CN101617470B - 使用脉宽调制信号进行控制的控制单元和方法 - Google Patents

使用脉宽调制信号进行控制的控制单元和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种控制带有多个输入信号的多个电负载的控制单元，其中，借助脉宽调制信号控制电负载，并且输入信号为脉宽调制(PWM)信号，所述脉宽调制信号具有不同的相位和占空比。另外本发明还涉及一种用本发明的控制单元来控制多个带有多个输入信号的电负载的方法。本发明的控制单元有可控开关件，其中，这些开关件将负载组中的每个负载或者能够与其自己的脉宽调制输入端口连接，或者能够与全局脉宽调制输入端口连接。脉宽调制控制的主要优点是，通过脉宽调制方法的开关操作，可以使控制电器中的功率损失保持很小。因此，脉宽调制方法在汽车中经常用来控制电器元件例如电灯。

Description

使用脉宽调制信号进行控制的控制单元和方法
技术领域
本发明涉及的是带有多个输入信号的多个电负载，其中，在此借助脉宽调制信号控制电负载，并且输入信号为脉宽调制(PWM)信号。另外本发明还涉及一种用本发明的控制单元来控制多个带有多个输入信号的电负载的方法。
背景技术
对电负载例如电灯、热转换器以及步进电机的控制，常常借助脉宽调制方法(PWM方法)来实现。对此加载在负载上的功率可以通过流入负载的电流的脉宽调制来调节和控制。
脉宽调制控制的主要优点是，通过脉宽调制方法的开关操作，可以使控制电器中的功率损失保持很小。因此，脉宽调制方法在汽车中经常用来控制电器元件例如电灯。
脉宽调制信号，通过它例如开/关电流流入负载中，在汽车控制仪器中通常通过集成到微控制器中的定时器模块来产生，其中，所有脉宽调制信号在同一时间点接通即设为逻辑高电平，根据脉宽调制信号的占空比(Duty-Cycle)在不同的时间点断开即设为逻辑低电平。
这导致了一个问题，也是脉宽调制方法的一个缺点，即在接通脉冲时可能在脉宽调制信号中产生非常高的接通瞬时峰值。按照目前的技术水平，降低接通瞬时峰值可以采取不同的实施方案。
对此，首先在一个占空周期中接通时间点的分布要使交流部分、从而使阻尼最小，同时使形成的输入电流的基波尽可能高，从而使所需的极限频率和阻尼尽可能高。这一点可以通过固定相关系的接通时间点的布置来实现。
当然，如果很多调节任务同时进行，即多个电负载由相应数量的脉宽调制信号同时来调节和控制，那么控制电器中的工作量会大大增加，各个输入线路的可供使用的计算工作量会减少。
发明内容
因此，本发明的任务是提出一种开头所述方式的控制单元以及一种相应的方法，它们可以用较少的计算工作量和在控制电器上所需的工作量，同时用尽可能少量的脉宽调制信号来控制多个电负载。
这个任务通过按本发明的控制单元和按本发明的方法可以得到解决。本发明有利的结构形势是以下描述的内容。本发明的核心思想是，布置可控制的开关的控制单元和展示一种相应的方法，其中借助这个开关可以将每个被控制的电负载分别与多个不同的脉宽调制输入端口的一个接通。在此，每个与多个脉宽调制输入端口中的一个相接的电负载的接通可以不依赖于所有其它的负载单独进行。另外，还应该可以用一个共同的脉宽调制信号同步控制多个电负载。
带有可控制开关的控制单元可以优先但不是指能通过一个数字界面，例如SPI总线来控制。
但是，本发明的这种控制单元及本发明的这种方法特别、但不是只能应用于脉宽调制的汽车电灯、电机和暖风转换器的控制。
按本发明的控制多个电负载的控制单元，-其中，借助脉宽调制信号控制负载；-其中，控制单元具有多个脉宽调制输入端口，各带有一个脉宽调制信号；-其中，设有可控制的开关件，其中借助开关件，至少一个负载能够分别与至少两个不同脉宽调制输入端口中的一个脉宽调制输入端口接通；其特征在于，脉宽调制信号具有不同的相位和占空比；为至少一组负载设有一个单独的脉宽调制输入端口，额外还设有一个全局脉宽调制输入端口，其中，通过开关件，这个负载组中的每个负载或者能够与其自己的脉宽调制输入端口连接，或者能够与全局脉宽调制输入端口连接；其中每个负载关于其自己的脉宽调制输入端口或者全局脉宽调制输入端口的配置是能够自由编程的。
优选地，为每个负载设有一个单独的脉宽调制输入端口。
优选地，一个脉宽调制输入端口能够同步控制至少两个负载，其中负载由不同的相位控制。
优选地，每个负载与至少两个脉宽调制输入端口中的一个脉宽调制输入端口接通能够不依赖于所有其它负载独立实现。
按本发明的控制多个电负载的方法，-其中借助脉宽调制信号控制负载；-其中负载由各带有一个脉宽调制信号的多个脉宽调制输入端口控制；-其中，至少一个负载分别与至少两个不同脉宽调制输入端口中的一个脉宽调制输入端口接通；其特征在于，脉宽调制信号具有不同的 相位和占空比；负载组中的每个负载在每个时刻或者与其自己的脉宽调制输入端口连接，或者与全局脉宽调制输入端口连接；其中每个负载关于其自己的脉宽调制输入端口或者全局脉宽调制输入端口的配置是能够自由编程的。
优选地，一个脉宽调制输入端口同步控制至少两个负载。
优选地，一个脉宽调制输入端口由不同相位同步控制至少两个负载。
优选地，每个负载与至少两个脉宽调制输入端口中的一个脉宽调制输入端口接通不依赖于所有其它负载独立实现。
用上述的控制单元或用上述的方法控制电负载。
用上述的控制单元或用上述的方法控制电灯、电动机以及热转换器。
机动车，带有上述的控制单元或使用上述的方法。
附图说明
下面结合实施例、附图及表格对本发明作进一步详细描述。附图中只显示了描述本发明的控制单元和本发明的方法所需的主要部件。特别是本发明的可控制开关元件在图中没有出来。通常情况下本发明的控制单元及实现本发明方法所用的电子电路布置根据不同的实施情况要复杂的多。
图1至图3是一个实施例的示意图。图中显示了本发明用于控制多个负载的控制单元，这些负载通过同样多个不同脉宽调制输入信号来控制。“不同的脉宽调制输入信号”意味着脉宽调制输入信号具有不同的相位和占空比。
在这个实施例中，M个负载由N个脉宽调制输入信号来控制，在此最好M＞N：M大于N。同样M＞＞N：M远远大于N也可以考虑。其中M和N为任意自然数。
如在图3和表1所示，在此N个脉宽调制输入信号中的每个信号多多少少都具有不同的相位和占空比。表1显示了图1中显示出的所有脉宽调制输入信号PWM_In1，......，PWM_InN的相位值和占空比值。其中第一个脉宽调制输入信号PWM_In1的相位为0°，占空比为37.5％；第三个脉宽调制输入信号PwM_In3的相位为90°，占空比为25％。
这些不同的脉宽调制输入信号然后借助本发明的控制单元对应地与各个电负载连接。在此，主要借助集成在控制单元中的可控开关件根据需要选择这些信号，同样借助这些可控开关件与各自的电负载连接。在此，一个脉宽调制输入信号可以连接多个电负载。
如图1所示，例如第一个脉宽调制输入端口在工作时间点t1与电负载Last 1，Last 3和Last 4接通，这样电负载Last 1，Last 3和Last 4就由一个共同的脉宽调制输入信号PWM_ln1同步控制，而第二个输入端口的脉宽调制输入信号PWM_ln 2同步控制负载Last m和Lastm+1。
如图2所示，在另一个工作时间点t2，脉宽调制输入端口即脉宽调制信号PWM_ln 1除了控制负载Last 1，Last 3和Last 4之外，还控制负载Last 2。在工作时间点t1控制Last 2的脉宽调制输入端口即脉宽调制信号PWM_ln N现在控制负载Last M。
在本发明中例如通过集成在控制单元中的可控开关件借助多路复用/分路方法将脉宽调制输入端口与被控制负载连接。
脉宽调制输入信号可以例如通过一个与本发明的控制单元隔离设计的单独的脉宽调制信号发生器来产生和调节，也可以通过一个集成在本发明的控制单元中的脉宽调制信号发生器来产生和调节。
本发明的可控开关件的控制可以例如借助数字界面，例如SPI总线来实现。
图4至图6显示了另一个实施例，其中图5和图6只是描述本发明实施例的图4的一个片断。这个实施例描述了一个控制单元和一种相应的方法，借助它们多个负载或由与单个负载相谐调的脉宽调制输入端口来控制，或者在保持各自相位的情况下由一个共同的脉宽调制输入端口来控制。
具体实施方式
在这个实施例中为每个负载预先规定了一个单独的脉宽调制输入端口。为那些在工作时根据需要既可以用不同的相位和不同的占空比，也可以用相同的相位和相同的占空比来控制的负载，规定了一个共同的脉宽调制输入信号。
如图4所示，每个负载都配置有自己单独的、可开关的脉宽调制输入信号，下面称作局部脉宽调制输入端口。除了局部脉宽调制输入端口，每个负载此外还可以与第二个、负载特有的共同的脉宽调制输入端口接通。这个负载特有的、可共同与多个负载连接的的脉宽调制输入端口，下面称为全局脉宽调制输入端口。“负载特有”这个词是指，由一个共同的脉宽调制输入端口同步控制的负载，具有共同的物理功能特性，例如汽车右侧的转向灯。
在本发明的控制单元中为每个负载布置了一个开关件。每个开关件按照需要在局部和全局脉宽调制输入端口之间来回转接负载。
这样，每个负载就可以或者由局部或者由全局脉宽调制输入端口来控制。局部和全局脉宽调制输入信号之间的转接通过一个专为每个全局输入端口规定的转换信号PWM_Enable来实现。
每个到达每个全局脉宽调制输入信号的脉宽调制Enable信号都有一个二进制数字字符串(bits)，这个二进制数字字符串的位数正好等于每个全局脉宽调制输入端口同时最多控制的负载数。
从图4中可以看出，全局脉宽调制输入端口PWM_Global 1同时最多控制Last 1至Last 4的4个负载。这4个负载的每一个都应该可以不依赖于另外3个负载，单独和全局脉宽调制输入端口PWM_Global 1连接和断开。
这一点通过转换信号PWM_Enable，这里为4位信号PWM_Enable 1，即可实现。这个转换信号PWM_Enable 1将全局脉宽调制输入端口PWM_Global 1加载给每个负载。
如图5所示，例如转换信号PWM_Enable 1在工作时间点t1被加载上一个二进制信号值0110。这样全局脉宽调制输入端口PWM_Global 1就与负载Last 2和Last 3接通。负载Last 1和Last 4分别由各自的局部脉宽调制输入信号PWM_lokal 1和PWM_lokal 4来控制。
如图6所示，例如在工作时间点t2，转换信号PWM_Enable 1被加载上一个二进制信号值1100。这样全局脉宽调制输入端口PWM_Global 1就与负载Last 1和Last 2接通。负载Last 3和Last 4分别与局部脉宽调制输入端口PWM_lokal 3和PWM_lokal 4接通。
通过引入一个或多个全局脉宽调制输入端口，可以由唯一一个全局脉宽调制输入端口来控制多个受工作条件制约必须或可以由相同相位和相同占空比的脉宽调制输入信号来控制的负载，例如汽车的远灯。这样一来就减少了激活的脉宽调制输入信号的数量，从而也减少了多余的脉宽调制输入信号造成的EMV-辐射(EMV：电磁兼容性)。
本发明的另外一个实施例是，将前面所述的两个实施例组合起来。这样一来就可以灵活地、以相对较小的工作量和较低的EMV干扰来控制多个电子负载。
上面所述的实施例阐明了，用本发明的控制单元和方法以脉宽调制的方式控制多个负载的优点，即可以灵活地由一个共同的脉宽调制输入端口同步地、而且以最佳相位来控制这些负载。
此外，通过用唯一一个脉宽调制信号来控制多个负载减少了激活的脉宽调制信号，从而也减少了所要求的计算工作量。
通过按照上述的方法布置，可以在控制工作量最小、脉宽调制信号分布最佳的同时达到最大的输出灵活性。
在下面的表2中显示了按照图4至图6实施例编程的一个二进制数字字符串表。
寄存器1至4：CH1 control至CH4 control用于为4个局部脉宽调制输入端口PWM_lokal1至PWM_lokal 4，按照脉宽调制输入信号占空比和相位单独进行编程，在此例如为10位：D0至D7用于占空比的设定，2位：D8至D9相位的设定。
利用寄存器5：global PWM enable控制单元可以将负载Last 1至Last 4在局部脉宽调制输入端口：PWM_lokal 1 bis 4和全局脉宽调制输入端口：PWM_Global 1之间来回转接。寄存器5：global PWM enable有4位，其中每位对应一个负载。
寄存器6主要用于设定全局脉宽调制输入端口的脉宽调制值，即PWM_Global的脉宽调制占空比和相位。在接通全局脉宽调制端口时，主要从局部端口直接接收相位，而不用放弃多相位操作。
这种方法在调节可变直流电源的光源时非常有帮助(例如在车载电网中有稳流电阻的灯泡或发光二极管)，大大减少了程序步骤的数量和控制单元的负担。
表2

Claims (8)

1.一种控制多个电负载的控制单元，
-其中，借助脉宽调制信号控制负载；
-其中，控制单元具有多个脉宽调制输入端口，各带有一个脉宽调制信号；
-其中，设有可控制的开关件，其中借助开关件，至少一个负载能够分别与至少两个不同脉宽调制输入端口中的一个脉宽调制输入端口接通；
其特征在于，
所述脉宽调制信号具有不同的相位和占空比；
为每个负载设有一个单独的脉宽调制输入端口，额外还设有一个全局脉宽调制输入端口，其中，通过开关件，每个负载或者能够与其自己的脉宽调制输入端口连接，或者能够与全局脉宽调制输入端口连接；
其中每个负载关于其自己的脉宽调制输入端口或者全局脉宽调制输入端口的配置是能够自由编程的。
2.如权利要求1所述的控制单元，其特征在于，一个脉宽调制输入端口能够同步控制至少两个负载，其中负载由不同的相位控制。
3.如权利要求1-2之一所述的控制单元，其特征在于，每个负载与至少两个脉宽调制输入端口中的一个脉宽调制输入端口接通能够不依赖于所有其它负载独立实现。
4.一种控制多个电负载的方法，
-其中借助脉宽调制信号控制负载；
-其中负载由各带有一个脉宽调制信号的多个脉宽调制输入端口控制；
-其中，至少一个负载分别与至少两个不同脉宽调制输入端口中的一个脉宽调制输入端口接通；
其特征在于，
所述脉宽调制信号具有不同的相位和占空比；
每个负载在每个时刻或者与其自己的脉宽调制输入端口连接，或者与全局脉宽调制输入端口连接；
其中每个负载关于其自己的脉宽调制输入端口或者全局脉宽调制输入端口的配置是能够自由编程的。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，一个脉宽调制输入端口同步控制至少两个负载。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，一个脉宽调制输入端口由不同相位同步控制至少两个负载。
7.如权利要求4至6之一所述的方法，其特征在于，每个负载与至少两个脉宽调制输入端口中的一个脉宽调制输入端口接通不依赖于所有其它负载独立实现。
8.一种机动车，带有按权利要求1至3之一所述的控制单元。
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