JP5803613B2 - 電圧変換回路の制御装置 - Google Patents
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Description
以下、本発明にかかる電圧変換回路の制御装置を車載主機として回転機を備えるシステムの電源に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
この式を解くと、「d=1−(VL/VH)」が得られる。ここで、「m+d=1」より、第1時比率mに関する開ループ操作量mffは、「VL/VH*」となる。
この際、インダクタ20側からコンデンサ22側に電流が流れないことから、コンデンサ22の放電電流「−C・(dVH/dt)」による抵抗値Rの負荷抵抗における電圧降下量が出力電圧VHに等しくなるとして、以下の式(c3)が成立する。
したがって、漸増処理がなされる期間における状態変数x1=(i,VH)の状態方程式は、以下の式(c4)となる。
この際、インダクタ20を流れる電流iは、コンデンサ22の充電電流「C・(dVH/dt)」と抵抗値Rの負荷抵抗に流れる電流との和であることから、以下の式(c6)が成立する。
したがって、漸減処理がなされる期間における状態変数x2=(i,VH)の状態方程式は、以下の式(c7)となる。
Kp=(L/R+rC)/(τVL) …(c12)
Ki=(r/R+m・m)/(τVL) …(c13)
ちなみに、本実施形態においてフィードバック制御部46をPID制御器としたのは、上記(c10)が成立するうえでPID制御器とする必要があったからである。すなわち、たとえばPI制御器としたのでは、上記の式(c10)が成立しない。
<第2の実施形態>
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第3の実施形態>
以下、第3の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第4の実施形態>
以下、第4の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第5の実施形態>
以下、第5の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第6の実施形態>
以下、第6の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第7の実施形態>
以下、第7の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第8の実施形態>
以下、第8の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<その他の実施形態>
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
上記第1〜第3の実施形態においては、比例ゲインKp,積分ゲインKi,微分ゲインKdをモデルから求めたがこれに限らない。たとえば、試作品等を用いて試験運転をする際に適合によって算出してもよい。この場合であっても、積分ゲインKiのみを第1時比率mによって可変設定することで共振周波数に起因したオーバーシュート等の回避が可能であるという上述した知見を用いるなら、その適合を容易とすることができる。
1次遅れ系に限らない。たとえば特性根が重根を有する2次遅れ系に設計してもよい。この場合であっても、共振周波数が存在しないため、共振現象を回避することができる。
入力パラメータ(目標電圧VH*およびその変化速度dVH*/dt)の更新周期を、開ループ操作量mffの更新周期の2倍とするものに限らない。上記の式(c14)の導出過程に鑑みるなら、入力(第1時比率m)を時系列的に前後する3つ以上の入力とすることも可能であることから、変化速度dVH/dtの更新周期を、開ループ操作量mffの更新周期の3倍以上とすることも勿論可能である。同様に、入力(第1時比率m)を1つとすることも可能であることから、変化速度dVH/dtの更新周期を、開ループ操作量mffの更新周期と一致させることも勿論可能である。
上記第1〜第3の実施形態では、これらを同一としたがこれに限らない。また、互いの更新周期も相違してよい。
上記第6〜第8の実施形態(図12〜図14)にかかるコンバータにおいて、上記第5の実施形態(図11)の要領で、目標電圧VH*をノッチフィルタ43にてフィルタ処理してもよい。上記第5の実施形態(図11)において、開ループ制御部44については、フィルタ処理のなされていない目標電圧VH*を入力してもよい。
上記第3の実施形態では、出力電流Ioutと出力電圧VHとを入力として等価抵抗を把握したが、これに限らない。たとえば、出力(パワー)と出力電圧とを入力としてもよい。また、たとえばモータジェネレータ10の要求トルクと回転速度と、出力電圧とを入力としてもよい。もっとも、モータジェネレータ10の要求トルクと回転速度とに応じて目標電圧VH*が一義的に定まるなら、モータジェネレータ10の要求トルクと回転速度とのみから等価抵抗を高精度に把握することができる。
上記第3の実施形態では、出力電流Ioutを入力として、インダクタ20のインダクタンスを把握したがこれに限らない。たとえば、出力(パワー)と出力電圧とを入力としてもよい。
上記第4の実施形態にかかるフィードバック制御部46として、上記第1の実施形態にかかるフィードバック制御部46を採用してもよい。また、上記第4の実施形態において、等価抵抗の変動やインダクタンスの変動を考慮して開ループ操作量mffを設定してもよい。
上記第4の実施形態にかかるフィードバック制御部46として、上記第1の実施形態にかかるフィードバック制御部46を採用し、この際、上記第5の実施形態にかかるノッチフィルタ43を備えてもよい。
上記第1〜第3の実施形態において、開ループ制御手段(開ループ制御部44)を削除してもよい。また、上記第4の実施形態においてフィードバック制御手段(フィードバック制御部46)を削除してもよい。
上記実施形態で例示したものに限らず、たとえば図15に示す昇降圧コンバータであってもよい。なお、図15において、先の図1に示した部材に対応するものについては、便宜上同一の符号を付している。このコンバータは、正極側入力端子(バッテリ12の正極)と負極側出力端子(コンデンサ22の負極)との間に、スイッチング素子S1,S2を備えており、これらのそれぞれにはダイオードD1,D2が接続されている。また、スイッチング素子S1,S2の接続点と負極側入力端子(バッテリ12の負極)との間には、インダクタ20が設けられている。このコンバータの場合、スイッチング素子S1がオンとなることで、インダクタ20に入力電圧VLが印加され、スイッチング素子S2がオンとなることで、インダクタ20に出力電圧VHが印加されることから、先の第6の実施形態(図12)と同様のプラントモデルを採用することができる。このため、第6の実施形態の要領で、フィードバックゲインを設計することができる。
上記実施形態で例示したものに限らず、たとえば図16に示すフォワードコンバータであってもよい。この場合、スイッチング素子S1がオン操作されることで、バッテリ12、トランスTの1次側コイルW1、およびスイッチング素子S1の閉ループ経路に電流が流れる。この際、トランスTの2次側コイルW2には、1次側コイルW1の巻数N1と2次側コイルW2の巻数N2との比(巻数比n)に応じた電圧「nVL」が印加され、これにより、2次側コイルW2、ダイオードD1、インダクタ20およびコンデンサ22を備えるループ経路に電流が流れ、インダクタ20の磁気エネルギの漸増処理がなされる。これに対し、スイッチング素子S1がオフとされる場合、インダクタ20、コンデンサ22およびダイオードD2を備えるループ経路に電流が流れ、インダクタ20の磁気エネルギ(インダクタ20を流れる電流)の漸減処理がなされる。
Claims (9)
- スイッチング素子のオン・オフ操作によってインダクタに蓄えられる磁気エネルギの漸増処理および漸減処理が繰り返されることで入力電圧が出力電圧に変換される電圧変換回路について、前記スイッチング素子のオン・オフ操作の一周期に対するオン時間の時比率を操作することで前記出力電圧を目標電圧に制御する制御手段を備える電圧変換回路の制御装置において、
前記電圧変換回路は、前記インダクタに前記入力電圧が印加される第1モードと、前記インダクタに前記入力電圧および前記出力電圧の差圧が印加される第2モードとが前記スイッチング素子のオン・オフ操作によって切り替えられるものであり、
前記制御手段は、比例要素、積分要素および微分要素の出力同士の和を操作量として、前記出力電圧を前記目標電圧にフィードバック制御するフィードバック制御手段を備え、
前記入力電圧を入力とし、前記出力電圧を出力とする一巡伝達関数であって、前記フィードバック制御手段及び前記電圧変換回路を含むモデルの一巡伝達関数の特性根が共役複素数を含まないように、前記比例要素、前記積分要素および前記微分要素のうちの前記積分要素のゲインのみを前記時比率に応じて可変設定するゲイン可変手段を備えることを特徴とする電圧変換回路の制御装置。 - 前記ゲイン可変手段は、前記一巡伝達関数が一次遅れ系となるように、前記積分要素のゲインのみを前記時比率に応じて可変設定することを特徴とする請求項1記載の電圧変換回路の制御装置。
- 前記ゲイン可変手段は、前記一巡伝達関数の特性根が共役複素数を含むことを回避するように、前記インダクタに流れる電流に応じて、前記微分要素のゲインを可変設定する機能をさらに有することを特徴とする請求項1又は2記載の電圧変換回路の制御装置。
- スイッチング素子のオン・オフ操作によってインダクタに蓄えられる磁気エネルギの漸増処理および漸減処理が繰り返されることで入力電圧が出力電圧に変換される電圧変換回路について、前記スイッチング素子のオン・オフ操作の一周期に対するオン時間の時比率を操作することで前記出力電圧を目標電圧に制御する制御手段を備える電圧変換回路の制御装置において、
前記電圧変換回路は、前記インダクタに前記入力電圧が印加される第1モードと、前記インダクタに前記入力電圧および前記出力電圧の差圧が印加される第2モードとが前記スイッチング素子のオン・オフ操作によって切り替えられるもの、又は前記インダクタに前記入力電圧および前記出力電圧のいずれか一方が印加される第3モードと、前記インダクタに前記入力電圧および前記出力電圧のいずれか他方が印加される第4モードとが前記スイッチング素子のオン・オフ操作によって切り替えられるものであり、
前記制御手段は、前記時比率としての開ループ操作量により、前記出力電圧を前記目標電圧に開ループ制御する開ループ制御手段を備え、
前記開ループ操作量の更新周期の整数倍の周期で前記目標電圧および該目標電圧の変化速度のサンプリング値を取得し、該サンプリング値に基づき、該サンプリング値の1サンプリング周期内の時系列的に前後するタイミングにおける複数個の前記開ループ操作量を算出し、算出した複数個の前記開ループ操作量に基づき、前記1サンプリング周期内の前記開ループ操作量の各更新タイミングで前記時比率を更新するゲイン可変手段を備え、
前記ゲイン可変手段は、前記1サンプリング周期内の複数個の前記開ループ操作量のそれぞれと前記目標電圧および該目標電圧の変化速度とを関係付ける行列を、前記時比率に応じて可変設定し、可変設定した前記行列および前記サンプリング値に基づき、複数個の前記開ループ操作量を算出することを特徴とする電圧変換回路の制御装置。 - スイッチング素子のオン・オフ操作によってインダクタに蓄えられる磁気エネルギの漸増処理および漸減処理が繰り返されることで入力電圧が出力電圧に変換される電圧変換回路について、前記スイッチング素子のオン・オフ操作の一周期に対するオン時間の時比率を操作することで前記出力電圧を目標電圧に制御する制御手段を備える電圧変換回路の制御装置において、
前記電圧変換回路は、前記インダクタに前記入力電圧が印加される第1モードと、前記インダクタに前記入力電圧および前記出力電圧の差圧が印加される第2モードとが前記スイッチング素子のオン・オフ操作によって切り替えられるもの、又は前記インダクタに前記入力電圧および前記出力電圧のいずれか一方が印加される第3モードと、前記インダクタに前記入力電圧および前記出力電圧のいずれか他方が印加される第4モードとが前記スイッチング素子のオン・オフ操作によって切り替えられるものであり、
前記制御手段は、比例要素、積分要素および微分要素の出力同士の和を操作量として、前記出力電圧を前記目標電圧にフィードバック制御するフィードバック制御手段を備え、
前記入力電圧を入力とし、前記出力電圧を出力とする一巡伝達関数であって、前記フィードバック制御手段及び前記電圧変換回路を含むモデルの一巡伝達関数の特性根が共役複素数を含まないように、前記インダクタに流れる電流に応じて、前記微分要素のゲインを可変設定するゲイン可変手段を備えることを特徴とする電圧変換回路の制御装置。 - 前記ゲイン可変手段は、前記電圧変換回路の出力電圧と出力電流との比によって定義される等価抵抗に応じて前記ゲインを可変設定する機能をさらに有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電圧変換回路の制御装置。
- スイッチング素子のオン・オフ操作によってインダクタに蓄えられる磁気エネルギの漸増処理および漸減処理が繰り返されることで入力電圧が出力電圧に変換される電圧変換回路について、前記スイッチング素子のオン・オフ操作の一周期に対するオン時間の時比率を操作することで前記出力電圧を目標電圧に制御する制御手段を備える電圧変換回路の制御装置において、
前記制御手段のゲインを前記時比率に応じて可変設定するゲイン可変手段を備え、
前記ゲイン可変手段は、前記電圧変換回路の出力電圧と出力電流との比によって定義される等価抵抗に応じて前記ゲインを可変設定する機能をさらに有することを特徴とする電圧変換回路の制御装置。 - スイッチング素子のオン・オフ操作によってインダクタに蓄えられる磁気エネルギの漸増処理および漸減処理が繰り返されることで入力電圧が出力電圧に変換される電圧変換回路について、前記スイッチング素子のオン・オフ操作の一周期に対するオン時間の時比率を操作することで前記出力電圧を目標電圧に制御する制御手段を備える電圧変換回路の制御装置において、
前記電圧変換回路は、前記インダクタに前記入力電圧が印加される第1モードと、前記インダクタに前記入力電圧および前記出力電圧の差圧が印加される第2モードとが前記スイッチング素子のオン・オフ操作によって切り替えられるもの、又は前記インダクタに前記入力電圧および前記出力電圧のいずれか一方が印加される第3モードと、前記インダクタに前記入力電圧および前記出力電圧のいずれか他方が印加される第4モードとが前記スイッチング素子のオン・オフ操作によって切り替えられるものであり、
前記入力電圧を入力とし、前記出力電圧を出力とする一巡伝達関数であって、前記制御手段及び前記電圧変換回路を含むモデルの一巡伝達関数の特性根は、共役複素数を含むものであり、
前記目標電圧を入力してこれをフィルタ処理した後、前記制御手段に入力するノッチフィルタを備えて且つ、前記共役複素数によって定まる前記一巡伝達関数の共振周波数帯域を前記ノッチフィルタの阻止帯域とするように、前記時比率に応じて前記阻止帯域を可変とする目標変化可変手段を備えることを特徴とする電圧変換回路の制御装置。 - 前記電圧変換回路は、非絶縁型コンバータであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電圧変換回路の制御装置。
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