DE102011004810A1 - Method for digitally controlling voltage converter by frequency adjustable pulse width modulation of microcontroller, involves utilizing pulse/period combination as control variable up to alteration of nearest reference value - Google Patents

Method for digitally controlling voltage converter by frequency adjustable pulse width modulation of microcontroller, involves utilizing pulse/period combination as control variable up to alteration of nearest reference value Download PDF

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
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    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/157Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators with digital control

Abstract

The method involves computing a target duty factor from a given reference value, and computing pulse/period combinations, which represent duty factors. One of the pulse/period combinations is selected from finite number of pulse/period combinations whose duty factor has smallest deviation. The pulse/period combination is used as a control variable up to alteration of the nearest reference value. The reference value is computed from relevant output of a voltage converter, and the reference value is assigned as one pulse duration.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Steuerung eines Spannungswandlers mittels einer in der Frequenz verstellbaren Pulsweitenmodulation. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für einfache und leistungsschwache Mikrocontroller geeignet.The invention relates to a method for the digital control of a voltage converter by means of a frequency-variable pulse width modulation. The inventive method is particularly suitable for simple and low-power microcontroller.

Hintergrundbackground

Die Erfindung geht aus von den Verfahren zur digitalen Steuerung eines Spannungswandlers mittels einer in Pulsdauer und Frequenz verstellbaren Pulsmodulation nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention is based on the methods for the digital control of a voltage converter by means of a pulse duration and frequency adjustable pulse modulation according to the preamble of the main claim.

Die Pulsmodulation basiert darauf, dass der arithmetische Mittelwert einer gepulsten Ausgangsspannung durch Veränderung des Verhältnisses von Spannungspulsdauer zu Spannungspausendauer gesteuert werden kann. Der arithmetische Mittelwert entspricht dem Tastverhältnis, also dem Verhältnis zwischen Pulsdauer und Periodendauer. Dieser Quotient besitzt einen Wert zwischen 0 und 1.The pulse modulation is based on that the arithmetic mean of a pulsed output voltage can be controlled by changing the ratio of voltage pulse duration to voltage pause duration. The arithmetic mean corresponds to the duty cycle, ie the ratio between pulse duration and period duration. This quotient has a value between 0 and 1.

Bei der Pulsweitenmodulation wird eine festfrequente rechteckförmige Spannung verwendet, bei der das Tastverhältnis durch Variation der Pulsdauer gesteuert wird. Die Pulsweitenmodulation ist auf dem Gebiet der Spannungswandler weithin bekannt. Viele aus dem Stand der Technik bekannte Spannungswandler regeln mit diesem Prinzip die Ausgangsspannung. Beispiele hierfür sind Steckernetzteile, Labornetzgeräte und Ladegeräte. Beispiele aus anderen Bereichen sind Digital-Analog-Wandler und LED-Treiber-Stufen.In the pulse width modulation, a fixed-frequency rectangular voltage is used, in which the duty cycle is controlled by varying the pulse duration. Pulse width modulation is well known in the field of voltage transformers. Many voltage transformers known from the prior art regulate the output voltage with this principle. Examples include power adapters, laboratory power supplies and chargers. Examples from other areas are digital-to-analog converters and LED driver stages.

Neben der Pulsweitenmodulation (PWM) mit fester Periodendauer werden auch Verfahren zur Puls-Frequenz-Modulation (PFM) mit fester Pulsdauer und variabler Periodendauer eingesetzt. Das zugrunde liegende Prinzip ist das gleiche, nur dass hier zur Einstellung des Tastverhältnisses nicht die Pulsdauer, sondern die Periodendauer verändert wird.In addition to pulse width modulation (PWM) with a fixed period, methods for pulse-frequency modulation (PFM) with fixed pulse duration and variable period duration are also used. The underlying principle is the same, except that not the pulse duration, but the period is changed here to set the duty cycle.

Ebenfalls bekannt, aber nicht so sehr verbreitet ist ein Modulationsverfahren, bei dem sowohl die Pulsdauer als auch die Periodendauer zur Veränderung des Tastverhältnisses variiert wird. Dieses Modulationsverfahren wird manchmal auch als Puls-Periodenmodulation bezeichnet, weil hier eben die Pulsdauer wie auch die Periodendauer verändert wird. Zumeist wird in den bekannten Verfahren die Periodendauer über der Zeit moduliert.Also known but not so widely used is a modulation method in which both the pulse duration and the period are varied to change the duty cycle. This modulation method is sometimes referred to as pulse-period modulation, because here just the pulse duration as well as the period is changed. In most cases, the period duration is modulated over time in the known methods.

Diesen Modulationsverfahren gemeinsam ist, dass sie zu dem gewünschten Mittelwert der gepulsten Spannung ein geeignetes Tastverhältnis bestimmen, welches diesem Mittelwert nahe kommt. Bei digitalen Modulationsverfahren wird das Pulsmuster mit Hilfe eines digitalen Zählers erzeugt. Die aufgrund der Digitalisierung unvermeidlichen Abweichungen des Tastverhältnisses vom geforderten Mittelwert können für die verschiedenen Verfahren in Abhängigkeit der Bitzahl des Zählers berechnet werden. Mit steigender Bitzahl des Zählers wächst die Zeitauflösung und damit die Genauigkeit. Jedoch steigt mit der Zählerauflösung bei gleicher Frequenz des Zählertakts die Periodendauer, was bei einem nachgeschalteten Filter zu einem höheren Aufwand führt.What these methods have in common is that they determine, for the desired average value of the pulsed voltage, a suitable duty cycle which approximates this mean value. In digital modulation methods, the pulse pattern is generated by means of a digital counter. The unavoidable deviations of the duty cycle from the required mean value due to the digitization can be calculated for the different methods depending on the number of bits of the counter. With increasing number of bits of the counter increases the time resolution and thus the accuracy. However, with the counter resolution at the same frequency of the counter clock, the period increases, which leads to a higher outlay for a downstream filter.

In der Praxis überwiegen PWM und PFM, da sie mit geringem Rechenaufwand und damit auch mit einfachen Mikrokontrollern zu realisieren sind. Einfache Mikrokontroller verfügen meist nur über 8-Bit-Zähler zur Pulsmustererzeugung, deren Genauigkeit bei diesen Verfahren begrenzt bleibt.In practice, PWM and PFM predominate because they can be implemented with low computational effort and therefore also with simple microcontrollers. Simple microcontrollers usually have only 8-bit pulse pattern generation counters whose accuracy is limited in these methods.

Aufgabetask

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur digitalen Steuerung eines Spannungswandlers mittels einer in der Frequenz verstellbaren Pulsweitenmodulation anzugeben, welches zu einem gegebenen Tastverhältnis eine möglichst optimale Puls/Perioden-Kombination berechnet, die bei gegebener Zählerauflösung das Tastverhältnis mit dem geringsten Fehler darstellt. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur digitalen Ermittlung dieser Puls/Perioden-Kombination anzugeben, welches in Echtzeit auch in kostengünstigen Mikrocontrollern durchgeführt werden kann.It is an object of the invention to provide a method for digital control of a voltage converter by means of a frequency-adjustable pulse width modulation, which calculates the best possible pulse / period combination for a given duty cycle, which represents the duty cycle with the lowest error at a given counter resolution. It is a further object of the invention to provide a method for the digital determination of this pulse / period combination, which can be carried out in real time in cost-effective microcontrollers.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur digitalen Regelung eines Spannungswandlers mit folgenden Schritten:

  • – Auswahl der Puls/Periode-Kombination aus einer endlichen Anzahl von Puls/Periode-Kombinationen, deren Tastverhältnis die geringste Abweichung zum Soll-Tastverhältnis aufweist,
  • – Verwendung dieser Puls/Periode-Kombination als Steuergröße bis zur nächsten Berechnung.
The object is achieved according to the invention with a method for digital control of a voltage converter with the following steps:
  • Selecting the pulse / period combination from a finite number of pulse / period combinations whose duty cycle has the least deviation from the target duty cycle,
  • - Use of this pulse / period combination as a control variable until the next calculation.

Bei der digitalen Pulsweitenmodulation (PWM) verändert man bei konstanter Pulsfrequenz die Breite von Spannungspulsen und damit das Tastverhältnis eines digitalen Signals. Der Mittelwert der Ausgangsspannung entspricht dem Tastverhältnis und kann z. Bsp. am Ausgang eines nachgeschalteten, passend dimensionierten Tiefpasses gemessen werden.With digital pulse width modulation (PWM), the width of voltage pulses and thus the duty cycle of a digital signal are changed at a constant pulse frequency. The mean value of the output voltage corresponds to the duty cycle and can, for. For example, be measured at the output of a downstream, appropriately sized low-pass filter.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, bei sonst gleichen Verhältnissen (d. h. Bitzahl des Zählers und Frequenz des Zählertakts) eine wesentlich genauere Einstellung des Spannungsmittelwerts bei gleichzeitig gleicher oder höherer Trägerfrequenz des Modulationssignals erreicht, als dies mit PWM möglich ist. Das erfindungsgemäße Modulationsverfahren wird im Folgenden auch als optimierte Puls-Periodenmodulation bezeichnet.In the method according to the invention, with otherwise the same ratios (i.e., number of bits of the counter and frequency of the counter clock), a substantially more accurate adjustment of the mean voltage with simultaneous or higher carrier frequency of the modulation signal is achieved than is possible with PWM. The modulation method according to the invention is also referred to below as optimized pulse-period modulation.

Variiert man nicht nur die Pulsdauer, sondern auch die Periodendauer, so kann man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Puls/Perioden-Kombination finden, die eine wesentlich bessere Annäherung des erzeugten Mittelwerts an den Sollwert erreicht als dies bei einer Pulsweitenmodulation mit gleicher Bitzahl möglich wäre. So ist z. B. bei einem 8-Bit-Zähler die Auflösung bei einer Pulsweitenmodulation 1/256 = 0,39%. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist durch die große Anzahl verfügbarer Puls/Periode-Kombinationen eine wesentlich geringere Abweichung des eingestellten zum gewünschten Mittelwert zu erreichen. Für einen Sollwert kleiner als 1/Zählermaximalwert wird bei einer Pulsdauer von einer Taktperiode die Periodendauer größer als der Zähler-Maximalwert eingestellt.If one not only varies the pulse duration but also the period duration, one can use the method according to the invention to find a pulse / period combination which achieves a significantly better approximation of the generated mean value to the desired value than would be possible with a pulse width modulation with the same number of bits. So z. For example, for an 8-bit counter, the resolution at a pulse width modulation is 1/256 = 0.39%. In the method according to the invention, due to the large number of available pulse / period combinations, a significantly smaller deviation of the set value from the desired average value can be achieved. For a setpoint value less than 1 / maximum counter value, the period duration is set greater than the maximum counter value for a pulse duration of one clock period.

Analytische Methoden, um bei gegebenem Sollwert den optimalen Puls- und Periodenwert zu berechnen sind bisher nicht bekannt. Daher eignet sich dieses Verfahren vor allem bei digitalen Regelungen, die für die Regelung einen Mikroprozessor, z. B einen Mikrocontroller verwenden.Analytical methods for calculating the optimal pulse and period value for a given setpoint are not yet known. Therefore, this method is particularly suitable for digital control systems that have a microprocessor, z. B use a microcontroller.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Soll-Tastverhältnis aus einem gegebenen Sollwert berechnet. In einem weiteren Schritt wird dann die endliche Anzahl an Puls/Periode-Kombinationen, die verschiedene Tastverhältnisse repräsentieren, berechnet, aus der dann eine Auswahl getroffen wird.In the method according to the invention, the desired duty cycle is preferably calculated from a given desired value. In a further step, the finite number of pulse / period combinations representing different duty cycles is calculated, from which a selection is then made.

Weder die Anzahl der möglichen Tastverhältnisse in Abhängigkeit der Bitzahl des Zählers noch die bestmögliche Puls/Perioden-Kombination ist analytisch einfach bestimmbar. Zur Bestimmung der optimalen Puls/Perioden-Kombinationen müssten viele möglichen Puls/Perioden-Kombinationen berechnet, die Ergebnisse verglichen und mit Hilfe eines Suchalgorithmus die für den geforderten Sollwert optimale Puls/Perioden-Kombinationen gefunden werden. Solch ein Algorithmus ist allerdings meist zu langsam für eine Echtzeitregelung in einem Mikrocontroller. Dieses Verfahren benötigt für die Berechnung viele Divisionen, um die möglichen Puls/Periodenkombinationen zu finden. Dies dauert in vielen kostengünstigen Mikrocontrollern sehr lange, da diese keine Hardware-Divisionseinheiten aufweisen und eine Division aufwendig in Software durchgeführt werden muss.Neither the number of possible duty cycles as a function of the number of bits of the counter nor the best possible pulse / period combination is analytically easily determinable. In order to determine the optimum pulse / period combinations, many possible pulse / period combinations would have to be calculated, the results compared, and the search for the optimum pulse / period combinations made using a search algorithm to be found. However, such an algorithm is usually too slow for real-time control in a microcontroller. This method requires many divisions for the calculation in order to find the possible pulse / period combinations. This takes a long time in many low-cost microcontrollers because they have no hardware division units and a division must be carried out consuming in software.

Eine Offline-Berechnung und Speicherung der optimalen Puls/Perioden-Kombinationen ist nur dann sinnvoll einzusetzen, wenn die Anzahl der im Betrieb einzustellenden Tastverhältnisse begrenzt ist, da eine Interpolation zwischen Stützpunkten nicht möglich ist.An offline calculation and storage of the optimum pulse / period combinations can only be used sensibly if the number of duty cycles to be set during operation is limited, since interpolation between support points is not possible.

Für die Implementierung in digitalen Rechenwerken wird daher eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur digitalen Steuerung eines Spannungswandlers vorgeschlagen, wobei die Steuerung mittels einer in der Frequenz verstellbaren Pulsweitenmodulation durchgeführt wird, wobei das von einem digitalen Rechenwerk ausgeführte Verfahren folgende Schritte aufweist:

  • – Multiplizieren eines Sollwertes S mit verschiedenen möglichen ganzzahligen Werten TI, die repräsentativ für die möglichen Periodendauern TPD des Spannungswandlers sind,
  • – Berechnung der Abweichungen der Ergebnisse der Multiplikationen PG = S·TI zum nächsten ganzzahligen Wert PD,
  • – Speichern des ganzzahligen Wertes TI als repräsentativen Wert für die Periodendauer der nächsten Periode TPD, der als Ergebnis der Multiplikation S·TI mit dem Sollwert die geringste Abweichung zum nächsten ganzzahligen Wert aufweist,
  • – Speichern des nächsten ganzzahligen Wertes PD der vorigen Berechnung als Pulsdauer der nächsten Periode.
For the implementation in digital arithmetic units, therefore, a preferred embodiment of the method according to the invention for the digital control of a voltage converter is proposed, the control being carried out by means of a frequency-adjustable pulse width modulation, the method performed by a digital arithmetic unit comprising the following steps:
  • Multiplying a setpoint value S by different possible integer values T I , which are representative of the possible period lengths T PD of the voltage converter,
  • Calculation of the deviations of the results of the multiplications P G = S * T I to the next integer value P D ,
  • Storing the integer value T I as a representative value for the period of the next period T PD , which as a result of the multiplication S · T I having the desired value has the least deviation from the next integer value,
  • - Store the next integer value P D of the previous calculation as the pulse duration of the next period.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht man bereits mit einfachen 8 Bit-Mikrocontrollern eine Mittelwertbildung mit hoher Auflösung. Sie ist der Pulsweitenmodulation mit 12 Bit deutlich überlegen und erreicht die Genauigkeit einer 16 Bit-Pulsweitenmodulation. Gleichzeitig bleibt die Trägerfrequenz hoch, so dass ein eventuell erforderlicher Aufwand für nachfolgende Filter gering bleibt. Das Modulationsverfahren kann z. B. zur präzisen Digital-Analog-Wandlung oder für eine Lichtsteuerung für Leuchtdioden eingesetzt werden.The inventive method is achieved with simple 8-bit microcontrollers averaging with high resolution. It is clearly superior to 12-bit pulse width modulation and achieves the accuracy of 16-bit pulse width modulation. At the same time, the carrier frequency remains high, so that a possibly required effort for subsequent filters remains low. The modulation method can, for. B. for precise digital-to-analog conversion or for a light control for light emitting diodes can be used.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird jedem Sollwert S genau eine Periodendauer zugeordnet. Dadurch kann der Rechenaufwand weiter verringert werden, da gleiche oder sehr ähnliche Ergebnisse von vornherein ausgeblendet werden können.In a preferred embodiment of the method, each setpoint value S is assigned exactly one period duration. As a result, the computational effort can be further reduced, since the same or very similar results can be hidden from the outset.

Diese Ausführungsform des Verfahrens beschreibt einen Algorithmus, der meistens das optimale Puls/Perioden-Paar, manchmal ein nur unwesentlich schlechteres findet. Es kann auch in einfachen Mikrocontrollern implementiert werden, und eignet sich besonders für Massenproduktionen, die mit geringer Controllerperformance auskommen müssen.This embodiment of the method describes an algorithm which mostly finds the optimal pulse / period pair, sometimes only slightly worse. It can also be implemented in simple microcontrollers, and is particularly suitable for mass production with low controller performance.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine relevante Ausgangsgröße des Spannungswandlers erfasst, und daraus ein Sollwert S zur Regelung dieser Ausgangsgröße des Spannungswandlers als Tastverhältnis berechnet.In the method according to the invention, a relevant output variable of the voltage converter is preferably detected, and from this a setpoint value S for regulating this output variable of the voltage converter is calculated as a duty cycle.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur digitalen Regelung eines Spannungswandlers ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.Further advantageous developments and refinements of the method according to the invention for the digital regulation of a voltage converter will become apparent from further dependent claims and from the following description.

Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)Short description of the drawing (s)

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and with reference to the drawings, in which the same or functionally identical elements are provided with identical reference numerals. Showing:

1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur digitalen Regelung eines Spannungswandlers mittels einer in der Frequenz verstellbaren Pulsweitenmodulation, 1 a flow chart of the method according to the invention for the digital control of a voltage converter by means of a frequency-adjustable pulse width modulation,

2 eine Tabelle mit allen möglichen Puls/Periode-Kombinationen für ein erfindungsgemäßes Verfahren, welches mit 4-Bit Zählern ausgeführt wird. 2 a table with all possible pulse / period combinations for a method according to the invention, which is carried out with 4-bit counters.

Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren wählt zu einem geforderten Mittelwert der Ausgangsspannung das jeweils günstigste Puls/Perioden-Paar aus. Im Folgenden werden die prinzipiellen Vorteile des erfindungsgemäße Verfahrens anhand eines mit 4-Bit-Zähler erzeugten Pulsmusters erläutert.The method according to the invention selects the respectively most favorable pulse / period pair for a required mean value of the output voltage. In the following, the principal advantages of the method according to the invention will be explained with reference to a pulse pattern generated using a 4-bit counter.

Der mathematisch exakte Aufwand zur Bestimmung der optimalen Puls/Periode-Kombination ist sehr hoch und ist wegen der vielen durchzuführenden Divisionen mit einem üblichen Mikrocontroller nur in Ausnahmefällen durchzuführen.The mathematically exact effort to determine the optimal pulse / period combination is very high and is due to the many divisions to be performed with a conventional microcontroller only in exceptional cases.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur optimieren Puls-Perioden-Modulation wird bei gleicher Zählerbitzahl eine wesentliche Verringerung des maximalen relativen Fehlers erreicht als dies bei der Pulsweitenmodulation möglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet deshalb insbesondere für solche Anwendungen Vorteile, die einen geringen maximalen relativen Fehler über dem gesamten Betriebsbereich fordern. Eine solche Anwendung ist z. B. die Erzeugung einer exponentiellen DALI-Kennlinie.With the method according to the invention for optimizing pulse-period modulation, a significant reduction in the maximum relative error is achieved with the same number of counter bits as is possible with pulse width modulation. The method according to the invention therefore offers advantages, in particular for such applications, which require a low maximum relative error over the entire operating range. Such an application is z. As the generation of an exponential DALI characteristic.

DALI (Digital Adressable Lighting Interface, DIN EN 60929 ) ist ein Steuerprotokoll zur Steuerung digitaler, lichttechnischer Betriebsgeräte in Gebäuden (z. B. elektronischer Transformatoren, elektronischer Vorschaltgeräte (EVGs), elektronischer Leistungsdimmer, etc.). Jedes Betriebsgerät, das über eine DALI-Schnittstelle verfügt, kann über DALI-Kurzadressen einzeln angesteuert werden. Durch einen bidirektionalen Datenaustausch kann ein DALI-Steuergerät bzw. ein DALI-Gateway den Status von Leuchtmitteln bzw. von Betriebsgeräten einer Leuchte abfragen bzw. den Zustand setzen. DALI verwendet ein serielles, asynchrones Datenprotokoll mit einer Übertragungsrate von 1200 Bit/s.DALI (Digital Addressable Lighting Interface, DIN EN 60929 ) is a control protocol for controlling digital lighting equipment in buildings (eg electronic transformers, electronic ballasts (ECGs), electronic power dimmers, etc.). Each operating device that has a DALI Interface can be individually controlled via DALI short addresses. Through a bidirectional data exchange, a DALI control unit or a DALI gateway can query the status of lamps or operating devices of a luminaire or set the state. DALI uses a serial, asynchronous data protocol with a transfer rate of 1200 bps.

Das erfindungsgemäße Verfahren entspricht für kleine Mittelwerte bis 2/Zählerauflösung = 1/HalbeZählerauflösung der PFM (Pulsfrequenzmodulation, Puls ist immer 1). Bei größeren Sollwerten wird eine Puls/Perioden-Kombinationen gesucht, die die bestmögliche Annäherung an den Sollwert erreicht. Einfache analytische Methoden zur Berechnung sind nicht bekannt. Erfindungsgemäß wird nun ein optimierter Suchalgorithmus vorgeschlagen, der die besten Puls/Periode-Kombinationen für einen vorgegebenen Sollwert findet und so auch in Echtzeit durchführbar ist.The method according to the invention corresponds to small mean values up to 2 / counter resolution = 1 / half counter resolution of the PFM (pulse frequency modulation, pulse is always 1). For larger setpoints, a pulse / period combination is sought that achieves the best possible approximation to the setpoint. Simple analytical methods for the calculation are not known. According to the invention, an optimized search algorithm is proposed which finds the best pulse / period combinations for a given desired value and can thus be carried out in real time.

Der normierte Mittelwert eines Pulsmusters, charakterisiert durch das Wertepaar (Pulsdauer, Periodendauer) entspricht dem Quotienten Pulsdauer/Periodendauer, der auch als Tastverhältnis bezeichnet wird. Für einen beliebigen einzustellenden normierten Mittelwert S (mit 0 < S < 1) gilt:

Figure 00090001
The normalized mean value of a pulse pattern, characterized by the value pair (pulse duration, period duration) corresponds to the quotient pulse duration / period duration, which is also referred to as duty cycle. For any normalized mean value S (with 0 <S <1) to be set, the following applies:
Figure 00090001

Für den Fehler, d. h. die Abweichung des eingestellten Tastverhältnisses vom geforderten Sollwert, gilt allgemein:

Figure 00090002
For the error, ie the deviation of the set duty cycle from the required setpoint, generally applies:
Figure 00090002

Je größer nun die mögliche Auswahl an Quotienten, desto genauer ist der geforderten Mittelwert S einstellbar. Bei der Pulsweitenmodulation gibt es genau 2Zählerbit mögliche Quotienten, da nur der Zähler variiert wird. Variiert man nicht nur – wie bei Pulsweitenmodulation – die Pulsdauer, sondern auch die Periodendauer, so kann man zusätzlich viele Zwischenwerte erzeugen. Dies ist die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens.The larger the possible selection of quotients, the more precisely the required mean value S can be set. In pulse width modulation, there are exactly 2 counter bits possible quotients, since only the counter is varied. If one not only varies the pulse duration, as with pulse width modulation, but also the period, one can additionally generate many intermediate values. This is the basic idea of the method according to the invention.

Um den ”optimalen” Quotienten aus der Vielzahl möglicher Quotienten zu finden, wird dasjenige Wertepaar aus Pulsdauer und Periodendauer bestimmt, bei dem ΔS minimal ist. Da zu diesem Problem keine einfache analytische Lösung bekannt ist, müssen hierzu alle Quotienten und ihre Differenz zum Sollwert

Figure 00100001
berechnet und der minimale bestimmt werden. Nur Wertepaare für Quotienten aus Pulsdauer und Periodendauer, die durch Kürzen/Erweitern aus bereits berechneten abgeleitet sind, brauchen dabei nicht betrachtet zu werden, da sie demselben Wert entsprechen.In order to find the "optimal" quotient of the multiplicity of possible quotients, the value pair of pulse duration and period duration is determined in which ΔS is minimal. Since no simple analytical solution is known about this problem, all quotients and their difference from the setpoint must be used
Figure 00100001
calculated and the minimum will be determined. Only value pairs for quotients of pulse duration and period duration, which are derived by shortening / expanding from already calculated ones, need not be considered, since they correspond to the same value.

Das erfindungsgemäße Verfahren berechnet nicht den Fehler ΔS, sondern den Wert Pulsdauerfractional als Maß für den Fehler: Pulsdauer = S·TI = PD + Pulsdauerfractional, wobei TI ein ganzzahliger Wert ist, der repräsentativ für die Periodendauern des Spannungswandlers ist, und PD für den ganzzahligen Anteil der Pulsdauer steht, und Pulsdauerfractional ein Wert, der dem bewertetem Nachkommaanteil des Ergebnisses entspricht. Bewertet deswegen, da immer der kleinste Abstand zur nächsten ganzen Zahl betrachtet wird. Pulsdauerfractional entspricht also dem Rundungsfehler, den man machen würde, wenn das Ergebnis PG zu einer ganzen Zahl PD gerundet würde.The method according to the invention does not calculate the error ΔS but the value pulse duration fractional as a measure of the error: pulse duration = S * T I = P D + pulse duration fractional , where T I is an integer value which is representative of the period lengths of the voltage converter, and P D stands for the integer part of the pulse duration, and pulse duration fractional is a value which corresponds to the rated decimal part of the result. Rated because it always considers the smallest distance to the next integer. Pulse duration fractional thus corresponds to the rounding error which one would make if the result P G were rounded to an integer number P D.

Bei einem 8-Bit Mikrocontroller entsprechen die höheren 8 Bit des Produkts S·TI der ganzzahligen Pulsdauer PD, die folgenden der Pulsdauerfractional. In einer bevorzugten Ausführungsform hat S eine Auflösung von 16 Bit, damit ist Pulsdauerfractional ebenfalls 16 Bit lang. Es werden alle 16 Bit zur im Folgenden beschriebenen Minimum-Suche der Differenz zum Sollwert ΔS verwendet.For an 8-bit microcontroller, the higher 8 bits of the product S · T I correspond to the integer pulse duration P D , the following to the pulse duration fractional . In a preferred embodiment, S has a resolution of 16 bits, so pulse width fractional is also 16 bits long. All 16 bits are used for the minimum search of the difference to the setpoint ΔS described below.

Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht folgendermaßen aus: Rechnung Erläuterung TI,OPT = 2Zählerbit; TI = 2Zählerbit Pulsdauerfractional,MIN = fractional(S·TI) PD,OPT = Int(S·TI) Berechnung der Startwerte für den Suchalgorithmus (beginnend mit maximaler Periodendauer) REPEAT TI = TI – 1 PG = S·TI Pulsdauerfractional,MIN = fractional(S·TI) Schleife: Bei jedem Schritt wird die Periodendauer um 1 reduziert und der Fractional Teil berechnet IF Pulsdauerfractional < Pulsdauerfractional,MIN: Pulsdauerfractional,MIN = Pulsdauerfractional PD,OPT = INT(S·TI) TI,OPT = TI ENDIF Ist der neue Fractional-Teil kleiner als der bisher gefundene, so wird dieser als neuer Referenzwert gespeichert. Das zugehörige Werte-Paar (Pulsdauer/Periodendauer) wird als neues Optimum gespeichert UNTIL TI = 2Zählerbit/2 + 1 Die Werte von Quotienten mit Periodendauer <= 2Zählerbit/2 entsprechend denjenigen, die um 2 erweitert sind. The embodiment of the method according to the invention is as follows: bill explanation T I, OPT = 2 counter bits ; T I = 2 counter bit pulse duration fractional, MIN = fractional (S * T I ) P D, OPT = Int (S * T I ) Calculation of the start values for the search algorithm (starting with maximum period duration) REPEAT T I = T I -1 P G = S * T I pulse duration fractional, MIN = fractional (S * T I ) Loop: At each step, the period is reduced by 1 and the fractional part is calculated IF pulse duration fractional <pulse duration fractional, MIN : pulse duration fractional, MIN = pulse duration fractional P D, OPT = INT (S · T I ) T I, OPT = T I ENDIF If the new fractional part is smaller than the previously found one, it will be saved as a new reference value. The associated value pair (pulse duration / period duration) is saved as a new optimum UNTIL T I = 2 counter bits / 2 + 1 The values of quotients with period <= 2 counter bits / 2 corresponding to those extended by 2.

In dieser Tabelle ist das erfindungsgemäße Verfahren abgebildet, wie es auch aus dem Flussdiagramm der 1 zu entnehmen ist. Es wird bei der größten Periodendauer TPDMax begonnen, die TI = 2Zählerbit entspricht. Die Periodendauer TI ist eine ganzzahlige Periodendauer, sie ist also die größte binär darstellbare Periodendauer. Bei einem Mikrocontroller mit 8-Bit Zähler ist dies 28 = 256. Die 256 steht für eine reale Periodendauer TPDMax, die von verschiedenen Faktoren wie z. B. der Taktfrequenz des verwendeten Mikrocontrollers abhängt. Die PulsdauerFractional ist der bewertete Nachkommaanteil der Pulsdauer und ist damit ein Maß für den oben genannten Fehler ΔS. Der Vorkommaanteil der Pulsdauer ist der Integer Wert PD. Die PulsdauerFractional,MIN ist der kleinste bewertete Nachkommaanteil der Pulsdauer und repräsentiert damit die Puls/Periode-Kombination, welche dem Sollwert am nächsten kommt. Der erfindungsgemäße Algorithmus basiert auf der Erkenntnis, dass die gesuchte optimierte Puls/Periode-Kombination dann gefunden ist, wenn der Nachkommaanteil der Multiplikation des Sollwertes S mit der ganzzahligen Periodendauer TI möglichst klein wird. Der Vorkommaanteil dieses Ergebnisses entspricht dann der ganzzahligen Pulsdauer PD. Die in der Multiplikation verwendete ganzzahlige Periodendauer TI ist die für die optimale Puls/Periode-Kombination gesuchte Periodendauer. In einer Schleife werden nun für alle ganzzahligen Periodendauern TI von 2Zählerbit bis 2Zählerbit/2 + 1 die Produkte aus ebendiesen Periodendauern und dem Sollwert S berechnet. Der kleinste bewertete Nachkommaanteil d. h. der Nachkommaanteil mit dem kleinsten Unterschied zur nächsten ganzzahligen Zahl wird ermittelt, und die Pulsdauer PD aus dem Vorkommaanteil sowie die ganzzahlige Periodendauer TI abgespeichert. Diese beiden Werte werden dann für die nächste Periode des Spannungswandlers verwendet. Die ganzzahlige Periodendauer TI entspricht dabei einer realen Periodendauer TPD des Spannungswandlers.In this table, the inventive method is shown, as well as from the flowchart of 1 can be seen. It is started at the largest period T PDMax , which corresponds to T I = 2 counter bit . The period T I is an integer period, so it is the largest binary displayable period. For a microcontroller with 8-bit counter this is 2 8 = 256. The 256 stands for a real period T PDMax , which depends on various factors such. B. the clock frequency of the microcontroller used depends. The pulse duration Fractional is the weighted decimal part of the pulse duration and is thus a measure of the abovementioned error ΔS. The pre-comma part of the pulse duration is the integer value P D. The pulse duration Fractional, MIN is the smallest evaluated decimal part of the pulse duration and thus represents the pulse / period combination which comes closest to the setpoint. The inventive algorithm is based on the knowledge that the sought optimized pulse / period combination is found when the fractional part of the multiplication of the setpoint S with the integer period T I is as small as possible. The fraction of this result then corresponds to the integer pulse duration P D. The integer period T I used in the multiplication is the period required for the optimal pulse / period combination. In a loop, the products of the same period lengths and the setpoint value S are calculated for all integer period lengths T I from 2 counter bits to 2 counter bits / 2 + 1. The smallest evaluated decimal part, ie the decimal part with the smallest difference to the next integer number is determined, and the pulse duration P D from the Vorkommaanteil and the integer period T I stored. These two values are then used for the next period of the voltage converter. The integer period T I corresponds to a real period T PD of the voltage converter.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wichtig zu wissen dass sich bei Periodendauern kleiner 2Zählerbit/2 + 1 nur Quotienten mit bereits berechnetem Wert finden (bei demjenigen. mit Erweiterung um 2). Sie brauchen deshalb nicht berechnet werden. Auch bei Periodendauern größer als 2Zählerbit/2 + 1 können Quotienten mit bereits berechnetem Wert auftreten, aber es wäre aufwändiger, diese Doppelberechung zu erkennen als sie in der Schleifenberechnung zu berücksichtigen.For the method according to the invention, it is important to know that, for period lengths less than 2 counter bits / 2 + 1, only quotients with an already calculated value are found (for the one with an extension of 2). They therefore do not need to be calculated. Even with periods longer than 2 meter bits / 2 + 1 quotients with already calculated value can occur, but it would be more expensive to recognize this double calculation than to consider them in the loop calculation.

Die 2 zeigt eine Tabelle mit allen möglichen Puls/Periode-Kombinationen für ein erfindungsgemäßes Verfahren, welches mit 4-Bit Zählern ausgeführt wird. In den Zeilen sind die ganzzahligen Pulslängen aufgetragen, in den Spalten die ganzzahligen Periodenlängen.The 2 shows a table with all possible pulse / period combinations for a method according to the invention, which is carried out with 4-bit counters. In the rows the integer pulse lengths are plotted, in the columns the integer period lengths.

Wie im Betrieb die optimalen Puls/Perioden-Kombination zur Einstellung eines geforderten Sollwerts bestimmt wird, verdeutlicht die untenstehende Tabelle am Beispiel von 0,5800 als gefordertem Sollwert. Der Algorithmus beginnt mit der größten ganzzahligen Periode TI = 16.How the optimum pulse / period combination is set in operation for setting a required setpoint is illustrated in the table below using 0.5800 as the required setpoint. The algorithm starts with the largest integer period T I = 16.

Die Tabelle zeigt außerdem, dass nicht alle möglichen Puls/Perioden-Kombination berechnet werden müssen:

Figure 00130001
The table also shows that not all possible pulse / period combinations have to be calculated:
Figure 00130001

Auch bei der Reduzierung der Anzahl der berechneten Quotienten gemäß obenstehender Tabelle wird der Rechenaufwand zur Bestimmung der optimalen Puls/Perioden-Kombination bei den meisten Anwendungen zu groß sein. Im Folgenden wird deshalb ein Algorithmus vorgestellt, der mit deutlich geringerem Aufwand meist zum gleichen Ergebnis führt. Jedoch bleibt auch in den wenigen Fällen, in denen nur eine suboptimale Puls/Perioden-Kombination gefunden wird, die Differenz zwischen gefordertem Sollwert und Quotient klein.Even with the reduction of the number of calculated quotients according to the table above, the computational effort to determine the optimal pulse / period combination will be too large in most applications. In the following, therefore, an algorithm is presented which usually leads to the same result with much less effort. However, even in the few cases where only a suboptimal pulse / period combination is found, the difference between the required set point and the quotient remains small.

Im ersten Schritt wird die Multiplikation des Sollwertes S mit der größten ganzzahligen Periode TI = 16 durchgeführt. Es wird geprüft, ob der Nachkommastellenanteil des Ergebnisses zur nächsten ganzen Zahl am kleinsten ist. Da dies die erste Berechnung ist, ist dies so. Daher werden die Periodendauer 16 und die Pulsdauer 9 abgespeichert. Die Pulsdauer 9 ist der Vorkommastellenanteil des Ergebnisses 9,28 der Multiplikation. Dies entspricht der ersten Zeile der Tabelle. Die Puls/Perioden-Kombination führt zu einem Wert von 0,5625, welcher schon recht nahe am Sollwert 0,58 ist.In the first step, the multiplication of the setpoint value S with the largest integer period T I = 16 is performed. It is checked whether the fractional part of the result is the smallest to the nearest integer. Since this is the first calculation, so it is. Therefore, the period 16 and the pulse duration 9 are stored. The pulse duration 9 is the fractional part of the result of the multiplication 9,28. This corresponds to the first line of the table. The pulse / period combination leads to a value of 0.5625, which is already quite close to the setpoint 0.58.

Im nächsten Schritt wird die Berechnung mit einer um eins reduzierten Periodendauer von 15 getätigt. Da der Nachkommastellenanteil 0,7 mit dreißig hundertstel (8,7 => 9) größer ist als der bisher abgespeicherte Wert von achtundzwanzig hundertstel (9,28 => 9), wird diese Kombination verworfen. Dies entspricht der zweiten Zeile der Tabelle.In the next step, the calculation is made with a period of 15 reduced by one. Since the fractional part 0.7 with thirty hundredths (8.7 => 9) is greater than the previously stored value of twenty-eight hundredths (9.28 => 9), this combination is discarded. This corresponds to the second line of the table.

Im dritten Schritt, entsprechend der dritten Zeile der Tabelle, ist das Ergebnis des Nachkommastellenanteils mit zwölf hundertstel kleiner als das bisher abgespeicherte. Es wird also nun der Wert 14 als Periodendauer und der Wert 8 als Pulsdauer abgespeichert.In the third step, corresponding to the third row of the table, the result of the fractional part of the twelve hundredths less than the previously stored. Thus, the value 14 is now stored as the period duration and the value 8 as the pulse duration.

Im vierten Schritt, entsprechend der vierten Zeile der Tabelle ist das Ergebnis des Nachkommastellenanteils viel größer, daher wird nichts gespeichert und diese Kombination verworfen.In the fourth step, corresponding to the fourth row of the table, the result of the fractional part of the fraction is much larger, therefore nothing is stored and this combination is discarded.

Im fünften Schritt ist das Ergebnis des Nachkommastellenanteils mit vier hundertstel (6,96 => 7) bisher am kleinsten. Es wird also nun der Wert 12 als Periodendauer und der Wert 7 als Pulsdauer abgespeichert.In the fifth step, the result of the fractional part with four hundredths (6.96 => 7) is the smallest so far. Thus, the value 12 is now stored as the period duration and the value 7 as the pulse duration.

Der sechste, siebte und achte Schritt bringen wieder größere Werte des Nachkommastellenanteils, daher bleibt es bei den Werten aus Schritt fünf. Die Kombinationen werden verworfen. Am Ende der Schleife bleiben die Werte aus Schritt fünf, also 12 als Periodendauer und 7 als Pulsdauer als optimale Werte für den Sollwert von 0,5800.The sixth, seventh and eighth step again bring larger values of the fractional part of the decimal point, so it remains at the values from step five. The combinations are discarded. At the end of the loop, the values from step five, that is 12 as the period duration and 7 as the pulse duration, remain as optimal values for the setpoint of 0.5800.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann also einfach die optimale Puls/Perioden-Kombination gefunden werden. Da dies sehr schnell berechenbar ist, kann das Verfahren auch mit einfachen und Leistungsschwachen Mikrocontrollern in Echtzeit für jede Periode des Spannungswandlers durchgeführt werden. Es wird also für jede Periode des Spannungswandlers die dem Sollwert entsprechende optimale Puls/Perioden-Kombination berechnet.With this method according to the invention, therefore, it is easy to find the optimum pulse / period combination. Since this can be calculated very quickly, the method can also be performed with simple and low-power microcontrollers in real time for each period of the voltage converter. Thus, for each period of the voltage converter, the optimum pulse / period combination corresponding to the desired value is calculated.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

  • SS
    Sollwertsetpoint
    ΔS.DELTA.S
    Differenz zum Sollwert, FehlerwertDifference to setpoint, error value
    TI T I
    Verschiedene mögliche ganzzahlige Werte, repräsentativ für die Periodendauern TPD des SpannungswandlersVarious possible integer values, representative of the period lengths T PD of the voltage converter
    TI,OPT T I, OPT
    ganzzahliger Wert, repräsentativ für die optimale Periodendauerinteger value, representative of the optimal period
    TPD T PD
    Periodendauer des SpannungswandlersPeriod of the voltage transformer
    PD P D
    Nächster ganzzahliger Wert zum Ergebnis der Multiplikationen UOS·TB; ganzzahligen PulsdauerNext integer value to the result of the multiplications U OS · T B ; integer pulse duration
    PD,OPT P D, OPT
    optimale ganzzahlige Pulsdaueroptimal integer pulse duration

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • DIN EN 60929 [0030] DIN EN 60929 [0030]

Claims (7)

Verfahren zur digitalen Steuerung eines Spannungswandlers mittels einer in der Frequenz verstellbaren Pulsweitenmodulation mit folgenden Schritten: a) Auswahl einer Puls/Periode-Kombination aus einer endlichen Anzahl an Puls/Periode-Kombinationen, deren Tastverhältnis die geringste Abweichung zu einem Soll-Tastverhältnis (S) aufweist, b) Verwendung dieser Puls/Periode-Kombination als Steuergröße bis zur nächsten Sollwertänderung.Method for the digital control of a voltage converter by means of a frequency-adjustable pulse width modulation with the following steps: a) selecting a pulse / period combination from a finite number of pulse / period combinations whose duty cycle has the smallest deviation from a desired duty cycle (S), b) Use of this pulse / period combination as a control variable until the next setpoint change. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Schritte, die vor dem Schritt a) ausgeführt werden: – Berechnung des Soll-Tastverhältnisses (S) aus einem gegebenen Sollwert, – Berechnung mehrerer Puls/Periode-Kombinationen, die verschiedene Tastverhältnisse repräsentieren.A method according to claim 1, characterized by the following additional steps, before the step a) are carried out: Calculation of the target duty cycle (S) from a given setpoint, - Calculation of multiple pulse / period combinations representing different duty cycles. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 mit folgenden Schritten: – Multiplizieren des Soll-Tastverhältnisses (S) mit verschiedenen möglichen ganzzahligen Werten (TI), die repräsentativ für mögliche Periodendauern (TPD) des Spannungswandlers sind, – Berechnung von Abweichungen der Ergebnisse (PG) der Multiplikationen PG = S·TI zum nächsten ganzzahligen Wert (PD), – Speichern des ganzzahligen Wertes (TI,OPT) als repräsentativen Wert für die Periodendauer der nächsten Periode (TPD), der als Ergebnis (PG) der Multiplikation PG = S·TI mit dem Sollwert die geringste Abweichung des Ergebnisses zum nächsten ganzzahligen Wert (PD) aufweist, – Speichern des nächsten ganzzahligen Wertes (PD,OPT) der vorigen Berechnung als Pulsdauer der nächsten Periode.Method according to claim 1 or 2, comprising the following steps: - multiplying the desired duty cycle (S) by various possible integer values (T I ) which are representative of possible duration periods (T PD ) of the voltage converter, - calculating deviations of the results (P G ) of the multiplications P G = S * T I to the next integer value (P D ), - storing the integer value (T I, OPT ) as a representative value for the period of the next period (T PD ), which as a result (P G ) of the multiplication P G = S * T I with the setpoint having the least deviation of the result from the next integer value (P D ), - storing the next integer value (P D, OPT ) of the previous calculation as the pulse duration of the next period. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Tastverhältnis S aus dem gegebenen Sollwert berechnet wird.A method according to claim 3, characterized in that the desired duty cycle S is calculated from the given setpoint value. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert aus einer relevanten Ausgangsgröße des Spannungswandlers berechnet wird.A method according to claim 4, characterized in that the desired value is calculated from a relevant output of the voltage converter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sollwert S genau eine Periodendauer zugeordnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that each setpoint S exactly one period is assigned. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sollwert S genau eine Pulsdauer zugeordnet wird.A method according to claim 6, characterized in that each setpoint S exactly one pulse duration is assigned.
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