JP2011166892A - Digital control machine of power supply device - Google Patents

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Eiji Takegami
栄治 竹上
Satoshi Tomioka
聡 富岡
Koji Higuchi
幸治 樋口
Tatsuyoshi Kajikawa
竜義 梶川
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University of Electro Communications NUC
TDK Lambda Corp
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University of Electro Communications NUC
TDK Lambda Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a digital control machine of a power supply device which can effectively improve a characteristic of an abrupt change of a load more than before. <P>SOLUTION: The robust digital control machine 20 of the power supply device which converts an input voltage V<SB>i</SB>into an output voltage V<SB>o</SB>and supplies it to the load 3 includes a controller 22 which detects the output voltage V<SB>o</SB>and calculates an operation amount ξ<SB>1</SB>, and a PWM generator 23 which converts the operation amount ξ<SB>1</SB>into a signal for operating the power supply device. The controller 22 is constituted so that a characteristic of a transfer function W<SB>Qy</SB>(z) has a three-order differential characteristic by adding a delay factor that is a transfer function W<SB>Qy</SB>(z) from the equivalent disturbance Q of an input voltage variation and a load variation to the output voltage V<SB>o</SB>, the transfer function W<SB>Qy</SB>(z) being added with two zero points, and replacing feedforward from the equivalent disturbance Q with feedback from the output voltage V<SB>o</SB>and the operation amount ξ<SB>1</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば電力増幅器などの電源装置に組み込まれ、負荷に供給する出力電圧に対して制御を行なうディジタル制御器に関し、とりわけ広域な負荷変動や電源電圧変動に対しても、単独の構成で対応できる電源装置のディジタル制御器に関する。   The present invention relates to a digital controller that is incorporated in a power supply device such as a power amplifier and controls an output voltage supplied to a load. In particular, the present invention has a single configuration for a wide range of load fluctuations and power supply voltage fluctuations. The present invention relates to a digital controller of a power supply apparatus that can be used.

電力変換回路としてパルス幅変調(PWM)スイッチング回路を用いると共に、ノイズ除去のために電力変換回路と負荷との間にLCフィルタを挿入し、更に負荷に供給する出力電圧が指令信号に比例するようフィードバック制御系を構成したPWM電力増幅器が、電源装置として用いられている。このとき負荷の特性はキャパシティブからインダクティブと広く、大きさもゼロから最大定格までと大幅に変動する。そこで、このような広範な負荷変動に対しても、また直流電源の電圧変動に対しても、1個の制御器で対応できるいわゆるロバストなPWM電力増幅器が必要とされる。   A pulse width modulation (PWM) switching circuit is used as the power conversion circuit, and an LC filter is inserted between the power conversion circuit and the load to remove noise, and the output voltage supplied to the load is proportional to the command signal. A PWM power amplifier that constitutes a feedback control system is used as a power supply device. At this time, the load characteristics are wide from capacitive to inductive, and the magnitude varies greatly from zero to the maximum rating. Therefore, a so-called robust PWM power amplifier that can cope with such a wide range of load fluctuations and voltage fluctuations of a DC power supply with a single controller is required.

このようなPWM電力増幅器において、制御器へのノイズの影響を小さくするにはフィードバック信号が少ない方が好ましく、また電流検知センサは一般に高価であるため、電圧フィードバックのみを用いた制御器を得ることが望ましい。   In such a PWM power amplifier, it is preferable that the feedback signal is small in order to reduce the influence of noise on the controller, and since the current detection sensor is generally expensive, a controller using only voltage feedback is obtained. Is desirable.

そこで、上記要求を満たすPWM電力増幅器におけるロバストディジタル制御器の設計方法が、非特許文献1に提案されている。   Therefore, Non-Patent Document 1 proposes a robust digital controller design method in a PWM power amplifier that satisfies the above requirements.

ディジタルフィードバック制御系は、アナログフィードバック制御系よりも大きな入力無駄時間が生じる。この入力無駄時間は主にDSPの演算時間遅れや、アナログからディジタル(AD)への変換時間およびディジタルからアナログ(DA)への変換時間や、三角波比較部の遅れ等によるものである。この点に着目し、上記非特許文献1では、入力無駄時間と電流フィードバックの電圧フィードバックへの変換を考慮して、制御対象(PWM信号発生部と電力変換回路とLCフィルタ)を連続時間系より次数が2次高い離散時間系で表現し、これに対して与えられた目標特性を達成する状態フィードバック系の構成を提示している。またここでは、当該状態フィードバック系を電圧のみ用いた出力フィードバック系に等価変換した上で、この出力フィードバック系を近似して得られるロバスト補償器を結合すると、目標値と制御量および外乱と制御量の各特性を独立して制御する近似的2自由度のディジタルロバスト制御系が構成できると共に、このディジタルロバスト制御系を等価変換することで、電圧フィードバックのみを用いたディジタル積分形制御器が得られることを提示している。   The digital feedback control system has a larger input dead time than the analog feedback control system. This input dead time is mainly due to a delay in DSP calculation time, a conversion time from analog to digital (AD), a conversion time from digital to analog (DA), a delay in the triangular wave comparison unit, and the like. In consideration of this point, in Non-Patent Document 1 described above, the control target (PWM signal generation unit, power conversion circuit, and LC filter) is determined from a continuous time system in consideration of conversion of input dead time and current feedback into voltage feedback. A configuration of a state feedback system that represents a discrete time system whose order is second order higher and achieves a target characteristic given thereto is presented. Also, here, when the state feedback system is equivalently converted to an output feedback system using only voltage, and a robust compensator obtained by approximating this output feedback system is combined, the target value, control amount, disturbance, and control amount An approximately two-degree-of-freedom digital robust control system can be configured to control each characteristic independently, and a digital integral controller using only voltage feedback can be obtained by equivalently converting this digital robust control system Presents that.

しかし、非特許文献1では、一次近似モデルを実現する近似的な2自由度ロバストディジタル制御系の構成法が示されているが、こうした制御系を組み入れたロバストディジタル制御器では、近似度を上げると同時に制御入力を抑えるのが困難であった。そこで、誰でも容易に高近似で制御入力の大きさの考慮の必要のないロバストディジタル制御器の設計装置を提供する必要があった。   However, Non-Patent Document 1 shows a configuration method of an approximate two-degree-of-freedom robust digital control system that realizes a first-order approximation model. However, a robust digital controller incorporating such a control system increases the degree of approximation. At the same time, it was difficult to suppress the control input. Therefore, it is necessary for anyone to provide a design apparatus for a robust digital controller that can be easily approximated and does not require consideration of the size of the control input.

また、非特許文献1で提案した2自由度ロバストディジタル制御系に関し、ロバストディジタル制御器の近似度を上げる明確なパラメータの決定手段は示されていない。そのためパラメータの決定には多大な思考錯誤を必要とし、非常に手間がかかった。そこで誰でも容易に設計できる明確なパラメータの決定手段を示す必要があった。   Further, regarding the two-degree-of-freedom robust digital control system proposed in Non-Patent Document 1, no clear parameter determining means for increasing the degree of approximation of the robust digital controller is shown. Therefore, it took a lot of thought and error to determine the parameters, which was very time consuming. Therefore, it was necessary to show a clear parameter determination means that anyone could easily design.

上述した問題点を解決すべく、特許文献1には、近似度が高く、しかも制御入力の大きさを考慮する必要のない新規な2自由度ロバストディジタル制御系を組み込んだロバストディジタル制御器の設計装置が提案された。ここでは、目標値から出力電圧までの応答を決定するモデルマッチングシステムを想定し、そのシステムに逆システムとフィルタを接続してロバストなシステムを再構築することで、DC−DCコンバータを含むスイッチング電源装置に適用する2自由度ディジタル積分形制御器を得る手法が示されている。   In order to solve the above-described problems, Patent Document 1 discloses a design of a robust digital controller that incorporates a novel two-degree-of-freedom robust digital control system that has a high degree of approximation and that does not require consideration of the size of the control input. A device was proposed. Here, assuming a model matching system that determines a response from a target value to an output voltage, a switching power supply including a DC-DC converter is constructed by reconstructing a robust system by connecting an inverse system and a filter to the system. A technique for obtaining a two-degree-of-freedom digital integral controller applied to the apparatus is shown.

ところで近年は、負荷や入力電圧の急変による出力電圧の変動を抑える要求が一層厳しくなっており、DC−DCコンバータとしての仕様を満足させるのが困難になっている。そうした仕様を満足するために、別な特許文献2や非特許文献2には、等価外乱から出力電圧までの伝達関数に零点を一つ追加し、2次微分特性を実現した近似的自由度制御系も提案されている。   By the way, in recent years, demands for suppressing fluctuations in output voltage due to sudden changes in load and input voltage have become stricter, making it difficult to satisfy the specifications as a DC-DC converter. In order to satisfy such specifications, another patent document 2 and non-patent document 2 include an approximate freedom degree control in which a zero is added to a transfer function from an equivalent disturbance to an output voltage to realize a second-order differential characteristic. A system has also been proposed.

特開2006−50723号公報JP 2006-50723 A 国際公開第2008/072618号パンフレットInternational Publication No. 2008/072618 Pamphlet

樋口幸治,中野和司,荒木邦彌,茅野文穂,“電圧フィードバックのみを用いた近似的2自由度ディジタル積分形制御によるロバストPWM電力増幅器の設計”,電子情報通信学会論文誌,2002年10月,Vol.J-85-C,No.10,pp.1-11Koji Higuchi, Kazu Nakano, Kuniaki Araki, Fumiho Kanno, “Design of Robust PWM Power Amplifier by Approximate 2-DOF Digital Integral Control Using Only Voltage Feedback”, IEICE Transactions, 2002 10 Month, Vol.J-85-C, No.10, pp.1-11 竹上栄治,樋口幸治,中野和司,“二次微分外乱特性付加近似的2DOFディジタル制御器によるDC−DCコンバータのロバスト制御”,電気学会論文誌,2009年,Vol.129-D,No.12,pp.1137-1146Eiji Takegami, Koji Higuchi, Kazu Nakano, “Robust Control of DC-DC Converters Using Additional 2DOF Digital Controllers with Second-Order Differential Disturbance Characteristics”, IEEJ Transactions, 2009, Vol.129-D, No. 12, pp.1137-1146

上述した経緯によって、スイッチング電源装置などのロバスト制御を実現するディジタル制御器は、技術的な進歩を遂げてきたが、従来よりもさらに負荷急変特性や入力電圧特性を効果的に改善したディジタル制御器の開発が必要となってきた。   Although the digital controller that realizes robust control of switching power supply devices and the like has made technical progress due to the above-mentioned circumstances, the digital controller that has improved the load change characteristics and the input voltage characteristics more effectively than before. Development has become necessary.

そこで本発明は上記問題点に鑑み、従来よりも負荷急変特性や入力電圧特性を効果的に改善できる電源装置のディジタル制御器を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a digital controller for a power supply device that can effectively improve a sudden load change characteristic and an input voltage characteristic as compared with the prior art.

本発明は、入力電圧を出力電圧Voに変換して負荷に供給する電源装置のディジタル制御器であって、前記出力電圧Voを検出して操作量ξ1を算出するように構成された操作量演算部と、前記操作量ξ1を、前記電源装置を動作させるための信号に変換する信号生成部とを備え、前記入力電圧変動および負荷変動の等価外乱Qから出力電圧Voまでの伝達関数WQy(z)に零点を2つ追加した遅れ要素を接続し、前記等価外乱Qからのフィードフォワードを、前記出力電圧Voおよび前記操作量ξ1からのフィードバックで置き換えることで、前記等価外乱qyから前記出力電圧voの伝達特性が3次微分特性となるように、前記操作量演算部を構成したものである。 The present invention is a digital controller of a power supply device that converts an input voltage into an output voltage V o and supplies the same to a load, and is configured to detect the output voltage V o and calculate an operation amount ξ 1 . An operation amount calculation unit; and a signal generation unit that converts the operation amount ξ 1 into a signal for operating the power supply device, and includes an equivalent disturbance Q of the input voltage variation and load variation to an output voltage V o . By connecting a delay element obtained by adding two zeros to the transfer function W Qy (z) and replacing the feedforward from the equivalent disturbance Q with the feedback from the output voltage V o and the manipulated variable ξ 1 , The manipulated variable calculation unit is configured so that the transfer characteristic of the output voltage v o becomes a third-order differential characteristic from the equivalent disturbance qy.

この場合の操作量演算部は、次の式に従って   In this case, the manipulated variable calculator follows the following formula:

Figure 2011166892
Figure 2011166892

(但し、z=exp(jωt)、rは出力電圧voについての任意の目標値、k1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4は、予め設定された所定のパラメータである)前記操作量ξ1を算出するように構成するのが好ましい。 (Where z = exp (jωt), r is an arbitrary target value for the output voltage v o , k 1r , k 2r , k 3r , k 4r , k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , It is preferable that k 6 , k 7 , k 8 , k i1 , k i2 , k i3 , and k i4 are predetermined parameters set in advance) to calculate the manipulated variable ξ 1 .

さらに操作量演算部は、前記目標値rを入力として次の式に表される伝達関数Grを有する第1のディジタルフィルタと、 Further, the manipulated variable calculation unit has a first digital filter having a transfer function G r expressed by the following equation with the target value r as an input:

Figure 2011166892
Figure 2011166892

前記出力電圧Voを入力として次の式で表される伝達関数GVOを有する第2のディジタルフィルタと、 A second digital filter having the output voltage V o as an input and having a transfer function G VO represented by the following equation:

Figure 2011166892
Figure 2011166892

前記目標値rと前記出力電圧voとの偏差を入力として次の式で表される伝達関数Geを有する第3のディジタルフィルタと、 A third digital filter having a transfer function G e expressed by the following equation using a deviation between the target value r and the output voltage v o as an input;

Figure 2011166892
Figure 2011166892

前記第1乃至第3のディジタルフィルタからの各出力を加算して前記操作量ξ1を出力する加算器と、から構成するのが好ましい。 An adder that adds the outputs from the first to third digital filters to output the manipulated variable ξ 1 is preferable.

また前記操作量演算部は、前記目標値rを入力として前記パラメータk1r,k2r,k3r,k4rを掛け算する各フィードフォワード乗算器が接続され、前記出力電圧voを入力として前記パラメータk1,k2,k7,k8を掛け算する各フィードバック乗算器が接続されると共に、前記目標値rと前記出力電圧voとの偏差が減算器から第1の加算器に入力され、この第1の加算器からの出力が1サンプル時間遅らせる第1の遅延素子に入力され、この第1の遅延素子からの遅れ出力が、前記パラメータki1,ki2,ki3,ki4を掛け算する各乗算器と前記第1の加算器に入力され、前記パラメータki1の乗算器からの出力と、前記パラメータk1を掛け算するフィードバック乗算器からの出力と、前記パラメータk3,k4,k5,k6を掛け算する各フィードバック乗算器からの出力と、前記パラメータk1rのフィードフォワード乗算器からの出力が、第2の加算器で加算され、この第2の加算器で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第2の遅延素子に入力され、この第2の遅延素子からの遅れ出力が前記パラメータk6のフィードバック乗算器に入力され、前記第2の遅延素子からの遅れ出力と、前記パラメータk2のフィードバック乗算器からの出力と、前記パラメータk2rのフィードフォワード乗算器からの出力と、前記パラメータki2の乗算器からの出力とが、第3の加算器で加算され、この第3の加算器で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第3の遅延素子に入力され、この第3の遅延素子からの遅れ出力が前記パラメータk5のフィードバック乗算器に入力され、前記第3の遅延素子からの遅れ出力と、前記パラメータk8のフィードバック乗算器からの出力と、前記パラメータk3rのフィードフォワード乗算器からの出力と、前記パラメータki3の乗算器からの出力とが、第4の加算器で加算され、この第4の加算器で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第4の遅延素子に入力され、この第4の遅延素子からの遅れ出力が前記パラメータk4のフィードバック乗算器に入力され、前記第4の遅延素子からの遅れ出力と、前記パラメータk7のフィードバック乗算器からの出力と、前記パラメータk4rのフィードフォワード乗算器からの出力と、前記パラメータki4の乗算器からの出力とが、第5の加算器で加算され、この第5の加算器で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第5の遅延素子に入力され、この第5の遅延素子からの遅れ出力が、前記パラメータk3のフィードバック乗算器に入力されると共に前記操作量ξ1として出力されるよう構成されるのが好ましい。 The manipulated variable calculator is connected to each feedforward multiplier that multiplies the parameters k 1r , k 2r , k 3r , and k 4r with the target value r as an input, and receives the output voltage vo as the parameter. Each feedback multiplier that multiplies k 1 , k 2 , k 7 , and k 8 is connected, and a deviation between the target value r and the output voltage v o is input from the subtractor to the first adder, The output from the first adder is input to a first delay element that is delayed by one sample time, and the delayed output from the first delay element is multiplied by the parameters k i1 , k i2 , k i3 , and k i4 . And the first adder, the output from the multiplier for the parameter k i1 , the output from the feedback multiplier for multiplying the parameter k 1 , the parameters k 3 , k 4 , k 5 and k 6 The output from each feedback multiplier to be multiplied and the output from the feedforward multiplier of the parameter k 1r are added by the second adder, and the output added by the second adder is delayed by one sample time. The delay output from the second delay element is input to the feedback multiplier of the parameter k 6 , and the delay output from the second delay element is multiplied by the feedback multiplication of the parameter k 2 . The output from the multiplier, the output from the feed-forward multiplier with the parameter k 2r , and the output from the multiplier with the parameter k i2 are added by a third adder, and the addition is performed by the third adder. output that is input to the third delay element for delaying one sampling time, input delay output from the third delay element in the feedback multiplier of the parameter k 5 Is a delay output from the third delay element, an output from the feedback multiplier of the parameter k 8, the output from the feedforward multiplier of the parameter k 3r, from multiplier of the parameter k i3 The output is added by the fourth adder, and the output added by the fourth adder is input to a fourth delay element that delays by one sample time, and the delayed output from the fourth delay element is the parameter. is input to the feedback multiplier k 4, and delay output from the fourth delay element, an output from the feedback multiplier of the parameter k 7, the output from the feedforward multiplier of the parameter k 4r, the the output from the multiplier parameter k i4 is, are added in the fifth adder, a fifth delay element output obtained by adding in the fifth adder delays one sample time Is inputted, a delay output from the fifth delay element, preferably configured to output the as the manipulated variable xi] 1 is input to the feedback multiplier parameter k 3.

この場合の操作量演算部は、前記各フィードフォワード乗算器を省略して構成するのが好ましい。   In this case, the manipulated variable calculation unit is preferably configured by omitting each of the feedforward multipliers.

また前記操作量演算部は、前記パラメータk1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4のうちその値が小さく制御系に与える影響が小さいものを省略して構成するのが好ましい。 The manipulated variable calculation unit is configured to output the parameters k 1r , k 2r , k 3r , k 4r , k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 , k 7 , k 8 , k i1 , k It is preferable to omit the i2 , k i3 , and k i4 whose values are small and have little influence on the control system.

本発明の請求項1〜4によれば、等価外乱から出力電圧の伝達関数の特性が3次微分特性となるような操作量演算部を組み込むことで、電源装置の負荷急変や入力電圧急変時における出力電圧の変動特性を、従来よりも効果的に改善することができる。従って、電源装置として出力コンデンサの容量を小さくでき、小形,低コスト化につながる。   According to the first to fourth aspects of the present invention, by incorporating an operation amount calculation unit in which the characteristic of the output voltage transfer function becomes a third-order differential characteristic from an equivalent disturbance, when the load suddenly changes or the input voltage suddenly changes. The fluctuation characteristic of the output voltage at can be improved more effectively than before. Therefore, the capacity of the output capacitor as a power supply device can be reduced, leading to a reduction in size and cost.

また、本発明の請求項5,6によれば、演算処理の高速化や演算器の簡単化が可能となり、高速なディジタル制御を可能になる、又は演算器の構成を簡易なものとすることによりコストを抑制することができる。   According to claims 5 and 6 of the present invention, it is possible to speed up the arithmetic processing and simplify the arithmetic unit, to enable high-speed digital control, or to simplify the configuration of the arithmetic unit. Thus, the cost can be suppressed.

本発明の一実施例におけるディジタル制御器を含んだ電源装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the power supply device containing the digital controller in one Example of this invention. 同上、モデル化したDC−DCコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the modeled DC-DC converter. 同上、考慮すべき遅れ要素を接続した制御対象のブロック線図である。It is a block diagram of the controlled object which connected the delay element which should be considered same as the above. 同上、等価外乱からのフィードフォワードを図3のシステムに付加したブロック線図である。FIG. 4 is a block diagram in which feed forward from equivalent disturbance is added to the system of FIG. 3. 同上、図4を等価変換したブロック線図である。FIG. 5 is a block diagram obtained by equivalently converting FIG. 4. 同上、図3のシステムに状態フィードバック則とフィードフォワード則を適用したブロック線図である。FIG. 4 is a block diagram in which a state feedback law and a feed forward law are applied to the system of FIG. 同上、図5と図6に示す各システムを組み合わせた制御器の構成を示すブロック線図である。FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a controller in which the systems shown in FIGS. 5 and 6 are combined. 同上、伝達関数Wry(z),WQy(z)を含むシステムに、逆システムとフィルタを結合した実現可能な系のブロック線図である。FIG. 6 is a block diagram of a feasible system in which a reverse system and a filter are coupled to a system including transfer functions W ry (z) and W Qy (z). 同上、図8に示す系を等価変換して得られた近似的2自由度ディジタル積分型制御系のブロック線図である。FIG. 9 is a block diagram of an approximate two-degree-of-freedom digital integration control system obtained by equivalently converting the system shown in FIG. 同上、シミュレーション結果の一例として、等価外乱と出力との間の伝達関数に関する周波数−ゲイン特性を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing frequency-gain characteristics regarding a transfer function between an equivalent disturbance and an output as an example of a simulation result. 同上、シミュレーション結果の一例として、負荷の抵抗値を急変させたときの出力電圧の変動特性を示す波形図である。FIG. 6 is a waveform diagram showing output voltage fluctuation characteristics when the load resistance value is suddenly changed as an example of the simulation result. 同上、実験結果の一例として、負荷の抵抗値を急変させたときの出力電圧の変動特性を示す波形図である。FIG. 6 is a waveform diagram showing output voltage fluctuation characteristics when the load resistance value is suddenly changed as an example of the experimental results.

以下、添付図面を参照しながら、本発明におけるディジタル制御器の好ましい実施例を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of a digital controller according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

先ず、図1に基づき、本発明におけるディジタル制御器を搭載した電源装置の概略構成を説明する。同図において、1は直流電源、2は直流電源1からの入力電圧Viを出力電圧Voに変換するDC−DCコンバータで、当該出力電圧Voは負荷3に供給される。DC−DCコンバータ2は、例えばMOS型FETからなるスイッチング素子5と、整流素子であるダイオード6と、転流素子であるダイオード7と、チョークコイル8と、平滑コンデンサ9とからなる降圧型コンバータで構成され、チョークコイル8と平滑コンデンサ9は、キャリアおよびスイッチングノイズ除去のためのフィルタとして機能する。 First, a schematic configuration of a power supply apparatus equipped with a digital controller according to the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, 1 is a DC power source, and 2 is a DC-DC converter that converts an input voltage V i from the DC power source 1 into an output voltage V o , and the output voltage V o is supplied to a load 3. The DC-DC converter 2 is a step-down converter including a switching element 5 made of, for example, a MOS FET, a diode 6 that is a rectifying element, a diode 7 that is a commutation element, a choke coil 8, and a smoothing capacitor 9. The choke coil 8 and the smoothing capacitor 9 are configured to function as a filter for removing carrier and switching noise.

スイッチング素子5は、後述するドライバ回路13からのスイッチング信号によって、オンまたはオフにスイッチング動作する。そのためスイッチング素子5がオンすると、ダイオード6がオンし、ダイオード7がオフすることにより、直流電源1からダイオード6を通してチョークコイル8に電流が流れ、このチョークコイル8にエネルギーが蓄えられる一方で、スイッチング素子5がオフすると、ダイオード6がオフし、ダイオード7がオンすることにより、チョークコイル8に蓄えていたエネルギーが、ダイオード7を通して平滑コンデンサ9や抵抗3に送り出される動作が繰り返され、それにより入力電圧Viよりも低い出力電圧Voを負荷3に供給できるようになっている。 The switching element 5 is switched on or off by a switching signal from a driver circuit 13 described later. Therefore, when the switching element 5 is turned on, the diode 6 is turned on and the diode 7 is turned off, whereby a current flows from the DC power source 1 through the diode 6 to the choke coil 8 and energy is stored in the choke coil 8 while switching. When the element 5 is turned off, the diode 6 is turned off and the diode 7 is turned on, so that the energy stored in the choke coil 8 is repeatedly sent to the smoothing capacitor 9 and the resistor 3 through the diode 7, whereby the input is performed. An output voltage V o lower than the voltage V i can be supplied to the load 3.

前記出力電圧Voを安定化させるための制御部として、ここではフィルタ11と、例えばDSP(ディジタル・シグナル・プロセッサ)などからなるロバストディジタル制御器12と、ドライバ回路13が順に接続される。ロバストディジタル制御器12は、フィルタ11を通して供給される例えば出力電圧Voなどのアナログ信号を、周期的にサンプリング(離散化)してディジタル信号に変換するADコンバータ21と、ADコンバータ21により離散化されたフィードバック信号、すなわち前記ディジタル信号と目標値rとに基づいて操作量ξ1を算出する操作量演算部としてのコントローラ22と、当該操作量ξ1に応じて制御信号となるスイッチング信号を生成する制御出力部としてのPWMジェネレータ23とから構成される。PWMジェネレータ23は、前記操作量ξ1をスイッチング素子5を動作させるための信号に変換する信号生成部として機能するもので、パルス幅制御された一定周期のスイッチング信号を発生させるために、図示しない三角波発振器からの三角波キャリアが用いられる。また、ドライバ回路13は、PWMジェネレータ23からのスイッチング信号をスイッチング素子5のゲートに出力するためのものである。 Here, as a control unit for stabilizing the output voltage V o , a filter 11, a robust digital controller 12 including, for example, a DSP (digital signal processor), and a driver circuit 13 are sequentially connected. The robust digital controller 12 periodically samples (discretizes) an analog signal such as the output voltage V o supplied through the filter 11 and converts the analog signal into a digital signal, and the AD converter 21 discretizes the analog signal. The controller 22 as an operation amount computing unit that calculates the operation amount ξ 1 based on the feedback signal, that is, the digital signal and the target value r, and a switching signal that becomes a control signal according to the operation amount ξ 1 are generated. And a PWM generator 23 as a control output unit. The PWM generator 23 functions as a signal generation unit that converts the manipulated variable ξ 1 into a signal for operating the switching element 5. The PWM generator 23 is not shown in order to generate a switching signal with a constant period controlled in pulse width. A triangular wave carrier from a triangular wave oscillator is used. The driver circuit 13 is for outputting a switching signal from the PWM generator 23 to the gate of the switching element 5.

本発明におけるロバストディジタル制御器12は、少なくとも出力電圧Voの1箇所をADコンバータ21で検出し、制御の操作量ξ1を決定している。ここでいう操作量ξ1とは、例えばPWM制御の場合は前記スイッチング信号のデューティに対応するものであり、本発明をPFM制御等にも応用することができる。PFM制御の場合は前記スイッチング信号の周波数に対応することとなる。さらに本発明は、電源装置の負荷3にLCフィルタ(例えば、図1ではチョークコイル8と平滑コンデンサ9)を接続した全ての電源装置に応用できるので、電源出力ノイズの低減が容易に達成できる。 The robust digital controller 12 in the present invention detects at least one location of the output voltage V o with the AD converter 21 and determines the control operation amount ξ 1 . The manipulated variable ξ 1 here corresponds to the duty of the switching signal in the case of PWM control, for example, and the present invention can also be applied to PFM control and the like. In the case of PFM control, this corresponds to the frequency of the switching signal. Furthermore, since the present invention can be applied to all power supply devices in which an LC filter (for example, the choke coil 8 and the smoothing capacitor 9 in FIG. 1) is connected to the load 3 of the power supply device, reduction of power supply output noise can be easily achieved.

図2は、制御対象となる上記DC−DCコンバータ2をモデル化した回路図である。ここでは、図1に示すスイッチング素子5とダイオード6を一つのスイッチング素子16に置き換え、ダイオード7をスイッチング素子17に置き換えている。したがって、前記PWMジェネレータ23は、スイッチング素子16,17を互いに対称にスイッチング動作させるようなスイッチング信号を生成する。また18は、チョークコイル8の抵抗とスイッチング素子5のオン抵抗などの合成抵抗であり、その抵抗値をR1とする。その他、R0は負荷3の抵抗値であり、L1はチョークコイル8のインダクタンス値であり、C1は平滑コンデンサ9の静電容量である。 FIG. 2 is a circuit diagram modeling the DC-DC converter 2 to be controlled. Here, the switching element 5 and the diode 6 shown in FIG. 1 are replaced with one switching element 16, and the diode 7 is replaced with a switching element 17. Therefore, the PWM generator 23 generates a switching signal that causes the switching elements 16 and 17 to perform switching operations symmetrically to each other. Reference numeral 18 denotes a combined resistance such as the resistance of the choke coil 8 and the on-resistance of the switching element 5, and the resistance value is R 1 . In addition, R 0 is the resistance value of the load 3, L 1 is the inductance value of the choke coil 8, and C 1 is the capacitance of the smoothing capacitor 9.

ここで、入力uの周波数が前記三角波キャリアの周波数よりも十分に小さければ、状態平均化法によって、図2に示すDC−DCコンバータ2の抵抗負荷時における状態方程式は、次の線形近似式にてあらわせる。   Here, if the frequency of the input u is sufficiently lower than the frequency of the triangular wave carrier, the state equation at the time of resistance load of the DC-DC converter 2 shown in FIG. Show it.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

上記式において、入力uは入力電圧Viであり、出力yは出力電圧Voである。また、離散時間制御対象への等価外乱quと等価外乱qyの各変数は、DC−DCコンバータ2に対する入力電圧変動と負荷変動にそれぞれ対応する。上記式の状態変数x,システム行列A,入力行列B,出力行列Cは、次の式であらわせる。 In the above equation, the input u is the input voltage V i and the output y is the output voltage V o . Moreover, each variable of the equivalent disturbance q u and the equivalent disturbance q y to the discrete time control object respectively corresponds to an input voltage fluctuation and a load fluctuation to the DC-DC converter 2. The state variable x, the system matrix A, the input matrix B, and the output matrix C in the above equation are expressed by the following equations.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

pはDC−DCコンバータ2のゲインであり、iL1はチョークコイル8を流れる電流である。また行列A,B,Cは、回路構成に応じて適当な値が決定される。ここでパラメータ変動による影響を抑えるには、等価外乱quおよび等価外乱qyから出力yまでのパルス伝達関数のゲインが、できるだけ小さくなるようなロバストディジタル制御器12を構築すればよい。 K p is the gain of the DC-DC converter 2 and i L1 is the current flowing through the choke coil 8. The matrixes A, B, and C are determined to have appropriate values according to the circuit configuration. Here, in order to suppress the influence due to the parameter variation, the robust digital controller 12 may be constructed so that the equivalent disturbance q u and the gain of the pulse transfer function from the equivalent disturbance q y to the output y are as small as possible.

上記数5で示されるシステムを零次ホールドで離散化すると、次の差分方程式が得られる。   When the system shown in Equation 5 is discretized with zero-order hold, the following difference equation is obtained.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

上記式で、行列Adおよび行列Bdは、次のようにあらわせる。 In the above equation, the matrix A d and the matrix B d are expressed as follows.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

上記数7で示されるシステムの伝達関数Gp(z)は、次の式とする。 The transfer function G p (z) of the system expressed by Equation 7 is given by the following equation.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

但し、Np(z)やDp(z)は次のようになる。ここでのa**,b**は、DC−DCコンバータ2に固有の定数であり、z=exp(jωt)である。 However, N p (z) and D p (z) are as follows. Here, a ** and b ** are constants specific to the DC-DC converter 2, and z = exp (jωt).

Figure 2011166892
Figure 2011166892

制御対象であるDC−DCコンバータ2の負荷変動と入力電圧変動は、数5に示す状態方程式のパラメータ変動と考えられる。こうしたパラメータ変動は、図3に示すように離散時間制御対象への等価外乱qu,qyに置き換えられる。パラメータ変動による影響を抑えるには、等価外乱qu,qyから出力yまでのパルス伝達関数のゲインができるだけさくなる制御システムを構築して、これを上記ロバストディジタル制御器12に組み込めばよい。 Load fluctuations and input voltage fluctuations of the DC-DC converter 2 to be controlled are considered to be parameter fluctuations of the state equation shown in Equation 5. Such parameter fluctuations are replaced with equivalent disturbances q u and q y to the discrete-time controlled object as shown in FIG. In order to suppress the influence due to the parameter fluctuation, a control system in which the gain of the pulse transfer function from the equivalent disturbances q u and q y to the output y is minimized is built, and this is incorporated into the robust digital controller 12.

次に、外乱と外乱からの微分値を用いた外乱からのフィードフォワードを、制御対象の出力と入力とそれらの微分値で表現し、外乱からのフィードフォワードも含めて遅れ要素に取り込んで、出力フィードバックに変換し、直接外乱を用いずに、外乱と制御量間の伝達関数の零点を追加する方法を説明する。これは、遅れ要素を制御対象の入力に結合し、制御対象の出力と入力とそれらの微分値で状態変数を表現し、その状態変数を用いたフィードバックを遅れ要素に取り込んで、出力フィードバックに変換するピアソンの方法を拡張したものである。   Next, the feedforward from the disturbance using the disturbance and the differential value from the disturbance is expressed by the output and input of the controlled object and their differential values. A method of converting to feedback and adding a zero of the transfer function between the disturbance and the controlled variable without directly using the disturbance will be described. This combines the delay element with the input of the controlled object, expresses the state variable with the output of the controlled object, the input, and their differential values, incorporates feedback using the state variable into the delayed element, and converts it to output feedback This is an extension of Pearson's method.

図3は、本発明で考慮すべき遅れ要素を接続した制御対象のブロック線図である。ここで重要なことは、本実施例ではロバストディジタル制御器12による演算遅れと、電流推定と、2つの零点追加を考慮して、4つの遅れ要素31〜34を制御対象であるDC−DCコンバータ2の入力uに接続している、ということである。この点、特許文献2や非特許文献2では、演算遅れ,電流推定,および1つの零点追加による3つの遅れ要素を考慮して、制御システムを構築している。   FIG. 3 is a block diagram of a controlled object to which delay elements to be considered in the present invention are connected. What is important here is that in this embodiment, the delay element 31 to 34 is controlled by the DC-DC converter in consideration of calculation delay by the robust digital controller 12, current estimation, and addition of two zeros. 2 is connected to the input u. In this regard, in Patent Document 2 and Non-Patent Document 2, a control system is constructed in consideration of three delay elements by calculation delay, current estimation, and addition of one zero point.

図3をさらに詳しく説明すると、遅れ要素31の操作量ξ1は、演算遅れなどの時間遅れを考慮したものであり、遅れ要素32の操作量ξ2は、電流推定を推定した遅れ要素であり、遅れ要素33の操作量ξ3と遅れ要素34の操作量ξ4は、それぞれ零点追加を考慮した遅れ要素である。これらの遅れ要素31〜34は、何れも次数1/zの遅延素子で構成される。前記操作量ξ1は制御対象への入力uに等しい。加え合せ点35により、この入力uと入力電圧変動による等価外乱quとを加え合わせたものがDC−DCコンバータ2に入力され、加え合せ点36により、DC−DCコンバータからの出力と負荷変動による等価外乱qyとを加え合わせたものが、実際の出力yとなる。 3 will be described in more detail. The manipulated variable ξ 1 of the delay element 31 takes into account a time delay such as a computation delay, and the manipulated variable ξ 2 of the delay element 32 is a delay element estimated from the current estimation. operation amount xi] 4 delays the manipulated variable xi] 3 delay elements 33 elements 34 are delay element in consideration of the additional zeros respectively. These delay elements 31 to 34 are all configured by delay elements of the order 1 / z. The manipulated variable ξ 1 is equal to the input u to the controlled object. The sum of the input u and the equivalent disturbance q u due to fluctuations in the input voltage is input to the DC-DC converter 2 by the addition point 35, and the output from the DC-DC converter and the load fluctuation are added by the addition point 36. The actual output y is obtained by adding the equivalent disturbance q y due to.

前記数7の差分方程式について、出力yの各離散値y(k+1),y(k+2),y(k+3)は次のようにあらわせる。ここでは従来よりも零点が1つ多いことにより、出力yの次数がy(k)からy(k+3)までの4次に拡張される。   For the difference equation of Equation 7, the discrete values y (k + 1), y (k + 2), and y (k + 3) of the output y are expressed as follows. Here, since there is one more zero than in the prior art, the order of the output y is expanded to the fourth order from y (k) to y (k + 3).

Figure 2011166892
Figure 2011166892

これを、行列形式で示すと次の式であらわせる。   This can be expressed in the following form in a matrix form.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

数12の各行列を、それぞれ記号で置き換えると次の数13,数14のようになる。   When each matrix of Formula 12 is replaced with a symbol, the following Formula 13 and Formula 14 are obtained.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

Figure 2011166892
Figure 2011166892

上記数13の両辺に次の式の行列を掛ける。   The matrix of the following formula is multiplied on both sides of the above equation (13).

Figure 2011166892
Figure 2011166892

すると、出力チョークコイル電流iL1と出力電圧Voに関する行列xd(k)は、次のようになる。 Then, the matrix x d (k) relating to the output choke coil current i L1 and the output voltage V o is as follows.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

数16で求めた行列xd(k)を数13に代入すると、次の式が得られる。 Substituting the matrix x d (k) obtained in Equation 16 into Equation 13, the following equation is obtained.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

ここで、Iは4×4の単位行列である。数17は、さらに次の式に置き換えられる。 Here, I 4 is a 4 × 4 unit matrix. Equation 17 is further replaced by the following equation.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

上記式において、l**やm**の各成分は、次のようにあらわせる。   In the above formula, each component of l ** and m ** is expressed as follows.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

一方、前記図3に示すシステムの状態方程式は、次の式であらわせる。   On the other hand, the state equation of the system shown in FIG. 3 is expressed by the following equation.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

図4は、等価外乱Q=[quy]からのフィードフォワードを図3のシステムに付加したブロック線図である。同図において、37は等価外乱quを入力とするフィードフォワード要素であり、38は等価外乱qyを入力とするフィードフォワード要素である。各フィードフォワード要素37,38の出力は、加え合わせ点39にて遅れ要素31〜34への入力vと加算される。ここでは、等価外乱Qと出力yとの間の伝達関数に任意の零点を2つ追加するために、任意に指定可能な2つのパラメータkq1,kq2を導入したフィードフォワード要素37,38が付加される。 FIG. 4 is a block diagram in which feedforward from the equivalent disturbance Q = [q u q y ] is added to the system of FIG. In the figure, reference numeral 37 denotes a feedforward element having an equivalent disturbance q u as an input, and reference numeral 38 denotes a feedforward element having an equivalent disturbance q y as an input. The outputs of the feedforward elements 37 and 38 are added to the input v to the delay elements 31 to 34 at the addition point 39. Here, in order to add two arbitrary zeros to the transfer function between the equivalent disturbance Q and the output y, feedforward elements 37 and 38 into which two parameters k q1 and k q2 that can be arbitrarily specified are introduced are provided. Added.

上記数18によれば、等価外乱Qからのフィードフォワード要素37,38は、等価外乱Qと出力yとの間の伝達関数を保持したまま、制御対象であるDC−DCコンバータ2の入力uと、システムの最終的な出力yのフィードバックに等価変換できる。図5は、図4を等価変換したブロック線図である。同図において、41は入力uのフィードバック要素であり、42は出力yのフィードバック要素である。各フィードバック要素41,42の出力は、加え合わせ点39にて遅れ要素31〜34への入力vと加算される。   According to the above equation 18, the feedforward elements 37 and 38 from the equivalent disturbance Q are connected to the input u of the DC-DC converter 2 to be controlled while maintaining the transfer function between the equivalent disturbance Q and the output y. Equivalent transformation to the feedback of the final output y of the system. FIG. 5 is a block diagram obtained by equivalently converting FIG. In the figure, 41 is a feedback element of input u, and 42 is a feedback element of output y. The outputs of the feedback elements 41 and 42 are added to the input v to the delay elements 31 to 34 at the addition point 39.

図6は、図3に示す制御対象に遅れ要素31〜34を加えたシステムに、状態フィードバック則とフィードフォワード則を適用した場合のブロック線図を示している。同図において、ここでは制御対象の出力yすなわちDC−DCコンバータ2の出力電圧Voを入力とし、伝達パラメータf1を有するフィードバック要素44と、制御要素を流れる電流iを入力とし、伝達パラメータf2を有するフィードバック要素45と、遅れ要素31からの操作量ξ1を入力とし、伝達パラメータf3を有するフィードバック要素46と、遅れ要素32からの操作量ξ2を入力とし、伝達パラメータf4を有するフィードバック要素47と、遅れ要素33からの操作量ξ3を入力とし、伝達パラメータf5を有するフィードバック要素48と、遅れ要素34からの操作量ξ4を入力とし、伝達パラメータf6を有するフィードバック要素49と、目標値rを入力とし、伝達パラメータGH*(z+H4)(z+H5)(z+H6)を有するフィードフォワード要素50がそれぞれ付加され、これらのフィードバック要素44〜49の出力と、フィードフォワード要素50の出力が、前記加え合わせ点39で加算される。ここでのフィードフォワード要素50は、定常時に目標値rに対して出力yが等しくなるようにし、極H4,H5,H6を消去するためのものである。 FIG. 6 shows a block diagram when the state feedback law and the feedforward law are applied to the system in which the delay elements 31 to 34 are added to the controlled object shown in FIG. In the figure, here receives the output voltage V o of the output y ie DC-DC converter 2 of the controlled object, a feedback element 44 having a transfer parameter f1, as input current i flowing through the control element, the transmission parameter f2 The feedback element 45 having the operation parameter ξ 1 from the delay element 31 and the feedback element 46 having the transmission parameter f3 and the operation amount ξ 2 from the delay element 32 as the input and the feedback element 47 having the transmission parameter f4. Then, an operation amount ξ 3 from the delay element 33 is input, a feedback element 48 having the transfer parameter f5, an operation amount ξ 4 from the delay element 34 is input, a feedback element 49 having the transfer parameter f6, and a target value With r as an input, transfer parameter GH * (z + H 4 ) (z + H 5 ) (z + H 6 ) ) Are respectively added, and the outputs of the feedback elements 44 to 49 and the output of the feedforward element 50 are added at the addition point 39. The feedforward element 50 here is for eliminating the poles H 4 , H 5 , and H 6 so that the output y is equal to the target value r in a steady state.

図7は、図5と図6の各システムを組み合わせた制御器の構成を示している。ここでは、制御対象(DC−DCコンバータ2)の電流フィードバックを、制御対象の入力uと出力yからのフィードバックに等価変換するために、制御対象の出力yを入力とし、伝達パラメータ−a11/a12を有する要素52と、制御対象の出力yを入力とし、伝達パラメータz/a12を有する要素53と、遅れ要素31からの操作量ξ1を入力とし、伝達パラメータ−b11/a12を有する要素54と、要素52,53からの各出力を加算する加え合せ点55と、要素54と加え合せ点55からの各出力を加算して、これを前記フィードバック要素45の入力とする加え合せ点56と、からなる電流推定部57が設けられる。この電流推定部57は非特許文献2にも開示されているが、1次の進み要素である。一方、前記フィードバック要素41,42は3次の進み要素である。 FIG. 7 shows the configuration of a controller in which the systems shown in FIGS. 5 and 6 are combined. Here, in order to equivalently convert the current feedback of the controlled object (DC-DC converter 2) into feedback from the controlled object input u and the output y, the controlled object output y is used as an input, and the transfer parameter −a 11 / The element 52 having a 12 and the output y to be controlled are input, the element 53 having the transfer parameter z / a 12 and the manipulated variable ξ 1 from the delay element 31 are input, and the transfer parameter −b 11 / a 12 , An adding point 55 for adding the outputs from the elements 52 and 53, and adding the outputs from the element 54 and the adding point 55 and adding this as an input to the feedback element 45 A current estimator 57 including a matching point 56 is provided. Although this current estimation unit 57 is also disclosed in Non-Patent Document 2, it is a primary advance element. On the other hand, the feedback elements 41 and 42 are tertiary advance elements.

前記図6および図7において、ステップ応答においてオーバーシュートを生じさせないために、目標値rと制御量である出力yとの間の伝達関数Wry(z)を次の式のように指定する。 In FIG. 6 and FIG. 7, the transfer function W ry (z) between the target value r and the output y as the control amount is designated as follows in order to prevent overshoot in the step response.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

上記式において、n1,n2は零点、H1,H2,H3,H4,H5,H6は極である。前記図6に示す各パラメータf1,f2,f3,f4,f5,f6,GH,H4,H5,H6は、伝達関数Wry(z)が数21の式を満たすように決定される。また、N(z),D(z)は、モデルマッチングシステム定数(極配置(H1〜H6),状態フィードバック(f1〜f6))とDC−DCコンバータ定数(a**,b**)と零点追加用のパラメータkq1,kq2の関数である。 In the above formula, n 1 and n 2 are zero points, and H 1 , H 2 , H 3 , H 4 , H 5 , and H 6 are poles. The parameters f1, f2, f3, f4, f5, f6, GH, H 4 , H 5 , and H 6 shown in FIG. 6 are determined so that the transfer function W ry (z) satisfies the equation (21). . N H (z) and D H (z) are model matching system constants (pole arrangement (H1 to H6), state feedback (f1 to f6)) and DC-DC converter constants (a ** and b **). ) And zero-point addition parameters k q1 and k q2 .

等価外乱quから出力yの伝達関数Wquy(z)と、等価外乱qyから出力yの伝達関数Wqyy(z)の零点を1に配置するパラメータkq1,kq2は、次の式にてそれぞれあらわせる。 The parameters k q1 and k q2 for arranging the zero point of the transfer function W qy (z) of the output y from the equivalent disturbance q u and the transfer function W qy y (z) of the output y from the equivalent disturbance q y to the following equation: In each case.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

これにより、等価外乱Q=[quy]と出力yとの間の伝達関数WQy(z)=[Wquy(z) Wqyy(z)]は、次の式のようになる。 Thus, the transfer function W Qy (z) = [W quy (z) W qyy (z)] between the equivalent disturbance Q = [q u q y ] and the output y is expressed by the following equation.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

ここで、制御器としての近似度を高めるために、次の式のように極H2の絶対値が極H1,H3の絶対値よりも十分大きくなると指定する。 Here, in order to increase the degree of approximation as a controller, it is specified that the absolute value of the pole H 2 is sufficiently larger than the absolute values of the poles H 1 and H 3 as in the following equation.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

これにより次の式に示すように、実際に実現する目標特性を、前記パルス伝達関数Wry(z)を一次近似したモデルの伝達関数Wm(z)に定めることができる。 As a result, as shown in the following equation, the target characteristic that is actually realized can be determined as a transfer function W m (z) of a model obtained by linearly approximating the pulse transfer function W ry (z).

Figure 2011166892
Figure 2011166892

上記式を数21から導出するに際し、数21における(z+H4),(z+H5),(z+H6)の各項は、分子と分母に共通して存在するため消去できる。また、n2は制御対象の離散化に伴い発生する零点で、その絶対値は1よりも十分大きく、系に与える影響は小さいので無視できる。さらに、極H2に対して零点n1が小さい場合には、零点n1の影響が十分小さく無視できる。この場合、数24のように極H2の絶対値が極H1,H3の絶対値よりも十分大きくなると指定すれば、極H1,H3の項は十分速い応答となって無視できる。 When deriving the above equation from Equation 21, each term of (z + H 4 ), (z + H 5 ), and (z + H 6 ) in Equation 21 is common to both the numerator and denominator and can be eliminated. Further, n 2 is a zero that occurs with the discretization of the controlled object, and its absolute value is sufficiently larger than 1 and can be ignored because the influence on the system is small. Further, when the zero n 1 is small with respect to the pole H 2 , the influence of the zero n 1 is sufficiently small and can be ignored. In this case, if the absolute value of the pole H 2 is specified to be sufficiently larger than the absolute values of the poles H 1 and H 3 as shown in Equation 24, the terms of the poles H 1 and H 3 can be ignored with a sufficiently fast response. .

上述した数23は、図7に示す制御器のシステム構成において、等価外乱quから出力yの伝達関数Wquy(z)と、等価外乱qyから出力yの伝達関数Wqyy(z)が二次微分特性となることを示している。本実施例では、これにさらに一次微分特性を追加して三次微分特性とするために、図8に示すような近似的2自由度系を構成する補償器を追加する。図8に示すシステムは、前記を有する近似モデルの逆システム(逆関数)と、この逆システムを近似的に実現するためのフィルタK(z)を導入したもので、これにより図6に示すモデルマッチング系を、ロバストディジタル制御器12に組み込める構成とすることができる。逆システムの伝達関数Wm -1は、次の式に示すように、図7に示すシステムの伝達関数Wry(z)の逆関数としてあらわせる。 Number 23 described above, in the system configuration of the controller shown in FIG. 7, a transfer function W Quy output y from the equivalent disturbance q u (z), the transfer function W QYY output y from the equivalent disturbance q y (z) is It shows that it becomes a second derivative characteristic. In the present embodiment, a compensator constituting an approximate two-degree-of-freedom system as shown in FIG. The system shown in FIG. 8 introduces an inverse system (inverse function) of the approximate model having the above and a filter K (z) for approximating this inverse system, and thereby the model shown in FIG. The matching system can be configured to be incorporated in the robust digital controller 12. The transfer function W m −1 of the inverse system is expressed as an inverse function of the transfer function W ry (z) of the system shown in FIG.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

また、フィルタK(z)は、逆システムの伝達関数Wm -1だけでは近似的に実現できない系となることを避けるのに導入されたもので、次の式で示される。なお、ここでの係数kzは、設計パラメータとして特定の値が設定される。 The filter K (z) is introduced to avoid a system that cannot be approximately realized only by the transfer function W m −1 of the inverse system, and is represented by the following equation. The coefficient k z here is set to a specific value as a design parameter.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

したがって、目標値rと出力yとの間の関係は、上記伝達関数Wry(z)の式を用いて次のようにあらわせる。 Therefore, the relationship between the target value r and the output y can be expressed as follows using the equation of the transfer function W ry (z).

Figure 2011166892
Figure 2011166892

また、等価外乱Qと出力yとの間の関係は、上記伝達関数k(z)と伝達関数WQy(z)の式を用いて次のようにあらわせる。 The relationship between the equivalent disturbance Q and the output y can be expressed as follows using the equations of the transfer function k (z) and the transfer function W Qy (z).

Figure 2011166892
Figure 2011166892

したがって、目標値rと出力yとの間の特性は、設計パラメータである極H2で、また等価外乱quから出力yの間の特性と、等価外乱qyから出力yの間の特性は、係数kzで各々独立して指定できる。これにより、図8のシステムは近似的2自由度刑であり、外乱に対する感度は係数kzを増加することで軽減できる。上記数29は、数23の関係式を用いると次のようになる。 Therefore, the characteristic between the target value r and the output y is the design parameter pole H 2 , the characteristic between the equivalent disturbance q u and the output y, and the characteristic between the equivalent disturbance q y and the output y are , And coefficient k z can be specified independently. Thus, the system of FIG. 8 is an approximate two-degree-of-freedom sentence, and the sensitivity to disturbance can be reduced by increasing the coefficient k z . The above formula 29 is as follows when the relational expression of the formula 23 is used.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

これにより本実施例では、入力電圧変動および負荷変動の等価外乱Qから出力電圧Voまでの伝達関数WQy(z)に零点を2つ追加した4つの遅れ要素31〜34を接続し、その等価外乱Qから遅れ要素31〜34の入力へのフィードフォワード要素37,38を、出力電圧Voおよび操作量ξ1から遅れ要素31〜34の入力へのフィードバック要素41,42で置き換えることで、等価外乱Qから出力電圧Voまでの伝達関数WQy(z)の特性が、3次微分特性を有するものとなる。 Thus, in the present embodiment, four delay elements 31 to 34, in which two zeros are added to the transfer function W Qy (z) from the equivalent disturbance Q of the input voltage fluctuation and the load fluctuation to the output voltage V o, are connected. the feedforward elements 37, 38 to the input of the delay element 31 to 34 from the equivalent disturbance Q, by replacing the feedback elements 41 and 42 to the input of the delay element 31 to 34 from the output voltage V o and the operation amount xi] 1, The characteristic of the transfer function W Qy (z) from the equivalent disturbance Q to the output voltage V o has the third derivative characteristic.

図8において、61は等価外乱Qを考慮した伝達関数Wry(z),WQy(z)を含むシステムの伝達要素、62は伝達関数Wm -1を含む逆システムの伝達要素、63は伝達関数K(z)のフィルタを含むロバスト補償器としての伝達要素で、伝達要素61の出力yである制御量が、引き出し点64で引き出されて伝達要素62の入力に印加され、伝達要素63の出力と目標値rとを加算する加え合せ点65からの出力は、引き出し点66によって別な加え合せ点67に加算されると共に、伝達要素61に入力される。また加え合せ点67は、引き出し点66で分岐した加え合せ点65からの出力と、伝達要素62の出力との偏差(減算値)を、伝達要素63に入力するものである。 In FIG. 8, 61 is a transfer element of a system including transfer functions W ry (z) and W Qy (z) in consideration of the equivalent disturbance Q, 62 is a transfer element of an inverse system including a transfer function W m −1 , and 63 is A transfer element as a robust compensator including a filter of the transfer function K (z), and a control amount which is an output y of the transfer element 61 is extracted at the extraction point 64 and applied to the input of the transfer element 62. The output from the addition point 65 that adds the output of the current value r and the target value r is added to another addition point 67 by the extraction point 66 and also input to the transfer element 61. The addition point 67 inputs a deviation (subtraction value) between the output from the addition point 65 branched at the lead point 66 and the output of the transmission element 62 to the transmission element 63.

図9は、図8に示す系をロバストディジタル制御器12として実現できる近似的2自由度の積分型制御系の構成に等価変換したブロック線図である。このブロック線図における各部の構成を説明すると、前述したコントローラ22は、k1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4の各パラメータを有する乗算器としての伝達要素70〜85と、1サンプル遅れに相当する次数1/zの遅延素子としての遅れ要素31〜34および遅れ要素86と、減算器としての加え合せ点87と、加算器としての加え合せ点39および加え合せ点88〜91との組み合わせにより構成される。なお、パラメータk1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4のうちその値が小さく制御系に与える影響が小さいものは省略することができ、各フィードフォワード要素70,71,72,73も省略することができる。これにより、操作量ξ1の算出式が簡単化され演算負担が軽減され、演算処理の高速化や演算器の簡単化が可能となる。 FIG. 9 is a block diagram in which the system shown in FIG. 8 is equivalently converted to the configuration of an integral control system having approximately two degrees of freedom that can be realized as the robust digital controller 12. The configuration of each part in this block diagram will be described. The controller 22 described above is composed of k 1r , k 2r , k 3r , k 4r , k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 , k 7. , K 8 , k i1 , k i2 , k i3 , k i4 , transfer elements 70 to 85 as multipliers, and delay elements 31 to 31 as an order 1 / z delay element corresponding to one sample delay 34, a delay element 86, an addition point 87 as a subtracter, an addition point 39 as an adder, and addition points 88 to 91. The parameter k 1r, k 2r, k 3r , k 4r, k 1, k 2, k 3, k 4, k 5, k 6, k 7, k 8, k i1, k i2, k i3, k i4 Among them, those having a small value and little influence on the control system can be omitted, and the feedforward elements 70, 71, 72, 73 can also be omitted. As a result, the calculation formula for the operation amount ξ 1 is simplified, the calculation load is reduced, and the calculation process can be speeded up and the calculator can be simplified.

図9に示す構造をより詳細に説明すると、目標値rを入力としてパラメータk1r,k2r,k3r,k4rの各フィードフォワード要素70,71,72,73が接続され、出力電圧Voを入力としてパラメータk1,k2,k7,k8の各フィードバック要素74,75,80,81が接続されると共に、目標値rと出力電圧Voとの偏差が加え合せ点87から別な加え合せ点88に入力され、この加え合せ点88で次数1/zの遅れ要素86からの出力が加算されて当該遅れ要素86に入力され、遅れ要素86からの出力がパラメータki1,ki2,ki3,ki4の各伝達要素82,83,84,85に入力され、伝達要素82からの出力と、フィードバック要素73からの出力と、パラメータk3,k4,k5,k6の各フィードバック要素76,77,78,79からの出力と、フィードフォワード要素70からの出力が、加え合せ点39で加算され、この加え合せ点39で加算した出力が次数1/zの遅延要素34に入力され、この遅延要素34からの遅れ出力ξ4がフィードバック要素79に入力され、遅延要素34からの遅れ出力ξ4と、フィードバック要素75からの出力と、フィードフォワード要素71からの出力と、伝達要素83からの出力が、加え合せ点89で加算され、この加え合せ点89で加算した出力が次数1/zの遅延要素33に入力され、この遅延要素33からの遅れ出力ξ3がフィードバック要素78に入力され、遅延要素33からの遅れ出力ξ3と、フィードバック要素81からの出力と、フィードフォワード要素72からの出力と、伝達要素84からの出力とが、加え合せ点90で加算され、この加え合せ点90で加算した出力が次数1/zの遅延要素32に入力され、この遅延要素32からの遅れ出力ξ2が、フィードバック要素77に入力され、遅延要素32からの遅れ出力ξ2と、フィードバック要素80からの出力と、フィードフォワード要素73からの出力と、伝達要素85からの出力とが、加え合せ点91で加算され、この加え合せ点91で加算した出力が次数1/zの遅延要素31に入力され、この遅延要素31からの遅れ出力ξ1が、フィードバック要素76に入力されると共に、制御対象要素であるDC−DCコンバータ2の入力uとして与えられるように、ロバストディジタル制御器12のコントローラ22が構成される。 The structure shown in FIG. 9 will be described in more detail. The feedforward elements 70, 71, 72, and 73 of the parameters k 1r , k 2r , k 3r , and k 4r are connected with the target value r as an input, and the output voltage V o. Are input to the feedback elements 74, 75, 80, 81 of the parameters k 1 , k 2 , k 7 , k 8 , and the deviation between the target value r and the output voltage V o is different from the addition point 87. Is input to the summing point 88, and the output from the delay element 86 of the order 1 / z is added to the summing point 88 and input to the delay element 86, and the output from the delay element 86 is the parameter k i1 , k. i2, k i3, is input to the transfer element 82, 83, 84 and 85 of k i4, the output from the transfer element 82, the output from the feedback element 73, the parameter k 3, k 4, k 5 , k 6 Each feedback element 7 , 77, 78, 79 and the output from the feedforward element 70 are added at the addition point 39, and the output added at the addition point 39 is input to the delay element 34 of the order 1 / z. The delay output ξ 4 from the delay element 34 is input to the feedback element 79, the delay output ξ 4 from the delay element 34, the output from the feedback element 75, the output from the feedforward element 71, and the transmission element 83. Are added at the summing point 89, and the summed output at the summing point 89 is input to the delay element 33 of the order 1 / z, and the delay output ξ 3 from the delay element 33 is input to the feedback element 78. is a delayed output xi] 3 from the delay element 33, an output from the feedback element 81, an output from the feedforward element 72, exits from the transfer element 84 DOO is, are added in the summing point 90 is added, the added output obtained by adding in conjunction point 90 is input to the delay element 32 of the order 1 / z, the delayed output xi] 2 from the delay element 32, the input to the feedback element 77 The delay output ξ 2 from the delay element 32, the output from the feedback element 80, the output from the feedforward element 73, and the output from the transfer element 85 are added at the addition point 91, and this addition is performed. The output added at the point 91 is input to the delay element 31 of the order 1 / z, and the delay output ξ 1 from the delay element 31 is input to the feedback element 76 and the DC-DC converter 2 that is the control target element. The controller 22 of the robust digital controller 12 is configured so as to be given as the input u.

上記図9では、制御対象要素であるDC−DCコンバータ2を除く部分が、近似的2自由度積分型制御系の構成となるロバストディジタル制御器12のコントローラ22に相当する。コントローラ22は、ディジタルフィルタとしての伝達要素を備えており、その伝達要素の伝達関数Gr,Gvo,Geは、次の式であらわされる。 In FIG. 9 above, the part excluding the DC-DC converter 2 that is the control target element corresponds to the controller 22 of the robust digital controller 12 that has the configuration of the approximate two-degree-of-freedom integral control system. The controller 22 includes a transfer element as a digital filter, and transfer functions G r , G vo , and G e of the transfer element are expressed by the following equations.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

上記式において、Grは負荷電圧目標値rから操作量ξ1までの伝達関数であり、Gvoは出力電圧Voから操作量ξ1までの伝達関数であり、Geは負荷電圧目標値rと出力電圧voとの偏差から操作量ξ1までの伝達関数である。従って、制御対象への入力uとなる操作量ξ1は、これらの伝達関数Gr,Gvo,Geを有する各ディジタルフィルタの出力を加算したものとなって、次の式であらわされる。 In the above equation, G r is a transfer function from the load voltage target value r to the manipulated variable ξ 1 , G vo is a transfer function from the output voltage V o to the manipulated variable ξ 1 , and G e is the load voltage target value. This is a transfer function from the deviation between r and the output voltage v o to the manipulated variable ξ 1 . Therefore, the operation amount xi] 1 as an input u to the controlled object, these transfer functions G r, G vo, and is obtained by adding the outputs of the digital filter with a G e, represented by the following equation.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

上記式では、z=exp(jωt)であり、k1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4の各パラメータは、ロバストディジタル制御器12として組み込まれる制御系に応じて予め設定される。 In the above equation, z = exp (jωt), and k 1r , k 2r , k 3r , k 4r , k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 , k 7 , k 8 , k The parameters i1 , ki2 , ki3 , ki4 are set in advance according to the control system incorporated as the robust digital controller 12.

このようにして得られたロバストディジタル制御器12を用いた電源装置は、電源装置の負荷急変,入力急変時の出力電圧変動を従来よりもさらに小さくできる。このため、出力コンデンサ(平滑コンデンサ9)の容量が小さくでき、電源装置として小形,低コスト化につながる。   The power supply apparatus using the robust digital controller 12 obtained in this way can further reduce the output voltage fluctuation at the time of sudden load change and sudden input change of the power supply apparatus. For this reason, the capacity of the output capacitor (smoothing capacitor 9) can be reduced, leading to a reduction in size and cost of the power supply device.

次に、上記実施例に基づくシミュレーションの結果を説明する。ここでは、電源装置のシミュレーションを行なうに際し、上述した設計パラメータH1,H2,H3,H4,H5,H6,kz,kq1,kq2を次のように設定する。 Next, the result of the simulation based on the above embodiment will be described. Here, when the simulation of the power supply apparatus is performed, the design parameters H 1 , H 2 , H 3 , H 4 , H 5 , H 6 , k z , k q1 , k q2 are set as follows.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

これにより、図9のコントローラ22を構成する制御器パラメータk1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4は、次のように導出できる。 As a result, the controller parameters k 1r , k 2r , k 3r , k 4r , k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 , k 7 , k 8 , constituting the controller 22 of FIG. k i1 , k i2 , k i3 and k i4 can be derived as follows.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

図10および図11は、上記パラメータk1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4を有するロバストディジタル制御器12を、DC−DCコンバータ2に組み込んだと仮定した場合のシミュレーション結果を示している。図10は、等価外乱Qと出力yとの間の伝達関数WQy(z)に関し、その周波数−ゲイン特性を示しており、左側は従来の2次微分特性を設定した制御系を示し、右側は本実施例における3次微分特性を設定した制御系を示している。 10 and 11 show the parameters k 1r , k 2r , k 3r , k 4r , k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 , k 7 , k 8 , k i1 , k i2. , K i3 , k i4 shows a simulation result when it is assumed that the robust digital controller 12 is incorporated in the DC-DC converter 2. FIG. 10 shows the frequency-gain characteristic of the transfer function W Qy (z) between the equivalent disturbance Q and the output y, the left side shows a conventional control system in which a second-order differential characteristic is set, and the right side. Indicates a control system in which the third order differential characteristic is set in this embodiment.

同図からも明らかなように、伝達関数WQy(z)に関し、従来は(z−1)の次数が2次となっており、周波数−ゲイン特性の傾きは40dB/decとなる。一方、本実施例では(z−1)の次数が3次となっており、周波数−ゲイン特性の傾きは60dB/decとなるため、構成を複雑化させることなく、負荷急変に対する追従性を向上させることができる。 As is clear from the figure, with regard to the transfer function W Qy (z), the order of (z−1) is conventionally second order, and the slope of the frequency-gain characteristic is 40 dB / dec. On the other hand, in this embodiment, the order of (z-1) is the third order, and the slope of the frequency-gain characteristic is 60 dB / dec, so that the followability to sudden load changes is improved without complicating the configuration. Can be made.

図11は、図1や図2に示す負荷3の抵抗値R0を急変させたときの出力電圧Voの変動特性を示したものである。ここでは、負荷3の抵抗値R0を0.33Ωから0.165Ω(負荷3への出力電流ioを10Aから20A)に急変させているが、出力電圧Voの変動(図中矢印を参照)は、前記周波数−ゲイン特性の傾きが60dB/decに改善されている関係で、20mVに抑えられている。 FIG. 11 shows the fluctuation characteristics of the output voltage V o when the resistance value R 0 of the load 3 shown in FIGS. 1 and 2 is suddenly changed. Here, the resistance value R 0 of the load 3 is suddenly changed from 0.33Ω to 0.165Ω (the output current i o to the load 3 is changed from 10 A to 20 A), but the fluctuation of the output voltage V o (see the arrow in the figure) Is suppressed to 20 mV because the slope of the frequency-gain characteristic is improved to 60 dB / dec.

次に、本実施例に基づき設計したロバストディジタル制御器12の実装例を説明する。ここでの設計パラメータH1,H2,H3,H4,H5,H6,kz,kq1,kq2の各値は、次のように設定する。 Next, an implementation example of the robust digital controller 12 designed based on the present embodiment will be described. The design parameters H 1 , H 2 , H 3 , H 4 , H 5 , H 6 , k z , k q1 , k q2 are set as follows.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

これにより、制御器パラメータk1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4は、次のように導出される。 Thus, the controller parameters k 1r, k 2r, k 3r , k 4r, k 1, k 2, k 3, k 4, k 5, k 6, k 7, k 8, k i1, k i2, k i3 , K i4 is derived as follows.

Figure 2011166892
Figure 2011166892

図12は負荷3の抵抗値R0を急変させたときの出力電圧Voの変動特性を示したもので、ここでも同じ条件、すなわち負荷3の抵抗値R0を0.33Ωから0.165Ω(負荷3への出力電流ioを10Aから20A)に急変させている。上記パラメータk1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4を有するロバストディジタル制御器12を実際に電源装置に組み込んだ例では、出力電圧Voの変動(図中矢印を参照)が40mVに抑えられていることがわかる。 FIG. 12 shows the fluctuation characteristics of the output voltage V o when the resistance value R 0 of the load 3 is suddenly changed. Here, the same condition, that is, the resistance value R 0 of the load 3 is changed from 0.33Ω to 0.165Ω (load The output current i o to 3 is suddenly changed from 10 A to 20 A). The parameters k 1r, k 2r, k 3r , k 4r, the k 1, k 2, k 3 , k 4, k 5, k 6, k 7, k 8, k i1, k i2, k i3, k i4 In the example in which the robust digital controller 12 having the above configuration is actually incorporated in the power supply device, it can be seen that the fluctuation of the output voltage V o (see the arrow in the figure) is suppressed to 40 mV.

このように、DC−DCコンバータ2に適用するロバストディジタル制御器12として、外乱Qから出力y間の伝達関数WQy(z)の零点2つに「1」を指定し、3次微分特性を与える新たな制御系を組み入れることで、従来よりも負荷急変特性を効果的に改善できることを、上記シミュレーションによる検証や、実際にロバストディジタル制御器12に装備した実験結果から確認できた。なお、零点2つに、例えば[0.99+0.01i,0.99−0.01i]のような共役複素数を設定し、コントローラ22に逆チェビシェフフィルタの特性を持たせることで、よりロバストな制御系を構成することもできる。 As described above, as the robust digital controller 12 applied to the DC-DC converter 2, “1” is specified for two zeros of the transfer function W Qy (z) between the disturbance Q and the output y, and the third-order differential characteristic is obtained. It was confirmed from the verification by the above simulation and the experimental results actually installed in the robust digital controller 12 that the load sudden change characteristic can be effectively improved as compared with the conventional one by incorporating the new control system to be applied. Note that a more robust control system is configured by setting conjugate complex numbers such as [0.99 + 0.01i, 0.99-0.01i], for example, to the two zeros and giving the controller 22 the characteristics of an inverse Chebyshev filter. You can also.

以上のように、本実施例は入力電圧Viを出力電圧Voに変換して負荷3に供給する電源装置のロバストディジタル制御器12であって、出力電圧Voを検出して操作量ξ1を算出するよう構成された操作量演算部としてのコントローラ22と、この操作量ξ1を、電源装置を動作させるための信号に変換する信号生成部としてのPWMジェネレータ23を備え、前記入力電圧変動および負荷変動の等価外乱Qから出力電圧Voまでの伝達関数WQy(z)に零点を2つ追加した遅れ要素31〜34を接続し、前記等価外乱Qからのフィードフォワード要素37,38を、前記出力電圧Voおよび前記操作量ξ1からのフィードバック要素41,42で置き換えることで、等価外乱Qから出力電圧voの伝達関数WQy(z)の特性が3次微分特性となるように、コントローラ22を構成している。 As described above, the present embodiment is a robust digital controller 12 of the power supply device supplies to convert the input voltage V i to the output voltage V o to a load 3, the operation amount by detecting the output voltage V o xi] Controller 22 configured to calculate 1 and a PWM generator 23 serving as a signal generator for converting the manipulated variable ξ 1 into a signal for operating the power supply device, the input voltage The delay elements 31 to 34 in which two zeros are added to the transfer function W Qy (z) from the equivalent disturbance Q of fluctuation and load fluctuation to the output voltage V o are connected, and feedforward elements 37 and 38 from the equivalent disturbance Q are connected. and I feedback by replacing an element 41, characteristics third derivative characteristic of the transfer function W Qy of the output voltage v o from the equivalent disturbance Q (z) from the output voltage V o and the manipulated variable xi] 1 As such, constitute a controller 22.

また、ここでのコントローラ22は、次の式に従って   Also, the controller 22 here follows the following formula:

Figure 2011166892
Figure 2011166892

(但し、z=exp(jωt)、rは出力電圧voについての任意の目標値、k1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4は、予め設定された所定のパラメータである。)操作量ξ1を算出するよう構成される。 (Where z = exp (jωt), r is an arbitrary target value for the output voltage v o , k 1r , k 2r , k 3r , k 4r , k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 , k 7 , k 8 , k i1 , k i2 , k i3 , and k i4 are predetermined parameters set in advance.) The operation amount ξ 1 is calculated.

この場合のコントローラ22は、目標値rを入力として次の式に表される伝達関数Grを有する第1のディジタルフィルタと、 In this case, the controller 22 receives the target value r and inputs a first digital filter having a transfer function G r expressed by the following equation:

Figure 2011166892
Figure 2011166892

出力電圧Voを入力として次の式で表される伝達関数GVOを有する第2のディジタルフィルタと、 A second digital filter having a transfer function G VO represented by the following equation with the output voltage V o as an input;

Figure 2011166892
Figure 2011166892

前記目標値rと前記出力電圧voとの偏差を入力として次の式で表される伝達関数Geを有する第3のディジタルフィルタと、 A third digital filter having a transfer function G e expressed by the following equation using a deviation between the target value r and the output voltage v o as an input;

Figure 2011166892
Figure 2011166892

これらのディジタルフィルタからの各出力を加算して操作量ξ1を出力する加算器と、から構成される。 An adder that adds the outputs from these digital filters and outputs the manipulated variable ξ 1 is configured.

また、本実施例におけるコントローラ22は、目標値rを入力としてパラメータk1r,k2r,k3r,k4rを掛け算する各フィードフォワード乗算器として、フィードフォワード要素70,71,72,73が接続され、出力電圧voを入力としてパラメータk1,k2,k7,k8を掛け算する各フィードバック乗算器として、フィードバック要素74,75,80,81が接続されると共に、目標値rと出力電圧voとの偏差が減算器である加え合せ点87から第1の加算器である加え合せ点88に入力され、この加え合せ点88からの出力が1サンプル時間遅らせる第1の遅延素子としての遅れ要素86に入力され、この遅れ要素86からの遅れ出力が、パラメータki1,ki2,ki3,ki4を掛け算する各乗算器としての伝達要素82,83,84,85と、前記加え合せ点88とに入力され、パラメータki1の伝達要素82からの出力と、パラメータk1を掛け算するフィードバック要素74からの出力と、パラメータk3,k4,k5,k6を掛け算する各フィードバック乗算器としての各フィードバック要素76,77,78,79からの出力と、パラメータk1rのフィードフォワード要素70からの出力が、第2の加算器としての加え合せ点39で加算され、加え合せ点39で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第2の遅延素子としての遅延要素34に入力され、この遅延要素34からの遅れ出力ξ4がパラメータk6のフィードバック要素79に入力され、遅延要素34からの遅れ出力ξ4と、パラメータk2のフィードバック要素75からの出力と、パラメータk2rのフィードフォワード要素71からの出力と、前記パラメータki2の伝達要素83からの出力が、第3の加算器としての加え合せ点89で加算され、この加え合せ点89で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第3の遅延素子としての遅延要素33に入力され、この遅延要素33からの遅れ出力ξ3がパラメータk5のフィードバック要素78に入力され、遅延要素33からの遅れ出力ξ3と、パラメータk8のフィードバック要素81からの出力と、パラメータk3rのフィードフォワード要素72からの出力と、パラメータki3の伝達要素84からの出力が、第4の加算器としての加え合せ点90で加算され、この加え合せ点90で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第4の遅延素子としての遅延要素32に入力され、この遅延要素32からの遅れ出力ξ2がパラメータk4のフィードバック要素77に入力され、遅延要素32からの遅れ出力ξ2と、パラメータk7のフィードバック要素80からの出力と、パラメータk4rのフィードフォワード要素73からの出力と、パラメータki4の伝達要素85からの出力が、第5の加算器としての加え合せ点91で加算され、この加え合せ点91で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第5の遅延素子としての遅延要素31に入力され、この遅延要素31からの遅れ出力ξ1が、パラメータk3のフィードバック要素76に入力されると共に、DC−DCコンバータ2への前記操作量ξ1として出力されるように構成される。 The controller 22 in this embodiment, the target value parameter k 1r a r as input, k 2r, k 3r, as the feedforward multiplier for multiplying the k 4r, feedforward element 70, 71, 72, 73 connected Feedback elements 74, 75, 80, and 81 are connected as feedback multipliers for multiplying the parameters k 1 , k 2 , k 7 , and k 8 with the output voltage v o as an input, and the target value r and output A deviation from the voltage vo is input from a summing point 87 as a subtracter to a summing point 88 as a first adder, and an output from the summing point 88 is used as a first delay element for delaying one sample time. is input to the delay element 86, a delay output from the delay element 86, the parameter k i1, k i2, k i3 , k i4 transfer element 82 as the multipliers for multiplying the And 83, 84, 85, the addition is input to a summing point 88, the output from the transfer element 82 of the parameter k i1, the output from the feedback element 74 for multiplying the parameter k 1, the parameter k 3, k 4, The outputs from the feedback elements 76, 77, 78, and 79 as the feedback multipliers for multiplying k 5 and k 6 and the output from the feedforward element 70 for the parameter k 1r are added as the second adder. The output added at the matching point 39 and the output added at the adding point 39 is input to a delay element 34 as a second delay element that delays by one sample time, and a delay output ξ 4 from the delay element 34 is fed back to the parameter k 6 . Input to element 79, delayed output ξ 4 from delay element 34, output from feedback element 75 of parameter k 2 , parameter k The output from the feed forward element 71 of 2r and the output from the transmission element 83 of the parameter k i2 are added at the addition point 89 as the third adder, and the output added at the addition point 89 is 1 is input to the delay element 33 as a third delay element for delaying the sample time, is delayed outputs xi] 3 from the delay element 33 is input to the feedback element 78 of the parameter k 5, the delayed output xi] 3 from the delay element 33, The output from the feedback element 81 with the parameter k 8 , the output from the feed forward element 72 with the parameter k 3r , and the output from the transfer element 84 with the parameter k i3 are added at the addition point 90 as the fourth adder. The output added at the addition point 90 is input to a delay element 32 as a fourth delay element that delays by one sample time. Delay output xi] 2 from the input to the feedback element 77 of the parameter k 4, the delay output xi] 2 from the delay element 32, an output from the feedback element 80 of the parameter k 7, from the feedforward element 73 of the parameter k 4r And the output from the transfer element 85 of the parameter k i4 are added at a summing point 91 as a fifth adder, and the summed output at the summing point 91 delays one sample time. is input to the delay element 31 as a, a delay output xi] 1 from the delay element 31 is input to the feedback element 76 of the parameter k 3, is output as the manipulated variable xi] 1 to the DC-DC converter 2 Configured as follows.

このようにすると、等価外乱Qから出力電圧voの伝達関数WQy(z)の特性が3次微分特性となるようなコントローラ22を組み込むことで、電源装置の負荷急変や入力電圧急変時における出力電圧Voの変動特性を、従来よりも効果的に改善することができる。従って、電源装置として出力コンデンサの容量を小さくでき、小形,低コスト化につながる。 In this way, by incorporating the controller 22 in which the characteristic of the transfer function W Qy (z) of the output voltage vo from the equivalent disturbance Q becomes the third-order differential characteristic, the power supply apparatus can be changed suddenly or when the input voltage suddenly changes. The fluctuation characteristic of the output voltage V o can be improved more effectively than before. Therefore, the capacity of the output capacitor as a power supply device can be reduced, leading to a reduction in size and cost.

さらにコントローラ22は、各フィードフォワード要素70,71,72,73を省略して構成してもよく、また前記パラメータk1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4のうちその値が小さく制御系に与える影響が小さいものを省略して構成してもよい。 Further, the controller 22 may be configured by omitting the feedforward elements 70, 71, 72, 73, and the parameters k 1r , k 2r , k 3r , k 4r , k 1 , k 2 , k 3 , k 4, k 5, k 6 , k 7, k 8, k i1, k i2, k i3, may be constructed by omitting what its value is less impact on the small control system of the k i4.

このようにすると、操作量ξ1の算出式が簡単化され、演算処理の高速化や演算器の簡単化が可能となる。従って、高速なディジタル制御を可能になる、又は演算器の構成を簡易なものとすることによりコストを抑制することができる。 In this way, the calculation formula for the manipulated variable ξ 1 is simplified, and it is possible to speed up the arithmetic processing and simplify the arithmetic unit. Therefore, high-speed digital control is possible, or the cost can be suppressed by simplifying the configuration of the arithmetic unit.

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、図1に示す制御対象となるDC−DCコンバータ2の構成はトランスを用いた絶縁型コンバータや、複数のスイッチング素子を有するコンバータ(例えば、ハーフブリッジコンバータやフルブリッジコンバータ)など、様々な形式のものが適用できる。   In addition, this invention is not limited to the said Example, It can change in the range which does not deviate from the meaning of this invention. For example, the configuration of the DC-DC converter 2 to be controlled shown in FIG. 1 includes various types such as an insulating converter using a transformer and a converter having a plurality of switching elements (for example, a half-bridge converter and a full-bridge converter). Can be applied.

3 負荷
20 ロバストディジタル制御器(ディジタル制御器)
22 コントローラ(操作量演算部)
23 PWMジェネレータ(信号生成部)
31 遅れ要素(第5の遅延素子)
32 遅れ要素(第4の遅延素子)
33 遅れ要素(第3の遅延素子)
34 遅れ要素(第2の遅延素子)
39 加え合せ点(第2の加算器)
70〜73 フィードフォワード要素(フィードフォワード乗算器)
74〜81 フィードバック要素(フィードバック乗算器)
82〜85 伝達要素(乗算器)
86 遅れ要素(第1の遅延素子)
87 加え合せ点(減算器)
88 加え合せ点(第1の加算器)
89 加え合せ点(第3の加算器)
90 加え合せ点(第4の加算器)
91 加え合せ点(第5の加算器)
3 Load 20 Robust digital controller (digital controller)
22 Controller (Operation amount calculation unit)
23 PWM generator (signal generator)
31 Delay element (fifth delay element)
32 Delay element (fourth delay element)
33 Delay element (third delay element)
34 Delay element (second delay element)
39 Addition point (second adder)
70-73 Feedforward element (feedforward multiplier)
74 to 81 Feedback element (feedback multiplier)
82 to 85 Transfer element (multiplier)
86 Delay element (first delay element)
87 Addition point (subtractor)
88 Addition points (first adder)
89 Addition point (third adder)
90 Addition points (fourth adder)
91 Addition point (fifth adder)

Claims (6)

入力電圧を出力電圧Voに変換して負荷に供給する電源装置のディジタル制御器であって、
前記出力電圧Voを検出して操作量ξ1を算出するように構成された操作量演算部と、
前記操作量ξ1を、前記電源装置を動作させるための信号に変換する信号生成部とを備え、
前記入力電圧変動および負荷変動の等価外乱Qから出力電圧Voまでの伝達関数WQy(z)に零点を2つ追加した遅れ要素を接続し、前記等価外乱Qからのフィードフォワードを、前記出力電圧Voおよび前記操作量ξ1からのフィードバックで置き換えることで、前記等価外乱qyから前記出力電圧voの伝達特性が3次微分特性となるように、前記操作量演算部を構成したことを特徴とする電源装置のディジタル制御器。
A digital controller of a power supply device that converts an input voltage into an output voltage V o and supplies it to a load,
An operation amount calculator configured to detect the output voltage V o and calculate an operation amount ξ 1 ;
A signal generation unit that converts the operation amount ξ 1 into a signal for operating the power supply device;
A delay element in which two zeros are added to the transfer function W Qy (z) from the input voltage fluctuation and load fluctuation equivalent disturbance Q to the output voltage V o is connected, and feedforward from the equivalent disturbance Q is output as the output By replacing the feedback from the voltage V o and the manipulated variable ξ 1, the manipulated variable calculating unit is configured so that the transfer characteristic of the output voltage v o becomes the third derivative characteristic from the equivalent disturbance qy. A digital controller for a power supply device.
前記操作量演算部は、次の式に従って
Figure 2011166892
(但し、z=exp(jωt)、rは出力電圧voについての任意の目標値、k1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4は、予め設定された所定のパラメータである)
前記操作量ξ1を算出するように構成されたことを特徴とする請求項1記載の電源装置のディジタル制御器。
The manipulated variable calculator is in accordance with the following equation:
Figure 2011166892
(Where z = exp (jωt), r is an arbitrary target value for the output voltage v o , k 1r , k 2r , k 3r , k 4r , k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , (k 6 , k 7 , k 8 , k i1 , k i2 , k i3 , k i4 are predetermined parameters set in advance)
2. The digital controller of the power supply apparatus according to claim 1 , wherein the operation amount ξ 1 is calculated.
前記操作量演算部が、前記目標値rを入力として次の式に表される伝達関数Grを有する第1のディジタルフィルタと、
Figure 2011166892
前記出力電圧Voを入力として次の式で表される伝達関数GVOを有する第2のディジタルフィルタと、
Figure 2011166892
前記目標値rと前記出力電圧voとの偏差を入力として次の式で表される伝達関数Geを有する第3のディジタルフィルタと、
Figure 2011166892
前記第1乃至第3のディジタルフィルタからの各出力を加算して前記操作量ξ1を出力する加算器と、から構成されたことを特徴とする請求項2記載の電源装置のディジタル制御器。
A first digital filter having a transfer function G r expressed by the following equation with the manipulated variable calculator as input:
Figure 2011166892
A second digital filter having the output voltage V o as an input and having a transfer function G VO represented by the following equation:
Figure 2011166892
A third digital filter having a transfer function G e expressed by the following equation using a deviation between the target value r and the output voltage v o as an input;
Figure 2011166892
Digital controller of the power supply device according to claim 2, characterized in that it is composed of an adder which adds the respective outputs to output the manipulated variable xi] 1 from the first to third digital filter.
前記操作量演算部が、前記目標値rを入力として前記パラメータk1r,k2r,k3r,k4rを掛け算する各フィードフォワード乗算器が接続され、前記出力電圧voを入力として前記パラメータk1,k2,k7,k8を掛け算する各フィードバック乗算器が接続されると共に、
前記目標値rと前記出力電圧voとの偏差が減算器から第1の加算器に入力され、この第1の加算器からの出力が1サンプル時間遅らせる第1の遅延素子に入力され、
この第1の遅延素子からの遅れ出力が、前記パラメータki1,ki2,ki3,ki4を掛け算する各乗算器と前記第1の加算器に入力され、
前記パラメータki1の乗算器からの出力と、前記パラメータk1を掛け算するフィードバック乗算器からの出力と、前記パラメータk3,k4,k5,k6を掛け算する各フィードバック乗算器からの出力と、前記パラメータk1rのフィードフォワード乗算器からの出力が、第2の加算器で加算され、
この第2の加算器で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第2の遅延素子に入力され、
この第2の遅延素子からの遅れ出力が前記パラメータk6のフィードバック乗算器に入力され、
前記第2の遅延素子からの遅れ出力と、前記パラメータk2のフィードバック乗算器からの出力と、前記パラメータk2rのフィードフォワード乗算器からの出力と、前記パラメータki2の乗算器からの出力とが、第3の加算器で加算され、
この第3の加算器で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第3の遅延素子に入力され、
この第3の遅延素子からの遅れ出力が前記パラメータk5のフィードバック乗算器に入力され、
前記第3の遅延素子からの遅れ出力と、前記パラメータk8のフィードバック乗算器からの出力と、前記パラメータk3rのフィードフォワード乗算器からの出力と、前記パラメータki3の乗算器からの出力とが、第4の加算器で加算され、
この第4の加算器で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第4の遅延素子に入力され、
この第4の遅延素子からの遅れ出力が前記パラメータk4のフィードバック乗算器に入力され、
前記第4の遅延素子からの遅れ出力と、前記パラメータk7のフィードバック乗算器からの出力と、前記パラメータk4rのフィードフォワード乗算器からの出力と、前記パラメータki4の乗算器からの出力とが、第5の加算器で加算され、
この第5の加算器で加算した出力が1サンプル時間遅らせる第5の遅延素子に入力され、
この第5の遅延素子からの遅れ出力が、前記パラメータk3のフィードバック乗算器に入力されると共に前記操作量ξ1として出力されたよう構成されたことを特徴とする請求項2記載の電源装置のディジタル制御器。
The manipulated variable calculator is connected to each feedforward multiplier that multiplies the parameters k 1r , k 2r , k 3r , and k 4r with the target value r as an input, and receives the output voltage vo as the parameter k. Each feedback multiplier that multiplies 1 , k 2 , k 7 , k 8 is connected,
The deviation between the target value r and the output voltage v o is input from the subtracter to the first adder, and the output from the first adder is input to the first delay element that delays by one sample time,
The delayed output from the first delay element is input to each multiplier for multiplying the parameters k i1 , k i2 , k i3 , k i4 and the first adder,
The output from the multiplier of the parameter k i1 , the output from the feedback multiplier that multiplies the parameter k 1, and the output from each feedback multiplier that multiplies the parameters k 3 , k 4 , k 5 , and k 6. And the output from the feedforward multiplier of the parameter k 1r is added by the second adder,
The output added by the second adder is input to a second delay element that delays one sample time,
The delayed output from the second delay element is input to the feedback multiplier of the parameter k 6 ,
A delay output from the second delay element, an output from the feedback multiplier of the parameter k 2 , an output from the feedforward multiplier of the parameter k 2r , and an output from the multiplier of the parameter k i2 Are added by the third adder,
The output added by the third adder is input to a third delay element that delays one sample time,
The delayed output from the third delay element is input to the feedback multiplier of the parameter k 5 ,
A delay output from the third delay element, an output from the feedback multiplier of the parameter k 8 , an output from the feedforward multiplier of the parameter k 3r , and an output from the multiplier of the parameter k i3 Are added by the fourth adder,
The output added by the fourth adder is input to a fourth delay element that delays one sample time,
The delay output from the fourth delay element is input to the feedback multiplier of the parameter k 4 ,
A delay output from the fourth delay element, an output from the feedback multiplier of the parameter k 7 , an output from the feedforward multiplier of the parameter k 4r , and an output from the multiplier of the parameter k i4 Are added by the fifth adder,
The output added by the fifth adder is input to a fifth delay element that delays one sample time,
Delayed output from the fifth delay element, the parameter k 3 of the feedback multipliers that the configured output as the operation amount xi] 1 is inputted to said claim 2 Power supply according Digital controller.
前記操作量演算部が前記各フィードフォワード乗算器を省略して構成されたことを特徴とする請求項4記載の電源装置のディジタル制御器。 5. The digital controller of the power supply apparatus according to claim 4, wherein the manipulated variable calculation unit is configured by omitting each of the feedforward multipliers. 前記操作量演算部が、前記パラメータk1r,k2r,k3r,k4r,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8,ki1,ki2,ki3,ki4のうちその値が小さく制御系に与える影響が小さいものを省略して構成されたことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つに記載の電源装置のディジタル制御器。 The manipulated variable calculation unit is configured to output the parameters k 1r , k 2r , k 3r , k 4r , k 1 , k 2 , k 3 , k 4 , k 5 , k 6 , k 7 , k 8 , k i1 , k i2. , K i3 , k i4 , and the digital control of the power supply device according to claim 2, wherein the value is small and has a small influence on the control system. vessel.
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