JP5128195B2 - Drive controller 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駆動制御装置に関する。 The present invention includes a step-up / down converter drive control device that includes a step-up switching element and a step-down switching element and performs control of power supply to a load and control of supply of regenerative power obtained from the load to a storage element. About.
従来より、一般的な昇降圧コンバータでは、昇圧用スイッチング素子と降圧用スイッチング素子を駆動するためのデューティ指令は、リアクトルに通流する電流の値や、出力電圧の値を用いるフィードバック系のPI(Proportional Integral)制御によって導出される(例えば、特許文献1参照)。
ところで、このような昇降圧コンバータでは、フィードバック制御による電流の立ち上がりが遅れるため、昇降圧の切り替え時にデューティ指令に対して電流の応答が遅れるという課題がある。 By the way, in such a step-up / step-down converter, since the rise of current by feedback control is delayed, there is a problem that the response of the current is delayed with respect to the duty command when switching the step-up / step-down.
特に、建設機械等のいわゆる重機械の駆動系の一部を電動化したハイブリッド型の重機械に上述のような昇降圧コンバータを適用する場合には、ハイブリッドカー等に比べて取り扱う電力が遙かに大きいことから、電動機の力行運転と回生運転を切り替える際(すなわち、昇降圧を切り替える際)の応答遅れによる制御性の悪化が顕在化するおそれがある。 In particular, when the above-mentioned buck-boost converter is applied to a hybrid heavy machine that is a part of a drive system of a so-called heavy machine such as a construction machine, it handles less power than a hybrid car or the like. Therefore, there is a risk that deterioration of controllability due to a response delay when switching between the power running operation and the regenerative operation of the electric motor (that is, when switching the step-up / step-down pressure) may become apparent.
また、このようなフィードバック制御における電流応答の遅れに対して、PI制御のゲインを増大させて応答性を改善する手法があるが、入力が急激に変動した場合にオーバーシュートが大きくなり、PI制御における演算量が増大するとともに、制御性が悪化するという課題があった。 In addition, there is a method for improving the responsiveness by increasing the gain of PI control with respect to the delay in the current response in such feedback control. However, when the input fluctuates rapidly, the overshoot becomes large and the PI control is increased. There is a problem in that the amount of computation increases and controllability deteriorates.
そこで、本発明は、昇降圧動作の切り替え時における応答性を向上させた昇降圧コンバータの駆動制御装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a drive control device for a step-up / step-down converter with improved responsiveness at the time of switching a step-up / step-down operation.
本発明の一局面の昇降圧コンバータの駆動制御装置は、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、前記電動機への供給電力を蓄積する電源が接続される第2端子と、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、を含む昇降圧コンバータの駆動制御装置であって、前記第1端子の第1電圧値を検出する第1電圧検出手段と、前記第2端子の第2電圧値を検出する第2電圧検出手段と、前記第1電圧検出手段によって検出される第1電圧値と、前記第2電圧検出手段によって検出される第2電圧値とを用いたフィードフォワード制御により、昇降圧動作の切り替え時に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するためのデューティ比を補正する、制御手段とを備える。 A drive control device for a buck-boost converter according to one aspect of the present invention stores a first terminal for transferring power to and from an electric motor that performs both power running operation and regenerative operation, and electric power supplied to the electric motor. A second terminal to which a power supply is connected; a step-up switching element for controlling the supply of power to the motor; and a step-down switching element for controlling the supply of regenerative power obtained from the motor to the power supply And a step-up / step-down converter drive control device including a step-up switching element, a step-down switching element and a reactor connected between the second terminal and the first voltage value of the first terminal First voltage detecting means for detecting, second voltage detecting means for detecting a second voltage value of the second terminal, first voltage value detected by the first voltage detecting means, and the second voltage Control means for correcting the duty ratio for driving the step-up switching element and the step-down switching element at the time of switching of the step-up / step-down operation by feedforward control using the second voltage value detected by the output means; Is provided.
また、前記制御手段は、PI制御器を有し、当該PI制御器の出力するデューティ比と前記フィードフォワード制御によるデューティ比とを加算することにより、前記デューティ比を補正してもよい。 The control means may include a PI controller, and correct the duty ratio by adding the duty ratio output by the PI controller and the duty ratio by the feedforward control.
また、これに代えて、前記制御手段は、昇圧動作への切り替え時に、又は、降圧動作への切り替え時に、前記第1電圧値と前記第2電圧値との比に基づいて前記デューティ比を補正して前記昇圧用スイッチング素子を駆動してもよい。 Alternatively, the control unit corrects the duty ratio based on a ratio between the first voltage value and the second voltage value when switching to a boost operation or switching to a step-down operation. Then, the boosting switching element may be driven.
また、前記制御手段は、昇圧動作への切り替え時には、D0=1−(E/V)で表される初期値D0で前記デューティ比を補正して前記昇圧用スイッチング素子を駆動してもよい。 Further, the control means may drive the boosting switching element by correcting the duty ratio with an initial value D0 represented by D0 = 1− (E / V) when switching to the boosting operation.
また、前記制御手段は、降圧動作への切り替え時には、D0=E/Vで表される初期値D0で前記デューティ比を補正して前記降圧用スイッチング素子を駆動してもよい。 The control means may drive the step-down switching element by correcting the duty ratio with an initial value D0 represented by D0 = E / V when switching to the step-down operation.
本発明によれば、昇降圧動作の切り替え時における応答性を向上させた昇降圧コンバータの駆動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 drive control device for a step-up / step-down converter with improved responsiveness at the time of switching a step-up / step-down operation.
以下、本発明の昇降圧コンバータの駆動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 drive 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を接続するための出力端子7、一対の出力端子7に並列に挿入される平滑用のコンデンサ8、及びリアクトル電流検出部9を備える。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a circuit configuration of the buck-boost converter according to the present embodiment. This step-up / down converter includes a
なお、図1には、電源として用いられる蓄電素子としてコンデンサ4を示すが、この蓄電素子は、充放電可能な二次電池、又は、電力の送受が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。
In FIG. 1, a capacitor 4 is shown as a power storage element used as a power source. This power storage element may be a secondary battery that can be charged and discharged, or a power source of another form that can transmit and receive power. Good. Further, the
リアクトル1は、一端が昇圧用IGBT2及び降圧用IGBT3の間に接続され、他端が電源接続端子5に接続される。また、平滑用のコンデンサ8は、出力端子7の正極端子と負極端子との間に挿入され、出力電圧を平滑化する。
リアクトル電流検出部9は、リアクトル1に通流する電流の値を検出する抵抗器を含む。検出される電流値は、後述するフィードフォワード制御に用いられる。
Reactor current detection unit 9 includes a resistor that detects the value of current flowing through
また、電源接続端子5及び出力端子7には、電源電圧及び出力電圧を検出する検出部がそれぞれ配設される。検出される2つの電圧値は、後述するフィードフォワード制御に用いられる。 The power supply connection terminal 5 and the output terminal 7 are provided with detection units for detecting the power supply voltage and the output voltage, respectively. The two detected voltage values are used for feedforward control described later.
このような昇降圧コンバータにおいて、昇圧動作を実行する際には、駆動制御部で昇圧用IGBT2のゲート端子にパルス電圧を印加してPWM駆動することにより、コンデンサ4の電圧値を昇圧し、降圧用IGBT3に並列に接続されたダイオードを介してモータ6に電力供給を行う。
In such a step-up / step-down converter, when a boosting operation is performed, the drive control unit applies a pulse voltage to the gate terminal of the boosting IGBT 2 and performs PWM driving, thereby boosting the voltage value of the capacitor 4 and reducing the voltage. Electric power is supplied to the
また、降圧動作を実行する際には、駆動制御部で降圧用IGBT3のゲート端子にパルス電圧を印加してPWM駆動することにより、モータ6から得られる回生エネルギをコンデンサ4に充電する。
Further, when performing the step-down operation, the drive controller applies a pulse voltage to the gate terminal of the step-down IGBT 3 and performs PWM driving, thereby charging the capacitor 4 with regenerative energy obtained from the
以上のようにして昇降圧動作が実現される。 The step-up / step-down operation is realized as described above.
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機械の電源制御部に適用することができる。具体例としては、建設機械のアームの角度操作を電動モータで駆動制御する形態、これに加えてバケットリンクの電動駆動若しくはリフティングマグネットの電動化を行う形態、又は、走行用の無限軌道の駆動装置を電動化若しくはハイブリッド化する形態等における電源制御部に用いることができる。 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. As a specific example, a configuration in which the angle operation of the arm of the construction machine is driven and controlled by an electric motor, a mode in which a bucket link is electrically driven or a lifting magnet is electrified, or a driving device for an endless track for traveling Can be used for a power supply control unit in a form of electrification or hybridization.
これらの用途では、例えば、キャパシタ4の電圧値が約100〜300V、出力端子7における出力定格電圧が約360V、定格出力が約20kW、瞬時最大出力電力が±60kW、定格電流が±55A、瞬時最大電流が±170A程度となる。 In these applications, for example, the voltage value of the capacitor 4 is about 100 to 300 V, the rated output voltage at the output terminal 7 is about 360 V, the rated output is about 20 kW, the instantaneous maximum output power is ± 60 kW, the rated current is ± 55 A, the instantaneous The maximum current is about ± 170A.
このため、本実施の形態におけるリアクトル1、昇圧用IGBT2、降圧用IGBT3、電源接続端子5、出力端子7、コンデンサ8、及びリアクトル電流検出部9は、図1に示す一つの昇降圧コンバータとして、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。
Therefore, the
昇圧用IGBT2及び降圧用IGBT3は、後述するPWM(Pulse Width Modulation)制御部によってPWM駆動される。すなわち、これらのIGBT2、3のゲート端子には、駆動制御部から駆動用のパルス電圧が印加される。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。 The step-up IGBT 2 and the step-down IGBT 3 are PWM-driven by a PWM (Pulse Width Modulation) control unit described later. That is, a driving pulse voltage is applied to the gate terminals of the IGBTs 2 and 3 from the drive control unit. Such a control unit can be realized by either an electronic circuit or an arithmetic processing unit.
図2は、本実施の形態の昇降圧コンバータ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、電圧用PI制御部11、電流用PI制御部12、PWM制御部13、駆動状態切替部14、デューティ補正部15、及び切替部16を備える。
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of the buck-boost converter according to the present embodiment in a control block. As shown in this figure, the
電圧用PI制御部11は、電圧目標値V*と出力端子7の出力電圧値とに基づくPI制御により、目標電流値ict*を演算する。
The voltage
電流用PI制御部12は、絶対値出力部12aを有し、目標電流値ict*とリアクトルに通流する電流の値ictに基づくPI制御により、絶対値出力部12aを介して目標デューティ指令値Dを演算する。このため目標デューティ指令値Dは正の値をとる。
The current
PWM制御部13は、目標デューティ指令値Dとデューティ補正値D0に基づき、デューティ指令値を演算し、昇圧用スイッチング素子2及び降圧用スイッチング素子3の駆動制御を行う。なお、デューティ指令値は、昇圧動作時の値を正とし、降圧動作時の値に負の符号を付して区別する。
The
駆動状態切替部14は、昇降圧コンバータの駆動状態を「昇圧PWM制御」、「オフ(OFF)」、又は「降圧PWM制御」のいずれかに切り替える。この切り替えは、電圧目標値V*と出力端子7の端子間電圧値Vとに基づいて行われ、「電圧目標値V*−端子間電圧値V>0」の場合は「昇圧PWM制御」に切替られ、「電圧目標値V*−端子間電圧値V≒0」の場合は「オフ(OFF)」に切り替えられ、「電圧目標値V*−端子間電圧値V<0」の場合は「降圧PWM制御」に切り替えられる。 The drive state switching unit 14 switches the drive state of the step-up / step-down converter to one of “step-up PWM control”, “OFF (OFF)”, and “step-down PWM control”. This switching is performed based on the voltage target value V * and the inter-terminal voltage value V of the output terminal 7. When “voltage target value V * −inter-terminal voltage value V> 0”, “step-up PWM control” is set. When “voltage target value V * −terminal voltage value V≈0”, it is switched to “OFF”, and when “voltage target value V * −terminal voltage value V <0”, “ It is switched to “step-down PWM control”.
昇降圧コンバータでは、電源であるコンデンサ4の電圧値E(すなわち、電源接続端子5の端子間電圧値、以下「電源電圧E」と称す)、リアクトル1に通流する電流(以下、「リアクトル電流」と称す)の値ict(以下、「リアクトル電流値ict」と称す)、及び出力端子7の端子間電圧値V(以下、「出力電圧V」と称す)が検出される。なお、リアクトル電流値ictは、昇圧動作時に電源接続端子5から出力端子7に流れる方向を正とし、降圧動作時に出力端子7から電源接続端子5に流れる方向を負とする。 In the step-up / step-down converter, the voltage value E of the capacitor 4 as a power source (that is, the voltage value between the terminals of the power supply connection terminal 5, hereinafter referred to as “power supply voltage E”), the current flowing through the reactor 1 (hereinafter referred to as “reactor current”). ) (Hereinafter referred to as “reactor current value ict”) and the voltage V between terminals of the output terminal 7 (hereinafter referred to as “output voltage V”) are detected. Reactor current value ict is positive in the direction flowing from power supply connection terminal 5 to output terminal 7 during the step-up operation, and negative in the direction flowing from output terminal 7 to power supply connection terminal 5 during the step-down operation.
デューティ補正部15は、昇圧動作及び降圧動作の双方の場合に、昇圧用スイッチング素子2及び降圧用スイッチング素子3を駆動するためのデューティ指令値の補正を行う。
The
切替部16は、昇圧動作と降圧動作とに応じて、デューティ補正部15とPWM制御部13との接続の切替を行う。
The
図3は、本実施の形態の昇降圧コンバータにおけるリアクトル電流とデューティ指令の関係を示す特性図である。 FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the reactor current and the duty command in the buck-boost converter according to the present embodiment.
既述のように、フィードバック制御型の昇降圧コンバータでは昇降圧動作の切り替えの前後の領域でデューティ指令値に対してリアクトル電流の応答に遅れが出る。この状態を図3に破線で示す。本実施の形態の昇降圧コンバータでは、以下の制御処理によりリアクトル電流の応答遅れが改善される。 As described above, in the feedback control type buck-boost converter, the response of the reactor current is delayed with respect to the duty command value in the region before and after switching of the buck-boost operation. This state is indicated by a broken line in FIG. In the buck-boost converter of the present embodiment, the response delay of the reactor current is improved by the following control process.
デューティ補正部15は、降圧動作から昇圧動作に切り替えるときには、そのときに昇降圧コンバータで検出される電源電圧E及び出力電圧Vを用いて、D0=1−(E/V)で表されるデューティ補正値D0を算出し、これをPWM制御部13に送る。
When switching from the step-down operation to the step-up operation, the
PWM制御部13には、電流用PI制御部12で演算される目標デューティ指令値Dがデューティ比の初期値D0によって補正された(D+D0)が入力され、このデューティ指令値(D+D0)により昇圧用IGBT2が駆動される。ここで、昇圧動作への切り替え時には、目標デューティ指令値Dは略零である。このため、昇圧動作への切り替え時に、デューティ比の初期値D0が補正値として用いられて昇圧用IGBT2が駆動される。この結果、図3の第1象限に示すように、リアクトル電流はデューティに対する遅れのないものとなる。
The
一方、昇圧動作から降圧動作に切り替えるときには、そのときに昇降圧コンバータで検出される電源電圧E及び出力電圧Vを用いて、D0=E/Vで表されるデューティ補正値D0を算出し、これをPWM制御部13に送る。
On the other hand, when switching from the step-up operation to the step-down operation, the duty correction value D0 represented by D0 = E / V is calculated using the power supply voltage E and the output voltage V detected by the step-up / step-down converter at this time. Is sent to the
PWM制御部13には、電流用PI制御部12で演算される目標デューティ指令値Dがデューティ比の初期値D0によって補正された(D+D0)が入力され、このデューティ指令値(D+D0)により降圧用IGBT3が駆動される。ここで、降圧動作への切り替え時には、目標デューティ指令値Dは略零である。このため、降圧動作への切り替え時に、デューティ比の初期値D0が補正値として用いられて降圧用IGBT3が駆動される。この結果、図3の第3象限に示すように、リアクトル電流はデューティに対する遅れのないものとなる。
The
以上、本実施の形態の昇降圧コンバータでは、フィードフォワード型の制御においてデューティ指令値の補正を行うため、図3に実線で示すように、昇降圧動作の切り替えの前後の領域において、リアクトル電流の良好な応答性が得られる。 As described above, in the buck-boost converter according to the present embodiment, in order to correct the duty command value in the feed-forward type control, as shown by the solid line in FIG. Good responsiveness can be obtained.
特に、ハイブリッド型の建設機械等の電源装置に適用する場合は、取り扱う電力が電気自動車やハイブリッドカーに比べて遙かに大きいため、電流応答の改善によって良好な昇降圧の切り替え動作を行うことができ、また、オーバーシュートの発生を抑制できることにより、PI制御系の負担を軽減することができる。 In particular, when applied to a power supply device such as a hybrid construction machine, since the electric power handled is much larger than that of an electric vehicle or a hybrid car, it is possible to perform a favorable switching operation of the buck-boost by improving the current response. In addition, since the occurrence of overshoot can be suppressed, the burden on the PI control system can be reduced.
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
また、以上では、電流用PI制御部12から(絶対値出力部12aを介して)出力される目標デューティ指令値Dを補正する形態について説明したが、制御方式はPI制御方式に限られるものではなく、ヒステリシス制御、ロバスト制御、適応制御、比例制御、積分制御、ゲインスケジューリング制御、又は、スライディングモード制御による目標デューティ指令値Dを補正してもよく、あるいは、1次以上のフィルタによる目標デューティ指令値Dを補正してもよい。
In the above description, the mode of correcting the target duty command value D output from the current PI control unit 12 (via the absolute
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駆動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。 As mentioned above, although the drive control apparatus of the step-up / step-down converter according to the exemplary embodiment of the present invention has been described, the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiment, and from the claims. Various modifications and changes can be made without departing.
1 リアクトル
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
9 リアクトル電流検出部
10 昇降圧コンバータの制御部
11 電圧用PI制御部
12 電流用PI制御部
12a 絶対値出力部
13 PWM制御部
14 駆動状態切替部
15 デューティ補正部
16 切替部
1 Reactor 2 Boost IGBT
3 Step-down IGBT
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 Capacitor 5 Power
Claims (5)
前記第1端子の第1電圧値を検出する第1電圧検出手段と、
前記第2端子の第2電圧値を検出する第2電圧検出手段と、
前記第1電圧値を用いたフィードバック制御により目標デューティ指令値を導出し、且つ、前記第1電圧値と前記第2電圧値とを用いたフィードフォワード制御により昇圧動作時のデューティ比の初期値及び降圧動作時のデューティ比の初期値を算出して、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するためのデューティ比を補正する、制御手段とを備え、
前記制御手段は、降圧動作から昇圧動作への切り替わりの際に前記目標デューティ指令値に前記昇圧動作時のデューティ比の初期値を加算し、昇圧動作から降圧動作への切り替わりの際に前記目標デューティ指令値に前記降圧動作時のデューティ比の初期値を加算することによって前記デューティ比を補正する、
昇降圧コンバータの駆動制御装置。 A first terminal for transferring power to and from a motor that performs both power running and regenerative operation; a second terminal to which a power source that stores power supplied to the motor is connected; and power to the motor A step-up switching element for controlling the supply of power, a step-down switching element for controlling the supply of regenerative power obtained from the electric motor to the power source, the step-up switching element, the step-down switching element, and the A step-up / down converter drive control device including a reactor connected between the second terminal,
First voltage detecting means for detecting a first voltage value of the first terminal;
Second voltage detecting means for detecting a second voltage value of the second terminal;
Deriving a target duty command value through feedback control using the first voltage value, and the initial value of the duty ratio of the voltage step-up operation by the feed-forward control using said second voltage value and the first voltage value and It calculates the initial value of the duty ratio of the voltage step-down operation, corrects the duty ratio for driving the front Symbol boosting switching element and the voltage-falling switching element, and a control unit,
The control means adds an initial value of a duty ratio at the time of the boost operation to the target duty command value at the time of switching from the step-down operation to the step-up operation, and the target duty at the time of switching from the step-up operation to the step-down operation. Correcting the duty ratio by adding an initial value of the duty ratio during the step-down operation to the command value;
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