KR101798385B1 - Analog digital converter circuit for magnet power supply - Google Patents

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박기현
김민재
최원식
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Abstract

The purpose of the present invention is to provide an analog-to-digital converter as a main component which accurately and stably supplies electric currents to an electromagnet power supply, a main component of a particle accelerator. To achieve the purpose, according to the present invention, the analog-to-digital converter comprises: a first analog-to-digital conversion unit (230A) sampling an analog current signal supplied through a first low-pass filter (201A) by an electromagnet power supply (100) for conversion into a digital signal; a second analog-to-digital conversion unit (230B) sampling analog voltage supplied through a second low-pass filter (210B) by the electromagnet power supply (100) for conversion into a digital signal; and a sampled data operation unit (240) performing operation, in parallel, on the sampled data supplied by the first and the second analog-to-digital conversion unit (230A, 230B).

Description

전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로{ANALOG DIGITAL CONVERTER CIRCUIT FOR MAGNET POWER SUPPLY}ANALOG DIGITAL CONVERTER CIRCUIT FOR MAGNET POWER SUPPLY BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 높은 정밀도와 안정성이 요구되는 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로에 관한 것으로, 특히 입자 가속장치의 주요한 구성요소인 전자석 전원장치에 정밀하고 안정되게 전류를 공급하는데 주요한 구성요소인 아날로그 디지털 변환기를 구현하는데 적당하도록 한 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an analog-to-digital converter circuit for an electromagnet power supply device requiring high precision and stability, and more particularly to an analog-to- To an analog to digital conversion circuit for an electromagnet power supply suitable for implementing a converter.

입자 가속 장치는 전자나 양성자, 중입자를 가속시켜 방사광 혹은 가속된 입자의 빔을 얻거나 가속된 양성자, 중입자를 충돌시켜 응용분야에 사용할 수 있도록 하는 장치이다. 입자 가속 장치가 응용분야에서 우수한 연구 성과를 얻기 위해서는 기본 구성요소인 전자석에 정밀하고 안정된 전류공급이 필수적이다. 이를 위해 전자석 전원장치(MPS: Magnet Power Supply)는 수 ppm 이내의 고 정밀 전류 제어가 가능해야 한다. A particle accelerator is a device that accelerates electrons, protons, and inte- ers to obtain beams of emitted light or accelerated particles, or collide accelerated protons and inte- ers to be used in applications. Precise and stable current supply to the electromagnet, which is a basic component, is essential for the particle accelerator to obtain excellent research results in the application field. For this purpose, the MPS (Magnet Power Supply) should be capable of high precision current control within several ppm.

그런데, 종래 기술에 의한 아날로그 디지털 변환기(ADC: Analog Digital Converter)의 회로는 백그라운드 노이즈로 인하여 고분해능을 갖더라도 깨끗한 신호를 얻는 것이 어렵다. 예를 들어, 전자석 전원장치와 같은 SMPS(Switching Mode Power Supply)는 필연적으로 스위칭에 의한 노이즈가 발생한다. 또한, 전자석 전원장치는 고 전류의 변동과 AC 라인에서의 공통 모드 노이즈 등의 다른 노이즈들도 존재한다. 이러한 다양한 노이즈원 때문에, 고 안정 전자석 전원장치를 구현하는데 어려움이 있다.However, it is difficult to obtain a clean signal even if the circuit of the analog digital converter (ADC) according to the related art has a high resolution due to the background noise. For example, a switching mode power supply (SMPS) such as an electromagnet power supply necessarily generates switching noise. In addition, the electromagnet power supply also has other noises such as high current fluctuations and common mode noise in the AC line. Because of these various noise sources, it is difficult to implement a high-stability electromagnet power supply.

이와 같은 이유로 인하여 종래 기술에 의한 전자석 전원장치는 신호대잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio) 및 분해능을 증대시키기 위해 고사양의 ADC 칩을 사용하였다. For this reason, the conventional electromagnet power supply apparatus uses a high-end ADC chip to increase the signal-to-noise ratio (SNR) and resolution.

하지만, 고 사양의 ADC 칩은 가격이 비쌀뿐 아니라, 소정 비트(예:24bit)의 ADC 단일 칩을 사용하여 전자석 전원장치를 개발하였을 경우 전류안정도가 요구된 기준치(예: 10ppm)를 충족시키지 못하는 문제점이 있다.However, a high-specification ADC chip is not only expensive but also fails to meet the required current limit (eg, 10 ppm) when developing an electromagnet power supply using a single bit of an ADC (eg, 24 bits) There is a problem.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분해능이 높은 하나의 아날로그 디지털 변환기를 사용하는 대신 분해능이 낮은 복수 개의 아날로그 디지털 변환기와 샘플링데이터 연산부를 이용하여 가속장치의 주요한 구성요소인 전자석 전원장치에서 정밀하고 안정된 전류를 공급할 수 있도록 하는데 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an electrostatic precipitator, which is a main component of an acceleration device, using a plurality of analog- To be supplied.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로는, 제1저역통과필터를 통해 전자석 전원장치로부터 공급되는 아날로그의 전류신호를 디지털신호로 변환하기 위해 샘플링하는 제1아날로그 디지털 변환부; 제2저역통과필터를 통해 상기 전자석 전원장치로부터 공급되는 아날로그의 전압을 디지털신호로 변환하기 위해 샘플링하는 제2아날로그 디지털 변환부; 상기 제1아날로그 디지털 변환부와 상기 제2아날로그 디지털 변환부로부터 공급되는 샘플링 데이터를 병렬로 연산처리하는 샘플링데이터 연산부 및 상기 전자석 전원장치의 스위칭 소자의 매 스위칭 주기마다 상기 샘플링데이터 연산부로부터 공급되는 연산 결과를 근거로 상기 스위칭 소자의 스위칭 구동을 제어하기 위한 스위칭제어신호를 출력하는 디지털신호 처리기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided an analog-to-digital converter circuit for an electromagnet power source, comprising: a first low-pass filter for sampling an analog current signal supplied from an electromagnet power source device, A first analog-to-digital converter; A second analog-to-digital converter for sampling an analog voltage supplied from the electromagnet power supply through a second low-pass filter to convert the analog voltage into a digital signal; A sampling data calculator for calculating sampling data supplied from the first analog-to-digital converter and the second analog-to-digital converter in parallel, and an arithmetic operation unit And a digital signal processor for outputting a switching control signal for controlling the switching operation of the switching device based on the result of the comparison.

본 발명은 분해능이 높은 하나의 아날로그 디지털 변환기를 사용하는 대신 분해능이 낮은 복수 개의 아날로그 디지털 변환기와 샘플링데이터 연산부를 이용하여 가속장치의 주요한 구성요소인 전자석 전원장치에서 정밀하고 안정된 전류를 공급할 수 있는 효과가 있다.The present invention can provide a precise and stable current in an electromagnet power supply device, which is a main component of an acceleration device, by using a plurality of analog digital converters and a sampling data operation unit having low resolution, instead of using one analog digital converter having high resolution. .

또한, 샘플링데이터 연산부에서 신호의 정확성을 높이기 위해 오버샘플링을 하고, 많은 양의 샘플링 데이터를 제어 주기 마다 평균처리함으로써 신호를 복원 할 뿐 노이즈가 많은 환경에서도 가급적 노이즈를 줄이면서 샘플링의 분해능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
In addition, oversampling is performed to increase the accuracy of signals in the sampling data operation unit, and a large amount of sampling data is averaged for each control period to restore the signal. However, even in a noisy environment, noise can be reduced and sampling resolution can be improved There is an effect that can be.

도 1a는 본 발명의 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로가 적용되는 전자석 전원장치의 블록도이다.
도 1b는 전자석 전원장치에서 스위칭 소자의 온,오프 타이밍도 및 그에 따른 전압, 전류의 파형을 나타낸 것이다.
도 2는 전자석 전원장치에 적용된 본 발명의 실시예에 따른 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로의 블록도이다.
도 3은 한 번의 제어주기 내에서 8번의 ADC 샘플링 채널이 동작하는 것을 나타낸 타이밍도이다.
도 4 및 도 5는 아날로그 디지털 변환회로에 대한 유효 분해능 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 6의 (a)는 종래 기술에 의한 전자석 전원장치의 숏 텀 전류 안정도를 나타낸 파형도이다.
도 6의 (b)는 본 발명에 의한 전자석 전원장치의 숏 텀 전류 안정도를 나타낸 파형도이다.
도 7은 본 발명에 의한 오버샘플링의 K-factor에 따른 ADC 출력 레벨을 나타낸 그래프이다.FIG. 1A is a block diagram of an electromagnet power source apparatus to which an analog / digital conversion circuit for an electromagnet power source apparatus of the present invention is applied.
FIG. 1B shows the on / off timing of the switching element in the electromagnet power source apparatus and the waveforms of the voltage and current according to the timing.
2 is a block diagram of an analog-to-digital converter circuit for an electromagnet power source apparatus according to an embodiment of the present invention applied to an electromagnet power source apparatus.
FIG. 3 is a timing chart showing operation of 8 ADC sampling channels within one control period. FIG.
4 and 5 show experimental results of effective resolution for the analog-to-digital conversion circuit.
6 (a) is a waveform diagram showing the stability of the short-term current of the electromagnet power source apparatus according to the prior art.
6 (b) is a waveform chart showing the stability of the short-term current of the electromagnet power source apparatus according to the present invention.
7 is a graph illustrating an ADC output level according to a K-factor of oversampling according to the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1a는 본 발명의 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로가 적용되는 전자석 전원장치의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이 전자석 전원장치(100)는 정류부(110), 스위칭부(120), 전원공급부(130) 및 전자석(140)을 포함한다.FIG. 1A is a block diagram of an electromagnet power source apparatus to which an analog-to-digital converter circuit for an electromagnet power source apparatus of the present invention is applied. As shown therein, the electromagnet power source apparatus 100 includes a rectifying unit 110, a switching unit 120, (130) and an electromagnet (140).

도 1a를 참조하면, 정류부(110)는 교류전원(AC)을 전파정류하여 직류전원을 생성한다. 스위칭부(120)는 스위칭 소자(SW1,SW2),(SW3,SW4)를 구비하여 이들의 스위칭 동작에 따라 전자석 전원장치(100)를 구동하고,전원공급부(130)를 통해 출력되는 전류로 전자석(140)을 구동하는 역할을 수행한다. 상기 전원공급부(130)에서 인덕터(L2), 커패시터(C3,C4) 및 저항(R2)은 상기 전류에 혼입된 노이즈를 필터링하는 필터의 구성요소이다. Referring to FIG. 1A, the rectifying unit 110 performs full-wave rectification of an AC power source to generate a DC power source. The switching unit 120 includes the switching devices SW1 and SW2 and SW3 and SW4 to drive the electromagnet power supply 100 according to the switching operation, (Not shown). The inductor L2, the capacitors C3 and C4, and the resistor R2 in the power supply unit 130 are components of a filter for filtering noise mixed in the current.

상기 스위칭 소자(SW1,SW2),(SW3,SW4)는 전자석 전원장치(100)에서 출력되는 스위칭제어신호(S1,S2),(S3,S4)에 의해 온,오프 동작한다. 여기서, 상기 스위칭 소자(SW1,SW2),(SW3,SW4)는 다양한 종류의 스위칭 소자로 구현될 수 있으며, 본 실시예에서는 절연게이트 양극성 트랜지스터(IGBT:Insulated Gate Bipolar mode Transistor)로 구현한 것을 예로 하여 설명한다. The switching elements SW1, SW2, SW3 and SW4 are turned on and off by switching control signals S1, S2, S3 and S4 output from the electromagnet power supply 100. Here, the switching devices SW1, SW2, SW3, and SW4 may be implemented by various types of switching devices, and in the present embodiment, an example implemented by an insulated gate bipolar transistor (IGBT) .

전자석 전원장치(100)의 전류 안정도는 피크-피크 2.5 ppm(parts per million)이다. 따라서, 피드백 제어를 위한 ADC의 분해능이 18비트 이상이어야 한다. 스위칭 소자(SW1,SW2),(SW3,SW4)의 스위칭 주파수는 25 kHz인 것을 예로 하여 설명한다. 이에 대응하여 아날로그 디지털 변환회로(200)에서 16비트의 아날로그 디지털 변환기(ADC)가 사용될 수 있으며, 이의 최대 샘플링 주파수는 200kHz가 될 수 있다. The current stability of the electromagnet power supply 100 is peak-to-peak 2.5 parts per million. Therefore, the resolution of the ADC for feedback control should be 18 bits or more. The switching frequency of the switching elements SW1, SW2, SW3, SW4 is 25 kHz as an example. In response to this, a 16-bit analog-to-digital converter (ADC) can be used in the analog-to-digital conversion circuit 200, and its maximum sampling frequency can be 200 kHz.

도 1b는 스위칭 소자(SW1,SW2),(SW3,SW4)의 온,오프 타이밍도 및 그에 따른 전압, 전류의 파형을 나타낸 것이다.Fig. 1B shows the ON and OFF timing charts of the switching elements SW1, SW2, SW3, SW4, and waveforms of voltages and currents accordingly.

도 2는 상기 도 1a의 전자석 전원장치(100)에 적용된 본 발명의 실시예에 따른 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 아날로그 디지털 변환회로(200)는 아날로그 회로부(200A) 및 디지털 회로부(200B)를 구비한다.FIG. 2 is a block diagram of an analog-to-digital conversion circuit for an electromagnet power source apparatus according to an embodiment of the present invention applied to the electromagnet power source apparatus 100 of FIG. A circuit portion 200A and a digital circuit portion 200B.

아날로그 디지털 변환회로(200)가 디지털 클럭신호로부터 발생되는 노이즈에 의해 영향을 받는 것을 최소화 하기 위하여, 서로 분리되어 각기 독립된 전원을 사용하는 아날로그 회로부(200A)와 디지털 회로부(200B)를 구비한다. In order to minimize the influence of the noise generated from the digital clock signal, the analogue to digital conversion circuit 200 includes an analog circuit part 200A and a digital circuit part 200B which are separated from each other and use independent power sources.

아날로그 회로부(200A)는 제1저역통과필터(210A), 제2저역통과필터(210B), 제1아날로그 디지털 변환부(230A) 및 제2아날로그 디지털 변환부(230B)를 구비한다. The analog circuit unit 200A includes a first low pass filter 210A, a second low pass filter 210B, a first analog digital converter 230A, and a second analog digital converter 230B.

아날로그 회로부(200A)는 병렬 연결된 제1,2아날로그 디지털 변환부(230A),(230B)를 구비하고, 상기 제1,2아날로그 디지털 변환부(230A),(230B)는 병렬 연결된 복수 개의 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 구비할 수 있다. 상기 병렬 연결되는 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 개수는 전자석 전원장치(100)에 대한 제어주기 시간내에 요구되는 전류,전압 데이터량이 많을수록 늘어나는 것이 바람직하다. The analog circuit unit 200A includes first and second analog-to-digital conversion units 230A and 230B connected in parallel and the first and second analog-to-digital conversion units 230A and 230B include a plurality of analog- Converter (ADC). Preferably, the number of parallel-connected analog-to-digital converters (ADCs) increases as the amount of current and voltage data required within the control cycle time for the electromagnet power supply apparatus 100 increases.

일반적으로, 후단의 디지털신호처리기(DSP)(250)에서 전류나 전압의 데이터를 읽어들이기 위하여, 하나의 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 사용하지만 짧은 제어주기 내에 보다 많은 데이터를 읽어들이기 위해서는 복수 개의 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 사용하게 된다. 만약, 더 높은 SNR과 더 높은 비트의 분해능이 요구되는 경우에는 더 높은 ppm의 전류 정밀도를 실현하기 위해 더 많은 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 사용하여 샘플링데이터 연산부(240)에서 더 많은 샘플링을 바탕으로 데이터를 처리할 수 있다. Generally, a single analog-to-digital converter (ADC) is used to read current or voltage data in the downstream digital signal processor (DSP) 250, but in order to read more data in a short control period, Digital converter (ADC). If a higher SNR and a higher bit resolution are required, more sampling is performed on the sampling data calculator 240 using more analog-to-digital converters (ADCs) to achieve higher ppm current accuracy Data can be processed.

본 실시예에서는 상기 디지털신호처리기(250)를 위해 상기 제1,2 아날로그 디지털 변환부(230A),(230B)가 각각 병렬 연결된 두 개의 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 구비한 것을 예로 하여 설명한다. 이와 같은 경우 제1,2 아날로그 디지털 변환부(230A),(230B)가 각각 한 개의 아날로그 디지털 변환기(ADC)로 구현된 것에 비하여 가격 측면에서 유리하다. 예를 들어, 24비트 정도의 고성능의 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 한 개 사용하는 것에 비하여 16비트의 아날로그 디지털 변환기(ADC)를 두 개 사용하는 것이 가격 측면에서 유리할 수 있다. In this embodiment, the first and second analog-to-digital converters 230A and 230B are provided with two analog-to-digital converters (ADCs) connected in parallel for the digital signal processor 250, respectively. In this case, the first and second analog-to-digital converters 230A and 230B are advantageous from the viewpoint of cost in comparison with the analog-to-digital converter (ADC). For example, the use of two 16-bit analog-to-digital converters (ADCs) can be advantageous in terms of cost compared to using a single high-performance analog-to-digital converter (ADC) of about 24 bits.

이와 같은 경우, 전자석 전원장치(100)의 디씨전류트랜스듀서단자(DCCT) (DCCT: DC Current Transducer)와 상기 제1아날로그 디지털 변환부(230A)의 입력단의 사이에 제1저역통과필터(210A)가 직렬로 연결되고, 마찬가지로 전자석 전원장치(100)의 디씨전압단자(V)와 제2아날로그 디지털 변환부(230B)의 입력단의 사이에 제2저역통과필터(210B)가 직렬로 연결된다.In this case, a first low-pass filter 210A is provided between the DC current transducer terminal DCCT (DCCT) of the electromagnet power supply 100 and the input terminal of the first analog-to-digital converter 230A, And a second low-pass filter 210B is connected in series between the DC voltage terminal V of the electromagnet power supply 100 and the input terminal of the second analog-to-digital converter 230B.

제1저역통과필터(210A)는 소정 주파수대(예: 4kHz, 8kHz)의 저역통과필터로서 상기 디씨전류트랜스듀서단자(DCCT)를 통해 상기 전자석 전원장치(100)로부터 공급되는 전류신호를 저역 필터링하여 높은 스위칭 주파수 주파수 대역에 혼입된 잡음 성분을 제거하는 역할을 한다. The first low-pass filter 210A low-pass filters the current signal supplied from the electromagnet power supply 100 through the DC current transducer terminal DCCT as a low-pass filter of a predetermined frequency band (for example, 4 kHz, 8 kHz) High switching frequency It serves to remove the noise component mixed into frequency band.

제1가산기(220A)는 인위적으로 설치된 것이 아니라, 전자석 전원장치(100)로부터 발생되는 백그라운드 노이즈가 제1저역통과필터(210A)의 출력신호에 혼입되는 것을 나타내기 위한 것이다. 따라서, 상기 제1가산기(220A)의 일측 단자에는 상기 제1저역통과필터(210A)의 출력신호가 입력되고, 타측 입력단자에 입력되는 노이즈 성분(en(t))은 전자석 전원장치(100)로부터 발생되는 백그라운드 노이즈가 입력된다. 제1가산기(220A)를 통해 혼입된 노이즈 성분(en(t))은 후단의 제1,2아날로그 디지털 변환부(230A),(230B) 및 샘플링데이터 연산부(240)를 통해 제거된다. The first adder 220A is not provided artificially but is meant to indicate that the background noise generated from the electromagnet power supply 100 is mixed with the output signal of the first low pass filter 210A. An output signal of the first low pass filter 210A is input to one terminal of the first adder 220A and a noise component e n (t) input to the other input terminal of the electromagnet power supply apparatus 100 Is inputted. The noise components e n (t) mixed through the first adder 220A are removed through the first and second analog-to-digital converters 230A and 230B and the sampling data calculator 240 at the subsequent stage.

참고로, 전자석 전원장치(100)에 적용되는 종래의 아날로그 디지털 변환회로는 백그라운드 노이즈 성분을 고려하지 않은채 아날로그 디지털 변환기(ADC) 만을 이용하여 고분해능 성능을 구현하도록 되어 있다. 이에 비하여 본 발명의 실시예에서는 병렬 연결된 제1,2아날로그 디지털 변환부(230A),(230B) 및 샘플링데이터 연산부(240)를 이용하여 상기 노이즈 성분(en(t))을 줄일 수 있도록 하였다.For reference, a conventional analog-to-digital conversion circuit applied to the electromagnet power supply apparatus 100 is designed to realize high-resolution performance using only an analog-to-digital converter (ADC) without considering a background noise component. In contrast, in the embodiment of the present invention, the noise components e n (t) can be reduced by using the first and second analog-digital converters 230A and 230B and the sampling data calculator 240 connected in parallel .

제1아날로그 디지털 변환부(230A)는 상기 제1저역통과필터(210A)를 통해 공급되는 전자석 전원장치(100)의 출력 전압, 출력 전류의 아날로그의 신호를 '0'과'1'로 이루어진 디지털 신호로 변환한다. 이때, 상기 제1아날로그 디지털 변환부(230A)는 샘플링(Sampling) 과정에서 원하는 대역보다 높은 샘플링 비율로 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.The first analog-to-digital converter 230A converts an analog signal of an output voltage and an output current of the electromagnet power supply 100 supplied through the first low-pass filter 210A into a digital signal of '0' and '1' Signal. At this time, the first analog-to-digital converter 230A converts an analog signal into a digital signal at a sampling rate higher than a desired band in a sampling process.

제2저역통과필터(210B)는 상기 전자석 전원장치(100)의 디씨전압단자(V)를 통해 상기 전자석 전원장치(100)로부터 읽어들인 전압을 대상으로 상기 제1저역통과필터(210A)와 동일한 기능을 수행하고, 제2아날로그 디지털 변환부(230B)는 상기 디씨전압단자(V)를 통해 읽어들인 전압을 대상으로 상기 제1아날로그 디지털 변환부(230A)와 동일한 기능을 수행한다.The second low-pass filter 210B is connected to the first low-pass filter 210A via the DC voltage terminal V of the electromagnet power supply 100, And the second analog-to-digital converter 230B performs the same function as the first analog-to-digital converter 230A with respect to the voltage read through the DC voltage terminal (V).

이를 위해, 상기 제1아날로그 디지털 변환부(230A)는 200kHz의 SOC(Start Of Conversion) 클럭신호를 이용하여, 디씨전류트랜스듀서단자(DCCT)를 통해 공급되는 상기 전자석 전원장치(100)의 출력전류를 연속적으로 샘플링한다. 마찬가지로, 상기 제2아날로그 디지털 변환부(230B)는 상기 SOC 클럭신호를 이용하여, 디씨전압단자(V)를 통해 공급되는 상기 전자석 전원장치(100)의 출력전압을 연속적으로 샘플링한다. To this end, the first analog-to-digital converter 230A uses the SOC (Start Of Conversion) clock signal of 200 kHz to output the output current of the electromagnet power supply 100 supplied through the DC current transducer terminal DCCT Are continuously sampled. Similarly, the second analog-to-digital converter 230B successively samples the output voltage of the electromagnet power supply 100 supplied through the DC voltage terminal V using the SOC clock signal.

디지털 회로부(200B)는 상기와 같은 아날로그 회로부(200A)에 대응하여, 샘플링데이터 연산부(240) 및 디지털신호처리기(250)를 구비한다. 상기 샘플링데이터 연산부(240)를 구현하는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 FPGA(Feld Pogrammable Gate Aray)상에 구축된 것을 예로 하여 설명한다.The digital circuit portion 200B includes a sampling data operation portion 240 and a digital signal processor 250 corresponding to the analog circuit portion 200A. There may be various methods of implementing the sampling data operation unit 240. In an embodiment of the present invention, an example is described in which an FPGA (Field Programmable Gate Array) is constructed.

일반적으로, 전자석 전원장치(100)에는 백그라운드 노이즈(background noise)가 존재한다. 이에 대응하여, 아날로그 회로부(200A)가 상기와 같이 병렬 연결된 제1,2아날로그 디지털 변환부(230A),(230B)를 구비하여 많은 양의 계산을 하거나 많은 함수들을 짧은 시간 내에 처리하여 그에 따른 많은 양의 결과 데이터를 출력하고, 이들로부터 출력되는 많은 양의 결과 데이터들을 디지털신호처리기(250)가 단독으로 처리하는 데에는 무리가 따른다. 즉, 고 분해능 및 고 정밀을 위한 전자석 전원장치(100)를 개발하여 높은 SNR과 높은 분해능을 얻고자 하는 경우, 요구된 수준의 높은 분해능을 갖는 한 개의 아날로그 디지털 변환기에서 출력되는 상기 결과 데이터들을 상기 디지털신호처리기(250)가 단독으로 처리하는 데에는 무리가 따른다. 이를 감안하여, 본 실시예에서는 상기 디지털신호처리기(250)의 전단에 샘플링데이터 연산부(240)를 구비하여 다음과 같이 데이터를 처리한다. Generally, background noise exists in the electromagnet power supply 100. [ In response to this, the analog circuit unit 200A includes the first and second analog-to-digital conversion units 230A and 230B connected in parallel as described above to perform a large amount of calculations or to process a large number of functions in a short time, It is difficult for the digital signal processor 250 to process a large amount of result data output from the digital signal processor 250 alone. That is, when the electromagnet power supply 100 for high resolution and high precision is developed to obtain high SNR and high resolution, the result data output from one analog digital converter having a high level of resolution, It is difficult to process the digital signal processor 250 alone. In consideration of this, in the present embodiment, the sampling data operation unit 240 is provided at the previous stage of the digital signal processor 250 to process data as follows.

샘플링데이터 연산부(240)는 상기 아날로그 회로부(200A)의 병렬 연결된 제1,2아날로그 디지털 변환부(230A),(230B)로부터 공급되는 전자석 전원장치(100)의 전자석의 전압, 전류 및 DC 링크 전압에 관련된 많은 데이터들을 병렬 구조로 연산한다. 이때, 상기 샘플링데이터 연산부(240)는 상기와 같은 오버 샘플링 데이터들을 요구된 제어주기 내에 연산할 수 있다. 샘플링데이터 연산부(240)는 아날로그 디지털 변환기(ADC)에서 얻어진 오버샘플링된 데이터들을 합(sunmming)과 버림(decimation)과 같은 디지털신호의 연산처리를 통해 신호대 잡음비(SNR)를 높일 수 있고, 이에 의해 제1아날로그 디지털 변환부(230A)의 분해능의 유효 비트를 증가시킬 수 있다. The sampling data operation unit 240 calculates the voltage and current of the electromagnet of the electromagnet power supply apparatus 100 supplied from the first and second analog digital conversion units 230A and 230B connected in parallel to the analog circuit unit 200A, In a parallel manner. At this time, the sampling data operation unit 240 can calculate the oversampling data within the required control period. The sampling data operation unit 240 can increase a signal-to-noise ratio (SNR) by performing a digital signal operation process such as summing and decimation of oversampled data obtained by an analog-to-digital converter The effective bit of the resolution of the first analog-to-digital converter 230A can be increased.

여기서, 오버샘플링이란 전자석 전원장치(100)에 대한 제어주기 내에서 제1,2아날로그 디지털 변환부(230A),(230B)의 아날로그 디지털 변환기(ADC)가 샘플링 데이터를 출력하고, 샘플링데이터 연산부(240)는 상기 샘플링 데이터의 값을 평균처리하여 노이즈가 줄어들고 분해능이 향상되는데, 이와 같은 데이터 처리방법을 의미한다. 즉, 이와 같은 오버 샘플링은 시간에 따라 이웃한 샘플들을 더하고 나누는 방식으로 구현된다. 오버샘플링 주파수는 상기 제1,2아날로그 디지털 변환부(230A),(230B)의 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 A/D 변환율(Throughput Rate)에 맞게 최대로 사용가능하고, 주파수가 변한다 해도 샘플링 신호의 최대 복원 대역폭은 유지된다. 샘플이 많을수록(오버 샘플링 배율이 높을수록) 데이터의 평균값에 가까운 값을 얻을 수 있게 된다. 이는 SNR이 높아짐을 의미한다. 이때, 데이터를 평균처리하기 위해 2의 배수로 나누는 과정에서 버림(decimation)된 숫자들은 지우지 않는다. 대신 정수 1 미만의 매우 작은 값들은 합쳐져서 오버샘플링으로 인한 추가 비트를 향상시키는데 이용된다.Here, oversampling means that the analog-to-digital converter (ADC) of the first and second analog-to-digital converters 230A and 230B outputs the sampling data within the control period for the electromagnet power supply 100, 240 average the values of the sampling data to reduce the noise and improve the resolution, which means the data processing method. That is, such oversampling is implemented by adding and dividing neighboring samples over time. The oversampling frequency can be maximally used in accordance with the A / D conversion rate (throughput rate) of the analog-to-digital converter (ADC) of the first and second analog digital converters 230A and 230B, The maximum restoration bandwidth of < RTI ID = 0.0 > The more samples (the higher the oversampling factor), the closer to the average value of the data. This means that the SNR is increased. At this time, the decimated numbers are not erased in the process of dividing the data by a multiple of 2 in order to average process. Instead, very small values less than the integer 1 are used to combine to improve additional bits due to oversampling.

샘플링데이터 연산부(240)에서 상기와 같은 오버 샘플링에 의해 통상의 n 비트가 n 엑스트라(n extra) 비트만큼 추가된다. 상기 추가된 비트는 상기 오버 샘플링시 버려지는 데이터도 사용되므로 해당 비트만큼 분해능이 향상된 결과를 얻게 된다. 상기와 같은 오버 샘플링을 이용하여 노이즈가 많은 환경에서도 노이즈를 최소화 하면서 높은 분해능을 가질 수 있다. 상기 오버 샘플링된 데이터에 의해 다음의 [표 1]과 같이 분해능이 향상되고 SNR이 개선된다. 예를 들어, 오버샘플링 배율이 32일 경우, 버림(decimation)을 사용하지 않으면 4 bit, 버림을 사용하면 3 bit의 추가 bit를 얻을 수 있다. In the sampling data operation unit 240, the normal n bits are added by n extra bits by the above-mentioned oversampling. Since the added bits are also used for discarding data during the oversampling, a result of improving the resolution by a corresponding bit is obtained. By using the above-mentioned oversampling, it is possible to have a high resolution while minimizing noise even in a noisy environment. The oversampled data improves the resolution and the SNR as shown in Table 1 below. For example, if the oversampling factor is 32, you can get 4 bits if you do not use decimation and 3 bits if you use truncation.

Figure 112016097271805-pat00001
Figure 112016097271805-pat00001

상기 추가된 비트란 상기 샘플링데이터 연산부(240)에서 오버샘플링에 의해 늘어난 분해능에 해당되는 비트를 의미한다. 예를 들어, 제1아날로그 디지털 변환부(230A)의 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 분해능이 16비트이지만, 오버샘플링에 의하여 샘플링데이터 연산부(240)에서 분해능이 18비트로 변화된 경우 상기 추가된 비트는 2비트가 된다.The added bit means a bit corresponding to the resolution increased by oversampling in the sampling data operation unit 240. [ For example, if the resolution of the analog-to-digital converter (ADC) of the first analog-to-digital converter 230A is 16 bits but the resolution of the sampling data calculator 240 is changed to 18 bits by oversampling, Bit.

디지털신호처리기(250)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신을 통해 상기 위칭 소자(SW1,SW2),(SW3,SW4)의 매 스위칭 주기마다 상기 샘플링데이터 연산부(240)로부터 연산 결과를 공급받아 이를 근거로 상기 스위칭 소자(SW1,SW2), (SW3,SW4)의 스위칭 구동을 제어하기 위한 스위칭제어신호(S1,S2),(S3,S4)를 출력한다. 이에 따라, 상기 스위칭 소자(SW1,SW2),(SW3,SW4)가 도 1b에서와 같은 주기로 턴온 또는 턴오프된다. 상기 샘플링데이터 연산부(240)와 디지털신호처리기(250)는 동기화되어 있어 이들 간의 데이터 손실이 발생되지 않는다.The digital signal processor 250 receives the operation result from the sampling data operation unit 240 at every switching period of the switching elements SW1, SW2, SW3, SW4 through SPI (Serial Peripheral Interface) communication, S2 and S3 for controlling the switching operation of the switching elements SW1, SW2, SW3 and SW4. Accordingly, the switching elements SW1, SW2, SW3, SW4 are turned on or off at the same cycle as in Fig. 1B. The sampling data operation unit 240 and the digital signal processor 250 are synchronized so that no data loss occurs between them.

도 3은 한 번의 제어주기(Tc=40μs) 내에서, 제1,2아날로그 디지털 변환부(230A), (230B)에서 8번의 ADC 샘플링 채널이 동작하는 것을 알 수 있다. 제1,2아날로그 디지털 변환부(230A),(230B)는 8번의 샘플링 연산을 수행하고, 마지막인 8번째 샘플링 연산이 수행된 후 샘플링데이터 연산부(240)는 8번의 샘플링 연산에 대한 평균 샘플링 데이터를 구하여 디지털신호처리기(250)에 전송한다. 이때, 상기 디지털신호처리기(250)는 상기 전자석 전원장치(100)의 전류 제어를 위한 인터럽트신호를 발생한다. 따라서, 상기 전자석 전원장치(100)에 대한 매 제어주기 직후에 상기 평균 샘플링 데이터를 사용하여 전류 및 전압의 PI 제어가 가능하게 된다.FIG. 3 shows that eight ADC sampling channels operate in the first and second analog-to-digital converters 230A and 230B within one control period (Tc = 40 μs). The first and second analog digital converters 230A and 230B perform eight sampling operations and the eighth sampling operation is performed after the last sampling operation. The sampling data operation unit 240 then calculates the average sampling data And transmits the digital signal to the digital signal processor 250. At this time, the digital signal processor 250 generates an interrupt signal for current control of the electromagnet power supply 100. Therefore, PI control of current and voltage can be performed using the average sampling data immediately after every control period for the electromagnet power supply apparatus 100.

상기 전자석 전원장치(100)에서 전류 또는 전압의 변환이 시작되는 n번째 제어주기에 도달될 때 마다 상기 샘플링데이터 연산부(240)가 합(sunmming)과 버림(decimation)과 같은 디지털신호의 처리(오버샘플링기법)을 통해 신호대 잡음비(SNR)를 높일 수 있고, 이에 의해 아날로그 디지털 변환회로(200)의 분해능의 유효 비트가 증가된다. The sampling data operation unit 240 performs processing of digital signals such as sunmming and decimation every time the nth control period at which the conversion of current or voltage starts in the electromagnet power supply apparatus 100 Sampling technique) can increase the signal-to-noise ratio (SNR), thereby increasing the effective bit of the resolution of the analog-to-digital conversion circuit 200.

도 4 및 도 5는 아날로그 디지털 변환회로(200)에 대한 유효 분해능 실험 결과를 나타낸 것이다. 이를 위해 상기 아날로그 디지털 변환회로(200)에서 1.5V의 전원을 안정되게 샘플링하고, 오버 샘플링의 K-facktor 값을 조절하면서 데이터 변환 성능을 확인하였다. 이때, 32 배 오버 샘플링한 경우 아날로그 전압 폭이 약 0.25 mV에서 2.4 mV로 약 7배 향상된 것을 알 수 있다. 이것은 SNR이 약 19.64dB 정도 향상된 것을 의미하며, 이론상의 값인 20dB와 비슷하다. 4 and 5 show experimental results of effective resolution for the analog-to-digital conversion circuit 200. As shown in FIG. For this, the analog-to-digital conversion circuit 200 stably samples the power of 1.5 V and verifies the data conversion performance while adjusting the K-facktor value of the oversampling. At this time, it can be seen that the analog voltage width is improved about 7 times from about 0.25 mV to 2.4 mV when 32 times oversampling is performed. This means that the SNR is improved by about 19.64dB, which is similar to the theoretical value of 20dB.

도 6의 (a)는 종래 기술에 의한 전자석 전원장치(100)의 숏 텀(short-term) 전류 안정도를 나타낸 파형도이고, 도 6의 (b)는 본 발명에 의한 전자석 전원장치(100)의 숏 텀 전류 안정도를 나타낸 파형도이다.6A is a waveform diagram showing a short-term current stability of the electromagnet power supply apparatus 100 according to the prior art, and FIG. 6B is a waveform diagram showing the short-term current stability of the electromagnet power supply apparatus 100 according to the present invention. Of the short-term current.

도 7은 본 발명에 의한 오버샘플링의 K-factor에 따른 ADC 출력 레벨을 나타낸 그래프이다.
7 is a graph illustrating an ADC output level according to a K-factor of oversampling according to the present invention.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, it should be understood that the scope of the present invention is not limited thereto. These embodiments are also within the scope of the present invention.

100 : 전자석 전원장치 110 : 정류부
120 : 스위칭부 130 : 전원공급부
140 : 전자석100: electromagnet power source device 110: rectifying part
120: switching unit 130: power supply unit
140: electromagnet

Claims (8)

병렬 연결된 복수 개의 아날로그 디지털 변환기를 이용하여, 제1저역통과필터를 통해 전자석 전원장치의 디씨전류트랜스듀서단자로부터 공급되는 아날로그의 전류신호를 디지털신호로 변환하는 제1아날로그 디지털 변환부;
병렬 연결된 복수 개의 아날로그 디지털 변환기를 이용하여, 제2저역통과필터를 통해 상기 디씨전류트랜스듀서단자와 연결된 디씨전압단자로부터 공급되는 아날로그의 전압을 디지털신호로 변환하는 제2아날로그 디지털 변환부;
상기 제1아날로그 디지털 변환부와 상기 제2아날로그 디지털 변환부로부터 공급되는 샘플링 데이터를 병렬로 연산처리하되, 오버샘플링된 데이터들을 합(sunmming)과 버림(decimation)을 포함하는 연산처리를 통해 신호대잡음비(SNR)를 향상시키는 샘플링데이터 연산부 및
상기 전자석 전원장치의 스위칭 소자의 매 스위칭 주기마다 상기 샘플링데이터 연산부로부터 공급되는 연산 결과를 근거로 상기 스위칭 소자의 스위칭 구동을 제어하기 위한 스위칭제어신호를 출력하는 디지털신호 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로.
A first analog-to-digital converter for converting an analog current signal supplied from the DC current transducer terminal of the electromagnet power supply apparatus into a digital signal through a first low-pass filter using a plurality of analog-to-digital converters connected in parallel;
A second analog-to-digital converter for converting an analog voltage supplied from a DC voltage terminal connected to the DC current transducer terminal through a second low-pass filter to a digital signal using a plurality of analog-to-digital converters connected in parallel;
Wherein the sampling data supplied from the first analog-to-digital conversion unit and the second analog-to-digital conversion unit are processed in parallel, and the oversampled data is subjected to arithmetic processing including summing and decimation, A sampling data operation unit for improving the signal-to-noise ratio (SNR)
And a digital signal processor for outputting a switching control signal for controlling the switching operation of the switching element based on the operation result supplied from the sampling data operation unit at every switching period of the switching element of the electromagnet power source apparatus Analog-to-digital conversion circuit for electromagnet power supplies.
제1항에 있어서, 상기 제1아날로그 디지털 변환부와 상기 제2아날로그 디지털 변환부는 아날로그 회로부에 설치되고, 상기 샘플링데이터 연산부와 상기 디지털신호 처리기는 디지털 회로부에 설치되며, 상기 아날로그 회로부와 상기 디지털 회로부는 서로 독립된 전원을 사용하는 것을 특징으로 하는 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로.
The digital-to-analog converter according to claim 1, wherein the first analog-to-digital converter and the second analog-to-digital converter are installed in an analog circuit unit, the sampling data calculator and the digital signal processor are installed in a digital circuit unit, Characterized in that a power source independent from each other is used.
제1항에 있어서, 상기 제1아날로그 디지털 변환부 및 상기 제2아날로그 디지털 변환부는 각각 원하는 대역보다 높은 샘플링 비율로 아날로그 신호를 샘플링하는 것을 특징으로 하는 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로.
The analog-to-digital converter according to claim 1, wherein the first analog-to-digital converter and the second analog-to-digital converter each sample an analog signal at a sampling rate higher than a desired band.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 병렬 연결된 아날로그 디지털 변환기의 개수는 상기 전자석 전원장치에 대한 제어주기 시간내에 요구되는 전류 또는 전압 데이터량이 많을수록 증가되는 것을 특징으로 하는 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로.
2. The analog-to-digital converter as claimed in claim 1, wherein the number of parallel-connected analog-to-digital converters increases as the amount of current or voltage data required in the control cycle time for the electromagnet power supply increases.
제1항에 있어서, 상기 샘플링데이터 연산부는
FPGA(Feld Pogrammable Gate Aray)상에 구축된 것을 특징으로 하는 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로.
The apparatus of claim 1, wherein the sampling data operation unit
Wherein the analog to digital conversion circuit is constructed on an FPGA (Feld Pogrammable Gate Array).
제1항에 있어서, 상기 샘플링데이터 연산부는
상기 제1아날로그 디지털 변환부 및 상기 제2아날로그 디지털 변환부로부터 공급되는 오버 샘플링 데이터들을 요구된 제어주기 내에 연산하는 것을 특징으로 하는 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로.
The apparatus of claim 1, wherein the sampling data operation unit
And the oversampling data supplied from the first analog-to-digital converter and the second analog-to-digital converter are calculated within a required control period.
제1항에 있어서, 상기 디지털신호처리기는
SPI(Serial Peripheral Interface) 통신을 통해 상기 스위칭 소자의 매 스위칭 주기마다 상기 샘플링데이터 연산부로부터 연산 결과를 공급받는 것을 특징으로 하는 전자석 전원장치를 위한 아날로그 디지털 변환회로.
2. The apparatus of claim 1, wherein the digital signal processor
And an operation result is supplied from the sampling data operation unit at every switching period of the switching element through SPI (Serial Peripheral Interface) communication.
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