CN104821809B - 用于产生脉冲宽度调制信号的数字电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于产生脉冲宽度调制信号、尤其用于借助于脉冲宽度调制调节模拟电气变量的数字电路装置，其中模拟变量的在A/D变换器的输入端上存在的实际值被转换为数字输出变量，其中所述A/D变换器的所述数字输出变量被输送给比较器单元，其将所述输出变量与上阈值并且与下阈值进行比较，其中在所述比较器单元的输出端上存在信号，其说明所述A/D变换器的所述输出变量是位于所述上阈值之上还是下阈值之下，并且其中尤其规定，所述A/D变换器的所述输出端与数字计时器连接，借助于该数字计时器能够调整所产生的脉冲宽度调制信号的脉冲宽度比。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于产生脉冲宽度调制信号、尤其用于调节模拟变量的数字电路装置。
背景技术
通过集成数字地连接的脉冲宽度调制(PWM)信号产生模拟电气变量、例如电压或电流在直流/直流变换器或开关调整器中本身是已知的。在这种情况下，使用开关、存储元件(Speicherglied)和特殊的调节电路，其中这种调节电路以不同的实施方案大多作为集成电路可用。所提到的存储元件例如是电感或电容。
发明内容
本发明所基于的构思是，借助于脉冲宽度调制并且特别是通过A/D变换器与数字计时器的结合来调节所提到的模拟电气变量(电压，电流等)。目前可用的例如被用于控制电动车辆的电动机的所谓的“嵌入式”微控制器包括已经提到的A/D变换器和计时器，使得A/D变换器与数字计时器的根据本发明的结合并且尤其是直接的仅仅由电子部件控制或者实现的调节回路的结构可以简单地并且因此低成本地实现。
利用根据本发明的数字电路装置，可以借助仅仅少量的外部部件控制或调节在这里所涉及的模拟变量。由于不需要微控制器的持续的指令执行用于实际的调节过程，因此该电路的死区时间是显著更小的。而且，可预期死区时间的仅仅非常小的抖动(波动)。如果调节回路通过微控制器的指令执行而被闭合，那么指令的执行所需的时间导致明显更大的死区时间。如果微控制器此外具有其他任务，在实践中通常情况如此，那么由此形成死区时间的相当大的抖动，在调节回路中这是很有干扰性的。相对于现有技术目前的其中借助于软件实现由于所需的数据处理导致由运行时间或死区时间效应决定的抖动的信号处理的微控制器，根据本发明的电路装置的代替该微控制器存在的分立结构避免所提到的缺点。
此外，微控制器相应地被减轻负担，并且因此可供用于其他任务。微控制器的可编程性也可被用于调整用于调节的参数或使所述参数适应于当前的要求。
由于本发明，在这里所涉及的调节可以通过在(例如嵌入式)微控制器中已经存在的集成逻辑结构来实现。这尤其涉及如下系统，在这些系统中使用微控制器，以便最小化外部所需的部件的数量。
本发明可以尤其以于此所描述的优点应用于电动车辆的电气驱动和/或电池供电中或电气逆变器或逆变器中。
由说明书和附图得到本发明的另外的优点和扩展方案。易于理解的是，前面提到的和后面还要解释的特征不仅可以以相应的所说明的组合而且可以以其他的组合或单独地使用，而不离开本发明的范围。
附图说明
图1示出根据现有技术的用于阈值监控的数字比较器的电路装置。
图2示出根据本发明的用于调整脉冲宽度调制(PWM)信号的脉冲宽度比的数字电路装置的第一实施例。
图3示出根据本发明的用于调整PWM信号的脉冲宽度比的电路装置的第二实施例。
图4示出根据本发明的用于调整PWM信号的脉冲宽度比的电路装置的另一实施例。
具体实施方式
整个电路装置的在图1中所示出的第一部分本身在现有技术中已知。，整个电路装置分别通过将第一电路部分与根据图2或3的第二电路部分合并而得到。
图1中所示出的第一电路部分包括模拟/数字(A/D)变换器105，其将施加在其模拟输入端100上的模拟输入变量、当前调节变量的作为电压或电流值存在的实际值转换为数字输出变量。如同样本身已知的，用于对模拟信号100数字化的采样率通过单独的输入端110被输送给A/D变换器。A/D变换器的数字输出变量的数值与模拟输入变量有直接成比例的关系。
A/D变换器105的数字输出变量不仅被输送给第一数字比较器115，该第一数字比较器将该输出变量的值与上阈值120进行比较并且优选地基本上同时通过第二数字比较器125与下阈值130进行比较。作为这两个比较运算的结果在相应比较器115、125的输出端135、140上存在以下三种信息之一或相应的数字信号：
A/D变换器105的输出变量的值位于：
a.上阈值120之上；
b.下阈值130之下；
c.下阈值130和上阈值120之间。
所提到的可能的信息a.-c.分别用作在图2和3中所示出的根据本发明的电路装置的输入数据或输入变量135、140，所述输入数据或输入变量将所提到的A/D变换器105和该比较器或所述比较器115、125与可以产生所提到的PWM信号的各一个计时器单元215、320连接，使得在相应电路的输出端225、330上存在的PWM信号的脉冲宽度比是可调整的。
在根据本发明的数字电路装置的在图2中所示出的第一实施例中，输入变量135、140首先被输送给状态受控制的双稳态触发元件(触发器)200。在该实施例中，触发器200是本身已知的“RS-FF”(即复位/置位或Reset-Set)类型的触发器。根据在触发器200上施加的用信号通知超过上阈值(上述情况a.)或者低于下阈值的变量的值，在第一种情况下从触发器200或其输出端选择具有x％的第一脉冲宽度比205的PWM信号，而在第二种情况(上述的情况b)下选择具有y％的第二脉冲宽度比210的PWM信号。
将如上所述分别被选择的脉冲宽度比与时钟信号220一起输送给计时器215。计时器215在当前的实施例中被构造为“捕获/比较(Capture/Compare)单元”，即，该计时器具有以下工作模式：
1.“定时器模式”：利用作为时钟发生器的不同源向上计数。当计数器溢出时可以触发中断。
2.“捕获模式”：当出现外部信号时，相关的(运行的)定时器的内容被存储。在这里，中断也可以被触发。
3.“比较模式”：相关的定时器的计数器读数与寄存器相比较。在一致时，中断可以被触发。
为了产生PWM信号，使用比较模式：当超过时，作为输出信号(225)，计数器例如在(205或210中的)比较值超过时提供逻辑1并且在未超过时提供逻辑0。逻辑1的持续时间与完整的计数器运行的持续时间之比因此与比较值是成比例的。
因此，在根据本发明的方法中，定时器信号根据施加的模拟变量而被影响。因此所提到的比较的结果已经提供足够好的脉冲宽度比，使得仅在两个状态之间发生的切换与相应的定时器信号能够实现相对于现有技术更粗略的调节回路。在当前电路装置的数字输出端225上因此存在相应的脉冲宽度调制信号。
如果在比较模式中不使用计数器，那么例如也可以产生输出信号(225)，该输出信号立即或在可改变的延迟时间之后提供信息“>”或“<”作为数字信息。
在根据本发明的电路装置的在图3中所示出的第二实施例中，输入变量135、140首先被输送给加法器/减法器300。在此，上比较器115所提供的信号135被输送给加法器300的减法输入端(-)，以及下比较器125所提供的信号140被输送给加法器300的加法输入端(+)。附加地，用于模拟信号100的数字化所需的采样率305(典型地与110相同)以及用于改变脉冲宽度比的预定的步长310被输送给加法器300。
在超过上阈值120的情况下(上述情况a.)，脉冲宽度比315因此被减小了预定的步长310的量值，而在低于下阈值130的情况下(上述情况b.)，脉冲宽度比被扩大了步长310。应当说明的是，步长310在两种情况下(上述情况a.和b.)是可自由配置的。
如此被改变的脉冲宽度比315最终又与时钟信号325一起被输送给计时器320，该计时器在当前的实施例中也被构造为“捕获/比较单元”，并且因此具有上面所描述的功能性。在当前的电路装置的数字输出330上又存在相应的脉冲宽度调制信号。第二实施例相对于第一实施例(图2)的优点在于，脉冲宽度比在调整变量(模拟信号)的整个可能的范围0％-100％上是可跟踪的，而无需由微控制器介入，而在第一实施例中仅在两个脉冲宽度比之间转变。然而，为了改变这两个脉冲宽度比，需要微控制器的指令执行。不过，借助于计时器(定时器)，脉冲宽度比可以以很小的步长缩小或扩大，更确切地说取决于该模拟信号是更大还是更小。
按照根据本发明的电路装置的第三(未图解说明的)实施例，A/D变换器的结果被传输到所提到的计时器单元中，并且在那里与预定值进行比较。如果所使用的微控制器并未已经拥有阈值监控(如在前述的实施例中所假定的)，那么该实施例是尤其有利的。在这种情况下，在计时器模块中存在的比较单元可以被用于代替地像往常一样将计数器值与所传送的模拟值进行比较。另外的扩展方案与前两个实施例基本上是相同的，不过例外是，在那里所示出的比较器115、125和A/D变换器的比较阈值120、130在计时器模块中被实现。
按照根据本发明的电路装置的在图4中所示出的第四实施例，通过从(在图4的上半部分中示出的)A/D变换器400的结果与预定额定值405的偏差直接推导而实现脉冲宽度比的改变。模拟调节变量的施加在模拟输入端上的实际值410以及已经提到的采样率(“采样时钟”)415用作A/D变换器400的输入变量。于是，在A/D变换器400的(数字)输出端425上存在正或负差值。借助减法器420确定所提到的偏差。借助于二进制信号(在这里称作“n比特”)，在A/D变换器400的数字侧以数字方式实现A/D变换器、减法器420和额定值发生器(Sollwertgeber)405之间的信号交换或信号处理。
因此，在该实施例中，不存在两点调节(Zweipunktregelgung)，而是存在围绕平均值的直接调节。
计时器(定时器)模块又处于图4的下半部分中，该模块通过捕获-比较-计时器430形成，该捕获-比较-计时器借助于时钟信号(“定时器时钟”)435以及脉冲宽度比440以所描述的方式进行操作。附加地布置有加法器445，该加法器借助于所输送的采样率450和提供步长的步长值发生器455进行操作。由减法器420所提供的比特信号(“n比特”)用作输入信号。计时器430、脉冲宽度发生器440、加法器445和步长发生器455之间的信号交换或信号处理借助于二进制信号(在这里称作“m比特”)以数字方式实现。在计时器430以及因此整个电路装置的(数字)输出端460上最终存在脉冲宽度调制信号。
为了所提到的额定值比较附加地所需的、在微控制器中按照标准不存在的逻辑电路包括在图4中示出的逻辑部件中的一些，更确切地说额定值发生器405、减法器420、步长发生器455以及加法器445。
第四个实施例可以(在图4中未示出)通过以下方式更加灵活地被设计，即通过将当前A/D值的所确定的差值相应地(可选地)向右或向左移动1或多位而将一半(四分之一、八分之一等)或两倍(四倍、八倍等)的差值添加到脉冲宽度比的当前值上。
作为结果，所描述的A/D变换基于分立功能元件提供数值，该数值不仅仅如在现有技术中那样与阈值进行比较，而是整体上被传输到计时器并与一个值进行比较。也就是说，在通常的微控制器中已经实现的A/D变换器根据本发明由所提到的计时器所取代。
Claims (13)
1.用于产生脉冲宽度调制信号的数字电路装置，其中模拟变量的在A/D变换器(105)的输入端上存在的实际值被转换为数字输出变量，其中所述A/D变换器(105)的所述数字输出变量被输送给比较器单元(115，125)，该比较器单元将所述输出变量与上阈值(120)并且与下阈值(130)进行比较，并且其中在所述比较器单元(115，125)的输出端(135，140)上存在信号，该信号说明所述A/D变换器(105)的所述输出变量是位于所述上阈值(120)之上还是所述下阈值(130)之下，其特征在于，所述A/D变换器(105)的输出端与数字计时器(215)连接，借助于该数字计时器能够调整所产生的脉冲宽度调制信号的脉冲宽度比。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置被用于借助于脉冲宽度调制调节模拟电气变量。
3.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述计时器(215)通过通用定时器模块(GTM)或捕获/比较单元形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其特征在于，所述比较器单元(115，125)通过第一数字比较器(115)和至少一个第二数字比较器(125)形成。
5.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，所述第一数字比较器(115)和所述至少一个第二数字比较器(125)基本上同时运行。
6.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，在所述比较器单元(115，125)的输出端(135，140)上存在的信号被输送给双稳态触发元件(200)，该双稳态触发元件根据施加在所述双稳态触发元件(200)上的信号的值选择具有第一脉冲宽度比(205)的脉冲宽度调制信号或具有第二脉冲宽度比(210)的脉冲宽度调制信号。
7.根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，在所述比较器单元(115，125)的输出端(135，140)上存在的信号被输送给双稳态触发元件(200)，该双稳态触发元件根据施加在所述双稳态触发元件(200)上的信号的值选择具有第一脉冲宽度比(205)的脉冲宽度调制信号或具有第二脉冲宽度比(210)的脉冲宽度调制信号。
8.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，在所述比较器单元(115，125)的输出端(135，140)上存在的信号被输送给加法器/减法器(300)，该加法器/减法器根据施加在所述加法器/减法器(300)上的信号的值将所述脉冲宽度比(315)减小或扩大预定的步长(310)。
9.根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，在所述比较器单元(115，125)的输出端(135，140)上存在的信号被输送给加法器/减法器(300)，该加法器/减法器根据施加在所述加法器/减法器(300)上的信号的值将所述脉冲宽度比(315)减小或扩大预定的步长(310)。
10.根据权利要求8所述的电路装置，其中所述比较器单元(115，125)通过第一数字比较器(115)和至少一个第二数字比较器(125)形成，其特征在于，由所述第一数字比较器(115)所提供的信号(135)被输送给所述加法器/减法器(300)的减法输入端，由所述至少一个第二数字比较器(125)所提供的信号(140)被输送给所述加法器/减法器(300)的加法输入端，采样率(305)被输送给所述加法器/减法器(300)，并且用于改变所述脉冲宽度比的预定的步长(310)被输送给所述加法器/减法器(300)。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其特征在于，在所述A/D变换器(105)的输出端上存在的信号借助于数字计时器(215)与预定值进行比较，并且根据所述比较的结果，输出具有第一频率和第一脉冲宽度的第一脉冲宽度调制信号或具有第二频率和第二脉冲宽度的第二脉冲宽度调制信号。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其特征在于，按照脉冲持续时间与脉冲周期的时间占空比(占空比)并且根据预定阈值来实现所述脉冲宽度比的调整。
13.根据前述权利要求1至3中任一项所述的电路装置，其特征在于，借助于A/D变换器(400)的结果与预定额定值(405)的偏差来实现所述脉冲宽度比的改变，其中所述结果的偏差(425)被输送给计时器(430)，该计时器借助于相应改变的脉冲宽度比(440)进行操作。
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