CN103529694A - 一种脉宽调制占空比控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉宽调制占空比控制方法及装置，其中方法包括以下步骤：1)数据分离器根据输入的数据是浮点数或定点小数，自动将输入数据分离成整数和小数部分；2)数值积分器对数据分离器分离出来的小数部分进行累加积分，大于1的整数部分溢出后输入到加法器中，并将其加到数据分离器输出的整数部分，余数部分继续留在积分累积器中等待下一个周期累积；3)在当前周期内，加法器将累加后的整数数据输出到PWM占空比发生器中，PWM占空比发生器根据该数据调整PWM波形的占空比。与现有技术相比，本发明具有可以提高PWM执行器的输出精度，降低成本，有利于更快地实现控制系统的稳定，减少波动，减少稳态误差，改善控制系统品质等优点。

Description

一种脉宽调制占空比控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种自动控制系统，尤其是涉及一种用于自动控制系统的脉宽调制占空比控制方法及装置。

背景技术

随着自动控制技术、电子技术的发展，自动控制系统的控制器几乎都采用数字化的方法实现，一个典型的单回路闭环控制系统由传感器、控制器和执行器组成，数据传输方式都采用数字量进行。例如一个典型的基于单片机的温度控制系统的应用案例是这样的：温度传感器将温度信号转换一个16比特的数字信号送到单片机，单片机根据给定值和偏差情况执行PID控制算法，计算出控制量后送往PWM执行器，通过改变PWM信号的占空比从而控制加热量。目前单片机的控制量是数字方式的，控制量是以浮点数或者带小数点的定点数给出，但是实际的PWM执行器一般都只支持整数值，例如1-100％的范围，一般输入到PWM执行器的控制量要进行四舍五入计算，才能将整数值输出到PWM控制器。但经过四舍五入得到的整数量将造成实际的控制量同理论计算的控制量之间存在误差，尤其是当PID控制器的积分时间常数很大且控制量值较小时，实际的控制量同理论值之间相对偏差将非常大，造成控制精度下降。

如果想要提高PWM执行器的精度，目前有几种方法，一种是靠提高PWM的频率的方法，例如将PWM频率从100Hz提高到1000Hz，就有可能使控制量的分辨率范围从1％-100％变成1‰-1000‰，提高频率对大多数情况都是有效的；另一种方法是采用PWM／PFM混合的方法，在高频时采用固定频率调整占空比的方式，在低频时采用固定导通时间调整频率的方法。以上两种方法在专利号为ZL200420066802.4所描述的“一种具有自动切换脉冲宽度／频率调变模式的转换器”、专利号为ZL200720124866.9所描述的“高频高效升压DC／DC转换器”中都有描述。但采用提高PWM频率的方法是有缺陷的，一方面提高频率对开关器件的性能要求更高，还会增加器件的功耗，另一方面高频开关的谐波会增加无线电信号的发射量，对其它元器件工作产生干扰。在希望固定导通时间调整频率的方法其调整范围是有限的，低频段可整频率的频率范围是很小的，因此低频时通过调整频率来提高精度的能力是有限的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种脉宽调制占空比控制方法及装置，可以大大减少输出误差，减少波动，提高控制系统精度，降低系统成本。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种脉宽调制占空比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)数据分离器根据输入的数据是浮点数或定点小数，自动将输入数据分离成整数和小数部分；

2)数值积分器对数据分离器分离出来的小数部分进行累加积分，大于1的整数部分溢出后输入到加法器中，并将其加到数据分离器输出的整数部分，余数部分继续留在积分累积器中等待下一个周期累积；

3)在当前周期内，加法器将累加后的整数数据输出到PWM占空比发生器中，PWM占空比发生器根据该数据调整PWM波形的占空比。

一种脉宽调制占空比控制方法的控制装置，其特征在于，包括数据分离器、数值积分器、加法器和PWM占空比发生器，所述的数据分离器的输入端接收控制量，所述的数据分离器输出端分别与数值积分器的输入端、加法器的输入端连接，所述的数值积分器输出端与加法器的输入端连接，所述的加法器的输出端与PWM占空比发生器的输入端连接。

所述的数值分离器分离浮点数或定点小数，数值积分器只对数值分离器分离出来的小数部分进行累加，累加和大于1的整数部分会在当前周期内加到数值分离器分离出来的整数部分，改变当前周期的PWM波形的占空比。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

可以提高PWM执行器的输出精度，可以以较低的脉冲频率实现一个较高精度的PWM脉冲调制方法，降低成本，还有利于更快地实现控制系统的稳定，减少波动，减少稳态误差，改善控制系统品质。

由于小数部分继续在积分器中可累积，这样来自控制器输出的小数部分的值就不是简单的被四舍五入，而是被均匀的分布在多个控制周期中进行输出。这样可以大大减少输出误差，减少波动，提高控制系统精度，降低系统成本。

附图说明

图1为典型的自动控制系统；

图2为PWM执行装置的工作原理图；

图3为本发明控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，由传感器、控制器、执行器三种装置构成了典型的自动控制系统，传感器将采集信号发送到控制器，控制器根据传感器信号和用户给定值之间的误差大小和方向计算要增加或减少的控制量，执行器装置根据控制器发送过来的控制量执行输出控制，目前这三种装置的接口从传统的模拟量接口逐渐发展成数字量接口。

如图2所示，PWM执行装置的工作原理为：PWM信号即脉宽调制信号，PWM控制器以给定的频率工作，根据占空比给定值的不同，在每个周期内，输出信号的占空比会发生变化。在一个周期中，高电平与低电平的时间比例等于占空比给定值。一般来说，PWM的工作频率和占空比都是用户可调的。

如图3所示，本发明控制装置包括数据分离器1、数值积分器2、加法器3和PWM占空比发生器4，所述的数据分离器1的输入端接收控制量，所述的数据分离器1输出端分别与数值积分器2的输入端、加法器3的输入端连接，所述的数值积分器2输出端与加法器3的输入端连接，所述的加法器3的输出端与PWM占空比发生器4的输入端连接。

本方的工作流程如下：1)数据分离器根据输入的数据是浮点数或定点小数，自动将输入数据分离成整数和小数部分；

2)数值积分器对数据分离器分离出来的小数部分进行累加积分，大于1的整数部分溢出后输入到加法器中，并将其加到数据分离器输出的整数部分，余数部分继续留在积分累积器中等待下一个周期累积；

3)在当前周期内，加法器将累加后的整数数据输出到PWM占空比发生器中，PWM占空比发生器根据该数据调整PWM波形的占空比。

如表1所示，采用本发明控制方法同采用四舍五入法的对比实例，当控制量从2.3慢慢向上增加到2.5时，四舍五入法得到的控制量从2增加到3，本发明的方法则是2和3在多个周期中相间的输出。两种方法的总控制量与实际控制量的偏差对比是很明显的，本发明的方法在一段时间内累积的误差明显优于四舍五入法。由于本发明采用了数字积分器补偿方法，使得PWM执行器的输出值在一个时间段里的总和更加接近真实值。

实际的工业控制系统中，控制方法常采用PID等控制算法，通过PID方法计算出来的控制量是连续的小数，而大多数执行器的输入量常常要求是整数的(例如阀门的开度、加热器的电流等)，执行器的分辨率是有限的，PID算法的控制量同执行器的实际输入量之间存在一定的误差。理论上，带有积分功能的PID方法最终一定能消除控制系统的静态误差，但PWM执行器采用传统的四舍五入方法造成的波动比本发明方法的波动明显增大，波动的原因之一在于PWM执行器发出的控制量总和跟理想值之间存在较大的差距。使用本发明可以使用低成本的PWM执行器，相对于传统的四舍五入法，可以采用较低的频率实现更准确的控制量输出，采用本方法有利于更快地实现控制系统的稳定，减少稳态误差，减少波动，改善控制系统的动态和稳态品质。

表1

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Claims (3)

1.一种脉宽调制占空比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)数据分离器根据输入的数据是浮点数或定点小数，自动将输入数据分离成整数和小数部分；

2)数值积分器对数据分离器分离出来的小数部分进行累加积分，大于1的整数部分溢出后输入到加法器中，并将其加到数据分离器输出的整数部分，余数部分继续留在积分累积器中等待下一个周期累积；

3)在当前周期内，加法器将累加后的整数数据输出到PWM占空比发生器中，PWM占空比发生器根据该数据调整PWM波形的占空比。

2.一种实施权利要求1所述的脉宽调制占空比控制方法的控制装置，其特征在于，包括数据分离器、数值积分器、加法器和PWM占空比发生器，所述的数据分离器的输入端接收控制量，所述的数据分离器输出端分别与数值积分器的输入端、加法器的输入端连接，所述的数值积分器输出端与加法器的输入端连接，所述的加法器的输出端与PWM占空比发生器的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种脉宽调制占空比控制方法的控制装置，其特征在于，所述的数值分离器分离浮点数或定点小数。数值积分器只对数值分离器分离出来的小数部分进行累加，累加和大于1的整数部分会在当前周期内加到数值分离器分离出来的整数部分，改变当前周期的PWM波形的占空比。

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