JP2018074751A - Controller for dc-dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DC/DCコンバータの制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a DC / DC converter.
図25は、従来の昇圧型のDC/DCコンバータの構成を示す図である。昇圧型のDC/DCコンバータでは、FET等のスイッチング素子をスイッチング制御することによって、電源Eの電圧を昇圧して負荷Rに出力電圧voとして出力させる。 FIG. 25 is a diagram showing a configuration of a conventional step-up DC / DC converter. In a step-up DC / DC converter, switching control of a switching element such as an FET is performed to boost the voltage of the power source E and output it to the load R as the output voltage vo .
このような昇圧型のDC/DCコンバータに対して、図26に示すようにモデル予測制御器MPCを適用した制御装置が開示されている(非特許文献1)。出力電圧に対する目標値vrと出力電圧voの誤差から指令値vr’を生成し、その指令値vr’及びDC/DCコンバータの現在の状態値xに応じてモデル予測制御器MPCにおいてDC/DCコンバータの状態を予測し、その予測値に基づいてDC/DCコンバータを制御する。 A control device in which a model predictive controller MPC is applied to such a step-up DC / DC converter as shown in FIG. 26 is disclosed (Non-Patent Document 1). A command value v r ′ is generated from an error between the target value v r and the output voltage v o with respect to the output voltage, and the model predictive controller MPC according to the command value v r ′ and the current state value x of the DC / DC converter. The state of the DC / DC converter is predicted, and the DC / DC converter is controlled based on the predicted value.
ところで、従来の制御技術が対象とする昇圧型DC/DCコンバータは、スイッチング素子が1つ、かつ還流ダイオードがない構成である。これに対して、上アームを構成する第1スイッチング素子と下アームを構成する第2スイッチング素子との接続点にリアクトルを接続したDC/DCコンバータでは、リアクトル電流指令値にリアクトル電流を追従させる技術をコンデンサ電圧指令値にコンデンサ電圧を追従させるモデル予測制御に適用すると、スイッチング素子のデューティ比が振動する傾向があり、安定に制御することができない。 By the way, the step-up DC / DC converter targeted by the conventional control technique has a configuration in which there is one switching element and no reflux diode. On the other hand, in the DC / DC converter in which the reactor is connected to the connection point between the first switching element constituting the upper arm and the second switching element constituting the lower arm, a technique for causing the reactor current to follow the reactor current command value. Is applied to model predictive control that causes the capacitor voltage to follow the capacitor voltage command value, the duty ratio of the switching element tends to oscillate and cannot be controlled stably.
本発明の1つの態様は、DC/DCコンバータを制御する制御装置であって、前記DC/DCコンバータの状態方程式を用いて、前記DC/DCコンバータにおける予測時間における所定の状態値を予測し、当該予測された状態値に応じて前記DC/DCコンバータを制御するモデル予測制御器と、前記モデル予測制御器における前記予測時間を設定する予測時間計算器と、を備えることを特徴とする制御装置である。 One aspect of the present invention is a control device that controls a DC / DC converter, predicting a predetermined state value in a prediction time in the DC / DC converter using a state equation of the DC / DC converter, A control apparatus comprising: a model prediction controller that controls the DC / DC converter according to the predicted state value; and a prediction time calculator that sets the prediction time in the model prediction controller. It is.
ここで、前記予測時間計算器は、前記DC/DCコンバータに含まれるリアクトルの値とコンデンサの値を用いて前記予測時間を設定することが好適である。 Here, it is preferable that the prediction time calculator sets the prediction time using a reactor value and a capacitor value included in the DC / DC converter.
また、前記DC/DCコンバータは、電源に接続されるリアクトルと、前記リアクトルに流れる電流を制御する第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記リアクトルからの出力電圧を平滑化させるコンデンサと、を備え、前記モデル予測制御器は、前記電源の電源電圧vb、前記コンデンサの両端のコンデンサ電圧vc及び前記DC/DCコンバータの出力電流imを前記状態方程式に適用することにより前記所定の状態値を予測し、当該予測された状態値に応じて前記DC/DCコンバータを制御することを特徴とする制御装置である。 The DC / DC converter includes a reactor connected to a power source, a first switching element and a second switching element that control a current flowing through the reactor, and a capacitor that smoothes an output voltage from the reactor. wherein the model predictive controller, the power supply voltage v b of the power source, said predetermined condition by applying the output current i m of the capacitor voltage v c and the DC / DC converter at both ends of the capacitor to the state equation A control device that predicts a value and controls the DC / DC converter according to the predicted state value.
ここで、前記DC/DCコンバータの現在の状態値に応じて前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子のオン期間の比であるデューティ比dに対する誤差デューティ比Δdを推定するオブザーバを備え、前記モデル予測制御器は、前記電源電圧vb、前記コンデンサ電圧vc、前記出力電流imに加えて、前記誤差デューティ比Δdを前記状態方程式に適用することにより前記所定の状態値を予測することが好適である。 Here, an observer is provided that estimates an error duty ratio Δd with respect to a duty ratio d that is a ratio of an on period of the first switching element and the second switching element according to a current state value of the DC / DC converter, model predictive controller, wherein the power supply voltage v b, in addition to said capacitor voltage v c, the output current i m, predicting the predetermined state value by applying said error duty ratio Δd in the state equation Is preferred.
また、前記DC/DCコンバータの現在の状態値に応じて前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子のオン期間の比であるデューティ比dに対する誤差デューティ比Δd、及び前記リアクトルを流れるリアクトル電流推定値iL 〜を推定するオブザーバを備え、前記モデル予測制御器は、前記電源電圧vb、前記コンデンサ電圧vc、前記出力電流imに加えて、前記誤差デューティ比Δd及び前記リアクトル電流推定値iL 〜を前記状態方程式に適用することにより前記所定の状態値を予測することが好適である。 Further, an error duty ratio Δd with respect to a duty ratio d, which is a ratio of an ON period of the first switching element and the second switching element, according to a current state value of the DC / DC converter, and an estimation of a reactor current flowing through the reactor It comprises an observer that estimates the value i L ~, the model predictive controller, wherein the power supply voltage v b, the capacitor voltage v c, in addition to the output current i m, the error duty ratio Δd and the reactor current estimated value It is preferable to predict the predetermined state value by applying i L to the state equation.
また、前記リアクトルに流れる電流に応じて前記リアクトルの値を設定し、当該リアクトルの値を前記状態方程式に適用することが好適である。 Moreover, it is preferable to set the value of the reactor according to the current flowing through the reactor, and to apply the value of the reactor to the state equation.
本発明によれば、DC/DCコンバータに対する制御において状態値を予測するための予測時間や指令値を設定するための整定時間を適切に設定することによりDC/DCコンバータを安定に制御することができる。 According to the present invention, the DC / DC converter can be stably controlled by appropriately setting the prediction time for predicting the state value and the settling time for setting the command value in the control for the DC / DC converter. it can.
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の実施の形態における電力変換装置100の基本構成を示す。電力変換装置100は、直流電源10、リアクトル12、第1スイッチング素子14、第2スイッチング素子16及びコンデンサ18を含んで構成される。
<First Embodiment>
FIG. 1 shows a basic configuration of a power conversion device 100 according to an embodiment of the present invention. The power conversion apparatus 100 includes a DC power supply 10, a reactor 12, a first switching element 14, a second switching element 16, and a capacitor 18.
直流電源10の正極にリアクトル12の一端が接続され、リアクトル12の他端には第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16の接続点Cが接続される。第1スイッチング素子14の他端は負荷102への出力端(OUT+)に接続され、第2スイッチング素子16の他端は直流電源10の負極(OUT−)に接続される。また、出力端と直流電源10の負極との間には電圧を平滑化させるためにコンデンサ18が接続される。 One end of the reactor 12 is connected to the positive electrode of the DC power supply 10, and the connection point C of the first switching element 14 and the second switching element 16 is connected to the other end of the reactor 12. The other end of the first switching element 14 is connected to the output terminal (OUT +) to the load 102, and the other end of the second switching element 16 is connected to the negative electrode (OUT−) of the DC power supply 10. A capacitor 18 is connected between the output terminal and the negative electrode of the DC power supply 10 in order to smooth the voltage.
なお、本実施の形態では、第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16はNPNトランジスタとする。第1スイッチング素子14は、出力端側がコレクタ、リアクトル12側がエミッタとされる。第2スイッチング素子16は、リアクトル12側がコレクタ、直流電源10の負極側がエミッタとされる。また、第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のそれぞれに並列に環流ダイオードが接続される。 In the present embodiment, the first switching element 14 and the second switching element 16 are NPN transistors. The first switching element 14 has a collector on the output end side and an emitter on the reactor 12 side. The second switching element 16 has a reactor 12 side as a collector and a DC power supply 10 negative electrode side as an emitter. A free-wheeling diode is connected in parallel to each of the first switching element 14 and the second switching element 16.
電力変換装置100において、第1スイッチング素子14をオフ状態及び第2スイッチング素子16をオン状態とすることで、リアクトル12を介して直流電源10の正極から負極に向けたリアクトル電流iLが流れる。これによって、リアクトル12にエネルギーが蓄積される。次に、第1スイッチング素子14をオン状態及び第2スイッチング素子16をオフ状態とすることで、リアクトル電流iLが遮断され、リアクトル12の端部に直流電源10の電圧(電池電圧vb)よりも高い電圧が生じ、これに応じた電流が出力端に向けて流れてコンデンサ18が充電されてコンデンサ電圧vcが上昇する。このコンデンサ電圧vcが負荷102に印加される。電力変換装置100の出力電圧、すなわちコンデンサ電圧vcは、第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のオン期間の比であるデューティ比によって決定される。 In the power conversion device 100, the reactor current i L flows from the positive electrode to the negative electrode of the DC power supply 10 through the reactor 12 by turning the first switching element 14 off and the second switching element 16 on. As a result, energy is accumulated in the reactor 12. Next, the first switching element 14 is turned on and the second switching element 16 is turned off, whereby the reactor current i L is cut off, and the voltage of the DC power source 10 (battery voltage v b ) is connected to the end of the reactor 12. cause a voltage higher than, current corresponding to the capacitor voltage v c rises capacitor 18 flows is charged towards the output end. The capacitor voltage v c is applied to the load 102. Output voltage, i.e. the capacitor voltage v c of the power converter 100 is determined by the duty ratio which is the ratio of the on period of the first switching element 14 and second switching element 16.
電力変換装置100は、制御装置104によって制御される。本実施の形態では、電力変換装置100の現在の状態値が制御装置104へ入力され、制御装置104は入力された状態値に応じて電力変換装置100を制御する。状態値として、直流電源10の電圧vb、リアクトル12を流れるリアクトル電流iL、コンデンサ18の両端のコンデンサ電圧vc、負荷であるモータの電流iu,iw及びモータの回転角θが制御装置104へ入力される。制御装置104は、モータの電流iu,iw及びモータの回転角θから電力変換装置100の出力電流imを算出する。 The power conversion device 100 is controlled by the control device 104. In the present embodiment, the current state value of power conversion device 100 is input to control device 104, and control device 104 controls power conversion device 100 according to the input state value. The state value is controlled by the voltage v b of the DC power source 10, the reactor current i L flowing through the reactor 12, the capacitor voltage v c across the capacitor 18, the motor currents i u and i w as loads, and the motor rotation angle θ. Input to the device 104. Controller 104 calculates the output current i m of the power conversion device 100 from the current i u, i rotation angle of w and motor θ of the motor.
図2は、制御装置104の構成を示す図である。制御装置104は、PI制御器20、インダクタンス設定器22、予測時間計算器24、モデル予測制御器(MPC)26及びリミッタ28を含んで構成される。 FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the control device 104. The control device 104 includes a PI controller 20, an inductance setting unit 22, a prediction time calculator 24, a model prediction controller (MPC) 26, and a limiter 28.
PI制御器20は、電力変換装置100の制御の指令値となるコンデンサ電圧指令値vc *とコンデンサ18の現在の電圧値であるコンデンサ電圧vcとの偏差を受けて、MPC26での制御の目標値とするコンデンサ電圧指令値vc **を出力する。コンデンサ電圧指令値vc **は、MPC26へ入力される。 The PI controller 20 receives the deviation between the capacitor voltage command value v c *, which is a command value for control of the power converter 100, and the capacitor voltage v c , which is the current voltage value of the capacitor 18, and performs control of the MPC 26. The capacitor voltage command value v c ** as the target value is output. The capacitor voltage command value v c ** is input to the MPC 26.
インダクタンス設定器22は、現在のリアクトル電流iLに基づいて現在のリアクトル12の値(インダクタンス)を求める。電力変換装置100では、リアクトル電流iLに応じてリアクトル12のインダクタンスLは変化する。図3は、電流値に対するリアクトル12のインダクタンスLの変化を示す図である。図3において、横軸の電流値は最大電流を1として正規化し、縦軸のインダクタンスLは電流値が0のときを1として正規化して示している。インダクタンス設定器22は、図3におけるリアクトル電流iLとインダクタンスLとの関係を示す関係式又はデータベースに基づいてリアクトル電流iLに応じたインダクタンスLを設定して出力する。インダクタンスLは、予測時間計算器24及びMPC26に入力される。 The inductance setting unit 22 obtains the current value (inductance) of the reactor 12 based on the current reactor current i L. In the power conversion apparatus 100, the inductance L of the reactor 12 depending on the reactor current i L is changed. FIG. 3 is a diagram illustrating a change in the inductance L of the reactor 12 with respect to the current value. In FIG. 3, the current value on the horizontal axis is normalized with the maximum current as 1, and the inductance L on the vertical axis is normalized with 1 when the current value is 0. Inductance setter 22 sets the inductance L outputs corresponding to reactor current i L based on the relational expression or database indicating the relationship between the reactor current i L and the inductance L in FIG. The inductance L is input to the prediction time calculator 24 and the MPC 26.
予測時間計算器24は、MPC26において電力変換装置100の状態値の予測を行う際に使用される予測時間を計算する。すなわち、予測時間計算器24では、電力変換装置100のデューティ比dを変化させた時のコンデンサ18のコンデンサ電圧vcが変化するまでの時間を予測時間として算出する処理を行う。 The prediction time calculator 24 calculates a prediction time used when the state value of the power conversion device 100 is predicted in the MPC 26. That is, in the prediction time calculator 24 performs processing for calculating the time until the capacitor voltage v c of the capacitor 18 at the time of changing the duty ratio d of the power conversion device 100 changes as the estimated time.
コンデンサ電圧vcとコンデンサ電流icとは数式(1)の関係式、コンデンサ電流icと負荷電流imとは数式(2)の関係式、リアクトル電流iLとコンデンサ電圧vcとは数式(3)の関係式で表される。ここで、コンデンサ18の値(キャパシティ)C、リアクトル12の値(インダクタンス)L、予測時間Tpとする。インダクタンスLは、インダクタンス設定器22によって求められた値を適用する。 Relationship of Equation (1) and the capacitor voltage v c and capacitor current i c, equation a capacitor current i c relation of equation (2) of the load current i m, and reactor current i L and the capacitor voltage v c It is represented by the relational expression (3). Here, the value of capacitor 18 (capacity) C, the value of the reactor 12 (inductance) L, the estimated time T p. As the inductance L, a value obtained by the inductance setting unit 22 is applied.
なお、kは、制御回数を示す。例えば、d(k)は、k回目の制御におけるデューティ比dを表し、d(k+1)は、k+1回目の制御におけるデューティ比dを表す。他の状態量についても同様である。
数式(1)を微分すると数式(4)が得られる。
数式(4)に数式(2)を代入すると数式(5)が得られる。
数式(5)において負荷電流imが変化しないものとすると数式(6)となる。
数式(6)に数式(3)を変形した数式(7)を代入すると数式(8)が得られる。
数式(8)を整理し、予想時間Tpに対する二次方程式にまとめると数式(9)となる。
ここで、予想時間Tpは、制御周期Tcとステップ数nとの積(Tp=Tc×n)として表すことができるので、数式(9)はステップ数nに対する二次方程式である数式(10)として表すことができる。なお、数式(10)における各項の係数をそれぞれa,b,cとする。
二次方程式をステップ数nについて解くと数式(11)となる。なお、ステップ数nは常に正の数であるので、数式(11)の+符号のみをステップ数nとして算出すればよい。ステップ数nに制御周期Tcを乗算することによって予想時間Tpが算出される。予想時間Tpは、MPC26へ入力される。
MPC26では、電力変換装置100の状態方程式を用いて、第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のデューティ比dを複数の異なる値に変化させたときの電力変換装置100における所定の状態値(状態量)に対する予測値を算出し、状態値(状態量)の目標を示す指令値と予測値との差に応じて電力変換装置100を制御する。 In the MPC 26, using the state equation of the power conversion device 100, a predetermined state value (in the power conversion device 100 when the duty ratio d of the first switching element 14 and the second switching element 16 is changed to a plurality of different values ( A predicted value for the state quantity is calculated, and the power conversion apparatus 100 is controlled according to the difference between the command value indicating the target of the state value (state quantity) and the predicted value.
本実施の形態では、MPC26は、所定の状態値としてコンデンサ18の電圧の予測値であるコンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)を算出する。そして、MPC26は、コンデンサ電圧指令値vc **に近づくようなコンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)となるデューティ比d(=d(k+1))を求める処理を行う。 In the present embodiment, the MPC 26 calculates a capacitor voltage predicted value v c ^ (hat) that is a predicted value of the voltage of the capacitor 18 as a predetermined state value. Then, the MPC 26 performs processing for obtaining a duty ratio d (= d (k + 1)) that becomes a capacitor voltage predicted value v c ^ (hat) that approaches the capacitor voltage command value v c ** .
MPC26は、図4に示すように、加算器30(30−2〜30−129)、予測演算器32(32−1〜32−129)、評価関数演算器34(34−1〜34−129)、最小値選択器36を含んで構成される。 As shown in FIG. 4, the MPC 26 includes an adder 30 (30-2 to 30-129), a prediction calculator 32 (32-1 to 32-129), and an evaluation function calculator 34 (34-1 to 34-129). ) And a minimum value selector 36.
加算器30(30−2〜30−129)は、現在のデューティ比d(k)に所定値を加算することによりデューティ比d(k)に変化を与えて出力する。本実施の形態では、デューティ比d(k)は、0〜1023の値の範囲で表されるものとする。すなわち、下アームである第2スイッチング素子16が常時オンであり、上アームである第1スイッチング素子14が常時オフである状態のときのデューティ比dが0で表されるものとする。また、下アームである第2スイッチング素子16が常時オフであり、上アームである第1スイッチング素子14が常時オンである状態のときのデューティ比dが1023で表されるものとする。加算器30は、現在のデューティ比d(k)を中心値として、d(k)±64の範囲で変化を与えて出力する。変化の範囲は、電力変換装置100のデッドタイムの期間及びPWM周期に基づいて設定することが好適である。例えば、デッドタイム/PWM周期×デューティ比dの数値範囲で算出される値よりも大きな変換の範囲とすることが好適である。具体的には、デッドタイムが5μs、PWM周期が100μsである場合、デューティ比dを0〜1023の範囲で表した場合には5/100×1023=51よりも大きい数値範囲を変化の範囲とすることが好適である。一方、演算負荷をできるだけ小さくするために、変化の範囲はできるだけ狭い方が好適である。そこで、本実施の形態では、変化の範囲を±64とした例を示している。 The adder 30 (30-2 to 30-129) changes the duty ratio d (k) by adding a predetermined value to the current duty ratio d (k) and outputs the change. In the present embodiment, it is assumed that the duty ratio d (k) is expressed in a range of values from 0 to 1023. That is, it is assumed that the duty ratio d is 0 when the second switching element 16 that is the lower arm is always on and the first switching element 14 that is the upper arm is always off. Further, it is assumed that the duty ratio d when the second switching element 16 that is the lower arm is always off and the first switching element 14 that is the upper arm is always on is represented by 1023. The adder 30 gives a change in the range of d (k) ± 64 with the current duty ratio d (k) as the center value, and outputs the change. The range of the change is preferably set based on the dead time period and the PWM cycle of the power conversion device 100. For example, it is preferable that the range of conversion is larger than the value calculated by the numerical range of dead time / PWM period × duty ratio d. Specifically, when the dead time is 5 μs and the PWM cycle is 100 μs, when the duty ratio d is expressed in the range of 0 to 1023, a numerical range larger than 5/100 × 1023 = 51 is set as the range of change. It is preferable to do. On the other hand, in order to make the calculation load as small as possible, it is preferable that the range of change is as narrow as possible. Therefore, in this embodiment, an example in which the range of change is ± 64 is shown.
加算器30−2は、現在のデューティ比d(k)に1を加算してd(k)+1を出力する。加算器30−3は、現在のデューティ比d(k)に2を加算してd(k)+2を出力する。同様に、加算器30−4〜加算器30−65は、現在のデューティ比d(k)にそれぞれ3〜64を加算して出力する。また、加算器30−66は、現在のデューティ比d(k)から1を減算してd(k)−1を出力する。加算器30−67は、現在のデューティ比d(k)から2を減算してd(k)−2を出力する。同様に、加算器30−68〜加算器30−129は、現在のデューティ比d(k)からそれぞれ3〜64を減算して出力する。加算器30−2〜30−129からの出力は、それぞれ予測演算器32−2〜32−129へ入力される。 The adder 30-2 adds 1 to the current duty ratio d (k) and outputs d (k) +1. The adder 30-3 adds 2 to the current duty ratio d (k) and outputs d (k) +2. Similarly, adders 30-4 to 30-65 add 3 to 64 to the current duty ratio d (k) and output the result. The adder 30-66 subtracts 1 from the current duty ratio d (k) and outputs d (k) -1. The adder 30-67 subtracts 2 from the current duty ratio d (k) and outputs d (k) -2. Similarly, adders 30-68 to 30-129 subtract 3 to 64 from the current duty ratio d (k) and output the result. Outputs from the adders 30-2 to 30-129 are input to the prediction calculators 32-2 to 32-129, respectively.
予測演算器32は、加算器30からの出力、コンデンサ電圧vc、リアクトル電流iL、電源電圧vb、出力電流(負荷電流)im及び予想時間Tpを用いてコンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)を算出して出力する。 Prediction calculator 32, the output from the adder 30, the capacitor voltage v c, reactor current i L, the power supply voltage v b, the output current (load current) i m and expected time T p using capacitor voltage prediction value v c ^ (Hat) is calculated and output.
ここで、電力変換装置100の状態方程式は数式(12)にて表される。
数式(12)を双1次変換を用いて離散化させると数式(13)のように示される。
コンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)は、左辺の1行目vc(k+1)をvc ^[d(k)+a](ハット)、Tを予測時間Tpに置き換えて展開した数式(14)を用いて算出される。
予測演算器32−1は、数式(14)のaを0としてvc ^[d(k)](ハット)を算出して出力する。予測演算器32−2は、数式(14)のaを1としてvc ^[d(k)+1](ハット)を算出して出力する。同様に、予測演算器32−3〜予測演算器32−65は、それぞれaを2〜64としてvc ^[d(k)+a](ハット)を算出して出力する。予測演算器32−66は、数式(14)のaを−1としてvc ^[d(k)−1](ハット)を算出して出力する。予測演算器32−67は、数式(14)のaを−2としてvc ^[d(k)−2](ハット)を算出して出力する。同様に、予測演算器32−68〜予測演算器32−129は、それぞれaを−3〜−64としてvc ^[d(k)+a](ハット)を算出して出力する。予測演算器32−1〜32−129の出力は、それぞれ評価関数演算器34−1〜34−129へ入力される。 The prediction calculator 32-1 calculates and outputs v c ^ [d (k)] (hat) with a in Equation (14) as 0. The prediction calculator 32-2 calculates and outputs v c ^ [d (k) +1] (hat), where a in Equation (14) is 1. Similarly, the prediction calculator 32-3~ prediction calculator 32-65 is, v c ^ as 2 to 64 of a respective [d (k) + a] calculates and outputs the (hat). The prediction computing unit 32-66 calculates and outputs v c ^ [d (k) −1] (hat), where a in Equation (14) is −1. The prediction computing unit 32-67 calculates and outputs v c ^ [d (k) −2] (hat), where “a” in Expression (14) is −2. Similarly, the prediction calculators 32-68 to 32-129 calculate and output v c ^ [d (k) + a] (hat), where a is −3 to −64, respectively. The outputs of the prediction calculators 32-1 to 32-129 are input to the evaluation function calculators 34-1 to 34-129, respectively.
評価関数演算器34は、PI制御器20から入力されたコンデンサ電圧指令値vc **及び予測演算器32から入力されたコンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)に基づいて評価関数Jの演算を行い、演算結果を出力する。評価関数Jは、数式(15)にて表される。
評価関数演算器34−1は、数式(15)のaを0としてJ[d(k)]を算出して出力する。評価関数演算器34−2は、数式(15)のaを1としてJ[d(k)+1]を算出して出力する。同様に、評価関数演算器34−3〜評価関数演算器34−65は、それぞれaを2〜64としてJ[d(k)+a]を算出して出力する。評価関数演算器34−66は、数式(15)のaを−1としてJ[d(k)−1]を算出して出力する。評価関数演算器34−67は、数式(15)のaを−2としてJ[d(k)−2]を算出して出力する。同様に、評価関数演算器34−68〜評価関数演算器34−129は、それぞれaを−3〜−64としてJ[d(k)+a]を算出して出力する。評価関数演算器34−1〜34−129の出力は、最小値選択器36へ入力される。 The evaluation function calculator 34-1 calculates J [d (k)] by setting a in Equation (15) to 0 and outputs the result. The evaluation function calculator 34-2 calculates and outputs J [d (k) +1], where a in Equation (15) is 1. Similarly, the evaluation function calculator 34-3 to the evaluation function calculator 34-65 calculate and output J [d (k) + a] with a being 2 to 64, respectively. The evaluation function calculator 34-66 calculates and outputs J [d (k) −1], where a in Equation (15) is −1. The evaluation function calculator 34-67 calculates and outputs J [d (k) -2], where a in Equation (15) is −2. Similarly, the evaluation function calculators 34-68 to 34-129 calculate and output J [d (k) + a], where a is −3 to −64, respectively. The outputs of the evaluation function calculators 34-1 to 34-129 are input to the minimum value selector 36.
最小値選択器36は、評価関数演算器34−1〜評価関数演算器34−129にて算出されたJ[d(k)],J[d(k)+1]・・・J[d(k)−64]のうち最小値を選択し、評価関数Jを最小値とするd(k)+aを次の制御の際のデューティ比d(k+1)として出力する。 The minimum value selector 36 includes J [d (k)], J [d (k) +1]... J [d () calculated by the evaluation function calculator 34-1 to evaluation function calculator 34-129. k) −64], the minimum value is selected, and d (k) + a having the evaluation function J as the minimum value is output as the duty ratio d (k + 1) in the next control.
リミッタ28は、MPC26から出力されたデューティ比d(k+1)の入力をうけ、入力されたデューティ比d(k+1)が最適デューティ比範囲DR内になるように制限する。 The limiter 28 receives the duty ratio d (k + 1) output from the MPC 26 and limits the input duty ratio d (k + 1) to be within the optimum duty ratio range DR.
図5は、電力変換装置100からの出力Pとデューティ比dとの関係を示す。図5に示すように、出力Pを最大出力Pmaxとするためにはデューティ比dを電源電圧vb/(2×コンデンサ電圧vc)となるように電力変換装置100を制御すればよい。一方、デューティ比dが電源電圧vb/(2×コンデンサ電圧vc)を下回るように電力変換装置100を制御すると、出力Pが低下してしまう。そこで、デューティ比dを電源電圧vb/(2×コンデンサ電圧vc)を下限とした範囲となるように電力変換装置100を制御することが好適である。なお、最適デューティ比範囲DRは、必ずしも電源電圧vb/(2×コンデンサ電圧vc)を下限とした範囲に設定する必要はなく、例えば、図6に示すように、最大出力Pmaxよりも小さい出力値Paを出力上限としたときのデューティ比dLをその下限に設定してもよい。さらに、出力値Pbを回生上限としたときのデューティ比dHを最適デューティ比範囲DRの上限に設定してもよい。 FIG. 5 shows the relationship between the output P from the power converter 100 and the duty ratio d. As shown in FIG. 5, in order to set the output P to the maximum output Pmax, the power conversion apparatus 100 may be controlled so that the duty ratio d becomes the power supply voltage v b / (2 × capacitor voltage v c ). On the other hand, if the power conversion apparatus 100 is controlled such that the duty ratio d is lower than the power supply voltage v b / (2 × capacitor voltage v c ), the output P is lowered. Therefore, it is preferable to control the power conversion apparatus 100 so that the duty ratio d is in a range with the power supply voltage v b / (2 × capacitor voltage v c ) as a lower limit. The optimum duty ratio range DR does not necessarily need to be set to a range in which the power supply voltage v b / (2 × capacitor voltage v c ) is a lower limit, and is smaller than the maximum output Pmax, for example, as shown in FIG. The duty ratio d L when the output value Pa is set as the output upper limit may be set as the lower limit. Furthermore, the duty ratio d H when the output value Pb is set as the regeneration upper limit may be set as the upper limit of the optimum duty ratio range DR.
リミッタ28は、MPC26からのデューティ比d(k+1)が設定された最適デューティ比範囲DR内の値であれば、MPC26から出力されたデューティ比d(k+1)をそのまま出力する。また、リミッタ28は、MPC26からのデューティ比d(k+1)が設定された最適デューティ比範囲DR外の値であれば、MPC26から出力されたデューティ比d(k+1)が最適デューティ比範囲DR内に収まるように制限して出力する。 If the duty ratio d (k + 1) from the MPC 26 is a value within the set optimum duty ratio range DR, the limiter 28 outputs the duty ratio d (k + 1) output from the MPC 26 as it is. Further, the limiter 28 determines that the duty ratio d (k + 1) output from the MPC 26 is within the optimum duty ratio range DR if the duty ratio d (k + 1) from the MPC 26 is outside the set optimum duty ratio range DR. Limit output to fit.
制御装置104は、リミッタ28から出力されたデューティ比dとなるように第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のオン期間を制御する。これにより、電力変換装置100は、指令値とされるコンデンサ電圧指令値vc **となるようにコンデンサ電圧vcが制御される。 The control device 104 controls the ON period of the first switching element 14 and the second switching element 16 so that the duty ratio d output from the limiter 28 is obtained. Thus, the power conversion device 100, the capacitor voltage v c so that the capacitor voltage command value v c ** which is a command value is controlled.
なお、本実施の形態では、コンデンサ電圧指令値vc **に基づいて制御を行う態様としたが、これに限定されるものではない。コンデンサ電圧指令値vc **に代えてリアクトル電流指令値iL *に基づいて制御を行う態様としてもよい。 In the present embodiment, the control is performed based on the capacitor voltage command value v c **, but the present invention is not limited to this. Or as an embodiment which performs control based on the reactor current command value i L * in place of the capacitor voltage instruction value v c **.
この場合、PI制御器20は、電力変換装置100の制御の指令値となるコンデンサ電圧指令値vc *とコンデンサ18の現在の電圧値であるコンデンサ電圧vcとの偏差を受けて、MPC26での制御の目標値とするリアクトル電流指令値iL *を出力する。リアクトル電流指令値iL *は、MPC26へ入力される。 In this case, the PI controller 20 receives a deviation between the capacitor voltage command value v c * which is a command value for control of the power converter 100 and the capacitor voltage v c which is the current voltage value of the capacitor 18, and the MPC 26 The reactor current command value i L *, which is the target value for the control, is output. Reactor current command value i L * is input to MPC 26.
また、MPC26は、所定の状態値としてリアクトル12を流れる電流の予測値であるリアクトル電流予測値iL ^(ハット)を算出する。そして、MPC26は、リアクトル電流指令値iL *に近づくようなリアクトル電流予測値iL ^(ハット)となるデューティ比d(=d(k+1))を求める処理を行う。 Further, the MPC 26 calculates a reactor current predicted value i L ^ (hat) that is a predicted value of the current flowing through the reactor 12 as a predetermined state value. Then, the MPC 26 performs a process for obtaining a duty ratio d (= d (k + 1)) that becomes the reactor current predicted value i L ^ (hat) that approaches the reactor current command value i L * .
具体的には、予測演算器32において、加算器30からの出力、コンデンサ電圧vc、リアクトル電流iL、電源電圧vb、出力電流(負荷電流)im及び予想時間Tpを用いてリアクトル電流予測値iL ^(ハット)を算出して出力する。リアクトル電流予測値iL ^(ハット)は、数式(13)の左辺の2行目iL(k+1)をiL ^[d(k)+a](ハット)、Tを予測時間Tpに置き換えて展開した数式(16)を用いてリアクトル電流予測値iL ^[d(k)+a](ハット)を算出すればよい。
評価関数演算器34は、PI制御器20から入力されたリアクトル電流指令値iL *及び予測演算器32から入力されたリアクトル電流予測値iL ^(ハット)に基づいて評価関数Jの演算を行い、演算結果を出力する。評価関数Jは、数式(17)にて表される。
最小値選択器36は、評価関数演算器34−1〜評価関数演算器34−129にて算出されたJ[d(k)],J[d(k)+1]・・・J[d(k)−64]のうち最小値を選択し、評価関数Jを最小値とするd(k)+aを次の制御の際のデューティ比d(k+1)として出力する。リミッタ28は、MPC26から出力されたデューティ比d(k+1)の入力をうけ、入力されたデューティ比d(k+1)が最適デューティ比範囲DR内になるように制限する。制御装置104は、このようにして得られたデューティ比d(k+1)に基づいて電力変換装置100を制御する。 The minimum value selector 36 includes J [d (k)], J [d (k) +1]... J [d () calculated by the evaluation function calculator 34-1 to evaluation function calculator 34-129. k) −64], the minimum value is selected, and d (k) + a having the evaluation function J as the minimum value is output as the duty ratio d (k + 1) in the next control. The limiter 28 receives the duty ratio d (k + 1) output from the MPC 26 and limits the input duty ratio d (k + 1) to be within the optimum duty ratio range DR. The control device 104 controls the power conversion device 100 based on the duty ratio d (k + 1) obtained in this way.
なお、本実施の形態では、数式(11)の解として得られたステップ数nに制御周期Tcを乗算した値を予想時間Tpとしたが、予想時間Tpはステップ数nに制御周期Tcを乗算した値以上であればよい。 In the present embodiment, the value obtained by multiplying the number of steps n obtained as a solution of Equation (11) by the control period T c is defined as the predicted time T p , but the predicted time T p is determined by adding the number of steps n to the control period. It is sufficient that the value is equal to or greater than a value obtained by multiplying Tc .
図7(a)〜図7(c)は、それぞれ第1の実施の形態における制御装置104によって電力変換装置100を制御したときのコンデンサ電圧指令値vc **、コンデンサ電圧vc及び電源電圧vbを示す。図8は、第1の実施の形態における制御装置104によって電力変換装置100を制御したときのリアクトル電流iLを示す。また、図9は、数式(11)の解を示す。 FIGS. 7A to 7C show the capacitor voltage command value v c ** , the capacitor voltage v c, and the power supply voltage when the power conversion device 100 is controlled by the control device 104 in the first embodiment, respectively. v b is shown. FIG. 8 shows the reactor current i L when the power conversion device 100 is controlled by the control device 104 in the first embodiment. Moreover, FIG. 9 shows the solution of Formula (11).
なお、図7、図8及び図9では、横軸の時間は同じ時間範囲を示している。また、図7(a)〜図7(c)では、縦軸の電圧値は同じ電圧範囲を示している。 In FIGS. 7, 8 and 9, the time on the horizontal axis indicates the same time range. In FIGS. 7A to 7C, the voltage values on the vertical axis indicate the same voltage range.
本実施の形態における制御装置104によって、図7〜図9に示すように、電力変換装置100は指令値とされるコンデンサ電圧指令値vc **にコンデンサ電圧vcが追従するように制御できる。 By the control device 104 of the present embodiment, as shown in FIGS. 7-9, the power conversion apparatus 100 can be controlled so that the capacitor voltage instruction value v c ** the capacitor voltage v c is the command value to follow .
一方、図10(a)〜図10(c)は、第1の実施の形態における予想時間Tpよりも短い時間を用いて電力変換装置100を制御したときのコンデンサ電圧指令値vc **、コンデンサ電圧vc及び電源電圧vbを示す。図11は、第1の実施の形態における予想時間Tpよりも短い時間を用いて電力変換装置100を制御したときのリアクトル電流iLを示す。また、図12は、第1の実施の形態における予想時間Tpよりも短い時間を用いたときの数式(11)の解を示す。 On the other hand, FIG. 10A to FIG. 10C show capacitor voltage command values v c ** when the power conversion device 100 is controlled using a time shorter than the expected time T p in the first embodiment. shows the capacitor voltage v c and the power supply voltage v b. FIG. 11 shows reactor current i L when power converter 100 is controlled using a time shorter than expected time T p in the first embodiment. FIG. 12 shows a solution of Equation (11) when a time shorter than the expected time T p in the first embodiment is used.
なお、図10、図11及び図12では、横軸の時間は同じ時間範囲を示している。また、図10(a)〜図10(c)では、縦軸の電圧値は同じ電圧範囲を示している。 In FIGS. 10, 11, and 12, the time on the horizontal axis indicates the same time range. 10A to 10C, the voltage values on the vertical axis indicate the same voltage range.
第1の実施の形態における予想時間Tpよりも短い時間を用いた場合、図7〜図9に示すように、電力変換装置100はコンデンサ電圧vcが指令値とされるコンデンサ電圧指令値vc **に十分に追従しておらず、第1の実施の形態に比べて制御の安定性が低下する。 When using a shorter time than the expected time T p in the first embodiment, as shown in FIGS. 7-9, the power conversion apparatus 100 includes the capacitor voltage instruction value v of the capacitor voltage v c is the command value c ** is not sufficiently followed, and the stability of the control is reduced as compared with the first embodiment.
<第2の実施の形態>
第1の実施の形態では、リアクトル12を実際に流れるリアクトル電流iLを計測し、そのリアクトル電流iLに基づいてデューティ比dを制御する制御装置104の構成について説明した。第2の実施の形態では、電力変換装置200は、図13に示すように、リアクトル12を流れるリアクトル電流iLを計測するためのセンサを備えない。その代わりに、図14に示すように、制御装置104aに含まれるオブザーバ40では、誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))及びリアクトル12を流れる電流の推定値であるリアクトル電流推定値iL 〜(チルダ)を算出して出力する。
<Second Embodiment>
In the first embodiment, the configuration of the control device 104 that measures the reactor current i L that actually flows through the reactor 12 and controls the duty ratio d based on the reactor current i L has been described. In the second embodiment, the power conversion device 200, as shown in FIG. 13, not provided with a sensor for measuring the reactor current i L flowing through the reactor 12. Alternatively, as shown in FIG. 14, the control in the device observer 40 contained in the 104a, is an estimate of the current flowing through the error duty ratio estimate Δd ~ (= Δd ~ (k ) ( tilde)) and the reactor 12 Reactor current estimated value i L ~ (tilde) is calculated and output.
電力変換装置200の状態方程式は数式(12)で表され、数式(12)にデッドタイムを考慮した誤差デューティ比Δdを組み込むと数式(18)に示す状態方程式となる。
数式(18)を双1次変換を用いて離散化させると数式(19)のように示される。
数式(19)に基づいて、コンデンサ18の電圧の予測値であるコンデンサ電圧予測値(チルダ)vc 〜(k)、リアクトル12の電流の予測値であるリアクトル電流予測値(チルダ)iL 〜(k)及び誤差デューティ比の予測値である誤差デューティ比予測値(チルダ)Δd〜(k)は数式(20)のように表すことができる。ここで、制御周期Tであり、h1〜h3は比例定数である。
オブザーバ40は、入力されたコンデンサ電圧指令値vc *、コンデンサ電圧vc、リアクトル電流iL、電源電圧vb及び出力電流imを数式(20)に代入することによって、現在の誤差デューティ比Δd(=Δd(k))の推定値を算出する。なお、推定される誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))は、数式(20)におけるkをk−1に読み替えて処理することによって算出することができる。算出された誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))は、MPC26aに入力される。 Observer 40 is input capacitor voltage command value v c *, capacitor voltage v c, reactor current i L, by substituting the power supply voltage v b and the output current i m in equation (20), current error duty ratio An estimated value of Δd (= Δd (k)) is calculated. The estimated error duty ratio estimated values Δd to (= Δd to (k) (tilde)) can be calculated by replacing k in the equation (20) with k−1. The calculated error duty ratio estimate Δd ~ (= Δd ~ (k ) ( tilde)) is input to MPC26a.
また、オブザーバ40は、コンデンサ電圧指令値vc *、コンデンサ電圧vc、電源電圧vb及び出力電流imを数式(20)の代入することによって、リアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))を算出する。なお、リアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))は、数式(20)におけるkをk−1に読み替えて処理することによって算出することができる。算出されたリアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))は、インダクタンス設定器22a及びMPC26aに入力される。 Moreover, the observer 40, the capacitor voltage instruction value v c *, capacitor voltage v c, the power supply voltage v b and by substituting the output current i m the formula (20), reactor current estimated value i L ~ (= i L to calculate - the (k) (tilde)). Reactor current estimated values i L to (= i L to (k) (tilde)) can be calculated by replacing k in equation (20) with k−1 and processing. The calculated reactor current estimated value i L ˜ (= i L ˜ (k) (tilde)) is input to the inductance setting device 22a and the MPC 26a.
インダクタンス設定器22aは、インダクタンス設定器22において現在のリアクトル電流iLを用いたのに代えて、リアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))に基づいて現在のリアクトル12の値(インダクタンス)を求める。インダクタンス設定器22aは、図3におけるリアクトル電流iLとインダクタンスLとの関係を示す関係式又はデータベースに基づいてリアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))に応じたインダクタンスLを設定して出力する。インダクタンスLは、予測時間計算器24及びMPC26aに入力される。 Instead of using the current reactor current i L in the inductance setter 22, the inductance setter 22 a is based on the reactor current estimated value i L ˜ (= i L ˜ (k) (tilde)). A value of 12 (inductance) is obtained. The inductance setting device 22a corresponds to the reactor current estimated value i L ˜ (= i L ˜ (k) (tilde)) based on the relational expression or database indicating the relation between the reactor current i L and the inductance L in FIG. Set inductance L and output. The inductance L is input to the prediction time calculator 24 and the MPC 26a.
予測時間計算器24は、MPC26aにおいて電力変換装置200の状態値の予測を行う際に使用される予測時間Tpを計算する。予測時間計算器24での処理は、第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。 The prediction time calculator 24 calculates a prediction time T p used when the state value of the power conversion device 200 is predicted in the MPC 26a. Since the processing in the prediction time calculator 24 is the same as that in the first embodiment, description thereof is omitted.
MPC26aでは、電力変換装置200の状態方程式を用いて、第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のデューティ比dを複数の異なる値に変化させたときの電力変換装置100における所定の状態値(状態量)に対する予測値を算出し、状態値(状態量)の目標を示す指令値と予測値との差に応じて電力変換装置200を制御する。 In the MPC 26a, using the state equation of the power conversion device 200, a predetermined state value (in the power conversion device 100 when the duty ratio d of the first switching element 14 and the second switching element 16 is changed to a plurality of different values ( The predicted value for the state quantity) is calculated, and the power conversion device 200 is controlled according to the difference between the command value indicating the target of the state value (state quantity) and the predicted value.
本実施の形態では、MPC26aは、所定の状態値としてコンデンサ18の電圧の予測値であるコンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)を算出する。そして、MPC26aは、コンデンサ電圧指令値vc **に近づくようなコンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)となるデューティ比d(=d(k+1))を求める処理を行う。 In the present embodiment, the MPC 26a calculates a capacitor voltage predicted value v c ^ (hat) that is a predicted value of the voltage of the capacitor 18 as a predetermined state value. Then, the MPC 26a performs processing for obtaining a duty ratio d (= d (k + 1)) that becomes a capacitor voltage predicted value v c ^ (hat) that approaches the capacitor voltage command value v c ** .
MPC26aは、図15に示すように、加算器30(30−2〜30−129)、予測演算器32a(32a−1〜32a−129)、評価関数演算器34a(34a−1〜34a−129)、最小値選択器36を含んで構成される。 As shown in FIG. 15, the MPC 26a includes an adder 30 (30-2 to 30-129), a prediction calculator 32a (32a-1 to 32a-129), and an evaluation function calculator 34a (34a-1 to 34a-129). ) And a minimum value selector 36.
加算器30(30−2〜30−129)は、第1の実施の形態と同様の処理を行うので、説明を省略する。 The adder 30 (30-2 to 30-129) performs the same processing as that of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
予測演算器32aは、加算器30からの出力、コンデンサ電圧vc、リアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))、電源電圧vb、出力電流(負荷電流)im、誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))及び予想時間Tpを用いてコンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)を算出して出力する。予測演算器32aは、リアクトル電流iLの代わりに、リアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))及び誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))を用いる点で第1の実施の形態の予測演算器32と相違する。 The predictive calculator 32a outputs the output from the adder 30, the capacitor voltage v c , the reactor current estimated value i L ˜ (= i L ˜ (k) (tilde)), the power supply voltage v b , the output current (load current) i. The capacitor voltage predicted value v c ^ (hat) is calculated and output using m , the error duty ratio estimated value Δd ˜ (= Δd ˜ (k) (tilde)) and the expected time T p . The predictive calculator 32a replaces the reactor current i L with the reactor current estimated value i L ˜ (= i L ˜ (k) (tilde)) and the error duty ratio estimated value Δd ˜ (= Δd ˜ (k) (tilde). )) Is different from the predictive calculator 32 of the first embodiment.
数式(19)において、コンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)は、左辺の1行目vc(k+1)をvc ^[d(k)+a](ハット)、右辺のiL(k)をiL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))、Tを予測時間Tpに置き換えて展開した数式(21)を用いて算出される。
予測演算器32a−1は、数式(21)のaを0としてvc ^[d(k)](ハット)を算出して出力する。予測演算器32a−2は、数式(21)のaを1としてvc ^[d(k)+1](ハット)を算出して出力する。同様に、予測演算器32a−3〜予測演算器32a−65は、それぞれaを2〜64としてvc ^[d(k)+a](ハット)を算出して出力する。予測演算器32a−66は、数式(21)のaを−1としてvc ^[d(k)−1](ハット)を算出して出力する。予測演算器32a−67は、数式(21)のaを−2としてvc ^[d(k)−2](ハット)を算出して出力する。同様に、予測演算器32a−68〜予測演算器32a−129は、それぞれaを−3〜−64としてvc ^[d(k)+a](ハット)を算出して出力する。予測演算器32a−1〜32a−129の出力は、それぞれ評価関数演算器34a−1〜34a−129へ入力される。 The predictive calculator 32a-1 calculates and outputs v c ^ [d (k)] (hat) with a in Equation (21) as 0. The prediction computing unit 32a-2 calculates and outputs v c ^ [d (k) +1] (hat), where a in Equation (21) is 1. Similarly, the prediction calculator 32a-3 to the prediction calculator 32a-65 calculate and output v c ^ [d (k) + a] (hat), where a is 2 to 64, respectively. The prediction calculator 32a-66 calculates and outputs v c ^ [d (k) −1] (hat), where “a” in Expression (21) is −1. The prediction calculator 32a-67 calculates and outputs v c ^ [d (k) −2] (hat), where “a” in Expression (21) is −2. Similarly, the prediction calculators 32a-68 to 32a-129 calculate and output v c ^ [d (k) + a] (hat), where a is −3 to −64, respectively. The outputs of the prediction calculators 32a-1 to 32a-129 are input to the evaluation function calculators 34a-1 to 34a-129, respectively.
評価関数演算器34aは、PI制御器20から入力されたコンデンサ電圧指令値vc **及び予測演算器32aから入力されたコンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)に基づいて評価関数Jの演算を行い、演算結果を出力する。評価関数Jは、数式(15)を用いればよい。 The evaluation function calculator 34a calculates the evaluation function J based on the capacitor voltage command value v c ** input from the PI controller 20 and the capacitor voltage predicted value v c ^ (hat) input from the prediction calculator 32a. And output the calculation result. The evaluation function J may use the formula (15).
評価関数演算器34a−1は、数式(15)のaを0としてJ[d(k)]を算出して出力する。評価関数演算器34a−2は、数式(15)のaを1としてJ[d(k)+1]を算出して出力する。同様に、評価関数演算器34a−3〜評価関数演算器34a−65は、それぞれaを2〜64としてJ[d(k)+a]を算出して出力する。評価関数演算器34a−66は、数式(15)のaを−1としてJ[d(k)−1]を算出して出力する。評価関数演算器34a−67は、数式(15)のaを−2としてJ[d(k)−2]を算出して出力する。同様に、評価関数演算器34a−68〜評価関数演算器34a−129は、それぞれaを−3〜−64としてJ[d(k)+a]を算出して出力する。評価関数演算器34a−1〜34a−129の出力は、最小値選択器36へ入力される。 The evaluation function calculator 34a-1 calculates J [d (k)] by setting a in Equation (15) to 0 and outputs it. The evaluation function calculator 34a-2 calculates and outputs J [d (k) +1], where a in Equation (15) is 1. Similarly, the evaluation function calculator 34a-3 to the evaluation function calculator 34a-65 calculate and output J [d (k) + a], where a is 2 to 64, respectively. The evaluation function calculator 34a-66 calculates and outputs J [d (k) −1], where a in Formula (15) is −1. The evaluation function calculator 34a-67 calculates and outputs J [d (k) -2], where a in Equation (15) is -2. Similarly, the evaluation function calculators 34a-68 to 34a-129 calculate and output J [d (k) + a], where a is −3 to −64, respectively. The outputs of the evaluation function calculators 34 a-1 to 34 a-129 are input to the minimum value selector 36.
なお、本実施の形態では、評価関数Jとして、数式(22)を用いることがより好適である。この場合も、評価関数演算器34a−1〜評価関数演算器34a−129にてそれぞれJ[d(k)],J[d(k)+1]・・・J[d(k)−64]を算出して出力する。
最小値選択器36は、評価関数演算器34a−1〜評価関数演算器34a−129にて算出されたJ[d(k)],J[d(k)+1]・・・J[d(k)−64]のうち最小値を選択し、評価関数Jを最小値とするd(k)+aを次の制御の際のデューティ比d(k+1)として出力する。 The minimum value selector 36 includes J [d (k)], J [d (k) +1]... J [d () calculated by the evaluation function calculators 34a-1 to 34a-129. k) −64], the minimum value is selected, and d (k) + a having the evaluation function J as the minimum value is output as the duty ratio d (k + 1) in the next control.
リミッタ28は、MPC26から出力されたデューティ比d(k+1)の入力をうけ、入力されたデューティ比d(k+1)が最適デューティ比範囲DR内になるように制限する。制御装置104aは、このようにして得られたデューティ比d(k+1)に基づいて電力変換装置200を制御する。 The limiter 28 receives the duty ratio d (k + 1) output from the MPC 26 and limits the input duty ratio d (k + 1) to be within the optimum duty ratio range DR. The control device 104a controls the power conversion device 200 based on the duty ratio d (k + 1) obtained in this way.
なお、オブザーバ40において、さらにコンデンサ18の電圧の推定値であるコンデンサ電圧推定値vc 〜(vc 〜(k))(チルダ)を算出するようにしてもよい。この場合、予測演算器32aでは、コンデンサ電圧推定値vc 〜(vc 〜(k))(チルダ)を用いてコンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)を算出して出力する。コンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)は、数式(19)において、左辺の1行目vc(k+1)をvc ^[d(k)+a](ハット)、右辺のiL(k)をiL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))、vc(k)をvc 〜(=vc 〜(k)(チルダ))、Tを予測時間Tpに置き換えて展開した数式(23)を用いて算出される。
なお、本実施の形態では、コンデンサ電圧指令値vc **に基づいて制御を行う態様としたが、これに限定されるものではない。コンデンサ電圧指令値vc **に代えてリアクトル電流指令値iL *に基づいて制御を行う態様としてもよい。 In the present embodiment, the control is performed based on the capacitor voltage command value v c **, but the present invention is not limited to this. Or as an embodiment which performs control based on the reactor current command value i L * in place of the capacitor voltage instruction value v c **.
この場合、PI制御器20は、電力変換装置200の制御の指令値となるコンデンサ電圧指令値vc *とコンデンサ18の現在の電圧値であるコンデンサ電圧vcとの偏差を受けて、MPC26aでの制御の目標値とするリアクトル電流指令値iL *を出力する。リアクトル電流指令値iL *は、MPC26aへ入力される。 In this case, the PI controller 20 receives the deviation between the capacitor voltage command value v c *, which is a command value for control of the power converter 200, and the capacitor voltage v c , which is the current voltage value of the capacitor 18, and the MPC 26a The reactor current command value i L *, which is the target value for the control, is output. Reactor current command value i L * is input to MPC 26a.
また、MPC26aは、所定の状態値としてリアクトル12を流れる電流の予測値であるリアクトル電流予測値iL ^(ハット)を算出する。そして、MPC26aは、リアクトル電流指令値iL *に近づくようなリアクトル電流予測値iL ^(ハット)となるデューティ比d(=d(k+1))を求める処理を行う。 Further, the MPC 26a calculates a reactor current predicted value i L ^ (hat) that is a predicted value of the current flowing through the reactor 12 as a predetermined state value. Then, the MPC 26a performs a process of obtaining a duty ratio d (= d (k + 1)) that becomes a reactor current predicted value i L ^ (hat) that approaches the reactor current command value i L * .
具体的には、予測演算器32aにおいて、加算器30からの出力、コンデンサ電圧vc、リアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))、電源電圧vb、出力電流(負荷電流)im、誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))及び予想時間Tpを用いてリアクトル電流予測値iL ^(ハット)を算出して出力する。リアクトル電流予測値iL ^(ハット)は、数式(19)の左辺の2行目iL(k+1)をiL ^[d(k)+a](ハット)、右辺のiL(k)をiL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))、Tを予測時間Tpに置き換えて展開した数式を用いてリアクトル電流予測値iL ^[d(k)+a](ハット)を算出すればよい。 Specifically, in the predictive calculator 32a, the output from the adder 30, the capacitor voltage v c , the reactor current estimated value i L ˜ (= i L ˜ (k) (tilde)), the power supply voltage v b , the output current Reactor current predicted value i L ^ (hat) is calculated and output using (load current) i m , error duty ratio estimated value Δd ~ (= Δd ~ (k) (tilde)) and expected time T p . Reactor current predicted value i L ^ (hat) is the equation second line of the left-hand side of (19) i L a (k + 1) i L ^ [d (k) + a] ( hat), the right-hand side of the i L (k) i L ˜ (= i L ˜ (k) (tilde)), the reactor current prediction value i L ^ [d (k) + a] (hat) is calculated using a mathematical expression expanded by replacing T with the prediction time T p do it.
評価関数演算器34は、PI制御器20から入力されたリアクトル電流指令値iL *及び予測演算器32aから入力されたリアクトル電流予測値iL ^(ハット)に基づいて評価関数Jの演算を行い、演算結果を出力する。評価関数Jは、数式(17)を用いればよい。 The evaluation function calculator 34 calculates the evaluation function J based on the reactor current command value i L * input from the PI controller 20 and the reactor current predicted value i L ^ (hat) input from the prediction calculator 32a. And output the calculation result. The evaluation function J may use the formula (17).
なお、評価関数Jとして、数式(24)を用いることがより好適である。この場合も、評価関数演算器34a−1〜評価関数演算器34a−129にてそれぞれJ[d(k)],J[d(k)+1]・・・J[d(k)−64]を算出して出力する。
最小値選択器36は、評価関数演算器34−1〜評価関数演算器34−129にて算出されたJ[d(k)],J[d(k)+1]・・・J[d(k)−64]のうち最小値を選択し、評価関数Jを最小値とするd(k)+aを次の制御の際のデューティ比d(k+1)として出力する。リミッタ28は、MPC26から出力されたデューティ比d(k+1)の入力をうけ、入力されたデューティ比d(k+1)が最適デューティ比範囲DR内になるように制限する。制御装置104は、このようにして得られたデューティ比d(k+1)に基づいて電力変換装置100を制御する。 The minimum value selector 36 includes J [d (k)], J [d (k) +1]... J [d () calculated by the evaluation function calculator 34-1 to evaluation function calculator 34-129. k) −64], the minimum value is selected, and d (k) + a having the evaluation function J as the minimum value is output as the duty ratio d (k + 1) in the next control. The limiter 28 receives the duty ratio d (k + 1) output from the MPC 26 and limits the input duty ratio d (k + 1) to be within the optimum duty ratio range DR. The control device 104 controls the power conversion device 100 based on the duty ratio d (k + 1) obtained in this way.
また、本実施の形態では、誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))及びリアクトル電流推定値iL 〜(チルダ)を用いて制御を行う構成としたが、図1に示したようにリアクトル電流iLを計測するセンサが設けられている場合、リアクトル電流推定値iL 〜(チルダ)を推定することなくリアクトル電流iLを用いてもよい。 Further, in the present embodiment, the control is performed using the error duty ratio estimated value Δd to (= Δd to (k) (tilde)) and the reactor current estimated value i L to (tilde). If a sensor for measuring the reactor current i L is provided as shown in FIG. 1, the reactor current i L may be used without estimating the reactor current estimated value i L ˜ (tilde).
この場合、予測演算器32aにおいて、数式(21)の右辺におけるリアクトル電流推定値iL 〜(チルダ)を実際に測定されたリアクトル電流iLに置き換えてコンデンサ電圧予測値vc ^(ハット)を算出すればよい。また、予測演算器32aにおいて、数式(23)の右辺におけるリアクトル電流推定値iL 〜(チルダ)を実際に測定されたリアクトル電流iLに置き換えてリアクトル電流予測値iL ^(ハット)を算出すればよい。 In this case, the prediction calculator 32a replaces the estimated reactor current i L ˜ (tilde) on the right side of the equation (21) with the actually measured reactor current i L to replace the estimated capacitor voltage v c ^ (hat). What is necessary is just to calculate. Further, in the predictive calculator 32a, the reactor current estimated value i L ^ (hat) is calculated by replacing the reactor current estimated value i L ˜ (tilde) on the right side of Equation (23) with the actually measured reactor current i L. do it.
本実施の形態における電力変換装置200においても、制御装置104aによる制御を適用することによって、第1の実施の形態と同様の安定した制御を実現することができる。 Also in power conversion device 200 in the present embodiment, stable control similar to that in the first embodiment can be realized by applying control by control device 104a.
<第3の実施の形態>
第3の実施の形態は、MPC26aの構成を変更したものである。本実施の形態では、MPC26aは、電力変換装置200の状態方程式を第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のデューティ比dに対する二次方程式に変形し、当該二次方程式にオブザーバ40で算出されたリアクトル電流推定値iL 〜(チルダ)、コンデンサ電圧推定値vc 〜(チルダ)及び誤差デューティ比推定値Δd〜(チルダ)を適用することでデューティ比dを算出する。制御装置104aは、算出されたデューティ比dを用いて電力変換装置200を制御する。
<Third Embodiment>
In the third embodiment, the configuration of the MPC 26a is changed. In the present embodiment, the MPC 26a transforms the state equation of the power converter 200 into a quadratic equation for the duty ratio d of the first switching element 14 and the second switching element 16, and is calculated by the observer 40 as the quadratic equation. The duty ratio d is calculated by applying the estimated reactor current value i L ~ (tilde), the capacitor voltage estimated value v c ~ (tilde), and the error duty ratio estimated value Δd ~ (tilde). The control device 104a controls the power conversion device 200 using the calculated duty ratio d.
数式(19)の左辺の2行目iL(k+1)をiL ^*(k)、右辺のd(k)をΔd〜(k)(チルダ)、リアクトル電流iLをリアクトル電流推定値iL 〜(k)(チルダ)、コンデンサ電圧vcをコンデンサ電圧推定値vc 〜(k)(チルダ)、Tを予測時間Tpに置き換えて、デューティ比d(k)に対する二次方程式に変更すると数式(25)となる。
数式(25)の二次方程式をデューティ比d(k+1)に対して解くと、数式(26)で表される。
MPC26aは、数式(26)に、電力変換装置200の各状態量及びオブザーバ40で算出されたリアクトル電流推定値iL 〜(チルダ)、コンデンサ電圧推定値vc 〜(チルダ)及び誤差デューティ比推定値Δd〜(チルダ)を代入することによって制御に用いるデューティ比d(k+1)を算出する。 The MPC 26a uses the equation (26) to calculate each state quantity of the power converter 200 and the reactor current estimated value i L ~ (tilde) calculated by the observer 40, the capacitor voltage estimated value v c ~ (tilde), and the error duty ratio estimation. The duty ratio d (k + 1) used for control is calculated by substituting the values Δd to (tilde).
リミッタ28は、MPC50から出力されたデューティ比d(k+1)の入力をうけ、入力されたデューティ比d(k+1)が最適デューティ比範囲DR内になるように制限する。制御装置104aは、リミッタ28から出力されたデューティ比d(=d(k+1))となるように第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のオン期間を制御する。これにより、電力変換装置200は、指令値とされるコンデンサ電圧指令値vc *及びリアクトル電流指令値iL *となるようにコンデンサ電圧vc及びリアクトル電流iLが制御される。 The limiter 28 receives the duty ratio d (k + 1) output from the MPC 50, and limits the input duty ratio d (k + 1) to be within the optimum duty ratio range DR. The control device 104a controls the ON period of the first switching element 14 and the second switching element 16 so that the duty ratio d (= d (k + 1)) output from the limiter 28 is obtained. Thereby, the power converter 200 controls the capacitor voltage v c and the reactor current i L so that the capacitor voltage command value v c * and the reactor current command value i L *, which are command values, are obtained.
また、別の方法にてデューティ比d(k+1)を求めることもできる。数式(19)の左辺の1行目vc(k+1)をvc ^*(k)、右辺のd(k)をΔd〜(k)(チルダ)、リアクトル電流iLをリアクトル電流推定値iL 〜(k)(チルダ)、コンデンサ電圧vcをコンデンサ電圧推定値vc 〜(k)(チルダ)、Tを予測時間Tpに置き換えて、デューティ比d(k)に対する二次方程式に変更すると数式(27)となる。
数式(27)の二次方程式をデューティ比d(k+1)に対して解くと、数式(28)で表される。
MPC26aは、数式(28)に、電力変換装置200の各状態量及びオブザーバ40で算出されたリアクトル電流推定値iL 〜(チルダ)、コンデンサ電圧推定値vc 〜(チルダ)及び誤差デューティ比推定値Δd〜(チルダ)を代入することによって制御に用いるデューティ比d(k+1)を算出する。制御装置104aは、算出されたデューティ比d(k+1)を用いて電力変換装置200を制御する。 The MPC 26a uses Equation (28) to calculate each state quantity of the power converter 200 and the reactor current estimated value i L ~ (tilde), the capacitor voltage estimated value v c ~ (tilde), and the error duty ratio estimation calculated by the observer 40. The duty ratio d (k + 1) used for control is calculated by substituting the values Δd to (tilde). The control device 104a controls the power conversion device 200 using the calculated duty ratio d (k + 1).
また、さらに別の方法にてデューティ比d(k+1)を求めることもできる。MPC26aにおいて、リアクトル電流推定値iL 〜(チルダ)及びコンデンサ電圧推定値vc 〜(チルダ)の代わりに、それぞれリアクトル電流iL及びコンデンサ電圧vcの実測値を適用してもよい。この場合、リアクトル電流iL及びコンデンサ電圧vcを計測するためのセンサを設ければよい。この場合、数式(19)は、数式(29)に示すような二次方程式に変更される。
数式(29)の二次方程式をデューティ比d(k+1)に対して解くと、数式(30)で表される。
MPC26aは、数式(28)に、電力変換装置200の各状態量及びリアクトル電流iL、コンデンサ電圧vc及び誤差デューティ比推定値Δd〜(チルダ)を代入することによって制御に用いるデューティ比d(k+1)を算出する。制御装置104aは、算出されたデューティ比d(k+1)を用いて電力変換装置200を制御する。 MPC26a is in equation (28), the duty ratio used for control by substituting each state quantity and the reactor current i L of the power conversion device 200, the capacitor voltage v c and the error duty ratio estimate [Delta] d ~ a (tilde) d ( k + 1) is calculated. The control device 104a controls the power conversion device 200 using the calculated duty ratio d (k + 1).
これらの方法においても、電力変換装置200は、指令値とされるコンデンサ電圧指令値vc *及びリアクトル電流指令値iL *となるようにコンデンサ電圧vc及びリアクトル電流iLが制御される。 In these methods, the power inverter 200, the capacitor voltage command is a command value value v c * and reactor current command value i L * become as capacitor voltage v c and reactor current i L is controlled.
<第4の実施の形態>
上記第1〜第3の実施の形態では、MPC26又はMPC26aにおける状態値の予測のための予測時間Tpを適正化する態様について説明した。これに対して、第4の実施の形態では、状態値に対する指令値を設定するための整定時間Tsを適正化する態様について説明する。
<Fourth embodiment>
In the first to third embodiments, the aspect in which the prediction time T p for predicting the state value in the MPC 26 or MPC 26a is optimized has been described. In contrast, in the fourth embodiment, a mode in which the settling time T s for setting the command value for the state value is optimized will be described.
図16は、本発明の実施の形態における電力変換装置300の基本構成を示す。電力変換装置300は、直流電源10、リアクトル12、第1スイッチング素子14、第2スイッチング素子16及びコンデンサ18を含んで構成される。直流電源10、リアクトル12、第1スイッチング素子14、第2スイッチング素子16及びコンデンサ18の構成については、第1〜第3の実施の形態と同様であるので説明を省略する。 FIG. 16 shows a basic configuration of power conversion device 300 according to the embodiment of the present invention. The power conversion device 300 includes a DC power supply 10, a reactor 12, a first switching element 14, a second switching element 16, and a capacitor 18. Since the configurations of the DC power supply 10, the reactor 12, the first switching element 14, the second switching element 16, and the capacitor 18 are the same as those in the first to third embodiments, the description thereof is omitted.
電力変換装置300は、制御装置104bによって制御される。本実施の形態では、電力変換装置300の現在の状態値が制御装置104bへ入力され、制御装置104bは入力された状態値に応じて電力変換装置300を制御する。状態値として、直流電源10の電圧vb、リアクトル12を流れるリアクトル電流iL、コンデンサ18の両端のコンデンサ電圧vc、負荷であるモータの電流iu,iw及びモータの回転角θが制御装置104へ入力される。制御装置104は、モータの電流iu,iw及びモータの回転角θから電力変換装置100の出力電流imを算出する。 The power conversion device 300 is controlled by the control device 104b. In the present embodiment, the current state value of power conversion device 300 is input to control device 104b, and control device 104b controls power conversion device 300 according to the input state value. The state value is controlled by the voltage v b of the DC power source 10, the reactor current i L flowing through the reactor 12, the capacitor voltage v c across the capacitor 18, the motor currents i u and i w as loads, and the motor rotation angle θ. Input to the device 104. Controller 104 calculates the output current i m of the power conversion device 100 from the current i u, i rotation angle of w and motor θ of the motor.
図17は、制御装置104bの構成を示す図である。制御装置104bは、オブザーバ40、指令値生成器50、インダクタンス設定器22a、整定時間計算器52、モデル予測制御器(MPC)26b及びリミッタ28を含んで構成される。 FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of the control device 104b. The control device 104b includes an observer 40, a command value generator 50, an inductance setting unit 22a, a settling time calculator 52, a model prediction controller (MPC) 26b, and a limiter 28.
オブザーバ40は、第2の実施の形態と同様に、入力されたコンデンサ電圧指令値vc *、コンデンサ電圧vc、リアクトル電流iL、電源電圧vb及び出力電流imを数式(20)に代入することによって、誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))及びリアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))を算出する。誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))及びリアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))を算出する処理は、第2の実施の形態と同様であるので説明を省略する。 Observer 40, as in the second embodiment, the input capacitor voltage command value v c *, capacitor voltage v c, reactor current i L, the power supply voltage v b and the output current i m in equation (20) by substituting for, calculates an error duty ratio estimate Δd ~ (= Δd ~ (k ) ( tilde)) and the reactor current estimated value i L ~ (= i L ~ (k) ( tilde)). The processing for calculating the error duty ratio estimated value Δd to (= Δd to (k) (tilde)) and the reactor current estimated value i L to (= i L to (k) (tilde)) is the second embodiment. Since it is the same as that of FIG.
インダクタンス設定器22aは、オブザーバ40において算出されたリアクトル電流推定値iL 〜(チルダ)に基づいて現在のリアクトル12の値(インダクタンス)を求める。当該処理は、第2の実施の形態と同様であるので説明は省略する。インダクタンスLは、整定時間計算器52及びMPC26bに入力される。 Inductance setter 22a determines the reactor current estimated value i L ~ calculated in observer 40 the current value of the reactor 12 based on (tilde) (inductance). Since this process is the same as that of the second embodiment, a description thereof will be omitted. The inductance L is input to the settling time calculator 52 and the MPC 26b.
整定時間計算器52は、指令値生成器50において状態量に対する指令値を設定するために使用される整定時間を計算する。すなわち、整定時間計算器52では、電力変換装置300のデューティ比dを変化させる制御を行う際に指令値となるリアクトル電流指令値iL *を設定するまでの時間を整定時間として算出する処理を行う。本実施の形態では、リアクトル電流指令値iL *を設定する基準となる整定時間Tsについて説明する。 The settling time calculator 52 calculates a settling time used in the command value generator 50 to set a command value for the state quantity. That is, the settling time calculator 52 performs a process of calculating, as the settling time, the time until the reactor current command value i L * that becomes the command value when performing control to change the duty ratio d of the power converter 300. Do. In the present embodiment, a settling time T s serving as a reference for setting the reactor current command value i L * will be described.
数式(6)に、数式(3)を変形した数式(31)を代入すると数式(32)が得られる。なお、予測時間Tpを整定時間Tsに置き換える。
数式(32)を整理して、整定時間Tsに対する二次方程式に書き替えると数式(33)となる。
ここで、整定時間Tsは、制御周期Tcとステップ数nとの積(Ts=Tc×n)として表すことができるので、数式(33)はステップ数nに対する二次方程式である数式(34)として表すことができる。なお、数式(34)における各項の係数をそれぞれa,b,cとする。
二次方程式をステップ数nについて解くと数式(35)となる。なお、ステップ数nは常に正の数であるので、数式(35)の+符号のみをステップ数nとして算出すればよい。ステップ数nに制御周期Tcを乗算することによって整定時間Tsが算出される。整定時間Tsは、指令値生成器50及びMPC26bへ入力される。
指令値生成器50では、整定時間Tsに基づいてリアクトル電流指令値iL *が設定される。数式(19)において、左辺の第1行目のvc(k+1)をvc *(k)、右辺の第2項第2行第1列のiL(k)をiL *(k)、第2項第3行第1列のΔd(k)をΔd〜(k)(チルダ)、Tを整定時間Tsに置き換えて、1行目を整理すると数式(36)となる。指令値生成器50は、数式(36)に基づいてリアクトル電流指令値iL *(k)を設定してMPC26bに出力する。なお、本実施の形態では、リアクトル電流iLの代わりにリアクトル電流推定値iL 〜(k)(チルダ)を適用する。
MPC26bでは、電力変換装置300の状態方程式を用いて、第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のデューティ比dを複数の異なる値に変化させたときの電力変換装置300における所定の状態値(状態量)に対する予測値を算出し、整定時間Tsに基づいて設定された状態値(状態量)の指令値と予測値との差に応じて電力変換装置300を制御する。 In the MPC 26b, using the state equation of the power converter 300, a predetermined state value (in the power converter 300 when the duty ratio d of the first switching element 14 and the second switching element 16 is changed to a plurality of different values ( A predicted value for the state quantity) is calculated, and the power conversion apparatus 300 is controlled according to the difference between the command value of the state value (state quantity) set based on the settling time T s and the predicted value.
本実施の形態では、MPC26bは、所定の状態値としてリアクトル12の予測値であるリアクトル電流予測値iL ^(ハット)を算出する。そして、MPC26bは、リアクトル電流指令値iL *に近づくようなリアクトル電流予測値iL ^(ハット)となるデューティ比d(=d(k+1))を求める処理を行う。 In the present embodiment, the MPC 26b calculates a reactor current predicted value i L ^ (hat) that is a predicted value of the reactor 12 as a predetermined state value. Then, the MPC 26b performs a process for obtaining a duty ratio d (= d (k + 1)) that becomes the reactor current predicted value i L ^ (hat) that approaches the reactor current command value i L * .
MPC26bは、図18に示すように、加算器30(30−2〜30−129)、予測演算器32b(32b−1〜32b−129)、評価関数演算器34b(34b−1〜34b−129)、最小値選択器36を含んで構成される。 As shown in FIG. 18, the MPC 26b includes an adder 30 (30-2 to 30-129), a prediction calculator 32b (32b-1 to 32b-129), and an evaluation function calculator 34b (34b-1 to 34b-129). ) And a minimum value selector 36.
加算器30(30−2〜30−129)は、第1の実施の形態と同様の処理を行うので、説明を省略する。 The adder 30 (30-2 to 30-129) performs the same processing as that of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
予測演算器32bは、加算器30からの出力、指令値生成器50からのリアクトル電流指令値iL *、コンデンサ電圧vc、リアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))、電源電圧vb、出力電流(負荷電流)im及び誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))を用いてリアクトル電流予測値iL ^(ハット)を算出して出力する。予測演算器32bは、リアクトル電流iLの代わりに、リアクトル電流推定値iL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))及び誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))を用いると共に、指令値生成器50からのリアクトル電流指令値iL *に基づいて処理を行う点で予測演算器32と相違する。 The predictive calculator 32b outputs the output from the adder 30, the reactor current command value i L * from the command value generator 50, the capacitor voltage v c , the reactor current estimated value i L ˜ (= i L ˜ (k) (tilde )), calculates the power supply voltage v b, the output current (load current) i m and the error duty ratio estimate Δd ~ (= Δd ~ (k ) ( reactor current predicted value using the tilde)) i L ^ (hat) And output. The predictive calculator 32b replaces the reactor current i L with the reactor current estimated value i L ˜ (= i L ˜ (k) (tilde)) and the error duty ratio estimated value Δd ˜ (= Δd ˜ (k) (tilde). )) And is different from the prediction calculator 32 in that processing is performed based on the reactor current command value i L * from the command value generator 50.
数式(19)において、リアクトル電流予測値iL ^(ハット)は、左辺の2行目iL(k+1)をiL ^[d(k)+a](ハット)、右辺のiL(k)をiL 〜(=iL 〜(k)(チルダ))、誤差デューティ比Δdを誤差デューティ比推定値Δd〜(=Δd〜(k)(チルダ))に置き換えて展開した数式(37)を用いて算出される。
予測演算器32b−1は、数式(37)のaを0としてiL ^[d(k)](ハット)を算出して出力する。予測演算器32b−2は、数式(37)のaを1としてiL ^[d(k)+1](ハット)を算出して出力する。同様に、予測演算器32b−3〜予測演算器32b−65は、それぞれaを2〜64としてiL ^[d(k)+a](ハット)を算出して出力する。予測演算器32b−66は、数式(37)のaを−1としてiL ^[d(k)−1](ハット)を算出して出力する。予測演算器32b−67は、数式(37)のaを−2としてiL ^[d(k)−2](ハット)を算出して出力する。同様に、予測演算器32b−68〜予測演算器32b−129は、それぞれaを−3〜−64としてiL ^[d(k)+a](ハット)を算出して出力する。予測演算器32b−1〜32b−129の出力は、それぞれ評価関数演算器34b−1〜34b−129へ入力される。 The predictive calculator 32b-1 calculates and outputs i L ^ [d (k)] (hat) by setting a in Equation (37) to 0. The prediction computing unit 32b-2 calculates and outputs i L ^ [d (k) +1] (hat) with a in Equation (37) as 1. Similarly, the prediction calculator 32b-3 to the prediction calculator 32b-65 calculate and output i L ^ [d (k) + a] (hat) with a being 2 to 64, respectively. The prediction calculator 32b-66 calculates and outputs i L ^ [d (k) −1] (hat), where “a” in Expression (37) is −1. The prediction computing unit 32b-67 calculates and outputs i L ^ [d (k) −2] (hat), where “a” in Expression (37) is −2. Similarly, the prediction calculators 32b-68 to 32b-129 calculate and output i L ^ [d (k) + a] (hat), where a is −3 to −64, respectively. The outputs of the prediction calculators 32b-1 to 32b-129 are input to the evaluation function calculators 34b-1 to 34b-129, respectively.
評価関数演算器34bは、指令値生成器50から入力されたリアクトル電流指令値iL *及び予測演算器32bから入力されたリアクトル電流予測値iL ^(ハット)に基づいて評価関数Jの演算を行い、演算結果を出力する。評価関数Jは、数式(24)を用いればよい。なお、本実施の形態でも、評価関数Jとして、数式(17)を用いてもよい。 The evaluation function calculator 34b calculates the evaluation function J based on the reactor current command value i L * input from the command value generator 50 and the reactor current predicted value i L ^ (hat) input from the prediction calculator 32b. And output the calculation result. The evaluation function J may use the formula (24). Also in the present embodiment, the mathematical expression (17) may be used as the evaluation function J.
評価関数演算器34b−1は、数式(24)のaを0としてJ[d(k)]を算出して出力する。評価関数演算器34b−2は、数式(24)のaを1としてJ[d(k)+1]を算出して出力する。同様に、評価関数演算器34b−3〜評価関数演算器34b−65は、それぞれaを2〜64としてJ[d(k)+a]を算出して出力する。評価関数演算器34b−66は、数式(24)のaを−1としてJ[d(k)−1]を算出して出力する。評価関数演算器34b−67は、数式(24)のaを−2としてJ[d(k)−2]を算出して出力する。同様に、評価関数演算器34b−68〜評価関数演算器34b−129は、それぞれaを−3〜−64としてJ[d(k)+a]を算出して出力する。評価関数演算器34b−1〜34b−129の出力は、最小値選択器36へ入力される。 The evaluation function calculator 34b-1 calculates J [d (k)] by setting a in Equation (24) to 0 and outputs it. The evaluation function calculator 34b-2 calculates and outputs J [d (k) +1], where a in Equation (24) is 1. Similarly, the evaluation function calculator 34b-3 to the evaluation function calculator 34b-65 calculate and output J [d (k) + a] with a being 2 to 64, respectively. The evaluation function calculator 34b-66 calculates and outputs J [d (k) −1], where a in Formula (24) is −1. The evaluation function calculator 34b-67 calculates and outputs J [d (k) -2], where a in Equation (24) is -2. Similarly, the evaluation function calculators 34b-68 to 34b-129 calculate and output J [d (k) + a], where a is −3 to −64, respectively. The outputs of the evaluation function calculators 34b-1 to 34b-129 are input to the minimum value selector 36.
最小値選択器36は、評価関数演算器34b−1〜評価関数演算器34b−129にて算出されたJ[d(k)],J[d(k)+1]・・・J[d(k)−64]のうち最小値を選択し、評価関数Jを最小値とするd(k)+aを次の制御の際のデューティ比d(k+1)として出力する。 The minimum value selector 36 includes J [d (k)], J [d (k) +1]... J [d () calculated by the evaluation function calculators 34b-1 to 34b-129. k) −64], the minimum value is selected, and d (k) + a having the evaluation function J as the minimum value is output as the duty ratio d (k + 1) in the next control.
リミッタ28は、MPC26bから出力されたデューティ比d(k+1)の入力をうけ、入力されたデューティ比d(k+1)が最適デューティ比範囲DR内になるように制限する。制御装置104bは、リミッタ28から出力されたデューティ比d(k+1)となるように第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のオン期間を制御する。これにより、電力変換装置100は、リアクトル電流指令値iL *となるようにリアクトル電流iLが制御される。 The limiter 28 receives the duty ratio d (k + 1) output from the MPC 26b, and limits the input duty ratio d (k + 1) to be within the optimum duty ratio range DR. The control device 104b controls the ON period of the first switching element 14 and the second switching element 16 so that the duty ratio d (k + 1) output from the limiter 28 is obtained. Thus, the power conversion apparatus 100, reactor current i L is controlled such that the reactor current command value i L *.
図19(a)〜図19(c)は、それぞれ第4の実施の形態における制御装置104bによって電力変換装置300を制御したときのコンデンサ電圧指令値vc *、コンデンサ電圧vc及び電源電圧vbを示す。図20(a)〜図20(b)は、第4の実施の形態における制御装置104bによって電力変換装置300を制御したときのリアクトル電流指令値iL *及びリアクトル電流iLを示す。また、図21は、数式(35)の解を示す。 19 (a) to 19 (c) show a capacitor voltage command value v c * , a capacitor voltage v c and a power supply voltage v when the power conversion device 300 is controlled by the control device 104b in the fourth embodiment. b . 20A to 20B show the reactor current command value i L * and the reactor current i L when the power conversion device 300 is controlled by the control device 104b in the fourth embodiment. FIG. 21 shows a solution of Expression (35).
なお、図19、図20及び図21では、横軸の時間は同じ時間範囲を示している。また、図19(a)〜図19(c)では、縦軸の電圧値は同じ電圧範囲を示している。また、図20(a)〜図20(b)では、縦軸の電流値は同じ電流範囲を示している。 In FIGS. 19, 20, and 21, the time on the horizontal axis indicates the same time range. In FIGS. 19A to 19C, the voltage values on the vertical axis indicate the same voltage range. 20A to 20B, the current values on the vertical axis indicate the same current range.
本実施の形態における制御装置104bによって、図19〜図21に示すように、電力変換装置300は指令値とされるコンデンサ電圧指令値vc *及びリアクトル電流指令値iL *にコンデンサ電圧vc及びリアクトル電流iLが追従するように制御できる。 By the control device 104b of the present embodiment, as shown in FIGS. 19 to 21, the capacitor voltage instruction value the power converter 300 is a command value v c * and reactor current command value i L * to the capacitor voltage v c And the reactor current i L can be controlled to follow.
一方、図22(a)〜図22(c)は、第4の実施の形態における整定時間Tsよりも短い時間を用いて電力変換装置300を制御したときのコンデンサ電圧指令値vc *、コンデンサ電圧vc及び電源電圧vbを示す。図23(a)〜図23(b)は、第4の実施の形態における整定時間Tsよりも短い時間を用いて電力変換装置300を制御したときのリアクトル電流指令値iL *及びリアクトル電流iLを示す。また、図24は、第4の実施の形態における整定時間TSよりも短い時間を用いたときの数式(35)の解を示す。 On the other hand, FIG. 22A to FIG. 22C show capacitor voltage command values v c * when the power converter 300 is controlled using a time shorter than the settling time T s in the fourth embodiment. It shows the capacitor voltage v c and the power supply voltage v b. FIG. 23A to FIG. 23B show the reactor current command value i L * and the reactor current when the power conversion device 300 is controlled using a time shorter than the settling time T s in the fourth embodiment. i L is shown. FIG. 24 shows a solution of Expression (35) when a time shorter than the settling time T S in the fourth embodiment is used.
なお、図22、図23及び図24では、横軸の時間は同じ時間範囲を示している。また、図22(a)〜図22(c)では、縦軸の電圧値は同じ電圧範囲を示している。また、図23(a)〜図23(b)では、縦軸の電流値は同じ電流範囲を示している。 In FIGS. 22, 23, and 24, the time on the horizontal axis indicates the same time range. In FIGS. 22A to 22C, the voltage values on the vertical axis indicate the same voltage range. In FIGS. 23A to 23B, the current values on the vertical axis indicate the same current range.
第4の実施の形態における整定時間TSよりも短い時間を用いた場合、図22〜図24に示すように、電力変換装置300はコンデンサ電圧指令値vc *及びリアクトル電流指令値iL *にコンデンサ電圧vc及びリアクトル電流iLが十分に追従しておらず、第4の実施の形態に比べて制御の安定性が低下する。 When using a time shorter than the settling time T S in the fourth embodiment, as shown in FIGS. 22 to 24, the power conversion device 300 uses the capacitor voltage command value v c * and the reactor current command value i L *. capacitor voltage v c and reactor current i L is not sufficiently follow, the stability of the control is decreased as compared with the fourth embodiment to.
なお、リアクトル12を実際に流れるリアクトル電流iLを測定するためのセンサが設けられている場合、上記実施の形態においてリアクトル電流推定値iL 〜(k)(チルダ)の代わりに実測されたリアクトル電流iLを各数式に適用して処理を行ってもよい。 Incidentally, when the sensor for measuring the reactor current i L flowing through the reactor 12 actually provided, actually measured reactor instead of the reactor current estimated value i L ~ In the above-described embodiment (k) (tilde) Processing may be performed by applying the current i L to each mathematical expression.
<第5の実施の形態>
指令値生成器50で設定されたリアクトル電流指令値iL *は、第3の実施の形態における処理にも適用することができる。すなわち、MPC26aは、数式(25)の二次方程式に基づいてデューティ比d(k+1)を算出する際に、指令値生成器50で設定されたリアクトル電流指令値iL *を適用してデューティ比d(k+1)を求める。その後は、算出されたデューティ比d(k+1)に基づいて第3の実施例と同様に制御が行われる。なお、数式(27)及び数式(29)に基づいて制御を行う場合も同様である。
<Fifth embodiment>
Reactor current command value i L * set by command value generator 50 can also be applied to the processing in the third embodiment. That is, the MPC 26a applies the reactor current command value i L * set by the command value generator 50 and calculates the duty ratio when calculating the duty ratio d (k + 1) based on the quadratic equation of the formula (25). d (k + 1) is obtained. Thereafter, control is performed in the same manner as in the third embodiment based on the calculated duty ratio d (k + 1). The same applies to the case where control is performed based on Equation (27) and Equation (29).
10 直流電源、12 リアクトル、14 第1スイッチング素子、16 第2スイッチング素子、18 コンデンサ、20 制御器、22,22a インダクタンス設定器、24 予測時間計算器、26,26a,26b MPC、28 リミッタ、30 加算器、32,32a,32b 予測演算器、34,34a,34b 評価関数演算器、36 最小値選択器、40 オブザーバ、50 指令値生成器、52 整定時間計算器、100,200,300 電力変換装置、102 負荷、104,104a,104b 制御装置。 10 DC power supply, 12 reactor, 14 first switching element, 16 second switching element, 18 capacitor, 20 controller, 22, 22a inductance setting unit, 24 prediction time calculator, 26, 26a, 26b MPC, 28 limiter, 30 Adder, 32, 32a, 32b Prediction calculator, 34, 34a, 34b Evaluation function calculator, 36 Minimum value selector, 40 Observer, 50 Command value generator, 52 Settling time calculator, 100, 200, 300 Power conversion Device, 102 load, 104, 104a, 104b Control device.
Claims (6)
前記DC/DCコンバータの状態方程式を用いて、前記DC/DCコンバータにおける予測時間における所定の状態値を予測し、当該予測された状態値に応じて前記DC/DCコンバータを制御するモデル予測制御器と、
前記モデル予測制御器における前記予測時間を設定する予測時間計算器と、
を備えることを特徴とする制御装置。 A control device for controlling a DC / DC converter,
A model prediction controller that predicts a predetermined state value in the prediction time in the DC / DC converter using the state equation of the DC / DC converter and controls the DC / DC converter according to the predicted state value When,
A prediction time calculator for setting the prediction time in the model prediction controller;
A control device comprising:
前記予測時間計算器は、前記DC/DCコンバータに含まれるリアクトルの値とコンデンサの値を用いて前記予測時間を設定することを特徴とする制御装置。 The control device according to claim 1,
The said prediction time calculator sets the said prediction time using the value of the reactor and capacitor | condenser value which are contained in the said DC / DC converter, The control apparatus characterized by the above-mentioned.
前記DC/DCコンバータは、電源に接続されるリアクトルと、前記リアクトルに流れる電流を制御する第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記リアクトルからの出力電圧を平滑化させるコンデンサと、を備え、
前記モデル予測制御器は、前記電源の電源電圧vb、前記コンデンサの両端のコンデンサ電圧vc及び前記DC/DCコンバータの出力電流imを前記状態方程式に適用することにより前記所定の状態値を予測し、当該予測された状態値に応じて前記DC/DCコンバータを制御することを特徴とする制御装置。 The control device according to claim 1,
The DC / DC converter includes a reactor connected to a power source, a first switching element and a second switching element that control a current flowing through the reactor, and a capacitor that smoothes an output voltage from the reactor,
The model predictive controller, the power supply voltage v b of the power source, said predetermined condition value by applying the output current i m of the capacitor voltage v c and the DC / DC converter at both ends of the capacitor to the state equation A control apparatus that predicts and controls the DC / DC converter according to the predicted state value.
前記DC/DCコンバータの現在の状態値に応じて前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子のオン期間の比であるデューティ比dに対する誤差デューティ比Δdを推定するオブザーバを備え、
前記モデル予測制御器は、前記電源電圧vb、前記コンデンサ電圧vc、前記出力電流imに加えて、前記誤差デューティ比Δdを前記状態方程式に適用することにより前記所定の状態値を予測することを特徴とする制御装置。 The control device according to claim 3,
An observer for estimating an error duty ratio Δd with respect to a duty ratio d, which is a ratio of an ON period of the first switching element and the second switching element, according to a current state value of the DC / DC converter;
The model predictive controller, wherein the power supply voltage v b, the capacitor voltage v c, in addition to the output current i m, predicts the predetermined state value by applying said error duty ratio Δd in the state equation A control device characterized by that.
前記DC/DCコンバータの現在の状態値に応じて前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子のオン期間の比であるデューティ比dに対する誤差デューティ比Δd、及び前記リアクトルを流れるリアクトル電流推定値iL 〜を推定するオブザーバを備え、
前記モデル予測制御器は、前記電源電圧vb、前記コンデンサ電圧vc、前記出力電流imに加えて、前記誤差デューティ比Δd及び前記リアクトル電流推定値iL 〜を前記状態方程式に適用することにより前記所定の状態値を予測することを特徴とする制御装置。 The control device according to claim 3,
According to the current state value of the DC / DC converter, an error duty ratio Δd with respect to a duty ratio d, which is a ratio of an ON period of the first switching element and the second switching element, and an estimated reactor current i flowing through the reactor with an observer to estimate the L ~,
The model predictive controller, wherein the power supply voltage v b, the capacitor voltage v c, in addition to the output current i m, applying the error duty ratio Δd and the reactor current estimated value i L ~ in the state equation The control device predicts the predetermined state value by the following.
前記リアクトルに流れる電流に応じて前記リアクトルの値を設定し、当該リアクトルの値を前記状態方程式に適用することを特徴とする制御装置。 It is a control device given in any 1 paragraph of Claims 1-4,
A control device configured to set a value of the reactor according to a current flowing through the reactor, and to apply the value of the reactor to the state equation.
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