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JP6653645B2 - 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 DC / DC converter control device.

直流の入力電圧を所定の直流電圧に昇圧して出力するDC/DCコンバータにおいてリアクトル電流を推定することが考えられる。このとき、電流センサを用いずにリアクトル電流を推定できれば、電流センサを削減できる。また、モデル予測制御を用いてDC/DCコンバータを制御することも考えられる。   It is conceivable to estimate a reactor current in a DC / DC converter that boosts a DC input voltage to a predetermined DC voltage and outputs the boosted DC voltage. At this time, if the reactor current can be estimated without using a current sensor, the number of current sensors can be reduced. It is also conceivable to control the DC / DC converter using model predictive control.

非特許文献1には、オブザーバを用いたモデル予測制御と、PID制御とを用いて、リアクトルとスイッチング素子とを含むDC/DCコンバータを制御する技術が記載されている。この技術では、オブザーバによってリアクトルを流れる電流であるリアクトル電流が推定される。   Non-Patent Document 1 describes a technique for controlling a DC / DC converter including a reactor and a switching element using model predictive control using an observer and PID control. In this technique, a reactor current, which is a current flowing through the reactor, is estimated by an observer.

中川崇史,劉康志,片根保,「昇圧型DC−DCコンバータのモデル予測制御とその実装」,平成25年電気学会全国大会4−003、IEE Japan、2013、P.4−5Takashi Nakagawa, Yasushi Liu, Tamotsu Katane, "Model Predictive Control of Boost DC-DC Converter and Its Implementation," IEEJ National Convention 4-003, IEEE Japan, 2013, P.S. 4-5

ところで、DC/DCコンバータとして、直流の入力電圧を所定の直流電圧に昇圧して出力することと、降圧して出力することとの両方が可能なように、正極母線側の第1スイッチング素子と、負極母線側の第2スイッチング素子とを含む場合がある。この場合には、リアクトルの一端は、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子の接続点に接続される。非特許文献1に記載された技術を、2つのスイッチング素子及びリアクトルを含むDC/DCコンバータの制御に適用すると、2つのスイッチング素子が同時にオフになる時間であるデッドタイムにより電圧誤差が発生する可能性がある。この電圧誤差により、過渡応答の性能が低下する可能性がある。また、上記のデッドタイムにより、リアクトル電流及びDC/DCコンバータの出力電圧を精度よく計算できない可能性がある。   By the way, as a DC / DC converter, a first switching element on the positive bus side is provided so as to be able to both increase and output a DC input voltage to a predetermined DC voltage and output the same. , And a second switching element on the negative electrode bus side in some cases. In this case, one end of the reactor is connected to a connection point between the first switching element and the second switching element. When the technique described in Non-Patent Document 1 is applied to control of a DC / DC converter including two switching elements and a reactor, a voltage error may occur due to a dead time during which the two switching elements are simultaneously turned off. There is. This voltage error may degrade transient response performance. Further, due to the dead time described above, there is a possibility that the reactor current and the output voltage of the DC / DC converter cannot be accurately calculated.

本発明のDC/DCコンバータの制御装置の目的は、2つのスイッチング素子及びリアクトルを含むDC/DCコンバータにおいて、リアクトル電流を効率よく、かつ精度よく推定し、かつ、過渡応答の立ち上がり時間の短縮と行き過ぎ量の低減との両立を図る制御を実現することである。   An object of the DC / DC converter control device of the present invention is to efficiently and accurately estimate a reactor current in a DC / DC converter including two switching elements and a reactor, and to reduce a rise time of a transient response. This is to realize control for achieving both reduction of the overshoot amount.

本発明の1つの態様は、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子の接続点と直流電源とに両端が接続されるリアクトルとを含むDC/DCコンバータの制御装置であって、前記DC/DCコンバータの出力電圧の指令値及び測定値の偏差を比例積分演算するPI制御器と、前記DC/DCコンバータの出力電圧を制御するための次回デューティ比を出力するモデル予測制御器と、前記第1スイッチング素子のデューティ比と三角波比較PWMとに基づいて、前記第1スイッチング素子のオン時間、前記第2スイッチング素子のオン時間及びデッドタイム時間を算出するスイッチング時間計算器と、直流電源電圧及び出力電圧の測定値と前記DC/DCコンバータの出力電流と前記スイッチング時間計算器で求めた前記第1スイッチング素子のオン時間、前記第2スイッチング素子のオン時間、及びデッドタイム時間と、状態方程式とを用いて、リアクトル電流及び前記出力電圧を推定するオブザーバと、を備え、前記モデル予測制御器は、状態方程式に用いる前記リアクトルのインダクタンスとして、リアクトル電流推定値に対する依存性を持つインダクタンスを用いて、かつ、前記第1スイッチング素子がオンの場合と前記第2スイッチング素子がオンの場合とで別の状態方程式を用いて、かつ、前記デューティ比を変化させた場合における、前記リアクトル電流または前記出力電圧の予測値と前記PI制御器の出力に関係する値との偏差の2乗を評価関数として算出し、前記評価関数が最小となる場合における前記デューティ比を前記次回デューティ比として決定する、DC/DCコンバータの制御装置である。   One aspect of the present invention is a DC / DC including a first switching element and a second switching element, and a reactor having both ends connected to a connection point between the first switching element and the second switching element and a DC power supply. A controller for a converter, comprising: a PI controller for performing a proportional-integral calculation of a deviation between a command value and a measurement value of an output voltage of the DC / DC converter; and a next duty ratio for controlling an output voltage of the DC / DC converter. And an on-time of the first switching element, an on-time of the second switching element, and a dead time, based on the duty ratio of the first switching element and the triangular wave comparison PWM. A switching time calculator, a measured value of a DC power supply voltage and an output voltage, and an output voltage of the DC / DC converter. And an observer for estimating a reactor current and the output voltage using the ON time of the first switching element, the ON time of the second switching element, the dead time time obtained by the switching time calculator, and a state equation. Wherein the model predictive controller uses, as an inductance of the reactor used in a state equation, an inductance having a dependency on a reactor current estimated value, and when the first switching element is on, and (2) A value related to the predicted value of the reactor current or the output voltage and the output of the PI controller when another state equation is used when the switching element is on and the duty ratio is changed. Is calculated as an evaluation function, and when the evaluation function is minimized, The duty ratio is determined as the next duty ratio that is a DC / DC converter of the controller.

本発明によれば、2つのスイッチング素子及びリアクトルを含むDC/DCコンバータにおいて、リアクトル電流を効率よく、かつ精度よく推定でき、かつ、過渡応答の立ち上がり時間の短縮と行き過ぎ量の低減との両立を図る制御を実現できる。   According to the present invention, in a DC / DC converter including two switching elements and a reactor, it is possible to efficiently and accurately estimate a reactor current, and to achieve both a reduction in a rise time of a transient response and a reduction in an overshoot amount. The desired control can be realized.

本発明の実施の形態におけるDC/DCコンバータの制御装置を含むモータ駆動装置の基本構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a basic configuration of a motor drive device including a DC / DC converter control device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態におけるDC/DCコンバータの制御装置の制御機能構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a control function configuration of a control device of the DC / DC converter according to the embodiment of the present invention. 図2に示しているオブザーバの全体構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an entire configuration of an observer illustrated in FIG. 2. 本発明の実施の形態における三角波比較パルス幅変調の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of triangular wave comparison pulse width modulation according to the embodiment of the present invention. 図3に示す第1〜第4オブザーバの構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of first to fourth observers illustrated in FIG. 3. 図3に示す第5オブザーバの構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a fifth observer illustrated in FIG. 3. 図3に示す第2及び第4オブザーバの構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of second and fourth observers illustrated in FIG. 3. 本発明の実施の形態におけるリアクトルのインダクタンスにおける電流依存性の例を示す図である。It is a figure showing an example of current dependence in inductance of a reactor in an embodiment of the invention. 図2に示しているモデル予測制御器の概略構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic configuration of a model prediction controller illustrated in FIG. 2. 図9に示しているモデル予測制御器の詳細構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a detailed configuration of a model prediction controller illustrated in FIG. 9. 本発明の実施の形態におけるDC/DCコンバータの制御装置の制御機能構成の別例を示す図である。It is a figure which shows another example of the control function structure of the control apparatus of the DC / DC converter in embodiment of this invention. 図11の構成におけるモデル予測制御器の概略構成を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a schematic configuration of a model prediction controller in the configuration of FIG. 11. 図12に示しているモデル予測制御器の詳細構成を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a detailed configuration of a model prediction controller illustrated in FIG. 12.

<第1の実施の形態>
図1は、実施の形態におけるDC/DCコンバータの制御装置30を含むモータ駆動装置100の基本構成を示している。モータ駆動装置100は、直流電源10、DC/DCコンバータ11、低圧側コンデンサ17、高圧側コンデンサ18及び負荷104を含んで構成される。DC/DCコンバータ11は、リアクトル12、第1スイッチング素子14、第2スイッチング素子16を有する。第1スイッチング素子14は、上側スイッチング素子に相当し、第2スイッチング素子16は、下側スイッチング素子に相当する。負荷104は、インバータ105と、インバータ105に接続され、インバータ105によって駆動されるモータ106とを有する。モータ106はU相、V相、W相の3相交流電流により駆動される3相モータである。
<First embodiment>
FIG. 1 shows a basic configuration of a motor drive device 100 including a DC / DC converter control device 30 according to the embodiment. The motor drive device 100 includes a DC power supply 10, a DC / DC converter 11, a low-voltage capacitor 17, a high-voltage capacitor 18, and a load 104. The DC / DC converter 11 has a reactor 12, a first switching element 14, and a second switching element 16. The first switching element 14 corresponds to an upper switching element, and the second switching element 16 corresponds to a lower switching element. The load 104 has an inverter 105 and a motor 106 connected to the inverter 105 and driven by the inverter 105. The motor 106 is a three-phase motor driven by U-phase, V-phase, and W-phase three-phase AC currents.

直流電源10の正極にはリアクトル12の一端が接続され、リアクトル12の他端には第1スイッチング素子14の一端及び第2スイッチング素子16の一端の接続点Cが接続される。第1スイッチング素子14の他端は正極母線19を介して、負荷104を構成するインバータ105の正極側に接続される。第2スイッチング素子16の他端は負極母線20を介して、直流電源10の負極とインバータ105の負極側とに接続される。低圧側コンデンサ17は、DC/DCコンバータ11の入力側で、リアクトル12の一端及び直流電源10の正極の間と負極母線20との間に接続され、電圧を平滑化させるために用いられる。高圧側コンデンサ18は、DC/DCコンバータ11の出力側で、正極母線19及び負極母線20の間に接続され、電圧を平滑化させるために用いられる。   One end of a reactor 12 is connected to a positive electrode of the DC power supply 10, and a connection point C of one end of a first switching element 14 and one end of a second switching element 16 is connected to the other end of the reactor 12. The other end of the first switching element 14 is connected via a positive electrode bus 19 to the positive electrode side of an inverter 105 constituting the load 104. The other end of second switching element 16 is connected via a negative electrode bus 20 to the negative electrode of DC power supply 10 and the negative electrode side of inverter 105. The low-voltage side capacitor 17 is connected between one end of the reactor 12 and the positive electrode of the DC power supply 10 and the negative electrode bus 20 on the input side of the DC / DC converter 11, and is used for smoothing the voltage. The high-voltage capacitor 18 is connected between the positive bus 19 and the negative bus 20 on the output side of the DC / DC converter 11, and is used for smoothing the voltage.

なお、実施の形態では、第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16はNPNトランジスタとする。第1スイッチング素子14は、正極母線19側がコレクタ、リアクトル12側がエミッタとされる。第2スイッチング素子16は、リアクトル12側がコレクタ、負極母線20側がエミッタとされる。また、第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のそれぞれに並列に環流ダイオードが接続される。   In the embodiment, the first switching element 14 and the second switching element 16 are NPN transistors. The first switching element 14 has a collector on the positive bus 19 side and an emitter on the reactor 12 side. The second switching element 16 has a collector on the reactor 12 side and an emitter on the negative electrode bus 20 side. A freewheeling diode is connected to each of the first switching element 14 and the second switching element 16 in parallel.

DC/DCコンバータ11において、第1スイッチング素子14をオフ状態及び第2スイッチング素子16をオン状態とすることで、リアクトル12を介して直流電源10の正極から負極に向けたリアクトル電流iLが流れる。これによって、リアクトル12にエネルギーが蓄積される。次に、第2スイッチング素子16をオフ状態とすることで、リアクトル電流iLが遮断され、リアクトル12の端部に直流電源10の電圧(電源電圧vb)よりも高い電圧が生じる。そして、これに応じた電流が正極母線19に向けて流れて高圧側コンデンサ18が充電されてコンデンサ電圧vcが上昇する。このコンデンサ電圧vcが負荷104に印加される。また、第1スイッチング素子14がオン状態とされることで、高圧側コンデンサ18から直流電源10の正極へ向けたリアクトル電流iLが流れる。これによって、コンデンサ電圧vcが低下する。DC/DCコンバータ11の出力電圧、すなわちコンデンサ電圧vcは、キャリア信号の1周期に対する第1スイッチング素子14のオン割合を示すデューティ比によって決定される。 In the DC / DC converter 11, the first switching element 14 is turned off and the second switching element 16 is turned on, so that a reactor current i L flows from the positive electrode to the negative electrode of the DC power supply 10 via the reactor 12. . As a result, energy is stored in the reactor 12. Next, by turning off second switching element 16, reactor current i L is cut off, and a voltage higher than the voltage of DC power supply 10 (power supply voltage v b ) is generated at the end of reactor 12. Then, a current corresponding thereto is charged high pressure side capacitor 18 flows toward the positive bus line 19 the capacitor voltage v c and rises. The capacitor voltage v c is applied to the load 104. When the first switching element 14 is turned on, a reactor current i L flows from the high-voltage side capacitor 18 to the positive electrode of the DC power supply 10. Thus, the capacitor voltage v c is reduced. The output voltage of the DC / DC converter 11, namely capacitor voltage v c is determined by the duty ratio indicating the ON percentage of the first switching element 14 for one period of the carrier signal.

DC/DCコンバータ11は、制御装置30によって各スイッチング素子14,16のオンオフ状態が制御される。図2は、実施形態におけるDC/DCコンバータ11の制御装置30の制御機能構成を示す図である。   In the DC / DC converter 11, the ON / OFF state of each of the switching elements 14 and 16 is controlled by the control device 30. FIG. 2 is a diagram illustrating a control function configuration of the control device 30 of the DC / DC converter 11 in the embodiment.

制御装置30は、減算器31と、PI制御器32と、オブザーバ34と、モデル予測制御器(MPC)50と、リミッタ60とを有する。図1に示すように、制御装置30には、コンデンサ電圧vcの測定値が電圧センサ21から入力され、電源電圧vbの測定値が電圧センサ22から入力される。また、制御装置30には、インバータ105の出力電流でありモータ106のU相、V相、W相のステータコイルに流れるコイル電流iu、iv、iwのうち、U相コイル電流iuとW相コイル電流iwとの測定値が電流センサ24により入力される。3相のコイル電流の総和は0であるので、制御装置30は、U相コイル電流iuとW相コイル電流iwとの測定値から残りのV相コイル電流ivを算出により取得する。モータ106には、レゾルバ等の角度センサ26が取り付けられる。角度センサ26は、モータ106を構成するロータの回転角度θを測定し、その測定値を制御装置30に出力する。制御装置30は、回転角度θの測定値からモータ106を構成するロータの回転速度を算出する。 The control device 30 includes a subtractor 31, a PI controller 32, an observer 34, a model prediction controller (MPC) 50, and a limiter 60. As shown in FIG. 1, the control unit 30, the measured value of the capacitor voltage v c is inputted from the voltage sensor 21, the measured value of the supply voltage v b is input from the voltage sensor 22. Further, the control device 30 outputs the U-phase coil current i u among the coil currents i u , i v , and i w that are the output current of the inverter 105 and flow through the U-phase, V-phase, and W-phase stator coils of the motor 106. And the measured value of the W-phase coil current i w are input by the current sensor 24. Since the sum of the three-phase coil currents is 0, control device 30 obtains the remaining V-phase coil current iv by calculation from the measured values of U-phase coil current i u and W-phase coil current i w . An angle sensor 26 such as a resolver is attached to the motor 106. The angle sensor 26 measures the rotation angle θ of the rotor constituting the motor 106 and outputs the measured value to the control device 30. The control device 30 calculates the rotation speed of the rotor constituting the motor 106 from the measured value of the rotation angle θ.

図2に示すように、減算器31は、コンデンサ電圧の指令値vc *と測定値vcとの偏差(vc *−vc)を算出する。その偏差は、PI制御器32に入力される。ここで、コンデンサ電圧の指令値vc *は、モータ106の要求出力Pに基づいて設定される、すなわちモータを要求出力Pで駆動するために必要なコンデンサ電圧値として設定される。例えば、車両にモータ駆動装置100(図1)が搭載される場合において、要求出力Pはアクセルペダルの操作量の測定値、ロータの回転速度の算出値等から算出される。 As shown in FIG. 2, the subtracter 31 calculates a deviation between the command value v c * and the measured value v c of the capacitor voltage (v c * -v c). The deviation is input to the PI controller 32. Here, the command value v c * is the capacitor voltage is set based on the required output P of the motor 106, that is, set as the capacitor voltage value necessary to drive the motor at the required output P. For example, when the motor drive device 100 (FIG. 1) is mounted on the vehicle, the required output P is calculated from a measured value of the operation amount of the accelerator pedal, a calculated value of the rotation speed of the rotor, and the like.

PI制御器32は、入力された偏差を、比例積分演算であるPI演算してリアクトル電流の指令値iL *を算出する。この指令値iL *は後述のモデル予測制御器50に入力される。 The PI controller 32 calculates the reactor current command value i L * by performing a PI operation, which is a proportional integral operation, on the input deviation. This command value i L * is input to a model prediction controller 50 described later.

オブザーバ34には、コンデンサ電圧測定値vc、電源電圧測定値vb、及び負荷電流としてのDC/DCコンバータの出力電流の算出値imが入力される。出力電流算出値imは、例えばモータ106で消費されるモータ電力とコンデンサ電圧測定値vcとから算出される。モータ電力は、例えば3相のコイル電流iu、iv、iwの測定値と、異なる2相の線間の電圧を測定する電圧センサ(図示せず)の測定値とから算出される。モータ電力は、要求出力Pから算出されてもよい。 The observer 34, the capacitor voltage measurement v c, the power supply voltage measured value v b, and the calculated value i m of the DC / DC converter output current as the load current is input. Output current calculation value i m, for example is calculated from the motor power and the capacitor voltage measurements v c consumed by the motor 106. The motor power is calculated, for example, from the measured values of the three-phase coil currents i u , i v , i w and the measured values of a voltage sensor (not shown) that measures the voltage between the different two-phase lines. The motor power may be calculated from the required output P.

オブザーバ34は、後で詳しく説明するように、コンデンサ電圧測定値vc、電源電圧測定値vb、出力電流算出値im、及び現在デューティ比d(k)からリアクトル電流iL及びコンデンサ電圧vcを推定する。なお、以下において、図中の推定値には上付の波線(チルダ)を付して示している。また、以下において、現在の制御周期で用いる値には(k)を付し、次回の制御周期で用いる値には(k+1)を付して説明する場合がある。制御装置30は、DC/DCコンバータ11のスイッチングの制御を制御周期ごとに行う。 Observer 34, as will be described in detail later, the capacitor voltage measurement v c, the power supply voltage measured value v b, the output current calculation value i m, and the reactor current from the current duty ratio d (k) i L and capacitor voltage v Estimate c . In the following, the estimated values in the figure are indicated by superscript wavy lines (tilde). Also, in the following description, a value used in the current control cycle is denoted by (k), and a value used in the next control cycle is denoted by (k + 1). The control device 30 controls the switching of the DC / DC converter 11 for each control cycle.

モデル予測制御器50は、リアクトル電流指令値iL *、電源電圧測定値vb、出力電流算出値im、リアクトル電流推定値iL(チルダ)、コンデンサ電圧推定値vc(チルダ)及び現在デューティ比d(k)から、制限前の次回デューティ比d(k+1)を算出する。現在デューティ比d(k)は、前回の制御周期でd(k+1)として算出され、現在の制御周期において各スイッチング素子14,16のスイッチングに用いられているデューティ比である。デューティ比は、後述の図10のモデル予測制御器50で算出されたデューティ比を利用しやすいように、10ビットで表現した値を用いるか、または10ビットで表現された値から所定の換算式で変換された値を用いる。 Model predictive controller 50, the reactor current command value i L *, a power supply voltage measurement v b, the output current calculation value i m, reactor current estimated value i L (tilde), the capacitor voltage estimated value v c (tilde) and the current From the duty ratio d (k), the next duty ratio d (k + 1) before the restriction is calculated. The current duty ratio d (k) is calculated as d (k + 1) in the previous control cycle, and is a duty ratio used for switching the switching elements 14 and 16 in the current control cycle. The duty ratio is determined by using a value represented by 10 bits or a predetermined conversion formula from a value represented by 10 bits so that the duty ratio calculated by the model prediction controller 50 in FIG. Use the value converted in.

次回デューティ比d(k+1)は、次回の制御周期で各スイッチング素子14,16のスイッチングに用いられ、DC/DCコンバータ11の出力電圧を制御するためのデューティ比である。制限前のデューティ比は、リミッタ60に入力される。リミッタ60は、入力されたデューティ比を、予め設定された上限及び下限の間に入るように制限する。例えばデューティ比は、ある範囲では低くなるほど、すなわち昇圧率を上昇させる方向に変化させるほど、直流電源10から取り出す出力を高くできるが、デューティ比がその範囲の下限より小さくなると、直流電源10から取り出す出力が低下してしまう。このため、モデル予測制御器50で算出され出力されたデューティ比は、特に下限に制限を設けるように、予め設定された上限及び下限の範囲に入るように制限される。制御装置30は、リミッタ60から出力された次回デューティ比d(k+1)を用いてDC/DCコンバータ11を制御する。以下、オブザーバ34とモデル予測制御器50との構成を詳しく説明する。   The next duty ratio d (k + 1) is used for switching the switching elements 14 and 16 in the next control cycle, and is a duty ratio for controlling the output voltage of the DC / DC converter 11. The duty ratio before the restriction is input to the limiter 60. The limiter 60 limits the input duty ratio to fall between a preset upper limit and lower limit. For example, the output taken from the DC power supply 10 can be increased as the duty ratio decreases in a certain range, that is, as the step-up rate is changed in a direction of increasing the boosting rate. The output drops. For this reason, the duty ratio calculated and output by the model prediction controller 50 is limited so as to be in a range of a preset upper limit and a lower limit so as to particularly limit the lower limit. Control device 30 controls DC / DC converter 11 using the next duty ratio d (k + 1) output from limiter 60. Hereinafter, the configurations of the observer 34 and the model prediction controller 50 will be described in detail.

図3は、図2に示しているオブザーバ34の全体構成を示す図である。オブザーバ34は、リアクトル電流iLを推定する。オブザーバ34は、スイッチング時間計算器35、第1オブザーバ36、第2オブザーバ37、第3オブザーバ38、第4オブザーバ39及び第5オブザーバ40を含んで構成される。 FIG. 3 is a diagram showing the overall configuration of the observer 34 shown in FIG. Observer 34 estimates reactor current i L. The observer 34 includes a switching time calculator 35, a first observer 36, a second observer 37, a third observer 38, a fourth observer 39, and a fifth observer 40.

スイッチング時間計算器35は、外部からDC/DCコンバータ11のデューティ比の設定値の入力を受けると、第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のスイッチングの時間である設定時間ΔT1、ΔT3、ΔT5及びデッドタイム時間ΔT2、ΔT4を算出する。第1〜第5オブザーバ36〜40は、時間ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5と、コンデンサ電圧測定値vc、電源電圧測定値vb、及び出力電流算出値imとに基づいてリアクトル電流推定値iL(チルダ)及びコンデンサ電圧推定値vc(チルダ)を算出する。図4を参照して、スイッチング時間計算器35におけるスイッチングの時間の算出について説明する。 When the switching time calculator 35 receives an input of the set value of the duty ratio of the DC / DC converter 11 from the outside, the set times ΔT 1 and ΔT 3 which are the switching times of the first switching element 14 and the second switching element 16. , ΔT 5 and dead time periods ΔT 2 , ΔT 4 . First to fifth observer 36-40, time ΔT 1, ΔT 2, ΔT 3 , ΔT 4, and [Delta] T 5, the capacitor voltage measurement v c, and the power supply voltage measured value v b, and the output current calculation value i m The estimated reactor current value i L (tilde) and the estimated capacitor voltage value v c (tilde) are calculated based on With reference to FIG. 4, the calculation of the switching time in the switching time calculator 35 will be described.

スイッチング時間計算器35は、第1スイッチング素子14のデューティ比と三角波比較PWMとに基づいて、第1スイッチング素子14のオン時間、第2スイッチング素子16のオン時間及びデッドタイム時間を算出する。具体的には、スイッチング時間計算器35は、所定の周期を有する三角波(図4中、太実線で示す)及びデッドタイム時間だけ遅らせた三角波(デッドタイム分遅れ三角波)及びデューティ比d(図4)からパルス幅変調信号(PWM信号)を求める。デッドタイム分遅れ三角波は、図4中、点線で示している。パルス幅変調信号は、第1スイッチング素子(上素子)14及び第2スイッチング素子(下素子)16のオンオフ状態を制御するためのものである。ここで、三角波の下点から第1スイッチング素子14がオン状態からオフ状態へ切り替えられるまで、すなわち三角波がデューティ比d以下となる時間を設定時間ΔT1とする。また、設定時間ΔT1経過後、第1スイッチング素子14がオフ状態にされてから第2スイッチング素子16がオン状態にされるまでをデッドタイム時間ΔT2とする。デッドタイム時間ΔT2は、デューティ比dにおける三角波とデッドタイム分遅れ三角波との時間ずれに相当する。また、デッドタイム時間ΔT2経過後、第2スイッチング素子16がオン状態の間、すなわち三角波がデューティ比を上回る時間を設定時間ΔT3とする。また、設定時間ΔT3経過後、第2スイッチング素子16がオフ状態にされてから第1スイッチング素子14がオン状態にされるまでをデッドタイム時間ΔT4とする。デッドタイム時間ΔT4は、デューティ比dにおける三角波とデッドタイム分遅れ三角波との時間ずれに相当する。また、デッドタイム時間ΔT4経過後、第1スイッチング素子14がオン状態にされてから第2スイッチング素子16がオフ状態にされるまで、すなわち三角波の下点に達するまでの時間を設定時間ΔT5とする。スイッチング時間計算器35は、入力されたデューティ比に応じた第1、第2スイッチング素子14、16のオン時間となるようにPWM信号を求め、それに対応した設定時間ΔT1、ΔT3、ΔT5及びデッドタイム時間ΔT2、ΔT4を設定する。 The switching time calculator 35 calculates the ON time of the first switching element 14, the ON time of the second switching element 16, and the dead time based on the duty ratio of the first switching element 14 and the triangular wave comparison PWM. Specifically, the switching time calculator 35 outputs a triangular wave having a predetermined period (shown by a thick solid line in FIG. 4), a triangular wave delayed by the dead time (a triangular wave delayed by a dead time), and a duty ratio d (FIG. 4). ) To determine a pulse width modulation signal (PWM signal). The triangular wave delayed by the dead time is indicated by a dotted line in FIG. The pulse width modulation signal is for controlling the ON / OFF state of the first switching element (upper element) 14 and the second switching element (lower element) 16. Here, the time from the lower point of the triangular wave until the first switching element 14 is switched from the on-state to the off-state, that is, the time during which the triangular wave has a duty ratio d or less is defined as a set time ΔT 1 . Further, after the set time ΔT 1 has elapsed, a period from when the first switching element 14 is turned off to when the second switching element 16 is turned on is referred to as a dead time time ΔT 2 . The dead time ΔT 2 corresponds to a time lag between the triangular wave at the duty ratio d and the triangular wave delayed by the dead time. After the dead time time ΔT 2 has elapsed, the time during which the second switching element 16 is in the ON state, that is, the time when the triangular wave exceeds the duty ratio is defined as the set time ΔT 3 . Further, after the set time ΔT 3 has elapsed, a period from when the second switching element 16 is turned off to when the first switching element 14 is turned on is referred to as a dead time time ΔT 4 . The dead time ΔT 4 corresponds to a time difference between the triangular wave at the duty ratio d and the triangular wave delayed by the dead time. Further, after the dead time time ΔT 4 has elapsed, the time from when the first switching element 14 is turned on to when the second switching element 16 is turned off, that is, until the lower point of the triangular wave is reached is set to the set time ΔT 5 And The switching time calculator 35 calculates a PWM signal so that the ON time of the first and second switching elements 14 and 16 according to the input duty ratio is obtained, and sets the corresponding set times ΔT 1 , ΔT 3 and ΔT 5. And dead time periods ΔT 2 and ΔT 4 .

DC/DCコンバータ11の第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16は、設定時間ΔT1、ΔT3、ΔT5及びデッドタイム時間ΔT2、ΔT4で決められるPWM信号により制御される。また、スイッチング時間計算器35は、設定時間ΔT1、ΔT3、ΔT5及びデッドタイム時間ΔT2、ΔT4を、後述の第1〜第5オブザーバ36〜40へそれぞれ出力する。 The first switching element 14 and the second switching element 16 of the DC / DC converter 11 are controlled by a PWM signal determined by set times ΔT 1 , ΔT 3 , ΔT 5 and dead time times ΔT 2 , ΔT 4 . Further, the switching time calculator 35 outputs the set times ΔT 1 , ΔT 3 , ΔT 5 and the dead time times ΔT 2 , ΔT 4 to first to fifth observers 36 to 40 described later, respectively.

図3に戻って、オブザーバ34は、キャリア信号の周期に同期してサンプリングされた電源電圧vb、出力電流im及びコンデンサ電圧vc(出力電圧に相当)の測定値の入力を受ける。そして、オブザーバ34は、その入力から、それぞれスイッチング時間計算器35で設定された設定時間ΔT1、デッドタイム時間ΔT2、設定時間ΔT3、デッドタイム時間ΔT4及び設定時間ΔT5におけるリアクトル電流推定値iL(チルダ)を求める。実施形態では、図4における三角波の下点に同期した制御タイミングでサンプリングされた電源電圧vb、出力電流im及びコンデンサ電圧vcの測定値の入力を受けて、制御タイミング毎にリアクトル電流iLの推定値を求める。 Returning to FIG. 3, the observer 34, the power supply voltage v b is sampled in synchronization with the cycle of the carrier signal, receiving an input of the measurement value of the output current i m and capacitor voltage v c (corresponding to the output voltage). Then, the observer 34 estimates the reactor current at the set time ΔT 1 , dead time time ΔT 2 , set time ΔT 3 , dead time time ΔT 4 and set time ΔT 5 set by the switching time calculator 35 from the input. Find the value i L (tilde). In the embodiment, receives an input of the measurement value of the supply voltage is sampled at a controlled timing in synchronism with the bottom point of the triangular wave v b, the output current i m and capacitor voltage v c in FIG. 4, the reactor current i for each control timing Find an estimate of L.

第1スイッチング素子14がオン状態の場合、DC/DCコンバータ11の状態方程式は数式(1)で表わされる。ここで、rLは、リアクトル12の抵抗成分を示す。なお、以下において、時間微分値には上付の点(ドット)を付して示す。

Figure 0006653645
When the first switching element 14 is in the ON state, the state equation of the DC / DC converter 11 is represented by Expression (1). Here, r L indicates a resistance component of the reactor 12. Note that, in the following, the time differential value is indicated by adding a superscript point (dot).
Figure 0006653645

数式(1)に対して双1次変換を適用して離散化すると数式(2)のように表わすことができる。

Figure 0006653645
When the bilinear transformation is applied to Expression (1) to discretize it, Expression (2) can be expressed.
Figure 0006653645

また、数式(2)に対して係数A、B及びCを数式(3)のように定義できる。

Figure 0006653645
Further, coefficients A, B and C can be defined as in equation (3) with respect to equation (2).
Figure 0006653645

一方、第2スイッチング素子16がオン状態の場合、DC/DCコンバータ11の状態方程式は数式(4)で表わされる。

Figure 0006653645
On the other hand, when the second switching element 16 is in the ON state, the state equation of the DC / DC converter 11 is represented by Expression (4).
Figure 0006653645

数式(4)に対して双1次変換を適用して離散化すると数式(5)のように表わすことができる。

Figure 0006653645
When bilinear transformation is applied to Expression (4) for discretization, Expression (5) can be expressed.
Figure 0006653645

また、数式(5)に対して係数A、B及びCを数式(6)のように定義できる。

Figure 0006653645
In addition, coefficients A, B, and C can be defined as in equation (6) with respect to equation (5).
Figure 0006653645

制御装置30における状態方程式が数式(1)〜数式(6)のように表わされるので、第1オブザーバ36、第2オブザーバ37、第3オブザーバ38及び第4オブザーバ39は、図5に示すような構成となる。また、第5オブザーバ40は、図6に示すような構成となる。   Since the state equations in the control device 30 are expressed as Expressions (1) to (6), the first observer 36, the second observer 37, the third observer 38, and the fourth observer 39 are configured as shown in FIG. Configuration. Further, the fifth observer 40 has a configuration as shown in FIG.

一方、デッドタイム時間ΔT2に対する推定を行う第2オブザーバ37は、図7に示すように、内部に2つのオブザーバ41,42及び切替スイッチ44を備える。オブザーバ41は、第1スイッチング素子14がオン状態のときの状態方程式を用いてリアクトル電流iL及びコンデンサ電圧vcの推定を行うオブザーバである。オブザーバ42は、第2スイッチング素子16がオン状態のときの状態方程式を用いてリアクトル電流iL及びコンデンサ電圧vcの推定を行うオブザーバである。入力されるリアクトル電流iLの推定値が正電流(直流電源10の正極から流れ出る方向)の場合、第1スイッチング素子14がオン状態と同等である。これにより、切替スイッチ44をオブザーバ41側に切り替えてオブザーバ41を使用してリアクトル電流iL及びコンデンサ電圧vcの推定を行う。入力されるリアクトル電流iLの推定値が負電流(直流電源10の正極に流れ込む方向)の場合、第2スイッチング素子16がオン状態である、第1スイッチング素子14がオフ状態と同等である。これにより、切替スイッチ44をオブザーバ42側に切り替えてオブザーバ42を使用してリアクトル電流iL及びコンデンサ電圧vcの推定を行う。デッドタイム時間ΔT4に対する推定を行う第4オブザーバ39も同様の構成とすればよい。 On the other hand, as shown in FIG. 7, the second observer 37 that estimates the dead time time ΔT 2 includes two observers 41 and 42 and a changeover switch 44 therein. Observer 41 is the observer the first switching element 14 performs estimation of the reactor current i L and capacitor voltage v c using the state equation of the on state. Observer 42 is the observer second switching element 16 is an estimate of the reactor current i L and capacitor voltage v c using the state equation of the on state. When the estimated value of the input reactor current i L is a positive current (a direction flowing out of the positive electrode of the DC power supply 10), the first switching element 14 is equivalent to the ON state. Thus, to estimate the reactor current i L and capacitor voltage v c using an observer 41 switches the changeover switch 44 to the observer 41 side. When the estimated value of the input reactor current i L is a negative current (in the direction of flowing into the positive electrode of the DC power supply 10), the second switching element 16 is on and the first switching element 14 is off. Thus, the changeover switch 44 is switched to the observer 42 side, and the reactor current i L and the capacitor voltage vc are estimated using the observer 42. The fourth observer 39 that estimates the dead time ΔT 4 may have the same configuration.

また、数式(1)〜(6)の状態方程式を用いる場合において、リアクトル12のインダクタンスは、実際にはリアクトル電流iLで変化する。これにより、予め設定された関係式と、第5オブザーバ40で推定した前回のリアクトル電流の推定値iL(チルダ)、または前のオブザーバ36〜39で推定したリアクトル電流の推定値iL(チルダ)とを用いて、インダクタンスLを算出する。数式(1)〜(6)の状態方程式を用いた算出には、リアクトル電流の推定値iL(チルダ)を用いて算出したインダクタンスLを用いる。これにより、制御性をより高くできる。図8は、実施形態におけるリアクトルのインダクタンスにおける電流依存性の例を示している。図8では、インダクタンスは、リアクトル電流が0Aのときのインダクタンスを1として正規化して示している。リアクトル電流は、最大電流を1として正規化して示している。このように状態方程式に用いるリアクトルのインダクタンスLとして、リアクトル電流推定値に対する依存性を持つインダクタンスを用い、リアクトル電流に応じて変化させる。 Further, when using the state equations of equations (1) to (6), the inductance of reactor 12 actually changes with reactor current i L. Thus, the preset relational expression, the estimate i L (tilde estimate i L (tilde), or the reactor current estimated in the previous observer 36 to 39 of the previous reactor current estimated by the fifth observer 40 ) Is used to calculate the inductance L. In the calculation using the state equations of the equations (1) to (6), the inductance L calculated using the estimated value i L (tilde) of the reactor current is used. Thereby, controllability can be further improved. FIG. 8 shows an example of the current dependence of the inductance of the reactor in the embodiment. In FIG. 8, the inductance is normalized by setting the inductance when the reactor current is 0 A to 1. The reactor current is shown by normalizing the maximum current to 1. As described above, as the inductance L of the reactor used in the state equation, an inductance having a dependency on the reactor current estimated value is used, and is changed according to the reactor current.

図3に戻って、第1オブザーバ36には、三角波の下点から第1スイッチング素子14がオン状態からオフ状態へ切り替えられるまでの第1スイッチング素子14がオン状態となっている時間ΔT1が入力される。第1オブザーバ36は、時間ΔT1の入力を受けると、第1スイッチング素子14がオン状態のときの状態方程式(数式(2)及び数式(3))のTに時間ΔT1、vc(t)にコンデンサ電圧vcの測定値を代入する。また、第1オブザーバ36は、状態方程式(数式(2)及び数式(3))のvb(t)に電源電圧vbの測定値、im(t)に出力電流imの測定値を代入する。また、状態方程式のインダクタンスLを求めるために、前回第5オブザーバ40で推定したリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)を用いる。これにより、第1オブザーバ36は、リアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)(ΔT1)及びコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT1)を推定して出力する。 Returning to FIG. 3, the first observer 36 has a time ΔT 1 during which the first switching element 14 is in the on state from the lower point of the triangular wave until the first switching element 14 is switched from the on state to the off state. Is entered. The first observer 36 receives an input of time [Delta] T 1, T the time [Delta] T 1 state equation with the first switching element 14 is turned on (Equation (2) and Equation (3)), v c (t ) to assign a measurement of the capacitor voltage v c. The first observer 36, the state equation (Equation (2) and Equation (3)) measurements of the power supply voltage v b to v b (t) of the i m (t) the measured value of the output current i m substitute. Further, in order to obtain the inductance L of the state equation, the estimated value i L (tilde) of the reactor current i L previously estimated by the fifth observer 40 is used. Thus, the first observer 36, and outputs the estimated estimation value of the reactor current i L i L (tilde) ([Delta] T 1) and capacitor voltage v estimated value of c v c (tilde) (ΔT 1).

第2オブザーバ37には、時間ΔT1経過後、第1スイッチング素子14がオフ状態にされてから第2スイッチング素子16がオン状態にされるまでのデッドタイム時間ΔT2が入力される。第2オブザーバ37は、時間ΔT2の入力を受けると、第1オブザーバ36から入力されたリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)(ΔT1)の向きに応じてオブザーバ41,42のいずれかを選択する。オブザーバ41が選択された場合、第1スイッチング素子14がオン状態のときの状態方程式(数式(2)及び数式(3))のTに時間ΔT2、vc(t)に第1オブザーバ36でのコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT1)を代入する。また、オブザーバ41は、状態方程式(数式(2)及び数式(3))のvb(t)に電源電圧vbの測定値、im(t)に出力電流imの測定値を代入する。また、状態方程式のインダクタンスLを求めるために、第1オブザーバ36で推定したリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)を用いる。これにより、第2オブザーバ37は、リアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)(ΔT2)及びコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT2)を推定して出力する。 To the second observer 37, a dead time time ΔT 2 from the time when the first switching element 14 is turned off to the time when the second switching element 16 is turned on after the lapse of the time ΔT 1 is input. When receiving the input of the time ΔT 2 , the second observer 37 receives one of the observers 41 and 42 according to the direction of the estimated value i L (tilde) (ΔT 1 ) of the reactor current iL input from the first observer 36. Select When the observer 41 is selected, the time ΔT 2 in the state equation (Equations (2) and (3)) when the first switching element 14 is in the ON state, and the first observer 36 in the state equation (v c (t)). substituting the estimated value v c of the capacitor voltage v c (tilde) (ΔT 1). Moreover, the observer 41 substitutes the measured value of the output current i m to the state equation (Equation (2) and Equation (3)) measurements of the power supply voltage v b to v b (t) of, i m (t) . Further, in order to obtain the inductance L of the state equation, an estimated value i L (tilde) of the reactor current i L estimated by the first observer 36 is used. Thus, the second observer 37, and outputs the estimated reactor current i L of the estimated value i L (tilde) ([Delta] T 2) and the estimated value v c of the capacitor voltage vc (tilde) (ΔT 2).

一方、オブザーバ42が選択された場合、第2スイッチング素子16がオン状態のときの状態方程式(数式(5)及び数式(6))のTに時間ΔT2、vc(t)に第1オブザーバ36でのコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT1)を代入する。また、オブザーバ42は、状態方程式(数式(5)及び数式(6))のvb(t)に電源電圧vbの測定値、im(t)に出力電流imの測定値を代入する。また、状態方程式のインダクタンスLを求めるために、第1オブザーバ36で推定したリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)を用いる。これにより、第2オブザーバ37は、リアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)(ΔT2)及びコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT2)を推定して出力する。 On the other hand, if the observer 42 is selected, the first observer on the state equation with the second switching element 16 is turned on (Equation (5) and Equation (6)) time T of the [Delta] T 2, v c (t) estimated value of the capacitor voltage v c in 36 v substituting c (tilde) (ΔT 1). Moreover, the observer 42 substitutes the measured value of the output current i m to the state equation (Equation (5) and Equation (6)) measurements of the power supply voltage v b to v b (t) of, i m (t) . Further, in order to obtain the inductance L of the state equation, an estimated value i L (tilde) of the reactor current i L estimated by the first observer 36 is used. Thus, the second observer 37, and outputs the estimated reactor current i L of the estimated value i L (tilde) ([Delta] T 2) and capacitor voltage v estimated value of c v c (tilde) (ΔT 2).

第3オブザーバ38には、デッドタイム時間ΔT2経過後、第2スイッチング素子16がオン状態の間である時間ΔT3が入力される。第3オブザーバ38は、時間ΔT3の入力を受けると、第2スイッチング素子16がオン状態のときの状態方程式(数式(5)及び数式(6))のTに時間ΔT3、vc(t)に第2オブザーバ37でのコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT2)を代入する。また、第3オブザーバ38は、状態方程式(数式(5)及び数式(6))のvb(t)に電源電圧vbの測定値、im(t)に出力電流imの測定値を代入する。また、状態方程式のインダクタンスLを求めるために、第2オブザーバ37で推定したリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)を用いる。これにより、第3オブザーバ38は、リアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)(ΔT3)及びコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT3)を推定して出力する。 To the third observer 38, a time ΔT 3 during which the second switching element 16 is in the ON state after the dead time time ΔT 2 has elapsed is input. The third observer 38 receives an input of time [Delta] T 3, the equation of state when the second switching element 16 is turned on (Equation (5) and Equation (6)) time T of the [Delta] T 3, v c (t ) to assign an estimate v c of the capacitor voltage v c in the second observer 37 (tilde) ([Delta] T 2). The third observer 38, the state equation (Equation (5) and Equation (6)) measurements of the power supply voltage v b to v b (t) of the i m (t) the measured value of the output current i m substitute. Further, in order to obtain the inductance L of the state equation, an estimated value i L (tilde) of the reactor current i L estimated by the second observer 37 is used. Thus, the third observer 38 estimates i L (tilde) ([Delta] T 3) of the reactor current i L and outputs the estimated estimation value v c of the capacitor voltage v c (tilde) ([Delta] T 3).

第4オブザーバ39には、時間ΔT3経過後、第2スイッチング素子16がオフ状態にされてから第1スイッチング素子14がオン状態にされるまでのデッドタイム時間ΔT4が入力される。第4オブザーバ39は、時間ΔT4の入力を受けると、第3オブザーバ38から入力されたリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)(ΔT3)の向きに応じてオブザーバ41,42のいずれかを選択する。オブザーバ41が選択された場合、第1スイッチング素子14がオン状態のときの状態方程式(数式(2)及び数式(3))のTに時間ΔT4、vc(t)に第3オブザーバ38でのコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT3)を代入する。また、オブザーバ41は、状態方程式(数式(2)及び数式(3))のvb(t)に電源電圧vbの測定値、im(t)に出力電流imの測定値を代入する。また、状態方程式のインダクタンスLを求めるために、第3オブザーバ38で推定したリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)を用いる。これにより、第4オブザーバ39は、リアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)(ΔT4)及びコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT4)を推定して出力する。 The dead time period ΔT 4 from when the second switching element 16 is turned off to when the first switching element 14 is turned on after the lapse of the time ΔT 3 is input to the fourth observer 39. When the fourth observer 39 receives the input of the time ΔT 4 , any one of the observers 41 and 42 according to the direction of the estimated value i L (tilde) (ΔT 3 ) of the reactor current i L input from the third observer 38. Or choose. When the observer 41 is selected, the time ΔT 4 in the state equation (Equations (2) and (3)) when the first switching element 14 is in the ON state, and the third observer 38 in the state equation v c (t). substituting the estimated value v c of the capacitor voltage v c (tilde) (ΔT 3). Moreover, the observer 41 substitutes the measured value of the output current i m to the state equation (Equation (2) and Equation (3)) measurements of the power supply voltage v b to v b (t) of, i m (t) . Further, in order to obtain the inductance L of the state equation, the estimated value i L (tilde) of the reactor current i L estimated by the third observer 38 is used. Thus, the fourth observer 39, and outputs the estimated estimation value of the reactor current i L i L (tilde) ([Delta] T 4) and capacitor voltage v estimated value of c v c (tilde) ([Delta] T 4).

一方、オブザーバ42が選択された場合、第2スイッチング素子16がオン状態のときの状態方程式(数式(5)及び数式(6))のTに時間ΔT4、vc(t)に第3オブザーバ38でのコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT3)を代入する。また、オブザーバ42は、状態方程式(数式(5)及び数式(6))のvb(t)に電源電圧vbの測定値、im(t)に出力電流imの測定値を代入する。また、状態方程式のインダクタンスLを求めるために、第3オブザーバ38で推定したリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)を用いる。これにより、第4オブザーバ39は、リアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)(ΔT4)及びコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT4)を推定して出力する。 On the other hand, if the observer 42 is selected, the third observer equation of state when the second switching element 16 is turned on (Equation (5) and Equation (6)) time T of the [Delta] T 4, v c (t) estimated value of the capacitor voltage v c in 38 v substituting c (tilde) (ΔT 3). Moreover, the observer 42 substitutes the measured value of the output current i m to the state equation (Equation (5) and Equation (6)) measurements of the power supply voltage v b to v b (t) of, i m (t) . Further, in order to obtain the inductance L of the state equation, the estimated value i L (tilde) of the reactor current i L estimated by the third observer 38 is used. Thus, the fourth observer 39, and outputs the estimated estimation value of the reactor current i L i L (tilde) ([Delta] T 4) and capacitor voltage v estimated value of c v c (tilde) ([Delta] T 4).

第5オブザーバ40には、デッドタイム時間ΔT4経過後、第1スイッチング素子14がオン状態にされてから第2スイッチング素子16がオフ状態にされるまでの時間ΔT5が入力される。第5オブザーバ40は、時間ΔT5の入力を受けると、第1スイッチング素子14がオン状態のときの状態方程式(数式(2)及び数式(3))のTに時間ΔT5、vc(t)に第4オブザーバ39でのコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT4)を代入する。さらに、第5オブザーバ40は、状態方程式(数式(2)及び数式(3))のvb(t)に電源電圧vbの測定値、im(t)に出力電流imの測定値を代入する。また、状態方程式のインダクタンスLを求めるために、第4オブザーバ39で推定したリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)を用いる。さらに前回の第5オブザーバ40での前回のコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT5)にオブザーバゲインk1,k2を乗算した値をフィードバックする。これにより、第5オブザーバ40は、新たなリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)(ΔT5)及びコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(ΔT5)を推定して出力する。 The fifth observer 40, after the dead time period [Delta] T 4 has elapsed, the first switching element 14 and the second switching element 16 is in the ON state time [Delta] T 5 until it is in the OFF state is input. The fifth observer 40 receives an input of time [Delta] T 5, T the time [Delta] T 5 of the state equation with the first switching element 14 is turned on (Equation (2) and Equation (3)), v c (t ) to assign the estimated value of the capacitor voltage v c in the fourth observer 39 v c (tilde) ([Delta] T 4). A fifth observer 40, the state equation (Equation (2) and Equation (3)) measurements of the power supply voltage v b to v b (t) of the i m (t) the measured value of the output current i m substitute. Further, in order to obtain the inductance L of the state equation, the estimated value i L (tilde) of the reactor current i L estimated by the fourth observer 39 is used. Further feeding back the previous estimate v c (tilde) value obtained by multiplying the observer gain k 1, k 2 to ([Delta] T 5) of the capacitor voltage v c in the fifth observer 40 last. Thus, the fifth observer 40, and outputs the estimated estimation value of the new reactor current i L i L (tilde) ([Delta] T 5) and capacitor voltage v estimated value of c v c (tilde) ([Delta] T 5) .

このような処理によって、各時間ΔT1〜ΔT5におけるリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)(T)及びコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)(T)を推定することができる。第5オブザーバ40で推定したリアクトル電流iLの推定値iL(チルダ)及びコンデンサ電圧vcの推定値vc(チルダ)は、モデル予測制御器50(図2)に入力される。 Such treatment is possible to estimate the estimated value i L of the reactor current i L at each time ΔT 1 ~ΔT 5 (tilde) (T) and the capacitor voltage v estimated value of c v c (tilde) (T) it can. Estimate v c of the estimated value i L (tilde) and capacitor voltage v c of the reactor current i L estimated by the fifth observer 40 (tilde) is input to the model predictive controller 50 (FIG. 2).

図9は、図2に示しているモデル予測制御器50の概略構成を示している。図10は、図9に示しているモデル予測制御器50の詳細構成を示している。図9、図10に示すように、モデル予測制御器50は、複数のスイッチング時間計算器51と、予測制御本体部(MPC本体)52とを有する。図9では、簡略化してスイッチング時間計算器51を1つのみ示している。図10では、スイッチング時間計算器51を除く部分が、予測制御本体部52を構成する。予測制御本体部52は、複数の加算器53と、複数の予測演算器54と、複数の評価関数演算器55と、最適デューティ比設定部56とを含む。   FIG. 9 shows a schematic configuration of the model prediction controller 50 shown in FIG. FIG. 10 shows a detailed configuration of the model prediction controller 50 shown in FIG. As shown in FIGS. 9 and 10, the model prediction controller 50 has a plurality of switching time calculators 51 and a prediction control main unit (MPC main unit) 52. In FIG. 9, only one switching time calculator 51 is shown for simplification. In FIG. 10, the parts other than the switching time calculator 51 constitute the prediction control main unit 52. The prediction control main unit 52 includes a plurality of adders 53, a plurality of prediction calculators 54, a plurality of evaluation function calculators 55, and an optimum duty ratio setting unit 56.

各スイッチング時間計算器51の機能は、図3で示したスイッチング時間計算器35と同様である。具体的には、スイッチング時間計算器51は、入力されたデューティ比に応じた第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のオン時間となるようにPWM信号を求め、それに対応した時間ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5を設定する。 The function of each switching time calculator 51 is the same as that of the switching time calculator 35 shown in FIG. Specifically, the switching time calculator 51 calculates the PWM signal so that the ON time of the first switching element 14 and the second switching element 16 according to the input duty ratio is obtained, and the corresponding time ΔT 1 , ΔT 2 , ΔT 3 , ΔT 4 , and ΔT 5 are set.

このとき、図10に示すように、複数のスイッチング時間計算器51には、異なるデューティ比が入力される。まず、現在のデューティ比d(k)を基準として、複数の加算器53によって、所定値ずつ加算するか、または所定値ずつ減算するかによって得た、所定値ずつ異なる複数のデューティ比が、複数のスイッチング時間計算器51に入力される。スイッチング時間計算器51に入力されるデューティ比は仮デューティ比に相当する。   At this time, as shown in FIG. 10, different duty ratios are input to the plurality of switching time calculators 51. First, based on the current duty ratio d (k), a plurality of adders 53 add a predetermined value or subtract a predetermined value, and obtain a plurality of duty ratios different by a predetermined value. Is input to the switching time calculator 51. The duty ratio input to the switching time calculator 51 corresponds to a temporary duty ratio.

図10に示すモデル予測制御器50では、デューティ比を、10ビットで表現可能な数である0〜1023の値で示している。この場合、デューティ比が1023では、第1スイッチング素子14が1制御周期のすべてでオンされていることを意味する。デューティ比が0では、第1スイッチング素子14が1制御周期のすべてでオフされ、第2スイッチング素子16が1制御周期のすべてでオンされていることを意味する。   In the model prediction controller 50 shown in FIG. 10, the duty ratio is represented by a value of 0 to 1023, which is a number that can be represented by 10 bits. In this case, when the duty ratio is 1023, it means that the first switching element 14 is turned on in one control cycle. When the duty ratio is 0, it means that the first switching element 14 is turned off in one control cycle and the second switching element 16 is turned on in one control cycle.

また、以下では、現在のデューティ比d(k)を基準として、(d(k)−64)から(d(k)+64)までの範囲で、評価関数が最小となるデューティ比を次回のデューティ比d(k+1)として求める場合を説明する。デューティ比を変化させる範囲として、基準値d(k)に対する幅を64とした理由は、デッドタイムを5μsとし、PWM制御周期を100μsとした場合に、1制御周期におけるデッドタイムの割合を10ビットで表した値より大きい数値とするためである。具体的には、5(μs)/100(μs)×1023=51であるので、51より大きい数値で、かつできるだけ演算負荷が少ないように小さい数値となるように、上記の幅を64とした。   In the following, the duty ratio at which the evaluation function is minimized in the range from (d (k) -64) to (d (k) +64) is defined as the next duty ratio based on the current duty ratio d (k). A case where the ratio is determined as d (k + 1) will be described. The reason for setting the width to the reference value d (k) to 64 as the range in which the duty ratio is changed is that when the dead time is 5 μs and the PWM control cycle is 100 μs, the ratio of the dead time in one control cycle is 10 bits. This is to make the value larger than the value represented by. Specifically, since 5 (μs) / 100 (μs) × 1023 = 51, the width is set to 64 so as to be a numerical value larger than 51 and a small numerical value so as to reduce the operation load as much as possible. .

評価関数は、リアクトル電流の予測値と、PI制御器32の出力に関係する値との偏差の2乗である。以下では、評価関数J[d(k)+a]は、数式(7)で示すように、モデル予測制御器50で予測したリアクトル電流予測値と、PI制御器32から出力されるリアクトル電流指令値iL *との偏差の2乗とする。 The evaluation function is the square of the deviation between the predicted value of the reactor current and a value related to the output of the PI controller 32. In the following, the evaluation function J [d (k) + a] is defined by a reactor current prediction value predicted by the model prediction controller 50 and a reactor current command value output from the PI controller 32, as shown in Expression (7). Let it be the square of the deviation from i L * .

Figure 0006653645
Figure 0006653645

数式(7)において、aは任意の整数である。例えば以下で説明する例では、aは、−64から+64までのいずれか1つの整数が設定される。   In Expression (7), a is an arbitrary integer. For example, in the example described below, a is set to any one integer from -64 to +64.

また、以下では、複数のスイッチング時間計算器51のうち、デューティ比として現在デューティ比d(k)が入力されるスイッチング時間計算器51を、スイッチング時間計算器A0と示す。また、デューティ比としてd(k)+iが入力されるスイッチング時間計算器51をスイッチング時間計算器Aiと示し、デューティ比としてd(k)−iが入力されるスイッチング時間計算器51をスイッチング時間計算器−Aiと示す。iは1〜64のいずれか1つの値である。スイッチング時間計算器A0は、現在デューティ比d(k)が入力されるので、図3で示したオブザーバ34の場合と同様に、時間ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5を設定する。設定された時間は、対応する予測演算器54に入力される。 Hereinafter, the switching time calculator 51 to which the current duty ratio d (k) is input as the duty ratio among the plurality of switching time calculators 51 is referred to as a switching time calculator A0. A switching time calculator 51 to which d (k) + i is input as a duty ratio is referred to as a switching time calculator Ai, and a switching time calculator 51 to which d (k) -i is input as a duty ratio is referred to as a switching time calculator. It is designated as vessel-Ai. i is any one of the values 1 to 64. Since the current duty ratio d (k) is input to the switching time calculator A0, the times ΔT 1 , ΔT 2 , ΔT 3 , ΔT 4 and ΔT 5 are set as in the case of the observer 34 shown in FIG. I do. The set time is input to the corresponding prediction calculator 54.

複数の予測演算器54は、スイッチング時間計算器51と同数が設定される。スイッチング時間計算器A0に対応する予測演算器54は予測演算器B0と示す。また、スイッチング時間計算器Aiに対応する予測演算器54はBiと示し、スイッチング時間計算器−Aiに対応する予測演算器54は−Biと示す。   The same number as the switching time calculators 51 is set for the plurality of prediction calculators 54. The prediction calculator 54 corresponding to the switching time calculator A0 is referred to as a prediction calculator B0. Further, the prediction calculator 54 corresponding to the switching time calculator Ai is denoted by Bi, and the prediction calculator 54 corresponding to the switching time calculator -Ai is denoted by -Bi.

スイッチング時間計算器Aiは、デューティ比d(k)+iが入力されるので、そのデューティ比に応じた時間ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5を設定する。設定された時間は、対応する予測演算器Biに入力される。 Since the duty ratio d (k) + i is input to the switching time calculator Ai, the switching time calculator Ai sets the times ΔT 1 , ΔT 2 , ΔT 3 , ΔT 4 , ΔT 5 according to the duty ratio. The set time is input to the corresponding prediction operation unit Bi.

スイッチング時間計算器−A1は、デューティ比d(k)−iが入力されるので、そのデューティ比に応じた時間ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5を設定する。設定された時間は、対応する予測演算器−Biに入力される。 Since the switching time calculator-A1 receives the duty ratio d (k) -i, the switching time calculator-A1 sets the times ΔT 1 , ΔT 2 , ΔT 3 , ΔT 4 , ΔT 5 according to the duty ratio. The set time is input to the corresponding prediction operation unit -Bi.

予測演算器54は、入力された設定時間ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5に応じて、リアクトル電流の予測値を算出する。なお、以下において、図中の予測値には、上付の山形線(ハット)を付して示す。 The prediction calculator 54 calculates a predicted value of the reactor current according to the input set times ΔT 1 , ΔT 2 , ΔT 3 , ΔT 4 , and ΔT 5 . Note that, in the following, the predicted values in the figure are indicated by superscript angle lines (hats).

予測演算器B0は、デューティ比d(k)に応じた設定時間ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5が入力される。予測演算器B0は、入力された設定時間、出力電流算出値im、電源電圧測定値vb、リアクトル電流推定値iL(チルダ)、及びコンデンサ電圧推定値vc(チルダ)に応じて、図3のオブザーバ34と同様に、時間ΔT5でのリアクトル電流予測値を算出する。 The prediction operation unit B0 receives the set times ΔT 1 , ΔT 2 , ΔT 3 , ΔT 4 , ΔT 5 according to the duty ratio d (k). Prediction calculator B0, the time settings entered, in accordance with the output current calculation value i m, the power supply voltage measured value v b, reactor current estimated value i L (tilde), and capacitor voltage estimated value v c (tilde), Similar to the observer 34 in FIG. 3, the reactor current prediction value at the time ΔT 5 is calculated.

以下では、リアクトル電流予測値のうち、現在デューティ比d(k)に基づくリアクトル電流予測値を、iL(ハット)[d(k)]と示す。また、デューティ比d(k)+iに基づくリアクトル電流予測値を、iL(ハット)[d(k)+i]と示し、デューティ比d(k)−iに基づくリアクトル電流予測値を、iL(ハット)[d(k)−i]と示す。 Hereinafter, of the reactor current predicted values, the reactor current predicted value based on the current duty ratio d (k) is indicated as i L (hat) [d (k)]. The reactor current predicted value based on the duty ratio d (k) + i is indicated as i L (hat) [d (k) + i], and the reactor current predicted value based on the duty ratio d (k) −i is represented by i L (Hat) [d (k) -i].

算出されたリアクトル電流予測値iL(ハット)[d(k)]、iL(ハット)[d(k)+i]、iL(ハット)[d(k)−i]は、複数の評価関数演算器55のうち、対応する評価関数演算器55にそれぞれ入力される。 The calculated reactor current predicted values i L (hat) [d (k)], i L (hat) [d (k) + i], and i L (hat) [d (k) −i] are calculated by multiple evaluations. Each of the function calculators 55 is input to the corresponding evaluation function calculator 55.

複数の評価関数演算器55は、予測演算器54と同数が設定される。予測演算器B0に対応する評価関数演算器55は評価関数演算器C0と示す。予測演算器Biに対応する評価関数演算器55はCiと示し、予測演算器−Biに対応する評価関数演算器55は−Ciと示す。   The same number of the plurality of evaluation function computing units 55 as the number of the prediction computing units 54 are set. The evaluation function calculator 55 corresponding to the prediction calculator B0 is referred to as an evaluation function calculator C0. The evaluation function operation unit 55 corresponding to the prediction operation unit Bi is indicated by Ci, and the evaluation function operation unit 55 corresponding to the prediction operation unit -Bi is indicated by -Ci.

評価関数演算器55は、入力されたリアクトル電流予測値iL(ハット)[d(k)]、iL(ハット)[d(k)+i]、iL(ハット)[d(k)−i]と、リアクトル電流指令値iL*とから上記の数式(7)の評価関数J[d(k)+a]を算出する。算出された評価関数J[d(k)+a]は、最適デューティ比設定部56に入力される。 The evaluation function calculator 55 inputs the predicted reactor current value i L (hat) [d (k)], i L (hat) [d (k) + i], i L (hat) [d (k) − i] and the reactor current command value iL * , the evaluation function J [d (k) + a] of the above equation (7) is calculated. The calculated evaluation function J [d (k) + a] is input to the optimum duty ratio setting unit 56.

最適デューティ比設定部56は、全部の評価関数演算器55から評価関数J[d(k)+a]が入力され、入力された評価関数の中から最小の評価関数を選択する。そして、最適デューティ比設定部56は、その選択した評価関数の算出で用いたデューティ比(制限前のデューティ比)d(k+1)を最適デューティ比としてリミッタ60(図2)に出力する。リミッタ60は、上記のように最適デューティ比を最適な上限及び下限の範囲に制限する。制御装置30は、制限後の最適デューティ比に応じて、DC/DCコンバータ11の第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16を制御するためのスイッチング信号(SW信号)を生成し、DC/DCコンバータ11に出力する。DC/DCコンバータ11は、入力されたスイッチング信号によって第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のスイッチングが制御される。これにより電源電圧が昇圧されて負荷104に出力される。または負荷104で生じた電圧が降圧されて直流電源10に出力され、直流電源10が充電される。例えば、モータ駆動装置100が車両に搭載され、車輪を駆動するために用いられる場合に、車両の制動時にモータ106が回生電力を発生し、その回生電力により生じた電圧がDC/DCコンバータ11で降圧されて直流電源10に供給される。   The optimum duty ratio setting unit 56 receives the evaluation function J [d (k) + a] from all the evaluation function calculators 55 and selects the smallest evaluation function from the input evaluation functions. Then, the optimum duty ratio setting section 56 outputs the duty ratio (duty ratio before restriction) d (k + 1) used in the calculation of the selected evaluation function to the limiter 60 (FIG. 2) as the optimum duty ratio. The limiter 60 limits the optimal duty ratio to the optimal upper and lower limits as described above. The control device 30 generates a switching signal (SW signal) for controlling the first switching element 14 and the second switching element 16 of the DC / DC converter 11 according to the optimum duty ratio after the restriction, and Output to converter 11. The switching of the first switching element 14 and the second switching element 16 of the DC / DC converter 11 is controlled by the input switching signal. As a result, the power supply voltage is boosted and output to the load 104. Alternatively, the voltage generated at the load 104 is stepped down and output to the DC power supply 10, and the DC power supply 10 is charged. For example, when the motor drive device 100 is mounted on a vehicle and is used to drive wheels, the motor 106 generates regenerative power during braking of the vehicle, and the voltage generated by the regenerative power is applied to the DC / DC converter 11. The voltage is reduced and supplied to the DC power supply 10.

上記のDC/DCコンバータの制御装置30によれば、DC/DCコンバータ11において、リアクトル電流iLを測定する電流センサを用いることなく、リアクトル電流iLを効率よく、かつ精度よく推定できる。また、デューティ比を変化させた場合におけるリアクトル電流の予測演算値から最適なデューティ比を設定できるので、過渡応答の立ち上がり時間の短縮と行き過ぎ量の低減との両立を図れる制御を実現できる。 According to the control apparatus 30 of the above-described DC / DC converter, the DC / DC converter 11, without using a current sensor for measuring the reactor current i L, the reactor current i L efficiently and can be accurately estimated. In addition, since the optimum duty ratio can be set from the predicted calculation value of the reactor current when the duty ratio is changed, it is possible to realize control that can achieve both a reduction in the rise time of the transient response and a reduction in the amount of overshoot.

また、2つのスイッチング素子を含むDC/DCコンバータでは、デッドタイムが発生するが、実施形態では、デッドタイムにおけるリアクトル電流及び出力電圧を考慮して精度よくDC/DCコンバータを制御できる。一方、非特許文献1に記載された構成では、スイッチング素子が1つであり、かつ、還流ダイオードがないため、スイッチングにデッドタイムを設ける必要がない。このような非特許文献1の構成を2つのスイッチング素子を含むDC/DCコンバータの構成に組み合わせるだけでは、デッドタイムによって、オブザーバで計算するリアクトルの電流平均値を精度よく計算できない。このため、過渡応答の性能が劣化する。非特許文献1の(3)式の評価関数にあるd∞は、電池電圧Eを使用しており、リアクトル電流より変化が遅い。また、(3)式の評価関数で用いられる││i[k+1]−Ir││2では、現在のリアクトル電流の平均値から近くなるデューティ比しか選択されない。これによって、非特許文献1の構成では、過渡応答が向上されにくい。実施形態では、2つのスイッチング素子14,16を含み還流ダイオードの接続によりデッドタイムが設けられる構成において、リアクトル電流iL及びコンデンサ電圧vcの推定値の誤差を小さくできる。 In a DC / DC converter including two switching elements, a dead time occurs. In the embodiment, the DC / DC converter can be accurately controlled in consideration of a reactor current and an output voltage in the dead time. On the other hand, in the configuration described in Non-Patent Document 1, since there is only one switching element and there is no free wheel diode, there is no need to provide a dead time for switching. By simply combining the configuration of Non-Patent Document 1 with the configuration of the DC / DC converter including two switching elements, it is not possible to accurately calculate the average current value of the reactor calculated by the observer due to the dead time. For this reason, the performance of the transient response deteriorates. In the evaluation function of the expression (3) in Non-Patent Document 1, d∞ uses the battery voltage E, and changes more slowly than the reactor current. Further, (3) the ││i [k + 1] -Ir││ 2 used in the evaluation function of equation only selected becomes close duty ratio from the average value of the current of the reactor current. Thus, in the configuration of Non-Patent Document 1, the transient response is hardly improved. In embodiments, in a configuration in which a dead time is provided by the connection of the return diode comprises two switching elements 14 and 16, the error of the estimated value of the reactor current i L and capacitor voltage v c can be reduced.

なお、三角波比較PWMのスイッチング時間の作成方法は、図4に示したデッドタイム時間だけ遅らせた三角波を用いる方法に限定するものではない。実施形態は、第1スイッチング素子14及び第2スイッチング素子16のオン時間とデッドタイムとが計算できれば適用可能である。   Note that the method of creating the switching time of the triangular wave comparison PWM is not limited to the method using the triangular wave delayed by the dead time shown in FIG. The embodiment is applicable as long as the ON time and the dead time of the first switching element 14 and the second switching element 16 can be calculated.

<第2の実施の形態>
図11は、実施の形態におけるDC/DCコンバータの制御装置30の制御機能構成の別例を示す図である。図12は、図11の構成におけるモデル予測制御器50の概略構成を示す図である。図13は、図12に示しているモデル予測制御器50の詳細構成を示す図である。
<Second embodiment>
FIG. 11 is a diagram illustrating another example of the control function configuration of the DC / DC converter control device 30 according to the embodiment. FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration of the model prediction controller 50 in the configuration of FIG. FIG. 13 is a diagram showing a detailed configuration of the model prediction controller 50 shown in FIG.

図11に示す別例の構成では、図1から図10に示した構成において、PI制御器32は、コンデンサ電圧の指令値vc*と測定値vcとの偏差(vc*−vc)が減算器31から入力される。そして、PI制御器32は、入力された偏差を、比例積分演算であるPI演算して、コンデンサ電圧指令変化値eを算出して、第2加算器57に出力する。第2加算器57は、コンデンサ電圧指令値vc *に、PI制御器32から出力されたコンデンサ電圧指令変化値eを加算して、補正後コンデンサ電圧指令値vc **を算出する。補正後コンデンサ電圧指令値vc **は、新たなコンデンサ電圧指令値として、第2加算器57からモデル予測制御器50に出力される。コンデンサ電圧指令変化値eは、正、または負、または0の場合がある。補正後コンデンサ電圧指令値vc **はモデル予測制御器50に入力される。図11に示すオブザーバ34の構成は、図1から図10に示した構成のオブザーバ34と同様である。 In the configuration of another example shown in FIG. 11, in the configuration shown in FIGS. 1 to 10, the PI controller 32 subtracts the deviation (vc * −vc) between the command value vc * of the capacitor voltage and the measured value vc. 31 is input. Then, the PI controller 32 calculates a capacitor voltage command change value e by performing a PI operation, which is a proportional integral operation, on the input deviation, and outputs it to the second adder 57. The second adder 57, the capacitor voltage command value v c *, by adding the capacitor voltage command change value e output from the PI controller 32 to calculate the corrected capacitor voltage instruction value v c **. Corrected capacitor voltage instruction value v c ** is as a new capacitor voltage command value, is output from the second adder 57 to the model predictive controller 50. The capacitor voltage command change value e may be positive, negative, or zero. Corrected capacitor voltage instruction value v c ** is input to the model predictive controller 50. The configuration of the observer 34 shown in FIG. 11 is the same as that of the observer 34 shown in FIGS. 1 to 10.

モデル予測制御器50は、補正後コンデンサ電圧指令値vc **、電源電圧測定値vb、出力電流算出値im、リアクトル電流推定値iL(チルダ)、コンデンサ電圧推定値vc(チルダ)、及び現在デューティ比d(k)から、制限前の次回デューティ比を算出する。算出された制限前の次回デューティ比は、リミッタ60に出力される。 Model predictive controller 50 is corrected capacitor voltage instruction value v c **, the power supply voltage measured value v b, the output current calculation value i m, reactor current estimated value i L (tilde), the capacitor voltage estimated value v c (tilde ) And the current duty ratio d (k), the next duty ratio before the restriction is calculated. The calculated next duty ratio before the restriction is output to the limiter 60.

図12、図13に示すように、モデル予測制御器50を構成する予測制御本体部52には、補正後コンデンサ電圧指令値vc **、電源電圧測定値vb、出力電流算出値im、リアクトル電流推定値iL(チルダ)、及びコンデンサ電圧推定値vc(チルダ)が入力される。また、予測制御本体部52には、スイッチング時間計算器51から現在デューティ比d(k)に応じた設定時間ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5が入力される。 12, as shown in FIG. 13, the prediction control body portion 52 constituting a model predictive controller 50 is corrected capacitor voltage instruction value v c **, the power supply voltage measured value v b, the output current calculation value i m , A reactor current estimated value i L (tilde) and a capacitor voltage estimated value v c (tilde) are input. Further, the prediction control main unit 52 receives from the switching time calculator 51 the set times ΔT 1 , ΔT 2 , ΔT 3 , ΔT 4 , ΔT 5 according to the current duty ratio d (k).

具体的には、図13に示すように、予測制御本体部52を構成する複数の予測演算器54は、対応するスイッチング時間計算器51から、デューティ比に応じた設定時間ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5が入力される。予測演算器54は、入力された設定時間、出力電流算出値im、電源電圧測定値vb、リアクトル電流推定値iL(チルダ)、及びコンデンサ電圧推定値vc(チルダ)に応じて、図3のオブザーバ34と同様に、時間ΔT5でのコンデンサ電圧予測値を算出する。 More specifically, as shown in FIG. 13, the plurality of prediction calculators 54 constituting the prediction control main body unit 52 receive, from the corresponding switching time calculator 51, the set times ΔT 1 , ΔT 2 , ΔT 3 , ΔT 4 , and ΔT 5 are input. Prediction operator 54, the time settings entered, in accordance with the output current calculation value i m, the power supply voltage measured value v b, reactor current estimated value i L (tilde), and capacitor voltage estimated value v c (tilde), Similarly to the observer 34 of FIG. 3, the capacitor voltage predicted value at the time ΔT 5 is calculated.

以下では、コンデンサ電圧予測値のうち、現在デューティ比d(k)に基づくコンデンサ電圧予測値を、vc(ハット)[d(k)]と示す。また、デューティ比d(k)+iに基づくコンデンサ電圧予測値を、vc(ハット)[d(k)+i]と示し、デューティ比d(k)−iに基づくコンデンサ電圧予測値を、vc(ハット)[d(k)−i]と示す。 In the following, of the capacitor voltage prediction values, the capacitor voltage prediction value based on the current duty ratio d (k) is indicated as vc (hat) [d (k)]. Also, a predicted capacitor voltage value based on the duty ratio d (k) + i is denoted by vc (hat) [d (k) + i], and a predicted capacitor voltage value based on the duty ratio d (k) -i is denoted by vc (Hat) [d (k) -i].

算出されたコンデンサ電圧予測値vc(ハット)[d(k)]、vc(ハット)[d(k)+i]、vc(ハット)[d(k)−i]は、複数の評価関数演算器55のうち、対応する評価関数演算器55にそれぞれ入力される。 Calculated capacitor voltage estimated value v c (hat) [d (k)], v c ( hat) [d (k) + i ], v c ( hat) [d (k) -i], the plurality of evaluation Each of the function calculators 55 is input to the corresponding evaluation function calculator 55.

評価関数演算器55は、入力されたコンデンサ電圧予測値vc(ハット)[d(k)]、vc(ハット)[d(k)+i]、vc(ハット)[d(k)−i]と、補正後コンデンサ電圧指令値vc **とから数式(8)で示すように、評価関数J[d(k)+a]を算出する。 Evaluation function calculator 55, the input capacitor voltage estimated value v c (hat) [d (k)], v c ( hat) [d (k) + i ], v c ( hat) [d (k) - i] and the corrected capacitor voltage command value v c ** , an evaluation function J [d (k) + a] is calculated as shown in Expression (8).

Figure 0006653645
Figure 0006653645

数式(8)において、aは任意の整数である。例えば図13に示す例では、aは、−64から+64までのいずれか1つの整数が設定される。算出された評価関数J[d(k)+a]は、最適デューティ比設定部56に入力される。評価関数J[d(k)+a]は、コンデンサ電圧の予測値vc(ハット)[d(k)]、vc(ハット)[d(k)+i]、vc(ハット)[d(k)−i]とPI制御器32の出力に関係する値との偏差の2乗である。 In Expression (8), a is an arbitrary integer. For example, in the example shown in FIG. 13, a is set to any one integer from -64 to +64. The calculated evaluation function J [d (k) + a] is input to the optimum duty ratio setting unit 56. The evaluation function J [d (k) + a ] , the prediction value v c of the capacitor voltage (hat) [d (k)], v c ( hat) [d (k) + i ], v c ( hat) [d ( k) -i] and the square of the deviation between the value related to the output of the PI controller 32.

最適デューティ比設定部56は、全部の評価関数演算器55から評価関数J[d(k)+a]が入力され、入力された評価関数の中から最小の評価関数を選択する。そして、最適デューティ比設定部56は、その選択した評価関数の算出で用いたデューティ比(制限前のデューティ比)d(k+1)を最適デューティ比としてリミッタ60(図11)に出力する。リミッタ60は、最適デューティ比d(k+1)を最適な上限及び下限の範囲に制限する。制御装置30は、制限後の最適デューティ比に応じて、DC/DCコンバータ11(図1)のスイッチングを制御する。   The optimum duty ratio setting unit 56 receives the evaluation function J [d (k) + a] from all the evaluation function calculators 55 and selects the smallest evaluation function from the input evaluation functions. Then, the optimum duty ratio setting unit 56 outputs the duty ratio (duty ratio before restriction) d (k + 1) used in the calculation of the selected evaluation function to the limiter 60 (FIG. 11) as the optimum duty ratio. The limiter 60 limits the optimal duty ratio d (k + 1) to an optimal upper limit and lower limit. Control device 30 controls the switching of DC / DC converter 11 (FIG. 1) according to the limited optimum duty ratio.

上記のDC/DCコンバータの制御装置30の場合も、リアクトル電流iLを測定する電流センサを用いることなく、リアクトル電流iLを効率よく、かつ精度よく推定できる。また、デューティ比を変化させた場合におけるコンデンサ電圧の予測演算値から最適なデューティ比を設定でき、過渡応答の立ち上がり時間の短縮と行き過ぎ量の低減との両立を図れる制御を実現できる。その他の構成及び作用は、図1から図10の構成と同様である。 In the case of the control device 30 of the above-described DC / DC converter, without using a current sensor for measuring the reactor current i L, the reactor current i L efficiently, and it can be accurately estimated. In addition, the optimum duty ratio can be set from the predicted calculated value of the capacitor voltage when the duty ratio is changed, and control can be realized in which both the rise time of the transient response and the overshoot amount can be reduced. Other configurations and operations are the same as the configurations in FIGS. 1 to 10.

なお、上記の実施の形態では、数式(1)及び数式(4)を、双1次変換を利用して離散化したが、これに限定されるものではなく、0次ホールド、前進差分、後退差分を利用して離散化させてもよい。   In the above embodiment, the equations (1) and (4) are discretized using the bilinear transformation. However, the present invention is not limited to this. The zero-order hold, the forward difference, the backward Discretization may be performed using the difference.

以上のように、本発明の実施の形態によれば、第1スイッチング素子14のオン状態と第2スイッチング素子16のオン状態とにおいて異なる状態方程式を適用したオブザーバを用いることでリアクトル電流の推定誤差を抑制することができる。また、デッドタイム時間のリアクトル電流の推定値が正の場合と負の場合においてそれぞれ第1スイッチング素子14がオンの状態方程式、第2スイッチング素子16がオンの状態方程式を適用することでリアクトル電流の推定誤差を抑制することができる。さらに、コンデンサ電圧の推定値をフィードバックすることで、リアクトル電流の推定精度を高めることができる。また、過渡応答の立ち上がり時間の短縮と行き過ぎ量の低減との両立を図れる制御を実現できる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, the estimation error of the reactor current can be improved by using an observer to which a different state equation is applied between the ON state of the first switching element 14 and the ON state of the second switching element 16. Can be suppressed. In addition, when the estimated value of the reactor current during the dead time is positive and negative, the state equation in which the first switching element 14 is on and the state equation in which the second switching element 16 is on are applied to the reactor current, respectively. An estimation error can be suppressed. Further, by feeding back the estimated value of the capacitor voltage, the estimation accuracy of the reactor current can be improved. Further, it is possible to realize control capable of achieving both a reduction in the rise time of the transient response and a reduction in the amount of overshoot.

なお、実施の形態では、同一次元オブザーバを用いたが、最小次元オブザーバを適用してもよい。   In the embodiment, the same dimension observer is used, but a minimum dimension observer may be applied.

10 直流電源、11 DC/DCコンバータ、12 リアクトル、14 第1スイッチング素子、16 第2スイッチング素子、17 低圧側コンデンサ、18 高圧側コンデンサ、19 正極母線、20 負極母線、21,22 電圧センサ、24 電流センサ、26 角度センサ、30 制御装置、31 減算器、32 PI制御器、34 オブザーバ、35 スイッチング時間計算器、36 第1オブザーバ、37 第2オブザーバ、38 第3オブザーバ、39 第4オブザーバ、40 第5オブザーバ、41,42 オブザーバ、44 切替スイッチ、50 モデル予測制御器、51 スイッチング時間計算器、52 予測制御本体部、53 加算器、54 予測演算器、55 評価関数演算器、56 最適デューティ比設定部、57 第2加算器、60 リミッタ、100 モータ駆動装置、104 負荷、105 インバータ、106 モータ。   Reference Signs List 10 DC power supply, 11 DC / DC converter, 12 reactor, 14 first switching element, 16 second switching element, 17 low voltage side capacitor, 18 high voltage side capacitor, 19 positive electrode bus, 20 negative electrode bus, 21, 22 voltage sensor, 24 Current sensor, 26 angle sensor, 30 controller, 31 subtractor, 32 PI controller, 34 observer, 35 switching time calculator, 36 first observer, 37 second observer, 38 third observer, 39 fourth observer, 40 Fifth observer, 41, 42 observer, 44 changeover switch, 50 model predictive controller, 51 switching time calculator, 52 predictive control main body, 53 adder, 54 predictive calculator, 55 evaluation function calculator, 56 optimal duty ratio Setting unit, 57 second adder, 6 0 limiter, 100 motor drive, 104 load, 105 inverter, 106 motor.

Claims (5)

第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子の接続点と直流電源とに両端が接続されるリアクトルとを含むDC/DCコンバータの制御装置であって、
前記DC/DCコンバータの出力電圧の指令値及び測定値の偏差を比例積分演算するPI制御器と、
前記DC/DCコンバータの出力電圧を制御するための次回デューティ比を出力するモデル予測制御器と、
前記第1スイッチング素子のデューティ比と三角波比較PWMとに基づいて、前記第1スイッチング素子のオン時間、前記第2スイッチング素子のオン時間及びデッドタイム時間を算出するスイッチング時間計算器と、
直流電源電圧及び出力電圧の測定値と前記DC/DCコンバータの出力電流と前記スイッチング時間計算器で求めた前記第1スイッチング素子のオン時間、前記第2スイッチング素子のオン時間、及びデッドタイム時間と、状態方程式とを用いて、リアクトル電流及び前記出力電圧を推定するオブザーバと、を備え、
前記モデル予測制御器は、
状態方程式に用いる前記リアクトルのインダクタンスとして、リアクトル電流推定値に対する依存性を持つインダクタンスを用いて、かつ、前記第1スイッチング素子がオンの場合と前記第2スイッチング素子がオンの場合とで別の状態方程式を用いて、かつ、前記デューティ比を変化させた場合における、前記リアクトル電流または前記出力電圧の予測値と前記PI制御器の出力に関係する値との偏差の2乗を評価関数として算出し、前記評価関数が最小となる場合における前記デューティ比を前記次回デューティ比として決定する、DC/DCコンバータの制御装置。
A control device for a DC / DC converter including a first switching element and a second switching element, and a reactor having both ends connected to a connection point of the first switching element and the second switching element and a DC power supply,
A PI controller that performs a proportional-plus-integral operation on a deviation between a command value and a measured value of the output voltage of the DC / DC converter;
A model prediction controller that outputs a next duty ratio for controlling an output voltage of the DC / DC converter;
A switching time calculator that calculates an ON time of the first switching element, an ON time of the second switching element, and a dead time based on the duty ratio of the first switching element and the triangular wave comparison PWM;
The measured values of the DC power supply voltage and the output voltage, the output current of the DC / DC converter, the ON time of the first switching element, the ON time of the second switching element, and the dead time obtained by the switching time calculator. Using a state equation and an observer for estimating a reactor current and the output voltage,
The model predictive controller,
As an inductance of the reactor used in the equation of state, an inductance having a dependency on a reactor current estimated value is used, and different states are used when the first switching element is on and when the second switching element is on. Using an equation and calculating the square of the deviation between the predicted value of the reactor current or the output voltage and the value related to the output of the PI controller when the duty ratio is changed, as an evaluation function. A DC / DC converter control device that determines the duty ratio when the evaluation function is minimized as the next duty ratio.
請求項1に記載のDC/DCコンバータの制御装置において、
前記PI制御器の出力は、リアクトル電流指令値であり、
前記モデル予測制御器は、
前記デューティ比を変化させた場合における、前記リアクトル電流の予測値と前記リアクトル電流指令値との偏差の2乗を前記評価関数として算出し、前記評価関数が最小となる場合における前記デューティ比を前記次回デューティ比として決定する、DC/DCコンバータの制御装置。
The control device for a DC / DC converter according to claim 1,
The output of the PI controller is a reactor current command value,
The model predictive controller,
In the case where the duty ratio is changed, the square of the deviation between the reactor current predicted value and the reactor current command value is calculated as the evaluation function, and the duty ratio when the evaluation function is minimized is calculated. A DC / DC converter control device that determines the duty ratio for the next time.
請求項1に記載のDC/DCコンバータの制御装置において、
前記PI制御器の出力は、前記出力電圧の指令の変化値であり、
前記出力電圧の指令値に前記出力電圧の指令の変化値を加算する加算器を備え、
前記モデル予測制御器は、
前記デューティ比を変化させた場合における、前記出力電圧の予測値と前記加算器の出力との偏差の2乗を前記評価関数として算出し、前記評価関数が最小となる場合における前記デューティ比を前記次回デューティ比として決定する、DC/DCコンバータの制御装置。
The control device for a DC / DC converter according to claim 1,
The output of the PI controller is a change value of the output voltage command,
An adder that adds a change value of the output voltage command to the output voltage command value,
The model predictive controller,
When the duty ratio is changed, the square of the deviation between the predicted value of the output voltage and the output of the adder is calculated as the evaluation function, and the duty ratio when the evaluation function is minimized is calculated as A DC / DC converter control device that determines the duty ratio for the next time.
請求項2または請求項3に記載のDC/DCコンバータの制御装置において、
前記次回デューティ比を最適な上限及び下限で制限し、制限後の前記次回デューティ比により前記出力電圧を制御する、DC/DCコンバータの制御装置。
The control device for a DC / DC converter according to claim 2 or 3,
A control device for a DC / DC converter, wherein the next duty ratio is limited by optimal upper and lower limits, and the output voltage is controlled by the limited next duty ratio.
請求項1から請求項4のいずれか1に記載のDC/DCコンバータの制御装置において、
前記モデル予測制御器は、前記リアクトル電流または前記出力電圧の予測値を算出する場合に用いる前記第1スイッチング素子のオン時間、前記第2スイッチング素子のオン時間、及びデッドタイム時間を、現在の前記デューティ比から所定値ずつ加算または減算して得た複数の仮デューティ比から設定し、複数の仮デューティ比に応じて、複数の前記リアクトル電流の予測値、または複数の前記出力電圧の予測値を算出する、DC/DCコンバータの制御装置。
The control device for a DC / DC converter according to any one of claims 1 to 4,
The model predictive controller calculates the on-time of the first switching element, the on-time of the second switching element, and the dead time, which are used when calculating the predicted value of the reactor current or the output voltage. A plurality of predicted values of the reactor current or a plurality of predicted values of the output voltage are set according to the plurality of provisional duty ratios obtained by adding or subtracting a predetermined value from the duty ratio. A control device for a DC / DC converter to calculate.
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