JP4770335B2 - Control device for DC-DC converter - Google Patents
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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.
従来、DC−DCコンバータの制御装置において、出力電圧指令値と、出力電圧の検出値との偏差を求め、求めた偏差に対してPI制御を施すことにより、DC−DCコンバータの出力電圧値を電圧指令値に一致させる技術が知られている(非特許文献1参照)。 Conventionally, in a control device for a DC-DC converter, a deviation between an output voltage command value and a detected value of the output voltage is obtained, and PI control is performed on the obtained deviation to obtain an output voltage value of the DC-DC converter. A technique for matching the voltage command value is known (see Non-Patent Document 1).
しかしながら、従来の技術では、負荷電流の変化に起因する出力電圧の変動が十分に抑制できるように、PI制御の制御定数を設定するので、電圧指令値の変化に対して、出力電圧がオーバーシュートして、電圧指令値に収束するまでに時間がかかるという問題がある。 However, in the conventional technique, since the control constant of PI control is set so that the fluctuation of the output voltage due to the change of the load current can be sufficiently suppressed, the output voltage is overshot with respect to the change of the voltage command value. Thus, there is a problem that it takes time to converge to the voltage command value.
(1)本発明によるDC−DCコンバータの制御装置は、リアクトルおよびスイッチング素子を少なくとも備えたDC−DCコンバータの制御装置であって、DC−DCコンバータの出力電圧を検出する電圧検出手段と、DC−DCコンバータに対する出力電圧指令値、および、電圧検出手段によって検出される出力電圧の差に基づいて、第1のリアクトル電流指令値を演算する第1の電流指令値演算手段と、リアクトル電流に対する出力電圧の伝達特性Gpv(s)を有する制御対象モデルと、伝達特性Gpv(s)およびローパスフィルタH(s)から構成されるH(s)/Gpv(s)なる伝達特性を有するインバースフィルタと、リアクトル電流指令値を制御対象モデルに入力した結果と、電圧検出手段により検出される出力電圧との差をインバースフィルタに入力して、インバースフィルタの出力を第2のリアクトル電流指令値とする第2の電流指令値演算手段と、第1のリアクトル電流指令値、および、第2のリアクトル電流指令値を加算して、リアクトル電流指令値とする加算手段とを備えることを特徴とする。
(2)本発明によるDC−DCコンバータの制御装置は、リアクトルとスイッチング素子とを少なくとも備えたDC−DCコンバータの制御装置であって、DC−DCコンバータの出力電圧を検出する電圧検出手段と、DC−DCコンバータに対する出力電圧指令値、および、電圧検出手段によって検出される出力電圧の差に基づいて、第1のリアクトル電流指令値を演算する第1の電流指令値演算手段と、ローパスフィルタH(s)と、リアクトル電流に対するDC−DCコンバータの出力電圧の伝達特性Gpv(s)およびローパスフィルタH(s)から構成されるH(s)/Gpv(s)なる伝達特性を有するインバースフィルタと、リアクトル電流指令値をローパスフィルタH(s)に入力して得られる結果、および、電圧検出手段により検出される出力電圧をインバースフィルタに入力して得られる結果の差を第2のリアクトル電流指令値とする第2の電流指令値演算手段と、第1のリアクトル電流指令値、および第2のリアクトル電流指令値を加算して、リアクトル電流指令値とする加算手段とを備えることを特徴とする。
(3)本発明によるDC−DCコンバータの制御装置は、リアクトルとスイッチング素子とを少なくとも備えたDC−DCコンバータの制御装置であって、DC−DCコンバータの出力電圧を検出する電圧検出手段と、DC−DCコンバータに対する出力電圧指令値、および、電圧検出手段によって検出される出力電圧の差に基づいて、第1のリアクトル電流指令値を演算する第1の電流指令値演算手段と、リアクトル電流に対するDC−DCコンバータの出力電圧の伝達特性Gpv(s)およびローパスフィルタH(s)から構成されるH(s)/Gpv(s)なる伝達特性を有するインバースフィルタと、1/(1−H(s))なる伝達特性を有する積分系フィルタを有し、第1のリアクトル電流指令値、および、電圧検出手段により検出される出力電圧をインバースフィルタに入力して得られる結果の差を積分系フィルタに入力し、積分系フィルタの出力結果を、リアクトル電流指令値とする最終電流指令値演算手段とを備えることを特徴とする。
(1) A control device for a DC-DC converter according to the present invention is a control device for a DC-DC converter having at least a reactor and a switching element, and a voltage detection means for detecting an output voltage of the DC-DC converter, and a DC A first current command value calculating means for calculating a first reactor current command value based on a difference between an output voltage command value for the DC converter and an output voltage detected by the voltage detecting means, and an output for the reactor current A controlled object model having a voltage transfer characteristic Gpv (s), an inverse filter having a transfer characteristic H (s) / Gpv (s) composed of the transfer characteristic Gpv (s) and a low-pass filter H (s); The difference between the result of inputting the reactor current command value to the model to be controlled and the output voltage detected by the voltage detection means is calculated. Add the second current command value calculation means that inputs the inverse filter and uses the output of the inverse filter as the second reactor current command value, the first reactor current command value, and the second reactor current command value. And adding means for setting the reactor current command value.
(2) A DC-DC converter control device according to the present invention is a DC-DC converter control device including at least a reactor and a switching element, and a voltage detection means for detecting an output voltage of the DC-DC converter; A first current command value calculating means for calculating a first reactor current command value based on a difference between an output voltage command value for the DC-DC converter and an output voltage detected by the voltage detecting means; (S) and an inverse filter having a transfer characteristic H (s) / Gpv (s) composed of a transfer characteristic Gpv (s) of the output voltage of the DC-DC converter with respect to the reactor current and a low-pass filter H (s) The result obtained by inputting the reactor current command value to the low-pass filter H (s) and the voltage detection means Second current command value calculation means for setting the difference between the results obtained by inputting the detected output voltage to the inverse filter as the second reactor current command value, the first reactor current command value, and the second reactor And adding means for adding a current command value to obtain a reactor current command value.
(3) A DC-DC converter control device according to the present invention is a DC-DC converter control device including at least a reactor and a switching element, and a voltage detection means for detecting an output voltage of the DC-DC converter; First current command value calculating means for calculating a first reactor current command value based on a difference between an output voltage command value for the DC-DC converter and an output voltage detected by the voltage detecting means, and for the reactor current An inverse filter having a transfer characteristic H (s) / Gpv (s) composed of a transfer characteristic Gpv (s) of the output voltage of the DC-DC converter and a low-pass filter H (s), and 1 / (1-H ( s)) having an integral filter having a transfer characteristic, which is detected by the first reactor current command value and the voltage detecting means. And a final current command value calculating means for inputting the difference between the results obtained by inputting the output voltage to the inverse filter to the integral filter and using the output result of the integral filter as the reactor current command value. To do.
本発明によるDC−DCコンバータの制御装置によれば、出力電圧指令値の変化に対して、実際の出力電圧をオーバーシュートさせることなく、速やかに収束・一致させることができる。 According to the DC-DC converter control apparatus of the present invention, it is possible to quickly converge and match the actual output voltage without overshooting the change in the output voltage command value.
−第1の実施の形態−
図1は、第1の実施の形態におけるDC−DCコンバータの制御装置によって制御される昇圧コンバータ(DC−DCコンバータ)を含むシステム構成を示す図である。二次電池1の直流電圧Viは、昇圧コンバータ2によって電圧Vo(Vo>Vi)に昇圧されて、負荷3に供給される。負荷3は、例えば、インバータおよび交流モータである。
-First embodiment-
FIG. 1 is a diagram showing a system configuration including a boost converter (DC-DC converter) controlled by a DC-DC converter control device according to the first embodiment. The DC voltage Vi of the
昇圧コンバータ2の出力側には、昇圧コンバータ2の出力電圧を平滑化するためのコンデンサC1が設けられている。電圧センサ5は、昇圧コンバータ2の出力電圧Voを検出する。
A capacitor C <b> 1 for smoothing the output voltage of the
昇圧コンバータ2は、リアクトルL1と、NPNトランジスタTr1、Tr2と、ダイオードD1,D2と、NOTゲート4とを備えている。リアクトルL1は、一端が二次電池1の電源ライン20に接続され、他端は、トランジスタTr1とTr2との接続点に接続されている。
NPNトランジスタTr1のコレクタ端子は、電源ライン22に接続され、エミッタ端子は、トランジスタTr2のコレクタ端子と接続されている。また、トランジスタTr2のエミッタ端子は、アースライン21に接続されている。トランジスタTr1,Tr2には、エミッタ端子側からコレクタ端子側に電流が流れるように、ダイオードD1,D2がそれぞれ並列に接続されている。トランジスタTr1およびTr2のオン/オフは、それぞれ、後述するコンバータ制御装置10によって制御される。
The collector terminal of the NPN transistor Tr1 is connected to the
コンバータ制御装置10は、例えば、マイクロコンピュータによって構成することができ、PWM制御によって、トランジスタTr1,Tr2のオン/オフを制御することにより、二次電池1の直流電圧Viを負荷3に供給するための所望の電圧に昇圧させる。Lower側のトランジスタTr2がオンするPWMデューティー比をDとすると、D=0の場合、すなわち、Upper側のトランジスタTr1がオンし続ける場合には、DC−DCコンバータ2の出力電圧Voは、二次電池1の電圧Viとほぼ等しくなる。デューティー比Dを大きくしていくと出力電圧Voは増大し、D=50%の時に、出力電圧Voは二次電池1の電圧Viのほぼ2倍となる。
The
ここで、PWM制御のスイッチング周波数を十分大きく設定すると、次式(1)および(2)の状態方程式が成立する。
ただし、Viは、昇圧コンバータ2の入力電圧、Voは、昇圧コンバータ2の出力電圧、iLはリアクトルL1に流れる電流、Dは、上述したPWMデューティー比、ioは負荷3に流れる電流、Lは、リアクトルL1のインダクタンス、Cは、コンデンサC1の容量である。
Here, if the switching frequency of PWM control is set to be sufficiently large, the following equations (1) and (2) are established.
Where Vi is the input voltage of the
上式(2)において、微分演算子(ラプラス演算子)をs、D/(C×s)=Gpv(s)とおくと、次式(3)が得られる。
式(3)は、リアクトル電流iLと、昇圧コンバータ2の出力電圧Voとの関係を示す式であり、右辺第2項は、外乱として扱うことができるが、右辺第1項には、変数であるリアクトル電流iLと、PWMデューティー比Dとの積が含まれており、非線形性の強い制御対象であることが分かる。
In the above equation (2), when the differential operator (Laplace operator) is s and D / (C × s) = Gpv (s), the following equation (3) is obtained.
Expression (3) is an expression showing the relationship between the reactor current i L and the output voltage Vo of the
図2は、第1の実施の形態におけるコンバータ制御装置10の内部構成を示すブロック図である。コンバータ制御装置10は、電圧制御部11と、電流制御部12とを備えている。電圧制御部11は、昇圧コンバータ2の出力電圧Voを電圧指令値Vo*に一致させるためのリアクトル電流指令値iL *を求めて電流制御部12に出力し、電流制御部12は、リアクトル電流iLをリアクトル電流指令値iL *に一致させる制御を行い、トランジスタTr2をオンさせるPWMデューティー比Dを決定して、トランジスタTr1およびTr2のオン/オフを制御する。
FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of
第1の実施の形態におけるコンバータ制御装置10は、電圧制御部11の構成に特徴があり、後述する方法によって、昇圧コンバータ2の出力電圧Voを電圧指令値Vo*に一致させるためのリアクトル電流指令値iL *を求める。電圧制御部11は、減算器21と、所定の制御定数Kpmを乗ずる制御ブロック22と、加算器23と、Gpv(s)なる伝達特性を有する制御ブロック24と、減算器25と、H(s)/Gpv(s)なる伝達特性を有するインバースフィルタを備えた制御ブロック26とを備える。
伝達特性Gpv(s)は、リアクトルL1に流れる電流iLに対する出力電圧Voの伝達特性を表した昇圧コンバータの制御対象モデルであり、上述したように、Gpv(s)=D/(C×s)で表される。伝達特性H(s)は、次式(4)で表される1次遅れのローパスフィルタの特性である。ただし、τhは時定数であり、sは微分演算子(ラプラス演算子)である。
H(s)=1/(1+τh・s) (4)
The transfer characteristic Gpv (s) is a control target model of the boost converter that represents the transfer characteristic of the output voltage Vo with respect to the current i L flowing through the reactor L1, and as described above, Gpv (s) = D / (C × s ). The transfer characteristic H (s) is a characteristic of a low-pass filter with a first-order lag expressed by the following equation (4). Here, τh is a time constant, and s is a differential operator (Laplace operator).
H (s) = 1 / (1 + τh · s) (4)
第1の実施の形態におけるDC−DCコンバータの制御装置では、以下の手順により、リアクトルL1に流れる電流指令値iL *を設定する。まず、DC−DCコンバータ2の出力電圧指令値Vo*と、電圧センサ5で検出される電圧値Voとの差を減算器21によって算出し、算出した電圧差に対して、制御ブロック22において制御定数Kpmを乗ずることにより、第1のリアクトル電流指令値を求める。また、リアクトル電流指令値iL *に対して、制御ブロック24においてGpv(s)なるフィルタを通した値と、電圧センサ5で検出される電圧値Voとの差を減算器25によって算出して、制御ブロック26に入力し、制御ブロック26の出力を第2のリアクトル電流指令値とする。この第1のリアクトル電流指令値と、第2のリアクトル電流指令値とを加算して、最終的なリアクトル電流指令値iL *とする。
In the control device for the DC-DC converter in the first embodiment, the current command value i L * flowing through the reactor L1 is set by the following procedure. First, the difference between the output voltage command value Vo * of the DC-
図3は、第1の実施の形態におけるコンバータ制御装置10の制御効果を説明するための図である。図3に示す加算器23、制御ブロック24、減算器25、および、制御ブロック26は、図2に示す加算器23、制御ブロック24、減算器25、および、制御ブロック26に対応している。また、制御ブロック31は、実際のDC−DCコンバータ2を表したものである。
FIG. 3 is a diagram for explaining the control effect of
上述した第1のリアクトル電流指令値をu1、第2のリアクトル電流指令値をu2とすると、加算器23の加算結果であるリアクトル電流指令値iL *は、次式(5)で表される。
iL *=u1+u2 (5)
When the above-described first reactor current command value is u1, and the second reactor current command value is u2, the reactor current command value i L * that is the addition result of the
i L * = u1 + u2 (5)
DC−DCコンバータ2を表した制御ブロック31には、リアクトル電流指令値iL *とともに、外乱dが入力される。外乱dは、例えば、負荷電流ioの変動や、モデル化誤差である。従って、制御ブロック31の出力、すなわち、DC−DCコンバータ2の出力電圧Voは、次式(6)で表される。
Vo=(iL *+d)Gpv(s) (6)
A disturbance d is input to the
Vo = (i L * + d ) Gpv (s) (6)
減算器25の減算結果eは、式(7)で表されるので、式(6)より、次式(8)の関係が成り立つ。
e=iL *・Gpv(s)−Vo (7)
=iL *・Gpv(s)−(iL *+d)Gpv(s)
=−d・Gpv(s) (8)
Since the subtraction result e of the
e = i L * · Gpv (s) −Vo (7)
= I L * · Gpv (s ) - (i L * + d) Gpv (s)
= -D · Gpv (s) (8)
第2のリアクトル電流u2は、次式(9)で表されるので、式(8)より、次式(10)が得られる。
u2=e・H(s)/Gpv(s) (9)
=−d・H(s) (10)
式(10)を式(5)に代入すると、次式(11)が得られる。
iL *=u1−d・H(s) (11)
Since the second reactor current u2 is expressed by the following equation (9), the following equation (10) is obtained from the equation (8).
u2 = e · H (s) / Gpv (s) (9)
= -D · H (s) (10)
Substituting equation (10) into equation (5) yields the following equation (11).
i L * = u1-d · H (s) (11)
式(11)を式(6)に代入すると、次式(12)が得られる。
Vo={(u1−d・H(s))+d}Gpv(s)
={u1+(1−H(s))d}Gpv(s) (12)
Substituting equation (11) into equation (6) yields the following equation (12).
Vo = {(u1-d.H (s)) + d} Gpv (s)
= {U1 + (1-H (s)) d} Gpv (s) (12)
ここで、式(4)で表される伝達特性H(s)において、時定数τhを十分小さい値に設定すると、H(s)は1に近づくので、式(12)より、DC−DCコンバータ2の出力電圧Voは、次式(13)で近似して表すことができる。
Vo=u1・Gpv(s) (13)
上式(13)から明らかなように、伝達特性H(s)の時定数τhを十分小さい値に設定することにより、DC−DCコンバータ2の出力電圧Voは、外乱dの影響を受けなくなる。
Here, in the transfer characteristic H (s) represented by the equation (4), if the time constant τh is set to a sufficiently small value, the H (s) approaches 1, so that the DC-DC converter is obtained from the equation (12). The output voltage Vo of 2 can be approximated by the following equation (13).
Vo = u1 · Gpv (s) (13)
As apparent from the above equation (13), by setting the time constant τh of the transfer characteristic H (s) to a sufficiently small value, the output voltage Vo of the DC-
すなわち、図2および図3に示す加算器23、制御ブロック24、減算器25、および、制御ブロック26を備えることにより、DC−DCコンバータ2の出力電圧Voは、外乱dの影響を受けなくなり、Vo=Gpv(s)・iL *とみなすことができるので、図2の制御モデルは、図4の制御モデルのように書き換えることができる。図4の制御モデルにおいて、減算器21および制御ブロック22は、図2に示す減算器21および制御ブロック22にそれぞれ対応し、制御ブロック31は、実際のDC−DCコンバータ2を表したものであって、図3に示す制御ブロック31に対応している。
That is, by providing the
図4において、DC−DCコンバータ2の出力電圧Voは、次式(14)で表される。
Vo=Kpm・Gpv(s)・(Vo*−Vo) (14)
式(14)を変形すると、次式(15)が得られる。
In FIG. 4, the output voltage Vo of the DC-
Vo = Kpm · Gpv (s) · (Vo * −Vo) (14)
When the equation (14) is transformed, the following equation (15) is obtained.
ここで、Gpv(s)=D/(C×s)を式(15)に代入すると、次式(16)が得られる。
Here, when Gpv (s) = D / (C × s) is substituted into the equation (15), the following equation (16) is obtained.
式(16)において、Kpm=C/(τv×D)とおくと、式(16)は、次式(17)で表すことができる。
上式(17)は、電圧指令値Vo*に対して、昇圧コンバータ2の出力電圧Voが1次遅れの特性を有することを示している。
In Expression (16), if Kpm = C / (τv × D), Expression (16) can be expressed by the following Expression (17).
The above equation (17) indicates that the output voltage Vo of the
図5(a)〜図5(c)は、昇圧コンバータ2への入力電圧を260V、昇圧後の出力電圧を400Vに制御している状態から、出力電圧の指令値をステップ状に410Vに上昇させた場合の各状態の変化を示す図であり、図5(a)は、リアクトル電流の変化、図5(b)は、昇圧コンバータ2の出力電圧の変化、図5(c)は、デューティー比の変化を示す図である。図5(a)〜図5(c)では、PI制御によって、出力電圧を電圧指令値に一致させる従来の制御方法による制御結果を点線で、第1の実施の形態におけるDC−DCコンバータの制御装置による制御結果を実線でそれぞれ示している。
5 (a) to 5 (c) show that the command value of the output voltage is increased to 410V stepwise from the state where the input voltage to the
図5(b)に示すように、従来の制御方法では、出力電圧の指令値をステップ状に上昇させると、出力電圧がオーバーシュートしてしまい、電圧指令値の値に収束するまでに時間がかかっていた。しかし、第1の実施の形態におけるDC−DCコンバータの制御装置による制御方法によれば、出力電圧指令値が変化すると、出力電圧はオーバーシュートせずに、1次遅れの特性で電圧指令値に収束する。また、出力電圧が電圧指令値に収束するまでの時間も、従来の制御方法に比べて短縮されている。 As shown in FIG. 5B, in the conventional control method, when the output voltage command value is increased stepwise, the output voltage overshoots, and it takes time to converge to the voltage command value. It was hanging. However, according to the control method by the control device of the DC-DC converter in the first embodiment, when the output voltage command value changes, the output voltage does not overshoot and becomes a voltage command value with a first-order lag characteristic. Converge. Further, the time until the output voltage converges to the voltage command value is also shortened compared to the conventional control method.
第1の実施の形態におけるDC−DCコンバータの制御装置によれば、DC−DCコンバータに対する出力電圧指令値と、DC−DCコンバータの出力電圧との差に基づいて、第1のリアクトル電流指令値を演算するとともに、リアクトル電流に対する出力電圧の伝達特性Gpv(s)を有する制御対象モデルにリアクトル電流指令値を入力した結果と、DC−DCコンバータの出力電圧との差を、伝達特性Gpv(s)およびローパスフィルタH(s)から構成されるH(s)/Gpv(s)なる伝達特性を有するインバースフィルタに入力して得られる出力結果を第2のリアクトル電流指令値とし、第1のリアクトル電流指令値と、第2のリアクトル電流指令値とを加算して、リアクトル電流指令値とする。これにより、DC−DCコンバータに対する出力電圧指令値の変化に対して、実際の出力電圧をオーバーシュートさせることなく、速やかに収束・一致させることができる。 According to the DC-DC converter control device in the first embodiment, the first reactor current command value is based on the difference between the output voltage command value for the DC-DC converter and the output voltage of the DC-DC converter. And the difference between the result of inputting the reactor current command value to the controlled object model having the transfer characteristic Gpv (s) of the output voltage with respect to the reactor current and the output voltage of the DC-DC converter is expressed as the transfer characteristic Gpv (s ) And a low-pass filter H (s) and an output result obtained by inputting to an inverse filter having a transfer characteristic of H (s) / Gpv (s) is used as the second reactor current command value, and the first reactor The current command value and the second reactor current command value are added to obtain a reactor current command value. As a result, it is possible to quickly converge and match the actual output voltage without overshooting the change in the output voltage command value for the DC-DC converter.
−第2の実施の形態−
図6は、第2の実施の形態におけるコンバータ制御装置10aの内部構成を示すブロック図である。図2に示すコンバータ制御装置10の構成と同じ構成部分については、同一の符号を付す。
-Second Embodiment-
FIG. 6 is a block diagram showing an internal configuration of converter control device 10a according to the second embodiment. The same components as those of the
図6に示すコンバータ制御装置10a内の電圧制御部11aの構成は、図2に示すコンバータ制御装置10内の電圧制御部11の構成を等価変換したものである。図2に示す電圧制御部11では、制御ブロック24の伝達特性Gpv(s)がD/(C×s)で表される積分器で構成されていることから、制御ブロック24に入力される誤差等が長時間蓄積すると、積分器がオーバーフローする可能性がある。しかし、図6に示す電圧制御部11aでは、制御ブロック41の伝達関数H(s)は、式(4)で表されるローパスフィルタであり、制御ブロック42の伝達関数H(s)/Gpv(s)では、積分器Gpv(s)が分数の分母に含まれている。
The configuration of
すなわち、第2の実施の形態におけるDC−DCコンバータの制御装置によれば、コンバータ制御装置10aの内部に、積分器Gpv(s)を単独ブロックとして有しないので、積分ドリフトを引き起こすことがなく、また、第1の実施の形態におけるDC−DCコンバータの制御装置と同様に、DC−DCコンバータに対する出力電圧指令値の変化に対して、実際の出力電圧をオーバーシュートさせることなく、速やかに収束・一致させることができる。 That is, according to the control device for the DC-DC converter in the second embodiment, the integrator Gpv (s) is not provided as a single block in the converter control device 10a, so that no integral drift is caused. In addition, as with the DC-DC converter control device in the first embodiment, the output voltage command value for the DC-DC converter can be quickly converged without overshooting the actual output voltage. Can be matched.
−第3の実施の形態−
図7は、第3の実施の形態におけるコンバータ制御装置に含まれる電圧制御部11bの内部構成を示すブロック図である。図2に示す電圧制御部11の構成と同じ構成部分については、同一の符号を付す。図7に示す電圧制御部11bの構成は、図6に示す電圧制御部11aの構成を等価変換したものである。図7に示す電圧制御部11bの構成が図6に示す電圧制御部11の構成と等価である理由を、図8を用いて以下で説明する。
-Third embodiment-
FIG. 7 is a block diagram illustrating an internal configuration of the voltage control unit 11b included in the converter control device according to the third embodiment. The same components as those of the voltage control unit 11 shown in FIG. The configuration of the voltage control unit 11b shown in FIG. 7 is an equivalent conversion of the configuration of the
図8は、図6に示す電圧制御部11aの構成を等価変換した電圧制御部の構成を示す図であり、制御ブロック51は、図6に示す制御ブロック42に対応しており、制御ブロック54は、図6に示す制御ブロック41に対応している。
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a voltage control unit obtained by equivalently converting the configuration of the
図8において、加算器53の出力をy、減算器52の出力をxとすると、次式(18)が成立する。
y=x+y×H(s) (18)
式(18)をyについて解くと、次式(19)が得られる。
In FIG. 8, when the output of the
y = x + y × H (s) (18)
Solving equation (18) for y yields equation (19):
すなわち、図8の回路において、加算器53および制御ブロック54を含む構成部分は、1/(1−H(s))なる積分系フィルタを有する制御ブロック61に置き換えることができる。以上より、図7に示す電圧制御部11bの構成は、図6に示すコンバータ制御装置11aの構成と等価である。
That is, in the circuit of FIG. 8, the component including the
図9は、リアクトルL1に流れる電流iLをリアクトル電流指令値iL *と一致させるための電流制御部12の一例を示すブロック構成図である。図9に示す電流制御部12において、制御ブロック91の伝達関数s/(1+τi×s)のτiの値を十分小さく設定すると、実質的な遅れ無く、リアクトル電流iLをリアクトル電流指令値iL *に追従させることができる。
FIG. 9 is a block configuration diagram showing an example of the
図10は、図7に示す電圧制御部11bと図9に示す電流制御部12とを備えたコンバータ制御装置10bの構成を示す図である。図10に示すコンバータ制御装置10bにおいて、制御ブロック100の伝達関数は、電圧制御部11bの制御ブロック61の伝達関数1/(1−H(s))と、電流制御部12の制御ブロック91の伝達関数s/(1+τis)とを組み合わせたものである。すなわち、制御ブロック61の伝達関数1/(1−H(s))は、式(4)を代入すると、(1+τhs)/τhsと表すことができ、分母に含まれるsと、制御ブロック91の伝達関数の分子に含まれるsとを極零相殺すると、制御ブロック100の伝達関数が得られる。
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a
第3の実施の形態におけるDC−DCコンバータの制御装置によれば、電圧制御部の後段に設けられる電流制御部が定常項を持たない(微分要素を持つ)場合に、電流制御部に含まれる微分要素と、積分系フィルタに含まれる積分要素とが相殺されるようなフィルタを設けるので、電圧制御部に含まれる積分要素と、電流制御部に含まれる微分要素とが直列に接続されることによって発生する演算ドリフトを回避することができる。また、第1の実施の実施の形態におけるDC−DCコンバータの制御装置と同様に、DC−DCコンバータに対する出力電圧指令値の変化に対して、実際の出力電圧をオーバーシュートさせることなく、速やかに収束・一致させることができる。 According to the control apparatus for a DC-DC converter in the third embodiment, the current control unit is included in the case where the current control unit provided in the subsequent stage of the voltage control unit does not have a steady term (has a differential element). Since a filter that cancels out the differential element and the integral element included in the integral system filter is provided, the integral element included in the voltage control unit and the differential element included in the current control unit must be connected in series. It is possible to avoid the calculation drift caused by. Further, similar to the control device for the DC-DC converter in the first embodiment, the actual output voltage can be quickly changed without overshooting the change in the output voltage command value for the DC-DC converter. Can converge and match.
−第4の実施の形態−
上述した図2、図6、および、図7に示す電圧制御部では、いずれもH(s)/Gpv(s)なる伝達特性を有する制御ブロックが含まれている。上述したように、伝達特性Gpv(s)には、コンバータ制御装置10の出力となるデューティー比Dが含まれているため、実際のマイクロコンピュータ等を用いたデジタル演算では、代数ループが生じる。この問題を解決するための構成図を図11に示す。図11は、伝達特性H(s)/Gpv(s)の制御ブロックと等価な制御ブロック110を示す図である。
-Fourth embodiment-
2, 6, and 7 described above all include a control block having a transfer characteristic of H (s) / Gpv (s). As described above, since the transfer characteristic Gpv (s) includes the duty ratio D that is the output of the
制御ブロック110は、遅延ブロック111と、除算器112と、制御ブロック113とを備える。H(s)/Gpv(s)は、式(4)、および、Gpv(s)=D/(C×s)を代入すると、次式(20)で表される。
The
遅延ブロック111は、1サンプリング前に、コンバータ制御装置10で演算されたデューティー比Dを除算器112に入力する。すなわち、制御ブロック110への入力値uは、1サンプリング前のデューティー比Dで除算された後、制御ブロック113において、Cs/(1+τh×s)なるフィルタを通されて、出力結果yが得られる。
The
制御ブロック110は、図6に示す制御ブロック42、図7に示す制御ブロック51、図10に示す制御ブロック51と置き換えることができる。すなわち、H(s)/Gpv(s)なる伝達関数を有する制御ブロックを制御ブロック110に置き換えた第4の実施の形態におけるコンバータ制御装置によれば、Gpv(s)に含まれるデューティー比Dとして、1サンプリング前のデューティー比Dを用いるので、代数ループの発生を回避することができる。
The
−第5の実施の形態−
トランジスタTr2のデューティー比Dは、時間の経過とともに、Vi/Voの値に収束する。従って、図11に示す制御ブロック110は、図12に示す制御ブロック120と置き換えることができる。図12に制御ブロック120は、乗算器121と、除算器122と、制御ブロック113とを備え、入力値をデューティー比Dで除算する代わりに、Vo/Viを乗じる処理を行う。図11に示す制御ブロック110の代わりに、制御ブロック120を組み込んだ第5の実施の形態におけるコンバータ制御装置によれば、演算の安定性を向上させることができる。
-Fifth embodiment-
The duty ratio D of the transistor Tr2 converges to the value of Vi / Vo as time passes. Therefore, the control block 110 shown in FIG. 11 can be replaced with the control block 120 shown in FIG. In FIG. 12, the
−第6の実施の形態−
第5の実施の形態におけるコンバータ制御装置では、電圧センサ5で検出される出力電圧Voを乗ずる乗算器121、および、昇圧コンバータ2の入力電圧viを除算する除算器122を設けた。第6の実施の形態におけるコンバータ制御装置では、図13に示すように、電圧センサ5の検出電圧Voを乗ずる乗算器121の代わりに、電圧指令値Vo*を乗ずる乗算器131を設けている。この構成によれば、演算パラメータとして、電圧センサ5による電圧検出値Voの代わりに、電圧指令値Vo*を用いるので、電圧検出値に含まれるノイズ等の影響を排除することができる。
-Sixth embodiment-
In the converter control device according to the fifth embodiment, a
本発明は、上述した各実施の形態に限定されることはない。例えば、DC−DCコンバータの一例として、昇圧コンバータを例に挙げて説明したが、降圧コンバータに適用することもできるし、昇圧および降圧を行うことができるコンバータに適用することもできる。 The present invention is not limited to the embodiments described above. For example, although a boost converter has been described as an example of a DC-DC converter, the present invention can be applied to a step-down converter or a converter that can perform step-up and step-down.
第1の実施の形態におけるDC−DCコンバータの制御装置では、制御ブロック22の制御定数KpmをKpC/(τv×D)に設定することによって、電圧指令値Vo*に対する昇圧コンバータ2の出力電圧Voが式(17)で表される1次遅れの特性になるように設定した。しかし、電圧指令値Vo*の変化に対して、昇圧コンバータ2の出力電圧Voがオーバーシュートすることなく、速やかに収束・一致できるシステムが構成できるのであれば、制御定数Kpmの値は、上述した値に限定されることはない。
In the control device for the DC-DC converter in the first embodiment, by setting the control constant Kpm of the
第4の実施の形態では、Gpv(s)に含まれるデューティー比Dとして、1サンプリング前のデューティー比Dを用いたが、所定サンプリング前のデューティー比を用いることもできる。ただし、演算精度を高めるためには、1サンプリング前のデューティー比Dを用いることが好ましい。 In the fourth embodiment, the duty ratio D before one sampling is used as the duty ratio D included in Gpv (s). However, the duty ratio before the predetermined sampling may be used. However, in order to increase the calculation accuracy, it is preferable to use the duty ratio D before one sampling.
特許請求の範囲の構成要素と各実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。まず、請求項1の構成要素との対応関係では、電圧センサ5が電圧検出手段を、減算器21および制御ブロック22が第1の電流指令値演算手段を、制御ブロック24が制御対象モデルを、制御ブロック26がインバースフィルタを、減算器25および制御ブロック26が第2の電流指令値演算手段を、加算器23が加算手段をそれぞれ構成する。請求項2の構成要素との対応関係では、電圧センサ5が電圧検出手段を、減算器21および制御ブロック22が第1の電流指令値演算手段を、制御ブロック41がローパスフィルタを、制御ブロック42がインバースフィルタを、制御ブロック41,42および減算器25が第2の電流指令値演算手段を、加算器23が加算手段をそれぞれ構成する。請求項3の構成要素との対応関係では、電圧センサ5が電圧検出手段を、減算器21および制御ブロック22が第1の電流指令値演算手段を、制御ブロック51がインバースフィルタを、制御ブロック51,61および減算器52が最終電流指令値演算手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。
The correspondence between the constituent elements of the claims and the constituent elements of each embodiment is as follows. First, in correspondence with the constituent elements of
1…二次電池、2…昇圧コンバータ、3…負荷、4…NOTゲート、5…電圧センサ、10…コンバータ制御装置、11,11a,11b…電圧制御部、12…電流制御部、C1…コンデンサ、L1…リアクトル、Tr1,Tr2…NPNトランジスタ、21…減算器、22,24,26…制御ブロック、23…加算器、25…減算器、30…加算器、31…DC−DCコンバータを表した制御ブロック、41,42…制御ブロック、51…制御ブロック、52…減算器、53…加算器、54…制御ブロック、61…制御ブロック、91…制御ブロック、92…減算器、93…制御ブロック、94…除算器、100…制御ブロック、110…制御ブロック、111…遅延ブロック、112…除算器112、113…制御ブロック、120…制御ブロック、121…乗算器、122…除算器、130…制御ブロック、131…乗算器
DESCRIPTION OF
Claims (9)
DC−DCコンバータの出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記DC−DCコンバータに対する出力電圧指令値と、前記電圧検出手段によって検出される出力電圧との差に基づいて、第1のリアクトル電流指令値を演算する第1の電流指令値演算手段と、
リアクトル電流に対するDC−DCコンバータの出力電圧の伝達特性Gpv(s)を有する制御対象モデルと、
前記伝達特性Gpv(s)およびローパスフィルタH(s)から構成されるH(s)/Gpv(s)なる伝達特性を有するインバースフィルタと、
リアクトル電流指令値を前記制御対象モデルに入力して得られる結果と、前記電圧検出手段により検出される出力電圧との差を前記インバースフィルタに入力して、前記インバースフィルタの出力を第2のリアクトル電流指令値とする第2の電流指令値演算手段と、
前記第1の電流指令値演算手段により演算される第1のリアクトル電流指令値と、前記第2の電流指令値演算手段により演算される第2のリアクトル電流指令値とを加算して、リアクトル電流指令値とする加算手段とを備えることを特徴とするDC−DCコンバータの制御装置。 In a control device for a DC-DC converter including at least a reactor and a switching element,
Voltage detection means for detecting the output voltage of the DC-DC converter;
First current command value calculation means for calculating a first reactor current command value based on a difference between an output voltage command value for the DC-DC converter and an output voltage detected by the voltage detection means;
A controlled object model having a transfer characteristic Gpv (s) of the output voltage of the DC-DC converter with respect to the reactor current;
An inverse filter having a transfer characteristic H (s) / Gpv (s) composed of the transfer characteristic Gpv (s) and a low-pass filter H (s);
The difference between the result obtained by inputting the reactor current command value to the controlled object model and the output voltage detected by the voltage detecting means is input to the inverse filter, and the output of the inverse filter is input to the second reactor. A second current command value calculating means as a current command value;
The first reactor current command value calculated by the first current command value calculation means and the second reactor current command value calculated by the second current command value calculation means are added to obtain a reactor current A control device for a DC-DC converter, comprising: adding means for setting a command value.
DC−DCコンバータの出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記DC−DCコンバータに対する出力電圧指令値と、前記電圧検出手段によって検出される出力電圧との差に基づいて、第1のリアクトル電流指令値を演算する第1の電流指令値演算手段と、
ローパスフィルタH(s)と、
リアクトル電流に対するDC−DCコンバータの出力電圧の伝達特性Gpv(s)および前記ローパスフィルタH(s)から構成されるH(s)/Gpv(s)なる伝達特性を有するインバースフィルタと、
リアクトル電流指令値を前記ローパスフィルタH(s)に入力して得られる結果と、前記電圧検出手段により検出される出力電圧を前記インバースフィルタに入力して得られる結果との差を第2のリアクトル電流指令値とする第2の電流指令値演算手段と、
前記第1の電流指令値演算手段により演算される第1のリアクトル電流指令値と、前記第2の電流指令値演算手段により演算される第2のリアクトル電流指令値とを加算して、リアクトル電流指令値とする加算手段とを備えることを特徴とするDC−DCコンバータの制御装置。 In a control device for a DC-DC converter including at least a reactor and a switching element,
Voltage detection means for detecting the output voltage of the DC-DC converter;
First current command value calculation means for calculating a first reactor current command value based on a difference between an output voltage command value for the DC-DC converter and an output voltage detected by the voltage detection means;
A low-pass filter H (s);
An inverse filter having a transfer characteristic H (s) / Gpv (s) composed of a transfer characteristic Gpv (s) of the output voltage of the DC-DC converter with respect to the reactor current and the low-pass filter H (s);
The difference between the result obtained by inputting the reactor current command value to the low-pass filter H (s) and the result obtained by inputting the output voltage detected by the voltage detecting means to the inverse filter is expressed as a second reactor. A second current command value calculating means as a current command value;
The first reactor current command value calculated by the first current command value calculation means and the second reactor current command value calculated by the second current command value calculation means are added to obtain a reactor current A control device for a DC-DC converter, comprising: adding means for setting a command value.
DC−DCコンバータの出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記DC−DCコンバータに対する出力電圧指令値と、前記電圧検出手段によって検出される出力電圧との差に基づいて、第1のリアクトル電流指令値を演算する第1の電流指令値演算手段と、
リアクトル電流に対するDC−DCコンバータの出力電圧の伝達特性Gpv(s)および前記ローパスフィルタH(s)から構成されるH(s)/Gpv(s)なる伝達特性を有するインバースフィルタと、
1/(1−H(s))なる伝達特性を有する積分系フィルタを有し、前記第1のリアクトル電流指令値と、前記電圧検出手段により検出される出力電圧を前記インバースフィルタに入力して得られる結果との差を前記積分系フィルタに入力し、前記積分系フィルタの出力結果を、リアクトル電流指令値とする最終電流指令値演算手段とを備えることを特徴とするDC−DCコンバータの制御装置。 In a control device for a DC-DC converter including at least a reactor and a switching element,
Voltage detection means for detecting the output voltage of the DC-DC converter;
First current command value calculation means for calculating a first reactor current command value based on a difference between an output voltage command value for the DC-DC converter and an output voltage detected by the voltage detection means;
An inverse filter having a transfer characteristic H (s) / Gpv (s) composed of a transfer characteristic Gpv (s) of the output voltage of the DC-DC converter with respect to the reactor current and the low-pass filter H (s);
An integral filter having a transfer characteristic of 1 / (1-H (s)), and the first reactor current command value and the output voltage detected by the voltage detection means are input to the inverse filter; A DC-DC converter control, comprising: a final current command value calculation means for inputting a difference from the obtained result to the integration system filter and using an output result of the integration system as a reactor current command value. apparatus.
前記最終電流指令値演算手段によって演算されるリアクトル電流指令値と、実際のリアクトル電流とを一致させる制御を行うリアクトル電流制御手段をさらに備え、
前記リアクトル電流制御手段に含まれる微分要素と、前記積分系フィルタに含まれる積分要素とを相殺したフィルタを設けることを特徴とするDC−DCコンバータの制御装置。 In the control apparatus of the DC-DC converter according to claim 3,
Reactor current control means for performing control to match the reactor current command value calculated by the final current command value calculation means and the actual reactor current,
A control apparatus for a DC-DC converter, comprising a filter that cancels out a differential element included in the reactor current control means and an integral element included in the integral system filter.
DC−DCコンバータに含まれるスイッチング素子のオン/オフを制御するデューティー比をD、DC−DCコンバータの出力電圧を平滑化するためのコンデンサの静電容量をC、微分演算子をsとすると、前記制御対象モデルの伝達特性Gpv(s)をD/(C×s)と表すことを特徴とするDC−DCコンバータの制御装置。 In the control apparatus of the DC-DC converter in any one of Claims 1-4,
When the duty ratio for controlling on / off of the switching element included in the DC-DC converter is D, the capacitance of the capacitor for smoothing the output voltage of the DC-DC converter is C, and the differential operator is s. A control apparatus for a DC-DC converter, wherein the transfer characteristic Gpv (s) of the controlled object model is expressed as D / (C × s).
前記デューティー比Dは、前記DC−DCコンバータの制御装置によって演算された所定サンプル前のデューティー比を用いることを特徴とするDC−DCコンバータの制御装置。 In the control apparatus of the DC-DC converter according to claim 5,
As the duty ratio D, a duty ratio before a predetermined sample calculated by the control apparatus for the DC-DC converter is used.
DC−DCコンバータの入力電圧をVi、出力電圧をVo、DC−DCコンバータの出力電圧を平滑化するためのコンデンサの容量をC、微分演算子をsとすると、前記制御対象モデルの伝達特性Gpv(s)を(Vi/Vo)/(C×s)と表すことを特徴とするDC−DCコンバータの制御装置。 In the control apparatus of the DC-DC converter in any one of Claims 1-4,
When the input voltage of the DC-DC converter is Vi, the output voltage is Vo, the capacitance of the capacitor for smoothing the output voltage of the DC-DC converter is C, and the differential operator is s, the transfer characteristic Gpv of the model to be controlled is given. A control device for a DC-DC converter, wherein (s) is expressed as (Vi / Vo) / (C × s).
DC−DCコンバータの入力電圧をVi、出力電圧指令値をVo*、DC−DCコンバータの出力電圧を平滑化するためのコンデンサの容量をC、微分演算子をsとすると、前記制御対象モデルの伝達特性Gpv(s)を(Vi/Vo*)/(C×s)と表すことを特徴とするDC−DCコンバータの制御装置。 In the control apparatus of the DC-DC converter in any one of Claims 1-4,
When the input voltage of the DC-DC converter is Vi, the output voltage command value is Vo * , the capacitance of the capacitor for smoothing the output voltage of the DC-DC converter is C, and the differential operator is s, A control apparatus for a DC-DC converter, wherein the transfer characteristic Gpv (s) is expressed as (Vi / Vo * ) / (C × s).
前記第1の電流指令値演算手段の制御定数を、DC−DCコンバータの出力電圧指令値に対する出力電圧の応答が1次遅れの特性になるように設定することを特徴とするDC−DCコンバータの制御装置。
In the control apparatus of the DC-DC converter in any one of Claims 1-8,
The control constant of the first current command value calculation means is set so that the response of the output voltage to the output voltage command value of the DC-DC converter has a first-order lag characteristic. Control device.
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