CN101499791B - 一种pwm控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PWM控制方法，PWM开关周期由脉冲控制信号决定，PWM开通时间和关断时间由高频载波信号、参考信号及脉冲控制信号确定，高频载波信号为各周期之间斜率有变化的斜坡信号，在每个PWM开关周期内对参考信号采样一次，以采样值作为比较值v_F，根据比较值v_F与对应的斜坡信号最大值v_rm的比值关系来确定各开关周期的PWM开通、关断时间。本发明利用v_F与v_rm的比值关系，通过较简单的运算处理产生要输出的PWM信号波形，同时可达到较高的精度。本发明采用FPGA，具有处理速度快、低功率损耗的优点，并且可实现基于IC层面的设计。

Description

一种PWM控制方法

技术领域

本发明涉及脉宽调制技术(Pulse Width Modulation，简称PWM)，特别是涉及一种PWM控制方法。

背景技术

现有的数字化脉宽调制控制的实现方式有两种：非对称式PWM和对称式PWM。图1所示为对称式PWM发生原理，高频载波为对称三角波；图2所示为非对称式PWM发生原理，高频载波为锯齿波。在非对称式PWM中，计数器是从0开始计数一直计数到一个设定的周期值T1PR然后又重新从0开始计数。程序中可以设定一个比较值CMPRx，当计数器的计数值和比较值相等时，设定为高有效的PWM口输出高电平，PWM开通；当计数器计数到周期值时，PWM口输出低电平，PWM关断。在同样的开关频率下，非对称式PWM的分辨率高于对称PWM的分辨率，因此通常采用非对称式PWM即高频载波为锯齿波的PWM控制方式。

以往的非对称PWM控制，高频载波都是斜率固定的锯齿波信号，并大多采用数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)或者单片机来控制。然而，在现代电力电子的PWM控制方式中，有时载波的斜率是不固定的，这时就不能采用固定斜坡的控制方式。图3所示的是一种由模拟电路组成的PWM控制电路所产生的信号波形，其中外部输入时钟控制信号clock、参考信号V_f，高频载波信号V_r是由积分器输出的斜坡信号，根据时序电路的要求，当斜坡信号V_r等于参考信号V_f时，此时V_f对应的点为V_F0，斜坡信号受复位作用回复到零，并在下一个周期的开始时刻重新线形增长。但是，由于可能增长到的最大值是个变化的量，所以斜坡信号V_r在每一个开关周期上升的斜率并不相同，这时就需要采用斜坡信号斜率不固定的控制方式来产生PWM波形。利用积分信号可给出高频载波信号V_r，即通过不断积分信号累加来形成各周期斜率不固定的斜坡信号，但是，如果想提高PWM的精度就要采用频率很高的时钟来控制累加的过程，这样造成计算量大，而且消耗的芯片资源也很大。另外，现有的非对称PWM控制通常采用DSP，而DSP是串行运算模式，普通的DSP其难以达到1MHz以上的开关频率；同时，采用DSP也难以实现基于IC层面的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种数字化PWM控制方法，它能通过较简单的运算实现载波斜率不固定的非对称式PWM控制。

本发明采用以下技术方案解决该技术问题：

这种PWM控制方法，PWM开关周期由脉冲控制信号决定，PWM开通时间和关断时间由高频载波信号、参考信号及所述脉冲控制信号确定，所述高频载波信号为各周期之间斜率有变化的斜坡信号。

这种PWM控制方法的特点在于：在每个PWM开关周期内对所述参考信号采样一次，以采样值作为比较值V_F，根据所述比较值V_F与对应的斜坡信号最大值V_rm的比值关系来确定各开关周期的PWM开通、关断时间。

各开关周期均按设定的时钟频率从0开始计数，一开关周期内的最大计数值为N；由所述比值关系确定对应于PWM开通时间的计数值取值范围为：

并根据所述计数值取值范围得到PWM开通、关断时间。

根据所述计数值取值范围来得到PWM开通、关断时间的过程包括以下步骤：

1)将

的分母、商和余数转化为整型数据；

2)判断脉冲控制信号的电平特性，如果为关断控制电平，PWM输出低电平；否则，进入下一步骤；

3)判断

的分子和分母是否全都为正数，如果否，输出低电平；如果是，则进入下一步骤；

4)判断

的余数是否小于分母的二分之一，如果是，则当计数值大于商减一时输出低电平，否则输出高电平；如果否，则当计数器的数值大于商时输出低电平，否则输出高电平；上述低、高电平时段分别对应PWM关断、开通时间。

各开关周期均按设定的时钟频率从0开始计数，一开关周期内的最大计数值为N，不断累计计数值n，其取值范围为0～N；以该设定的时钟频率不断计算

并与比较值V_F进行比较，当满足

时，输出高电平，否则，输出低电平；上述低、高电平时段分别对应PWM关断、开通时间。

所述脉冲控制信号频率为100KHz，所述设定的时钟频率为200MHz，相应的总计数值N为2000。

在每个开关周期的中间时刻对所述参考信号进行一次信号采样以获得比较值V_F。

所述脉冲控制信号各周期中设置了死区，进入死区时PWM关断。

所述高频载波信号、参考信号以及脉冲控制信号由数字电路控制和处理，所述数字电路根据上述信号确定各开关周期的PWM开通、关断时间并生成PWM信号。

所述数字电路采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)实现。

本发明对比于现有技术的有益效果是：

本发明中，在每个PWM开关周期内对所述参考信号进行一次采样，以采样值作为比较值V_F，得到比较值V_F与对应的斜坡信号最大值V_rm的比值关系，由于开关周期中PWM开通时间

其中T_s为斜坡信号的周期，因此，控制电路只需利用V_F与V_rm的比值关系即可以确定出各开关周期的PWM开通与关断时间、PWM占空比，通过较简单的运算处理即可获得要输出的PWM信号波形，并可达到较高的精度，且对处理器件的资源占用和消耗小。

在各开关周期内按设定时钟频率进行计数，根据V_F与V_rm的比值关系，可确定对应于PWM开通时间的计数值取值范围，并据此得到PWM的开通、关断时间。或者是按设定时钟频率不断计算出

并与比较值V_F进行比较，从而判断PWM的开通与关断。

本发明采用FPGA实现，为并行运算模式，处理速度快、功率损耗低，并且可以将控制算法集成在一片FPGA芯片上，能实现基于IC层面的设计，因此，这种通过FPGA实现的方法较使用其他处理器件的方法更能适应对开关频率的高要求。

附图说明

图1是现有技术中载波为对称三角波的对称式PWM波形发生原理图；

图2是现有技术中载波为锯齿波的非对称式PWM波形发生原理图；

图3是现有技术中由模拟电路产生、载波斜率变化的PWM控制波形图；

图4是本发明具体实施方式一的PWM波形发生原理图；

图5是本发明具体实施方式一的PWM数字控制波形图；

图6是本发明具体实施方式一的PWM算法流程图；

图7是本发明具体实施方式一的PWM数字控制仿真效果图；

图8是本发明具体实施方式二的PWM数字控制波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

具体实施方式一

如图4所示，本具体实施方式的PWM发生原理图对应于图3中PWM控制波形的一个开关周期，非对称PWM高频载波信号V_r(即斜坡信号)各开关周期的斜率是不固定的。不考虑复位开关的作用，作为PWM模块的一个输入信号，斜坡信号V_r在各开关周期内可上升的最大幅值V_rm由模块前级给定(例如V_rm可以是电压环运算放大器的输出信号)，并在每个开关周期变化一次。同时，每个开关周期的参考信号V_f也从前级读到。如图5所示，对于数字系统，参考信号V_f在各个开关周期内采样后，其取值视为一恒量。本实施方式所用到的比较值V_F即每个开关周期中间时刻对V_f的采样值。假设V_f在每个开关周期内变化很小，则V_F≈V_F0。在每个开关周期中，PWM信号的开始是高电平，对应为开通状态；当斜坡信号V_r上升达到该比较值V_F时，PWM信号跳变为低电平，进入关断状态。

本具体实施方式采用以下算法来确定每一开关周期的PWM开通时间与关断时间：

参见图4和图5，由于斜坡信号是y＝kx型函数，x∈(0，T_s)，y∈(0，V_rm)，其中T_s为开关周期，V_rm为开关周期内斜坡信号的最大幅值，根据相似三角形的性质有：

于是可确定开通时间T_on为：

$T_{\mathrm{on}}=\frac{V_F}{V_{\mathrm{rm}}}\·T_s---\left(1\right)$

不过，由于V_F和V_rm的数量级相当，当采用定点数运算时将两者直接相除难以得出精确的计算结果。

下面参照图6所示的流程并结合图5中的波形时序说明本具体实施方式的PWM控制算法原理：

首先读入脉冲控制信号PWM_clk。该脉冲控制信号PWM_clk的频率与PWM开关频率为100kHz。脉冲控制信号PWM_clk的上升沿用于启动PWM开通，下降沿用于为PWM提供死区时间。引入一个频率为200MHz的时钟信号和一个计数器，在每个脉冲控制信号PWM_clk的上升沿计数器从0开始对时钟信号进行计数，只要PWM_clk保持高电平的状态，计数器就在每个200MHz时钟的上升沿增加1，当PWM_clk调变回低电平时，计数器清零并停止计数，这样在每个开关周期计数器的计数值counter最多能够达N＝200MHz/100kHz＝2000。计数完之后将计数值counter转化为整型数据。

在读入脉冲控制信号PWM_clk的同时读入两路数据信号，即斜坡信号最大幅值V_rm和参考信号V_F。根据式(1)，对应于PWM开通时间0～T_on的计数值取值范围为：

先将V_F乘以2000，再与V_rm相除，得到商quot和余数rema。接下来将

的分母deno、商quot和余数rema转化为整型数据。然后，判断控制信号PWM_clk的电平特性，低电平为关断控制电平，如果PWM_clk为低电平，说明此时为死区时间，将直接输出低电平。如果PWM_clk为高电平，接下来再判断分子和分母是否全都为正数，分子和分母只要有一个不是正数就直接输出低电平；当两者皆为正数时，进入下一个比较环节。当余数rema小于分母的二分之一，即deno/2时，若计数器的数值大于quot-1，输出低电平，反之输出高电平；当余数rema大于分母的二分之一，若计数器的数值大于quot，输出低电平，反之输出高电平。

图7揭示了采用上述方法进行PWM控制的仿真效果。

具体实施方式二

同具体实施方式一，斜坡信号V_r在每个开关周期内能够上升的最大幅值V_rm作为PWM控制模块的一个输入信号由前级给出，随开关周期变化。每个开关周期的参考信号的采样值V_F在各开关周期中恒定。同样，在PWM控制模块中引入一个200MHz的时钟和一个计数器，计数器在控制信号PWM_clk为低电平时清零，在控制信号PWM_clk的上升沿开始计数，每个200MHz时钟上升沿计数器增加1，控制信号PWM_clk的频率与开关频率相同为100kHz。因此，如果不设死区时间，计数器的计数值为n＝0～1999；本具体实施方式控制信号PWM_clk信号引入十个时钟周期的死区时间后，计数器的计数值为n＝0～1989。

如图8所示，与具体实施方式一不同，在本实施方式中，载波斜率不固定的PWM控制方式是通过设计一个累加器模拟积分器来产生的载波斜坡信号，然后，通过不断地比较斜坡信号V_r的值与比较值V_F来确定每一个开关周期的占空比。

累加器是本具体实施方式的基础。在一个开关周期内斜坡信号V_r能够上升的最大值为V_rm，则每一次时钟上升沿，斜坡信号V_r将在原有值的基础上增加V_rm/2000。然而这种使用累加器不断累积的方法其缺点是造成截断误差的累积。由于本发明的控制方法对V_rm/2000的精度要求很高，一旦在计算中出现较大误差，将直接影响后面的计算，甚至产生错误。因此，本实施方式并不采用不断累积的办法，而是在每个时钟周期，根据计数器当前的计数值直接计算出斜坡信号V_r的值，然后在下一个时钟上升沿将所得结果锁存。由此，斜坡信号V_r在每一次时钟上升沿的值可以通过下式算得：

$V_{r\left(n\right)}=\frac{V_{\mathrm{rm}}}{2000}\·n---\left(2\right)$

其中n为当前计数值。图8中所示斜坡信号V_r即由式(2)计算而得到的呈阶梯状上升的信号波形。得到斜坡信号V_r之后，用每次开关周期的比较值V_F去比较每个时钟周期上升沿锁存的V_r(n)值，当比较值V_F大于V_r(n)时，PWM输出高电平；否则，输出低电平。一旦遇到死区，即PWM_clk低电平时，PWM必须输出低电平。

不过，采用本具体实施方式每5ns就要完成一次乘法运算，相比于具体实施方式一所占用的处理器资源较高。

本发明上述具体实施方式的PWM控制方法是基于FPGA实现的，所用到的算法可集成在一片FPGA芯片上，实现了基于IC层面的设计。FPGA优点在于：采用并行运算模式，因此处理速度快，且低功率损耗。随着对开关频率的要求越来越高，优选FPGA用于开关电源的数字化控制有其特有的优势。然而，对于本领域普通技术人员来说，本发明方法亦可通过DSP、单片机等其他控制器件来实现。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种PWM控制方法，PWM开关周期由脉冲控制信号决定，PWM开通时间和关断时间由高频载波信号、参考信号及所述脉冲控制信号确定，所述高频载波信号为各周期之间斜率有变化的斜坡信号，其特征在于：在每个PWM开关周期内对所述参考信号采样一次，以采样值作为比较值V_F，根据所述比较值V_F与对应的斜坡信号最大值V_rm的比值关系来确定各开关周期的PWM开通、关断时间；确定各开关周期的PWM开通、关断时间的方法有两种：

第一种：1)各开关周期均按设定的时钟频率从0开始计数，一开关周期内的最大计数值为N；由所述比值关系确定对应于PWM开通时间的计数值取值范围为： 

2)将 

的分母、商和余数转化为整型数据；3)判断脉冲控制信号的电平特性，如果为关断控制电平，PWM输出低电平；否则，进入下一步骤；4)判断 

的分子和分母是否全都为正数，如果否，输出低电平；如果是，则进入下一步骤；5)判断 

的余数是否小于分母的二分之一，如果是，则当计数值大于商减一时输出低电平，否则输出高电平；如果否，则当计数器的数值大于商时输出低电平，否则输出高电平；上述低、高电平时段分别对应PWM关断、开通时间；

第二种：各开关周期均按设定的时钟频率从0开始计数，一开关周期内的最大计数值为N，不断累计计数值n，其取值范围为0～N；以该设定的时钟频率不断计算 

并与比较值V_F进行比较，当满足 

时，输出高电平，否则，输出低电平；上述低、高电平时段分别对应PWM关断、开通时间。

2.如权利要求1所述的PWM控制方法，其特征在于：所述脉冲控制信号的频率为100KHz，所述设定的时钟频率为200MHz，相应的总计数值N为2000。

3.如权利要求1所述的PWM控制方法，其特征在于：  在每个开关周期的中间时刻对所述参考信号进行一次信号采样以获得比较值V_F。 

4.如权利要求1所述的PWM控制方法，其特征在于：所述脉冲控制信号各周期中设置了死区，进入死区时PWM关断。

5.如权利要求1所述的PWM控制方法，其特征在于：所述高频载波信号、参考信号以及脉冲控制信号由数字电路控制和处理，所述数字电路根据上述信号确定各开关周期的PWM开通、关断时间并生成PWM信号。

6.如权利要求5所述的PWM控制方法，其特征在于：所述数字电路采用FPGA实现。 

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