DE112020006461T5

DE112020006461T5 - Vorrichtung zur umwandlung von elektrischer energie

Info

Publication number: DE112020006461T5
Application number: DE112020006461.1T
Authority: DE
Inventors: Shota Watanabe; Tomokazu Sakashita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2022-10-27
Also published as: CN114930700A; US11960250B2; US20220413450A1; WO2021140571A1; JPWO2021140571A1; JP6793891B1

Abstract

Eine Hauptschaltung (2) weist ein Schaltelement auf und wandelt eine in die Hauptschaltung (2) eingegebene elektrische Energie um und führt ein Resultat der Umwandlung einer Last (5) zu. Eine Detektionseinheit (6) detektiert einen Ausgangswert der Hauptschaltung (2). Bei dem Ausgangswert der Hauptschaltung (2) handelt es sich um eine Ausgangsspannung der Hauptschaltung (2) oder einen Ausgangsstrom der Hauptschaltung (2). Eine Steuereinheit (3) steuert die Hauptschaltung (2). Die Steuereinheit (3) schaltet ein Steuerungsschema der Hauptschaltung (2) zu einem ersten Zeitpunkt, wenn der Ausgangswert beginnt, sich zu verändern, von einem ersten Steuerungsschema in ein zweites Steuerungsschema um und schaltet das Steuerungsschema der Hauptschaltung (2) zu einem zweiten Zeitpunkt, wenn eine Bestimmung, dass ein Umschalten der Richtung einer Änderung des Ausgangswerts auftreten wird, auf der Basis eines Detektionswerts der Detektionseinheit (6) erfolgt, von dem zweiten Steuerungsschema in das erste Steuerungsschema um.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie.
STAND DER TECHNIK
Die in PTL 1 offenbarte Rückkopplungssteuerungseinheit weist Folgendes auf: eine erste Steuereinheit, die in Reaktion auf die Eingabe einer Information in Bezug auf eine Steuerungsabweichung zwischen einer Prozessgröße und einem gewünschten Sollwert des gesteuerten Objekts eine Stellgröße für ein gesteuertes Objekt ausgibt, eine zweite Steuereinheit, die eine Lernprozess-Steuereinheit mit einem Parameter aufweist, der für ein Ausgeben der Stellgröße für das gesteuerte Objekt verwendet wird, die durch einen maschinellen Lernprozess bestimmt wird, einen Addierer, der eine von der ersten Steuereinheit ausgegebene erste Stellgröße und eine von der zweiten Steuereinheit ausgegebene zweite Stellgröße addiert und die resultierende Stellgröße an das gesteuerte Objekt ausgibt, sowie einen Begrenzer, der die von der zweiten Steuereinheit ausgegebene zweite Stellgröße begrenzt.
LITERATURLISTE
Patentliteratur
PTL 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift 2019-71 405
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Wenn es sich bei dem gesteuerten Objekt zum Beispiel um eine Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom handelt, ändert sich die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom in einer Weise, die von verschiedenen Faktoren abhängig ist, wie beispielsweise von einer Laständerung oder Rauschen. Die Größe der Änderung und die Stellgröße, die für eine Steuerung erforderlich ist, ändern sich in einer Weise, die von der Größe der hervorgerufenen Laständerung oder dergleichen abhängig ist. Bei der in PTL 1 offenbarten Rückkopplungssteuerungseinheit wird die von der zweiten Steuereinheit ausgegebene zweite Stellgröße durch den Begrenzer begrenzt, so dass es schwierig sein kann, eine Änderung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms zu reduzieren, wenn sich die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom stark ändert.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie anzugeben, die in der Lage ist, eine Änderung einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms zu reduzieren.
Lösung für das Problem
Eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Hauptschaltung, die ein Schaltelement aufweist, wobei die Hauptschaltung dazu dient, eine in die Hauptschaltung eingegebene elektrische Energie umzuwandeln und ein Resultat der Umwandlung einer Last zuzuführen, eine Detektionseinheit, um einen Ausgangswert der Hauptschaltung zu detektieren, sowie eine Steuereinheit, um die Hauptschaltung zu steuern. Bei dem Ausgangswert der Hauptschaltung handelt es sich um eine Ausgangsspannung der Hauptschaltung oder einen Ausgangsstrom der Hauptschaltung. Die Steuereinheit schaltet ein Steuerungsschema der Hauptschaltung zu einem ersten Zeitpunkt, wenn der Ausgangswert beginnt, sich zu verändern, von einem ersten Steuerungsschema in ein zweites Steuerungsschema um und schaltet das Steuerungsschema der Hauptschaltung zu einem zweiten Zeitpunkt, wenn auf der Basis eines Detektionswerts der Detektionseinheit eine Bestimmung erfolgt, dass ein Umschalten einer Richtung einer Veränderung des Ausgangswerts auftreten wird, von dem zweiten Steuerungsschema in das erste Steuerungsschema um.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung schaltet die Steuereinheit das Steuerungsschema der Hauptschaltung zu dem ersten Zeitpunkt, wenn der Ausgangswert beginnt, sich zu verändern, von dem ersten Steuerungsschema in das zweite Steuerungsschema um und schaltet das Steuerungsschema der Hauptschaltung zu dem zweiten Zeitpunkt, wenn auf der Basis des Detektionswerts der Detektionseinheit eine Bestimmung erfolgt, dass ein Umschalten der Richtung einer Änderung des Ausgangswerts auftreten wird, von dem zweiten Steuerungsschema in das erste Steuerungsschema um. Dadurch wird eine Reduzierung einer Änderung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms ermöglicht.
Figurenliste
In den Figuren zeigen:

1 ein Schaubild, das eine Konfiguration einer Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt;
2 ein Schaubild, das einen Abwärts-Chopper darstellt, bei dem es sich um ein Beispiel für eine Hauptschaltung 2 handelt;
3 ein Flussdiagramm, dass eine Prozessablaufprozedur einer Abschätzungseinheit 12 darstellt;
4 ein Schaubild, das ein neuronales Netzwerk darstellt, das eine Ausgangsspannung vorhersagt;
5 ein Schaubild, das ein Beispiel darstellt, wie sich eine Ausgangsspannung Vo ändert;
6 ein Schaubild, das ein Schaltungsmodell darstellt, das durch Weiterentwickeln der in 2 dargestellten Schaltung erhalten wird, um eine Einschaltdauer D, die bei dem Abwärts-Chopper eingesetzt wird, präzise zu berechnen;
7 ein Schaubild, das Simulations-Wellenformen darstellt;
8 ein Schaubild, das fünf Arten von Steuerungsverfahren darstellt;
9 ein Schaubild, das Wellenformen der Ausgangsspannung Vo und die Einschaltdauer D bei mehrmaliger Durchführung eines Trainings darstellt;
10 ein Schaubild, das eine Konfiguration einer Vorrichtung 21 zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
11 ein Schaubild, das eine Konfiguration einer Steuereinheit 3 darstellt, deren Funktionalität über Software implementiert wird.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Schaubild, das eine Konfiguration einer Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt.
Eine Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie weist Folgendes auf: eine Hauptschaltung 2, eine Steuereinheit 3 sowie eine Ausgangsspannungs-Detektionseinheit 6. Die Hauptschaltung 2 wandelt eine von einer Energieversorgung 4 eingegebene elektrische Energie um und führt ein Resultat der Umwandlung einer Last 5 zu. Die Steuereinheit 3 steuert die Hauptschaltung 2. Die Ausgangsspannungs-Detektionseinheit 6 detektiert eine Ausgangsspannung der Hauptschaltung 2.
Die Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie wird zum Beispiel bei einer Scheinwerfervorrichtung oder einer Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung eingesetzt. Wenn die Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie bei einer Scheinwerfervorrichtung eingesetzt wird, handelt es sich bei der Last 5 um ein lichtemittierendes Element, wie beispielsweise eine LED. Wenn die Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie bei einer Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung eingesetzt wird, handelt es sich bei der Last 5 um eine Laserdiode, eine Entladelast oder dergleichen.
Bei der Hauptschaltung 2 handelt es sich um einen Schaltkreis. Der Schaltkreis weist ein Schaltelement auf, das durch ein Pulsbreitenmodulations(PWM)-Signal angesteuert wird, das von der Steuereinheit 3 erzeugt wird. Bei dem Schaltelement handelt es sich um ein Feldeffekttransistor(FET)-Element, ein Bipolartransistor-Element mit isoliertem Gate (IGBT-Element) oder dergleichen. Die Hauptschaltung 2 kann irgendeine Konfiguration aufweisen, solange die Hauptschaltung 2 als ein Schaltkreis dient.
Bei der Hauptschaltung 2 kann es sich um einen Aufwärts-Chopper oder einen Aufwärts-/Abwärts-Chopper handeln. Bei der Hauptschaltung 2 kann es sich um eine isolierende Schaltung handeln, wie beispielsweise einen Sperrwandler, einen LLC-Wandler oder einen Wandler mit einer dualen aktiven Brücke (DAB). Bei der Hauptschaltung 2 kann es sich um eine AC/DC-Wandlungsschaltung, die AC in DC umwandelt, oder um eine DC/AC-Wandlungsschaltung handeln, die DC in AC umwandelt.
2 ist ein Schaubild, das einen Abwärts-Chopper darstellt, bei dem es sich um ein Beispiel für die Hauptschaltung 2 handelt.
Der Abwärts-Chopper weist Folgendes auf: ein Schaltelement Ta, Dioden D1, D2, Kondensatoren Ca, Cf sowie eine Spule Lf. Der Kondensator Ca ist zwischen einem Eingangsknoten ND1 und einem Eingangsknoten ND2 angeordnet. Der Kondensator Cf ist zwischen einem Ausgangsknoten ND3 und einem Ausgangsknoten ND4 angeordnet. Die Diode D2 ist zwischen einem Zwischenknoten ND5 und einem Zwischenknoten ND6 angeordnet. Die Diode D1 und das Schaltelement Ta sind parallel zwischen dem Eingangsknoten ND1 und dem Zwischenknoten ND5 angeordnet. Die Spule Lf ist zwischen dem Zwischenknoten ND5 und dem Ausgangsknoten ND3 angeordnet.
Die Ausgangsspannungs-Detektionseinheit 6 detektiert eine Ausgangsspannung Vo der Hauptschaltung 2 und gibt ein Resultat der Detektion an die Steuereinheit 3 aus.
Die Steuereinheit 3 weist einen ADC 11, eine Abschätzungseinheit 12, eine Steuereinheit 13 der Hauptschaltung sowie eine PWM-Erzeugungseinheit 14 auf.
Der ADC 11 wandelt die Ausgangsspannung, die durch die Ausgangsspannungs-Detektionseinheit 6 detektiert wurde, in Abtastzeitperioden Ts in einen digitalen Wert um, um einen Ausgangsspannungs-Detektionswert Vdt zu erzeugen. Der ADC 11 gibt den Ausgangsspannungs-Detektionswert Vdt an die Abschätzungseinheit 12 und die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung aus.
Die Abschätzungseinheit 12 bestimmt auf der Basis eines Ausgangsspannungs-Befehlswerts Vr und eines vom ADC 11 ausgegebenen Ausgangsspannungs-Detektionswerts Vdt, ob sich die Ausgangsspannung Vo der Hauptschaltung 2 geändert hat (im Folgenden wird darauf als eine Ausgangsspannungsänderung Bezug genommen). Wenn bestimmt wird, dass die Ausgangsspannungsänderung aufgetreten ist, gibt die Abschätzungseinheit 12 eine Korrekturinformation Cr an die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung aus. Es ist anzumerken, dass der Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr von außen eingegeben werden kann oder in der Steuereinheit 3 festgehalten werden kann.
Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung führt eine normale Rückkopplungssteuerung, eine Rückkopplungssteuerung mit Korrektur sowie eine Anpassung eines integralen Terms der Rückkopplungssteuerung auf der Basis des Ausgangsspannungs-Befehlswerts Vr, des Ausgangsspannungs-Detektionswerts Vdt und der Korrekturinformation Cr durch.
Die PWM-Erzeugungseinheit 14 erzeugt auf der Basis der Ausgabe der Steuereinheit 13 der Hauptschaltung ein PWM-Signal, das zum Treiben der Hauptschaltung 2 verwendet wird.
Die Steuereinheit 3 erzeugt das PWM-Signal, das zum Treiben der Hauptschaltung 2 verwendet wird, um so zu bewirken, dass die Ausgangsspannung Vo der Hauptschaltung 2 dem Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr folgt. Wenn eine Ausgangsspannungsänderung auftritt, erhöht die Steuereinheit 3 die Antwortgeschwindigkeit im Vergleich dazu, wenn ein normaler Zustand vorliegt. Die Erhöhung der Antwortgeschwindigkeit, wenn eine Ausgangsspannungsänderung auftritt, erfolgt durch die Abschätzungseinheit 12 und die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung.
Als nächstes werden Details der Abschätzungseinheit 12 beschrieben.
Die Abschätzungseinheit 12 gibt über eine Zeitspanne von der Detektion der Änderung der Ausgangsspannung Vo bis zum Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung Vo als Korrekturinformation Cr einen Ausgangsspannungs-Vorhersagewert Vep aus und gibt ansonsten „0“ aus.
Die Abschätzungseinheit 12 erzeugt den Ausgangsspannungs-Vorhersagewert Vep auf der Basis des früheren und des aktuellen Ausgangsspannungs-Detektionswerts Vdt. Die Abschätzungseinheit 12 sagt ein Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung Vo unter Verwendung des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts Vep vorher. Die Richtung der Änderung der Ausgangsspannung Vo entspricht einer Richtung, in der die Ausgangsspannung Vo ansteigt (positive Richtung), oder einer Richtung, in der die Ausgangsspannung Vo abfällt (negative Richtung). Das Umschalten der Richtung der Änderung entspricht dem Umschalten der Änderungsrichtung von der positiven Richtung in die negative Richtung oder von der negativen Richtung in die positive Richtung. Die Abschätzungseinheit 12 kann das Auftreten des Umschaltens der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung Vo unter Verwendung des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts Vep präzise vorhersagen, so dass ermöglicht wird zu verhindern, dass eine Korrektur in großem Maßstab der Steuereinheit 13 der Hauptschaltung mit der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur während einer langen Zeitspanne durchgehend eingesetzt wird (später zu beschreiben).
3 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozessablaufprozedur einer Abschätzungseinheit 12 darstellt.
In Schritt S101 gewinnt die Abschätzungseinheit 12 einen Ausgangsspannungs-Detektionswert Vdt und einen Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr.
In Schritt S102 bestimmt die Abschätzungseinheit 12 auf der Basis des Ausgangsspannungs-Detektionswerts Vdt, ob die Änderung der Ausgangsspannung aufgetreten ist. Die Bestimmung, ob die Änderung der Ausgangsspannung aufgetreten ist, kann durch irgendein beliebiges Verfahren erfolgen, solange der Ausgangsspannungs-Detektionswert Vdt verwendet wird. Die Abschätzungseinheit 12 kann zum Beispiel bestimmen, dass die Änderung der Ausgangsspannung aufgetreten ist, wenn sich der Ausgangsspannungs-Detektionswert Vdt durchgehend mehrmals in einer Richtung geändert hat, in der ein Unterschied zwischen dem Ausgangsspannungs-Detektionswert Vdt und dem Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr zunimmt. Alternativ kann die Abschätzungseinheit 12 bestimmen, dass die Änderung der Ausgangsspannung aufgetreten ist, wenn der Unterschied zwischen dem Ausgangsspannungs-Detektionswert Vdt und dem Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr größer als ein Schwellenwert oder gleich diesem wird. Wenn bestimmt wird, dass die Änderung der Ausgangsspannung aufgetreten ist, ändert die Abschätzungseinheit 12 eine Flag flg in „1“ ab. Es ist anzumerken, dass die Abschätzungseinheit 12 in S102 die Flag flg nicht in null abändert. Die Abschätzungseinheit 12 ändert die Flag flg in S105 in null ab (später zu beschreiben). Wenn die Flag flg bereits „1“ ist, kann Schritt S102 übersprungen werden.
In Schritt 103 bestimmt die Abschätzungseinheit 12, ob die Flag flg „0“ oder „1“ ist. Wenn die Flag flg „0“ ist, rückt der Prozessablauf zu Schritt S107 vor, und wenn die Flag flg „1“ ist, rückt der Prozessablauf zu Schritt S104 vor.
In Schritt S104 sagt die Abschätzungseinheit 12 die Ausgangsspannung Vo in einer X-ten Abtastzeitperiode und einer (X+1)-ten Abtastzeitperiode in Bezug auf die aktuelle Abtastzeitperiode vorher. Die Abschätzungseinheit 12 kann die Ausgangsspannung Vo unter Verwendung einer Formel vorhersagen, die durch Modellieren der Vorrichtung 1 zur Umwandlung einer elektrischen Energie, einer Funktion, bei der eine Ausgangsspannungs-Wellenform simuliert wird, die erhalten wird, wenn eine Ausgangsspannungsänderung auftritt, wobei die Ausgangsspannungs-Wellenform im Voraus erstellt wird, oder eines Modells für einen maschinellen Lernprozess erhalten wird, das trainiert wurde. In der folgenden Beschreibung wird ein neuronales Netzwerk als das Modell für den maschinellen Lernprozess verwendet, das Modell für den maschinellen Lernprozess ist jedoch nicht auf das neuronale Netzwerk beschränkt, und es kann sich auch um eine Support Vector Machine, ein Random Forest, ein Gradienten-Boosting oder dergleichen handeln.
4 ist ein Schaubild, das ein neuronales Netzwerk darstellt, das eine Ausgangsspannung vorhersagt.
Das neuronale Netzwerk weist insgesamt drei Ebenen auf. Eine Eingabeebene, eine Zwischenebene (verborgene Ebene) und eine Ausgabeebene weisen drei Einheiten, sechs Einheiten beziehungsweise zwei Einheiten auf. Das neuronale Netzwerk kann zwei oder mehr Zwischenebenen aufweisen, und jede Ebene kann irgendeine Anzahl von Einheiten aufweisen, es ist jedoch erforderlich, dass die Steuerung der Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie einen hohen Durchsatz aufweist, so dass ein kleinmaßstäbliches Modell, wie in 4 dargestellt, wünschenswert ist.
Nachstehend wird eine Beschreibung angegeben, wie das neuronale Netzwerk funktioniert.
In die Eingabeebene des neuronalen Netzwerks werden Ausgangsspannungs-Detektionswerte N[n-2], N[n-1] und N[n] eingegeben, die einer Gesamtzahl von drei Abtastpunkten entsprechen, die den aktuellen Abtastpunkt und zwei frühere Abtastpunkte umfassen. n bezeichnet die aktuelle Abtastzeitperiode. Die Ausgabeebene gibt in der X-ten Abtastzeitperiode einen Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+X] und in der (X+1)-ten Abtastzeitperiode einen Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+X+1] aus, wobei die Ausgangsspannungs-Vorhersagewerte N[n+X], N[n+X+1] aus den in die Eingabeebene eingegebenen Ausgangsspannungs-Detektionswerten abgeschätzt werden, die den drei Abtastpunkten entsprechen.
Es kann zum Beispiel X = 1 vorgegeben werden, X ist jedoch nicht auf X = 1 beschränkt. Es ist wünschenswert, dass der Wert für X unter Berücksichtigung einer Systemverzögerung vorgegeben wird, wie beispielsweise einer Verzögerung, die bei einer Rückkopplungssteuerung und einer Detektion auftritt. Für ein System mit einer Verzögerung von drei Abtastzeitperioden kann zum Beispiel X = 3 vorgegeben werden. Ferner können drei frühere Ausgangsspannungs-Detektionswerte ohne den aktuellen Ausgangsspannungs-Detektionswert in die Eingabeebene des neuronalen Netzwerks eingegeben werden.
In Schritt S105 verwendet die Abschätzungseinheit 12 die in Schritt S104 erhaltenen Ausgangsspannungs-Vorhersagewerte N[n+X] und N[n+X+1], um zu bestimmen, ob das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung Vo auftreten wird.
5 ist ein Schaubild, das ein Beispiel zeigt, wie sich eine Ausgangsspannung Vo ändert. Nachstehend ist eine Beschreibung mit X = 1 angegeben.
In 5 ändert sich die Ausgangsspannung Vo in einem Anfangszustand nach unten. Daher resultiert ein Vergleich zwischen dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+1] in der nächsten Abtastzeitperiode und dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+2] in einer Abtastzeitperiode nach der nächsten Abtastzeitperiode in N[n+1] > N[n+2].
5 zeigt, dass die Richtung der Änderung der Ausgangsspannung Vo in eine Richtung nach oben umschaltet, wenn die Zeit verstreicht. Das heißt, ein Vergleich zwischen dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+1] in der nächsten Abtastzeitperiode und dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+2] in der Abtastzeitperiode nach der nächsten Abtastzeitperiode resultiert in N[n+1] > N[n+2]. In diesem Fall bestimmt die Abschätzungseinheit 12, dass das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung Vo auftreten wird.
Wenn bestimmt wird, dass das Umschalten der Richtung der Veränderung der Ausgangsspannung Vo auftreten wird, ändert die Abschätzungseinheit 12 die Flag flg in „0“ ab. Der Grund, warum die Steuereinheit 3 die Steuerung umschaltet, wenn bestimmt wird, dass das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung Vo auftreten wird, anstatt dann, wenn das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung Vo auftritt, liegt darin, dass es Verzögerungen gibt, wie beispielsweise eine Verzögerung bei der Erzeugung des PWM-Signals in der PWM-Erzeugungseinheit 14 und eine Verzögerung der Reaktion in der Hauptschaltung 2, nachdem die Steuereinheit 2 der Hauptschaltung eine Rückkopplungs-Berechnung durchgeführt hat. Die Steuereinheit 3 schaltet die Steuerung im Vorgriff auf derartige Verzögerungen im Voraus um.
In Schritt S106 rückt der Prozessablauf zu Schritt S107 vor, wenn die Flag flg „0“ ist, und der Prozessablauf rückt zu Schritt S108 vor, wenn die Flag flg „1“ ist.
In Schritt S107 gibt die Abschätzungseinheit 12 „0“ aus.
In Schritt S108 gibt die Abschätzungseinheit 12 in der X-ten Abtastzeitperiode den Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+X], der in S104 vorhergesagt wurde, als Korrekturinformation Cr aus. Es ist anzumerken, dass es sich in S108 bei dem Wert, der von der Abschätzungseinheit 12 ausgegeben wird, nur um einen Wert handeln muss, der in Schritt S104 vorhergesagt wurde, und dass es sich bei diesem zum Beispiel um den Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+X+1] in der (X+1)-ten Abtastzeitperiode handeln kann.
Die Reihenfolge der Schritte in dem in 3 dargestellten Flussdiagramm kann verändert werden. Zum Beispiel kann Schritt S104 vor Schritt S102 ausgeführt werden, unter dem Gesichtspunkt der Berechnungskomplexität ist es jedoch wünschenswert, dass Schritt S104 nach Schritt S102 ausgeführt wird, wie in 3 dargestellt. Ferner kann in Schritt S104 irgendeine Anzahl von Punkten vorhergesagt werden, solange zwei aufeinanderfolgende Punkte enthalten sind. In diesem Fall kann die Bestimmung des Umschaltens in Schritt S105 in irgendeiner gewünschten Weise erfolgen, solange der in Schritt S104 erhaltene Ausgangsspannungs-Vorhersagewert verwendet wird. Das heißt, die Bestimmung kann in einer Weise modifiziert werden, die von der Anzahl von Ausgangsspannungs-Vorhersagewerten abhängig ist.
Es ist anzumerken, dass die Bestimmung, ob eine Änderung der Ausgangsspannung aufgetreten ist, in Reaktion auf ein von außen übermitteltes Signal (nicht dargestellt) anstatt in S102 erfolgen kann. Bei einem System zum Beispiel, bei dem sich der Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr periodisch ändert, ändert sich die Ausgangsspannung mit einer Änderung des Befehlswerts, so dass, wenn ein die periodischen Änderungen repräsentierendes Signal im Voraus erstellt wird, die Bestimmung, ob die Änderung der Ausgangsspannung aufgetreten ist, auf der Basis des Signals erfolgen kann.
Wenn das in 4 dargestellte neuronale Netzwerk in Schritt S104 verwendet wird, ist es notwendig, einen Ausgangsspannungs-Detektionswert, der in der letzten Abtastzeitperiode erhalten wurde, und einen Ausgangsspannungs-Detektionswert zu speichern, der in einer Abtastzeitperiode vor der letzten Abtastzeitperiode erhalten wurde. Daher kann die Abschätzungseinheit 12 zum Beispiel in Schritt S101 den Ausgangsspannungs-Detektionswert, der in der letzten Abtastzeitperiode erhalten wurde, und den Ausgangsspannungs-Detektionswert speichern, der in der Abtastzeitperiode vor der letzten Abtastzeitperiode erhalten wurde.
Der Ausgangsspannungs-Detektionswert (der tatsächliche abgetastete Wert) kann darüber hinaus für die Bestimmung verwendet werden, ob das Umschalten der Änderungsrichtung in Schritt S105 auftreten wird. Zum Beispiel können eine Bestimmung, die auf einem Vergleich zwischen dem Ausgangsspannungs-Detektionswert in der aktuellen Abtastzeitperiode und dem Ausgangsspannungs-Detektionswert bei der letzten Abtastung beruht, eine Bestimmung, die auf einem Vergleich zwischen dem Ausgangsspannungs-Detektionswert und dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert beruht, oder dergleichen zusammen mit der Bestimmung verwendet werden, die auf einem Vergleich zwischen zwei Ausgangsspannungs-Vorhersagewerten beruht, die unter Bezugnahme auf Schritt S105 beschrieben sind. Wenn nur der Ausgangsspannungs-Vorhersagewert Vep[n+X] in der X-ten Abtastzeitperiode als der Ausgangsspannungs-Vorhersagewert verwendet wird, kann ferner die Bestimmung, ob das Umschalten der Änderungsrichtung auftreten wird, auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert in der X-ten Abtastzeitperiode, der in der letzten Abtastzeitperiode abgeschätzt wurde, und dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert in der X-ten Abtastzeitperiode erfolgen, der in der aktuellen Abtastzeitperiode abgeschätzt wird.
Als nächstes werden Details der Steuereinheit 13 der Hauptschaltung beschrieben.
Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung steuert die Hauptschaltung 2 durch ein erstes Steuerungsschema unter einer normalen Bedingung. Das erste Steuerungsschema entspricht zum Beispiel der normalen Rückkopplungssteuerung. Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung steuert die Hauptschaltung 2 durch ein zweites Steuerungsschema über eine Zeitspanne von dem Auftreten einer Änderung der Ausgangsspannung bis zu der Bestimmung, dass das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftreten wird, basierend auf dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert. Das zweite Steuerungsschema entspricht zum Beispiel der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur. Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung steuert die Hauptschaltung 2 durch das erste Steuerungsschema und passt den integralen Term der Rückkopplungssteuerung von dem Zeitpunkt der Bestimmung, dass das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftreten wird, basierend auf dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert an.
Das Umschalten des Steuerungsschemas, wenn die Ausgangsspannungsänderung auftritt, ermöglicht eine Erhöhung der Antwortgeschwindigkeit der Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie, wenn die Änderung der Ausgangsspannung auftritt. Das Anpassen des integralen Terms bei einer Rückkehr von dem Umschalten des Steuerungsschemas ermöglicht es zu verhindern, dass der Betrieb nach dem Umschalten instabil wird.
Zunächst wird die normale Rückkopplungssteuerung beschrieben, bei der es sich um einen Basisbetrieb der Steuereinheit 13 der Hauptschaltung handelt.
Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung berechnet einen Differenzwert SA zwischen dem Ausgangsspannungs-Detektionswert Vdt und dem Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr. Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung bestimmt eine Steuergröße CON, die an die PWM-Erzeugungseinheit 14 auszugeben ist, um so zu bewirken, dass der Differenzwert SA gleich null wird. Bei der Steuerung, die auf der Steuergröße CON basiert, kann es sich um irgendeine Steuerung handeln, solange bewirkt wird, dass der Differenzwert SA gleich null wird, und es kann sich um eine klassische Steuerung handeln, wie eine PI-Steuerung (Proportional Integral Control) oder eine PID-Steuerung (Proportional Integral Derivative Control), eine fortschrittliche Steuerung, wie beispielsweise eine H-Infinity-Steuerung, oder eine Steuerung unter Verwendung eines maschinellen Lernprozesses, wie beispielsweise eine Fuzzy-Steuerung. In der folgenden Beschreibung wird ein Beispiel angegeben, bei dem eine PID-Steuerung verwendet wird.
Als nächstes wird eine Beschreibung angegeben, wie das Steuerungsschema umgeschaltet wird, wenn eine Änderung der Ausgangsspannung auftritt.
Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung bestimmt auf der Basis der Ausgabe der Abschätzungseinheit 12, ob die Ausgangsspannungsänderung aufgetreten ist. Wenn die Ausgabe der Abschätzungseinheit 12 „0“ ist, bestimmt die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung, dass keine Änderung der Ausgangsspannung aufgetreten ist, und steuert die Hauptschaltung 2 durch das erste Steuerungsschema (normale Rückkopplungssteuerung). Ein Beispiel für einen Rechenausdruck für die normale Rückkopplungssteuerung ist in Formel (A1) gezeigt.
Math 1 $N_{o n} = N_{B} - K_{p} (N [n] - N_{R}) - K_{I} \sum (N [n] - N_{R}) - K_{D} (N [n] - N [n - 1])$
Wenn die Ausgabe der Abschätzungseinheit 12 nicht „0“ ist, bestimmt die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung, dass die Änderung der Ausgangsspannung aufgetreten ist, und schaltet das Steuerungsschema in das zweite Steuerungsschema um. Als ein Beispiel für das zweite Steuerungsschema wird nachstehend eine Rückkopplungssteuerung mit Korrektur beschrieben, bei welcher der Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+X] in der X-ten Abtastzeitperiode verwendet wird, der als Korrekturinformation Cr von der Abschätzungseinheit 12 übermittelt wird. Ein Beispiel für einen Rechenausdruck für die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur ist in Formel (1) gezeigt. Ein proportionaler Term Pt wird durch Formel (1a) wiedergegeben. Ein integraler Term IT wird durch Formel (1b) wiedergegeben. Ein abgeleiteter Term DT wird durch Formel (1c) wiedergegeben.
Math 2 $N_{o n} = N_{B} - K_{p} (N [n] - N_{R}) - K_{I} \sum (N [n] - N_{R}) - K_{D} (N [n] - N [n - 1])$
$P I = K_{p} {N [n] - (N_{R} + Δ N)}$
$I T = K_{I} \sum (N [n] - N_{R})$
$D I = K_{D} (N [n] - N [n - 1])$
n bezeichnet eine aktuelle Abtastzeitperiode. N[n] bezeichnet einen aktuellen Ausgangsspannungs-Detektionswert. N[n-1] bezeichnet einen Ausgangsspannungs-Detektionswert bei der letzten Abtastung. N_on bezeichnet eine Steuergröße, die von der Steuereinheit 13 der Hauptschaltung ausgegeben wird, K_p bezeichnet eine proportionale Verstärkung, K_I bezeichnet eine integrale Verstärkung, und K_D bezeichnet eine abgeleitete Verstärkung. N_B und N_R bezeichnen einen Vorspannungsterm beziehungsweise einen Referenzwert. Der Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr wird durch N_B und N_R wiedergegeben. ΔN bezeichnet einen Korrekturterm, der den Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+X] in der X-ten Abtastzeitperiode verwendet, und wird durch Formel (2) wiedergegeben.
Math 3 $Δ N = N_{R} - N [n + X]$
Bei der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur, die durch die Formeln (1) und (2) wiedergegeben wird, wird der Ausgangsspannungs-Vorhersagewert N[n+X] dazu verwendet, den Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr zu korrigieren, der durch den Referenzwert N_R und den Vorspannungsterm N_B wiedergegeben wird. Wenn die Änderung der Ausgangsspannung zum Beispiel eine Verringerung des Werts der Ausgangsspannung Vo verursacht, wird eine Aktion durchgeführt, die äquivalent zu einer Erhöhung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts Vr ist. Wenn die Änderung der Ausgangsspannung alternativ eine Erhöhung des Werts der Ausgangsspannung Vo verursacht, wird eine Aktion durchgeführt, die äquivalent zu einer Verringerung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts Vr ist. Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht ein Korrigieren des Ausgangsspannungs-Befehlswerts Vr bei der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur, wenn eine Ausgangsspannungsänderung auftritt, eine Erhöhung der Antwortgeschwindigkeit der Rückkopplungssteuerung, wenn die Ausgangsspannungsänderung auftritt.
Wenn die Ausgabe der Abschätzungseinheit 12 „0“ ist, ermöglicht ein Vorgeben des Werts der Formel (2) mit „0“ eine Realisierung der normalen Rückkopplungssteuerung ohne Ändern der Formel.
Die Formeln (1) und (2) wurden als Beispiele für die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur gezeigt, es können jedoch auch andere Formeln verwendet werden, wie beispielsweise eine Formel, bei welcher der Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr ohne Verwenden des Vorspannungsterms N_B und des Referenzwerts N_R verwendet wird.
Ein Element, das unter Verwendung des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts mit der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur zu korrigieren ist, kann ein anderes als der Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr sein, und eine Rückkopplungssteuerungsverstärkung, wie beispielsweise eine proportionale Verstärkung KP, kann zum Beispiel unter Verwendung des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts korrigiert werden.
Alternativ kann die Steuerung durchgeführt werden, um ohne Verwenden des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts in einer Zeitspanne, in der das Auftreten der Ausgangsspannungsänderung detektiert wird, auf eine vorgegebene Rückkopplungssteuerungsverstärkung umzuschalten. Die Verwendung des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts weist jedoch einen Vorteil dahingehend auf, dass eine Korrekturgröße gemäß der Höhe der Ausgangsspannungsänderung, die aufgetreten ist, angepasst werden kann.
Als nächstes wird eine Beschreibung der Anpassung des integralen Terms IT der Rückkopplungssteuerung angegeben.
Wenn die Abschätzungseinheit 12 bestimmt, dass das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftreten wird, schaltet die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Steuerungsschema der Hauptschaltung 2 von dem zweiten Steuerungsschema (Rückkopplungssteuerung mit Korrektur) in das erste Steuerungsschema (normale Rückkopplungssteuerung) um und passt den integralen Term IT der Rückkopplungssteuerung an.
Zu einem Zeitpunkt, wenn das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftritt, wird der Gradient der Ausgangsspannung Vo nahezu gleich null. Wenn der Gradient der Ausgangsspannung Vo gleich Null ist, befindet sich die elektrische Energie, die der Last 5 von der Hauptschaltung 2 zugeführt wird, im Gleichgewicht mit der Energie, die von der Last 5 verbraucht wird, wobei dies dem stationären Zustand ähnlich ist. Wenn bestimmt wird, dass das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftreten wird, berechnet die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung daher die Einschaltdauer D auf der Basis einer Formel, die einen Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der Einschaltdauer D im stationären Zustand wiedergibt. Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung passt den integralen Term IT der Rückkopplungssteuerung so an, dass bewirkt wird, dass die Einschaltdauer D gleich dem so berechneten Wert wird.
Es wird ein Beispiel beschrieben, bei dem es sich bei der Hauptschaltung 2 um den in 2 dargestellten Abwärts-Chopper handelt.
Wenn der Gradient der Ausgangsspannung Vo gleich null ist, fließt kein Strom durch den Kondensator Cf des Abwärts-Choppers, so dass die Höhe des durch die Spule Lf fließenden Stroms gleich der Höhe des durch die Last 5 fließenden Stroms wird. Dies liegt an der Tatsache, dass sich der Strom, der durch die Spule Lf fließt, wenn das Schaltelement Ta eingeschaltet ist, im Gleichgewicht mit dem Strom befindet, der durch die Spule Lf fließt, wenn das Schaltelement Ta ausgeschaltet ist, so dass die Einschaltdauer D durch Formel (3) berechnet werden kann.
Math 4 $\frac{1}{2} L (V_{i n} - V_{o}) D = \frac{1}{2} L V_{o} (1 - D)$
$D = \frac{V_{o}}{V_{i n}}$
Vin bezeichnet die Eingangsspannung der Hauptschaltung 2 und L bezeichnet den Reaktanz-Wert der Spule Lf. Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung berechnet die Einschaltdauer D unter Verwendung der Formel (3) aus dem Wert der Eingangsspannung und den im Voraus festgehaltenen Wert der Ausgangsspannung (aus dem Ausgangsspannungs-Detektionswert oder dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert). Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung passt den integralen Term IT der Rückkopplungssteuerung so an, dass eine Koinzidenz zwischen dem von der PWM-Erzeugungseinheit 14 erzeugten PWM-Signal und einem Signal mit der so berechneten Einschaltdauer D bewirkt wird.
Wenn es sich bei der Hauptschaltung 2 um einen Aufwärts-Chopper handelt, kann die Einschaltdauer D durch Formel (3a) erhalten werden. Wenn es sich bei der Hauptschaltung 2 um einen Aufwärts-/Abwärts-Chopper handelt, kann die Einschaltdauer D durch Formel (3b) erhalten werden. Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung kann den integralen Term IT der Rückkopplungssteuerung auf der Basis der berechneten Einschaltdauer D zu einem Zeitpunkt anpassen, wenn das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftritt. Das Anpassen des integralen Terms IT der Rückkopplungssteuerung ermöglicht es zu verhindern, dass die Steuerung nach einem Umschalten von der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur auf die normale Rückkopplungssteuerung instabil wird.
Math 5 $D = \frac{V_{o} - V_{i n}}{V_{o}}$
$D = \frac{V_{o}}{(- V_{i n} + V_{o})}$
Wie bei dem vorstehenden Beispiel beschrieben, wird, wenn die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur unter Verwendung des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts durchgeführt wird, um den Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr zu korrigieren, der Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr, der sich von dem tatsächlichen Ausgangsspannungs-Befehlswert unterscheidet, in äquivalenter Weise eingegeben. Im Ergebnis kann ein unerwarteter Wert nach dem Ende der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur mit dem integralen Term IT vorgegeben werden, so dass die Anpassung des integralen Terms IT effektiv ist.
Es ist anzumerken, dass der integrale Term IT mehrmals für jede Änderung der Ausgangsspannung angepasst werden kann. Die Abschätzungseinheit 12 misst zum Beispiel das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung bis zu drei Mal von dem Auftreten der Änderung der Ausgangsspannung an und gibt ein Befehlssignal für eine Anpassung des integralen Terms jedes Mal, wenn das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung detektiert wird, an die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung aus. Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung passt den integralen Term IT bei jedem Empfang des Befehlssignals für eine Anpassung des integralen Terms an.
Ein Wert, wie beispielsweise der Wert der Eingangsspannung Vin, der für ein Berechnen der Einschaltdauer notwendig ist, die bei dem Abwärts-Chopper eingesetzt wird, kann im Voraus in der Steuereinheit 3 festgehalten werden, oder eine (nicht dargestellte) Detektionseinheit kann die Eingangsspannung Vin detektieren. Die Einschaltdauer D kann auf der Basis eines Schaltungsmodells für ein Berechnen der Einschaltdauer D erhalten werden.
6 ist ein Schaubild, das ein Schaltungsmodell darstellt, das durch Weiterentwickeln der in 2 dargestellten Schaltung erhalten wird, um die bei dem Abwärts-Chopper eingesetzte Einschaltdauer D präzise zu berechnen.
Bei dem in 6 gezeigten Schaltungsmodell handelt es sich um ein Modell, das durch Addieren einer Widerstandskomponente r₁ des Schaltelements Ta, einer Widerstandskomponente r₂ der Diode D2 sowie einer Widerstandskomponente r_L der Spule Lf zu der in 2 dargestellten Schaltung erhalten wird. Die Einschaltdauer D wird durch Formel (4) wiedergegeben.
Math 6 $\frac{1}{2} L {V_{i n} - V_{o} - (r_{L} + r_{1}) i_{o}} D = \frac{1}{2} L {V_{o} + (r_{L} + r_{2}) I_{O}} (1 - D)$
$D = \frac{V_{o} + (r_{2} + r_{L}) i_{o}}{V_{i n} + (r_{2} - r_{1}) i_{o}}$
Der Ausgangsstrom Io in Formel (4) kann durch eine (nicht dargestellte) Ausgangsstrom-Detektionsschaltung detektiert werden oder kann aus der Ausgangsspannung Vo abgeschätzt werden, die bereits detektiert wurde.
Die Änderung der Ausgangsspannung wird durch eine Änderung des Widerstandswerts der Last 5, eine Änderung aufgrund von Rauschen, einer Änderung bei Veränderung des ausgegebenen Befehlswerts oder dergleichen verursacht. Als ein Beispiel wird nachstehend ein Verfahren für ein Abschätzen des Ausgangsstroms Io aus der Ausgangsspannung Vo beschrieben, wenn die Änderung der Ausgangsspannung aufgrund einer Änderung des Widerstandswerts der Last 5 auftritt.
Zunächst berechnet die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung einen Wert des Ausgangsstroms I_ost vor dem Auftreten der Änderung der Ausgangsspannung auf der Basis einer Formel (5), die durch Modifizieren der Formel (4) erhalten wird.
Math 7 $I_{o s t} = \frac{D_{s t} V_{i n s t} - V_{o s t}}{r_{L} + r_{1} + (r_{1} - r_{2}) D_{s t}}$
Dst, Vinst sowie Vost bezeichnen die Einschaltdauer, die bei der Hauptschaltung 2 vor dem Auftreten der Änderung der Ausgangsspannung eingesetzt wird, die Eingangsspannung der Hauptschaltung 2 beziehungsweise die Ausgangsspannung der Hauptschaltung 2. Vinst kann durch eine (nicht dargestellte) Detektionsschaltung detektiert werden oder kann im Voraus in der Steuereinheit 13 der Hauptschaltung festgehalten werden. Dst kann aus der Steuerungsgröße erhalten werden, die tatsächlich von der Steuereinheit 13 der Hauptschaltung ausgegeben wird.
Als nächstes berechnet die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung einen Strom Ic, der durch den Kondensator Cf fließt, wenn die Änderung der Ausgangsspannung auftritt. Der Strom Ic wird durch Formel (6) unter Verwendung der Ausgangsspannungs-Detektionswerte Vo[m-1], Vo[m], die bei einer Abtastung vor und nach dem Auftreten der Änderung der Ausgangsspannung detektiert wurden, der Abtastzeitperioden Ts und der Kapazität C des Kondensators Cf berechnet.
Math 8 $I_{c} = C \frac{V_{o} [m - 1] - V_{o} [m]}{T_{s}}$
Wie in Formel (7) gezeigt, berechnet die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung die Summe des Ausgangsstrom-Werts Iost vor dem Auftreten der Änderung der Ausgangsspannung und des Strom Ic, der durch den Kondensator Cf fließt, wenn die Ausgangsspannungsänderung auftritt, um einen Ausgangsstrom Ioc nach dem Auftreten der Ausgangsspannungsänderung zu erhalten.
Math 9 $I_{o c} = I_{o s t} + I_{c}$
Wie in Formel (8) gezeigt, berechnet die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung einen Widerstandswert Rc der Last 5 nach dem Auftreten der Ausgangsspannungsänderung auf der Basis des Ausgangsstroms Ioc und des Ausgangsspannungs-Detektionswerts Vo[m] nach dem Auftreten der Ausgangsspannungsänderung.
Math 10 $R_{c} = \frac{V_{o} [m]}{I_{o c}}$
Die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung schätzt den Wert des Ausgangsstroms Io unter Verwendung des Widerstandswerts Rc der Last und des Ausgangsspannungs-Detektionswerts Vdt nach dem Auftreten der Ausgangsspannungsänderung ab. Der Rechenausdruck für die Einschaltdauer D in 6 unter Verwendung der Abschätzung des Ausgangsstroms kann durch Formel (9) wiedergegeben werden.
Math 11 $D = \frac{V_{o} + (r_{2} + r_{L}) \frac{V_{o}}{R_{c}}}{V_{i n} + (r_{2} - r_{1}) \frac{V_{o}}{R_{c}}}$
Wie vorstehend beschrieben, kann die Einschaltdauer D auf der Basis des abgeschätzten Ausgangsstroms Io berechnet werden, auch wenn der Ausgangsstrom Io nicht detektiert wird. Ein Abschätzen des Ausgangsstroms Io ermöglicht es, die Einschaltdauer D mit einer hohen Genauigkeit zu erhalten, ohne eine Schaltung hinzuzufügen, die den Ausgangsstrom detektiert.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann der durch die Abschätzungseinheit 12 berechnete Ausgangsspannungs-Vorhersagewert Vep auch in der Steuereinheit 13 der Hauptschaltung verwendet werden. Wenn der Ausgangsspannungs-Vorhersagewert Vep sowohl bei der Bestimmung, ob das Umschalten der Änderung der Richtung der Ausgangsspannung auftreten wird, die durch die Abschätzungseinheit 12 erfolgt, als auch bei der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur verwendet wird, die durch die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung durchgeführt wird, ist es möglich, die Berechnungskomplexität in Bezug auf die Steuereinheit 3 zu reduzieren und die Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie zu verkleinern und zu vereinfachen.
Als nächstes wird der Betrieb und ein Effekt gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung einer Schaltungssimulation beschrieben, die von Myway Plus Corporation durchgeführt wird.
Es wird ein Simulationsmodell für die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie erzeugt. Der in 2 dargestellte Abwärts-Chopper wird als die in 1 dargestellte Hauptschaltung 2 verwendet. Die Eingangsspannung Vin der Hauptschaltung 2 beträgt 20 [V], und der Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr beträgt 10 [V]. Als Rückkopplungssteuerung wird eine PID-Steuerung verwendet. Das in 4 dargestellte neuronale Netzwerk wird dazu verwendet, die Änderung der Ausgangsspannung vorherzusagen. Der Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr wird mit der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur unter Verwendung des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts korrigiert, der durch das neuronale Netzwerk abgeschätzt wird. Bei der Last 5 handelt es sich um eine resistive Last, und der Widerstandswert der Last 5 ändert sich von 50 [Ω] auf 20 [Ω], wobei die Simulation läuft, um die Änderung der Ausgangsspannung zu reproduzieren.
7 ist ein Schaubild, das Simulations-Wellenformen darstellt.
In den 7(a) und 7(b) repräsentiert die horizontale Achse die Zeit. In 7(a) repräsentiert die vertikale Achse die Ausgangsspannung Vo. In 7(b) repräsentiert die vertikale Achse die Einschaltdauer D, und 7(a) stellt Wellenformen W1 bis W5 der Ausgangsspannung Vo bei fünf Arten von Steuerungsverfahren Cm1 bis Cm5 dar. 7(b) stellt Wellenformen P1 bis P5 der Einschaltdauer D bei den fünf Arten von Steuerungsverfahren Cm1 bis Cm5 dar.
8 ist ein Schaubild, das die fünf Arten von Steuerungsverfahren darstellt.
Bei dem Steuerungsverfahren Cm1 führt die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung lediglich die normale Rückkopplungssteuerung durch und führt keine von der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur, der Anpassung des integralen Terms der Rückkopplungssteuerung und der Bestimmung durch, ob das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftreten wird.
Bei dem Steuerungsverfahren Cm2 handelt es sich um ein Steuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Bei dem Steuerungsverfahren Cm2 führt die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur sowie die Anpassung des integralen Terms der Rückkopplungssteuerung zusätzlich zu der normalen Rückkopplungssteuerung durch. Ferner vergleicht die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung den Ausgangsspannungs-Vorhersagewert in der nächsten Abtastzeitperiode, der durch das neuronale Netzwerk abgeschätzt wurde, mit dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert einer Abtastzeitperiode nach der nächsten Abtastzeitperiode, um zu bestimmen, ob das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftreten wird.
Bei dem Steuerungsverfahren Cm3 führt die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur zusätzlich zu der normalen Rückkopplungssteuerung durch, führt jedoch die Anpassung des integralen Terms der Rückkopplungssteuerung nicht durch. Ferner vergleicht die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung die Ausgangsspannungs-Detektionswerte in zwei Abtastzeitperioden, um zu bestimmen, ob das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftreten wird.
Bei dem Steuerungsverfahren Cm4 führt die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur und die Anpassung des integrierten Terms der Rückkopplungssteuerung zusätzlich zu der normalen Rückkopplungssteuerung durch. Ferner vergleicht die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung die Ausgangsspannungs-Detektionswerte in zwei Abtastzeitperioden, um zu bestimmen, ob das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftreten wird.
Bei dem Steuerungsverfahren Cm5 führt die Steuereinheit 13 der Hauptsteuerung die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur und die Anpassung des integralen Terms der Rückkopplungssteuerung zusätzlich zu der normalen Rückkopplungssteuerung durch. Die Steuereinheit 13 der Hauptsteuerung vergleicht den Ausgangsspannungs-Detektionswert in der einen Abtastzeitperiode mit dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert in der nächsten Abtastzeitperiode, der durch das neuronale Netzwerk abgeschätzt wird, um zu bestimmen, ob das Umschalten der Änderungsrichtung auftreten wird, wenn die Änderung der Ausgangsspannung auftritt.
Zu einem Zeitpunkt A ändert sich der Widerstandswert der Last 5 von 50 [Ω] auf 20 [Ω]. Dadurch wird die Änderung der Ausgangsspannung verursacht, das heißt, eine Verringerung der Ausgangsspannung Vo.
Zu einem Zeitpunkt B wird bei den Steuerungsverfahren Cm2, Cm3, Cm4, Cm5 bestimmt, dass die Änderung der Ausgangsspannung aufgetreten ist, und das Steuerungsschema wird von der normalen Rückkopplungssteuerung in die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur umgeschaltet. Es kann bestätigt werden, dass sich die Einschaltdauer D durch die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur zu einem hohen Wert hin ändert.
Bei dem Steuerungsverfahren Cm2, bei dem die Bestimmung, ob das Umschalten der Änderungsrichtung auftreten wird, auf der Basis eines Vergleichs zwischen zwei Ausgangsspannungs-Vorhersagewerten erfolgt, wird die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur zu einem Zeitpunkt C deaktiviert, der integrale Term IT der Rückkopplungssteuerung wird angepasst, und es wird die normale Rückkopplungssteuerung durchgeführt. Eine Wellenform W2 der Ausgangsspannung Vo bei dem Steuerungsverfahren Cm2 zeigt, dass ein Zeitpunkt, bei dem die Änderungsrichtung umgeschaltet wird, nahezu mit dem Zeitpunkt C übereinstimmt. Das heißt, es kann bestätigt werden, dass die Bestimmung, ob das Umschalten der Änderungsrichtung auftritt, basierend auf einem Vergleich zwischen zwei Ausgangsspannungs-Vorhersagewerten präzise durchgeführt wurde. Es kann ferner bestätigt werden, dass die Einschaltdauer D nach dem Umschalten in die normale Rückkopplungssteuerung in Reaktion auf die Anpassung des integralen Terms der Rückkopplungssteuerung keinen abnormalen Wert annimmt und dieser an einen Wert nahe bei einem endgültigen Wert angepasst wird.
Bei den Steuerungsverfahren Cm3, Cm4, Cm5 wird das Umschalten der Änderungsrichtung zu einem Zeitpunkt D bestimmt, und die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur wird deaktiviert. Bei den Steuerungsverfahren Cm3 bis Cm5 liegt ein Zeitpunkt, bei dem ein Umschalten eines Änderungspunkts bestimmt wird, später als ein Zeitpunkt eines tatsächlichen Umschaltens des Änderungspunkts der Wellenformen W3 bis W5 der Ausgangsspannung Vo. Es ist ersichtlich, dass bei den Steuerungsverfahren Cm3, Cm4, Cm5 im Vergleich zu dem Steuerungsverfahren Cm2, bei dem das Umschalten des Änderungspunkts präzise bestimmt wird, eine lange Einschaltdauer D über eine lange Zeit hinweg eingesetzt wird.
Ferner können bei einem Vergleichen der Wellenformen W1 bis W5 und P1 bis P5 bei den Steuerungsverfahren Cm1 bis Cm5 die folgenden Gegebenheiten beobachtet werden.
Im Vergleich zu der Wellenform W1 bei dem Steuerungsverfahren Cm1 zeigen die Wellenformen W2 bis W5 bei den Steuerungsverfahren Cm2 bis Cm5, dass eine Änderung der Ausgangsspannung Vo in Richtung zu der unteren Grenze gering ist, da durch die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur eine lange Einschaltdauer D eingesetzt wird.
Im Vergleich zu dem Steuerungsverfahren Cm2, bei dem die Bestimmung, ob das Umschalten der Änderungsrichtung auftreten wird, auf der Basis eines Vergleichs zwischen zwei Ausgangsspannungs-Vorhersagewerten erfolgt, wird bei den Steuerungsverfahren Cm3 bis Cm5, bei denen die Bestimmung, ob das Umschalten der Änderungsrichtung auftreten wird, auf der Basis des Ausgangsspannungs-Detektionswerts erfolgt, eine lange Einschaltdauer D über eine Zeitspanne hinweg eingesetzt, die länger als die Zeitspanne des Umschaltens der Änderungsrichtung ist. Im Ergebnis kann bestätigt werden, dass eine hohe Überschwingspannung in Richtung zu der oberen Grenze der Ausgangsspannung Vo erzeugt wird.
Im Vergleich zu dem Steuerungsverfahren Cm3 wird bei den Steuerungsverfahren Cm4, Cm5 der integrale Term IT der Rückkopplungssteuerung angepasst. Im Ergebnis kann bestätigt werden, dass die Wellenformen W4, W5 der Ausgangsspannung Vo zeigen, dass bewirkt wird, dass der maximale Wert der Ausgangsspannung Vo geringer ist. Ein Unterschied zwischen den Steuerungsverfahren Cm4, Cm5 besteht darin, dass das Umschalten des Änderungspunkts auf der Basis eines Vergleichs zwischen zwei Ausgangsspannungs-Detektionswerten oder eines Vergleichs zwischen dem Ausgangsspannungs-Detektionswert und dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert bestimmt wird, der von dem neuronalen Netzwerk erhalten wird.
Wie vorstehend beschrieben, werden bei dem Steuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur und die Anpassung des integralen Terms der Rückkopplungssteuerung durchgeführt, und der Zeitpunkt des Umschaltens der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung wird auf der Basis eines Vergleichs zwischen zwei Ausgangsspannungs-Vorhersagewerten bestimmt. Das Steuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann eine Verringerung der Ausgangsspannung reduzieren und ein Überschwingen der Spannung verhindern. Daher handelt es sich bei dem Steuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform um ein Steuerungsverfahren, das ermöglicht, dass die Ausgangsspannung dem Ausgangsspannungs-Befehlswert mit einer Verzögerung folgt, die so gering wie möglich ist.
Als nächstes wird beschrieben, wie das neuronale Netzwerk zu trainieren ist, das in S104 der Abschätzungseinheit 12 verwendet werden soll.
Das neuronale Netzwerk wird unter Verwendung von Wellenformdaten, die erhalten werden, wenn eine Änderung der Ausgangsspannung auftritt, im Voraus trainiert und passt Gewichtungsfaktoren zwischen Einheiten an. Die Werte (N[n], N[n-1], N[n-2]) des aktuellen Abtastpunkts und von zwei früheren Abtastpunkten der Wellenform, die erhalten werden, wenn eine Änderung der Ausgangsspannung auftritt, werden eingegeben, und die Gewichtungsfaktoren werden unter Verwendung der Werte (N[n+X], N[n+X+1]) in der X-ten Abtastzeitperiode und der (X+1)-ten Abtastzeitperiode als gekennzeichnete Trainingsdaten so angepasst, dass eine Abschätzung der Werte (N[n+X], N[n+X+1]) in der X-ten Abtastzeitperiode und der (X+1)-ten Abtastzeitperiode aus den Werten (N[n], N[n-1], N[n-2]) des aktuellen Abtastpunkts und der zwei früheren Abtastpunkte mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht wird.
Es ist wünschenswert, dass ein Bereich der Ausgangsspannungs-Wellenform, wenn die Laständerung für das Trainieren des neuronalen Netzwerks verwendet wird, länger als eine Zeitspanne von dem Auftreten der Änderung bis zum Zeitpunkt des Umschaltens der Laständerung vorgegeben wird, um das Auftreten des Umschaltens der Änderungsrichtung präzise zu bestimmen.
Wenngleich die Gewichtungsfaktoren im Voraus erlernt werden, wie vorstehend beschrieben, können die Gewichtungsfaktoren durch Trainieren des neuronalen Netzwerks und Bewirken, dass das neuronale Netzwerk gleichzeitig eine Interferenz hervorruft, sukzessive aktualisiert werden.
Das Trainieren des neuronalen Netzwerks kann durch eine externe Einheit durchgeführt werden. Die Abschätzungseinheit 12 gewinnt eine Wellenform des Ausgangsspannungs-Detektionswerts, wenn die Änderung der Ausgangsspannung auftritt und gibt die Wellenform an die externe Einheit aus. Die externe Einheit trainiert das neuronale Netzwerk auf der Basis der so empfangenen Wellenform und gibt angepasste Gewichtungsfaktoren an die Abschätzungseinheit 12 aus. Die Abschätzungseinheit 12 gibt die angepassten Gewichtungsfaktoren in dem neuronalen Netzwerk vor und bewirkt, dass das neuronale Netzwerk eine Interferenz hervorruft.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Hauptschaltung 2 mit der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur für ein Korrigieren des Ausgangsspannungs-Befehlswerts unter Verwendung des von dem neuronalen Netzwerk ausgegebenen Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts gesteuert. Daher unterscheidet sich die Wellenform des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts des neuronalen Netzwerks von der tatsächlichen Ausgangsspannungs-Wellenform. Wenn eine Schleife in Bezug auf die Gewinnung der Ausgangsspannungs-Wellenform, das Trainieren des neuronalen Netzwerks, die Vorhersage der Ausgangsspannung durch das neuronale Netzwerk, die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur, die Gewinnung der Ausgangsspannungs-Wellenform sowie das Trainieren des neuronalen Netzwerks mehrmals wiederholt wird, ist es daher möglich, Gewichtungsfaktoren des neuronalen Netzwerks zu erhalten, die eine Änderung der Ausgangsspannung signifikant reduzieren können.
9 ist ein Schaubild, das Wellenformen der Ausgangsspannung Vo sowie die Einschaltdauer D darstellt, wenn das Training mehrmals durchgeführt wird.
In den 9(a) und 9(b) repräsentiert die horizontale Achse die Zeit. In 9(a) repräsentiert die vertikale Achse die Ausgangsspannung Vo. In 9(b) repräsentiert die vertikale Achse die Einschaltdauer D.
Unter Bezugnahme auf die 9(a) und 9(b) kann eine Änderung der Ausgangsspannung Vo im Vergleich zu einem Fall, wenn das Training Y Mal durchgeführt wird, reduziert werden, wenn das Training (Y+1) Mal durchgeführt wird (wobei Y eine ganze Zahl ist). Ferner kann bestätigt werden, dass eine Änderung der Ausgangsspannung Vo im Vergleich zu dem Fall, in dem das Training (Y+1) Mal durchgeführt werden, reduziert werden kann, wenn das Training (Y+2) Mal durchgeführt wird.
Es ist anzumerken, dass es wünschenswert ist, dass die Bestimmung, ob das Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auftreten wird, basierend auf einem Vergleich zwischen dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert in der X-ten Abtastzeitperiode und dem Ausgangsspannungs-Vorhersagewert in der (X+1)-ten Abtastzeitperiode sowie die Anpassung des integralen Terms durchgeführt werden, auch wenn das Training mehrmals durchgeführt wird. Dadurch wird es ermöglicht zu verhindern, dass der Betrieb der Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie nach dem Ende der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur instabil wird.
Zweite Ausführungsform
10 ist ein Schaubild, das eine Konfiguration einer Vorrichtung 21 zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt.
Die in 10 dargestellte Vorrichtung 21 zur Umwandlung von elektrischer Energie unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie in den folgenden Punkten. Die in 10 dargestellte Vorrichtung 21 zur Umwandlung von elektrischer Energie weist eine Ausgangsstrom-Detektionseinheit 22, die einen Ausgangsstrom Io detektiert, anstelle der Ausgangsspannungs-Detektionseinheit 6 auf, und die Steuereinheit 13 der Hauptschaltung empfängt einen Ausgangsstrom-Befehlswert Ir anstelle des Ausgangsspannungs-Befehlswerts Vr. Es ist anzumerken, dass in 10 Komponenten, welche die gleiche Konfiguration und Betriebsweise aufweisen, wie in 1 dargestellt, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wie in 1 dargestellt.
Die Vorrichtung 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß der ersten Ausführungsform steuert die Ausgangsspannung Vo gemäß dem Ausgangsspannungs-Befehlswert Vr, um eine Änderung der Ausgangsspannung zu reduzieren. Die Vorrichtung 21 zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß der zweiten Ausführungsform steuert den Ausgangsstrom Io gemäß dem Ausgangsstrom-Befehlswert Ir, um eine Änderung des Ausgangsstroms zu reduzieren.
Bei einem Unterschied zwischen der Steuerung der Ausgangsspannung Vo und der Steuerung des Ausgangsstroms Io handelt es sich um Folgendes. Bei der Steuerung der Ausgangsspannung ändert sich die Ausgangsspannung Vo nach unten, wenn sich die Last 5 von 50 [Ω] auf 20 [Ω] ändert. Bei der Steuerung des Ausgangsstroms ändert sich der Ausgangsstrom Io nach oben, wenn sich die Last 5 von 50 [Ω] auf 20 [Ω] ändert. Wenn die gleiche Laständerung auftritt, ist das Verhalten entgegengesetzt. Dies liegt daran, dass es einen Unterschied dahingehend gibt, dass eine Last mit einem geringeren Widerstandswert bei der Steuerung der Spannung zu einer hohen Last wird, dass jedoch eine Last mit einem höheren Widerstandswert bei der Steuerung des Stroms zu einer hohen Last wird.
Wie vorstehend beschrieben, steuern die Vorrichtungen zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform die Hauptschaltung jeweils mittels der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur über eine Zeitspanne von der Detektion des Auftretens der Änderung der Ausgangsspannung oder der Änderung des Ausgangsstroms bis zu dem Umschalten der Richtung der Änderung der Ausgangsspannung auf der Basis des Ausgangsspannungs-Detektionswerts oder des Ausgangsstrom-Detektionswerts der Hauptschaltung. Die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur ermöglicht eine Erhöhung der Antwortgeschwindigkeit der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie, so dass ein Änderungsbereich der Änderung der Ausgangsspannung oder der Änderung des Ausgangsstroms reduziert werden kann. Dies ermöglicht wiederum eine Erhöhung des Leistungsvermögens der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie und ermöglicht Reduktionen in Bezug auf Abmessung und Kosten für einen Ausgangsfilter der Hauptschaltung.
Die Vorrichtungen zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform bestimmen jeweils das Umschalten der Änderungsrichtung der Änderung der Ausgangsspannung oder der Änderung des Ausgangsstroms unter Verwendung der Ausgangsspannungs-Vorhersagewerte oder der Ausgangsstrom-Vorhersagewerte in der X-ten Abtastzeitperiode und der (X+1)-ten Abtastzeitperiode. Die Verwendung derartiger Vorhersagewerte ermöglicht eine präzise Bestimmung des Auftretens des Umschaltens der Änderungsrichtung, ohne durch Verzögerungselemente beeinflusst zu werden, wie beispielsweise durch eine Detektionsverzögerung und eine Steuerungsverzögerung. Eine derartige präzise Bestimmung ermöglicht eine Vorgabe der Dauer der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur in einer geeigneten Weise. Dadurch wird es ermöglicht zu verhindern, dass die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom, die oder der bei der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur erzeugt wird, über eine Zeitspanne hinweg überschwingt, die länger als eine notwendige Zeitspanne ist, so dass die Stabilität der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie erhöht werden kann.
Die Vorrichtungen zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform führen jeweils die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur durch, indem der Ausgangsspannungs-Befehlswert oder der Ausgangsstrom-Befehlswert unter Verwendung des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts oder des Ausgangsstrom-Vorhersagewerts korrigiert wird. Die Verwendung des Ausgangsspannungs-Vorhersagewerts oder des Ausgangsstrom-Vorhersagewerts ermöglicht es, einen Korrekturwert zu liefern, der für die Höhe der hervorgerufenen Änderung der Ausgangsspannung oder der hervorgerufenen Änderung des Ausgangsstroms geeignet ist, so dass eine Erhöhung der Antwortgeschwindigkeit und der Stabilität der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie möglich ist.
Die Vorrichtungen zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform passen jeweils den integralen Term der Rückkopplungssteuerung zu einem Zeitpunkt an, wenn die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur in die normale Rückkopplungssteuerung umgeschaltet wird. Der integrale Term wird zu einem Zeitpunkt angepasst, wenn die Änderungsrichtung der Änderung der Ausgangsspannung oder der Änderung des Ausgangsstroms umgeschaltet wird, so dass es möglich ist, eine einfache Formel für die Einschaltdauer im stationären Zustand der Hauptschaltung zu verwenden. Dadurch wird eine Reduktion der Berechnungskomplexität in Bezug auf die Steuereinheit ermöglicht, so dass es möglich ist, die Abmessung der Steuereinheit sowie die Kosten für diese zu reduzieren. Ferner ermöglicht ein Anpassen des integralen Terms der Rückkopplungssteuerung zu dem Zeitpunkt, wenn die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur in die normale Rückkopplungssteuerung umgeschaltet wird, die Verhinderung einer Änderung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms, die hervorgerufen wird, wenn ein Wert, der in hohem Maße von einem idealen Wert abweicht, mit dem integralen Term nach dem Umschalten vorgegeben wird, so dass die Stabilität der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie erhöht werden kann.
Die Vorrichtungen zur Umwandlung von elektrischer Energie gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform führen jeweils sowohl die Rückkopplungssteuerung mit Korrektur als auch die Bestimmung des Umschaltens der Änderungsrichtung der Änderung der Ausgangsspannung oder der Änderung des Ausgangsstroms unter Verwendung der Ausgangsspannungs-Vorhersagewerte oder der Ausgangsstrom-Vorhersagewerte in der X-ten Abtastzeitperiode und der (X+1)-ten Abtastzeitperiode durch. Dadurch wird eine Reduktion der Berechnungskomplexität in Bezug auf die Steuereinheit ermöglicht, so dass es möglich ist, die Abmessung der Steuereinheit sowie die Kosten für diese zu reduzieren.
Die bei der ersten und der zweiten Ausführungsform beschriebene Steuereinheit 3 kann einen entsprechenden Betrieb aufweisen, der über Hardware oder Software einer digitalen Schaltung implementiert wird.
11 ist ein Schaubild, das eine Konfiguration einer Steuereinheit 3 darstellt, deren Funktionalität über Software implementiert wird. Die Steuereinheit 3 weist einen Prozessor 5002 sowie einen Speicher 5001 auf, die beide mit einem Bus 5003 verbunden sind. Der Prozessor 5002 führt ein in dem Speicher 5001 gespeichertes Programm aus.
Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen in sämtlichen Hinsichten illustrativ und nicht restriktiv sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist eher durch die Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung definiert und soll die Ansprüche, Äquivalente der Ansprüche sowie sämtliche Modifikationen innerhalb des Umfangs umfassen.
Bezugszeichenliste

1, 21: Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie
2: Hauptschaltung
3: Steuereinheit
4: Energieversorgung
5: Last
6: Ausgangsspannungs-Detektionseinheit
12: Abschätzungseinheit
13: Steuereinheit der Hauptschaltung
14: PWM-Erzeugungseinheit
22: Ausgangsstrom-Detektionseinheit
5001: Speicher
5002: Prozessor
5003: Bus
D1, D2: Diode
Lf: Spule
Ta: Schaltelement

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie, die Folgendes aufweist: - eine Hauptschaltung, die ein Schaltelement aufweist, wobei die Hauptschaltung dazu dient, eine in die Hauptschaltung eingegebene elektrische Energie umzuwandeln und ein Resultat der Umwandlung einer Last zuzuführen; - eine Detektionseinheit, um einen Ausgangswert der Hauptschaltung zu detektieren; und - eine Steuereinheit, um die Hauptschaltung zu steuern, wobei - es sich bei dem Ausgangswert der Hauptschaltung um eine Ausgangsspannung der Hauptschaltung oder einen Ausgangsstrom der Hauptschaltung handelt und - wobei die Steuereinheit ein Steuerungsschema der Hauptschaltung zu einem ersten Zeitpunkt, wenn der Ausgangswert beginnt, sich zu verändern, von einem ersten Steuerungsschema in ein zweites Steuerungsschema umschaltet und das Steuerungsschema der Hauptschaltung zu einem zweiten Zeitpunkt, wenn eine Bestimmung, dass das Umschalten einer Richtung der Änderung des Ausgangswerts auftreten wird, auf der Basis eines Detektionswerts der Detektionseinheit erfolgt, von dem zweiten Steuerungsschema in das erste Steuerungsschema umschaltet.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit auf der Basis des Detektionswerts Ausgangswerte der Hauptschaltung in zwei Abtastzeitperioden nach einem Detektionszeitpunkt des Detektionswerts vorhersagt und auf der Basis von Vorhersagewerten der zwei Ausgangswerte der Hauptschaltung bestimmt, dass ein Umschalten der Richtung der Änderung des Ausgangswerts auftreten wird.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach Anspruch 1 oder 2, - wobei die Steuereinheit auf der Basis des Detektionswerts einen Ausgangswert der Hauptschaltung zu einem Zeitpunkt nach einem Detektionszeitpunkt des Detektionswerts vorhersagt, - wobei es sich bei dem ersten Steuerungsschema um eine Rückkopplungssteuerung handelt, mit welcher der Ausgangswert so gesteuert wird, dass er einem Befehlswert folgt, und - wobei es sich bei dem zweiten Steuerungsschema um eine Rückkopplungssteuerung mit Korrektur handelt, mit der auf der Basis eines Vorhersagewerts des Ausgangswerts der Hauptschaltung eine Korrektur bei der Rückkopplungssteuerung eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach Anspruch 3, wobei es sich bei einem Befehlswert der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur um einen Befehlswert handelt, der auf der Basis des Vorhersagewerts des Ausgangswerts der Hauptschaltung korrigiert wurde.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach Anspruch 3, wobei es sich bei einer Steuerungsverstärkung der Rückkopplungssteuerung mit Korrektur um eine Steuerungsverstärkung handelt, die auf der Basis des Vorhersagewerts des Ausgangswerts der Hauptschaltung korrigiert wurde.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit eine Einschaltdauer der Hauptschaltung zu dem zweiten Zeitpunkt berechnet und einen integralen Term der Rückkopplungssteuerung auf der Basis der Einschaltdauer anpasst.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit die Einschaltdauer der Hauptschaltung zu dem zweiten Zeitpunkt gemäß einer Formel berechnet, die einen Zusammenhang zwischen einer Eingangsspannung, einer Ausgangsspannung und der Einschaltdauer im stationären Zustand wiedergibt.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinheit eine Änderung des Ausgangswerts auf der Basis des Detektionswerts der Detektionseinheit detektiert.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit auf der Basis des Detektionswerts in einer aktuellen Abtastzeitperiode, des Detektionswerts in der letzten Abtastzeitperiode und des Detektionswerts in einer Abtastzeitperiode vor der letzten Abtastzeitperiode einen Ausgangswert in einer nächsten Abtastzeitperiode und einen Ausgangswert in einer Abtastzeitperiode nach der nächsten Abtastzeitperiode vorhersagt.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei es sich bei der Rückkopplungssteuerung um eine PI-Steuerung oder eine PID-Steuerung handelt.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinheit den Ausgangswert der Hauptschaltung zu einem Zeitpunkt nach dem Detektionszeitpunkt des Detektionswerts auf der Basis des Detektionswerts unter Verwendung eines Modells für einen maschinellen Lernprozess vorhersagt, das trainiert wurde.
Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem Modell für einen maschinellen Lernprozess um ein neuronales Netzwerk handelt.