(57)【要約】      （修正有）【課題】誘導電圧調整器を用いた加速器用電源の出力電圧を高精度で安定に制御する制御回路を提供する。【解決手段】誘導電圧調整器１０を用いた加速器用電源装置の制御回路３０ｂであって、設定値に対して所定の差を有する第１基準電圧値と直流電圧の電圧値とを比較する第１比較器３２と、第１比較器３２の出力に基づき直流電圧の電圧値が第１基準電圧値よりも設定値に近い値になるまでＯＮの制御パルスを誘導電圧調整器１０に出力する制御パルス発生回路３４と、第１比較器３２の出力に応じてゲートが制御され、第１基準電圧値よりも設定値に近い値である第２基準電圧値と直流電圧の電圧値とを比較する第２比較器３６と、直流電圧の電圧値が第１基準電圧値よりも設定値に近い場合に、第２比較器３６の出力に基づく短パルスを誘導電圧調整器１０に出力する短パルス発生回路３８とを備える。【選択図】図１
2008027360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力電圧を調整する誘導電圧調整器を用いた加速器用電源装置の前記出力電圧を整流・平滑した直流電圧を検出しその検出値と設定値との差が小さくなるように制御信号を前記誘導電圧調整器に帰還する制御回路であって、
前記設定値に対して所定の差を有する第１基準電圧値と前記直流電圧の電圧値とを比較する第１比較器と、
前記第１比較器の出力に基づき前記直流電圧の電圧値が前記第１基準電圧値よりも前記設定値に近い値になるまでＯＮの制御パルスを前記制御信号として前記誘導電圧調整器に出力する制御パルス発生回路と、
前記第１比較器の出力に応じてゲートが制御され、前記第１基準電圧値よりも前記設定値に近い値である第２基準電圧値と前記直流電圧の電圧値とを比較する第２比較器と、
前記直流電圧の電圧値が前記第１基準電圧値よりも前記設定値に近い場合に、前記第２比較器の出力に基づき前記直流電圧の電圧値が前記第２基準電圧値よりも前記設定値に近い値になるまで前記誘導電圧調整器の性能で決定される一定のＯＮ幅を持ちさらに前記誘導電圧調整器の動作時間に基づくＯＦＦ時間を持つ短パルスを前記制御信号として前記誘導電圧調整器に出力する短パルス発生回路と、
を備えることを特徴とする制御回路。
【請求項２】
前記第１比較器、前記第２比較器、前記制御パルス発生回路、及び前記短パルス発生回路は、内部プログラムにより構成されデジタル制御を行うことを特徴とする請求項１記載の制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電圧調整器を用いた加速器用電源の出力電圧を高精度で安定に制御する制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療、放射光応用などの用途に用いられる素粒子加速器の電源には、通常、モータ駆動による誘導電圧調整器（ＩＶＲ）が用いられる。このような電源装置の制御方法として特許文献１に示すようなものが知られている。特許文献１に記載された電源装置の制御回路は、電源装置の出力電流を電流検出器にて検出し、その検出値と電流指令値との偏差をゼロにするような操作量を帰還して制御を行っている。
【０００３】
その際制御回路は、電流検出器の周囲温度を温度検出器により検出し、その周囲温度に基づいてエラー演算器により電流検出器のゲインエラー及びオフセットエラーを推定演算し、これらの推定値を用いて電流指令値を補正している。こうすることで、高精度な電流制御を実現することができる。
【０００４】
また、特許文献２においては、直流電圧をオン・オフしてクライストロンにパルス電圧を供給するスイッチ手段を有し、このスイッチ手段のオフ時にはオフ直前の直流電圧の検出値を保持し、オン再開時には保持した直流電圧を検出した直流電圧に切替えることを特徴とする制御回路が記載されている。
【０００５】
この制御回路を用いることによって、誘導電圧調整器又はサイリスタスイッチを使用したクライストロン電源において、パルス振幅の精度がよいパルス運転を実現することができる。
【０００６】
図３は、従来の制御回路を含む加速器用電源装置の構成を示すブロック図である。従来の制御回路である制御回路３０ａは、第１比較器３２と、制御パルス発生回路３４により構成される。
【０００７】
この加速器用電源装置において、入力電圧は、外部からの設定値に対し誘導電圧調整器１０により増幅され、その出力はトランス１２を経て整流回路１４により直流に整流される。その後チョークコイル１６により平滑された出力電圧ＶＤＣは、充電チョーク１８とホールドオフダイオード２０で構成される充電回路を経て、パルス成形回路（ＰＦＮ）２２に共振充電される。パルス成形回路２２に充電した電荷は、図示しないサイラトロン等の大容量スイッチで一気に放電され、大電力パルスを形成し、充電電圧ＶＰＦＮがクライストロンに出力される。
【０００８】
この時ＤｅＱ回路２４ではＶＰＦＮを一定に保つ入力エネルギー抑圧制御が行われる。ここでＤｅＱ回路とは、Ｄｅ−Ｑｉｎｇ回路の意であり、ＰＦＮ２２の充電電圧がある設定値に達したときに、共振充電回路のＱ値を減少させて強制的に充電を中止させる回路である。すなわち、クライストロンに印加する各パルス電圧を一定に保つことを目的とする。
【０００９】
電圧ＶＤＣは、制御回路３０ａ（アナログ制御又はデジタル制御）を介してＩＶＲ１０に帰還される。
【００１０】
この制御回路３０ａにおいて、第１比較器３２は、電圧ＶＤＣと基準電圧を比較する。制御パルス発生回路３４は、第１比較器３２の出力を入力して制御パルスを発生し、ＩＶＲ１０に帰還する。
【００１１】
次に、図４を用いて上述した制御回路３０ａの動作について説明する。ここでは、ＶＤＣが設定値より低い場合について説明する。スタート時であるｔ０の時点において、設定値に対して、ＶＤＣが所定の差（ＴＳ）以上に低い（ＶＤＣ＜Ｖｒｅｆ＿Ｌ１＝設定値−ＴＳ）場合には、制御パルス発生回路３４は、第１比較器３２の出力に基づき制御パルスＣＰをＩＶＲ１０に出力し制御する。ＩＶＲ１０は、制御パルスに基づいてモータによりＶＤＣが設定値に近づくよう制御される。ＶＤＣが基準電圧Ｖｒｅｆ＿Ｌ１を超えたとき（ｔ１）、制御パルス発生回路３４は、出力を停止する。
【００１２】
ＶＤＣが設定値より高い場合についても、図示はしていないが同様に、スタート時であるｔ０の時点において、設定値に対して、ＶＤＣが所定の差（ＴＳ）以上に高い（ＶＤＣ＞Ｖｒｅｆ＿Ｈ１＝設定値＋ＴＳ）場合には、制御パルス発生回路３４は、第１比較器３２の出力に基づき制御パルスＣＰをＩＶＲ１０に出力し制御する。
【００１３】
ここで、ＩＶＲ１０にはＵＰ側とＤＯＷＮ側の端子が存在し、ＵＰとＤＯＷＮでモータの回転方向が逆になる。したがって、ＶＤＣが設定値より高く、下げる必要がある場合には、制御パルスに応じて上昇時とは逆にモータが回転する。
【００１４】
ＩＶＲ１０は、制御パルスに基づいてモータによりＶＤＣが設定値に近づくよう制御される。ＶＤＣが基準電圧Ｖｒｅｆ＿Ｈ１よりも低くなった場合に、制御パルス発生回路３４は、出力を停止する。
【００１５】
設定値±ＴＳの領域は、無制御領域である。したがって、制御パルス発生回路３４は、この領域においては制御パルスを出力せず、ＩＶＲのモータも動きを停止するため、ＶＤＣの値はこの領域内に保たれる。
【００１６】
クライストロンの印加電圧はＤｅＱ回路２４にて一定に保たれているが、入力変化による影響はＤｅＱ制御の抑圧エネルギー増加を生み制御状態が変化することで出力状態にも微妙な変化が発生する。この変化が加速器の性能には大きな影響となる。この影響を未然に防ぐためにもＶＤＣの高精度制御が重要となる。
【特許文献１】特開平１１−１９４８４２号公報
【特許文献２】特開平１１−３５４０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、図３に示す制御回路においては、自動制御のＩＶＲの電圧設定が、設定値までステップ波形により制御されるのが一般的である。それゆえモータの遊び、動作停止遅れ等の無制御期間の存在により設定の許容範囲を広く取らないとＩＶＲがハンチング動作を起こしてしまう。すなわち、無制御領域にモータを停止させることができず、モータがＵＰ方向とＤＯＷＮ方向の回転を交互に繰り返すといった現象が起きてしまう。
【００１８】
また、この無制御領域を広く取ると、小さな入力信号の変動に対して制御が効きにくくなり、この出力変動は、特に加速器の性能に致命的な打撃を与えてしまう。
【００１９】
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するもので、誘導電圧調整器を用いた加速器用電源の出力電圧を高精度で安定に制御する制御回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る制御回路は、上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、出力電圧を調整する誘導電圧調整器を用いた加速器用電源装置の前記出力電圧を整流・平滑した直流電圧を検出しその検出値と設定値との差が小さくなるように制御信号を前記誘導電圧調整器に帰還する制御回路であって、前記設定値に対して所定の差を有する第１基準電圧値と前記直流電圧の電圧値とを比較する第１比較器と、前記第１比較器の出力に基づき前記直流電圧の電圧値が前記第１基準電圧値よりも前記設定値に近い値になるまでＨレベルの制御パルスを前記制御信号として前記誘導電圧調整器に出力する制御パルス発生回路と、前記第１比較器の出力に応じてゲートが制御され、前記第１基準電圧値よりも前記設定値に近い値である第２基準電圧値と前記直流電圧の電圧値とを比較する第２比較器と、前記直流電圧の電圧値が前記第１基準電圧値よりも前記設定値に近い場合に、前記第２比較器の出力に基づき前記直流電圧の電圧値が前記第２基準電圧値よりも前記設定値に近い値になるまで前記誘導電圧調整器の性能で決定される一定のＯＮ幅を持ちさらに前記誘導電圧調整器の動作時間の基づくＯＦＦ時間を持つ短パルスを前記制御信号として前記誘導電圧調整器に出力する短パルス発生回路とを備えることを特徴とする。
【００２１】
請求項２記載の発明は、請求項１において、前記第１比較器、前記第２比較器、前記制御パルス発生回路、及び前記短パルス発生回路は、内部プログラムにより構成されデジタル制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の請求項１記載の発明によれば、制御パルスと、短パルスの２段階で制御を行うため、無制御領域の範囲を狭くすることができる。その結果、電圧の設定値に対して、より精度良く制御を行うことができる。また、無制御領域が狭い範囲であるため、その領域からわずかにずれるだけで、短パルスによる制御が行われる。したがって、より安定した制御を行うことが可能となる。さらに、小さな入力変動に対しても短パルス制御でより敏感に制御することができる。
【００２３】
本発明の請求項２記載の発明によれば、制御回路内部に複雑なモジュール構成を必要とせず、コスト削減に寄与しうる。さらに、現在の設備を利用して、わずかな内部プログラム及びハードウェアの変更により、容易に性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の制御回路の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施例１の制御回路を用いた加速器用電源装置の構成を示すブロック図、図２は本発明の実施例１の制御回路の動作を示す図である。なお、図１において、図３における構成要素と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以て示し、重複した説明を省略する。
【００２６】
まず、本実施の形態の構成を説明すると、本実施の形態に係る制御回路３０ｂは、図１に示すように、第１比較器３２、制御パルス発生回路３４、第２比較器３６、短パルス発生回路３８で構成されている。
【００２７】
出力電圧を調整する誘導電圧調整器１０を用いた加速器用電源装置の各構成は図３と同じであるため、説明を省略する。制御回路３０ｂ（アナログ制御又はデジタル制御）は、誘導電圧調整器１０により出力された出力電圧を整流・平滑した直流電圧ＶＤＣを検出し、その検出値と設定値との差が小さくなるように制御信号をＩＶＲ１０に帰還する。
【００２８】
この制御回路３０ｂにおいて、第１比較器３２は、設定値に対して所定の差を有する第１基準電圧値と直流電圧ＶＤＣの電圧値とを比較する。
【００２９】
制御パルス発生回路３４は、第１比較器３２の出力に基づき直流電圧ＶＤＣの電圧値が第１基準電圧値よりも設定値に近い値になるまでＨレベルの制御パルスを発生し、制御信号として継続的にＩＶＲ１０に出力する。
【００３０】
第２比較器３６は、第１比較器３２の出力に応じてゲートが制御され、第１基準電圧値よりも設定値に近い値である第２基準電圧値と直流電圧ＶＤＣの電圧値とを比較する。
【００３１】
短パルス発生回路３８は、直流電圧ＶＤＣの電圧値が第１基準電圧値よりも設定値に近い場合に、第２比較器３６の出力に基づき直流電圧ＶＤＣの電圧値が第２基準電圧値よりも設定値に近い値になるまで誘導電圧調整器の性能で決定される一定のＯＮ幅を持ちさらに誘導電圧調整器の動作時間に基づくＯＦＦ時間を持つ短パルスを発生し、制御信号として連続的にＩＶＲ１０に出力する。この短パルスのパルス幅はＩＶＲモータの駆動性能限界にて設定される。
【００３２】
次に図２を参照し実施例１に係る制御回路の動作を説明する。ここでは、ＶＤＣが設定値より低い場合について説明する。スタート時であるｔ０の時点において、設定値に対して、ＶＤＣが所定の差（ＴＳ）以上に低い（ＶＤＣ＜Ｖｒｅｆ＿Ｌ１＝設定値−ＴＳ）場合には、制御パルス発生回路３４は、第１比較器３２の出力に基づき制御パルスＣＰをＩＶＲ１０に出力し制御する。ＩＶＲ１０は、制御パルスに基づいてモータによりＶＤＣが設定値に近づくよう制御される。ＶＤＣが第１基準電圧値であるＶｒｅｆ＿Ｌ１を超えたとき（ｔ１）、制御パルス発生回路３４は、出力を停止する。
【００３３】
次に、短パルス発生回路３８は、第２比較器３６の出力に基づき短パルスＳＰをＩＶＲ１０に出力し制御する。第２比較器３６のゲートは、第１比較器３２の出力に応じて制御される。したがって、直流電圧ＶＤＣの値が第１基準電圧値を超えるまでは、第２比較器３６が出力を行うことはなく、短パルスも発生しない。ＩＶＲ１０は、短パルスに基づいてモータによりＶＤＣが設定値に近づくよう制御される。ＶＤＣが第２基準電圧値であるＶｒｅｆ＿Ｌ２を超えたとき（ｔ２）、短パルス発生回路３８は、出力を停止する。
【００３４】
ＶＤＣが設定値より高い場合についても、図示はしていないが同様の動作を行う。すなわち、スタート時であるｔ０の時点において、設定値に対して、ＶＤＣが所定の差（ＴＳ）以上に高い（ＶＤＣ＞Ｖｒｅｆ＿Ｈ１＝設定値＋ＴＳ）場合には、制御パルス発生回路３４は、第１比較器３２の出力に基づき制御パルスＣＰをＩＶＲ１０に出力し制御する。その後、第１基準電圧値であるＶｒｅｆ＿Ｈ１よりＶＤＣが低下したところ（ｔ１）で、短パルス制御に切り替わり、短パルス発生回路３８は、第２比較器３６の出力に基づき短パルスＳＰをＩＶＲ１０に出力し制御する。ＶＤＣが第２基準電圧値であるＶｒｅｆ＿Ｈ２より低下したとき（ｔ２）、無制御領域となり、制御が停止する。
【００３５】
従来技術で説明したように、ＩＶＲ１０にはＵＰ側とＤＯＷＮ側の端子が存在し、ＵＰとＤＯＷＮでモータの回転方向が逆になる。したがって、ＶＤＣが設定値より高いために下げる必要がある場合には、制御パルスに応じて上昇時とは逆にモータが回転する。
【００３６】
無制御領域においては、制御パルス発生回路３４及び短パルス発生回路３８のいずれもが制御信号である制御パルス若しくは短パルスを出力せず、ＩＶＲのモータも動きを停止するため、ＶＤＣの値はこの領域内に保たれる。
【００３７】
入力変動のような小さな変化に対しては、無制御領域であるＶｒｅｆ＿Ｌ２とＶｒｅｆ＿Ｈ２との間の範囲ＴＣを変動が越えた場合には、第２比較器３６がそれを検出し、短パルス発生回路３８が再び短パルスを発生、出力して制御を行う。
【００３８】
なお、ＩＶＲ１０にステッピングモータ（パルス信号を与えることによって決められたステップ単位で回転するモータ）を使用した場合も同様に制御が可能になる。
【００３９】
さらに、制御回路３０ｂは、アナログ回路による制御でもよいし、デジタル制御によるものでもよい。デジタル制御の場合には、プログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）や、ＦＰＧＡ等を用いることができる。その場合には、制御回路３０ｂの構成要件である、第１比較器３２、第２比較器３６、制御パルス発生回路３４、短パルス発生回路３８は、内部プログラムにより構成され、デジタル制御を行う。
【００４０】
上述のとおり、本発明の実施例１の形態に係る制御回路によれば、制御パルスと、短パルスの２段階で制御を行うため、無制御領域の範囲を狭くすることができる。その結果、電圧の設定値に対して、より精度良く制御を行うことができる。また、無制御領域が狭い範囲であるため、その領域からわずかにずれるだけで、短パルスによる制御が行われる。したがって、より安定した制御を行うことが可能となる。さらに、小さな入力変動に対しても短パルス制御でより敏感に制御することができる。
【００４１】
従来技術において、Ｖｒｅｆ＿Ｌ１とＶｒｅｆ＿Ｈ１との間は無制御領域であり、ＩＶＲモータの遊びや動作停止遅れ等の理由により、それ以上の狭い範囲を制御パルスで制御することはできなかったが、連続的な短パルスで制御を行うことにより無制御領域をＶｒｅｆ＿Ｌ２とＶｒｅｆ＿Ｈ２との間というさらに狭い範囲に絞ることができる。この無制御領域の範囲は従来と比較して約１０分の１である。
【００４２】
またＰＬＣやＦＰＧＡ等を用いてデジタル制御とした場合には、制御回路内部に複雑なモジュール構成を必要とせず、コスト削減に寄与しうる。さらに、現在の設備を利用して、わすかな内部プログラム及びハードウェアの変更により、容易に制御回路の性能を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る制御回路は、加速器用電源装置の出力電圧を高精度で安定に制御する制御回路に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例１の形態の加速器用電源装置における制御回路の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１の形態の制御回路の動作を説明する図である。
【図３】従来の加速器用電源装置における制御回路の構成を示すブロック図である。
【図４】従来の制御回路の動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０    誘導電圧調整器（ＩＶＲ）
１２    トランス
１４    整流回路
１６    チョークコイル
１８    充電チョーク
２０    ホールドオフダイオード
２２    パルス成形回路（ＰＦＮ）
２４    ＤｅＱ回路
３０ａ、３０ｂ    制御回路
３２    第１比較器
３４    制御パルス発生回路
３６    第２比較器
３８    短パルス発生回路
【図１】
2008027360.tif 000003
【図２】
2008027360.tif 000004
【図３】
2008027360.tif 000005
【図４】
2008027360.tif 000006