CN1799190A

CN1799190A - Pwm控制系统

Info

Publication number: CN1799190A
Application number: CNA2004800154409A
Authority: CN
Inventors: 竹内启佐敏
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: US20060251165A1; CN100568697C; WO2004109901A1; US20080001561A1; JP2004364366A; EP1630944A1; EP1630944A4; US7315155B2; US7528591B2

Abstract

具有：对基本频率信号进行分频而形成PWM基本波的PWM基本波产生单元(12)；根据PWM基本波设定PWM周期的PWM周期设定单元(22)；形成PWM周期内的占空比(N/M：N≤M，M为最大时钟数)的占空比形成单元(24)；向负载的驱动电路输出具有该占空比的PWM控制信号的PWM控制信号输出单元。

Description

PWM控制系统

技术领域

本发明涉及PWM(脉宽调制)控制系统。本发明的PWM控制系统可以用于交流电机、包括脉冲电机在内的直流电机等各种负载的驱动控制。只要是可以根据电机控制、显示装置控制、声音输出控制、振动控制、触感控制、喷雾控制、混合控制等控制对象负载的运转状态，对负载的驱动电路进行基于占空比的驱动控制，就可以广泛采用本发明的PWM控制系统。

背景技术

以往，例如利用PWM方式驱动DC电机，产生预先设定的PWM周期的驱动指令信号，设定驱动指令信号的占空比以获得DC电机所需的转矩，对开关元件进行开关。

在DC电机的驱动装置的系统模块中设有进行DC电机的整体控制的CPU、和通过系统总线从CPU接受指令并生成驱动指令信号的PWM控制部。驱动指令信号的占空比被设定成与前述DC电机所需的转矩成比例。

并且，例如在特开平7-163189号公报中记载了一种基于开关信号的PWM电机控制方式，该开关信号是通过比较具有三角波等预定波形的基准信号和针对电机的指令信号，根据指令信号对基准信号进行PWM调制而得到的。

另外，在特开2000-37079号公报中公开了一种PWM电路，具有：CPU，其进行以从外部输入的信号波基准信号为基础的成为指令值的信号波的输出和控制信息的设定；PLL(锁相环)电路，其把信号波基准信号作为输入，输出频率为信号波基准信号的频率的一定倍数的脉冲和表示信号波基准信号为特定相位的相位基准信号；分频器，其以预先在CPU中设定的分频比对从PLL电路输出的脉冲进行分频；增/减计数器，其把分频器的输出作为输入，按照来自PLL电路的相位基准信号的定时设定为预先设定的预定值，从该值起在另外设定的预定的二值之间反复增减计数，并输出载波；比较器，其比较载波和信号波，根据其大小输出进行功率转换器的开关元件的ON/OFF控制的开关信号，该PWM电路包括：第1寄存器，其暂时保存由CPU设定的分频器的分频比；第2寄存器，其按照来自PLL电路的相位基准信号的定时输入并保存暂时保存的分频比，并反映到分频器中。在该PWM电路中，根据开关信号的ON/OFF，改变供给负载的驱动信号的占空比。

发明内容

为了提高负载的运转效率等，需要使PWM周期变动的驱动方法，但在以往的控制方式中，PWM驱动频率只能在固定状态下使用。另外，以往的PWM控制方式需要产生锯齿波用的模拟电路。

本发明就是为了解决这种问题而提出的，其目的在于，提供一种PWM控制系统，该系统可以改变PWM周期，而且可以根据负载的运转状态设定占空比，并能够以全逻辑方式形成。

为了达到该目的，本发明的PWM控制系统的特征在于，具有：PWM基本波产生单元，其对基本频率信号进行分频，形成PWM基本波；PWM周期设定单元，其根据PWM基本波设定PWM周期；占空比设定单元，其设定PWM的每个周期的占空比(N/M：N≤M，M为最大时钟数)；PWM控制信号输出单元，其向负载的驱动电路输出具有该占空比的PWM控制信号。

在本发明的方式中，所述PWM周期设定单元把PWM基本波的所述M值的时钟数作为PWM周期。还具有控制特性设定单元，其根据负载的运转状态，确定所述分频值(M)和占空比设定值(N)。PWM基本波产生单元通过PLL电路对基本频率信号进行M分频，从而形成PWM基本频率信号。所述PWM控制信号输出单元切换所述输出的PWM控制信号的极性，输出交流的PWM控制信号。所述PWM基本波产生单元构成为把PWM周期锁定为交流驱动频率信号的周期。

本发明的特征还在于，具有：负载运转状态检测单元；负载运转状态指令单元；按照与运转指令状态相对应的分频率对基本波进行分频的PLL电路；比较来自PLL电路的输出和负载运转状态检测值的比较单元，把该比较结果供给所述PWM控制系统，向负载的驱动电路输出对应于该比较结果的占空比的PWM控制信号。

根据本发明，对PWM基本波进行改变PWM周期的调制，而且可以根据负载的运转状态进行改变占空比的调制，所以能够在不使用模拟电路的情况下可靠地执行PWM周期的改变和占空比的改变。

附图说明

图1是本发明的PWM控制模块的功能框图。

图2是其波形特性图。

图3是第2实施方式的PWM控制模块的功能框图。

图4是其波形特性图。

图5是第3实施方式的PWM控制模块的功能框图。

图6是其波形特性图。

图7是表示把PWM控制模块应用于电机的速度控制系统的实施方式的功能框图。

图8是其波形特性图。

图9是利用计算机实现PWM控制的功能框图。

具体实施方式

图1表示本发明的PWM控制系统1的代表性功能框图。该PWM控制系统是直流电机的驱动控制系统。在图1中，符号10表示石英振荡器，符号12表示具有对石英振荡器的振荡频率进行分频的PLL电路的PWM基本波产生部。该分频率由CPU 16确定，被设定在寄存器14中。利用PLL电路形成对基本频率时钟进行分频而得到的PWM控制用基本波的时钟信号(F(Hz))。

图2的(1)表示PWM控制用基本波的时钟(PWM-CLK)。图1中的符号18表示用于形成PWM周期的控制参数的寄存器，该参数作为用于设定后述的占空比的最大值而设定存储。符号20表示PWM控制波的占空比控制用参数(N)的寄存器。通过在存储器中设定了负载的运转状态和这些数值之间的关联特性的CPU，把M值和N值设定在所述寄存器中。通过使N值形成为数值表，可以实现复杂形式的PWM控制。并且，通过由模拟比较器确定N值，可以利用模拟信号实现PWM控制。

图2的(2)是PWM控制用基本波的时钟的放大图。用于设定PWM周期的M值由控制图1的整个系统的CPU 16确定，如(3)所示，PWM基本波的频率被分频为(1/M)，每过基本波的M个脉冲输出确定PWM周期的脉冲。结果，PWM周期(T)被设定为基本波(1)的M个脉冲的期间。另外，在图2中示出了M＝20的情况。PWM周期形成部22的分频电路构成为，读入寄存器18的设定值，对PWM基本时钟进行(1/M)处理，输出PWM周期脉冲。

占空比形成部24具有在每次输入PWM周期的脉冲时被复位的计数器，另外，读入存储在寄存器20中的N值，测量PWM周期间的PWM基本时钟的N个时钟，输出具有N/M的占空比的驱动信号(PWM-OUT)。

图2的(4)、(5)是表示具有N/M的占空比的PWM调制后的驱动控制指令信号波的波形特性，(4)是具有N/M＝1/20(5％)的占空比的控制波形，(5)是具有N/M＝19/20(95％)的占空比的控制波形。该控制波形(PWM-OUT)被输出给各种负载的驱动电路。

图3表示第2实施方式，与图1的实施方式不同的部分是占空比形成部24具有极性切换单元30。该极性切换单元切换具有N/M的占空比的PWM控制用脉冲的极性而交替输出。图4的4A、5A是正极时的占空比控制波形。此时，向正极的输出端子PWM-OUT(+)输出与每个PWM周期输出的脉冲(图4(3))同步地控制占空比的控制脉冲(4A、5A)，不向负极用的端子PWM-OUT(-)输出该控制脉冲(图4(10A))。

图4的4B、5B是负极时的占空比控制波形。此时，向负极的输出端子PWM-OUT(-)输出与每个PWM周期输出的脉冲(图4(3))同步地控制占空比的控制脉冲(4B、5B)，不向正极用的端子PWM-OUT(+)输出该控制脉冲(图4(10B))。

图4的20A、20B是由供给负载驱动电路的PWM控制指令波(PWM-OUT(+)、PWM-OUT(-))构成的彼此相同的交流控制波。极性切换单元一边交替地切换PWM控制波的极性，一边进行前面叙述的占空比控制，向负载的驱动器电路供给将正极侧输出端子的输出和负极侧输出端子的输出合成得到的交流输出。

图3的PWM控制指令波被输入交流驱动型负载(交流电机)的驱动器，通过按照所确定的占空比对施加给负载的逆变器电压进行开关，可以控制供给负载的电力。

图5表示第3实施方式，与第2实施方式的不同点是交流驱动频率信号50被输入到PWM基本波产生电路12中，把交流驱动频率的周期维持为PWM周期。

通过改变交流驱动频率，可以改变负载例如交流电机的旋转速度，但根据图5的实施方式，还可以根据负载的运转状态改变供给负载的PWM驱动指令信号的占空比。

图6表示该实施方式的控制波形特性图。PWM基本波产生部12把PWM周期锁定为交流驱动频率(3)，以在交流驱动频率(图6的(30))的一个周期中产生PWM时钟信号(1)的2×M个脉冲。

CPU 16根据负载的运转状态确定用于设定占空比值的N，并把其存储在寄存器18中。在占空比形成部24中，针对PWM时钟的每M个脉冲输出的每个PWM周期信号(极性切换信号)，对PWM时钟进行N个脉冲的计数，并设定占空比(N/M)。

在极性切换信号的每个输出周期，占空比形成部24向正极侧输出端(PWM-OUT(+))和负极侧输出端(PWM-OUT(-))交替输出具有占空比的PWM控制信号(5A、5B)。结果，如图6的(10)所示，可以形成具有对应于交流驱动频率的周期的、占空比得到控制的交流PWM控制波。

图7表示把图1(或图3、图5)的PWM控制电路1应用于电机74的转速控制装置的实施方式。通过PLL反馈来自电机的检测信号，与负载的运转状态检测信号同步地形成负载的运转指令控制信号(转速指示波信号)。结果，可以执行负载的运转状态例如电机的转速的控制，例如增减速或速度维持。

作为电机可以使用步进电机等的直流电机、交流电机等各种电机。在电机中设置霍尔元件，根据转子的旋转位置输出检测信号。该检测信号被输入到PLL的相位比较器78中。针对电机的速度指示16A被提供给CPU 16。

CPU 16根据存储器内的存储表确定针对指示速度的分频率，把该分频率设定在存储部80中。转速指示形成部82的PLL电路从存储部80中读入该分频率，按照该分频率对基本振荡频率进行分频。

分频后的PLL频率被供给相位比较器78，根据相位比较结果确定电机的转速的上升或下降，任何指令值都被供给计数器76。PWM时钟频率被供给计数器。

图8表示其控制波形，(1)表示图2的PWM时钟频率。(100)是从转速指示波形成部82输出的转速指示波。(102)是来自转速传感器部70的检测脉冲，相位比较部78与PWM时钟脉冲(1)同步地向计数器76输出与转速指示波和检测脉冲之间的相位差相当的相位差信号，计数器76增加该期间计数值(104)。在该计数值增加时，提高电机的转速，计数值(N)被计数器76设定到PWM控制电路1中。PWM控制电路根据该N值确定占空比(N/M)，向电机驱动部72输出具有图1所示的占空比的PWM控制指令信号。

由于来自转速传感器部70的检测波的频率较低、电机的转速较低，CPU 16选择分频率以形成更大值的相位差，并把其设定在存储部80中。另外，在电机的转速提速时，不从比较部78输出降速指令(图8(104A))。

另一方面，在电机的转速减速时，即，按照图8的(106)所示从电机的转速较高的状态开始降低电机的转速时，如(108)所示，在转速指示脉冲和转速检测脉冲之间产生相位差。这期间计数器76的计数值被进行减法运算，并作为降速信号被依次输出到PWM控制部1中。

PWM控制电路1在该计数值降低时，相应地降低N，把占空比设定得较低。在电机减速时，不输出升速指令(106A)。CPU根据设定速度和电机的转速检测值判别提高、降低电机转速的必要性，在计数器76中设定计数器的向上计数标志和向下计数标志。计数器检查该标志，与PWM控制时钟(1)同步地执行向上计数和向下计数。

图9表示本发明的另一实施方式，与前述实施方式的不同点是取代利用逻辑电路门构成控制模块，而利用计算机构成控制模块。CPU 16根据电机的转速传感器的检测值计算电机的转速，比较转速运算值和从速度指示部16A指示的指示值，根据比较结果，按照图1所示调整PWM控制指令信号的占空比。即，在速度检测值是速度较小时，增大占空比(N/M)，否则减小占空比。

根据以上说明的PWM控制系统，即使PWM驱动频率(M)变动，也能够根据(N/M)设定占空比，因此具有能够稳定进行与PWM周期相应的PWM驱动控制的效果。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.(修改后)一种负载驱动控制系统，包括：

PWM控制系统，其具有对基本频率信号进行分频而形成PWM基本波的PWM基本波产生单元、根据PWM基本波设定PWM周期的PWM周期设定单元、形成PWM周期内的占空比(N/M：N≤M，M为最大时钟数)的占空比形成单元、向负载的驱动电路输出具有该占空比的PWM控制信号的PWM控制信号输出单元；

负载运转状态检测单元；

负载运转状态指令单元；

按照与运转指令状态相应的分频率对所述基本波进行分频的锁相环电路；以及

比较来自该锁相环电路的输出和负载运转状态检测值的比较单元，

其中，把该比较结果提供给所述PWM系统的所述占空比形成单元，通过所述PWM控制信号输出单元将根据该比较结果形成的占空比的PWM控制信号输出给负载的驱动电路。

2.(修改后)根据权利要求1所述的PWM控制系统，其中，所述PWM周期设定单元把按照所述M值对PWM基本波进行分频而得到的频率作为PWM周期。

3.(修改后)根据权利要求1或2所述的PWM控制系统，其中，具有控制特性设定单元，其根据所述负载的运转状态，确定所述M值和占空比设定值(N)。

4.(修改后)根据权利要求1所述的PWM控制系统，其中，PWM基本波产生单元通过锁相环电路对所述基本频率信号进行M分频，由此形成PWM基本频率信号。

5.(修改后)根据权利要求1～4中任一项所述的系统，其中，所述PWM控制信号输出单元切换所述输出的PWM控制信号的极性，输出交流的PWM控制信号。

6.(修改后)根据权利要求4所述的PWM控制系统，其中，所述PWM基本波产生单元构成为把PWM周期锁定为交流驱动频率信号的周期。

7.(删除)

8.(修改后)根据权利要求1所述的PWM控制系统，其中，PWM基本波产生单元利用锁相环电路对基本频率信号进行分频，形成基于PWM的占空比控制用的基本波。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，不进行与三角波的比较即可形成所述PWM控制信号。

Claims

1.一种PWM控制系统，具有：PWM基本波产生单元，其对基本频率信号进行分频而形成PWM基本波；PWM周期设定单元，其根据PWM基本波设定PWM周期；占空比形成单元，其形成PWM周期内的占空比(N/M：N≤M，M为最大时钟数)；PWM控制信号输出单元，其向负载的驱动电路输出具有该占空比的PWM控制信号。

2.根据权利要求1所述的PWM控制系统，其中，所述PWM周期设定单元把按照所述M值对PWM基本波进行分频而得到的频率作为PWM周期。

3.根据权利要求1或2所述的PWM控制系统，其中，具有控制特性设定单元，其根据负载的运转状态，确定所述M值和占空比设定值(N)。

4.根据权利要求1所述的PWM控制系统，其中，PWM基本波产生单元通过锁相环电路对所述基本频率信号进行M分频，由此形成PWM基本频率信号。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的PWM控制系统，其中，所述PWM控制信号输出单元切换所述输出的PWM控制信号的极性，输出交流的PWM控制信号。

6.根据权利要求4所述的PWM控制系统，其中，所述PWM基本波产生单元构成为把PWM周期锁定为交流驱动频率信号的周期。

7.一种负载驱动控制系统，具有：负载运转状态检测单元；负载运转状态指令单元；按照与运转指令状态相应的分频率对基本波进行分频的锁相环电路；比较来自锁相环电路的输出和负载运转状态检测值的比较单元，把该比较结果供给权利要求1～6中任一项所述的PWM控制系统，向负载的驱动电路输出与该比较结果相应的占空比的PWM控制信号。

8.根据权利要求1所述的PWM控制系统，其中，PWM基本波产生单元利用锁相环电路对基本频率信号进行分频，形成基于PWM的占空比控制用的基本波。