CN111492571A - 用于双通道电机控制器的定时器电路 - Google Patents

Abstract

一种用于双通道电机控制器的定时器电路，其具有两个电机控制器，每个电机控制器产生PWM驱动信号，该PWM驱动信号具有由定时器电路的相应的定时器限定的周期。该定时器电路包括：第一处理电路，其与第一电机控制器相关联并且包括第一振荡器电路和第一定时器，每当振荡器电路完成所设置的整数N次振荡时，第一定时器输出第一定时器信号；以及第二处理电路，其与第二电机控制器相关联并且包括第二振荡器电路。第二处理电路包括每当振荡器电路完成整数N^*次振荡时输出第二定时器信号的第二定时器，并且计算N^*的值，该N^*的值取决于使第二定时器信号的周期与第一定时器信号的周期相匹配所需的第一振荡器电路和第二振荡器电路的频率之差。

Description

用于双通道电机控制器的定时器电路

本发明涉及对与双通道电机控制器一起使用的定时器电路的改进，并涉及包括定时器电路的双通道电机控制器。其特别地但非排他地涉及用于电动助力转向系统的电机控制器。

已知提供一种用于多相电动机(electric motor)的电机控制电路，其中使用脉冲宽度调制将施加到电机各相的驱动信号所需的模拟波形(通常是一组三个或更多个正弦波形，这些波形彼此异相，其中一个波形针对电机的每个相位)转换为数字信号。然后使用脉宽调制(PWM)信号来驱动一组开关设备，通常是MOSFET晶体管，其将各相交替连接到由PWM信号状态定义的正电源或负电源。

在需要高度可靠性的情况下，已知提供双通道电机控制电路。在双通道电机控制电路中，提供了两个电机控制器，其中一个被指定为主电机控制器，另一个被指定为从电机控制器。每个电机控制器都可以为电机产生一组PWM驱动信号。在正常操作期间使用来自主电机控制器的信号，并且如果主电机控制器发生故障，则使用从电机控制器来驱动电机。

在双通道布置的进一步延伸中，电机也可以是双绕的，这意味着其具有两组完全独立的相绕组。两个电机控制器中的每个电机控制器可以驱动一组绕组。因此，如果主控制器或主绕组存在故障，则即使电机以半功率操作，从控制器也仍然可以使用从绕组进行操作。

电机控制器可以多种方式生成PWM信号。无论选择哪种方式，都需要为PWM波形设置适当的周期。这是通过向每个电机控制器的PWM波形发生器提供参考定时器信号来实现的。PWM波形发生器创建一组适合于PWM周期的PWM信号。

在具有独立的双通道控制器的完全稳健的布置中，可以提供两个参考定时器，每个参考定时器彼此独立地工作，并且每个参考定时器为相应的PWM波形发生器提供参考定时器信号。理想地，两个定时器应当紧密同步，使得两个定时器同相，并且理想地，由每个定时器设置的周期也应相同。这在任何时候发生故障时使得从电机控制器可以顺利地接管主控制器。这在电机为双绕线电机时也是一个要求，因为在正常操作期间两个定时器信号的周期的任何差异都会导致电机功能不正确。

在实际的布置中，每个参考定时器信号是从振荡器电路生成的，诸如通过锁相环输出以提高晶体振荡器频率的晶体振荡器。典型的振荡器电路的输出频率太高，无法直接定义PWM信号的周期，因此降低了该频率，使得定时器的每次循环对应于振荡器的多次循环。例如，可以使用等于振荡器电路输出的500次循环的PWM周期。

在每个通道由单独的晶体振荡器馈电的情况下，申请人注意到，由于诸如温度对振荡器的影响之类的许多因素，两个参考定时器可能会变得略微不同步。本发明的一个目的是改善如果不仔细匹配定时器频率可能出现的问题。

根据本发明的第一个方面，提供了一种与双通道电机控制器一起使用的定时器电路，其包括第一电机控制器和第二电机控制器，每个电机控制器产生PWM驱动信号，该PWM驱动信号具有由定时器电路的相应的定时器限定的周期，其中定时器电路包括：

第一处理电路，其与第一电机控制器相关联，并且包括第一振荡器电路和第一定时器，每当振荡器电路完成所设置的整数N次振荡时，第一定时器输出第一定时器信号；

第二处理电路，其与第二电机控制器相关联，并且包括第二振荡器电路，

第二处理电路还包括第二定时器，每当振荡器电路完成整数N^*次振荡时，该第二定时器输出第二定时器信号，并且其中，第二处理电路包括计算N^*的值的计算单元，该N^*的值取决于使第二定时器信号的周期与第一定时器信号的周期相匹配所需的第一振荡器电路和第二振荡器电路的频率之差。

申请人已经认识到，两个完全匹配的振荡器电路将在给定的经过时间中产生相同的循环次数，并且在这种情况下，定时器电路会将N和N^*的值设置为相等。然而，在振荡器不完美的情况下，取决于两个振荡器电路的相应频率，可以将N^*的值设置为略大于或略小于N的值。

第一处理电路还可以包括：第一计数器，其在第一经过时间上对第一振荡器电路的振荡的次数M进行计数，该第一经过时间从预定的开始时间开始并且当计数器已经对振荡器的M次循环(cycle)进行计数时结束；以及发送器，一旦计数器到达值M，发送器就输出触发信号，第二处理电路还包括：接收器，其接收触发信号；以及第二计数器，其确定在与第一经过时间对应的经过时间上的第二振荡器电路的振荡次数M^*，并且第二处理电路的计算单元可以被配置为计算取决于M的值和M^*的值之差的N^*的值，使得N^*是使第二定时器信号的周期与第一定时器信号的周期相匹配所需的第二振荡器的整数循环次数。

第一计数器的预定的开始时间可以对应于在生成触发信号之后的第一振荡器电路的下一次振荡的时间。这可能会无限期地重复，从而周期性地发送触发信号。第二计数器的开始时间也可以对应于在接收到触发信号之后的第二振荡器电路的下一次振荡的时间。这是确保两个计数器同时开始和同时停止的便捷方法。

在替代方案中，第一处理电路可以生成开始信号，该开始信号开始两个计数器的计数，并且该计数可以被发送到第二电路。在修改中，第二处理电路可以生成开始信号并将其发送到第一处理电路。然后，将需要接收器作为第一处理电路的一部分。一旦由第一电路接收到开始信号，第一计数就可以在振荡器电路的下一次循环上开始。

当然，不是在振荡器电路的下一次循环上开始经过的时间，而是可以引入固定的延迟，例如2次或3次或更多次循环或固定的时间，例如1秒或更长。

计算单元可以如下计算N^*的值：

N^*＝N×(M^*/M)

其中，N^*是振荡器电路循环中的第二定时器的周期；

N是表示为第一振荡器电路的整数次循环的第一定时器的周期；

M是在固定的经过时间段中的第一振荡器电路循环次数；并且

M^*是在相同的经过时间段中的第二振荡器电路的计数的循环次数。

振荡器电路中的每个可以包括晶体振荡器或谐振器。振荡器电路还可以包括锁相环，该锁相环接收振荡器或谐振器的输出并产生被提高的振荡信号。振荡器电路的输出可以包括一组脉冲，每个脉冲被计数并且代表一次循环。可替代地，该输出可以是方波，并且每次循环可以对应于每个前沿或每个后沿或每个边沿的定时，而不管它是后沿还是前沿。

第一处理电路和第二处理电路可以包括独立电路，或者可以包括单个公共处理电路的一部分。它们的电路可以例如包括存储在运行于处理单元或微控制器上的电子存储器的区域中的计算机程序。

M的值可以被选择为大于N的值，并且可以是3倍或4倍或更大。所选择的经过时间越长，两个振荡器之间的任何轻微频率变化就越明显，因为M和M^*的值的偏差会更大。

第一处理电路可以用作主定时器电路，并且可以假设其具有振荡器，该振荡器被用作主设备以设置两个定时器信号的周期。在使用中，可以颠倒第一处理电路和第二处理电路的配置，使得第二处理电路生成触发信号并设置经过时间，并且第一处理电路从触发信号中确定第一定时器信号的周期。

为了实现这一点，第二处理电路可以进一步包括：第三计数器，其在第一经过时间上对第二振荡器电路的振荡的次数M进行计数，该第一经过时间从预定的开始时间开始并且当计数器已经对振荡器的预定的M次循环进行计数时结束；以及发送器，一旦计数器到达值M，该发送器就输出触发信号。

第一处理电路可以进一步包括：接收器，其接收触发信号；以及处理器，其确定在与第一经过时间对应的经过时间上的第一振荡器的振荡次数M^*，并且

第一处理电路可以包括计算单元，其在使用中计算取决于M的值与M^*的值之差的N^*的值，使得N^*是使第一定时器信号的周期与第二定时器信号的周期相匹配所需的第一振荡器的整数循环次数。

第三计数器可以与第二计数器相同。第四计数器可以与第一计数器相同。

触发信号可以对M的值进行编码，并且可以仅包括M的值。

根据第二方面，本发明提供了一种包括第一方面的定时器的电机驱动电路，该电路包括作为独立通道的两个电机控制器，每个电机控制器生成一组PWM信号，该一组PWM信号的周期由定时器电路的两个定时器信号中的相应的一个定时器信号来设置。

根据第三方面，本发明提供了一种操作两个定时器的方法，定时器中的每个由相应的振荡器电路驱动，第一定时器的周期对应于第一振荡器电路的N次循环之间的经过时间，并且第二定时器的周期对应于所第二振荡器电路的N^*次循环之间的经过时间，该方法包括：

在经过时间上对第一振荡器电路在所定义的循环次数内的循环次数M进行计数；

对在相同的经过时间内发生的第二振荡器电路的循环次数M^*进行计数；以及

根据M的值和M^*的值之差计算N^*的值。

现在将仅通过示例，参考附图并在附图中示出本发明的一个实施例：

图1是包括在本发明的第一方面的范围内的定时器电路的电机和控制系统的示意图；

图2是示出定时器电路的关键部分的框图；

图3是示出当第一定时器电路用作主电路时定时器电路的操作的流程图；并且

图4是当第二定时器电路用作主电路时与图3等效的流程图。

如图1所示，电机和控制系统包括具有两组独立的相绕组的电动机。每组相绕组由双通道电机控制器的相应的通道驱动。

该双通道电机控制器包括本发明第一方面的定时器电路，并且包括两个独立的微控制器，每个微控制器均包括实现电机控制器功能和PWM生成功能的软件，该电机控制器功能基于电机的操作条件计算目标电机相电压，并且该PWM生成功能将目标电机相电压转换为PWM占空比。微控制器中有一个硬件定时器模块，其可将PWM占空比作为波形输出到驱动电路。

在该示例中，每个电机控制器生成三个异相的PWM信号，以驱动三相电机。在该示例中，两个电机控制器被配置为主电机控制器，该主电机控制器在正常使用中将驱动信号提供给三相电动机的电机桥，而另一个电机控制器被配置为从电机控制器，并且在正常使用期间不会驱动电机桥。如果主电机控制器发生故障，则从电机驱动电路可能会在主电机控制器被禁用的情况下接管电机桥的驱动。

每个通道的PWM信号与来自定时器的定时器信号同步。定时器信号被馈送到实现锁相环(PLL)管理器功能的硬件，该锁相环(PLL)管理器功能在各个微控制器内实现。在该示例中，从每个微控制器的硬件定时器输出的定时器信号均来自晶体或谐振器。晶体或谐振器以相对较低的频率(例如20MHz)工作，并且微控制器的硬件锁相环PLL组件用作倍频器，以将其增加至更高的频率(例如200MHz)。

在所示示例中，每个电机控制器生成与从硬件定时器输出的相应的定时器信号同步的PWM信号，从而提供两个定时器。定时器是独立的，并且如上所述从相应的振荡器晶体和硬件PLL生成。

将定时器信号提供给两个电机控制器的两个定时器构成了跨两个微控制器而实现的定时器电路的一部分，并由该定时器电路控制。该定时器电路被布置为双通道电路，其中一个通道与电机控制电路的每个通道相关联。根据本发明的实施例布置了定时器电路，并且在图2中示意性地示出了定时器电路的功能组件。

定时器电路包括两个处理电路。在该示例中，处理电路中的第一个形成第一电机控制器的一部分，且第二个形成第二电机控制器的一部分。

第一处理电路包括由XTAL和硬件PLL组成的第一振荡器电路、第一定时器、第一计数器和用于将触发信号发送到第二处理电路的发送器。第二处理电路包括由第二XTAL和第二硬件PLL组成的第二振荡器电路、第二定时器、第二计数器、接收从第一电路发送的信号的接收器和计算单元。

在第一定时器作为主定时器而第二定时器作为从定时器的情况下，定时器电路的各个功能部分的操作如图3所示。

每当振荡器电路完成所设置的整数N次振荡时，第一处理电路就输出第一定时器信号。在此示例中，该数字被设置为500次循环。这定义了提供给软件PLL的定时器信号。在该示例中，定时器信号具有周期等于M的方波形式。然而，定时器信号可以具有以周期M间隔的一系列脉冲的形式。本领域技术人员将知道其他选择。

第一计数器在第一经过时间上对第一振荡器电路(第一硬件PLL的输出)的振荡进行计数，该第一经过时间从预定的开始时间开始并且在计数器已经对预定的M次循环进行计数时结束。在此示例中，M的值被设置为2000，正好是N的值的4倍。一旦达到值M，计数器便会复位并再次开始计数。这可以在定时器电路的接通时间内连续地重复，或者仅在能够由用户自动或手动设置的测试循环时间内发生。例如，每当电机控制电路被接通时，都会发生测试循环。该计数定义了触发信号，该触发信号的周期比定时器信号的周期长。

一旦触发信号已经生成，发送器就会将对值M进行编码的触发信号发送给第二处理电路。

与第二电机控制器相关联的第二处理电路包括接收触发信号的接收器、第二振荡器、第二计数器和计算单元。

接收器接收触发信号，然后第二处理单元的处理器确定在与第一经过时间对应的相同的经过时间上发生的第二振荡器的振荡次数M^*。为此，第二处理单元的第二计数器与第一计数器同时开始计数，并且一旦接收到触发信号就停止计数。然后，将该第二计数的值M^*与在触发信号中编码的值M一起馈送到计算单元。计算单元计算取决于M与M^*之比的N^*的值，使得N^*是使第二定时器信号的周期与第一定时器信号的周期相匹配所需的第二振荡器的整数次循环。

然后，第二处理电路使用值N^*来设置第二定时器信号的频率，从而确保第一定时器和第二定时器的频率相匹配。

在数学上，此示例中的计算单元执行以下计算：

N^*＝N.(M^*/M)

因此，可以将触发信号视为执行两个功能：

1)允许以通过计数M的值设置的粗略级别(典型粒度为～10ns)来同步两种软件控制算法；以及

2)根据振荡器电路计数观察触发信号的周期，并根据PWM边沿位置和定时器重载值来调整第二定时器信号的周期，以在通道之间实现相同的整体定时(典型粒度约为10ns)。

在图4所示的变型中，第二电路可以用作主设备，而第一信号处理单元可以用作从设备。这需要第二处理单元为第二定时器信号设置循环的值M并产生触发信号。第一处理单元必须接收触发信号，并依次计算值N^*以应用于第一定时器。

Claims (16)

1.一种与双通道电机控制器一起使用的定时器电路，其包括第一电机控制器和第二电机控制器，每个电机控制器产生PWM驱动信号，所述PWM驱动信号具有由所述定时器电路的相应的定时器限定的周期，其中所述定时器电路包括：

第一处理电路，其与所述第一电机控制器相关联，并且包括第一振荡器电路和第一定时器，每当所述振荡器电路完成所设置的整数N次振荡时，所述第一定时器输出第一定时器信号；

第二处理电路，其与所述第二电机控制器相关联，并且包括第二振荡器电路，

所述第二处理电路还包括第二定时器，每当所述振荡器电路完成整数N^*次振荡时，所述第二定时器输出第二定时器信号，并且其中，所述第二处理电路包括计算N^*的值的计算单元，所述N^*的值取决于使所述第二定时器信号的周期与所述第一定时器信号的周期相匹配所需的所述第一振荡器电路和所述第二振荡器电路的所述频率之差。

2.根据权利要求1所述的定时器电路，其中，所述第一处理电路还包括：第一计数器，所述第一计数器在第一经过时间上对所述第一振荡器电路的振荡的次数M进行计数，所述第一经过时间从预定的开始时间开始并且当计数器已经对振荡器的M次循环进行计数时结束；以及发送器，一旦所述计数器到达值M，所述发送器就输出触发信号，

所述第二处理电路还包括：接收器，其接收所述触发信号；以及第二计数器，其确定在与所述第一经过时间对应的经过时间上的所述第二振荡器电路的振荡次数M^*；以及

其中，所述第二处理电路的所述计算单元被配置为计算取决于所述M的值和所述M^*的值之差的N^*的值，使得N^*是使所述第二定时器信号的周期与所述第一定时器信号的周期相匹配所需的所述第二振荡器的整数循环次数。

3.根据权利要求1或2所述的定时器电路，其中，所述第一计数器的所述预定的开始时间对应于在生成所述触发信号之后的所述第一振荡器电路的下一次振荡的时间。

4.根据权利要求3所述的定时器电路，其中，所述第二计数器的所述开始时间对应于在接收到所述触发信号之后的所述第二振荡器电路的所述下一次振荡的所述时间。

5.根据权利要求1或2所述的定时器电路，其中，所述第一处理电路被配置为生成开始两个计数器的所述计数的开始信号，并且将所述开始信号发送到所述第二处理电路。

6.根据权利要求1或2所述的定时器电路，其中，所述第二处理电路被配置为生成所述开始信号，并将所述开始信号发送到所述第一处理电路。

7.根据任一前述权利要求所述的定时器电路，其中，所述计算单元使用等式N^*＝N.(M^*/M)来计算所述N^*的值。

8.根据任一前述权利要求所述的定时器电路，其中，所述振荡器电路中的每个包括晶体振荡器和锁相环。

9.根据权利要求8所述的定时器电路，其中，所述晶体振荡器具有在10Mhz至20Mhz的范围内的频率，并且其中，所述锁相环将振荡频率提高到100Mhz至200Mhz的范围。

10.根据任一前述权利要求所述的定时器电路，其中，所述第一处理电路和所述第二处理电路包括独立电路。

11.根据任一前述权利要求所述的定时器电路，其中，所述M的值被选择为大于所述N的值。

12.根据任一前述权利要求所述的定时器电路，其中，在使用中，能够颠倒所述第一处理电路和所述第二处理电路的配置，使得所述第二处理电路生成所述触发信号并设置所述经过时间，并且使得所述第一处理电路从所述触发信号中确定所述第一定时器信号的周期。

13.根据权利要求12所述的定时器电路，其中，所述第二处理电路还包括：第三计数器，所述第三计数器在第一经过时间上对所述第二振荡器电路的振荡的次数M进行计数，所述第一经过时间从预定的开始时间开始并且当所述计数器已经对所述振荡器的预定的M次循环进行计数时结束；以及发送器，一旦所述计数器到达所述值M，所述发送器就输出触发信号。

14.根据权利要求12所述的定时器电路，其中，所述第一处理电路还包括：接收器，其接收所述触发信号；以及处理器，其确定在与所述第一经过时间对应的经过时间上的所述第一振荡器的所述振荡次数M^*，并且

所述第一处理电路包括计算单元，所述计算单元在使用中计算取决于所述M的值与所述M^*的值之比的N^*的值，使得N^*是使所述第一定时器信号的周期与所述第二定时器信号的周期相匹配所需的所述第一振荡器的所述整数循环次数。

15.一种包括根据任一前述权利要求所述的定时器电路的电机驱动电路，所述电机驱动电路包括两个作为独立通道的电机控制器，每个电机控制器产生一组PWM信号，所述一组PWM信号的周期由所述定时器电路的两个定时器信号中的相应的一个定时器信号设置。

16.一种操作两个定时器的方法，所述定时器中的每个由相应的振荡器电路驱动，所述第一定时器的周期对应于所述第一振荡器电路的N次循环之间的经过时间，且所述第二定时器的周期对应于所述第二振荡器电路的N次循环之间的经过时间，所述方法包括：

在经过时间上对所述第一振荡器电路在所定义的循环次数内的循环次数M进行计数；

对在相同的经过时间内发生的所述第二振荡器电路的循环次数M^*进行计数；以及

根据所述M的值和M^*的值之比计算N^*的值。

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