CN109901382A - 一种数字控制系统的规则采样pwm优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字控制系统的规则采样PWM优化方法，能够提高对调制波的逼近程度。其包括：对正弦调制波和对称三角载波进行标幺化处理；对正弦调制波进行采样，获取正弦调制波的过零点位置或波形位置信息；对输出对称等距方波或对称三角载波的起始点进行时间同步标定；将AD采样起始触发时间点与对称等距方波的周期起始时间点同步；将AD采样周期Ts设定为方波周期的1/2n；进行AD采样，将获取到的AD采样数值换算成S(x)；同时在进行AD采样的时间点，计算对称三角载波在该时间点对应的数值，记为H(x)；对比H(x)与S(x)，当H(x)<S(x)时，依据该时刻的S(x)，计算获取时间T(A)；当H(x)>S(x)时，依据该时刻的S(x)，计算获取时间T(B)；依据T(B)与T(A)计算计算PWM寄存器输入数值，输出占空比。

Description

一种数字控制系统的规则采样PWM优化方法

技术领域

本发明属于数字电源领域，涉及一种数字控制系统的规则采样PWM(脉冲宽度调制，简称PWM)优化方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，源于通信技术的PWM技术在电力电子技术领域得到迅速应用。正弦脉宽调制(SPWM)波形的形成方法通常包含自然采样法和对称规则采样法。

自然采样法通过计算获取高频三角载波与调制波的交点进而确定开关切换，推导脉冲宽度，生成SPWM波形。自然采样法可准确获得脉冲发生的宽度与时间，生成较完美的SPWM波形。但是脉宽计算公式复杂由超越方程组成，且数字控制系统中采样点不能任意确定，计算量很大，一般不在数字控制系统中应用，只应用于模拟控制系统。

对称规则采样法(如图1所示)中在每个三角载波中心线获取采样点，并依据该采样点水平延伸确定两个开关切换点时间，每个脉冲均是对称的。由于每个三角载波周期只需获取一次采样且使用近似算法求得SPWM的脉宽时间，所以对称规则采样法易于在数字控制系统中实现。但是对称规则采样法与实际调制波之间存在较大误差，如图1所示，C点、D点与A点存在较大误差，生成的SPWM会引入一定的控制误差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目是提供一种数字控制系统的规则采样PWM优化方法，能够提高对调制波的逼近程度，降低目前数字控制系统由对称规则采样法SPWM引入的控制误差，且并不增加脉宽时间的计算复杂度，易于在数字控制系统中实现。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种数字控制系统的规则采样PWM优化方法，包括如下步骤：

A、对正弦调制波和对称三角载波进行标幺化处理；

B、对正弦调制波进行采样，获取正弦调制波的过零点位置或波形位置信息；

C、依据获取的所述信息对输出对称等距方波或对称三角载波的起始点进行时间同步标定；

D、将AD采样起始触发时间点与对称等距方波的周期起始时间点同步；

E、将AD采样周期Ts设定为方波周期的1/2n，其中n是整数；

F、进行AD采样，将获取到的AD采样数值换算成S(x)，x为整数；同时在进行AD采样的时间点，计算对称三角载波在该时间点对应的数值，记为H(x)；

G、对比H(x)与S(x)，当H(x)<S(x)时，依据该时刻的S(x)，计算获取时间T(A)；当H(x)>S(x)时，依据该时刻的S(x)，计算获取时间T(B)；

H、依据时间T(B)与T(A)计算PWM输出高电平时长T(on)(即PWM为1的时长)，并依据PWM输出高电平时长T(on)计算PWM寄存器输入数值，输出占空比。

进一步地，所述步骤A中，所述对称三角载波由微控制器输出的DA(数字模拟转换器)或对称等距方波经处理形成。

进一步地，所述步骤B中，依据正弦调制波发生器输出的位置信息或者采样计算的波形位置信息，在过零点位置产出一个定时器中断信号。

更进一步地，依据所述定时器中断信号触发AD采样及对称等距方波产生。

进一步地，所述步骤G具体包括：

若S(x)>H(x)，则在方向标记变量数组D(x)中记入1；若S(x)<H(x)，则在方向标记变量数组D(x)中记入0；

在第k个载波周期内，若D(x-1)为0，而D(x)为1，则将该时刻的AD采样S(x)记做S_A(k)；若D(x+m-1)为1，而D(x+m)为0，则将该时刻的AD采样S(x+m)记做S_B(k)；

分别通过下式计算时间T(A)和T(B)：

其中，Tc为载波周期。

更进一步地，所述步骤H中，依据下式计算T(on)：

进一步地，所述步骤H中，依据下式计算T(on)：

T(on)＝T(B)-T(A)。

一般而言，所述步骤H中，依据二进制的10次方进行定标后计算占空比，再依据微控制器的定时器配置计算对应PWM寄存器应当输入的占空比数值，对该占空比数值取整。进一步地，所述步骤H中，所述PWM寄存器的输入数值为Q(d)·5000的计算数值取整，其中

进一步地，标幺化处理后的所述正弦调制波和所述对称三角载波相交于A、B两点，所述时间T(A)和T(B)分别对应于A、B两点。

进一步地，所述AD采样由两个通道完成，其中一个通道用于获取准确的位置信息，另一个通道用于与方波同步。

本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

该方法可以提高对调制波的逼近程度，降低目前数字控制系统由对称规则采样法SPWM引入的控制误差，提高了准确度，且并不增加脉宽时间的计算复杂度，易于在数字控制系统中实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为对称规则采样法的示意图；

图2为微控制器工作示意图；

图3为本发明的优化方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

本发明提供一种数字控制系统的规则采样PWM优化方法，用于执行该规则采样PWM优化方法的优化系统包括：微处理器及正弦调制波发生器。其中，微处理器内置AD转换模块(10位或12位转换位数)、AD转换模块的触发源(可以是软件触发或者内置硬件器件触发)、多个内置PWM输出模块、内置定时器(Timer)模块以及内置捕捉模块(Capture)。该优化系统还包括对称三角载波生成模块，用于对称三角载波的生成，具体为“方波转三角波”电路模块；微处理器中还包含DA转换模块。

上述规则采样PWM优化方法主要包括：

1、对正弦调制波以及对称三角载波都进行标幺化处理，对称三角波生成模块负责将微控制器输出DA或对称等距方波处理成对称三角载波，参照图2所示。

2、对正弦调制波进行采样，获取正弦调制波的正(负)向过零点位置。或者获取由正弦调制波发生器输出的波形位置信息(零角度起始点)。

3、微控制器依据1中获取的信息对输出对称等距方波(或DA模块输出三对称角波)的起始点进行时间同步标定。即方波的正向起始点与正弦调制波的过零点同步。

4、将AD采样起始触发时间点与对称等距方波的周期起始时间点同步。

5、AD采样周期Ts设定为方波周期的1/2n，其中n是整数，可为2，3，4……

6、在进行AD采样时刻，计算三角波在该点对应的数值,记为H(x)；同时将获取到的AD采样数值换算成S(x)。x为整数，用作计数标号。

7、对比H(x)与S(x)。若H(x)<S(x),则依据该时刻的S(x)，计算获取时间T(A)；若H(x)>S(x),则依据该时刻的S(x)，计算获取时间T(B)。

8、依据T(B)与T(A)的关系计算T(on)，并依据T(on)计算微控制器PWM模块的寄存器输入数值，输出正确的真空比(duty)。

下面以一个具体应用实例来对本发明的规则采样PWM优化方向进行详细描述。

为方便描述，设定AD采样周期为方波(对称三角载波)周期的1/8(即n＝4)。

具体包括如下步骤：

1、对正弦调制波以及对称三角载波都进行标幺化处理。

2、依据正弦调制波发生器输出的位置信息或者采样计算的波形位置信息，在过零点位置产出一个定时器中断信号。

3、依据定时器中断信号同时触发AD采样与对称等距方波发生。

这里，AD采样可以由两个通道完成，一个负责获取准确的位置信息，一个负责与方波同步(该AD采样通道参与后续运算)。

等距方波可由微控制器的PWM模块输出，依据duty为50％设定PWM的寄存器数值。

假定对称等距方波的频率为1KHz，即载波周期Tc为1mS。

4、依据假定条件，设定AD采样频率为8KHz。每Tc/2时间内采样4次。

5、将采样获取的S(x)与同一时刻三角载波的数值H(x)进行比较。若S(x)>H(x)，则在方向标记变量数组D(x)中记入1；若S(x)<H(x)，则在方向标记变量数组D(x)中记入0；

6、在同一个载波(第k个)周期内，若D(x-1)为0，而D(x)为1，则将该时刻的AD采样S(x)记做S_A(k)；若D(x+m-1)为1，而D(x+m)为0，则将该时刻的AD采样S(x+m)记做S_B(k)。

7、依据图3，可理解为分别对C、D时刻的采样数值做平行于t轴的平行线，与三角载波相交于A、B两点。

8、在时域上，可以分别计算出A、B两点对应的时间T(A)和T(B)。

9、利用T(B)与T(A)的关系计算T(on)。

10、计算duty，并设定微控制器的PWM寄存器数值。

常用的微控制器仍然是定点数据，所以duty可以放大至Q10或者更高，以Q10为例。

若微控制器的PWM模块计数基准为10MHz，则1KHz的方波周期配置基础为10000。那么PWM模块的对称方式计数为5000，则对应Q(d)输出的PWM寄存器输入值为：

Q(d)·5000，对计算数值取整。

由图3对比图1可知，本发明的优化方案更接逼近与正弦调制波；且如采样频率提升，那么准确度会更高。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字控制系统的规则采样PWM优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、对正弦调制波和对称三角载波进行标幺化处理；

B、对正弦调制波进行采样，获取正弦调制波的过零点位置或波形位置信息；

C、依据获取的所述信息对输出对称等距方波或对称三角载波的起始点进行时间同步标定；

D、将AD采样起始触发时间点与对称等距方波的周期起始时间点同步；

E、将AD采样周期Ts设定为方波周期的1/2n，其中n是整数；

F、进行AD采样，将获取到的AD采样数值换算成S(x)，x为整数；同时在进行AD采样的时间点，计算对称三角载波在该时间点对应的数值，记为H(x)；

G、对比H(x)与S(x)，当H(x)<S(x)时，依据该时刻的S(x)，计算获取时间T(A)；当H(x)>S(x)时，依据该时刻的S(x)，计算获取时间T(B)；

H、依据时间T(B)与T(A)计算PWM输出高电平时长T(on)，并依据PWM输出高电平时长T(on)计算PWM寄存器输入数值，输出占空比。

2.根据权利要求1所述的规则采样PWM优化方法，其特征在于，所述步骤A中，所述对称三角载波由微控制器输出的DA或对称等距方波经处理形成。

3.根据权利要求1所述的规则采样PWM优化方法，其特征在于，所述步骤B中，依据正弦调制波发生器输出的位置信息或者采样计算的波形位置信息，在过零点位置产出一个定时器中断信号。

4.根据权利要求3所述的规则采样PWM优化方法，其特征在于，依据所述定时器中断信号触发AD采样及对称等距方波产生。

5.根据权利要求1所述的规则采样PWM优化方法，其特征在于，所述步骤G具体包括：

若S(x)>H(x)，则在方向标记变量数组D(x)中记入1；若S(x)<H(x)，则在方向标记变量数组D(x)中记入0；

在第k个载波周期内，若D(x-1)为0，而D(x)为1，则将该时刻的AD采样S(x)记做S_A(k)；若D(x+m-1)为1，而D(x+m)为0，则将该时刻的AD采样S(x+m)记做S_B(k)；

分别通过下式计算时间T(A)和T(B)：

其中，Tc为载波周期。

6.根据权利要求5所述的规则采样PWM优化方法，其特征在于，所述步骤H中，依据下式计算T(on)：

7.根据权利要求1所述的规则采样PWM优化方法，其特征在于，所述步骤H中，依据下式计算T(on)：

T(on)＝T(B)-T(A)。

8.根据权利要求1所述的规则采样PWM优化方法，其特征在于，所述步骤H中，所述PWM寄存器的输入数值为Q(d)·5000的计算数值取整，其中

9.根据权利要求1所述的规则采样PWM优化方法，其特征在于，标幺化处理后的所述正弦调制波和所述对称三角载波相交于A、B两点，所述时间T(A)和T(B)分别对应于A、B两点。

10.根据权利要求1所述的规则采样PWM优化方法，其特征在于，所述AD采样由两个通道完成，其中一个通道用于获取准确的位置信息，另一个通道用于与方波同步。