14に対して電流パターンを適切に入力可能な任意の方法でよい。 The current pattern (current command value) may be input to the control unit 14 in advance and stored in a memory unit of the control unit 14 or in another memory unit connected to the control unit 14, for example. The method of inputting the current pattern to the control unit 14 is not limited to the above, and any method that can appropriately input the current pattern to the control unit 14 may be used.
制御部14は、入力された電流パターンと、電流検出器60の検出結果と、を基に、主回路部12(フォーシング回路16及びフラット維持回路18)の動作を制御する。 The control unit 14 controls the operation of the main circuit unit 12 (forcing circuit 16 and flat maintenance circuit 18) based on the input current pattern and the detection results of the current detector 60.
制御部14は、電流パターンが一定の期間においては、出力側を導通させる停止動作をフォーシング回路16に行わせるとともに、電流検出器60の検出結果を基に、電磁石2に供給する電流が電流パターンに応じた一定の電流となるように、フラット維持回路18の動作を制御する。 The control unit 14 causes the forcing circuit 16 to perform a stop operation to turn on the output side during periods when the current pattern is constant, and controls the operation of the flat maintenance circuit 18 based on the detection results of the current detector 60 so that the current supplied to the electromagnet 2 is a constant current according to the current pattern.
図3(a)に表したように、電磁石2に供給する電流の極性を変化させる場合、制御部14は、電磁石2に対して正の極性の電流を供給する場合と、電磁石2に対して負の極性の電流を供給する場合と、で、フラット維持回路18から出力する電圧の極性を変化させる。 As shown in Figure 3(a), when changing the polarity of the current supplied to the electromagnet 2, the control unit 14 changes the polarity of the voltage output from the flat maintenance circuit 18 depending on whether a positive polarity current is supplied to the electromagnet 2 or a negative polarity current is supplied to the electromagnet 2.
図4は、制御部の動作の一例を模式的に表すグラフである。
図3(a)、図3(b)、及び図4に表したように、制御部14は、電流パターンがステップ状に変化した際に、電圧を出力する出力動作をフォーシング回路16に行わせる。制御部14は、電磁石2に供給する電流が電流パターンよりも低い場合と、電磁石2に供給する電流が電流パターンよりも高い場合と、で、フォーシング回路16から出力する電圧の極性を変化させる。制御部14は、例えば、電磁石2に対して供給している電流が電流パターンよりも低く、電磁石2に供給する電流を目標電流値に向けて上昇させる場合に、フォーシング回路16から正の極性の電圧を出力させる。そして、制御部14は、例えば、電磁石2に対して供給している電流が電流パターンよりも高く、電磁石2に供給する電流を目標電流値に向けて低下させる場合に、フォーシング回路16から負の極性の電圧を出力させる。
FIG. 4 is a graph schematically showing an example of the operation of the control unit.
3A, 3B, and 4, the control unit 14 causes the forcing circuit 16 to perform an output operation to output a voltage when the current pattern changes stepwise. The control unit 14 changes the polarity of the voltage output from the forcing circuit 16 when the current supplied to the electromagnet 2 is lower than the current pattern and when the current supplied to the electromagnet 2 is higher than the current pattern. For example, when the current supplied to the electromagnet 2 is lower than the current pattern and the current supplied to the electromagnet 2 is to be increased toward a target current value, the control unit 14 causes the forcing circuit 16 to output a voltage of positive polarity. On the other hand, when the current supplied to the electromagnet 2 is higher than the current pattern and the current supplied to the electromagnet 2 is to be decreased toward a target current value, the control unit 14 causes the forcing circuit 16 to output a voltage of negative polarity.
なお、フォーシング回路16に出力動作を行わせる場合、フラット維持回路18は、電磁石2に供給する電流を一定に制御する動作を継続させてもよいし、出力側を導通させる停止動作を行わせてもよい。 When the forcing circuit 16 is caused to perform an output operation, the flat maintenance circuit 18 may continue to control the current supplied to the electromagnet 2 to a constant level, or may perform a stop operation to keep the output side conductive.
図3(b)及び図4では、フォーシング回路16に出力動作を行わせるフォーシングオン期間を矢線の(1)の期間、フラット維持回路18に電流を一定に制御する動作を行わせるフラット動作期間を矢線の(2)の期間で表している。なお、図3(b)では、電流パターンの変化のタイミングからフォーシング回路16を動作させるタイミングまでの応答遅れを考慮し、フォーシングオン期間の開始のタイミングを電流パターンの変化のタイミングよりも少し遅らせた状態で図示している。 In Figures 3(b) and 4, the forcing-on period during which the forcing circuit 16 performs output operation is represented by the period indicated by arrow (1), and the flat operation period during which the flat maintenance circuit 18 performs operation to control the current to a constant level is represented by the period indicated by arrow (2). Note that in Figure 3(b), the timing of the start of the forcing-on period is shown slightly delayed from the timing of the change in the current pattern, taking into account the response delay between the timing of the change in the current pattern and the timing of the operation of the forcing circuit 16.
制御部14は、フォーシング回路16に出力動作を行わせた後、電流パターンの表す目標電流値と電流検出器60によって検出された現在の出力電流値との差分を表す電流偏差が、所定の閾値に到達するタイミングで、フォーシング回路16を出力動作から停止動作に切り替える。換言すれば、制御部14は、電流偏差が所定の閾値に到達するタイミングで、フォーシングオン期間からフラット動作期間に切り替える。制御部14は、換言すれば、電磁石2に供給される電流が目標電流値に到達するタイミングで、フォーシング回路16を出力動作から停止動作に切り替える。 After causing the forcing circuit 16 to perform an output operation, the control unit 14 switches the forcing circuit 16 from an output operation to a stop operation when the current deviation, which represents the difference between the target current value represented by the current pattern and the current output current value detected by the current detector 60, reaches a predetermined threshold. In other words, the control unit 14 switches from the forcing-on period to the flat operation period when the current deviation reaches a predetermined threshold. In other words, the control unit 14 switches the forcing circuit 16 from an output operation to a stop operation when the current supplied to the electromagnet 2 reaches the target current value.
閾値は、目標電流値に応じて偏差0に設定してもよいし、フォーシング回路16の動作の遅れなどにともなう電流偏差のオーバーシュート(アンダーシュート)などを考慮し、早めに停止動作に切り替えるように設定してもよい。例えば、図4に表したように、フォーシング回路16を出力動作から停止動作に切り替える際に、電流偏差を所定の範囲内に収めることが求められる場合がある。所定の範囲は、例えば、定格電流値の±0.1%以内の範囲である。定格電流値とは、フォーシング回路16が出力動作を行った時に電磁石2に供給される電流である。このような場合には、電流偏差のオーバーシュートなどを考慮し、電流偏差が所定の範囲内に収まるように、閾値を適宜設定すればよい。 The threshold value may be set to zero deviation based on the target current value, or may be set to switch to a stopping operation early, taking into account overshoot (undershoot) of the current deviation due to delays in the operation of the forcing circuit 16. For example, as shown in Figure 4, when switching the forcing circuit 16 from output operation to stopping operation, it may be necessary to keep the current deviation within a specified range. The specified range is, for example, within ±0.1% of the rated current value. The rated current value is the current supplied to the electromagnet 2 when the forcing circuit 16 performs an output operation. In such cases, the threshold value may be set appropriately, taking into account overshoot of the current deviation, so that the current deviation falls within the specified range.
図5(a)~図5(d)は、主回路部及び制御部の動作の一例を模式的に表すタイミングチャートである。
図5(a)は、フラット維持回路18のスイッチング素子54aの動作の一例を表す。
図5(b)は、フラット維持回路18のスイッチング素子54bの動作の一例を表す。
図5(c)は、フラット維持回路18のスイッチング素子54cの動作の一例を表す。
図5(d)は、フラット維持回路18のスイッチング素子54dの動作の一例を表す。
5(a) to 5(d) are timing charts that schematically show an example of the operation of the main circuit section and the control section.
FIG. 5A shows an example of the operation of the switching element 54 a of the flat maintenance circuit 18 .
FIG. 5B shows an example of the operation of the switching element 54 b of the flat maintenance circuit 18 .
FIG. 5C shows an example of the operation of the switching element 54 c of the flat maintenance circuit 18 .
FIG. 5D shows an example of the operation of the switching element 54d of the flat maintenance circuit 18.
図5(a)~図5(d)では、各スイッチング素子54a~54dのオン状態を電圧の高い状態、各スイッチング素子54a~54dのオフ状態を電圧の低い状態として示している。図5(a)~図5(d)は、換言すれば、制御部14から各スイッチング素子54a~54dのそれぞれの制御端子に入力する制御信号の一例を模式的に表す。各スイッチング素子54a~54dは、例えば、制御端子に入力された制御信号の電圧の高い状態の時にオン状態となり、制御端子に入力された制御信号の電圧の低い状態の時にオフ状態となる。 In Figures 5(a) to 5(d), the on state of each switching element 54a to 54d is shown as a high voltage state, and the off state of each switching element 54a to 54d is shown as a low voltage state. In other words, Figures 5(a) to 5(d) schematically show an example of a control signal input from the control unit 14 to the control terminal of each switching element 54a to 54d. Each switching element 54a to 54d is in the on state when the voltage of the control signal input to the control terminal is high, and in the off state when the voltage of the control signal input to the control terminal is low.
図5(a)~図5(d)は、フラット維持回路18から電磁石2に対して正の極性の電流を供給する場合の動作の一例を模式的に表す。図5(a)~図5(d)に表したように、フラット維持回路18から電磁石2に対して正の極性の電流を供給する場合、制御部14は、電磁石2に対して正の極性の電流を供給するための2つのスイッチング素子54a、54dのオン状態及びオフ状態を所定の周期Tで切り替えるとともに、電流検出器60の検出結果及び電流パターンを基に、オン状態及びオフ状態の比率(デューティ比)を変化させることにより、電流パターンに応じた一定の正の極性の電流が電磁石2に供給されるようにする。また、フラット維持回路18から電磁石2に対して正の極性の電流を供給する場合、制御部14は、電磁石2に対して負の極性の電流を供給するための2つのスイッチング素子54b、54cを所定の周期Tの全ての期間においてオフ状態に設定する。 Figures 5(a) to 5(d) schematically show an example of operation when a positive current is supplied from the flat maintenance circuit 18 to the electromagnet 2. As shown in Figures 5(a) to 5(d), when a positive current is supplied from the flat maintenance circuit 18 to the electromagnet 2, the control unit 14 switches the on and off states of two switching elements 54a and 54d, which supply a positive current to the electromagnet 2, at a predetermined period T, and changes the ratio (duty ratio) between the on and off states based on the detection results of the current detector 60 and the current pattern, so that a constant positive current corresponding to the current pattern is supplied to the electromagnet 2. Furthermore, when a positive current is supplied from the flat maintenance circuit 18 to the electromagnet 2, the control unit 14 sets the two switching elements 54b and 54c, which supply a negative current to the electromagnet 2, to the off state for the entire period of the predetermined period T.
フラット維持回路18から電磁石2に対して負の極性の電流を供給する場合、制御部14は、上記と反対に、電磁石2に対して負の極性の電流を供給するための2つのスイッチング素子54b、54cのオン状態及びオフ状態を所定の周期Tで切り替えるとともに、電流検出器60の検出結果及び電流パターンを基に、オン状態及びオフ状態の比率を変化させることにより、電流パターンに応じた一定の負の極性の電流が電磁石2に供給されるようにする。そして、フラット維持回路18から電磁石2に対して負の極性の電流を供給する場合、制御部14は、電磁石2に対して正の極性の電流を供給するための2つのスイッチング素子54a、54dを所定の周期Tの全ての期間においてオフ状態に設定する。 When supplying a negative polarity current from the flat maintenance circuit 18 to the electromagnet 2, the control unit 14, in contrast to the above, switches the on and off states of the two switching elements 54b, 54c for supplying a negative polarity current to the electromagnet 2 at a predetermined cycle T, and changes the ratio of the on and off states based on the detection results of the current detector 60 and the current pattern, so that a constant negative polarity current according to the current pattern is supplied to the electromagnet 2. When supplying a negative polarity current from the flat maintenance circuit 18 to the electromagnet 2, the control unit 14 sets the two switching elements 54a, 54d for supplying a positive polarity current to the electromagnet 2 to the off state for the entire period of the predetermined cycle T.
このように、制御部14は、電磁石2に供給する電流の極性に応じて、フラット維持回路18のフルブリッジ接続された4つのスイッチング素子54a~54dのうちの2つのスイッチング素子のオン状態及びオフ状態の切り替えを行い、残り2つのスイッチング素子をオフ状態のままとする。このような制御は、例えば、2象限制御方式(2象限ゲート方式)などと呼ばれる場合がある。制御部14は、フラット維持回路18に対して2象限制御を行う。 In this way, the control unit 14 switches two of the four full-bridge-connected switching elements 54a-54d of the flat maintenance circuit 18 between the on and off states depending on the polarity of the current supplied to the electromagnet 2, and leaves the remaining two switching elements in the off state. This type of control is sometimes called, for example, a two-quadrant control method (two-quadrant gate method). The control unit 14 performs two-quadrant control on the flat maintenance circuit 18.
上記のフラット維持回路18の制御において、各スイッチング素子54a~54dのスイッチング周波数は、電流パターンの周波数よりも高い。例えば、電流パターンの周波数が、数kHzである場合、各スイッチング素子54a~54dのスイッチング周波数は、数十kHzに設定される。各スイッチング素子54a~54dのスイッチング周波数は、例えば、電流パターンの周波数の10倍以上に設定される。これにより、各スイッチング素子54a~54dのスイッチングにより、電流パターンに応じた実質的に一定の大きさの電流を電磁石2に供給するように、フラット維持回路18の動作を制御することができる。 In the control of the flat maintenance circuit 18 described above, the switching frequency of each switching element 54a-54d is higher than the frequency of the current pattern. For example, if the frequency of the current pattern is several kHz, the switching frequency of each switching element 54a-54d is set to several tens of kHz. The switching frequency of each switching element 54a-54d is set to, for example, 10 times or more the frequency of the current pattern. This allows the operation of the flat maintenance circuit 18 to be controlled so that, by switching each switching element 54a-54d, a substantially constant current corresponding to the current pattern is supplied to the electromagnet 2.
図6(a)~図6(d)は、主回路部及び制御部の参考の動作を模式的に表すタイミングチャートである。
図6(a)~図6(d)の内容は、図5(a)~図5(d)の内容と同様であるので、詳細な説明は、省略する。
6(a) to 6(d) are timing charts that schematically show reference operations of the main circuit section and the control section.
The contents of FIGS. 6(a) to 6(d) are the same as the contents of FIGS. 5(a) to 5(d), and therefore detailed description thereof will be omitted.
図6(a)~図6(d)に表したように、参考の動作では、フラット維持回路18から電磁石2に対して正の極性の電流を供給する場合に、電磁石2に対して正の極性の電流を供給するためのスイッチング素子54a、54dのオン状態及びオフ状態を所定の周期Tで切り替えるとともに、電流検出器60の検出結果及び電流パターンを基に、オン状態及びオフ状態の比率を変化させることにより、電流パターンに応じた一定の正の極性の電流が電磁石2に供給されるようにする。また、参考の動作では、フラット維持回路18から電磁石2に対して正の極性の電流を供給する場合に、電磁石2に対して負の極性の電流を供給するためのスイッチング素子54b、54cのオン状態及びオフ状態も所定の周期Tで切り替える。 As shown in Figures 6(a) to 6(d), in the reference operation, when a positive polarity current is supplied from the flat maintenance circuit 18 to the electromagnet 2, the on and off states of the switching elements 54a and 54d for supplying a positive polarity current to the electromagnet 2 are switched at a predetermined cycle T, and the ratio of the on and off states is changed based on the detection results of the current detector 60 and the current pattern, so that a constant positive polarity current according to the current pattern is supplied to the electromagnet 2. Also, in the reference operation, when a positive polarity current is supplied from the flat maintenance circuit 18 to the electromagnet 2, the on and off states of the switching elements 54b and 54c for supplying a negative polarity current to the electromagnet 2 are also switched at a predetermined cycle T.
この際、参考の動作では、スイッチング素子54a、54dのオフ状態の期間においてスイッチング素子54b、54cをオン状態とし、スイッチング素子54b、54cのオフ状態の期間においてスイッチング素子54a、54dをオン状態とすることにより、上下アームの短絡を抑制する。参考の動作において、フラット維持回路18から電磁石2に対して負の極性の電流を供給する場合には、上記と反対の動作を行う。 In this case, in the reference operation, switching elements 54b and 54c are turned on while switching elements 54a and 54d are turned off, and switching elements 54a and 54d are turned on while switching elements 54b and 54c are turned off, thereby preventing short circuits between the upper and lower arms. In the reference operation, when a negative polarity current is supplied from the flat maintenance circuit 18 to the electromagnet 2, the opposite operation to the above is performed.
このように、参考の動作では、フラット維持回路18のフルブリッジ接続された4つのスイッチング素子54a~54dのそれぞれのオン状態及びオフ状態の切り替えを行い、各スイッチング素子54a~54dのデューティ比を変化させることにより、電流パターンに応じた一定の大きさの電流を電磁石2に供給するようにする。このような制御は、例えば、PWM制御などと呼ばれている。 In this manner, in the reference operation, the four full-bridge-connected switching elements 54a-54d of the flat maintenance circuit 18 are switched between on and off, and the duty ratio of each switching element 54a-54d is changed so that a constant current corresponding to the current pattern is supplied to the electromagnet 2. This type of control is known, for example, as PWM control.
電磁石電源装置10において、フォーシング回路16とフラット維持回路18との切り替わりの周波数を数十kHzとするなど、比較的高速な動作を求められる場合がある。換言すれば、電流パターンの比較的高速な変化が求められる場合がある。こうした高速動作においては、特に、フォーシング回路16からフラット維持回路18への移行を高速かつ安定して行い、フラット維持回路18での高精度な電流制御が重要となる。このため、高速動作を行うためには、フラット維持回路18の各スイッチング素子54a~54dのスイッチング周波数を高くする必要がある。 The electromagnet power supply unit 10 may require relatively high-speed operation, such as switching between the forcing circuit 16 and the flat maintenance circuit 18 at a frequency of several tens of kHz. In other words, a relatively high-speed change in the current pattern may be required. In such high-speed operation, it is particularly important to transition from the forcing circuit 16 to the flat maintenance circuit 18 quickly and stably, and to achieve highly accurate current control in the flat maintenance circuit 18. Therefore, to achieve high-speed operation, it is necessary to increase the switching frequency of each of the switching elements 54a-54d of the flat maintenance circuit 18.
図6(a)~図6(d)に表した参考の動作のようにPWM制御を行う場合に、フラット維持回路18の各スイッチング素子54a~54dのスイッチング周波数を高くすると、各スイッチング素子54a~54dの最小オン時間(図6のt1、t3の期間)及びデッドタイム(図6のt2の期間)の影響が大きくなり、出力電流の制御性が低下してしまう可能性がある。例えば、出力電流の正側の最大値付近及び出力電流の負側の最大値付近において制御量の裕度がなくなり、電流指令値に応じた大きさの電流を電磁石2に対して適切に供給することができなくなる可能性が生じてしまう。 When performing PWM control as in the reference operation shown in Figures 6(a) to 6(d), increasing the switching frequency of each switching element 54a to 54d in the flat maintenance circuit 18 increases the impact of the minimum on-time (periods t1 and t3 in Figure 6) and dead time (period t2 in Figure 6) of each switching element 54a to 54d, which may reduce the controllability of the output current. For example, there may be no margin for control near the maximum positive and negative values of the output current, making it impossible to properly supply a current of a magnitude corresponding to the current command value to the electromagnet 2.
最小オン時間は、より詳しくは、各スイッチング素子54a~54dを適切にオン状態にするために必要な最小限の時間である。デッドタイムは、より詳しくは、上下アームの短絡を抑制するために、上側のスイッチング素子のオン状態からオフ状態への切り替わりのタイミングから下側のスイッチング素子のオフ状態からオン状態への切り替わりのタイミングまで、及び下側のスイッチング素子のオン状態からオフ状態への切り替わりのタイミングから上側のスイッチング素子のオフ状態からオン状態への切り替わりのタイミングまでに設定される時間である。 More specifically, the minimum on-time is the minimum time required to properly turn on each of the switching elements 54a to 54d. More specifically, the dead time is the time set from the time the upper switching element switches from on to off until the time the lower switching element switches from off to on, and from the time the lower switching element switches from on to off until the time the upper switching element switches from off to on, in order to prevent short circuits between the upper and lower arms.
PWM制御では、所定の周期Tの全期間にわたって各スイッチング素子54a~54dをオン状態に設定することが認められておらず、所定の周期T内において少なくとも最小オフ時間はオフ状態とする必要がある。このため、各スイッチング素子54a~54dの周波数が高くなると、所定の周期Tに対する最小オン時間及びデッドタイムの影響が大きくなり、出力電流の制御性の低下の要因となってしまうことが懸念される。 PWM control does not allow the switching elements 54a-54d to be set to the on state for the entire period of the specified cycle T; they must be in the off state for at least the minimum off time within the specified cycle T. For this reason, as the frequency of the switching elements 54a-54d increases, the impact of the minimum on time and dead time on the specified cycle T increases, which could lead to a decrease in controllability of the output current.
例えば、各スイッチング素子54a~54dのスイッチング周波数が40kHz(周期Tが25μs)である場合に、最小オン時間t1、t3及びデッドタイムt2のそれぞれが1.5μsであるとすると、各スイッチング素子54a~54dの最大制御量は、(25μs-1.5μs-1.5μs-1.5μs)/25μs=0.82である。 For example, if the switching frequency of each switching element 54a to 54d is 40 kHz (period T is 25 μs), and the minimum on-times t1, t3, and dead time t2 are each 1.5 μs, the maximum control amount for each switching element 54a to 54d is (25 μs - 1.5 μs - 1.5 μs - 1.5 μs) / 25 μs = 0.82.
これに対し、本実施形態に係る電磁石電源装置10では、制御部14が、電磁石2に供給する電流の極性に応じて、フラット維持回路18のフルブリッジ接続された4つのスイッチング素子54a~54dのうちの2つのスイッチング素子のオン状態及びオフ状態の切り替えを行い、残り2つのスイッチング素子をオフ状態のままとする。 In contrast, in the electromagnet power supply unit 10 according to this embodiment, the control unit 14 switches between the on and off states of two of the four full-bridge-connected switching elements 54a to 54d in the flat maintenance circuit 18 depending on the polarity of the current supplied to the electromagnet 2, and leaves the remaining two switching elements in the off state.
本実施形態に係る電磁石電源装置10では、図5に表したように、上側のスイッチング素子及び下側のスイッチング素子の反対側のスイッチング素子のオン状態への切り替えにともなうデッドタイムを設定する必要を無くすことができる。 As shown in Figure 5, the electromagnetic power supply device 10 according to this embodiment eliminates the need to set a dead time associated with switching the upper switching element and the switching element opposite the lower switching element to the on state.
例えば、本実施形態に係る電磁石電源装置10において、各スイッチング素子54a~54dのスイッチング周波数が40kHz、各スイッチング素子54a~54dの最小オフ時間が1.5μsである場合、各スイッチング素子54a~54dの最大制御量は、(25μs-1.5μs)/25μs=0.94とすることができる。 For example, in the electromagnetic power supply device 10 according to this embodiment, if the switching frequency of each of the switching elements 54a to 54d is 40 kHz and the minimum off time of each of the switching elements 54a to 54d is 1.5 μs, the maximum control amount of each of the switching elements 54a to 54d can be calculated as (25 μs - 1.5 μs) / 25 μs = 0.94.
このように、本実施形態に係る電磁石電源装置10では、PWM制御を行う場合と比べて、電流パターンが高速に変化する際にも、電磁石2に供給する電流をより高精度に制御することができる。 In this way, the electromagnet power supply device 10 according to this embodiment can control the current supplied to the electromagnet 2 with higher precision than when PWM control is used, even when the current pattern changes rapidly.
制御部14は、例えば、電流パターンの全ての期間において、フラット維持回路18に対し、2象限制御を行う。制御部14は、例えば、電流パターンの絶対値が所定値以上の期間において、フラット維持回路18に対し、2象限制御を行い、電流パターンの絶対値が所定値未満の期間において、フラット維持回路18に対し、PWM制御を行ってもよい。 The control unit 14 may, for example, perform two-quadrant control on the flat maintenance circuit 18 during the entire period of the current pattern. For example, the control unit 14 may perform two-quadrant control on the flat maintenance circuit 18 during the period when the absolute value of the current pattern is equal to or greater than a predetermined value, and may perform PWM control on the flat maintenance circuit 18 during the period when the absolute value of the current pattern is less than the predetermined value.
制御部14は、例えば、電流パターンの絶対値が90%以上の期間において、フラット維持回路18に対し、2象限制御を行う。換言すれば、制御部14は、電流パターンの正側の最大値付近及び負側の最大値付近において、フラット維持回路18に対し、2象限制御を行う。 The control unit 14 performs two-quadrant control on the flat maintenance circuit 18, for example, during periods when the absolute value of the current pattern is 90% or greater. In other words, the control unit 14 performs two-quadrant control on the flat maintenance circuit 18 near the maximum value on the positive side and near the maximum value on the negative side of the current pattern.
このように、電流パターンの絶対値が所定値未満の期間においては、各スイッチング素子54a~54dのそれぞれのオン状態及びオフ状態を切り替えるPWM制御を行うことにより、例えば、電流パターンの絶対値が低い期間における出力電流の制御性を高めることができる。 In this way, by performing PWM control to switch the on and off states of each of the switching elements 54a to 54d during periods when the absolute value of the current pattern is less than a predetermined value, it is possible to improve the controllability of the output current during periods when the absolute value of the current pattern is low, for example.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments may be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, and modifications may be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are within the scope and spirit of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims.
2…電磁石、 4…交流電源、 10…電磁石電源装置、 12…主回路部、 14…制御部、 16…フォーシング回路、 18…フラット維持回路、 21~24…リアクトル、 30、40…直流電源、 31、41…変圧器、 32、42…整流器、 33、43…リアクトル、 34、44…コンデンサ、 50a~50d、54a~54d…スイッチング素子、 52a~52d、56a~56d…整流素子、 60…電流検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2...Electromagnet, 4...AC power supply, 10...Electromagnet power supply device, 12...Main circuit section, 14...Control section, 16...Forcing circuit, 18...Flat maintenance circuit, 21-24...Reactor, 30, 40...DC power supply, 31, 41...Transformer, 32, 42...Rectifier, 33, 43...Reactor, 34, 44...Capacitor, 50a-50d, 54a-54d...Switching element, 52a-52d, 56a-56d...Rectifying element, 60...Current detector
Claims (3)
前記電磁石に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流パターンの入力を受け、入力された前記電流パターンと、前記電流検出器の検出結果と、を基に、前記主回路部の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記電流パターンは、前記電磁石に供給する電流の最大値と最小値との間のステップ状の変化を繰り返す周期的なパターンであり、
前記主回路部は、
前記電流パターンがステップ状に変化する期間に動作するフォーシング回路と、
前記フォーシング回路と直列に接続され、前記電流パターンが一定の期間に動作するフラット維持回路と、
を有し、
前記フラット維持回路は、フルブリッジ接続された4つのスイッチング素子を有し、前記4つのスイッチング素子のうちの2つのスイッチング素子により、正の極性の電流を前記電磁石に供給可能であるとともに、前記4つのスイッチング素子のうちの残りの2つのスイッチング素子により、負の極性の電流を前記電磁石に供給可能であり、
前記制御部は、前記フラット維持回路から前記電磁石に対して正の極性の電流を供給する場合に、前記電磁石に対して正の極性の電流を供給するための前記2つのスイッチング素子のオン状態及びオフ状態を所定の周期で切り替えるとともに、前記電流検出器の検出結果及び前記電流パターンを基に、オン状態及びオフ状態の比率を変化させ、かつ前記電磁石に対して負の極性の電流を供給するための前記2つのスイッチング素子を前記所定の周期の全ての期間においてオフ状態に設定することにより、前記電流パターンに応じた一定の正の極性の電流が前記電磁石に供給されるようにし、前記フラット維持回路から前記電磁石に対して負の極性の電流を供給する場合に、前記電磁石に対して負の極性の電流を供給するための前記2つのスイッチング素子のオン状態及びオフ状態を所定の周期で切り替えるとともに、前記電流検出器の検出結果及び電流パターンを基に、オン状態及びオフ状態の比率を変化させ、かつ前記電磁石に対して正の極性の電流を供給するための前記2つのスイッチング素子を前記所定の周期の全ての期間においてオフ状態に設定することにより、前記電流パターンに応じた一定の負の極性の電流が前記電磁石に供給されるようにする2象限制御を行う電磁石電源装置。 a main circuit section connected to the electromagnet and supplying a current to the electromagnet according to a current pattern that changes stepwise;
a current detector for detecting a current flowing through the electromagnet;
a control unit that receives the current pattern and controls the operation of the main circuit unit based on the input current pattern and the detection result of the current detector;
Equipped with
the current pattern is a periodic pattern in which the current supplied to the electromagnet repeatedly changes stepwise between a maximum value and a minimum value,
The main circuit section includes:
a forcing circuit that operates during a period in which the current pattern changes stepwise;
a flat-maintaining circuit connected in series with the forcing circuit, the flat-maintaining circuit operating for a fixed period of time;
and
the flat maintenance circuit has four switching elements connected in a full bridge configuration, and two of the four switching elements are capable of supplying a current of positive polarity to the electromagnet, and the remaining two of the four switching elements are capable of supplying a current of negative polarity to the electromagnet;
The control unit switches between the on state and the off state of the two switching elements for supplying a current of negative polarity to the electromagnet at a predetermined cycle when a current of positive polarity is supplied from the flat maintenance circuit to the electromagnet, changes the ratio between the on state and the off state based on the detection result of the current detector and the current pattern, and sets the two switching elements for supplying a current of negative polarity to the electromagnet to the off state for the entire period of the predetermined cycle, so that a current of constant positive polarity according to the current pattern is supplied to the electromagnet; and when a current of negative polarity is supplied to the electromagnet from the flat maintenance circuit, switches between the on state and the off state of the two switching elements for supplying a current of negative polarity to the electromagnet at a predetermined cycle, changes the ratio between the on state and the off state based on the detection result of the current detector and the current pattern, and sets the two switching elements for supplying a current of positive polarity to the electromagnet to the off state for the entire period of the predetermined cycle, so that a current of constant negative polarity according to the current pattern is supplied to the electromagnet.
2. The electromagnetic power supply device according to claim 1, wherein the control unit performs the two-quadrant control on the flat maintenance circuit during a period in which the absolute value of the current pattern is equal to or greater than a predetermined value, and performs PWM control on the flat maintenance circuit by switching the on and off states of each of the four switching elements at a predetermined cycle during a period in which the absolute value of the current pattern is less than the predetermined value.
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