一种PWM信号的调制方法和系统与流程

一种pwm信号的调制方法和系统
技术领域
1.本发明涉及信号调制领域，特别涉及一种pwm信号的调制方法和系统。


背景技术：

2.高频电机驱动需要在更宽的电机转速范围内满足尽量减小电机定子侧的电流谐波分量。传统的电机驱动采用功率器件为了满足可靠性必须确保功率器件的最小脉宽不小于器件的开通和关断延迟时间的总和，因此必须在实际生成pwm调制波的时候考虑最小脉宽的限制。由于最小脉宽的限制，就会导致控制信号输出的调制信号会出现偏差，从而造成电机交流侧电流的控制畸变。
3.因此，需要提出一种可以补偿最小脉宽限制造成电机交流侧信号畸变的方案。


技术实现要素：

4.本发明提出一种pwm信号的调制方法和系统，用以解决现有技术中存由于最小脉宽的限制，就会导致控制信号输出的调制信号会出现偏差，从而造成电机交流侧电流的控制畸变等问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明第一方面提出一种pwm信号的调制方法，应用于车用逆变器，所述方法包括步骤：
6.s1：获取pwm信号在t周期时的脉宽计算值，所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值为所述pwm信号在t周期时的调制度与所述pwm信号的满脉宽的乘积再加上所述pwm信号在t-1周期时的补偿脉宽值；
7.s2：若所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值小于所述pwm信号的最小脉宽，则进入s3；
8.s3：设定所述pwm信号在t周期时的实际脉宽为所述pwm信号的最小脉宽，更新所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值，并返回s1。
9.可选的，所述s3中更新所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值包括：
10.所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值为所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值与所述pwm信号的最小脉宽的差值再加上所述pwm信号在t-1周期时的补偿脉宽值。
11.可选的，所述s2还包括：
12.若所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值大于或等于所述pwm信号的最小脉宽，则进入s4；
13.s4：设定所述pwm信号在t周期时的实际脉宽为所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值，并返回s1。
14.可选的，所述s4包括：
15.s41：若所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值小于或等于所述pwm信号的最大脉宽，则进入s42；
16.s42：设定所述pwm信号在t周期时的实际脉宽为所述pwm信号在t周期时的脉宽计
算值，并返回s1。
17.可选的，所述s41还包括：
18.若所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值大于所述pwm信号的最大脉宽，则进入s5；
19.s5：判断所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值是否小于或等于所述pwm信号的满脉宽，若是，则进入s6，若否，则进入s7；
20.s6：设定所述pwm信号在t周期时的实际脉宽为所述pwm信号的最大脉宽，更新所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值，并返回s1；
21.s7：输出异常报警。
22.可选的，所述s6中更新所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值包括：
23.所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值为所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值与所述pwm信号的最大脉宽的差值再加上所述pwm信号在t-1周期时的补偿脉宽值。
24.可选的，所述pwm信号的最大脉宽为所述pwm信号的满脉宽和所述pwm信号的最小脉宽的差。
25.本发明的第二方面还提出一种pwm信号的调制系统，所述系统包括：
26.处理模块，用于获取pwm信号在t周期时的脉宽计算值，并将所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值发送给判断模块；
27.判断模块，用于判断所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值是否小于所述pwm信号的最小脉宽，并将判断结果发送给执行模块；
28.执行模块，用于设定所述pwm信号在t周期时的实际脉宽，更新所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值，并将所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值发送给所述处理模块。
29.可选的，所述处理模块通过所述pwm信号在t周期时的调制度与所述pwm信号的满脉宽的乘积再加上所述pwm信号在t-1周期时的补偿脉宽值来计算所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值。
30.可选的，所述判断模块还用于判断所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值是否大于所述pwm信号的最大脉宽。
31.可选的，所述判断模块还用于判断所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值是否大于所述pwm信号的满脉宽。
32.本发明提出一种pwm信号的调制方法，考虑到功率器件最小脉宽的限制和脉宽限制后的脉宽补偿方法的实现，在每个pwm信号的时间周期内通过脉宽补偿来更新实际脉宽和理论计算脉宽的差值，可以使得本周期内的产生的最小脉宽时立刻对pwm信号进行补偿，并且本周期pwm信号的补偿值会在在下个周期内得到补偿。例如，若本周期内由于其理论计算值小于最小脉宽，对本周期的pwm信号增加了5us的脉宽，在下个周期计算pwm信号的理论计算值时，会减去5us的脉宽以补偿本周期增加的脉宽，直到最后每个周期的pwm信号都符合预期的条件，也即不会出现最小脉宽的情况。由于电机动态工作的变化，任意时刻产生的最小脉宽都可以在下一个周期内迅速补偿，从而可避免由于最小脉宽的限制导致的控制信号输出调制信号会出现偏差，进而造成电机交流侧电流的控制畸变问题。
33.另外，考虑到pwm信号最大脉宽的限制，在所述调制方法中预先设定一个最大脉宽。通过比较当前周期的脉宽计算值和最大脉宽的大小关系来调整当前周期的实际脉宽。并且，若超过了满脉宽，所述调制方法会报错以提醒当前周期的脉宽超限。
34.本发明还提出一种pwm信号的调制系统，利用所述方法。
附图说明
35.图1为本发明一实施例提拱的一种pwm信号的调制方法的逻辑框图；
36.图2为本发明另一实施例提拱的一种pwm信号的调制方法的逻辑框图；
37.图3为本发明实施例提供的当0<upwmout<1时的生成pwm信号的方法的示意图；
38.图4为本发明实施例提供的当upwmout＝0时的生成pwm信号的方法的示意图；
39.图5为本发明实施例提供的当upwmout＝1时的生成pwm信号的方法的示意图；
40.图6为本发明实施例提供的生成pwm信号的装置的示意图。
具体实施方式
41.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种pwm信号的调制方法和系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
42.如图1所示，本发明提出一种pwm信号的调制方法，所述的调制方法中考虑最小脉宽的限制和脉宽限制后的脉宽补偿方法的实现，所述调制方法的逻辑框图如图1所示，所述调制方法可应用于车用逆变器，所述方法包括步骤：
43.s1：获取pwm信号在t周期时的脉宽计算值，所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值为所述pwm信号在t周期时的调制度与所述pwm信号的满脉宽的乘积再加上所述pwm信号在t-1周期时的补偿脉宽值；
44.s2：若所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值小于所述pwm信号的最小脉宽，则进入s3，若所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值不小于所述pwm信号的最小脉宽，则设定所述pwm信号在t周期的实际脉宽为所述pwm信号在t周期的脉宽理论计算值，并返回s1；
45.s3：设定所述pwm信号在t周期时的实际脉宽为所述pwm信号的最小脉宽，更新所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值，并返回s1。
46.与现有技术不同之处在于，所述方法考虑到功率器件最小脉宽的限制和脉宽限制后的脉宽补偿方法的实现，在每个pwm信号的时间周期内通过脉宽补偿来更新实际脉宽和理论计算脉宽的差值，可以使得本周期内的产生的最小脉宽时立刻对pwm信号进行补偿，并且本周期pwm信号的补偿值会在在下个周期内得到补偿。例如，若本周期内由于其理论计算值小于最小脉宽，对本周期的pwm信号增加了5us的脉宽，在下个周期计算pwm信号的理论计算值时，会减去5us的脉宽以补偿本周期增加的脉宽，直到最后每个周期的pwm信号都符合预期的条件，也即不会出现最小脉宽的情况。由于电机动态工作的变化，任意时刻产生的最小脉宽都可以在下一个周期内迅速补偿，从而可避免由于最小脉宽的限制导致的控制信号输出调制信号会出现偏差，进而造成电机交流侧电流的控制畸变问题。所述pwm信号的最小脉宽的值可设置为功率器件的开通和关断延迟时间的总和，调制度是用来控制pwm信号的幅度、频率或相位受低频调制信号控制的程度。需要注意的是，初始状态的所述ureffrac为零。
47.为了方便说明，可定义：所述pwm信号的最小脉宽为pwmminpls0、所述pwm信号的满脉宽为pwmtics、所述pwm信号在t周期时的实际脉宽为upwmout、所述pwm信号在t周期时的
脉宽计算值为upwmtics0、所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值为ureffrac0、所述pwm信号在t-1周期时的补偿脉宽值为ureffrac、所述pwm信号在t周期时的调制度为uref，所述方法流程图如图2所示。
48.可选地，考虑到功率器件最小脉宽的限制，若在当前周期出现所述upwmtics0小于所述pwmminpls0的情况，则需要对所述upwmtics0进行脉宽补偿。所述s3中更新所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值包括：所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值为所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值与所述pwm信号的最小脉宽的差值再加上所述pwm信号在t-1周期时的补偿脉宽值。也即：
49.ureffrac0＝upwmtics0-pwmminpls0+ureffrac，
50.由于在当前周期的所述upwmtics0小于所述pwmminpls0，因此，若将当前周期的upwmout设为pwmminpls0，则需要对pwm信号进行一定的补偿，且该补偿值为正值，故在下个周期时需要将补偿的值减去。由于upwmtics0-pwmminpls0为负值，从公式中不难看出，所述ureffrac0小于所述ureffrac。需要注意，若是下个周期的upwmtics0还是小于所述pwmminpls0，那么所述ureffrac0将会累加两次补偿的值。
51.可选地，所述s2还包括：
52.若所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值大于或等于所述pwm信号的最小脉宽，则进入s4；
53.s4：设定所述pwm信号在t周期时的实际脉宽为所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值，并返回s1，也即upwmout＝upwmtics0。
54.进一步地，考虑到功率器件还存在最大脉宽的限制，可在所述调制方法中预先设定一个最大脉宽。通过比较当前周期的脉宽计算值和最大脉宽的大小关系来调整当前周期的实际脉宽，若超过了满脉宽，所述调制方法会报错以提醒当前周期的脉宽超限。其中，所述pwm信号的最大脉宽为所述pwm信号的满脉宽和所述pwm信号的最小脉宽的差，也即pwmtics-pwmminpls0。如图2所示，所述s4包括：
55.s41：若所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值小于或等于所述pwm信号的最大脉宽，则进入s42；
56.s42：设定所述pwm信号在t周期时的实际脉宽为所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值，并返回s1。
57.可选地，所述s41还包括：
58.若所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值大于所述pwm信号的最大脉宽，则进入s5；
59.s5：判断所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值是否小于或等于所述pwm信号的满脉宽，若是，则进入s6，若否，则进入s7；
60.s6：设定所述pwm信号在t周期时的实际脉宽为所述pwm信号的最大脉宽，更新所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值，并返回s1；
61.s7：输出异常报警。
62.可选地，所述s6中更新所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值包括：
63.所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值为所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值与所述pwm信号的最大脉宽的差值再加上所述pwm信号在t-1周期时的补偿脉宽值。也即：
64.ureffrac0＝upwmtics0-(pwmtics-pwmminpls0)+ureffrac，
65.由于在当前周期的所述upwmtics0大于所述pwmtics-pwmminpls0。因此，若将当前周期的所述upwmout设为pwmtics-pwmminpls0，则需要对pwm信号进行一定的补偿，且该补偿值为负值，故在下个周期时需要将补偿的值增加进去。由于upwmtics0-(pwmtics-pwmminpls0)为正值，从公式中不难看出，所述ureffrac0大于所述ureffrac。需要注意，若是下个周期的upwmtics0还是大于pwmtics-pwmminpls0，那么所述ureffrac0将会累加两次补偿的值。
66.按照上述逻辑步骤，由于电机动态工作的变化，任意时刻产生的最小脉宽都可在下一个pwm信号周期内迅速得到补偿。发明人在实际操作时发现本发明提供的一种pwm信号的调制方法可有效地优化调制方法对mcu的主频的资源耗散率。本发明实施例提出的pwm信号的调制方法，考虑到功率器件最小脉宽的限制和脉宽限制后的脉宽补偿方法的实现，在每个pwm信号的时间周期内通过脉宽补偿来更新实际脉宽和理论计算脉宽的差值，可以使得本周期内的产生的最小脉宽在下个周期内得到补偿，由于电机动态工作的变化，任意时刻产生的最小脉宽都可以在下一个周期内迅速补偿，从而可避免由于最小脉宽的限制，就会导致控制信号输出的调制信号会出现偏差，从而造成电机交流侧电流的控制畸变的问题。
67.本发明实施例还提出一种pwm信号的调制系统，所述系统包括：
68.处理模块，用于获取pwm信号在t周期时的脉宽计算值，并将所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值发送给判断模块；
69.判断模块，用于判断所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值是否小于所述pwm信号的最小脉宽，并将判断结果发送给执行模块；
70.执行模块，用于设定所述pwm信号在t周期时的实际脉宽，更新所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值，并将所述pwm信号在t周期时的补偿脉宽值发送给所述处理模块。
71.可选地，所述处理模块通过所述pwm信号在t周期时的调制度与所述pwm信号的满脉宽的乘积再加上所述pwm信号在t-1周期时的补偿脉宽值来计算所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值。
72.可选地，所述判断模块还用于判断所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值是否大于所述pwm信号的最大脉宽。
73.可选地，所述判断模块还用于判断所述pwm信号在t周期时的脉宽计算值是否大于所述pwm信号的满脉宽。
74.通过本发明实施例提供的pwm信号的调制方法，可以解决最小脉宽对电机交流侧电流的影响，但是，还存在一些不足之处。例如，宽禁带sic器件在车用逆变器的应用已经被公认为下一代电机控制器的变革性技术。由于sic器件场效应构成的沟道可以流通反向电流，所以mosfet可以认为是一个电流双向流通的功率型器件。由于mosfet物理上不存在所谓的反并联二极管，上下管时间的死区内电流是从mosfet p-n结构成的体二极管流通的。但是目前基于现有的半导体技术，sic mosfet的体二极管的特性较差，导通损耗和反向恢复特性都比较差。为了充分发挥sic器件低开关损耗的优势，通常提升开关频率达到电机控制性能上的提升，包括噪音改善，纹波电流的减小和热性能的改善。传统的基于igbt逆变器的开关频率都局限在10khz，因此pwm信号的调制方法的软件实现大多局限在100us的运算线程。一旦提高开关频率后，需要对产生svpwm信号的调制方法作进一步的优化，从而降低
mcu的软件负荷率。目前mcu的实现pwm信号的调制方式多半还是依赖于mcu自身的pwm调制波的输出端口(例如dsp tc275的pwm调制波的输出端口：atom端口)来输出占空比，会对mcu的线程资源产生消耗。
75.进一步地，考虑到pwm信号的调制方法对线程资源的消耗问题，为了降低mcu的软件负荷率，本发明还提出了一种生成pwm信号的方法，所述的方法不依赖与mcu内部比较器的外设模块。所述的方法的原理如图3至图5所示，当来自前面所述的调制方法中当前周期的脉宽确定下来后，可通过实际脉宽的值upwmout、导通时间ton、关断时间toff以及对应的3个状态输出变量state[0]、state[1]、state[2]来唯一确定当前周期的pwm信号的输出波形，需要先判断来自前面所述的调制方法中给出的当前周期的脉宽大小。具体方法步骤如下：
[0076]
第一步：若upwmout的值介于0和1之间，此时pwm信号的生成方式如图3所示，此时0<ton<t3/2，state[0]＝0，state[1]＝1，state[2]＝0；并且所述的ton的时间经过了最小脉宽限制的方法的修正。
[0077]
第二步：若upwmout的值为0，此时pwm信号的生成方式如图4所示，此时ton＝toff＝t3/2，state[0]＝0，state[1]＝0，state[2]＝0，本周期内的输出脉宽为0。
[0078]
第三步：若upwmout的值为1，即满脉宽输出时，此时pwm信号的生成方式如图5所示，此时ton＝0，toff＝t3，state[0]＝1，state[1]＝1，state[2]＝1，当前周期pwm信号可以保证满脉宽输出。
[0079]
更进一步地，上述的方法中将每个pwm信号周期产生的状态变量ton、toff、state[0]、state[1]以及state[2]传递给cpld就可以实现每个开关管的开关信号的生成。因此，本发明还提出一种生成pwm信号的装置，所述装置在硬件层面利用mcu和cpld之间构成并行输出的接口，如图6所示，在所述mcu和所述cpld之间利用spi通讯链路连接，可实现高速的pwm信号，信号的生成同时还不会增加mcu的软件负荷率。
[0080]
可选地，所述mcu还可包括低压mcu以及高压mcu，所述低压mcu与所述低压mcu以及所述cpld通过spi通讯链路连接。需要注意的是，除了可用spi通讯链路之外，还可以用i2c通讯链路，或uart通讯链路，具体选择需根据实际需要来选择，当然，采用不同的通讯链路需遵循相应的通信协议。
[0081]
可选地，在所述装置包括功率部件，所述功率部件可使用pwm信号控制的三相整流和逆变器，并且，硬件电路的设计可以拓展到三电平和更复杂的拓扑结构，在此不做限制。
[0082]
综上所述，本发明提出一种pwm信号的调制方法，考虑到功率器件最小脉宽的限制和脉宽限制后的脉宽补偿方法的实现，在每个pwm信号的时间周期内通过脉宽补偿来更新实际脉宽和理论计算脉宽的差值，可以使得本周期内的产生的最小脉宽时立刻对pwm信号进行补偿，并且本周期pwm信号的补偿值会在在下个周期内得到补偿。例如，若本周期内由于其理论计算值小于最小脉宽，对本周期的pwm信号增加了5us的脉宽，在下个周期计算pwm信号的理论计算值时，会减去5us的脉宽以补偿本周期增加的脉宽，直到最后每个周期的pwm信号都符合预期的条件，也即不会出现最小脉宽的情况。由于电机动态工作的变化，任意时刻产生的最小脉宽都可以在下一个周期内迅速补偿，从而可避免由于最小脉宽的限制导致的控制信号输出调制信号会出现偏差，进而造成电机交流侧电流的控制畸变问题。
[0083]
另外，考虑到pwm信号最大脉宽的限制，在所述调制方法中预先设定一个最大脉
宽。通过比较当前周期的脉宽计算值和最大脉宽的大小关系来调整当前周期的实际脉宽。并且，若超过了满脉宽，所述调制方法会报错以提醒当前周期的脉宽超限。
[0084]
本发明还提出一种pwm信号的调制系统，利用所述方法。
[0085]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0086]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。