JP2008104244A - 直流チョッパ - Google Patents

Abstract

【課題】リアクトル電流が零電流になる期間がある場合も高い精度、高速応答で電流制御ができる。
【解決手段】Ａ／Ｄ変換器８は、リアクトル４の検出電流ＩｓをＰＷＭ制御の搬送波に同期した周期でサンプリングし、ＡＤ変換した電流Ｉｄｅｔ１を得る。アナログ低域通過フィルタ１０は検出電流Ｉｓから低周波電流成分を抽出する。Ａ／Ｄ変換器１１はフィルタを通した電流をＰＷＭ制御の搬送波に同期した周期でサンプリングし、Ａ／Ｄ変換した電流Ｉｄｅｔ２を得る。デジタル制御回路９は、電流Ｉｄｅｔ１からデジタル低域通過フィルタで低周波電流成分を抽出し、この電流と電流Ｉｄｅｔ２の偏差を該電流Ｉｄｅｔ１に加算して検出電流Ｉｄｅｔとする。デジタル制御回路は比例微分制御器と積分制御器に分離構成し、検出電流Ｉｄｅｔを基にした比例微分制御と、電流Ｉｄｅｔ２を基にした積分制御をする。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流チョッパに係り、特にデジタル電流制御装置に関する。

図５は従来の直流チョッパの回路構成例を示す。直流電源１を電源とし、スイッチ２を一定周波数でオン・オフ制御し、直流リアクトルを通して負荷としての電池３を充電する。スイッチ２のオン期間には直流電源１からリアクトル４の経路で電池３に充電電流を流し、スイッチ２のオフ期間にはリアクトル４に蓄積された電気エネルギーを電源として、還流ダイオード５からリアクトル４の経路で電池３に充電電流を流す。６は平滑コンデンサである。

チョッパの電流制御回路は、デジタル制御方式でスイッチ２のオン・オフ比を制御し、電池３の充電電流を制御する。電流検出器７はリアクトル４の電流を検出し、この検出電流ＩｓをＡ／Ｄ変換器８でデジタル値Ｉｄｅｔに変換し、デジタル制御回路９はデジタル値Ｉｄｅｔと充電電流指令値（出力電流指令値）との偏差を求め、この偏差に応じてオン・オフ比を制御したＰＷＭ（パルス幅変調）波形をスイッチ２のゲート信号とする。

図６はチョッパの電流制御回路の制御ブロック図を示す。Ａ／Ｄ変換器８では検出電流Ｉｓをサンプルホールド回路ＳＨでサンプリングし、Ａ／Ｄ変換回路でデジタル値の検出電流Ｉｄｅｔに変換する。デジタル制御回路９では、検出電流Ｉｄｅｔと充電電流指令（デジタル値）との偏差を求め、この偏差を制御器ＰＩＤでデジタル的に比例積分微分の演算をし、この演算結果をオン・オフ指令としてＰＷＭ制御部で搬送波と比較することでＰＷＭ波形のゲート信号を得る。

以上の構成になる直流チョッパにおいて、スイッチ２のオン・オフ制御によってリアクトル４に流れる電流は搬送波周波数のリプル電流成分を含む波形となる。また、電池３の充電電流はリアクトル電流の平均値となる。電池３の充電電流を電流指令値に応じて制御するには、リアクトル電流の平均値を高速かつ正確に検出する必要がある。

デジタル電流制御では電流を離散的にサンプリングするが、リアクトル電流の平均値を正確に検出する手法として、搬送波の頂点でサンプリングすることにより、リプル電流による変動分を相殺した平均値をサンプリングできる（例えば、特許文献１参照）。

このサンプリング手法を図７で説明する。ＰＷＭ変調には搬送波と信号波とのレベル比較によってスイッチ２のオン・オフゲート信号を生成し、このゲート信号によるスイッチ２のオン期間ではリアクトル電流が上昇し、オフ期間ではリアクトル電流が下降する。したがって、リアクトル電流波形は搬送波信号に同期したリプルを含む波形になり、このリプル波形の零点が搬送波の頂点のタイミングになる。そこで、搬送波の頂点タイミングで電流検出信号Ｉｓをサンプルホールドすることでリアクトル電流の平均値を正確に検出できる。
特開２００４−１５９４９号公報

前記のリアクトル電流のサンプリング手法において、図８のようにリアクトル電流が零電流となる期間がない電流連続モードの場合は、搬送波の頂点で電流をサンプリングすることによってリアクトル電流の平均値を正確に検出することができる。

しかし、図８に示すように、充電電流が小さく、リアクトル電流が零になる期間がある電流不連続モードになった場合、搬送波の頂点で電流サンプリングしても、リアクトル電流の平均値を検出することができず、電流制御精度が悪化するという問題があった。

本発明の目的は、リアクトル電流が零電流になる期間がある場合も高い精度、高速応答で電流制御ができるデジタル電流制御装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、リアクトル電流検出値Ｉｓに含まれるＰＷＭ搬送波成分を除去した電流Ｉｄｅｔ２を検出し、リアクトル電流検出値Ｉｓ含まれる低周波電流成分と電流Ｉｄｅｔ２との偏差で検出電流Ｉｄｅｔを補正すること、さらにデジタル制御回路の比例積分微分制御器を比例微分制御器と積分制御器に分離構成し、検出電流Ｉｄｅｔを基にした比例微分制御と、電流Ｉｄｅｔ２を基にした積分制御をするもので、以下の構成を特徴とする。

（１）オン／オフ制御されるスイッチと直流リアクトルによってチョッパ動作を得、前記リアクトルの検出電流Ｉｄｅｔと出力電流指令との偏差を基にしたデジタル演算によって前記スイッチのオン／オフをＰＷＭ制御する直流チョッパであって、
前記リアクトルの検出電流ＩｓをＰＷＭ制御の搬送波に同期した周期でサンプリングし、ＡＤ変換した電流Ｉｄｅｔ１を得る第１のＡ／Ｄ変換器と、
前記リアクトルの検出電流Ｉｓから低周波電流成分を抽出するアナログ低域通過フィルタと、
前記アナログ低域通過フィルタを通した電流をＰＷＭ制御の搬送波に同期した周期でサンプリングし、Ａ／Ｄ変換した電流Ｉｄｅｔ２を得る第２のＡ／Ｄ変換器と、
前記電流Ｉｄｅｔ１からデジタル低域通過フィルタで低周波電流成分を抽出し、この電流と前記電流Ｉｄｅｔ２の偏差を該電流Ｉｄｅｔ１に加算して前記検出電流Ｉｄｅｔとするデジタル制御回路とを備えたことを特徴とする。

（２）前記デジタル制御回路は、
前記検出電流Ｉｄｅｔと前記出力電流指令との偏差を比例微分演算する比例微分制御器と、
前記電流Ｉｄｅｔ２と前記出力電流指令との偏差を積分演算する積分制御器と、
前記両制御器の制御出力を加算した信号を基に前記スイッチのＰＷＭ制御信号を得るＰＷＭ制御部とを備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、リアクトル電流検出値Ｉｓに含まれるＰＷＭ搬送波成分を除去した電流Ｉｄｅｔ２を検出し、リアクトル電流検出値Ｉｓ含まれる低周波電流成分と電流Ｉｄｅｔ２との偏差で検出電流Ｉｄｅｔを補正することにより、瞬時に電流Ｉｓが変化した場合は電流Ｉｄｅｔ１によって追従し、定常的には電流Ｉｄｅｔ１のデジタル低域通過フィルタを通した値と電流Ｉｄｅｔ２による補正で電流制御の偏差を抑制することができ、リアクトル電流が零電流になる期間がある場合も高い精度、高速応答で電流制御ができる。

また、デジタル制御回路の比例積分微分制御器を比例微分制御器と積分制御器に分離構成し、検出電流Ｉｄｅｔを基にした比例微分制御と、電流Ｉｄｅｔ２を基にした積分制御をすることにより、比例微分制御器には電流Ｉｓに高速に応答するＩｄｅｔが入力されるため、高応答な特性を実現できると同時に、積分制御器には電流Ｉｓを高精度に検出した電流Ｉｄｅｔ２が入力されるため高精度な電流制御が実現できる。

（実施形態１）
本実施形態の回路構成図を図１に示し、図２にその制御ブロック図、図３に各部波形を示す。

図１が図５と異なる部分は、電流制御回路にアナログ低域通過フィルタ１０とＡ／Ｄ変換器１１を付加し、デジタル制御回路９に演算機能を付加した点にある。アナログ低域通過フィルタ１０は、電流検出器７で検出するリアクトル４の電流ＩｓからＰＷＭ搬送波の周波数成分を含めた高周波成分を除去した低周波の電流を抽出する。Ａ／Ｄ変換器１１はフィルタ１０で抽出した低周波の電流をＰＷＭ制御の搬送波に同期した周期でサンプリングし、Ａ／Ｄ変換する。デジタル制御回路９は、Ａ／Ｄ変換器８で変換した電流Ｉｄｅｔ１と、Ａ／Ｄ変換器１１で変換した低周波の電流Ｉｄｅｔ２を基に電流Ｉｄｅｔ１を補正してリアクトルの検出電流Ｉｄｅｔとする。

この補正処理は、図２に示すように、電流Ｉｄｅｔ１に含まれる低周波成分をデジタル低域通過フィルタＬＰＦで抽出し、これとＡ／Ｄ変換器１１から得る電流Ｉｄｅｔ２との差分を求め、この差分を電流Ｉｄｅｔ１に加算し、この加算値をリアクトル電流の検出電流Ｉｄｅｔとする。

以上の構成になる電流制御回路において、補正処理をしない場合は、電流Ｉｄｅｔ１はＰＷＭ搬送波の頂点でサンプリングしたデジタル電流値であるが、図３に示すように、電電流指令値が低い電流不連続モードでは平均値をサンプリングすることができずに、検出精度が悪化する。一方、電流Ｉｄｅｔ２は、アナログ低域通過フィルタ１０を通した後にサンプリングした電流値であり、リアクトル電流の変化に対する追従性は良くないが高精度である。

したがって、電流Ｉｄｅｔ１，Ｉｄｅｔ２には、図３に示すように偏差が生じる。この偏差を解消するために、図２の構成で、電流Ｉｄｅｔ１をデジタル低域通過フィルタＬＰＦを通した後の電流とＩｄｅｔ２の偏差で補正し、ＰＩＤ制御器に入力する電流検出値Ｉｄｅｔとすることにより、電流Ｉｄｅｔ１に含まれる誤差分を補正することができる。

ここで、電流Ｉｄｅｔ１，Ｉｄｅｔ２はそれぞれ以下の特性を有する。

Ｉｄｅｔ１…検出精度は低いが、リアクトル電流Ｉｓに対して応答性が高い。

Ｉｄｅｔ２…応答は低速であるが、検出精度が高い。

よって、瞬時に電流Ｉｓが変化した場合は電流Ｉｄｅｔ１によって追従し、定常的には電流Ｉｄｅｔ１のデジタル低域通過フィルタＬＰＦを通した値と、アナログ低域通過フィルタ１０で抽出した電流Ｉｄｅｔ２による補正によって、電流制御の偏差を抑制した、高速応答かつ高精度の電流制御を実現できる。

（実施形態２）
実施形態１では、低域通過型のアナログ及びデジタルフィルタを付加し、低域の検出電流を比較することで誤差補正を行い、電流制御精度の向上を図ることができるが、検出側の誤差補正による電流制御精度の向上にとどまる。

本実施形態は、デジタル制御回路の制御器における誤差補正も行うことで電流制御精度を一層向上するものである。

このための電流検出及び電流制御のブロック図を図４に示す。図４が図２と異なる部分は、制御器ＰＩＤを比例微分制御器ＰＤと積分制御器Ｉに分離した構成とし、比例微分制御器ＰＤには実施形態１と同様の構成によって補正した検出電流Ｉｄｅｔと充電電流指令の偏差を入力し、積分制御器Ｉには電流Ｉｄｅｔ２と充電電流指令値の偏差を入力し、両制御器ＰＤ，Ｉの出力を加算してＰＷＭ制御信号とする点にある。

本実施形態のＰＩＤ制御によれば、比例微分制御器ＰＤでは電流Ｉｓの変化に高速に応答する出力を得て高応答な特性を実現できる。同時に、積分制御器Ｉでは電流Ｉｓに含まれるリプル変動分を除去した電流の誤差分を補正する出力を得て高精度な電流制御を実現できる。

なお、実施形態１，２では降圧チョッパに適用する場合を示すが、一定周波数でスイッチング制御されるスイッチとリアクトルによってチョッパ動作し、リアクトル電流の検出を基に出力電流を制御する昇圧チョッパなど、他の直流チョッパに適用して同等の作用効果を得ることができる。

本発明の実施形態１を示す直流チョッパの回路構成図。 電流制御回路の制御ブロック図（実施形態１）。 リアクトル電流不連続モードでの各部波形図（実施形態１）。 本発明の実施形態２を示す電流制御回路の制御ブロック図。 直流チョッパの回路構成例（従来）。 チョッパの電流制御回路の制御ブロック図（従来）。 リアクトル電流連続モードでの各部波形図。 リアクトル電流不連続モードでの各部波形図。

符号の説明

１ 直流電源
２ スイッチ
３ 電池（負荷）
４ 直流リアクトル
７ 電流検出器
８、１１ Ａ／Ｄ変換器
９ デジタル制御回路
１０ アナログ低域通過フィルタ

Claims (2)

1. オン／オフ制御されるスイッチと直流リアクトルによってチョッパ動作を得、前記リアクトルの検出電流Ｉｄｅｔと出力電流指令との偏差を基にしたデジタル演算によって前記スイッチのオン／オフをＰＷＭ制御する直流チョッパであって、
   前記リアクトルの検出電流ＩｓをＰＷＭ制御の搬送波に同期した周期でサンプリングし、ＡＤ変換した電流Ｉｄｅｔ１を得る第１のＡ／Ｄ変換器と、
   前記リアクトルの検出電流Ｉｓから低周波電流成分を抽出するアナログ低域通過フィルタと、
   前記アナログ低域通過フィルタを通した電流をＰＷＭ制御の搬送波に同期した周期でサンプリングし、Ａ／Ｄ変換した電流Ｉｄｅｔ２を得る第２のＡ／Ｄ変換器と、
   前記電流Ｉｄｅｔ１からデジタル低域通過フィルタで低周波電流成分を抽出し、この電流と前記電流Ｉｄｅｔ２の偏差を該電流Ｉｄｅｔ１に加算して前記検出電流Ｉｄｅｔとするデジタル制御回路とを備えたことを特徴とする直流チョッパ。
2. 前記デジタル制御回路は、
   前記検出電流Ｉｄｅｔと前記出力電流指令との偏差を比例微分演算する比例微分制御器と、
   前記電流Ｉｄｅｔ２と前記出力電流指令との偏差を積分演算する積分制御器と、
   前記両制御器の制御出力を加算した信号を基に前記スイッチのＰＷＭ制御信号を得るＰＷＭ制御部とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の直流チョッパ。

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