CN103036540A - 用于功率控制的脉宽调制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于功率控制的脉宽调制方法，包括：生成周期性的脉冲序列，根据负载的功率需求设置脉冲的占空比；在脉冲的控制下导通或者关断电源与负载；其中，在各个周期中平均地分布脉冲。本发明提供了一种用于功率控制的脉宽调制装置，包括：PWM控制器，用于生成周期性的脉冲序列，根据负载的功率需求设置脉冲的占空比；可控开关，用于在脉冲的控制下导通或者关断电源与负载；其中，PWM控制器在各个周期中平均地分布脉冲。本发明可以避免可见的功率控制波动，提高功率控制的稳定性。

Description

用于功率控制的脉宽调制方法和装置

技术领域

本发明涉及自动化领域，具体而言，涉及一种用于功率控制的PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)方法和装置。

背景技术

在纸张烘干等生产过程中，常用使用交流电的交流加热器进行加热。为了减少损耗，通常需要交流加热器的功率是可调的。PWM技术是一种常用的调节方法，可以用于调节交流加热器的功率。

图1示出了根据相关技术的PWM功率调节装置100的示意图。该PWM功率调节系统100包括：

PWM控制器10，用于产生一系列占空比可以调节的周期性方波脉冲，例如占空比为50％的“110011001100”、占空比为25％的“100010001000”等，其中每个“1”或者“0”的宽度等于AC的半波周期，通常采用单片机或FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程门阵列)来实现PWM控制器10；

可控开关20，用于在PWM控制器10产生的脉冲控制下闭合或者关断，通常用MOSFET或者继电器来实现可控开关20。

例如，AC电源40为例如频率为50HZ的正弦波的市电，负载30为交流加热器。MOSFET开关20在“1”的控制下闭合，在“0”的控制下关断，从而PWM控制器10通过调节脉冲的占空比就可以控制负载30的功率。

发明人发现，因为方波脉冲是数字信号，导致AC输出的波动性较大。例如，相关技术的PWM功率调节系统用于光源控制时(即负载30为发光器件)，会出现闪烁现象。

发明内容

本发明旨在提供一种用于功率控制的PWM方法和装置，以解决相关技术的负载功率波动较大的问题。

在本发明的实施例中，提供了一种用于功率控制的脉宽调制方法，包括：生成周期性的脉冲序列，根据负载的功率需求设置脉冲的占空比；在脉冲的控制下导通或者关断电源与负载；其特征在于，在各个周期中平均地分布脉冲。

在本发明的实施例中，提供了一种用于功率控制的脉宽调制装置，包括：PWM控制器，用于生成周期性的脉冲序列，根据负载的功率需求设置脉冲的占空比；可控开关，用于在脉冲的控制下导通或者关断电源与负载；其特征在于，PWM控制器在各个周期中平均地分布脉冲。

上述实施例的用于功率控制的PWM方法和装置因为在各个周期中平均地分布脉冲，所以克服了相关技术的负载功率波动较大的问题，可以避免可见的功率控制波动，提高功率控制的稳定性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据相关技术的PWM功率调节系统的示意图；

图2示出了根据相关技术的PWM波形图；

图3示出了本发明实施例提供的不同功率下PWM波形图；

图4示出了根据本发明实施例的生成周期性的脉冲序列的流程图；

图5示出了根据本发明实施例的PWM控制器的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

本发明的实施例提供了一种用于功率控制的脉宽调制方法，包括：生成周期性的脉冲序列，根据负载的功率需求设置脉冲的占空比；在脉冲的控制下导通或者关断电源与负载；其中，在各个周期中平均地分布脉冲。

图2示出了根据相关技术的PWM波形图；图3示出了本发明实施例提供的不同功率下PWM波形图。在图像呈现领域，当图像以高于24帧/秒的速度切换时，人眼将感觉不到闪烁，即可以实现图像的连续播放。换言之，人眼的视觉维持时间的极限应为40毫秒左右。由于功率器的辐射必然包含一定成分的可见光，通断周期大于50毫秒时，人眼将直接感知到功率能量控制的周期波动及不稳定性。发明人经过努力研究，发现相关技术对于脉冲在周期中的分布不加控制，导致脉冲在周期中的分布可能很不均匀，发生聚集现象。例如相关技术产生占空比为50％的脉冲序列，有可能为“111110000”，其波形如图2所示。图2的波形使得负载上的功率通断周期变得较长，从而使人眼能够感知到闪烁。

而在本实施例的方法中，在各个周期中平均地分布脉冲，因此本方法产生的占空比为50％的脉冲序列为“1010101010”，波形如图3所示。本方法通过改变高低电平的分布情况，可以实现均匀调节，以及抑制闪烁问题。即在给定的功率下，对应PWM周期是一定的，令产生的PWM波中高低电平分散开来，力求使低电平的持续时间不超过40ms。又例如，当需要获得功率为70％时，设置PWM周期为100ms，一个周期内的PWM输出依次为1101101101(或1011011011)，而不是输出1111111000(或0001111111)。通过将高低电平分散输出(即脉冲平均分布)，既可实现需要的功率，又可以达到功率的均匀调节，例如避免可见光的闪烁问题。

图4示出了根据本发明实施例的生成周期性的脉冲序列的流程图，包括：

步骤S10，周期开始，计数器启动计数；

步骤S20，电源的波形触发计数器计数，计数器每计数一次，发生一个脉冲或一个空；

步骤S30，计数器计满后清零，并回到周期开始的步骤。

本实施例中，采用计数器来控制脉冲的发生，计数器很容易编程实现，因此用常规的单片机或者FPGA即可实现本优选实施例。

另外，通过使用电源的波形触发计数器计数，这使得脉冲序列可以与电源的波形同步，并且脉冲或空的宽度不大于波形周期的长度，例如为半波周期的长度。

优选地，根据负载的功率需求设置脉冲的占空比包括：确定负载的功率需求占电源功率的百分比；根据百分比确定脉冲的占空比；使发生脉冲的数量和发生空的数量符合占空比。

优选地，本方法还包括：确定计数器的计满值N＝B*n，B为占空比约分为互质数后的分母，n为自然数。例如占空比为30％，约分为互质数后为3/10，则可以设置N为10、20、30......。又例如占空比为20％，约分为互质数后为1/5，则可以设置N为5、10、15、20......。发明人发现，在相关技术中，PWM装置的脉冲序列的周期通常是不可以调节的，从而导致功率调节的级数也是有限不可调节的。例如，如果脉冲序列的周期限定为5T，则功率调节的级数限定为0、20％、40％、60％、80％、100％。当用户提出70％的功率需求时，该相关技术的PWM装置无法满足。而在本优选实施例中，只需n取1，B取10，即设置N＝10，即可满足调节为70％的功率需求。

在相关设计中通常采用固定PWM周期方式调节功率，这种方法的优点在于控制方式简单，通过改变占空比来改变功率，缺点是功率调节范围受限于PWM控制周期。即一旦确定了PWM的周期，便也确定了能够调节的功率级数。因此，这种方法不能很好地满足实际生产需要。而本优选实施例改变PWM周期则克服了上述缺点，扩大了功率调节范围，可以更好地满足实际需求。

上述优选实施例通过计数器来实现，非常简单易行。

本发明的一个优选实施例以C语言程序编程实现，具体流程如下：

步骤S 100、获取系统所需的功率，即PWM的占空比；

步骤S 101、计数器counter值加1；

步骤S 102、根据counter值输出对应的高或低电平。以功率为40％为例，一个周期PWM的波形可以设置为10010；所以当counter＝1时，发生高电平(即脉冲)；counter＝2时，发生低电平(即空)；counter＝3时，发生低电平；counter＝4时，发生高电平；counter＝5时，发生低电平；

步骤S103、判断counter值是否计满。在系统实现前，需要确定各功率对应的PWM周期，以功率为40％为例，如果PWM周期设置为50ms，因为每个控制电平持续时间为10ms，所以一个完整的PWM周期需要5个控制电平，即预设值为5。同理，当功率为70％时，PWM周期为100ms，则预设值为10。系统每发生一个控制电平后，都需要判断counter值是否等于对应功率的预设值。如果不相等，说明没有发生完整周期的PWM波，所以继续执行步骤S101和S102；如果相等，则说明已经发生一个完整周期的PWM，此时需要将寄存器counter清零，执行步骤S101，继续产生新一周期的PWM波形。

优选地，电源的波形触发计数器计数包括：检测电源的波形；每当检测到电源的波形过零时，触发计数器。通常的市电或者工业用电都是正弦波，每个周期有两次过零，本优选实施例通过过零检测，可以很容易地实现计数器和电源波形的同步。

本发明的一个实施例提供了一种用于功率控制的脉宽调制装置，包括：PWM控制器，用于生成周期性的脉冲序列，根据负载的功率需求设置脉冲的占空比；可控开关，用于在脉冲的控制下导通或者关断电源与负载；其中，PWM控制器在各个周期中平均地分布脉冲。

本PWM装置可以避免可见的功率控制波动，提高功率控制的稳定性。

图5示出了根据本发明实施例的PWM控制器的示意图，包括：

检测器2，用于检测电源的波形；

计数器4，用于在周期开始，启动计数，被检测器2的检测结果触发计数，计满后清零，并重新启动计数，例如检测器2负责检测正弦交流电的过零点，当检测到过零点时，通知计数器4，计数器4则累加一次，使得每次输出的脉冲或空持续时间为10ms；

发生器6，用于计数器4每计数一次，发生一个脉冲或一个空。

优选地，发生器发生脉冲的数量和发生空的数量符合占空比，其中，根据负载的功率需求占电源功率的百分比确定脉冲的占空比。

优选地，计数器的计满值N＝B*n，B为占空比约分为互质数后的分母，n为自然数。

优选地，检测器2包括：过零检测单元，用于检测电源的波形是否过零；触发单元，用于每当检测到电源的波形过零时，产生触发信号发送到计数器。本优选实施例通过过零检测，可以很容易地实现计数器和电源波形的同步。

从以上的描述中可以看出，本发明提供的PWM功率调节方法和装置实现简单，可以避免可见的功率控制波动，提高功率控制的稳定性。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于功率控制的脉宽调制方法，包括：生成周期性的脉冲序列，根据负载的功率需求设置所述脉冲的占空比；在所述脉冲的控制下导通或者关断电源与所述负载；其特征在于，在各个周期中平均地分布所述脉冲。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生成周期性的脉冲序列包括：

周期开始，计数器启动计数；

所述电源的波形触发所述计数器计数，所述计数器每计数一次，发生一个所述脉冲或一个空；

所述计数器计满后清零，并回到周期开始的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据负载的功率需求设置所述脉冲的占空比包括：

确定所述负载的功率需求占电源功率的百分比；

根据所述百分比确定所述脉冲的占空比；

使发生所述脉冲的数量和发生所述空的数量符合所述占空比。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

确定所述计数器的计满值N＝B*n，B为所述占空比约分为互质数后的分母，n为自然数。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电源的波形触发所述计数器计数包括：

检测所述电源的波形；

每当检测到所述电源的波形过零时，触发所述计数器。

6.一种用于功率控制的脉宽调制装置，包括：PWM控制器，用于生成周期性的脉冲序列，根据负载的功率需求设置所述脉冲的占空比；可控开关，用于在所述脉冲的控制下导通或者关断电源与所述负载；其特征在于，所述PWM控制器在各个周期中平均地分布所述脉冲。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述PWM控制器包括：

检测器，用于检测所述电源的波形；

计数器，用于在周期开始，启动计数，被所述检测器的检测结果触发计数，计满后清零，并重新启动计数；

发生器，用于所述计数器每计数一次，发生一个所述脉冲或一个空。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述发生器发生所述脉冲的数量和发生所述空的数量符合所述占空比，其中，根据所述负载的功率需求占电源功率的百分比确定所述脉冲的占空比。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述计数器的计满值N＝B*n，B为所述脉冲序列的一个周期中的总位数，n为自然数。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述检测器包括：

过零检测单元，用于检测所述电源的波形是否过零；

触发单元，用于每当检测到所述电源的波形过零时，产生触发信号发送到所述计数器。

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