CN106953537B - 用于逆变器的电流采样和处理装置及方法 - Google Patents

用于逆变器的电流采样和处理装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了用于逆变器的电流采样和处理装置及方法，其中所述方法包括：在电流采样和处理过程初始启动时设置初始化参数并随后启动脉宽调制计数器；在所述脉宽调制计数器的值与所述第二比较匹配参数的值相等时触发并实施电流采样操作；基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并随之在紧接着的上溢或下溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值；在已更新的第一比较匹配参数的值与所述脉宽调制计数器的值相等时输出与所述已更新的第一比较匹配参数的值对应的电压来控制电路器件的开通和关断。本发明所公开的装置及方法具有小的延时时间。

Description

用于逆变器的电流采样和处理装置及方法
技术领域
本发明涉及电流采样和处理装置及方法，更具体地，涉及用于逆变器的电流采样和处理装置及方法。
背景技术
目前，随着电动控制系统（例如纯电动/混合动力车辆中的电动控制系统）的日益发展和普及，提高逆变器（实现将直流电转换为交流电的器件）电流采样和处理性能变得越来越重要。
现有的逆变器典型地采用脉宽调制（PWM）的方式，即电流控制器首先采样得到电机相电流，然后通过矢量控制算法计算出参考电压矢量，随后利用脉宽调制方法计算PWM占空比以及输出PWM波信号以控制IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的开通和关断，其中，影响逆变器性能的重要指标之一是电流环的输出带宽，即电流环能无衰减地输出的交流电的最大频率，电流环的输出带宽越大则逆变器的性能越良好。
图1是现有的用于逆变器的脉宽调制（PWM）方法的示意图。如图1所示，在常规的脉宽调制方法中，在PWM周期的上溢或者下溢时刻进行电流采样，随后在下个半PWM周期时刻读取此采样值进行计算，随之再滞后半个PWM周期进行电压值的更新，由此，总的采样，计算和更新至最终电压时刻的延时时间为t1= th+2.5*tf，其中，th是硬件延时，tf是半个PWM周期。
然而，上述现有的技术方案存在如下问题：由于总的采样，计算和更新电压操作的延时时间较大，故电流环的输出带宽较小，从而显著影响逆变器的性能。
因此，存在如下需求：提供具有小的延时时间的用于逆变器的电流采样和处理装置及方法。
发明内容
为了解决上述现有技术方案所存在的问题，本发明提出了具有小的延时时间的用于逆变器的电流采样和处理装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于逆变器的电流采样和处理装置，所述用于逆变器的电流采样和处理装置包括：
初始化单元，所述初始化单元用于在电流采样和处理装置初始启动时设置初始化参数并随后启动脉宽调制计数器，所述初始化参数至少包括脉宽调制计数器的初始值、第一比较匹配参数的初始值以及第二比较匹配参数的初始值；
电流采样触发及实施单元，所述电流采样触发及实施单元在所述脉宽调制计数器的值与所述第二比较匹配参数的值相等时触发并实施电流采样操作；
电流环计算及更新单元，所述电流环计算及更新单元基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并随之在紧接着的上溢或下溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值；
电压输出单元，所述电压输出单元用于在已更新的第一比较匹配参数的值与所述脉宽调制计数器的值相等时输出与所述已更新的第一比较匹配参数的值对应的电压来控制电路器件的开通和关断。
在上面所公开的方案中，优选地，所述电路器件是绝缘栅双极型晶体管。
在上面所公开的方案中，优选地，所述初始化单元以如下方式设置初始化参数：将所述脉宽调制计数器的初始值设置为零、将所述脉宽调制计数器的最大值设置为PWM周期值的一半、将所述脉宽调制计数器的计数模式设置为对称式脉宽调制、将所述第一比较匹配参数的更新模式设置为上溢或下溢时刻更新、将所述第一比较匹配参数的初始值设置为脉宽调制计数器的最大值的一半、设置所述第二比较匹配参数的初始值。
在上面所公开的方案中，优选地，所述电流环计算及更新单元进一步被配置为在所述电流采样操作结束后触发中断事件，用以基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并且经由时钟记录所述中断事件的运行时间，以便基于所记录的所述中断事件的运行时间预测针对下一拍的所述第二比较匹配参数的估计值，并且随之将所述第二比较匹配参数的值更新为所预测的估计值。
在上面所公开的方案中，优选地，所述预测的估计值包含所述中断事件的运行时间以及预定的时间余量。
在上面所公开的方案中，优选地，在所述脉宽调制计数器启动后，其按照设置的初始值零开始向上计数，当达到最大值时向下计数直至零，并重复此过程以产生PWM载波。
在上面所公开的方案中，优选地，所述电压输出单元4输出的用以控制所述电路器件的开通和关断的电压是三组形式的互补式PWM输出电压，用以控制各自由两个绝缘栅双极型晶体管构成的三组电路器件以产生交流电。
在上面所公开的方案中，优选地，所述电流采样触发及实施单元、电流环计算及更新单元以及电压输出单元均周期性地执行各自所承担的操作。
在上面所公开的方案中，优选地，所述初始化单元、电流采样触发及实施单元、电流环计算及更新单元以及电压输出单元中的部分或全部由MCU和/或DSP实现。
在上面所公开的方案中，优选地，从电流采样至输出电压实际更新之间的总的延时由下式确定：t2= th+ts+0.5*tf，其中，th是硬件延时，tf是半个PWM周期，ts是电流环计算时间。
本发明的目的也可以通过以下技术方案实现：
一种用于逆变器的电流采样和处理方法，所述用于逆变器的电流采样和处理方法包括下列步骤：
（A1）在电流采样和处理过程初始启动时设置初始化参数并随后启动脉宽调制计数器，所述初始化参数至少包括脉宽调制计数器的初始值、第一比较匹配参数的初始值以及第二比较匹配参数的初始值；
（A2）在所述脉宽调制计数器的值与所述第二比较匹配参数的值相等时触发并实施电流采样操作；
（A3）基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并随之在紧接着的上溢或下溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值；
（A4）在已更新的第一比较匹配参数的值与所述脉宽调制计数器的值相等时输出与所述已更新的第一比较匹配参数的值对应的电压来控制电路器件的开通和关断。
本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置及方法具有下列优点：由于在上一拍周期内预测下一拍的采样时刻，从而使得电流采样完成后，立刻执行计算任务以得到需要输出的下一拍电压所对应的第一比较匹配参数的值，并且计算任务结束后，刚好到达PWM载波的上溢或者下溢时刻，从而能够立即更新电压值，由此，采样，处理，更新过程连续完成，从而显著地减少了延时时间并显著提高了电流环的带宽。
附图说明
结合附图，本发明的技术特征以及优点将会被本领域技术人员更好地理解，其中：
图1是现有的用于逆变器的脉宽调制（PWM）方法的示意图；
图2是根据本发明的实施例的用于逆变器的电流采样和处理装置的示意性结构图；
图3是根据本发明的实施例的用于逆变器的电流采样和处理方法的流程图；
图4是根据本发明的实施例的用于逆变器的脉宽调制（PWM）方法的示意图。
具体实施方式
图2是根据本发明的实施例的用于逆变器的电流采样和处理装置的示意性结构图。如图2所示，本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置包括初始化单元1、电流采样触发及实施单元2、电流环计算及更新单元3、以及电压输出单元4。所述初始化单元1用于在电流采样和处理装置初始启动时设置初始化参数并随后启动脉宽调制（PWM）计数器，所述初始化参数至少包括脉宽调制（PWM）计数器的初始值、第一比较匹配参数的初始值以及第二比较匹配参数的初始值。所述电流采样触发及实施单元2在所述脉宽调制计数器的值与所述第二比较匹配参数的值相等时触发并实施电流采样操作（例如AD采样）。所述电流环计算及更新单元3基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并随之在紧接着的上溢或下溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值（即，如果紧接着到来上溢时刻，则在该上溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值，而如果紧接着到来下溢时刻，则在该下溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值）。所述电压输出单元4用于在已更新的第一比较匹配参数的值与所述脉宽调制计数器的值相等时输出与所述已更新的第一比较匹配参数的值对应的电压来控制电路器件的开通和关断。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置中，所述电路器件是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置中，所述初始化单元1以如下方式设置初始化参数：将所述脉宽调制计数器的初始值设置为零、将所述脉宽调制计数器的最大值设置为PWM周期值的一半、将所述脉宽调制计数器的计数模式设置为对称式脉宽调制、将所述第一比较匹配参数的更新模式设置为上溢或下溢时刻更新、将所述第一比较匹配参数的初始值设置为脉宽调制计数器的最大值的一半（即50%占空比）、设置所述第二比较匹配参数的初始值（其可以通过经验标定的方式获得）。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置中，所述电流环计算及更新单元3进一步被配置为在所述电流采样操作结束后触发中断事件（即附图4中所指示出的“任务1”），用以基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并且经由时钟记录所述中断事件的运行时间，以便基于所记录的所述中断事件的运行时间预测针对下一拍的所述第二比较匹配参数的估计值，并且随之将所述第二比较匹配参数的值更新为所预测的估计值。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置中，所述预测的估计值包含所述中断事件的运行时间以及预定的时间余量。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置中，在所述脉宽调制计数器启动后，其按照设置的初始值零开始向上计数，当达到最大值（即PWM周期的一半）时向下计数直至零，并重复此过程以产生PWM载波。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置中，所述电压输出单元4输出的用以控制所述电路器件的开通和关断的电压是三组形式的互补式PWM输出电压，用以控制各自由两个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三组电路器件以产生交流电。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置中，所述电流采样触发及实施单元2、电流环计算及更新单元3以及电压输出单元4均周期性地执行各自所承担的操作。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置中，所述初始化单元1、电流采样触发及实施单元2、电流环计算及更新单元3以及电压输出单元4中的部分或全部由MCU（微控制单元）和/或DSP（数字信号处理器）实现。
由上可见，本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理装置具有下列优点：由于在上一拍周期内预测下一拍的采样时刻，从而使得电流采样完成后，立刻执行计算任务以得到需要输出的下一拍电压所对应的第一比较匹配参数的值，并且计算任务结束后，刚好到达PWM载波的上溢或者下溢时刻，从而能够立即更新电压值，由此，采样，处理，更新过程连续完成，从而显著地减少了延时时间并显著提高了电流环的带宽。
图3是根据本发明的实施例的用于逆变器的电流采样和处理方法的流程图。如图3所示，本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理方法包括下列步骤：（A1）在电流采样和处理过程初始启动时设置初始化参数并随后启动脉宽调制（PWM）计数器，所述初始化参数至少包括脉宽调制（PWM）计数器的初始值、第一比较匹配参数的初始值以及第二比较匹配参数的初始值；（A2）在所述脉宽调制计数器的值与所述第二比较匹配参数的值相等时触发并实施电流采样操作（例如AD采样）；（A3）基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并随之在紧接着的上溢或下溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值（即，如果紧接着到来上溢时刻，则在该上溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值，而如果紧接着到来下溢时刻，则在该下溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值）；（A4）在已更新的第一比较匹配参数的值与所述脉宽调制计数器的值相等时输出与所述已更新的第一比较匹配参数的值对应的电压来控制电路器件的开通和关断。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理方法中，所述电路器件是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理方法中，所述步骤（A1）进一步包括：以如下方式设置初始化参数：将所述脉宽调制计数器的初始值设置为零、将所述脉宽调制计数器的最大值设置为PWM周期值的一半、将所述脉宽调制计数器的计数模式设置为对称式脉宽调制、将所述第一比较匹配参数的更新模式设置为上溢或下溢时刻更新、将所述第一比较匹配参数的初始值设置为脉宽调制计数器的最大值的一半（即50%占空比）、设置所述第二比较匹配参数的初始值（其可以通过经验标定的方式获得）。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理方法中，所述步骤（A3）进一步包括：在所述电流采样操作结束后触发中断事件（即附图4中所指示出的“任务1”），用以基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并且经由时钟记录所述中断事件的运行时间，以便基于所记录的所述中断事件的运行时间预测针对下一拍的所述第二比较匹配参数的估计值，并且随之将所述第二比较匹配参数的值更新为所预测的估计值。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理方法中，所述预测的估计值包含所述中断事件的运行时间以及预定的时间余量。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理方法中，在所述脉宽调制计数器启动后，其按照设置的初始值零开始向上计数，当达到最大值（即PWM周期的一半）时向下计数直至零，并重复此过程以产生PWM载波。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理方法中，所述输出的用以控制所述电路器件的开通和关断的电压是三组形式的互补式PWM输出电压，用以控制各自由两个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三组电路器件以产生交流电。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理方法中，所述步骤（A2）-（A4）被周期性地重复执行。
优选地，在本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理方法中，所述步骤（A2）-（A4）中的部分或全部由MCU（微控制单元）和/或DSP（数字信号处理器）执行。
由上可见，本发明所公开的用于逆变器的电流采样和处理方法具有下列优点：由于在上一拍周期内预测下一拍的采样时刻，从而使得电流采样完成后，立刻执行计算任务以得到需要输出的下一拍电压所对应的第一比较匹配参数的值，并且计算任务结束后，刚好到达PWM载波的上溢或者下溢时刻，从而能够立即更新电压值，由此，采样，处理，更新过程连续完成，从而显著地减少了延时时间并显著提高了电流环的带宽。
图4是根据本发明的实施例的用于逆变器的脉宽调制（PWM）方法的示意图。如图4所示，在本发明所公开的技术方案中，从电流采样至输出电压实际更新之间的总的延时由下式确定：t2= th+ts+0.5*tf，其中，th是硬件延时，tf是半个PWM周期，ts是电流环计算时间。由上可见，示例性地，相对于常规的电流采样和处理方式，从电流采样至输出电压实际更新之间的总的延时显著减小，从而导致电流环的带宽增大大约2-3倍。
尽管本发明是通过上述的优选实施方式进行描述的，但是其实现形式并不局限于上述的实施方式。应该认识到：在不脱离本发明主旨和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明做出不同的变化和修改。

Claims (11)

1.一种用于逆变器的电流采样和处理装置，所述用于逆变器的电流采样和处理装置包括：初始化单元，所述初始化单元用于在电流采样和处理装置初始启动时设置初始化参数并随后启动脉宽调制计数器，所述初始化参数至少包括脉宽调制计数器的初始值、第一比较匹配参数的初始值以及第二比较匹配参数的初始值；
电流采样触发及实施单元，所述电流采样触发及实施单元在所述脉宽调制计数器的值与所述第二比较匹配参数的值相等时触发并实施电流采样操作；
电流环计算及更新单元，所述电流环计算及更新单元基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并随之在紧接着的上溢或下溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值；
电压输出单元，所述电压输出单元用于在已更新的第一比较匹配参数的值与所述脉宽调制计数器的值相等时输出与所述已更新的第一比较匹配参数的值对应的电压来控制电路器件的开通和关断。
2.根据权利要求1所述的用于逆变器的电流采样和处理装置，其特征在于，所述电路器件是绝缘栅双极型晶体管。
3.根据权利要求2所述的用于逆变器的电流采样和处理装置，其特征在于，所述初始化单元以如下方式设置初始化参数：将所述脉宽调制计数器的初始值设置为零、将所述脉宽调制计数器的最大值设置为PWM周期值的一半、将所述脉宽调制计数器的计数模式设置为对称式脉宽调制、将所述第一比较匹配参数的更新模式设置为上溢或下溢时刻更新、将所述第一比较匹配参数的初始值设置为脉宽调制计数器的最大值的一半、设置所述第二比较匹配参数的初始值。
4.根据权利要求3所述的用于逆变器的电流采样和处理装置，其特征在于，所述电流环计算及更新单元进一步被配置为在所述电流采样操作结束后触发中断事件，用以基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并且经由时钟记录所述中断事件的运行时间，以便基于所记录的所述中断事件的运行时间预测针对下一拍的所述第二比较匹配参数的估计值，并且随之将所述第二比较匹配参数的值更新为所预测的估计值。
5.根据权利要求4所述的用于逆变器的电流采样和处理装置，其特征在于，所述预测的估计值包含所述中断事件的运行时间以及预定的时间余量。
6.根据权利要求5所述的用于逆变器的电流采样和处理装置，其特征在于，在所述脉宽调制计数器启动后，其按照设置的初始值零开始向上计数，当达到最大值时向下计数直至零，并重复此过程以产生PWM载波。
7.根据权利要求6所述的用于逆变器的电流采样和处理装置，其特征在于，所述电压输出单元输出三组形式的互补式PWM输出电压来控制各自由两个绝缘栅双极型晶体管构成的三组电路器件以产生交流电。
8.根据权利要求7所述的用于逆变器的电流采样和处理装置，其特征在于，所述电流采样触发及实施单元、电流环计算及更新单元以及电压输出单元均周期性地执行各自所承担的操作。
9.根据权利要求8所述的用于逆变器的电流采样和处理装置，其特征在于，所述初始化单元、电流采样触发及实施单元、电流环计算及更新单元以及电压输出单元中的部分或全部由MCU和/或DSP实现。
10.根据权利要求9所述的用于逆变器的电流采样和处理装置，其特征在于，从电流采样至输出电压实际更新之间的总的延时由下式确定：t2＝th+ts+0.5*tf，其中，th是硬件延时，tf是半个PWM周期，ts是电流环计算时间。
11.一种用于逆变器的电流采样和处理方法，所述用于逆变器的电流采样和处理方法包括下列步骤：
(A1)在电流采样和处理过程初始启动时设置初始化参数并随后启动脉宽调制计数器，所述初始化参数至少包括脉宽调制计数器的初始值、第一比较匹配参数的初始值以及第二比较匹配参数的初始值；
(A2)在所述脉宽调制计数器的值与所述第二比较匹配参数的值相等时触发并实施电流采样操作；
(A3)基于所采样的电流值计算新的第一比较匹配参数的值，并随之在紧接着的上溢或下溢时刻将所述第一比较匹配参数的值实际更新为所计算出的新的第一比较匹配参数的值；
(A4)在已更新的第一比较匹配参数的值与所述脉宽调制计数器的值相等时输出与所述已更新的第一比较匹配参数的值对应的电压来控制电路器件的开通和关断。
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