CN107690750A - 用于对负载进行脉冲调制驱控的方法和电子装置 - Google Patents
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Abstract
用于对车辆中的负载进行脉冲调制驱控的方法，其中脉冲调制的频率(fPM)的周期持续时间(TPM)可划分为整数(N)个区段(TSTEP)，所述区段的持续时间分别对应于时钟信号的周期持续时间(TOSC)的多倍，并且，该方法具有以下步骤：基于作为基础的频率调制计算脉冲调制的周期的频率(fPM+1、fPM)或周期持续时间(TPM+1、TPM)；以及利用所计算的脉冲调制的周期的频率(fPM+1、fPM)或周期持续时间(TPM+1、TPM)计算脉冲调制的周期持续时间(TPM)的相应区段(TSTEP)的持续时间。本发明还涉及一种相应的电子装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的方法和根据权利要求11的前序部分所述的电子装置。
背景技术
在用于ABS和ESP的电子控制装置中经常应用脉冲宽度调制(PWM)驱控，以便实现例如用于致动阀、操作泵或亮度可调警告灯的数字模拟转换。这样的方法例如在文献DE 102012 213 874 A1中描述，其中，为了在驱控泵电机时限制峰值电流和电流边沿的最大梯度，使PWM的实际占空因数从第一占空因数变化为第二占空因数。通常由集成电路(微控制器和混合信号电路)产生PWM驱控。然而，利用脉冲宽度调制信号进行驱控的不利之处可能在于，输出驱动级的频繁接通或关断导致提高的电磁辐射，和/或干扰车辆中的供能网。所选择的固定PWM频率也会作为车辆中不希望出现的噪声而被注意到。这些缺点利用在集成电路之外的部分复杂的装置——例如在电子控制装置的层面上用于供电的稳定电路或在车辆中抑制噪声的设备——来进行补偿。
发明内容
因此，本发明的目标在于，提供这样一种机构：其能改善电磁兼容性，特别是所发出的干扰，并且能够减少所发出的背景噪声，并且所述机构应能够以尽可能成本有利的方式实现。
该目标通过按照权利要求1所述的方法和按照权利要求11所述的电子装置来实现。
本发明描述一种用于以脉冲调制的方式驱控车辆中的负载的方法，其中脉冲调制的频率的周期持续时间可被划分为整数个区段，每个区段的持续时间分别对应于时钟信号的周期持续时间的多倍，所述方法的特征之处在于，该方法具有以下步骤：
-基于作为基础所代表的/被考虑的/相关的频率调制来计算脉冲调制的频率或周期持续时间；以及
-利用所计算的脉冲调制的频率或周期持续时间来计算脉冲调制的周期持续时间的相应区段的持续时间。
有利地可以因此实现频率调制，特别是用于通过在数字电路或混合信号电路(硬件实现)内的数字电路的执行，由此确保成本有利的制造和节约资源的运行。可以产生如下频率：该频率的区段无法以时钟信号的整数倍产生，这能实现以相当精细的方式进行调节的频率调制。通过频率调制可以将干扰能量有利地分配到宽的频带上，由此可实现改善电磁兼容性、特别是对所发射的干扰，并且减少作为基础的电子装置所发出的背景噪声。
通常，时钟信号为周期时钟信号，其由振荡器产生，然而也可以是从该振荡器例如借助于分频器获得的时钟信号。在这种情况下，脉冲调制信号特别是被用于驱控输出级，所述输出级对负载的一个或多个负载电路进行开关，由此根据驱控形成平均电流或平均电压。取决于电路的实现，对于预定数量的区段的驱控信号例如是“1”(脉冲)，而对于PWM周期的另外区间(course)驱控为“0”。通过调频，脉冲调制的周期持续时间可变地设计。尽管如此，形成脉冲的预定数量的区段优选同样可以预定，从而例如对于每个驱控频率可以实现在调频或者附加的脉冲宽度调制的频率范围上的脉冲宽度的时序一致性。就这方面而言，根据本发明，这可以是叠加在脉冲宽度调制上的脉冲频率调制、纯脉冲宽度调制或者叠加在脉冲频率调制上的脉冲宽度调制。
按照本方法的一个优选改进方案，脉冲调制的周期的频率或周期持续时间的计算借助于递归计算来实现，其中考虑使用脉冲调制的在前周期的频率或周期持续时间。乘法和除法可以由此借助加法和减法并行地实现。
优选地，在脉冲调制的当前周期期间计算脉冲调制的后一周期的频率或周期持续时间。备选地，例如可以在脉冲调制的当前周期期间——特别是紧接着所述当前周期开始之后不久——计算脉冲调制的当前周期的频率或周期持续时间。
优选地，在脉冲调制的当前周期期间正好计算一次脉冲调制的后一周期的频率或周期持续时间。有利地，由此能实现后一周期的频率或周期持续时间的节约资源的计算。
在计算脉冲调制的周期的频率或周期持续时间时产生的余数优选在脉冲调制的后一周期内被考虑。由此考虑在计算脉冲调制的后一周期的频率或周期持续时间时所产生的误差。
优选地，作为基础的频率调制遵循预定的频率变化轮廓。这能实现例如在避免特定的频率方面进行优化以便降低发出的干扰。在这种情况下，脉冲调制信号的频率适宜地在最小频率与最大频率之间变化。
为了计算脉冲调制的周期的频率或周期持续时间，考虑使用近似法，即，使得脉冲调制的相继周期的频率或脉冲调制的周期持续时间近似相同。有利地，针对多个应用可以忽视在近似法的过程中所产生的误差。
优选地，使用脉冲调制的当前周期的频率或周期持续时间来针对每个区段单独地以迭代的方式确定脉冲调制的周期的各个区段的持续时间。这使得能够以尤其少的费力的方式来计算区段持续时间。
按照本发明的一个改进方案，脉冲调制的周期持续时间的相应区段的持续时间还基于区段的持续时间与时钟信号的周期持续时间的比值来确定。
根据本发明的一个优选实施形式，为了确定脉冲调制的一个周期的各区段的持续时间进行以下步骤，其中RSTEP代表余数，fOSC代表时钟信号的频率，N代表区段的数量，而fPWM代表脉冲调制的周期的频率：
1.在脉冲调制的周期开始时以等于零的值初始化余数；
2.在一区段开始时执行配置：
3.在时钟信号的一周期结束时执行配置：以及
4.如果余数小于脉冲调制的周期的频率，那么结束该区段并且执行第二步骤，否则重复第三步骤。
在计算或配置区段，可以以替代的方式考虑附加的参数和/或常数和/，或者可以执行给出基本相同的计算本身。
在脉冲调制的一周期内的区段的数量优选被选择为二的幂数，其中指数为整数。除以N(参见第二步骤)由此对应于以由指数给出的位数进行移位操作，由此即使对于硬件中的实施也能实现节省资源的计算。在驱控内表达式fOSC/N(第二步骤)适宜地是不变的。
此外本发明描述一种用于对车辆中的负载进行脉冲调制驱控的电子装置，该电子装置具有至少一个用于产生脉冲调制信号的电路，该电路可利用时钟信号运行，其中，脉冲调制信号的周期持续时间可划分为整数个区段，每个区段的持续时间分别对应于时钟信号的周期持续时间的多倍，其中该装置的区别之处在于，所述电路设计为用于产生不同周期持续时间或频率的脉冲调制信号，其中，对于脉冲调制信号，在一周期持续时间内，脉冲调制的周期的各区段的持续时间与时钟信号的周期持续时间的比值可具有非整数平均值。下一个待被驱控的脉冲调制频率的计算因此以小的电路成本实现。
根据一个有利的改进方案，所述电路设计为，在脉冲调制信号的周期持续时间内产生不同持续时间的区段。
电子装置优选如此设计，使得该电子装置可以执行或执行按照本发明的方法。
对于按照本发明的装置基本上适用与已经对于按照本发明的方法所述相同的优点。
附图说明
另外的优选实施形式由根据附图的实施例的以下描述产生。其中：
图1示出示例性的用于产生具有整数除数V＝2的脉冲调制信号(PM信号)的调频；以及
图2示出示例性的用于利用在脉冲调制的周期TPWM(PM周期)上的平均除数V＝2.5来产生PM信号的调频；
图3示出在调频期间的示例性的频率轮廓；
图4示出使用脉冲调制频率(PM频率)的递归计算的示例性的频率轮廓；
图5示出项的二进制序列计算的例子；
图6示出示例性的用于利用在调频的周期TPWM上的平均除数VPWM＝2.6来产生PM信号的调频。
具体实施方式
图1示出通常的PWM驱控的周期的例子。同步数字电路借助于具有周期持续时间TOSC的基础时钟或借助于由其导出的时钟信号运行。持续时间TPWM的PWM周期在此划分为N个持续时间为TSTEP的区段，每个区段的长度TSTEP对应于基础时钟的周期持续时间TOSC的时钟脉冲的整数倍。比值TSTEP/TOSC由除数VPWM确定。按照图1的例子，除数为V＝2。
根据为了驱控负载待被设置的平均电流，驱控信号在PWM周期内对于特定数量的区段是“1”，而对于PWM周期的另外区间驱控是“0”。该PWM信号可以用于接通或关断例如泵驱动器。
在PWM周期内的区段宽度TSTEP在此是不变的。因此根据具有步宽TOSC的基础时钟宽度产生特定的离散周期持续时间TPWM：
TPWM＝TSTEP·N＝TOSC·VPWM·N，
其中VPWM和N的值为整数。
这特别是在混合信号电路中造成很大的限制，因为在这些情况下不可以任意地确定具有周期持续时间TOSC的振荡频率。如果人们例如选择50MHz的振荡频率和N＝1024，那么仅可以实现如下离散频率：
fPWM1＝48，8kHz
fPWM2＝24，4kHz
fPWM3＝16，3kHz
fPWM4＝12，2kHz
…。
图2示出这样一个实施例：其中在PM周期内步阶的持续时间TSTEP可以具有不同长度，其中这些长度仍然以与周期持续时间TOSC的基础时钟成整数比的方式形成，或者具有不同数量的周期持续时间TOSC的基础时钟。因为没有必要呈现纯脉冲宽度调制，所以采用更通用的表达脉冲调制(PM)。与按照图1的实施方案不同地，步阶的持续时间TSTEP具有不同除数VPM，从而在PM的周期持续时间TPWM上除数VPM具有平均值2.5。这能实现对PM的周期持续时间TPWM的能以相当精细的方式进行调节的调频，由此能实现将干扰能量分配到较宽的频带上。在PM周期内，通过该程序产生的最大误差因此为基础时钟TOSC。
在图3中示例性地示出在调频期间的频率轮廓。从中心频率fPM＝l/TPM开始，在作为基础的系统的当前运行期间或者在驱控负载期间的频率借助于经调频的电压或经调频的电流呈三角形形式在两个极值fMIN和fMAX之间变化。调制频率fFM＝l/TFM在此确定频率变化的速度。
在下文中阐明：如何基于按照图3的频率轮廓计算非整数值VPM，以便获得对应于图2中的示例的PM驱控。
对于计算给定以下值：
fPM＝1/TPMPM驱控的期望的中心频率
fMIN＝1/TMIN最小PM驱控频率
fMAX＝1/TMAX最大PM驱控频率
fFM＝1/TFM调制频率
fOSC＝1/TOSC数字电路的基础时钟。
按照图3的频率轮廓一般可以表示为如下函数：
其中0≤t≤t1
其中t1≤t≤t2。
在用于PM驱控的数字电路内，频率的计算对于任意希望的时间t不是绝对必需的，因为尤其是两个相继的/前后两个信号上升沿的间隔作为周期持续时间TPM是相关的。因此一般针对每个PM周期足以利用周期持续时间TPM计算一次PM频率。根据本发明，利用迭代方法来计算下一个PM周期的PM频率fPM+1，所述迭代方法根据图4进行阐明，其中适用：
其中k＝±2·(fMAX-fMIN)·fFM。
符号±在此分别对存在PM频率的上升沿还是下降沿进行区分。随着PM频率改变的步宽df和dT基于随PM频率变化的PM周期持续时间产生。
为了确定频率fPM+1，执行如下形式的计算：
其中a＝(fMAX-fMIN)，b＝fFM并且c＝fPM。
具有多种方法来计算项
根据图5的实施例在此示出用于二进制序列计算上述项的可能的节省资源的方法。根据该计算方法，既不需要乘法器也不需要除法器，这在数字电路内是有利的，因为加法器、减法器和移位运算可比较简单地实现，而乘法器以及除法器需要更昂贵地实现。
在按照图5的计算例子中，针对变量a、b和c选择以下位宽度：na＝3,nb＝7以及nc＝4。
在此执行如下方法步骤：
1.利用0对值Erg进行初始化，同样将步进计数器设置为0，并且确定用于步进计数器的最大值(>＝nb-nc)，该最大值决定了计算精度。
2.如果变量b的第一nc位大于或等于值c，那么从b的第一nc位中减去c。同时将a添加给值Erg。如果第一nc位小于值c，那么跳过该步骤并且执行步骤3。
3.步进计数器增加1。如果步进计数器没有达到最大值，则b和Erg向左移动一位并且该方法跳到步骤2。如果计数器达到最大值，那么结束计算过程。
Erg现在代表包括乘法和除法的运算操作的结果。在每个PM周期中实施该计算，以便确定下一个PM周期的PM频率fPM+1。在该运算中经常出现除余数R，其优选在下一迭代步骤中或者在计算接着下一个PM周期的PM周期的PM频率时加以考虑：
其中k＝±2·(fMAX-fMIN)·fFM
在此fPM-1代表前一PM周期的PM频率，fPM代表当前PM周期的PM频率，而fPM+1代表后一PM周期的PM频率。然而，这将需要进行附加的除法运算或多个附加的减法和移位运算。为了进一步简化，在计算下一各PM频率时，假设两个相继的PM周期是非常相似的，从而适用：fPM-1≈fPM
并且获得：
根据借助于等式1计算的频率fPM+1可以确定后一PM周期的除数VPM+1：
TSTEP＝VPM+1·Tosc
值VPM+1一般是非整数。如针对图2已阐述的，由此步宽在PM周期内具有不同长度。有利地，出于节省资源的原因也在此避免除法运算。
在数字电路中，步阶的数量N根据在PM周期内的周期持续时间TSTEP优选选择为二的幂数，亦即N＝2M，其中M是整数的。除以N由此对应于M位的移位运算。在PM驱控内表达式fOSC/N有利地是不变的，从而可以实现特别资源高效的计算。
PM周期的区段的实际持续时间TSTEP或相应区段的基础时钟频率TOSC的数量利用以下算法迭代地确定：
1.在脉冲调制的周期开始时以0初始化余数RSTEP。
2.在长度TSTEP的一区段开始时执行配置：其中，并且fPM和VPM代表利用公式1在前一PM周期中确定的值fPM+1以及VPM+1。
3.在基础时钟周期TOSC结束时实施配置：
4.如果余数RSTEP小于fPM，那么结束该步骤TSTEP并且该方法跳到第二步骤，以便确定下一步阶的长度，否则重复第三步骤。
脉冲调制的下一周期的频率fPM+1因此可以根据参数fOSC/N、fMIN、fMAX、fFM和fPM迭代地确定，其中特别是fOSC/N、fMIN、fMAX、fFM和fPM也可以在脉冲调制的多个周期上保持不变。
图6示出步宽TSTEP的计算的一个例子。对于该例子应用以下输入变量：
fOSC＝6，656MHz
N＝2°＝256
fPM＝10kHz
通过这些输入变量产生为2.6的除数VPM。
余数RSTEP在各个步阶中得以保留，并且能实现期望的平均值VPM＝2.6。
根据图6以及对于根据图1的实施例，PM驱控信号确定为对应于步宽为TSTEP的步阶数量，而不考虑该步宽现在稍微改变。在PM周期TPM内，对于特定数量的步宽为TSTEP的步阶，驱控信号为“1”，而对于PM周期的另外区间，驱控为“0”。
半个PM周期的最大总误差的估计
通过简化，fPM-1≈fPM导致误差F，该误差可以在每个迭代运算步骤中出现：
在半个PM周期内，PM周期的误差F累加为形成半个PM周期的总误差FG：
半个PM周期的最大总误差FMAX可以通过下式估计：
该估计特别是基于三个考虑组成：
·余数R永远不能大于当前频率fPM。如果余数R被最大频率fMAX代替，那么实现根据以上的估计。
·分母越小，那么误差变得最大，因此利用fMIN分别代替频率fPM-1和fPM。
·迭代公式产生如下形式的计数和：f1–f2+f2–f3+f3–f4…＝fMAX–fMIN。
如果需要以％为单位的估计，那么还可以除以最小PM频率fMIN并且获得：
对于示例性的频率调制，产生对于半个PM周期的最大总误差的以下结果：
f＝10kHz±1kHz
例1：
例2：f＝100Hz±10Hz
为了使得误差最小化，极值点fMIN和fMAX优选用作支撑点，如果超过/等于PM频率，则在该支撑点通过设置fMAX＝fPM和fMIN＝fPM来重新开始递归计算。
Claims (12)
1.用于对车辆中的负载进行脉冲调制驱控的方法，其中，脉冲调制的频率(fPM)的周期持续时间(TPM)能够被划分为整数(N)个区段(TSTEP)，所述区段的持续时间分别对应于时钟信号的周期持续时间(TOSC)的多倍，其特征在于，该方法具有以下步骤：
-基于作为基础的频率调制来计算脉冲调制的周期的频率(fPM+1、fPM)或周期持续时间(TPM+1、TPM)；以及
-利用所计算的脉冲调制的频率(fPM+1、fPM)或周期持续时间(TPM+1、TPM)来计算脉冲调制的周期持续时间(TPM)的相应区段(TSTEP)的持续时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，脉冲调制的周期的频率(fPM+1、fPM)或周期持续时间(TPM+1、TPM)的计算借助于递归计算实现，其中考虑使用脉冲调制的前一周期的频率(fPM-1)或周期持续时间(TPM-1)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在脉冲调制的当前周期期间计算脉冲调制的后一周期的频率(fPM+1)或周期持续时间(TPM+1)。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在脉冲调制的当前周期期间正好计算一次脉冲调制的后一周期的频率(fPM+1)或周期持续时间(TPM+1)。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在脉冲调制的后一周期内，考虑在计算脉冲调制的周期的频率(fPM+1、fPM)或周期持续时间(TPM+1、TPM)时产生的余数(R)。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，作为基础的频率调制遵循预定的频率变化轮廓。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，利用近似法来计算脉冲调制的周期的频率(fPM+1、fPM)或周期持续时间(TPM+1、TPM)，在所述近似法中，使脉冲调制的相继周期的频率(fPM+1、fPM)或脉冲调制的周期持续时间(TPM+1、TPM)近似相同。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，使用脉冲调制的当前周期的频率(fPM)或周期持续时间(TPM)针对每个区段独立地以迭代方式确定脉冲调制的周期的各区段的持续时间(TSTEP)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，脉冲调制的周期持续时间(TPM)的相应区段的持续时间(TSTEP)还基于区段的持续时间(TSTEP)与时钟信号的周期持续时间(TOSC)的比值来确定。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，执行以下步骤以便确定脉冲调制的一周期的区段的持续时间(TSTEP)，其中RSTEP代表余数值，fOSC代表时钟信号的频率，N代表区段的数量，而fPM代表脉冲调制的周期的频率：
1、在脉冲调制的周期开始时以等于零的值初始化余数(RSTEP)；
2、在一区段开始时执行配置：
3、紧接着时钟信号的一个周期执行配置：RSTEP＝RSTEP-fPM；以及
4、如果余数(RSTEP)小于脉冲调制的周期的频率(fPM)，那么结束该区段并且执行第二步骤，否则重复第三步骤。
11.用于对车辆中的负载进行脉冲调制驱控的电子装置，该电子装置具有至少一个用于产生脉冲调制信号的电路，该电路能够利用时钟信号来运行，其中脉冲调制信号的周期持续时间(TPM)能够被划分为整数(N)个区段(TSTEP)，所述每个区段的持续时间分别对应于时钟信号的周期持续时间(TOSC)的多倍，其特征在于，所述电路设计为用于产生具有不同周期持续时间(TPM)或频率(fPM+1、fPM)的脉冲调制信号，其中对于脉冲调制信号，在周期持续时间(TPM)内，脉冲调制的周期的区段的持续时间(TSTEP)与时钟信号的周期持续时间(TOSC)的比值(VPM)能够具有非整数平均值。
12.根据权利要求11所述的电子装置，其特征在于，所述电路设计为在脉冲调制信号的周期持续时间(TPM)内产生具有不同持续时间(TSTEP)的区段。
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