CN102624368A - 一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法，当前开关周期内，DSP芯片利用数学算法产生一个随机数，并利用随机数计算周期寄存器值和比较寄存器值；该周期寄存器值在当前开关周期内存入周期寄存器的影子寄存器内作为周期寄存器在下一开关周期内的值，该比较寄存器值在当前开关周期内存入比较寄存器的影子寄存器内作为比较寄存器在下一开关周期内的值；当前开关周期结束时，周期寄存器的影子寄存器把随机数填入周期寄存器，比较寄存器的影子寄存器把随机数

Description

一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法

技术领域

本发明涉及电力电子装置的随机开关频率脉宽调制技术，具体涉及一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法。 

背景技术

脉宽调制是电力电子装置常用的控制方法。在进行脉宽调制时，功率器件(IGBT或MOSFET)的开关频率通常是固定的，例如开关频率固定为10kHz。通过更改控制电路和控制程序，可以使功率器件的开关频率在一个设定的范围内随机变化，例如设计开关频率在5kHz至10kHz范围内随机变化。这种开关频率随机变化的脉宽调制通常被称作随机开关频率脉宽调制(Random Frequency Pulse Width Modulation，以下简称RFPWM)。 

随机开关频率脉宽调制可以使电力电子装置的电磁辐射和电压电流谐波分量均匀的分布在一个较宽的频率范围内，避免了固定开关频率脉宽调制模式中电磁辐射和电压电流谐波主要集中在开关频率及整数倍开关频率点的情况，从而达到减小电磁辐射和降低电磁噪声的目的。 

随机开关频率脉宽调制技术早在上世纪八十年代就有学者提出并开展相关研究，现在可查到很多这方面的研究文献和报道。但随机开关频率脉宽调制技术的工程化应用一直没有得到推广(目前绝大部分电力电子装置的开关频率都是固定的，极少看到随机开关频率脉宽调制的应用实例)，其主要原因是：虽然随机开关频率脉宽调制技术的原理很简单，但此方法的具体实现有很大的难度。一是需要数字信号处理芯片等硬件电路具有支持开关频率随机变化的功能，在以前数字信号处理芯片功能有限的条件下，不可能实现随机开关频率脉宽调制技术的实际应用，目前专用的DSP处理芯片上集成了灵活的脉宽调制处理电路，为实现随机开关频率脉宽调制技术提供了硬件支持；二是随机开关频率脉宽调制技术与具体的控制对象及其控制方法结合后，带来了很多新的问题，例如开关频率随机变化下的离散控制形式改变、控制周期和采样周期可能随开关频率的随机变化而变化、原来固定的控制参数也可能会随开关频率的变化而改变；三是随机开关频率脉宽调制技术的应用使控制程序的设计变得很精密复杂，运用此方法后，编写出正确的、性能良好的控制软件成为一个需要攻克的难题。 

经初步检索，发现申请号为200810067016.9和98102960.4的中国专利分别公开了两种跟随机开关频率脉宽调制相关的专利，但其描述的内容和技术方案与本发明的内容有很大差异，并未发现与本发明技术方案相同或者相近的技术方案。 

发明内容

目前的电力电子装置通常采用固定开关频率脉宽调制技术，固定的开关频率会使电力电 子装置的电磁辐射和电压电流谐波主要集中在开关频率及整数倍开关频率点，导致电磁辐射超标和电磁噪声很大，采用随机开关频率脉宽调制技术能够克服固定开关频率脉宽调制方法的上述缺点，但随机开关频率脉宽调制技术的工程化应用较难，针对上述问题，本发明提供一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法。 

本发明所采用的技术方案是：一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法，包括： 

当前开关周期内，DSP芯片利用数学算法产生一个随机数X，并利用随机数X计算周期寄存器值Y和比较寄存器值C，利用随机数计算出的数值Y和C也是随机的； 

该周期寄存器值Y在当前开关周期内存入周期寄存器的影子寄存器内作为周期寄存器在下一开关周期内的值，该比较寄存器值C在当前开关周期内存入比较寄存器的影子寄存器内作为比较寄存器在下一开关周期内的值； 

当前开关周期结束时，周期寄存器的影子寄存器把随机数Y填入周期寄存器，比较寄存器的影子寄存器把随机数C填入比较寄存器，因此下一个开关周期的大小及占空比相对上一个开关周期来说总是随机的，整个脉宽调制的开关频率也就是随机变化的。 

进一步地，当前周期结束是以时钟计数器的值变为零为标志，当时钟计数器的值变为零时，表示当前周期结束，周期寄存器的影子寄存器即把预存的随机数填入周期寄存器，比较寄存器的影子寄存器即把预存的随机数填入比较寄存器。 

进一步地，所述产生随机数的数学算法为同余法、随机数列表法、取中法、改进的同余法中的一种，或为其他可以产生随机数的数学算法。 

本发明的优点在于：本发明利用数学方法产生一个随机数作为下一开关周期内周期寄存器数值，并进一步计算出待填入比较寄存器内的数值，这样，下一个开关周期的大小及占空比相对上一个开关周期来说总是随机的，整个脉宽调制的开关频率也就是随机变化的，其原理简单，易于在现有的硬件条件下实现，是一种易于推广的随机开关频率控制的工程化方法。 

具体实施方式

下面结合实施例来进一步阐述本发明，在此实施例中，产生随机数的方法为同余法。 

实施例一 

一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法，包括以下步骤： 

1、当前开关周期内，DSP芯片采用同余法产生随机数X_(n+1)： 

X_(n+1)＝(a×X_(n)+c)mod(m) 

三个系数的一种取值为： 

a＝2¹⁶+3＝65539 

c＝1 

m＝2³²＝4294967296 

设置一个初始值，例如取X₍₀₎＝1，则程序执行一次后，就会产生出一个随机数X₍₁₎，随着程序的不断循环执行，就产生了一系列的随机数X₍₁₎、X₍₂₎、X₍₃₎…X_(n)、X_(n+1)…。产生随机数的程序可以每个开关周期执行一次，这样每个开关周期都会得到一个新的随机数，随机数的范围为0至4294967296； 

2、利用每个开关周期得到的随机数计算周期寄存器的下一个值Y_(n+1)，计算方式为： 

$Y_{(n+1)}=N_{\min }+\frac{X_{\left(n\right)}}{m}\×(N_{\max }-N_{\min })=N_{\min }+\frac{X_{\left(n\right)}}{2^{32}}\×(N_{\max }-N_{\min })$

显然，周期寄存器的值是在一个限定的范围内，此范围为N_min至N_max。 

假设计数器时钟周期为T_c，电力电子装置采用的随机开关频率范围内的最低开关频率对应的开关周期为T_max、最高开关频率对应的开关周期为T_min，则当脉宽调制电路采用增减计数方式时 

$N_{\min }=\frac{1}{2}\×\frac{T_{\min }}{T_c},$ $N_{\max }=\frac{1}{2}\×\frac{T_{\max }}{T_c}$

当脉宽调制电路采用增计数方式或减计数方式时 

$N_{\min }=\frac{T_{\min }}{T_c},$ $N_{\max }=\frac{T_{\max }}{T_c}$

3、采用周期寄存器的下一个值Y_(n+1)和脉宽调制的占空比K_(n+1)，计算比较寄存器的下一个值C_(n+1)，例如一种计算方式为： 

C_(n+1)＝Y_(n+1)-Y_(n+1)×K_(n+1)

根据不同的占空比，比较寄存器值的范围为零至周期寄存器值。 

4、在当前开关周期内，将计算出的周期寄存器的下一个值Y_(n+1)和比较寄存器的下一个值C_(n+1)填入各自的影子寄存器内； 

5、脉宽调制电路在时钟计数器值变为零时自动将影子寄存器的值填入寄存器内，形成下一个时钟周期和脉宽调制脉冲，因此下一个开关周期的大小及占空比相对上一个开关周期来说总是随机的，整个脉宽调制的开关频率也就是随机变化的。 

所述步骤5中，当前周期结束是以时钟计数器的值变为零为标志，当时钟计数器的值变为零时，表示当前周期结束，周期寄存器的影子寄存器即把预存的随机数填入周期寄存器，比较寄存器的影子寄存器即把预存的随机数填入比较寄存器。 

除了步骤1中所述的同余法，产生随机数的数学方法还可以是随机数列表法、取中法、改进的同余法中的一种，或为其他可以产生随机数的数学算法。 

通过上述实施例可以看出，本发明涉及一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法，包括： 

当前开关周期内，DSP芯片利用数学算法产生一个随机数X，并利用随机数X计算周期寄存器值Y和比较寄存器值C，利用随机数计算出的数值Y和C也是随机的； 

该周期寄存器值Y在当前开关周期内存入周期寄存器的影子寄存器内作为周期寄存器在下一开关周期内的值，该比较寄存器值C在当前开关周期内存入比较寄存器的影子寄存器内作为比较寄存器在下一开关周期内的值； 

当前开关周期结束时，周期寄存器的影子寄存器把随机数Y填入周期寄存器，比较寄存器的影子寄存器把随机数C填入比较寄存器，因此下一个开关周期的大小及占空比相对上一个开关周期来说总是随机的，整个脉宽调制的开关频率也就是随机变化的。 

进一步地，当前周期结束是以时钟计数器的值变为零为标志，当时钟计数器的值变为零时，表示当前周期结束，周期寄存器的影子寄存器即把预存的随机数填入周期寄存器，比较寄存器的影子寄存器即把预存的随机数填入比较寄存器。 

进一步地，所述产生随机数的数学算法为同余法、随机数列表法、取中法、改进的同余法中的一种，或为其他可以产生随机数的数学算法。 

上述实施例仅供进一步说明本发明技术方案用，不对本发明保护范围作任何限制，本领域普通技术人员在不脱离本发明精神及技术启示下所作的变形及润饰，均应视为在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围具体视其权利要求书而定。 

Claims (4)

1.一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法，其特征在于，包括：

当前开关周期内，DSP芯片利用数学算法产生一个随机数                                               

，并利用随机数

计算周期寄存器值

和比较寄存器值

，利用随机数计算出的数值和

也是随机的；

该周期寄存器值在当前开关周期内存入周期寄存器的影子寄存器内作为周期寄存器在下一开关周期内的值，该比较寄存器值

在当前开关周期内存入比较寄存器的影子寄存器内作为比较寄存器在下一开关周期内的值；

当前开关周期结束时，周期寄存器的影子寄存器把随机数

填入周期寄存器，比较寄存器的影子寄存器把随机数

填入比较寄存器，因此下一个开关周期的大小及占空比相对上一个开关周期来说总是随机的，整个脉宽调制的开关频率也就是随机变化的。

2.根据权利要求1所述一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法，其特征在于，当前周期结束是以时钟计数器的值变为零为标志，当时钟计数器的值变为零时，表示当前周期结束，周期寄存器的影子寄存器即把预存的随机数填入周期寄存器，比较寄存器的影子寄存器即把预存的随机数填入比较寄存器。

3.根据权利要求1或2所述一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法，其特征在于，所述产生随机数的数学算法为同余法、随机数列表法、取中法、改进的同余法中的一种，或为其他可以产生随机数的数学算法。

4.根据权利要求3所述一种电力电子装置随机开关频率脉宽调制实现方法，其特征在于，所述产生随机数的数学算法为同余法，所述随机数的范围为0至4294967296。