JP5122199B2 - Control device for buck-boost converter - Google Patents
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Description
本発明は、昇圧用スイッチング素子及び降圧用スイッチング素子を有し、負荷への電力供給の制御と、負荷より得られる回生電力の蓄電素子への供給の制御とを行う昇降圧コンバータの制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a step-up / step-down converter having a step-up switching element and a step-down switching element and performing control of power supply to a load and control of supply of regenerative power obtained from the load to a storage element. .
従来より、一般的な昇降圧コンバータでは、入力側の直流電源を任意の電圧に制御(昇圧)し、出力側に接続される電動機等に電力を供給する。このときの出力電圧の制御方式としては、電圧制御が主流である(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in a general buck-boost converter, a DC power supply on the input side is controlled (boosted) to an arbitrary voltage, and power is supplied to an electric motor or the like connected to the output side. As a method for controlling the output voltage at this time, voltage control is the mainstream (see, for example, Patent Document 1).
また、出力側に発電機のような機器が接続される場合は、出力側電圧を一定に保持するために、昇降圧コンバータは出力側から入力側へ電力を移動(降圧)させる必要がある。例えば、コンバータの出力側に接続される機器が電動モータの場合は、負荷の状態によって力行運転と回生運転とが繰り返し行われるため、電力を消費する場合と発電する場合とがある。このため、昇降圧コンバータは、出力側の電圧状態を検出し、昇圧又は降圧のいずれが必要かを判定して制御を切り替える必要がある。 When a device such as a generator is connected to the output side, the buck-boost converter needs to move (step down) the power from the output side to the input side in order to keep the output side voltage constant. For example, when the device connected to the output side of the converter is an electric motor, the power running operation and the regenerative operation are repeatedly performed depending on the state of the load. For this reason, the step-up / down converter needs to detect the voltage state on the output side, determine whether boosting or step-down is necessary, and switch control.
ところが、このような昇降圧コンバータでは、その構造上、昇圧を行うスイッチング素子と降圧を行うスイッチング素子とを同時にオンにすると大電流が流れて危険である。このため、昇圧と降圧とを切り替えるときには、昇圧を行うスイッチング素子と降圧を行うスイッチング素子とをデッドタイムを設けている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、電圧制御による昇圧動作又は降圧動作を行っているときに、力行運転時及び回生運転時におけるエネルギの移動が大きくなって電流が過大になることにより、スイッチング素子が損傷するおそれがあった。 However, when performing the voltage step-up operation or the step-down operation by voltage control, the energy transfer during power running operation and regenerative operation becomes large and the current becomes excessive, which may damage the switching element.
そこで、本発明は、スイッチング素子を損傷することなく、昇圧動作及び降圧動作を行うことのできる昇降圧コンバータの制御装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a control device for a step-up / down converter capable of performing a step-up operation and a step-down operation without damaging a switching element.
本発明の一局面の昇降圧コンバータの制御装置は、力行運転及び回生運転の双方を行う電動機との間で電力の授受を行うための第1端子と、電源が接続される第2端子と、前記電源から前記電動機への電力の供給を制御するための昇圧用スイッチング素子と、前記電動機より得られる回生電力の前記電源への供給を制御するための降圧用スイッチング素子と、前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子と、前記第2端子との間に接続されるリアクトルとを有する昇降圧コンバータの制御装置において、前記第1端子の端子電圧値が電圧目標値になるように、前記昇圧用スイッチング素子又は前記降圧用スイッチング素子を駆動制御する電圧制御手段と、前記リアクトルを通流する電流の値が所定の電流閾値になるように、前記昇圧用スイッチング素子又は前記降圧用スイッチング素子を駆動制御する電流制御手段と、前記第1端子又は前記リアクトルの負荷が所定負荷以下になるように、前記電圧制御手段又は前記電流制御手段のいずれかを選択的に切り替える制御切替手段とを備える。 A control device for a buck-boost converter according to one aspect of the present invention includes a first terminal for transferring power to and from an electric motor that performs both power running operation and regenerative operation, a second terminal to which a power source is connected, A step-up switching element for controlling the supply of electric power from the power source to the electric motor, a step-down switching element for controlling the supply of regenerative power obtained from the electric motor to the power source, and the step-up switching element And a step-up / down converter control device having a step-down switching element and a reactor connected between the second terminal and the step-up / down converter so that the terminal voltage value of the first terminal becomes a voltage target value. Voltage control means for driving and controlling the switching element or the step-down switching element, and the value of the current flowing through the reactor becomes a predetermined current threshold, Either the current control means for driving and controlling the step-up switching element or the step-down switching element, and the voltage control means or the current control means so that the load of the first terminal or the reactor is equal to or lower than a predetermined load. Control switching means for selectively switching between.
また、前記第1端子の端子電圧値が電圧目標値になるように、前記昇圧用スイッチング素子又は前記降圧用スイッチング素子を駆動制御する電圧制御手段と、前記リアクトルを通流する電流の値が所定の電流閾値になるように、前記昇圧用スイッチング素子又は前記降圧用スイッチング素子を駆動制御する電流制御手段とをさらに備え、前記制御切替手段は、前記電動機又は前記蓄電素子の負荷が所定負荷以下になるように、前記電圧制御手段又は前記電流制御手段のいずれかを選択的に切り替えて駆動制御を行わせるために、前記電圧制御手段による駆動制御が行われているときに、前記リアクトルを通流する電流の絶対値が前記電流閾値よりも大きくなると、前記電流制御手段による駆動制御に切り替えてもよい。 The voltage control means for driving and controlling the step-up switching element or the step-down switching element and the value of the current flowing through the reactor are predetermined so that the terminal voltage value of the first terminal becomes a voltage target value. Current control means for driving and controlling the step-up switching element or the step-down switching element so that the current threshold value is equal to or less than the current threshold, the control switching means, wherein the load of the electric motor or the storage element is less than or equal to a predetermined load As described above, when the drive control is performed by the voltage control unit in order to selectively switch either the voltage control unit or the current control unit, the reactor flows through the reactor. When the absolute value of the current to be generated becomes larger than the current threshold, the driving control by the current control means may be switched.
また、上述の場合に代えて、前記第1端子の端子電圧値が電圧目標値になるように、前記昇圧用スイッチング素子又は前記降圧用スイッチング素子を駆動制御する電圧制御手段と、前記リアクトルを通流する電流の値が所定の電流閾値になるように、前記昇圧用スイッチング素子又は前記降圧用スイッチング素子を駆動制御する電流制御手段とをさらに備え、前記制御切替手段は、前記電動機又は前記蓄電素子の負荷が所定負荷以下になるように、前記電圧制御手段又は前記電流制御手段のいずれかを選択的に切り替えて駆動制御を行わせるために、前記電流制御手段による駆動制御が行われているときに、前記第1端子の端子電圧値が前記目標電圧値に復帰すると、前記電圧制御手段による駆動制御に切り替えてもよい。 Further, instead of the above-described case, voltage control means for driving and controlling the step-up switching element or the step-down switching element so that the terminal voltage value of the first terminal becomes a voltage target value, and the reactor are passed. Current control means for driving and controlling the step-up switching element or the step-down switching element so that the value of the flowing current becomes a predetermined current threshold, and the control switching means includes the electric motor or the power storage element. Drive control by the current control means is performed in order to selectively switch either the voltage control means or the current control means so that the load of the current is equal to or less than a predetermined load. In addition, when the terminal voltage value of the first terminal returns to the target voltage value, the driving control by the voltage control unit may be switched.
また、これらの場合に、前記電圧制御手段は、前記第1端子の端子電圧値と前記目標電圧値との差に基づくPI制御により、第1スイッチングデューティを演算して前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動制御するように構成され、前記電流制御手段は、前記リアクトルを通流する電流の値と前記電流閾値との差に基づくPI制御により、第2スイッチングデューティを演算して前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動制御するように構成され、前記制御切替手段は、前記電圧制御手段から前記電流制御手段による駆動制御に切り替えるときに、切り替え直後に前記電流制御手段によって演算される第2スイッチングデューティの値が、切り替え直前に前記電圧制御手段によって演算された第1スイッチングデューティと等しくなるように前記第2スイッチングデューティを補正するとともに、切り替え直後に前記電圧制御手段によって演算される第1スイッチングデューティの値が、切り替え直前に前記電流制御手段によって演算された第2スイッチングデューティと等しくなるように前記第1スイッチングデューティを補正するように構成されてもよい。 In these cases, the voltage control means calculates the first switching duty by PI control based on the difference between the terminal voltage value of the first terminal and the target voltage value, and The current control means is configured to drive and control the step-down switching element, and the current control means calculates a second switching duty by PI control based on a difference between a current value flowing through the reactor and the current threshold value, and The control switching unit is configured to control driving of the step-up switching element and the step-down switching element. When the control switching unit switches from the voltage control unit to drive control by the current control unit, the current control unit immediately after switching The calculated second switching duty is calculated by the voltage control means immediately before switching. The second switching duty is corrected to be equal to the first switching duty, and the value of the first switching duty calculated by the voltage control means immediately after switching is calculated by the current control means immediately before switching. The first switching duty may be corrected to be equal to the second switching duty.
また、この場合に、前記第1スイッチングデューティ及び前記第2スイッチングデューティの各々には、前記昇圧用スイッチング素子を駆動するときと、前記降圧用スイッチング素子を駆動するときで互いに異なる符号が付されてもよい。 In this case, each of the first switching duty and the second switching duty is given a different symbol when driving the step-up switching element and when driving the step-down switching element. Also good.
また、この場合に、前記制御切替手段は、前記駆動用デューティの符号が第1の符号である場合は、前記電流制御手段に前記降圧用スイッチング素子の駆動制御を行わせ、前記駆動用デューティの符号が第2の符号である場合は、前記電圧制御手段に前記昇圧用スイッチング素子の駆動制御を行わせてもよい。 Further, in this case, the control switching means causes the current control means to perform drive control of the step-down switching element when the sign of the driving duty is the first sign, and When the code is the second code, the voltage control means may perform drive control of the boosting switching element.
また、この場合に、前記制御切替手段は、前記電圧制御手段による前記昇圧用スイッチング素子の駆動制御が行われている時に、前記駆動用デューティの符号が第1の符号である場合は、前記電圧制御手段に前記昇圧用スイッチング素子の駆動制御を継続させ、前記駆動用デューティの符号が第2の符号である場合は、前記電圧制御手段に前記昇圧用スイッチング素子の駆動制御を停止させてもよい。 Further, in this case, the control switching means is configured such that when the drive control of the step-up switching element is performed by the voltage control means, and the sign of the drive duty is the first sign, the voltage If the control means continues driving control of the boosting switching element and the sign of the driving duty is the second sign, the voltage control means may stop driving control of the boosting switching element. .
また、上述の場合に代えて、前記制御切替手段は、前記電流制御手段による前記降圧用スイッチング素子の駆動制御が行われている時に、前記駆動用デューティの符号が第1の符号である場合は、前記電流制御手段に前記降圧用スイッチング素子の駆動制御を停止させ、前記駆動用デューティの符号が第2の符号である場合は、前記電流制御手段に前記降圧用スイッチング素子の駆動制御を継続させてもよい。 Further, in place of the above case, the control switching means may be configured such that when the drive control of the step-down switching element is performed by the current control means, the sign of the driving duty is the first sign. , Causing the current control means to stop driving control of the step-down switching element, and if the sign of the driving duty is a second sign, cause the current control means to continue driving control of the step-down switching element. May be.
また、上述の場合に代えて、前記制御切替手段は、前記電圧制御手段及び前記電流制御手段による駆動制御が共に停止状態であるときに、前記駆動用デューティの符号が第1の符号である場合は、前記電圧制御手段に前記昇圧用スイッチング素子の駆動制御を行わせ、前記駆動用デューティの符号が第2の符号である場合は、前記電流制御手段に前記降圧用スイッチング素子の駆動制御を行わせてもよい。 Further, instead of the above-described case, the control switching unit may be configured such that when the drive control by the voltage control unit and the current control unit are both stopped, the drive duty code is the first code. Causes the voltage control means to perform drive control of the step-up switching element, and when the sign of the drive duty is a second sign, performs drive control of the step-down switching element to the current control means. You may let them.
また、前記切替手段は、前記停止期間に、前記駆動用デューティをオフにしてもよい。 The switching means may turn off the driving duty during the stop period.
本発明によれば、スイッチング素子を損傷することなく、昇圧動作と降圧動作を安定的に行うことのできる昇降圧コンバータの制御装置を提供できるという特有の効果が得られる。 According to the present invention, it is possible to provide a specific effect that it is possible to provide a control device for a step-up / step-down converter that can stably perform a step-up operation and a step-down operation without damaging a switching element.
以下、本発明の昇降圧コンバータの制御装置を適用した実施の形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment to which a control device for a buck-boost converter according to the present invention is applied will be described.
図1は、本実施の形態の昇降圧コンバータの制御装置によって駆動制御される昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。この昇降圧コンバータは、リアクトル1、昇圧用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)2、降圧用IGBT3、電源として用いられるコンデンサ4を接続するための電源接続端子5、モータ6との間で電力を授受するための出力端子7、及び、出力端子7の間に挿入されるコンデンサ8を備える。なお、ここでは、電源としてコンデンサ4を示すが、この電源は、コンデンサ4に限られず、充放電可能な二次電池で構成してもよく、また、電力を送受可能なその他の形態の電源であってもよい。また、出力端子7に接続されるモータ6は、力行運転及び回生運転が可能な電動機であればよい。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a circuit configuration of a buck-boost converter that is driven and controlled by the buck-boost converter control device of the present embodiment. This step-up / down converter receives power from a
本実施の形態の昇降圧コンバータは、例えば、ハイブリッド式の建設用機械の電源制御部に適用することができる。このような用途では、例えば、キャパシタ4の電圧値が約200〜350V、出力端子7における出力定格電圧が約350V、定格出力が約20kW、瞬時最大出力電力が±80kW、定格電流が±100A、瞬時最大電流が±400A程度となる。このため、リアクトル1、昇圧用IGBT2、降圧用IGBT3、電源接続端子5、出力端子7、及びコンデンサ8は、このような用途に耐えうるものであることが要求される。
The buck-boost converter according to the present embodiment can be applied to, for example, a power supply control unit of a hybrid construction machine. In such an application, for example, the voltage value of the
なお、この図1では、昇圧用IGBT2及び降圧用IGBT3をPWM(Pulse Width Modulation)駆動する制御部を省略する。このような制御部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。本実施の形態では図2を用いて演算処理装置によって実現される制御部について説明する。
In FIG. 1, a control unit that drives the step-
図2は、本実施の形態の昇降圧コンバータの制御装置の回路構成を制御ブロックで示す図である。この図に示すように、本実施の形態の昇降圧コンバータの制御部10は、電圧制御部11、電流制御部12、制御切替部13、及び昇降圧切替部14を備える。
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of the control device for the buck-boost converter according to the present embodiment in a control block. As shown in the figure, the
この制御部10には、電源接続端子5、出力端子7、昇圧用PM(Power Module)15、及び降圧用PM16が接続される。これらは、図1に示すハードウェア構成を実現可能とするように接続される。すなわち、制御部10によって昇圧用PM15及び降圧用PM16に含まれる昇圧用IGBT2及び降圧用IGBT3がPWM駆動され、その結果、電源端子5から電源電圧Vbat及び電源供給電流Ibatが出力され、出力端子7から出力電圧Voutが出力されるように接続される。
The
電圧制御部11は、目標電圧値Vout_refと、出力端子7から出力される出力電圧Voutとの差に基づいてPI(Proportional Integral)制御を行うことにより、昇圧用IBGT2及び降圧用IGBT3を駆動制御するための第1スイッチングデューティduty_vを演算する。この第1スイッチングデューティduty_vの演算過程では、制御部13において、電圧積分値Vout_Iが補正される。この補正の手法については後述する。
The voltage control unit 11 drives and controls the
電流制御部12は、電流閾値Ibat_refと、電源接続端子5から出力される電源供給電流Ibatとの差に基づいてPI制御を行うことにより、昇圧用IBGT2及び降圧用IGBT3を駆動制御するための第2スイッチングデューティduty_iを演算する。この第2スイッチングデューティduty_iの演算過程では、制御部13において、電流積分値Ibat_Iが補正される。この補正の手法については後述する。
The
ここで、本実施の形態の昇降圧コンバータでは、昇圧用IGBT2を駆動するためのスイッチングデューティと、降圧用IGBT3を駆動するためのスイッチングデューティとに互いに異なる符号を用いて区別を図っている。このため、上述した第1スイッチングデューティ及び前記第2スイッチングデューティの各々には、昇圧用IGBT2の駆動用に正の符号を付し、降圧用IGBT3の駆動用に負の符号を付す。
Here, in the step-up / step-down converter according to the present embodiment, the switching duty for driving the step-up
制御切替部13は、リアクトル1又はモータ6(出力端子7)の負荷が所定負荷以下になるように、電圧制御部11又は電流制御部12のいずれかを選択的に切り替える。具体的には、電圧制御部11による駆動制御が行われているときに、リアクトル1を通流する電流の絶対値が電流閾値よりも大きくなると、電流制御部12による駆動制御に切り替える。また、電流制御部12による駆動制御が行われているときに、出力端子7の端子電圧値が目標電圧値よりも高くなると、電圧制御部11による駆動制御に切り替える。
The
このような電圧制御と電流制御との切り替えは、制御切替部13の切替部13Aによって行われる。切替部13Aがプラス(+)に接続されていれば電圧制御が行われ、マイナス(−)に接続されていれば電流制御が行われる。
Such switching between voltage control and current control is performed by the switching
また、制御切替部13は、上述のように、電圧制御部11が演算する電圧積分値を第2スイッチングデューティを用いて補正するとともに、電流制御部12が演算する電流積分値を第1スイッチングデューティを用いて補正する。
Further, as described above, the
なお、補正手法については、以下で述べるが、電圧制御時は、制御切替部13の切替部13B及び13Cはプラス(+)側に接続され、電流制御時は、切替部13B及び13Cはマイナス(−)側に接続される。
The correction method will be described below. During voltage control, the switching
ここで、電圧積分値Vout_I及び電流積分値Ibat_Iの補正について説明する。電圧制御部11と電流制御部12とで電圧制御用の第1スイッチングデューティと電流制御用の第2スイッチングデューティとを演算すると、通常は、電圧指令と電流指令は一致しないので、電圧制御と電流制御の切替時に、昇圧用IGBT2又は降圧用IGBT3に供給されるデューティが不連続となるが、本実施の形態の昇降圧コンバータでは、電圧制御部11と電流制御部12を切り替える際に、下記条件(1)及び(2)を用いて、スイッチングデューティの初期値を補正している。
(1)Vout_Iを(duty_i - Vout_P)に設定する。
(2)Ibat_Iを(duty_v - Ibat_P)に設定する。
Here, correction of the voltage integral value Vout_I and the current integral value Ibat_I will be described. When the voltage control unit 11 and the
(1) Set Vout_I to (duty_i-Vout_P).
(2) Set Ibat_I to (duty_v-Ibat_P).
ここで、Vout_Iは電圧制御部11で演算される電圧積分値、duty_iは電流制御部12で演算される第2スイッチングデューティ、Vout_Pは電圧制御部11で演算される電圧比例値である。
Here, Vout_I is a voltage integral value calculated by the voltage control unit 11, duty_i is a second switching duty calculated by the
また、Ibat_Iは電流制御部12で演算される電流積分値、duty_vは電圧制御部11で演算される第1スイッチングデューティ、Ibat_Pは電流制御部12で演算される電流比例値である。
Ibat_I is a current integral value calculated by the
制御切替部13は、条件(1)に示すように、電圧制御部11で演算される電圧積分値Vout_Iを第2スイッチングデューティduty_i及び電圧比例値Vout_Pを用いて補正する。また、制御切替部13は、条件(2)に示すように、電流制御部12で演算される電流積分値Ibat_I を第1スイッチングデューティduty_v及び電流比例値Ibat_Pを用いて補正する。
As shown in the condition (1), the
すなわち、電流制御から電圧制御に切り替えられると、制御切替部13の切替部13A乃至13Cがすべてマイナス(−)側からプラス(+)側に切り替えられる。これにより、切替部13Bでは、マイナス(−)側からプラス(+)側に切り替えられた直後における電圧積分値Vout_Iは、(duty_i−Vout_P)に設定される。この電圧積分値Vout_I(=duty_i−Vout_P)は、電圧比例値Vout_Pと加算されるため、第1スイッチングデューティduty_vは、電流制御の最後に得られた第2スイッチングデューティduty_iと等しい値となる。
That is, when the current control is switched to the voltage control, all of the switching
これにより、電流制御から電圧制御への切り替え時に、切替部13Aがマイナス(−)からプラス(+)側に切り替えられても、切替部13Aのプラス(+)側とマイナス(−)側におけるデューティの値は、電流制御の最後に得られた第2スイッチングデューティduty_iであるため、電圧制御への切り替え時における不連続性を解消することができる。
Thus, even when the
また、同様に、電圧制御から電流制御に切り替えられると、切替部13Cでは、プラス(+)側からマイナス(−)側に切り替えられた直後における電流積分値Ibat_Iは、(duty_v - Ibat_P)に設定される。この電流積分値Ibat_I(=duty_v - Ibat_P)は、電流比例値Ibat_Pと加算されるため、第2スイッチングデューティduty_iは、電圧制御の最後に得られた第1スイッチングデューティduty_vと等しい値となる。 Similarly, when switching from voltage control to current control, the switching unit 13C sets the current integrated value Ibat_I immediately after switching from the plus (+) side to the minus (−) side to (duty_v−Ibat_P). Is done. Since this current integral value Ibat_I (= duty_v−Ibat_P) is added to the current proportional value Ibat_P, the second switching duty duty_i is equal to the first switching duty duty_v obtained at the end of the voltage control.
これにより、電圧制御から電流制御への切り替え時に、切替部13Aがプラス(+)側からマイナス(−)側に切り替えられても、切替部13Aのプラス(+)側とマイナス(−)側におけるデューティの値は、電圧制御の最後に得られた第1スイッチングデューティduty_vであるため、電流制御への切り替え時における不連続性を解消することができる。
Thus, even when the
制御切替部13は、上述のように切替部13Aを切り替えることにより、電圧制御部11から得られる第1スイッチングデューティと、電流制御部12から得られる第2スイッチングデューティとのいずれかを昇圧用PM15及び降圧用PM16を駆動するための駆動用デューティduty_refとして選択する。この選択は、電源供給電流Ibatが電源供給電流閾値Ibat_refを超えると、電流制御部12(すなわち、第2スイッチングデューティ)による駆動制御に切り替え、出力電圧Voutが出力目標電圧値Vout_refに復帰すると、電圧制御部11(すなわち、第1スイッチングデューティ)による駆動制御部に復帰させることによって実現される。
The
選択された駆動用デューティduty_refは、昇降圧切替部14に伝送される。なお、この駆動用デューティduty_refは、第1スイッチングデューティ、又は第2スイッチングデューティのいずれかであるため、昇圧駆動用の駆動用デューティには正の符号が付され、昇降圧駆動用の駆動用デューティには負の符号が付されることになる。
The selected driving duty duty_ref is transmitted to the step-up / step-down
昇降圧切替部14は、制御切替部13から伝送される駆動用デューティduty_refの符号に基づき、この駆動用デューティduty_refによって駆動されるパワーモジュールを昇圧用PM15又は降圧用PM16のいずれかに決定する。
Based on the sign of the driving duty duty_ref transmitted from the
昇圧用PM(Power Module)15は、上述の昇圧用IGBT2と、この昇圧用IGBT2を駆動するための駆動回路及び自己保護機能とを組み込んだパワーモジュールである。
A boosting PM (Power Module) 15 is a power module that incorporates the boosting
同様に、降圧用PM16は、上述の降圧用IGBT3と、この降圧用IGBT3を駆動するための駆動回路及び自己保護機能とを組み込んだパワーモジュールである。
Similarly, the step-down
なお、図2にはリアクトルを図示しないが、電源端子5から出力される電源供給電流Ibatは、リアクトルを通流する電流である。 Although the reactor is not illustrated in FIG. 2, the power supply current Ibat output from the power supply terminal 5 is a current that flows through the reactor.
なお、上述のように、降圧用PM16に含まれる降圧用IGBT3には、昇降圧切替部14から負の駆動用デューティduty_refが伝送されるため、符号を反転(−1倍)するように構成されている。
As described above, the step-down
図3は、昇降圧切替部14によって昇降圧動作が切り替えられる際の状態遷移を概念的に示す図である。表1は、図3に示す状態遷移と駆動用デューティの関係を表す。ここで、説明の便宜上、モード0(Mode=0)を運転開始前の停止中、モード1(Mode=1)を昇圧中、モード2(Mode=2)を降圧中、モード3(Mode=3)を無動作(昇降圧切替の間の停止中)とする。
FIG. 3 is a diagram conceptually showing state transition when the step-up / step-down operation is switched by the step-up / step-down
また、昇圧用PM15の駆動制御が行われている時(モード1)に、駆動用デューティが0以上である場合は、昇降圧切替部14は、昇圧用PM15の駆動制御を継続させる。一方、駆動用デューティが負の値である場合は、昇降圧切替部14は、昇圧用PM15の駆動制御を停止させる。
When the drive control of the boosting
また、降圧用PM16の駆動制御が行われている時(モード2)に、駆動用デューティが0以上である場合は、昇降圧切替部14は、降圧用PM16の駆動制御を停止させる。一方、駆動用デューティが負の値である場合は、昇降圧切替部14は、降圧用PM16の駆動制御を継続させる。
When the drive control of the step-down
さらに、電圧制御部11及び電流制御部12による駆動制御が昇降圧の切替の間で共に停止状態であるとき(モード3)に、駆動用デューティが0以上である場合は、昇降圧切替部14は、昇圧用PM15の駆動制御を行わせる。一方、駆動用デューティが負の値である場合は、昇降圧切替部14は、降圧用PM16の駆動制御を実行させる。
Further, when the drive control by the voltage control unit 11 and the
なお、昇降圧切替部14は、モード3における停止期間には、駆動用デューティをオフにする。
The step-up / step-down
図4は、図3に示す状態遷移を時系列的に示す動作説明図である。 FIG. 4 is an operation explanatory diagram showing the state transition shown in FIG. 3 in time series.
図4(a)は、昇圧動作から無動作を経て降圧動作に遷移する場合の動作例を示す。このように、昇圧動作と降圧動作との間には、駆動用デューティをオフとする無動作(上述のモード3)の時間を設ける。例えば、200μ秒毎に昇降圧の制御を行う場合は、昇圧動作から降圧動作に遷移する間の200μ秒だけ無動作による停止期間が設けられる。これにより、昇降圧切替時に、安定的な動作を実現できる。
FIG. 4A shows an operation example when the step-up operation is changed to the step-down operation through no operation. As described above, a period of no operation (
同様に、図4(b)は、降圧動作から無動作を経て昇圧動作に遷移する場合の動作例を示す。図4(c)は、昇圧動作から無動作を経て降圧動作に遷移し、再び無動作を経て昇圧動作に遷移する場合の例を示す。これらは、図4(a)に示す場合と同様で、昇圧動作から降圧動作に遷移する場合に無動作の状態を経る種々の場合を示す。 Similarly, FIG. 4B shows an operation example when the step-down operation is changed to the step-up operation through no operation. FIG. 4C shows an example of the case where the step-up operation is changed to the step-down operation through no operation, and the state is changed again to the step-up operation through no operation. These are the same as the case shown in FIG. 4A, and show various cases in which a non-operation state is passed when the step-up operation is changed to the step-down operation.
図4(d)は、昇圧動作と降圧動作の切替が頻繁に行われる場合の動作例を示す。このように、昇降圧の切替が頻繁に行われる場合は、昇圧動作と降圧動作との切替動作に加えて、昇圧動作から無動作を経て再び昇圧動作になる場合も含まれる。このように同一の動作に復帰する場合でも、無動作の時間は制御周期の1周期(200μ秒)と短いため、安定的な昇降圧制御を実現できる。 FIG. 4D shows an operation example when switching between the step-up operation and the step-down operation is frequently performed. As described above, when switching of the step-up / step-down is frequently performed, in addition to the switching operation between the step-up operation and the step-down operation, the case where the step-up operation is changed from the step-up operation to the step-up operation again is included. Thus, even when returning to the same operation, since the non-operation time is as short as one control cycle (200 μsec), stable buck-boost control can be realized.
図5は、電圧制御と電流制御の切替条件を概念的に示す図である。図6は、昇圧動作中における電圧制御と電流制御の切替動作を説明するための動作例を示す図である。図7は、降圧動作中における電圧制御と電流制御の切替動作を説明するための動作例を示す図である。このような電圧制御と電流制御の切替動作は、切替制御部13によって実行される。
FIG. 5 is a diagram conceptually showing switching conditions between voltage control and current control. FIG. 6 is a diagram illustrating an operation example for explaining the switching operation between the voltage control and the current control during the boosting operation. FIG. 7 is a diagram illustrating an operation example for explaining the switching operation between the voltage control and the current control during the step-down operation. Such switching operation between voltage control and current control is executed by the switching
図5(a)に示すように、昇圧動作中で、電圧制御部11による電圧制御が行われているときに、電源供給電流Ibatの電流値が電源供給電流閾値Ibat_refよりも大きくなると、リアクトル1に出力端子7に向かう方向の過大電流が通流することを防ぐために、切替制御部13は、電流制御部12による駆動制御に切り替える。これは、図6に示す時系列において最初の電圧制御から電流制御に遷移した場合に対応する。
As shown in FIG. 5A, when the current value of the power supply current Ibat becomes larger than the power supply current threshold Ibat_ref during voltage control by the voltage control unit 11 during the boost operation, the
例えば、モータ6の力行量が多い場合や、発電による回生エネルギ量が多い場合は、リアクトル1を始めとする回路素子に許容電流値よりも多い過電流が通流することによって、回路素子が損傷を受ける場合がある。このため、リアクトル1に通流する電源供給電流Ibatの電流値が電源供給電流閾値Ibat_refよりも大きくなった場合には、電流制御部12による駆動制御に切り替える。
For example, when the power running amount of the motor 6 is large or when the amount of regenerative energy generated by power generation is large, circuit elements such as the
また、電流制御部12による駆動制御に切り替えられると、図6に示すように、出力電圧Voutは、出力目標電圧値Vout_refから大きく低下し、モータ6の負荷の状態が変わらない限り変化しない。
Further, when switching to drive control by the
電流制御部12による駆動制御が行われているときに、モータ6の力行量、又は回生エネルギ量が小さくなることにより出力電圧Voutが出力目標電圧値Vout_refに復帰すると、切替制御部13は、電圧制御部11による駆動制御に切り替える。これは、図6に示す電流制御から、時系列において最後の電圧制御に遷移した場合に対応する。
When the drive control by the
また、図5(b)に示すように、降圧動作中で、電圧制御部11による電圧制御が行われているときに、電源供給電流Ibatが電源供給電流閾値Ibat_ref以下になると、リアクトル1に電源端子5に向かう方向の過大電流が通流することを防ぐために、切替制御部13は、電流制御部12による駆動制御に切り替える。これは、図7に示す時系列において最初の電圧制御から電流制御に遷移した場合に対応する。
Further, as shown in FIG. 5B, when the power supply current Ibat is equal to or lower than the power supply current threshold Ibat_ref during the step-down operation and the voltage control by the voltage control unit 11, the power is supplied to the
また、電流制御部12による駆動制御が行われているときに、出力電圧Voutが出力目標電圧値Vout_refに復帰すると、切替制御部13は、電圧制御部11による駆動制御に切り替える。これは、図7に示す電流制御から、時系列において最後の電圧制御に遷移した場合に対応する。
When the output control Vout returns to the output target voltage value Vout_ref while the drive control by the
以上のように、本実施の形態の昇降圧コンバータの制御装置によれば、電流制御部12で演算される第2スイッチングデューティを用いて電圧制御部11で電圧積分値を演算し、また、電圧制御部11で演算される第1スイッチングデューティを用いて電流制御部12で電流積分値を演算する。その上で、電源供給電流Ibatが電源供給電流閾値Ibat_refを超えると、電流制御部12による駆動制御に切り替え、出力電圧Voutが出力目標電圧値Vout_refに復帰すると、電圧制御部11による駆動制御部に復帰させる。
As described above, according to the buck-boost converter control device of the present embodiment, the voltage control unit 11 calculates the voltage integral value using the second switching duty calculated by the
このように、電圧制御を基本としつつ、電源供給電流Ibatが過大になると、回路を保護するために電流制御に切り替える。そして、その切り替えのときに、昇圧用IGBT2及び降圧用IGBT3の両方を停止させる停止期間(無動作)を設けるので、昇圧用IGBT2及び降圧用IGBT3を損傷させることなく、昇圧動作と降圧動作との切り替えを安定的に行うことのできる昇降圧コンバータの制御装置を提供できる。
As described above, when the power supply current Ibat becomes excessive while using voltage control as a basis, switching to current control is performed to protect the circuit. Since the stop period (no operation) for stopping both the step-up
以上では、出力端子7に直流駆動のモータ6を直接接続する形態について説明したが、これに代えて、出力端子7にインバータを介して交流駆動されるモータを接続してもよい。
In the above description, the DC drive motor 6 is directly connected to the
以上、本発明の例示的な実施の形態の昇降圧コンバータの制御装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。 The control device for the buck-boost converter according to the exemplary embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiment, and deviates from the scope of the claims. Various modifications and changes can be made without this.
1 リアクトル1、2 昇圧用IGBT、3 降圧用IGBT、4 コンデンサ、5 電源接続端子、6 モータ、7 出力端子、8 コンデンサ、10 制御部、11 電圧制御部、12 電流制御部、13 制御切替部、14 昇降圧切替部、15 昇圧用PM、16 降圧用PM。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
電源が接続される第2端子と、
前記電源から前記電動機への電力の供給を制御するための昇圧用スイッチング素子と、
前記電動機より得られる回生電力の前記電源への供給を制御するための降圧用スイッチング素子と、
前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子と、前記第2端子との間に接続されるリアクトルとを有する昇降圧コンバータの制御装置において、
前記第1端子の端子電圧値が目標電圧値になるように、前記昇圧用スイッチング素子又は前記降圧用スイッチング素子を駆動制御する電圧制御手段と、
前記リアクトルを通流する電流の値が所定の電流閾値になるように、前記昇圧用スイッチング素子又は前記降圧用スイッチング素子を駆動制御する電流制御手段と、
昇圧中及び降圧中に、前記電圧制御手段又は前記電流制御手段のいずれかを選択的に切り替える制御切替手段と
を備える昇降圧コンバータの制御装置。 A first terminal for transferring power to and from an electric motor that performs both power running and regenerative operation;
A second terminal to which a power supply is connected;
A step-up switching element for controlling the supply of electric power from the power source to the electric motor;
A step-down switching element for controlling supply of regenerative power obtained from the electric motor to the power source;
In a control device for a step-up / down converter having the step-up switching element, the step-down switching element, and a reactor connected between the second terminal,
Voltage control means for driving and controlling the step-up switching element or the step-down switching element so that the terminal voltage value of the first terminal becomes a target voltage value ;
Current control means for driving and controlling the step-up switching element or the step-down switching element so that the value of the current flowing through the reactor becomes a predetermined current threshold;
A control device for a buck-boost converter, comprising: control switching means for selectively switching either the voltage control means or the current control means during step-up and step-down .
前記電流制御手段は、前記リアクトルを通流する電流の値と前記電流閾値との差に基づくPI制御により、駆動用デューティとしての第2スイッチングデューティを演算して前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動制御するように構成され、
前記制御切替手段は、前記電圧制御手段から前記電流制御手段による駆動制御に切り替えるときに、切り替え直後に前記電流制御手段によって演算される第2スイッチングデューティの値が、切り替え直前に前記電圧制御手段によって演算された第1スイッチングデューティと等しくなるように前記第2スイッチングデューティを補正するとともに、前記電流制御手段から前記電圧制御手段による駆動制御に切り替えるときに、切り替え直後に前記電圧制御手段によって演算される第1スイッチングデューティの値が、切り替え直前に前記電流制御手段によって演算された第2スイッチングデューティと等しくなるように前記第1スイッチングデューティを補正する、請求項2又は3に記載の昇降圧コンバータの制御装置。 The voltage control means calculates a first switching duty as a driving duty by PI control based on a difference between a terminal voltage value of the first terminal and the target voltage value, and the step-up switching element and the step-down voltage Configured to drive and control the switching element,
The current control means calculates a second switching duty as a driving duty by PI control based on a difference between a current value flowing through the reactor and the current threshold value, and the step-up switching element and the step-down step Configured to drive and control the switching element,
When the control switching means switches from the voltage control means to the drive control by the current control means, the value of the second switching duty calculated by the current control means immediately after switching is changed by the voltage control means immediately before switching. The second switching duty is corrected to be equal to the calculated first switching duty, and is calculated by the voltage control means immediately after switching when switching from the current control means to drive control by the voltage control means. The control of the step-up / step-down converter according to claim 2 or 3, wherein the first switching duty is corrected so that a value of the first switching duty is equal to a second switching duty calculated by the current control means immediately before switching. apparatus.
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