CN114785117A - 一种三自由度功率信息融合的pwm调控方法 - Google Patents

一种三自由度功率信息融合的pwm调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三自由度功率信息融合的PWM调控方法，对PWM信号的三个自由度即占空比、频率和相位进行功率信息融合调制，调制后的PWM信号既包含数据信息，又包含功率控制信息。本发明可以同时对PWM信号的占空比、频率和相位进行调制，实现三自由度调制下的纹波通信功能，相对现有技术，本发明可以提升通信频带的利用率，增加码元的进制，提升纹波通信的速率。

Description

一种三自由度功率信息融合的PWM调控方法
技术领域
本发明属于电力电子变换器功率信息复合传输技术领域，具体涉及一种三自由度功率信息融合的PWM调控方法。
背景技术
随着信息化时代的到来，用电设备朝着智能化方向发展，需要与其它外部设备进行数据通信。电力电子变换器广泛应用于各种用电设备，在电力电子变换器工作过程中，会不可避免的在电源的输入和输出端产生高频纹波。采用功率信息融合PWM调控技术，将数据调制到上述纹波，即可在不添加调制电路和数据耦合电路的条件下利用功率传输线实现纹波通信。
文献《吴建德，杜进，王睿驰，李楚杉，何湘宁.基于开关纹波调制的电源线通信技术[J].电工技术学报,2014,04:166-172》提出了一种对功率载波进行FSK调制实现纹波通信的方法，该方法用两种不同的功率载波频率f0和f1表示数据0和1，为了避免通信时受到干扰，两种载波在解调窗口内需要满足正交条件，该方法对通信频带的利用率较低，且由于变换器工作频带限制，其通信速率也会受到限制。公开号为CN111725973A的中国专利提供了一种针对PWM载波的调频差分相移键控调制方法，将FSK和DPSK结合，同样采用两种功率载波频率f0和f1，变换器不发送数据时工作频率为f0，发送数据时工作频率为f1，使用不同的频率来抑制通信时干扰，并用频率为f1的载波的相位表示不同的数据，该方法未对功率控制环的调制波进行数据调制。文献《张若琦,惠悦,翁婉莹,et al.基于控制环叠加正交频分复用信号实现直流微网载波通信的变换器设计方法研究[J].中国电机工程学报,2021,41(16):5423-34》通过在功率控制环输出的基准上叠加信号载波，即对调制波进行数据调制实现纹波通信，限制叠加信号载波的频率为变换器开关频率的1/50～1/5，但该方法未对PWM载波进行数据调制。
在上述专利和文献中，数据调制的方式均为单自由度下的功率信息融合PMW调制，仅对功率调制波或PWM载波进行调制，并未充分利用通信频带，通信速率仍可进一步提升。故若为电力电子变换器设计一种三自由度下的功率信息融合PWM调控技术，则可以充分利用通信频带，有效提升纹波通信速率，极大的拓宽功率信息融合PWM调制技术的适用范围。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种三自由度功率信息融合的PWM调控方法，可以提升通信频带利用率，提升纹波通信速率。
一种三自由度功率信息融合的PWM调控方法，具体地：对PWM信号的三个自由度即占空比、频率和相位进行功率信息融合调制，调制后的PWM信号既包含数据信息，又包含功率控制信息。
进一步地，所述功率信息融合调制的具体实现方式如下：
当变换器不发送数据时，仅对PWM信号的占空比进行功率调制，调制后的PWM信号仅包含功率控制信息；
当变换器发送数据时，将待发送数据分成两部分即D1和D2，将数据D1调制到自生成的载波us的频率和相位上，其中对频率的调制即通过改变载波us的频率以不同频率来表示不同数据，对相位的调制则根据频率调制后得到固定频率的载波us，通过改变该载波的相位以不同相位来表示不同数据；
对占空比的调制则以不发送数据时功率调制得到的占空比为基础，在调制波上施加微小扰动来实现，具体地：首先自生成N个载波ud1～udN并将数据D2调制到这些载波的相位上，然后将这N个载波ud1～udN叠加后再与功率参考量相加得到调制波，N个载波ud1～udN的频率各不相同，其中载波udk的频率为fs/(k+1)，k为自然数且1≤k≤N，N为大于1的自然数，fs为载波us的频率；
最后，将载波us与调制波进行比较后生成PWM信号。
进一步地，对PWM信号的占空比进行功率调制即通过改变调制波中功率参考量的幅值来实现。
进一步地，所述载波us可以为三角波或锯齿波。
进一步地，设定一个解调窗口T，若载波ud1～udN的周期对应为Td1～TdN，载波us的周期为Tfp，则在解调窗口T内有Ndk个周期Tdk，有Nfp个周期Tfp，Ndk和Nfp均为正整数。当解调窗口内的周期为整数个时，解调任一频率信号时可消除其它频率信号的干扰。
进一步地，若载波ud1～udN对应的数据调制进制为I1～IN，频率调制的进制为J，相位调制的进制为K，则一个码元的进制为
Figure BDA0003656579720000031
三自由功率信息融合调制相较于单自由度功率信息融合调制，一个码元所携带的信息量更大，一个码元的进制为三个单自由度的码元进制的乘积。
进一步地，对于载波ud1～udN，仅限定其中频率为fs/2的载波对应的数据调制进制为2，其余载波的数据调制进制则不做限定。对于任一载波udk，其频率为fs/(k+1)，其数据调制方式可以采用N进制DPSk，即与载波us的相位调制相同，若信噪比足够大，理论上进制可以任意选取；当载波udk的频率为fs/2时，可以推导出它的数据调制方式只能采用2DPSK，与信噪比无关，进制只能为2。
进一步地，对于载波us，其周期
Figure BDA0003656579720000032
Ts为变换器不发送数据时的开关周期，n为非0的整数。载波us可以选用的频率是有限定的，它与解调窗口长度和不发数据时的开关周期有关。
本发明功率信息融合的PWM调控方法可以同时对PWM信号的占空比、频率和相位进行调制，实现三自由度调制下的纹波通信功能，调制后的PWM信号既包含数据信息，又包含功率控制信息；相对现有技术，本发明可以提升通信频带的利用率，增加码元的进制，提升纹波通信的速率。
附图说明
图1为功率信息融合PWM调制器的原理示意图。
图2为PWM信号占空比调制的原理示意图。
图3为PWM信号载波频率调制的原理示意图。
图4为PWM信号载波相位调制的原理示意图。
图5为Buck变换器的电路结构示意图。
图6为载波信号相位切换示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明三自由度功率信息融合PWM调控方法，同时对PWM信号的三个自由度即占空比d、频率f和相位
Figure BDA0003656579720000041
进行功率信息融合调制，调制后的PWM信号既包含数据信息，又包含功率控制信息，功率信息融合PWM调制器的原理如图1所示，其具体调制规则如下：
当变换器电路不发送数据时，仅通过up(t)对PWM信号的占空比进行功率调制，载波etri(t)的频率为变换器的工作频率w0，s(t)为0，调制后的PWM信号仅包含功率控制信息。
当变换器电路发送数据时，将待发送基带数据按照一定编码方式分为基带数据1和基带数据2，同时对PWM信号的频率、相位和占空比进行数据调制，基带数据1被调制到PWM信号的频率和相位，基带数据2被调制到PWM信号的占空比。
对占空比的调制以变换器电路不发送数据时功率调制得到的占空比为基础，在其上施加微小扰动s(t)，s(t)为n个频率为fs/(k+1)的载波之和，基带数据通过频相调制被调制到不同频率载波的相位上，k为自然数且1≤k≤n。仅对占空比调制生成1个频率为
Figure BDA0003656579720000042
的载波时，调制波ups(t)、载波etri(t)及PWM信号g(t)的波形如图2所示。
对频率的调制方法为通过载波发生器产生不同频率的载波信号fs(wit)(i＝1,2,…,n)，改变PWM信号的频率，以不同频率表示不同数据。仅对频率调制生成2个频率分别为w1(对应周期为Ts1)、w2(对应周期为Ts2)的信号用来表示“0”、“1”二位数据的调制波ups(t)、载波etri(t)及PWM信号g(t)的波形如图3所示。
对相位的调制方法为通过改变载波发生器产生的不同频率信号fs(wit)(i＝1,2,…,n)的相位，改变PWM信号的相位，以不同相位表示不同数据。仅对相位调制生成2个相位分别为0°和180°的信号用来表示“0”、“1”二位数据的调制波ups(t)、载波etri(t)及PWM信号g(t)的波形如图4所示。
调制后的PWM信号g(t)由调制波ups(t)与载波etri(t)比较生成，载波etri(t)的类型为三角波或锯齿波。
设定解调窗口为Tcode：占空比扰动产生的载波为ud1～udn，ud1～udn的周期为Td1～Tdn，在一个Tcode内，Td1～Tdn的个数为整数Nd1～Ndn，其中各载波对应的数据调制进制为I1～In；经频率调制和相位调制的纹波为ufp，在一个Tcode内，ufp的周期Tfp的个数为整数Nfp，其中频率调制的进制为J，相位调制的进制为K；一个码元的进制为
Figure BDA0003656579720000051
变换器电路不发送数据时的工作周期为Ts，对于ud1～udn，其周期取值为N1Ts～NnTs，Ni＝1,2,..,n为整数，当Ni＝2时，对应的数据调制进制Ii只能为＝2，当Ni≠2时，对应的数据调制进制Ii没有限制；对于ufp，其周期取值为
Figure BDA0003656579720000052
N为非0整数，对应的数据调制进制J取决于变换器电路容许的工作频带，对应的数据调制进制K没有限制。
以下为采用本发明实施的一个具体案例，电力电子变换器采用结构如图5所示的Buck电路，不发送数据时，电路的工作频率为fs＝83.3kHz，发送数据时，电路的工作频率切换为fs＝100kHz，设定码元周期为120us，解调窗口Tcode＝60us，采用占空比和相位两自由度下功率信息融合PWM调制技术实现32进制数据传输，基带数据1为4进制，基带数据2为8进制。
同时对PWM信号的占空比和相位进行调制，对PWM信号占空比的调制方式为DPSK调制，同时加入两路频率分别为
Figure BDA0003656579720000053
和
Figure BDA0003656579720000054
的调制波扰动，频率为
Figure BDA0003656579720000055
的调制波扰动采用2进制DPSK调制，分别用0°、180°两种相位差表示数据“0”、“1”，频率为
Figure BDA0003656579720000056
的调制波扰动采用4进制DPSK调制，分别用0°、90°、180°、270°四种相位差表示数据“0”、“1”、“2”、“3”，两路频率分别为
Figure BDA0003656579720000057
和
Figure BDA0003656579720000058
的调制波扰动信号之和为s(t)，s(t)与功率参考量up(t)相加得到调制波ups(t)。
对PWM信号相位的调制方式为4进制DPSK调制，分别用0°、90°、180°、270°四种相位差表示数据“0”、“1”、“2”、“3”，为了避免码元相位突变影响电路工作，通过在两个码元间增加相位连续的过渡周期的方法来实现码元相位的改变，如图6所示，将一个码元后三个周期为10us的载波改为周期为8.3us或11.67us的载波，即可在下一个码元处产生180°的相位差，若采用此方法实现码元相位的改变，且同时对占空比调制，则解调占空比调制的数据时需要根据过渡周期的时间进行相位补偿；载波发生器产生频率为fs的载波信号fs(wst)，经过相位调制后生成载波etri(t)。
调制波ups(t)与载波etri(t)比较生成调制后的PWM信号g(t)，g(t)经过驱动电路放大后成为开关器件的门极驱动信号Vg(t)，即可实现两自由度下功率信息融合PWM调制，经过调制后码元的进制为32进制。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三自由度功率信息融合的PWM调控方法，其特征在于：对PWM信号的三个自由度即占空比、频率和相位进行功率信息融合调制，调制后的PWM信号既包含数据信息，又包含功率控制信息。
2.根据权利要求1所述的PWM调控方法，其特征在于：所述功率信息融合调制的具体实现方式如下：
当变换器不发送数据时，仅对PWM信号的占空比进行功率调制，调制后的PWM信号仅包含功率控制信息；
当变换器发送数据时，将待发送数据分成两部分即D1和D2，将数据D1调制到自生成的载波us的频率和相位上，其中对频率的调制即通过改变载波us的频率以不同频率来表示不同数据，对相位的调制则根据频率调制后得到固定频率的载波us，通过改变该载波的相位以不同相位来表示不同数据；
对占空比的调制则以不发送数据时功率调制得到的占空比为基础，在调制波上施加微小扰动来实现，具体地：首先自生成N个载波ud1～udN并将数据D2调制到这些载波的相位上，然后将这N个载波ud1～udN叠加后再与功率参考量相加得到调制波，N个载波ud1～udN的频率各不相同，其中载波udk的频率为fs/(k+1)，k为自然数且1≤k≤N，N为大于1的自然数，fs为载波us的频率；
最后，将载波us与调制波进行比较后生成PWM信号。
3.根据权利要求2所述的PWM调控方法，其特征在于：对PWM信号的占空比进行功率调制即通过改变调制波中功率参考量的幅值来实现。
4.根据权利要求2所述的PWM调控方法，其特征在于：所述载波us可以为三角波或锯齿波。
5.根据权利要求2所述的PWM调控方法，其特征在于：设定一个解调窗口T，若载波ud1～udN的周期对应为Td1～TdN，载波us的周期为Tfp，则在解调窗口T内有Ndk个周期Tdk，有Nfp个周期Tfp，Ndk和Nfp均为正整数。
6.根据权利要求2所述的PWM调控方法，其特征在于：若载波ud1～udN对应的数据调制进制为I1～IN，频率调制的进制为J，相位调制的进制为K，则一个码元的进制为
Figure FDA0003656579710000011
7.根据权利要求2所述的PWM调控方法，其特征在于：对于载波ud1～udN，仅限定其中频率为fs/2的载波对应的数据调制进制为2，其余载波的数据调制进制则不做限定。
8.根据权利要求2所述的PWM调控方法，其特征在于：对于载波us，其周期
Figure FDA0003656579710000021
Ts为变换器不发送数据时的开关周期，n为非0的整数。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6310913B1 (en) * 1996-05-20 2001-10-30 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Circuit and method for modulating pulse width
US20070268052A1 (en) * 2006-05-22 2007-11-22 Rockwell Automation Technologies, Inc. Modulation methods and apparatus for reducing common mode noise
CN101411055A (zh) * 2006-03-27 2009-04-15 Nxp股份有限公司 射频pwm&ppm调制器
CN104852557A (zh) * 2015-06-12 2015-08-19 扬州大学 应用于功率变换器的数模混合移相倍频调制方法
CN111725973A (zh) * 2020-06-18 2020-09-29 浙江大学 一种针对pwm载波的跳频差分相移键控调制方法
CN112994419A (zh) * 2021-02-26 2021-06-18 浙江大学 一种脉冲宽度调制和正交频分复用调制的复合调制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6310913B1 (en) * 1996-05-20 2001-10-30 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Circuit and method for modulating pulse width
CN101411055A (zh) * 2006-03-27 2009-04-15 Nxp股份有限公司 射频pwm&ppm调制器
US20070268052A1 (en) * 2006-05-22 2007-11-22 Rockwell Automation Technologies, Inc. Modulation methods and apparatus for reducing common mode noise
CN104852557A (zh) * 2015-06-12 2015-08-19 扬州大学 应用于功率变换器的数模混合移相倍频调制方法
CN111725973A (zh) * 2020-06-18 2020-09-29 浙江大学 一种针对pwm载波的跳频差分相移键控调制方法
CN112994419A (zh) * 2021-02-26 2021-06-18 浙江大学 一种脉冲宽度调制和正交频分复用调制的复合调制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JINGHUI CHEN, ET AL: "Simultaneous pwer and data transimission using combined three degrees of freedom modulation strategy in DC-DC converters", vol. 38, no. 3, 5 December 2022 (2022-12-05), pages 3191 - 3200 *
陈竞辉，等: "DC-DC变换器基于FH-DPSK调制的纹波通信方法", 《中国电机工程学报》, 31 March 2021 (2021-03-31), pages 1 - 11 *

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