JP4510566B2 - Digital converter and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、昇圧チョッパを用いたデジタルコンバータに関し、特に、一般のコイルを使用しても精密なPWM制御が実現できる装置及びその制御方法に関するものである。   The present invention relates to a digital converter using a step-up chopper, and more particularly to an apparatus that can realize precise PWM control even when a general coil is used, and a control method therefor.

全デジタル化された単相コンバータとして各種の提案がされており、例えば、非特許文献1では、入力電流isのみを検出して電流制御ゲインKpを可変させて、電源電圧の位相を検出することなく入力電流の正弦波化と振幅制御をする方式が記載されている。原理式としては、スイッチング素子のオン時間の比率を通流率dとして、d=1−Kp×ABS(is)とされ、is=SQR(2)×Vs×SIN(ωt)/(Kp×Ed)とされている。   Various proposals have been made as fully digitalized single-phase converters. For example, in Non-Patent Document 1, only the input current is is detected and the current control gain Kp is varied to detect the phase of the power supply voltage. There is also described a method of making the input current sinusoidal and controlling the amplitude. In principle, the ratio of the ON time of the switching element is defined as a flow rate d, and d = 1−Kp × ABS (is), and is = SQR (2) × Vs × SIN (ωt) / (Kp × Ed ).

上式において、Kpは電流制御ゲイン、isは入力電流の瞬時値、Edは出力直流電圧である。なお、ABSは絶対値記号、SQRはルート記号、SIN(ωt)は角周波数ωの正弦波を意味する。   In the above equation, Kp is the current control gain, is is the instantaneous value of the input current, and Ed is the output DC voltage. ABS is an absolute value symbol, SQR is a root symbol, and SIN (ωt) is a sine wave having an angular frequency ω.

そして、入力電流の変動に対応するパラメータとして入力電流is−電流制御ゲインKp曲線を作成して用いている。
平成15年電気学会産業応用部門大会誌 I−273〜I−276
An input current is-current control gain Kp curve is created and used as a parameter corresponding to fluctuations in the input current.
Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan 2003 I-273-I-276

しかし、コイル毎に電流制御ゲイン特性は異なり、また一般のコイルでは、インダクタンス値の電流重畳特性が非線形特性を示すものが多いので(図6参照)、上記のシステムを実現するのは現実的には困難であり、また、入力電流のリプルが増加して安定した電流電圧の制御も困難である。しかも、上記のシステムでは、入力電流の少ない領域では、電流制御ゲインKpを特定するのが困難であるという問題もある。   However, the current control gain characteristics differ from coil to coil, and many common coils have non-linear characteristics in the current superposition characteristics of inductance values (see FIG. 6), so it is realistic to realize the above system. In addition, it is difficult to control the current and voltage stably because the ripple of the input current increases. In addition, the above system has a problem that it is difficult to specify the current control gain Kp in a region where the input current is small.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、安価な一般のコイルも使用可能な簡易な構成でありながら、入力電流の広い範囲で精密な制御が可能なデジタルコンバータ及び制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and is a digital converter and control capable of precise control over a wide range of input current while having a simple configuration in which an inexpensive general coil can be used. It aims to provide a method.

上記の目的を達成するため、本発明は、コイル及びスイッチング素子を備えた昇圧チョッパと、前記コイルに入力電流を供給する整流回路と、前記スイッチング素子を所定の制御サイクルでPWM制御するコンピュータ回路とを有するデジタルコンバータにおいて、コイルへの入力電流が制御サイクル中に途切れない連続モードか、制御サイクルの途中で途絶える不連続モードかを判定しつつ、その判定結果に基づいて異なるアルゴリズムでPWM制御を行うことを特徴としている。   In order to achieve the above object, the present invention provides a step-up chopper provided with a coil and a switching element, a rectifier circuit for supplying an input current to the coil, and a computer circuit for PWM-controlling the switching element in a predetermined control cycle. In a digital converter having a PWM, PWM control is performed with a different algorithm based on the determination result while determining whether the input current to the coil is a continuous mode in which the current is not interrupted during the control cycle or a discontinuous mode in which the current is interrupted in the middle of the control cycle It is characterized by that.

本発明で、連続モードか不連続モードかの判定は、毎回の制御サイクルで行っても良いし、複数回の制御サイクルに一回行ったのでも良い。何れにしても、連続モードか不連続モードかの判定は、好ましくは、今回の制御サイクルにおける、コイル充電開始電流Iv(n−2)、昇圧チョッパへの交流入力電圧Vac(n−1)、及び昇圧チョッパの直流出力電圧Vdc(n−1)の各計測値と、今回の制御サイクルにおけるPMW波の制御時間Ton(n−1)とコイルのインダクタンス値とに基づいて決定される。   In the present invention, the determination of the continuous mode or the discontinuous mode may be performed in every control cycle, or may be performed once in a plurality of control cycles. In any case, it is preferable to determine whether the current mode is the continuous mode or the discontinuous mode. In this control cycle, the coil charging start current Iv (n−2), the AC input voltage Vac (n−1) to the boost chopper, And the measured value of the DC output voltage Vdc (n−1) of the step-up chopper, the control time Ton (n−1) of the PMW wave in the current control cycle, and the inductance value of the coil.

PMW波の制御時間は、実施例では、制御オン時間Ton(n−1)を意味しているが、特に限定されるものではなく、スイッチング素子のOFF時間をPWM制御する場合であれば、制御オフ時間がこれに該当する。また、コイルのインダクタンス値は、コイル電流の計測値に対応して補正されるのが好ましい。   The control time of the PMW wave means the control on time Ton (n−1) in the embodiment, but is not particularly limited. If the OFF time of the switching element is PWM controlled, the control time is controlled. This is the off time. Further, the inductance value of the coil is preferably corrected in accordance with the measured value of the coil current.

また、本発明は、好ましくは、連続モードか不連続モードかの判定結果に対応する演算式を用いて、PMW波の制御時間Ton(n)を決定すべきである。更に好ましくは、次回の制御サイクルにおけるPMW波の制御時間Ton(n)は、次回の制御サイクルにおける、コイル平均電流の予測値Iav(n)を演算要素にして決定される。ここで、コイル平均電流の予測値Iav(n)は、前記交流入力電圧の予測値Vac(n)と積算パラメータβとの積算で決定され、前記積算パラメータβは、直流出力電圧Vdcの目標値Voとの偏差VerrによるPI(Proportional-Integral)制御で決定されるのが好ましい。   In the present invention, preferably, the control time Ton (n) of the PMW wave should be determined using an arithmetic expression corresponding to the determination result of the continuous mode or the discontinuous mode. More preferably, the control time Ton (n) of the PMW wave in the next control cycle is determined using the predicted value Iav (n) of the coil average current in the next control cycle as an arithmetic element. Here, the predicted value Iav (n) of the coil average current is determined by the integration of the predicted value Vac (n) of the AC input voltage and the integration parameter β, and the integration parameter β is the target value of the DC output voltage Vdc. It is preferably determined by PI (Proportional-Integral) control based on a deviation Verr from Vo.

また、本発明は、上記各発明の動作を実現する制御方法であり、言い換えると、請求項1〜6に記載の各技術的要素を具備するデジタルコンバータの制御方法である。   The present invention is also a control method for realizing the operation of each of the above inventions. In other words, the present invention is a control method for a digital converter including the technical elements according to claims 1 to 6.

以上説明した本発明によれば、簡易な構成でありながら、入力電流の広い範囲で精密なPWM制御が可能となる。また、全てをソフトウェア制御で実現できるため、ハードウェア制御の場合のような力率改善回路を省略でき、また一般のコイルも使用できるので低コストで装置全体を小型化できる。   According to the present invention described above, it is possible to perform precise PWM control over a wide range of input current with a simple configuration. Further, since all can be realized by software control, a power factor correction circuit as in the case of hardware control can be omitted, and a general coil can be used, so that the entire apparatus can be downsized at low cost.

更に、本発明によれば、瞬時応答による制御が可能であるので負荷変動に対してもリニアに対応できる。また、フィードフォワードによる制御が主体となるので目標値に対する発散を抑制でき制御遅れも少ない。   Furthermore, according to the present invention, since control by instantaneous response is possible, it is possible to cope linearly with load fluctuations. Further, since control by feedforward is the main, divergence with respect to the target value can be suppressed, and control delay is small.

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図1は、ソフトウェア制御によるデジタルコンバータを示す回路構成図であり、実施例のデジタルコンバータは、モータ制御システムの一部として組み込まれている。すなわち、本実施例のコンバータ1では、単相交流電圧(例えば200V)が全波整流回路2で整流されて脈流となった後、ワンチップマイコン3によってPWM(Pulse Width Modulation)制御される昇圧チョッパ4によって所定の直流電圧Vdc(例えば350V)に変換される。そして、三相モータMは、ワンチップマイコン3に制御されるインバータ回路5によって駆動される。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing a digital converter under software control. The digital converter of the embodiment is incorporated as a part of a motor control system. That is, in the converter 1 of this embodiment, a single-phase AC voltage (for example, 200 V) is rectified by the full-wave rectifier circuit 2 to become a pulsating current, and then boosted by PWM (Pulse Width Modulation) control by the one-chip microcomputer 3 The chopper 4 converts the voltage into a predetermined DC voltage Vdc (for example, 350 V). The three-phase motor M is driven by an inverter circuit 5 controlled by the one-chip microcomputer 3.

昇圧チョッパ4は、コイルLとコンデンサCとスイッチング素子Qと電流検出用シャント抵抗rとで構成され、コイルLとコンデンサCとシャント抵抗rとが直列接続され、コンデンサCには、コンデンサCを短絡させるスイッチング素子Qが並列接続されている。そして、昇圧チョッパ4の入力電流は、コイルLに向かって流れ込み、シャント抵抗rを通して帰還する。なお、この実施例では、スイッチング素子Qとして、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を使用している。   The step-up chopper 4 includes a coil L, a capacitor C, a switching element Q, and a shunt resistor r for current detection. The coil L, the capacitor C, and a shunt resistor r are connected in series, and the capacitor C is short-circuited to the capacitor C. Switching elements Q to be connected are connected in parallel. The input current of the boost chopper 4 flows toward the coil L and returns through the shunt resistor r. In this embodiment, an insulated gate bipolar transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is used as the switching element Q.

図示の通り、ワンチップマイコン3には、信号入力部IN1〜IN3を通して、それぞれ入力電流Iと入力交流電圧Vacと出力直流電圧Vdcが入力されており、内蔵されたA/DコンバータAD1〜AD4によって、それぞれデジタル変換されている。なお、A/DコンバータAD1とA/DコンバータAD4は、同じ入力電流Iを異なるタイミングで取得している。ここで、信号入力部IN1は、シャント抵抗rの両端電圧を受けるOPアンプ回路で構成されており、シャント抵抗rと合わせて、電流検出センサとして機能している。また、信号入力部IN2及び信号入力部IN3は、抵抗分圧回路とOPアンプ増幅回路とで構成されている。   As shown in the figure, the input current I, the input AC voltage Vac, and the output DC voltage Vdc are input to the one-chip microcomputer 3 through the signal input units IN1 to IN3, respectively, and the built-in A / D converters AD1 to AD4 are used. , Each has been digitally converted. The A / D converter AD1 and the A / D converter AD4 acquire the same input current I at different timings. Here, the signal input unit IN1 is composed of an OP amplifier circuit that receives the voltage across the shunt resistor r, and functions as a current detection sensor together with the shunt resistor r. Further, the signal input unit IN2 and the signal input unit IN3 are configured by a resistance voltage dividing circuit and an OP amplifier amplifier circuit.

このような信号入力部IN1〜IN3及びA/DコンバータAD1〜AD4を通して取得されたデータは、ワンチップマイコン3によって処理されPWM信号のON時間(以下、制御オン時間という)が算出される。そして生成されたPWM信号は、出力ポートPTから信号出力部OUT1を通してスイッチング素子Qのゲートに供給される。なお、ワンチップマイコン3は、信号入力部IN4と信号出力部OUT2を介してインバータ回路5に接続されて、三相モータMをインバータ制御している。   The data acquired through the signal input units IN1 to IN3 and the A / D converters AD1 to AD4 are processed by the one-chip microcomputer 3 to calculate the PWM signal ON time (hereinafter referred to as control on time). The generated PWM signal is supplied from the output port PT to the gate of the switching element Q through the signal output unit OUT1. The one-chip microcomputer 3 is connected to the inverter circuit 5 through the signal input unit IN4 and the signal output unit OUT2, and controls the three-phase motor M by inverter.

以下、スイッチング素子QをPWM波でON/OFF制御する本実施例の動作原理について説明する。図2は、ワンチップマイコン3から出力されるPWM波と、コイルLに流れる電流の関係を図示したタイムチャートである。図示の通り、コイルLにはコイル充電電流とコイル放電電流による三角波が流れるが、コイルLに蓄えられたエネルギーが十分であって連続的に電流が流れる連続モード(図2(a)参照)と、エネルギーが不十分であるため、電流が途中で途切れる不連続モード(図2(b)参照)とがある。   Hereinafter, the operation principle of this embodiment in which the switching element Q is ON / OFF controlled by the PWM wave will be described. FIG. 2 is a time chart illustrating the relationship between the PWM wave output from the one-chip microcomputer 3 and the current flowing through the coil L. As shown in the figure, a triangular wave due to the coil charging current and the coil discharging current flows through the coil L, but the energy stored in the coil L is sufficient and the continuous current flows (see FIG. 2A). Since there is insufficient energy, there is a discontinuous mode (see FIG. 2B) in which the current is interrupted in the middle.

本実施例では、何れの動作モードにあるかに応じて、異なるPWM制御を行っているので、先ず、動作モードを判定する判定式を説明する。図2のタイムチャートにおいて、今現在が、制御サイクル(n−1)であるとする。そして、この制御サイクル(n−1)中の計測値に基づいて、次の制御サイクル(n)における制御オン時間Ton(n)を決定することを考える。なお、交流入力電圧の周波数は50Hz又は60Hzであるが、十分迅速に制御するため、本実施例では、制御周期Tを50μSにしている。   In this embodiment, since different PWM control is performed depending on which operation mode is in use, first, a determination formula for determining the operation mode will be described. In the time chart of FIG. 2, it is assumed that the current time is the control cycle (n−1). Then, it is considered that the control on time Ton (n) in the next control cycle (n) is determined based on the measured value in the control cycle (n−1). Note that the frequency of the AC input voltage is 50 Hz or 60 Hz, but in order to control it sufficiently quickly, in this embodiment, the control cycle T is set to 50 μS.

コイル充電時(スイッチング素子ON)における回路方程式は、
Vac(n−1)=L×{Ip(n−1)−Iv(n−2)}/Ton(n−1)・・・(式1)となる。ここで、Iv(n−2)はコイル充電開始電流、Ip(n−1)はコイル充電ピーク電流、Ton(n−1)は制御オン時間であり、それぞれ制御サイクル(n−1)における値である。また、Vac(n−1)は制御サイクル(n−1)における入力電圧であるが、電源周波数に対して、制御周期(50μS)が十分短いのでVac(n−1)を一定値とみなすことができる。
The circuit equation during coil charging (switching element ON) is
Vac (n−1) = L × {Ip (n−1) −Iv (n−2)} / Ton (n−1) (Expression 1) Here, Iv (n-2) is a coil charging start current, Ip (n-1) is a coil charging peak current, and Ton (n-1) is a control ON time, and each value in the control cycle (n-1). It is. Vac (n-1) is an input voltage in the control cycle (n-1). Since the control cycle (50 μS) is sufficiently short with respect to the power supply frequency, Vac (n-1) is regarded as a constant value. Can do.

一方、コイル放電時(スイッチング素子OFF)における回路方程式は、
Vdc(n−1)−Vac(n−1)=L×{Ip(n−1)−Iv(n−1)}/Toff(n−1)・・・(式2)となる。ここで、Vdc(n−1)はコンデンサCの両端電圧、Iv(n−1)は今回の制御サイクル終了時のコイル電流(次回の制御サイクルのコイル充電開始電流)、Toff(n−1)はOFF時間であり、それぞれ制御サイクル(n−1)における値である。
On the other hand, the circuit equation at the time of coil discharge (switching element OFF) is
Vdc (n−1) −Vac (n−1) = L × {Ip (n−1) −Iv (n−1)} / Toff (n−1) (Expression 2) Here, Vdc (n-1) is the voltage across the capacitor C, Iv (n-1) is the coil current at the end of the current control cycle (coil charging start current of the next control cycle), Toff (n-1). Are OFF times, which are values in the control cycle (n−1), respectively.

(式1)及び(式2)からIp(n−1)を消去してIv(n−1)について解くと、
Iv(n−1)=Iv(n−2)+T/L×[{Vac(n−1)−Vdc(n−1)}+Ton(n−1)×Vdc(n−1)]・・・(式3)となる。なお、制御周期Tは、T=Ton(n−1)+Toff(n−1)である。
If Ip (n-1) is eliminated from (Equation 1) and (Equation 2) and Iv (n-1) is solved,
Iv (n−1) = Iv (n−2) + T / L × [{Vac (n−1) −Vdc (n−1)} + Ton (n−1) × Vdc (n−1)]... (Equation 3) The control period T is T = Ton (n−1) + Toff (n−1).

上記の(式3)において、Iv(n−1)>0であれば連続モード、Iv(n−1)=0であれば不連続モードとなる。但し、(式3)は、今回の制御サイクル(n−1)におけるコイル充電開始電流Iv(n−2)を用いて、次回の制御サイクル(n)におけるコイル充電開始電流Iv(n−1)を求めているので、充電開始電流Iv(n−2)が正確でないと、連続モードか不連続モードかの判定が狂うことになる。すなわち、Iv(n−2)を一つ手前の制御サイクルにおける制御オン時間(Ton(n−2))などに基づく予測演算によって決定したのでは、(式3)の演算によって誤差が累積されることになり、制御の指示値自体が目標から外れて発散してしまうおそれがある。そこで、この実施例では、制御サイクルごとに、コイル充電開始時の入力電流ad1を計測するようにしている。   In the above (Formula 3), if Iv (n−1)> 0, the continuous mode is selected, and if Iv (n−1) = 0, the discontinuous mode is selected. However, (Formula 3) uses the coil charging start current Iv (n-2) in the current control cycle (n-1), and the coil charging start current Iv (n-1) in the next control cycle (n). Therefore, if the charging start current Iv (n−2) is not accurate, the determination of the continuous mode or the discontinuous mode will be wrong. That is, if Iv (n−2) is determined by a prediction calculation based on the control on time (Ton (n−2)) in the immediately preceding control cycle, an error is accumulated by the calculation of (Equation 3). As a result, the control instruction value itself may diverge from the target. Therefore, in this embodiment, the input current ad1 at the start of coil charging is measured for each control cycle.

但し、制御サイクル開始時から入力電流の取得時までに不可避的に時間遅れTsが生じるので(図4(c)参照)、この時間遅れTsを考慮して計測値ad1を補正してコイル充電開始電流Iv(n−2)としている。今、制御サイクル(n−1)のTsのタイミングにおける電流計測値をad1とすると、コイル充電電流の傾斜(Δi/Δt)は、L×Δi/Δt=eの関係からΔi/Δt=e/Lである。ここで、eは電圧、iは電流、tは時間である。   However, since a time delay Ts inevitably occurs from the start of the control cycle to the time of acquisition of the input current (see FIG. 4C), the coil charge is started by correcting the measured value ad1 in consideration of this time delay Ts. The current is Iv (n−2). Assuming that the current measurement value at the timing Ts of the control cycle (n−1) is ad1, the slope (Δi / Δt) of the coil charging current is Δi / Δt = e / from the relationship of L × Δi / Δt = e. L. Here, e is voltage, i is current, and t is time.

したがって、時間遅れTsにおける電流増加量は、Vac(n−1)/L×Tsと算出することができ、この値を用いると、Iv(n−2)=ad1−Vac(n−1)/L×Ts・・・(式4)となる。そして、この(式4)を(式3)に代入すると、
Iv(n−1)=ad1−[Vac(n−1)×Ts+T×{Vdc(n−1)−Vac(n−1)}−Ton(n−1)×Vdc(n−1)]/L・・・(式5)となり、今回の制御サイクル(n−1)の最終タイミング(=次回の制御サイクルの開始タイミング)における入力電流値Iv(n−1)を、今回の制御サイクル(n−1)の開始タイミングにおける入力電流の計測値ad1に基づいて正確に決定することができる。
Therefore, the current increase amount at the time delay Ts can be calculated as Vac (n−1) / L × Ts, and using this value, Iv (n−2) = ad1−Vac (n−1) / L × Ts (Expression 4) And if this (Equation 4) is substituted into (Equation 3),
Iv (n-1) = ad1- [Vac (n-1) * Ts + T * {Vdc (n-1) -Vac (n-1)}-Ton (n-1) * Vdc (n-1)] / L (Expression 5), and the input current value Iv (n−1) at the final timing of the current control cycle (n−1) (= start timing of the next control cycle) is expressed as the current control cycle (n -1) can be accurately determined based on the measured value ad1 of the input current at the start timing.

そして、このようにして求めた次回制御サイクルのコイル充電開始電流Iv(n−1)が正か否かに応じて、連続モードか不連続モードかを正確に判定でき、それに応じた最適な制御が可能となる。すなわち、今回の制御サイクル(n−1)における、交流入力電圧Vac(n−1)、直流出力電圧Vdc(n−1)、及び入力電流ad1の各計測値と、前回の制御サイクルで決定された制御オン時間Ton(n−1)とに基づいて、連続モード用の制御をすべきか、不連続モード用の制御をすべきかを確定できる。なお、以上の(式1)〜(式5)の算出手順については、図7〜図8に補充説明をしている。   Then, depending on whether or not the coil charging start current Iv (n-1) of the next control cycle obtained in this way is positive, it is possible to accurately determine whether it is a continuous mode or a discontinuous mode, and an optimal control corresponding to that mode. Is possible. That is, the measured values of the AC input voltage Vac (n-1), the DC output voltage Vdc (n-1), and the input current ad1 in the current control cycle (n-1) and the previous control cycle are determined. On the basis of the control on time Ton (n−1), it can be determined whether the control for the continuous mode or the control for the discontinuous mode should be performed. In addition, the calculation procedure of the above (Formula 1)-(Formula 5) is supplementary description to FIGS.

ところで、直流出力電圧Vdc(n−1)は、必ずしも、制御サイクル毎に更新される必要はないので、本実施例では、1mS毎に値が更新されるVdc(i)を使用している(図5のステップST30参照)。したがって、本実施例の判別式は、正確には、Iv(n−1)=ad1−[Vac(n−1)×Ts+T×{Vdc(i)−Vac(n−1)}−Ton(n−1)×Vdc(i)]/L・・・(式5’)となる。   By the way, the DC output voltage Vdc (n−1) does not necessarily need to be updated every control cycle. Therefore, in this embodiment, Vdc (i) whose value is updated every 1 mS is used ( (See step ST30 in FIG. 5). Therefore, the discriminant of the present embodiment is, exactly, Iv (n-1) = ad1- [Vac (n-1) * Ts + T * {Vdc (i) -Vac (n-1)}-Ton (n −1) × Vdc (i)] / L (Expression 5 ′).

更にまた、直流出力電圧として、図5のステップST38の処理で算出される過去0.5秒間の平均値Vdcを使用しても良い。この場合には、Iv(n−1)=ad1−[Vac(n−1)×Ts+T×{Vdc−Vac(n−1)}−Ton(n−1)×Vdc]/L・・・(式5’’)の判別式が採用される。   Furthermore, the average value Vdc for the past 0.5 seconds calculated by the process of step ST38 in FIG. 5 may be used as the DC output voltage. In this case, Iv (n−1) = ad1− [Vac (n−1) × Ts + T × {Vdc−Vac (n−1)} − Ton (n−1) × Vdc] / L. The discriminant of equation 5 ″) is adopted.

<不連続モード>
続いて、各制御サイクル中のコイル平均電流Iavに基づいて、制御オン時間Ton(n)を算出する方法について説明する。先ず、不連続モードにおける制御オン時間Ton(n)を算出する(図2(b)参照)。
<Discontinuous mode>
Next, a method for calculating the control on time Ton (n) based on the coil average current Iav during each control cycle will be described. First, the control on time Ton (n) in the discontinuous mode is calculated (see FIG. 2B).

コイル充電時における回路方程式は、Vac(n)=L×{Ip(n)−Iv(n−1)}/Ton(n)となるが、不連続モードゆえに、Iv(n−1)=0であり、結局、Vac(n)=L×Ip(n)/Ton(n)・・・(式6)となる。ここで、Vac(n)は交流入力電圧、Ip(n)はコイル充電ピーク時の電流値、Iv(n−1)はコイル充電開始時の電流値、Ton(n)は制御オン時間である。   The circuit equation at the time of charging the coil is Vac (n) = L × {Ip (n) −Iv (n−1)} / Ton (n), but Iv (n−1) = 0 because of the discontinuous mode. In the end, Vac (n) = L × Ip (n) / Ton (n) (Formula 6). Here, Vac (n) is the AC input voltage, Ip (n) is the current value at the coil charging peak, Iv (n−1) is the current value at the start of coil charging, and Ton (n) is the control on time. .

一方、コイル放電時における回路方程式は、Vdc(n)−Vac(n)=L/Tcut(n)×{Ip(n)−Iv(n)}となる。なお、Tcut(n)は、コイル充電ピーク状態の電流値Ip(n)が、放電されてゼロになるまでの時間である(図2(b)参照)。ここでは不連続モードの回路方程式を問題にしているので、Iv(n)=0となり、Vdc(n)−Vac(n)=L/Tcut(n)×Ip(n)・・・(式7)となる。また、この制御サイクルにおける入力電流の平均値Iav(n)は、
Iav(n)={Ip(n)×Ton(n)+Ip(n)×Tcut(n)}/(2×T)・・・(式8)となる。
On the other hand, the circuit equation at the time of coil discharge is Vdc (n) −Vac (n) = L / Tcut (n) × {Ip (n) −Iv (n)}. Tcut (n) is a time until the current value Ip (n) in the coil charge peak state is discharged and becomes zero (see FIG. 2B). Since the circuit equation in the discontinuous mode is considered here, Iv (n) = 0, and Vdc (n) −Vac (n) = L / Tcut (n) × Ip (n) (Expression 7) ) The average value Iav (n) of the input current in this control cycle is
Iav (n) = {Ip (n) × Ton (n) + Ip (n) × Tcut (n)} / (2 × T) (Expression 8).

そして、これら(式6)〜(式8)をTon(n)について解くと、
Ton(n)×Ton(n)={2×T×L×Iav(n)×(Vdc(n)−Vac(n))}/{Vac(n)×Vdc(n)}・・・(式9)と算出される。なお、(式9)の算出過程は、図9〜図10に示した。
And solving these (Equation 6) to (Equation 8) for Ton (n),
Ton (n) × Ton (n) = {2 × T × L × Iav (n) × (Vdc (n) −Vac (n))} / {Vac (n) × Vdc (n)} Equation 9) is calculated. In addition, the calculation process of (Formula 9) was shown in FIGS.

<連続モード>
続いて、連続モードにおける制御オン時間Ton(n)を算出する(図2(a)参照)。コイル充電時における回路方程式は、Vac(n)=L×{Ip(n)−Iv(n−1)}/Ton(n)・・・(式10)となる。一方、コイル放電時における回路方程式は、Vdc(n)−Vac(n)=L/Toff(n)×{Ip(n)−Iv(n)}・・・(式11)となる。ここで、Toff(n)=T−Ton(n)であり、コイル放電開始から次回の制御サイクルにおけるコイル充電開始までの時間である。
<Continuous mode>
Subsequently, the control ON time Ton (n) in the continuous mode is calculated (see FIG. 2A). The circuit equation during coil charging is Vac (n) = L × {Ip (n) −Iv (n−1)} / Ton (n) (Equation 10) On the other hand, the circuit equation at the time of coil discharge is Vdc (n) −Vac (n) = L / Toff (n) × {Ip (n) −Iv (n)} (Equation 11). Here, Toff (n) = T−Ton (n), which is the time from the start of coil discharge to the start of coil charge in the next control cycle.

そして、この制御サイクルにおける平均電流Iav(n)は、Iav(n)=
[{Ip(n)+Iv(n−1)}×Ton(n)+{Ip(n)+Iv(n)}×Toff(n)]/{2×T}・・・(式12)となる。ここで、Ip(n),Iv(n)を消去しつつ(式10)〜(式12)をToff(n)について解くと、
Toff(n)×Toff(n)=[2×T×L×{Iv(n−1)−Iav(n)}/Vdc(n)]+T×T×Vac(n)/Vdc(n)・・・(式13)となるので、結局、Ton(n)は、Ton=T−Toff(n)・・・(式14)と算出される。なお、(式14)その他の算出過程は、図11〜図12に補充説明している。
The average current Iav (n) in this control cycle is Iav (n) =
[{Ip (n) + Iv (n−1)} × Ton (n) + {Ip (n) + Iv (n)} × Toff (n)] / {2 × T} (Expression 12) . Here, solving (Equation 10) to (Equation 12) for Toff (n) while erasing Ip (n) and Iv (n),
Toff (n) × Toff (n) = [2 × T × L × {Iv (n−1) −Iav (n)} / Vdc (n)] + T × T × Vac (n) / Vdc (n) · Since (Equation 13) is obtained, Ton (n) is eventually calculated as Ton = T−Toff (n) (Equation 14). Note that (Equation 14) and other calculation processes are supplemented in FIGS.

本実施例では、不連続モードか連続モードかに応じて(式9)か又は(式14)を用いて制御オン時間Ton(n)を算出するが、その演算には、次回の制御サイクル(n)における、交流入力電圧Vac(n)、直流出力電圧Vdc(n)、及び平均入力電流Iav(n)の予測パラメータが必要となる。   In this embodiment, the control on-time Ton (n) is calculated using (Equation 9) or (Equation 14) according to the discontinuous mode or the continuous mode. In n), prediction parameters of the AC input voltage Vac (n), the DC output voltage Vdc (n), and the average input current Iav (n) are required.

交流入力電圧Vac(n)については、今回の交流入力電圧の計測値Vac(n−1)と、前回の交流入力電圧の計測値Vac(n−2)に基づいて予測することとし、具体的には、今回の計測値Vac(n−1)に、制御サイクル(n−2)と制御サイクル(n−1)計測値の差分を加算して以下の通りとする。
Vac(n)=2×Vac(n−1)−Vac(n−2)・・・(式15)
一方、直流出力電圧Vdc(n)については、直流電圧についての過去の計測値の平均値Vdcを採用する。平均値Vdcの算出法は適宜に決定されるが、この実施例では0.5秒毎に実行される平均化処理によって過去0.5秒間の計測値を平均化して、直流出力電圧Vdcとしている(図5のステップST38参照)。この直流出力電圧Vdcは、メモリの適当なワークエリアに格納されており、このワークエリアの値Vdcが0.5秒毎に更新されるようになっている。
The AC input voltage Vac (n) is predicted based on the current AC input voltage measurement value Vac (n-1) and the previous AC input voltage measurement value Vac (n-2). The difference between the control cycle (n-2) and the control cycle (n-1) measurement value is added to the current measurement value Vac (n-1) as follows.
Vac (n) = 2 × Vac (n−1) −Vac (n−2) (Equation 15)
On the other hand, for the DC output voltage Vdc (n), an average value Vdc of past measurement values for the DC voltage is adopted. Although the calculation method of the average value Vdc is determined as appropriate, in this embodiment, the measured values for the past 0.5 seconds are averaged by the averaging process executed every 0.5 seconds to obtain the DC output voltage Vdc. (See step ST38 in FIG. 5). This DC output voltage Vdc is stored in an appropriate work area of the memory, and the value Vdc of this work area is updated every 0.5 seconds.

したがって、この場合には、不連続モードで、Ton(n)×Ton(n)={2×T×L×Iav(n)×(Vdc−Vac(n))}/{Vac(n)×Vdc}・・・(式9’)となり、一方、連続モードでは、Toff(n)×Toff(n)=[2×T×L×{Iv(n−1)−Iav(n)}/Vdc]+T×T×Vac(n)/Vdc・・・(式13’)、Ton=T−Toff(n)・・・(式14’)となる。   Therefore, in this case, in the discontinuous mode, Ton (n) × Ton (n) = {2 × T × L × Iav (n) × (Vdc−Vac (n))} / {Vac (n) × On the other hand, in continuous mode, Toff (n) × Toff (n) = [2 × T × L × {Iv (n−1) −Iav (n)} / Vdc. ] + T × T × Vac (n) / Vdc (Equation 13 ′), Ton = T−Toff (n) (Equation 14 ′).

但し、0.5秒間の平均値Vdcを使用するのに変えて、ADコンバータAD3の出力値ad3を1mS毎に取得したVdc(i)の値を使用しても良い。この場合には、不連続モードで、Ton(n)×Ton(n)={2×T×L×Iav(n)×(Vdc(i)−Vac(n))}/{Vac(n)×Vdc(i)}・・・(式9’’)となり、一方、連続モードでは、Toff(n)×Toff(n)=[2×T×L×{Iv(n−1)−Iav(n)}/Vdc(i)]+T×T×Vac(n)/Vdc(i)・・・(式13’’)、Ton=T−Toff(n)・・・(式14’’)となる。なお、図3では、便宜上、Vdc(i)を使用する場合を実線で示し、直流出力電圧Vdcを使用する場合を破線で示している。   However, instead of using the average value Vdc for 0.5 seconds, the value of Vdc (i) obtained from the output value ad3 of the AD converter AD3 every 1 mS may be used. In this case, in the discontinuous mode, Ton (n) × Ton (n) = {2 × T × L × Iav (n) × (Vdc (i) −Vac (n))} / {Vac (n) × Vdc (i)} (Equation 9 ″) On the other hand, in continuous mode, Toff (n) × Toff (n) = [2 × T × L × {Iv (n−1) −Iav ( n)} / Vdc (i)] + T × T × Vac (n) / Vdc (i) (Equation 13 ″), Ton = T−Toff (n) (Equation 14 ″) Become. In FIG. 3, for convenience, the case where Vdc (i) is used is indicated by a solid line, and the case where the DC output voltage Vdc is used is indicated by a broken line.

また、平均入力電流Iav(n)の予測値は、交流入力電圧Vac(n)の予測値との関係からIav(n)=β×Vac(n)とする。ここでゲインβは、直流出力電圧の基準値(目標値)Voと、上記の平均化された直流出力電圧Vdcとを比較しながら、その差VerrがゼロになるようにPI制御によって調整する。   The predicted value of the average input current Iav (n) is Iav (n) = β × Vac (n) from the relationship with the predicted value of the AC input voltage Vac (n). Here, the gain β is adjusted by PI control so that the difference Verr becomes zero while comparing the reference value (target value) Vo of the DC output voltage with the above-mentioned averaged DC output voltage Vdc.

すなわち、Verr=Vo−Vdc・・・(式16)であり、Vo=Vac(pk)+α・・・(式17)である。ここで、直流出力電圧の基準値Voは、交流入力電圧(脈流)の波高値Vac(pk)に、コイルLによる昇圧量αを加算したものに設定する。このように設定することによって、入力電圧値に応じた効率の高い変換が可能となる。また、コイルLによる昇圧量を小さくできるので、大型化しない適当なサイズで安価で軽量のコイルを選択することが可能となる。なお、コイルLのインダクタンス最適値は、一般に、L=Vac×Vac×(Vdc−Vac)/{γ×Pac×Vdc/T}の設計式に基づいて決定されるが、本実施例では、入力電圧値Vacに対応して出力電圧値Vdcを設定するので、コイルのインダクタンス値がほぼ最適値を常に維持する。なお、上記の設計式において、γは入力電流のリプル含有率、Tは制御周期、Pacは最大入力電力、Vacは入力電圧の瞬時値である。   That is, Verr = Vo−Vdc (Expression 16), and Vo = Vac (pk) + α (Expression 17). Here, the reference value Vo of the DC output voltage is set to a value obtained by adding the amount of boost α by the coil L to the peak value Vac (pk) of the AC input voltage (pulsating flow). By setting in this way, conversion with high efficiency according to the input voltage value is possible. In addition, since the amount of pressure boosted by the coil L can be reduced, it is possible to select an inexpensive and lightweight coil with an appropriate size that does not increase in size. The optimum inductance value of the coil L is generally determined based on a design formula of L = Vac × Vac × (Vdc−Vac) / {γ × Pac × Vdc / T}. Since the output voltage value Vdc is set in correspondence with the voltage value Vac, the inductance value of the coil always maintains an almost optimum value. In the above design formula, γ is the ripple content of the input current, T is the control period, Pac is the maximum input power, and Vac is the instantaneous value of the input voltage.

図3は、上記した制御動作を説明する制御ブロック図である。また、図4〜図5は、図3の制御動作を実現するワンチップマイコン3の処理内容を示すフローチャートである。図3に示す制御処理は、50μS毎に起動される第1タイマ割込みINT1(図4(a))と、1mS毎に起動される第2タイマ割込みINT2(図5)と、第1タイマ割込みINT1で開始されたAD変換動作が完了すると起動されるAD変換終了割込みINT3(図4(b))とを中心に構成されている。なお、第1タイマと第2タイマは非同期であり、第1タイマ割込みINT1の方が、第2タイマ割込みINT2より高い優先順位に設定されている。   FIG. 3 is a control block diagram for explaining the above-described control operation. 4 to 5 are flowcharts showing the processing contents of the one-chip microcomputer 3 that realizes the control operation of FIG. The control process shown in FIG. 3 includes a first timer interrupt INT1 (FIG. 4A) activated every 50 μS, a second timer interrupt INT2 (FIG. 5) activated every 1 mS, and a first timer interrupt INT1. The AD conversion end interrupt INT3 (FIG. 4B) which is activated when the AD conversion operation started in step S1 is completed is mainly configured. Note that the first timer and the second timer are asynchronous, and the first timer interrupt INT1 is set to a higher priority than the second timer interrupt INT2.

<第1タイマ割込みINT1>
以下、図4及び図5に基づいて、ワンチップマイコン3の動作内容を説明する。図4(a)に示すように、第1タイマ割込みINT1が生じると、レジスタ類の保存処理(POP処理)などを終えた後、PWM信号をHレベルに立ち上げると共に、前回の制御サイクル(n−1)で決定されているPWMタイマの設定値Ton(n−1)のダウンカウント動作を開始させる(ST1)。なお、このダウンカウント動作は、その後、図4や図5の処理とは独立に進行して、所定時間Ton(n−1)経過後にPWM信号がLレベルに戻ることでPWM制御が実現される(図4(c)参照)。
<First timer interrupt INT1>
Hereinafter, the operation content of the one-chip microcomputer 3 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. As shown in FIG. 4A, when the first timer interrupt INT1 occurs, the register signal saving process (POP process) is finished, and then the PWM signal is raised to the H level and the previous control cycle (n The countdown operation of the set value Ton (n-1) of the PWM timer determined in -1) is started (ST1). This down-count operation thereafter proceeds independently from the processing of FIGS. 4 and 5, and PWM control is realized by returning the PWM signal to the L level after a predetermined time Ton (n−1) has elapsed. (See FIG. 4 (c)).

次に、ワンチップマイコン3は、4chのADコンバータAD1〜AD4を連続スキャンモードで動作させてAD変換処理を開始させ、割込み処理を終える(ST2)。そして、連続スキャンモードで実行されるAD変換処理が終わると、ワンチップマイコン3のCPUに、AD変換終了割込みがかかるよう設定されている。なお、図4(c)に示すように、第1タイマの割込みによって制御サイクルが開始されてから最初のAD変換が開始されるまでに時間遅れTsがあり、また、1番目のAD変換開始から4番目のAD変換開始までに遅延時間Tdがある。時間遅れTsは、例えば2.2μS程度であり、遅延時間Tdは、例えば20μS程度である。   Next, the one-chip microcomputer 3 operates the 4ch AD converters AD1 to AD4 in the continuous scan mode to start AD conversion processing, and ends the interrupt processing (ST2). When the AD conversion process executed in the continuous scan mode is completed, the CPU of the one-chip microcomputer 3 is set to receive an AD conversion end interrupt. As shown in FIG. 4C, there is a time delay Ts from the start of the control cycle by the interrupt of the first timer to the start of the first AD conversion, and from the start of the first AD conversion. There is a delay time Td until the start of the fourth AD conversion. The time delay Ts is, for example, about 2.2 μS, and the delay time Td is, for example, about 20 μS.

<AD変換終了割込みINT3>
その後、全てのADコンバータについてAD変換動作が終了すると、図4(b)に示す割込み処理INT3によって制御演算が実行される。先ず、ADコンバータAD1,AD4の出力値ad1,ad4(コイルLへの入力電流)を取得する(ST10)。次に、平均演算(ad1+ad4)/2によって、制御サイクル(n−1)における入力電流の平均値Iav(n−1)を算出する(ST11)。なお、図4(c)に示すように、入力電流値は、サンプリング点によって変化するので、入力電流の平均値(平均電流)としての精度は高くないが、この平均値Iav(n−1)は、次に説明するインダクタンス値の補正に使用するだけであるから、特に問題は生じない。
<AD conversion end interrupt INT3>
Thereafter, when the AD conversion operation is completed for all the AD converters, the control operation is executed by the interrupt process INT3 shown in FIG. First, the output values ad1, ad4 (input current to the coil L) of the AD converters AD1, AD4 are acquired (ST10). Next, the average value Iav (n−1) of the input current in the control cycle (n−1) is calculated by the average calculation (ad1 + ad4) / 2 (ST11). As shown in FIG. 4C, the input current value varies depending on the sampling point, so the accuracy as the average value (average current) of the input current is not high, but this average value Iav (n−1) Is used only for the correction of the inductance value described below, so that no particular problem occurs.

入力電流の平均値Iav(n−1)が求まれば、回路に実装されているコイルLのインダクタンス値を電流値Iav(n−1)に基づいて特定する。コイルLは、図6に示すように、そこに流れる直流重畳電流(平均電流)に応じて、そのインダクタンス値が変化する場合が多い。そこで、この実施例では、回路に実装されているコイルLの特性を予めメモリに格納しておき、入力電流の平均値Iav(n−1)に応じたインダクタンス値を、各演算式で使用するようにしている。   When the average value Iav (n−1) of the input current is obtained, the inductance value of the coil L mounted on the circuit is specified based on the current value Iav (n−1). As shown in FIG. 6, the coil L often has an inductance value that changes in accordance with a DC superimposed current (average current) flowing therethrough. Therefore, in this embodiment, the characteristics of the coil L mounted in the circuit are stored in the memory in advance, and the inductance value corresponding to the average value Iav (n−1) of the input current is used in each arithmetic expression. I am doing so.

そのため、大型に高価なコイルを使用しなくても高精度の制御が可能となる。なお、制御精度を更に高めるためには、平均演算(ad1+ad4)/2によって求まった電流値Iav(n−1)を、その制御サイクル(n−1)における制御オン時間Ton(n−1)に応じて補正しても良い(図3参照)。すなわち、2つのサンプリング点ad1,ad4が、コイル充電電流ad1とコイル放電電流ad4に分かれる場合もあれば、制御オン時間Ton(n−1)が長いために、共にコイル充電電流となる場合もあるので(図4(c)参照)、この点を踏まえて平均電流を補正すれば、より精密な制御を実現できる。   Therefore, highly accurate control can be performed without using a large and expensive coil. In order to further increase the control accuracy, the current value Iav (n−1) obtained by the average calculation (ad1 + ad4) / 2 is used as the control on time Ton (n−1) in the control cycle (n−1). It may be corrected accordingly (see FIG. 3). That is, the two sampling points ad1 and ad4 may be divided into the coil charging current ad1 and the coil discharging current ad4, or the control on time Ton (n−1) may be long, and both may be the coil charging current. Therefore (see FIG. 4C), if the average current is corrected based on this point, more precise control can be realized.

続いて、ADコンバータAD2の出力値ad2(交流入力電圧Vac(n−1))を取得する(ST13)。そして、電圧予測式Vac(n)=2×Vac(n−1)−Vac(n−2)に基づいてVac(n)を算出する(ST14)。次に、ADコンバータAD3の出力値ad3(直流出力電圧Vdc(n−1))を取得する(ST15)。   Subsequently, the output value ad2 (AC input voltage Vac (n-1)) of the AD converter AD2 is acquired (ST13). Then, Vac (n) is calculated based on the voltage prediction formula Vac (n) = 2 × Vac (n−1) −Vac (n−2) (ST14). Next, the output value ad3 (DC output voltage Vdc (n-1)) of the AD converter AD3 is acquired (ST15).

続いて、Iav(n)=β×Vac(n)の計算によって、入力電流指令値Iav(n)を算出する(ST16)。なお。必要な積算パラメータβの値は、図5に示す第2割込み処理INT2において1mS毎に更新されて適宜なワークエリアに格納されている。   Subsequently, the input current command value Iav (n) is calculated by calculating Iav (n) = β × Vac (n) (ST16). Note that. The necessary value of the integration parameter β is updated every 1 mS in the second interrupt process INT2 shown in FIG. 5 and stored in an appropriate work area.

次に、ADコンバータAD1からの取得値ad1と、ステップST12の処理で補正されたコイルのインダクタンス値Lと、ステップST13の処理で取得された交流入力電圧値Vac(n−1)と、この制御サイクルにおける制御オン時間Ton(n−1)と、直流出力電圧値Vdc(i)とに基づいて、(式5’)の判別式に基づいて、コイル充電開始電流Iv(n−1)を算出する(ST17)。そして、コイル充電開始電流Iv(n−1)の値(正か否か)に応じて、連続モードとして制御すべきか不連続モードとして制御すべきかを決定する(ST17)。なお、(式5’)に代えて(式5’’)の判別式を用いても良いのは、前述の通りである。   Next, the acquired value ad1 from the AD converter AD1, the inductance value L of the coil corrected in the process of step ST12, the AC input voltage value Vac (n−1) acquired in the process of step ST13, and this control Based on the control ON time Ton (n−1) in the cycle and the DC output voltage value Vdc (i), the coil charging start current Iv (n−1) is calculated based on the discriminant of (Expression 5 ′). (ST17). Then, according to the value (whether positive or not) of the coil charging start current Iv (n−1), it is determined whether the control should be controlled as the continuous mode or the discontinuous mode (ST17). As described above, the discriminant of (Expression 5 ″) may be used instead of (Expression 5 ′).

ここでIv(n−1)≦0であって不連続モードであった場合には、Iv(n−1)=0に設定すると共に(ST19)、(式9’)または(式9’’)の演算式に基づいて制御オン時間Ton(n)を算出する(ST20)。一方、Iv(n−1)>であって連続モードであった場合には、(式14’)(式14’’)の演算式に基づいて制御オン時間Ton(n)を算出する(ST21)。   If Iv (n−1) ≦ 0 and the discontinuous mode is set, Iv (n−1) = 0 is set (ST19), (Equation 9 ′) or (Equation 9 ″). ) To calculate the control on time Ton (n) (ST20). On the other hand, if Iv (n−1)> and the continuous mode is set, the control on-time Ton (n) is calculated based on the arithmetic expression of (Expression 14 ′) (Expression 14 ″) (ST21). ).

そして、算出された制御オン時間Ton(n)について、それが制御上限値と制御下限値を超えていないことを条件に、次回の制御サイクル(n)の制御オン時間としてPWMタイマにTon(n)の値を設定する(ST22,23)。なお、算出された制御オン時間Ton(n)が、上限値か下限値を超えている場合には、PWMタイマに、それぞれ制御上限値又は制御下限値を設定する。   Then, on the condition that the calculated control on time Ton (n) does not exceed the control upper limit value and the control lower limit value, the PWM timer uses Ton (n) as the control on time of the next control cycle (n). ) Is set (ST22, 23). When the calculated control ON time Ton (n) exceeds the upper limit value or the lower limit value, the control upper limit value or the control lower limit value is set in the PWM timer, respectively.

<第2タイマ割込みINT2>
続いて、上記した第1タイマ割込み処理INT1、AD変換終了割込みINT3とは独立して、1mS毎に開始される第2タイマ割込みINT2について図5のフローチャートに基づいて説明する。
<Second timer interrupt INT2>
Next, the second timer interrupt INT2 started every 1 mS independently of the above-described first timer interrupt processing INT1 and AD conversion end interrupt INT3 will be described based on the flowchart of FIG.

第2タイマ割込みINT2では、先ず、ADコンバータAD3の出力であるVdc(i)を取得する(ST30)。なお、ADコンバータAD3は50μS毎にAD変換動作を実行するが、第2タイマ割込みINT2では、第1タイマ割込みINT1に基づいて出力される出力直流電圧Vdc(i)の値を取得することになる。   In the second timer interrupt INT2, first, Vdc (i) that is the output of the AD converter AD3 is acquired (ST30). The AD converter AD3 performs an AD conversion operation every 50 μS, but the second timer interrupt INT2 acquires the value of the output DC voltage Vdc (i) output based on the first timer interrupt INT1. .

次に、SUM←SUM+Vdc(i)の演算を実行して、取得した出力直流電圧Vdc(i)の値をワークエリアの平均算出バッファSUMに加算する(ST31)。また、ADコンバータAD2の出力である交流入力電圧Vac(i)を取得して(ST32)、交流入力電圧Vac(i)と、メモリに保存されている波高最大値Vac(pk)とを対比する(ST33)。   Next, the calculation of SUM ← SUM + Vdc (i) is executed, and the acquired value of the output DC voltage Vdc (i) is added to the average calculation buffer SUM in the work area (ST31). Further, the AC input voltage Vac (i), which is the output of the AD converter AD2, is acquired (ST32), and the AC input voltage Vac (i) is compared with the peak value Vac (pk) stored in the memory. (ST33).

そして、Vac(i)>Vac(pk)であれば、Vac(pk)←Vac(i)の演算によって、メモリに記憶されている波高最大値Vac(pk)の値を更新する(ST34)。このようにして交流入力電圧の波高値Vac(pk)を求めた後、カウンタCTをデクリメント処理(−1)し(ST35)、カウンタ値CTがゼロか否かを判定する(ST36)。   If Vac (i)> Vac (pk), the maximum wave height value Vac (pk) stored in the memory is updated by calculating Vac (pk) ← Vac (i) (ST34). After obtaining the peak value Vac (pk) of the AC input voltage in this way, the counter CT is decremented (−1) (ST35), and it is determined whether or not the counter value CT is zero (ST36).

ここで、カウンタ値CTがCT=0となると、平均算出バッファSUMの値を1/500倍することで、出力直流電圧Vdc(i)の平均値を求める(ST37)。そして、この平均値によって直流出力電圧Vdcを特定する(ST38)。   Here, when the counter value CT becomes CT = 0, the average value of the output DC voltage Vdc (i) is obtained by multiplying the value of the average calculation buffer SUM by 1/500 (ST37). Then, the DC output voltage Vdc is specified by this average value (ST38).

このようにして直流出力電圧Vdcが求めれば、平均算出バッファSUMとカウンタCTの値を初期設定し(ST39)、Vo←Vac(pk)+αの演算によって出力直流電圧の基準値(目標値)Voを算出する(ST40)。αは、入力交流電圧の波高値Vac(pk)と比較した場合の、コイルLにおける昇圧分である。そして、出力基準電圧Voと、計測値から得られる出力平均電圧Vdcとの差を算出する(ST41)。具体的には、Verr(i)←Vo−Vdcの演算を行う。   When the DC output voltage Vdc is obtained in this way, the values of the average calculation buffer SUM and the counter CT are initialized (ST39), and the reference value (target value) Vo of the output DC voltage is calculated by calculating Vo ← Vac (pk) + α. Is calculated (ST40). α is a boosted amount in the coil L when compared with the peak value Vac (pk) of the input AC voltage. Then, the difference between the output reference voltage Vo and the output average voltage Vdc obtained from the measured value is calculated (ST41). Specifically, Verr (i) ← Vo−Vdc is calculated.

以上の結果に基づき、PI制御による指令値βを算出して第2タイマ割込み処理INT2を終える(ST42)。ここで、指令値βの算出は、β=Verr(i)×Kp+{Verr(i)×Ki+Verr(i−1)’×Ki}の演算式によるが、Verr(i−1)’×Kiは、前回(i−1)の積分制御値であって、Verr(i−1)’×Ki=Verr(i−1)×Ki+Verr(i−2)’×Kiとして算出されていた値である。   Based on the above result, the command value β by the PI control is calculated, and the second timer interrupt processing INT2 is finished (ST42). Here, the calculation of the command value β is based on an arithmetic expression of β = Verr (i) × Kp + {Verr (i) × Ki + Verr (i−1) ′ × Ki}, where Verr (i−1) ′ × Ki is , The previous integration control value (i−1), which is a value calculated as Verr (i−1) ′ × Ki = Verr (i−1) × Ki + Verr (i−2) ′ × Ki.

なお、以上説明した制御処理の内容は、制御ブロック図として図3にまとめており、INT1,INT2の記載のない処理は、AD変換終了割込み(図4(b))の処理INT3を意味している。   The contents of the control processing described above are summarized in FIG. 3 as a control block diagram, and the processing without INT1 and INT2 means the processing INT3 of the AD conversion end interrupt (FIG. 4B). Yes.

以上の通り、実施例に係るデジタルコンバータ1は、ハードウェア制御回路が存在せず、全てをソフトウェア制御で実現できるため、力率改善回路などを省略でき、低コストで小型化が可能となる。また一般のコイルを使用して、そのインダクタンス値をリアルタイムに補正して演算式に反映させるので、低コストでありながら高精度の制御が可能となる。更に、本実施例では、瞬時応答による制御を行っているので負荷変動に対してもリニアに対応できる。また、(式9)、(式14)に示すように、フィードフォワードによる制御が主体となるので目標値に対する発散を抑制でき制御遅れも少ない。   As described above, the digital converter 1 according to the embodiment has no hardware control circuit and can be realized by software control. Therefore, the power factor correction circuit and the like can be omitted, and the size can be reduced at low cost. In addition, since a common coil is used and its inductance value is corrected in real time and reflected in the arithmetic expression, high-precision control is possible at a low cost. Furthermore, in this embodiment, since control is performed by instantaneous response, it is possible to cope linearly with load fluctuations. Further, as shown in (Equation 9) and (Equation 14), since control based on feedforward is mainly performed, divergence with respect to the target value can be suppressed and control delay is small.

実施例に係るデジタルコンバータを示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the digital converter which concerns on an Example. 制御周期とコイルの充放電動作との関係を説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining the relationship between a control period and the charging / discharging operation | movement of a coil. 実施例に係るデジタルコンバータの制御動作を説明する制御ブロック図である。It is a control block diagram explaining the control operation of the digital converter which concerns on an Example. ワンチップマイコンの動作内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement content of a one-chip microcomputer. ワンチップマイコンの動作内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement content of a one-chip microcomputer. コイルのインダクタンス値と平均電流との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the inductance value of a coil, and an average current. (式5)の導出過程を説明する図面である。It is drawing explaining the derivation | leading-out process of (Formula 5). (式5)の導出過程を説明する図面である。It is drawing explaining the derivation | leading-out process of (Formula 5). (式9)の導出過程を説明する図面である。It is drawing explaining the derivation | leading-out process of (Formula 9). (式9)の導出過程を説明する図面である。It is drawing explaining the derivation | leading-out process of (Formula 9). (式14)の導出過程を説明する図面である。It is drawing explaining the derivation | leading-out process of (Formula 14). (式14)の導出過程を説明する図面である。It is drawing explaining the derivation | leading-out process of (Formula 14).

符号の説明Explanation of symbols

L コイル
Q スイッチング素子(IGBT)
4 昇圧チョッパ
2 整流回路(単相全波整流回路)
3 コンピュータ回路(ワンチップマイコン)
1 デジタルコンバータ
L Coil Q Switching element (IGBT)
4 Boost chopper 2 Rectifier circuit (Single-phase full-wave rectifier circuit)
3 Computer circuit (one-chip microcomputer)
1 Digital converter

Claims (7)

コイル及びスイッチング素子を備えた昇圧チョッパと、前記コイルに入力電流を供給する整流回路と、前記スイッチング素子を所定の制御サイクルでPWM制御するコンピュータ回路とを有するデジタルコンバータにおいて、
コイルへの入力電流が制御サイクル中に途切れない連続モードか、制御サイクルの途中で途絶える不連続モードかを判定しつつ、その判定結果に基づいて異なるアルゴリズムでPWM制御を行うことを特徴とするデジタルコンバータ。
In a digital converter having a step-up chopper provided with a coil and a switching element, a rectifier circuit that supplies an input current to the coil, and a computer circuit that performs PWM control of the switching element in a predetermined control cycle,
Digital that performs PWM control with different algorithms based on the determination result while determining whether the input current to the coil is a continuous mode that is not interrupted during the control cycle or a discontinuous mode that is interrupted during the control cycle converter.
連続モードか不連続モードかの判定は、今回の制御サイクルにおける、コイル充電開始電流、昇圧チョッパへの交流入力電圧、及び昇圧チョッパの直流出力電圧の各計測値と、今回の制御サイクルにおけるPMW波の制御時間と、コイルのインダクタンス値とに基づいて決定される請求項1に記載のデジタルコンバータ。 Whether the current mode is the continuous mode or the discontinuous mode is determined by measuring the coil charging start current, the AC input voltage to the boost chopper, and the DC output voltage of the boost chopper in the current control cycle, and the PMW wave in the current control cycle. The digital converter according to claim 1, wherein the digital converter is determined based on a control time of the coil and an inductance value of the coil. 前記インダクタンス値は、コイル電流の計測値に対応して補正される請求項2に記載のデジタルコンバータ。 The digital converter according to claim 2, wherein the inductance value is corrected corresponding to a measured value of the coil current. 連続モードか不連続モードかの判定結果に対応する演算式を用いて、PMW波の制御時間Ton(n)を決定している請求項1〜3のいずれかに記載のデジタルコンバータ。 The digital converter according to any one of claims 1 to 3, wherein the control time Ton (n) of the PMW wave is determined using an arithmetic expression corresponding to a determination result of the continuous mode or the discontinuous mode. 次回の制御サイクルにおけるPMW波の制御時間Ton(n)は、次回の制御サイクルにおける、コイル平均電流の予測値Iav(n)を演算要素にして決定されている請求項1〜4のいずれかに記載のデジタルコンバータ。 The control time Ton (n) of the PMW wave in the next control cycle is determined by using the predicted value Iav (n) of the coil average current in the next control cycle as an arithmetic element. The digital converter described. 前記コイル平均電流の予測値Iav(n)は、前記交流入力電圧の予測値Vac(n)と積算パラメータβとの積算で決定され、
前記積算パラメータβは、直流出力電圧Vdcの目標値Voとの偏差VerrによるPI制御で決定されている請求項5に記載のデジタルコンバータ。
The predicted value Iav (n) of the coil average current is determined by the integration of the predicted value Vac (n) of the AC input voltage and the integration parameter β.
The digital converter according to claim 5, wherein the integration parameter β is determined by PI control based on a deviation Verr of the DC output voltage Vdc from the target value Vo.
請求項1〜6のいずれかの動作を実現するデジタルコンバータの制御方法。 A method for controlling a digital converter that realizes the operation according to claim 1.
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