DE102013204844B4

DE102013204844B4 - Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals mit zufällig variierender Periodendauer

Info

Publication number: DE102013204844B4
Application number: DE102013204844.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Heller; Thomas Trumpp; Josef Wagenhuber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: DE102013204844A1; DE102013204844A9

Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals (s) zur Ansteuerung eines elektromotorischen Antriebs, wobei basierend auf einer für den Tastgrad oder die Pulsdauer charakteristischen Vorgabe (TG) und einem Zufallszahlen-Signal (x) ein pulsweitenmoduliertes Signal (s) mit zufällig variierender Periodendauer (T) erzeugt wird, wobei die zufällige Variation der Periodendauer auf einen vorgegebenen Bereich begrenzt ist, wobei das pulsweitenmodulierte Signal (sPWM) spektral ausgewertet wird, eine untere Grundfrequenzgrenze (fmin) des pulsweitenmodulierten Signals in Abhängigkeit hiervon verändert wird, wobei eine lineare Ausgleichgerade (40) bestimmt wird, die den Verlauf des pulsweitenmodulierten Signals (sPWM) in einem gewissen Frequenzbereich approximiert, und die untere Grundfrequenzgrenze (fmin) mittels einer aktiven Regelung in Abhängigkeit der linearen Ausgleichgerade verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals.
In Kraftfahrzeugen werden als Aktoren häufig elektrische Antriebe mit Elektromotor verwendet, beispielsweise für einen elektrisch betätigten Fensterheber oder für eine elektrisch betätigte Heckklappe.
Diese elektrischen Antriebe werden typischerweise über ein Ansteuersignal mit Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert. Bei der Pulsweitenmodulation werden periodische Pulse erzeugt, wobei das Verhältnis der Pulsdauer zur Periodendauer zur Steuerung der Leistung des elektrischen Antriebs verwendet wird. Dieses Verhältnis wird auch als Tastgrad bezeichnet. Durch Veränderung des Tastgrads kann die Leistungsaufnahme des angesteuerten elektrischen Antriebs variiert werden. Die Periodendauer oder die Grundfrequenz (d. h. der Kehrwert der Periodendauer) des pulsweitenmodulierten Signals (kurz: PWM-Signals) bleibt dabei typischerweise konstant.
Wenn in einem Kraftfahrzeug das ansteuernde Element, beispielsweise ein elektronisches Steuergerät, und der elektrische Antrieb über eine längere elektrische Leitung verbunden sind, können durch ein regelmäßiges, periodisches PWM-Signal Störungen ausgesandt werden (beispielsweise durch Abstrahlung), die andere Systeme im Kraftfahrzeug (beispielsweise ein Audiosystem o.ä.) beeinträchtigen können.
Das Spektrum dieser Störungen entspricht dem Spektrum des PWM-Signals und konzentriert sich auf die Grundfrequenz des PWM-Signals und die zugehörigen Harmonischen dieser Grundfrequenz.
Zum weiteren Stand der Technik wird auf die DE 10 2006 018 980 A1 , DE 10 2007 055 718 A1 und DE 10 2009 049 055 A1 verwiesen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes PWM-Signal zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs in einem Kraftfahrzeug zu erzeugen, welches einen geringeren Störeinfluss auf andere Systeme im Fahrzeug als ein konventionelles PWM-Signal ausübt.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines PWM-Signals zur Ansteuerung eines elektromotorischen Antriebs. Hierbei wird basierend auf einer für den Tastgrad oder die Pulsdauer charakteristischen Vorgabe und auf einem Zufallszahlen-Signal ein PWM-Signal mit zufällig variierender Periodendauer erzeugt. Die zufällige Variation der Periodendauer ist hierbei nicht beliebig groß, sondern auf einen vorgegebenen Bereich begrenzt. Zur Begrenzung kann im Frequenzbereich ein Frequenzfenster vorgegeben werden, beispielsweise durch Angabe einer unteren Grundfrequenzgrenze und einer oberen Grundfrequenzgrenze für die Grundfrequenz oder durch Angabe einer Mittenfrequenz des Fensters und eine Frequenzbreite des Fensters. Zur Begrenzung des Bereichs der Periodendauer kann alternativ im Zeitbereich ein Zeitbereichsfenster für die Periodendauer vorgegeben werden.
Statt einer regelmäßig periodischen Pulsweitenmodulation wird erfindungsgemäß eine stochastische Pulsweitenmodulation mit einer in einem bestimmten Bereich zufällig variierender Periodendauer unter Verwendung eines Zufallszahlen-Signals vorgeschlagen. Dadurch dass die Periodendauer nicht konstant ist, sondern zufällig in einem bestimmten Bereich variiert, wird das Spektrum des PWM-Signals so geformt, dass das Spektrum des PWM-Signals und damit das Spektrum der Störungen aus Sicht anderer Systeme gespreizt wird. Die hohe Signalintensität eines konventionellen PWM-Signals bei der Grundfrequenz wird auf ein gewisses Frequenzband bei insgesamt deutlich kleinerem Störniveau verteilt. Die Breite des Frequenzbandes lässt sich vorzugsweise einstellen und hängt von dem Bereich ab, in dem die Periodendauer und damit auch die Grundfrequenz als Kehrwert der Periodendauer variiert werden. Die Breite des Frequenzbandes entspricht in sehr grober Näherung ungefähr dem Frequenzfenster, in dem die Grundfrequenz variiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es also, das Störspektrum abzuflachen und die ausgesandte Störleistung im Wesentlichen auf ein gewisses Frequenzband zu verteilen, welches von dem vorgegebenen Variationsbereich der Periodendauer abhängt.
Da bei einem derartig erzeugten PWM-Signal die hohen Störspitzen im ausgesandten Spektrum wegfallen, kann beispielsweise die Abschirmung einer Leitung zwischen dem ansteuernden Steuergerät und dem elektrischen Antrieb einspart oder zumindest reduziert werden. Hierdurch werden die Kosten der Leitung reduziert.
Das Zufallszahlen-Signal kann mittels eines nicht-deterministischen oder mittels eines deterministischen Zufallszahlengenerators erzeugt werden; im letztgenannten Fall handelt es sich bei dem Zufallszahlen-Signal um ein sogenanntes Pseudozufallszahlen-Signal.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird zur Erzeugung des pulsweitenmodulierten Signals ein die Periodendauer vorgebendes Periodendauer-Signal in Abhängigkeit des Zufallszahlen-Signals bestimmt. Bei dem Periodendauer-Signal handelt es sich beispielsweise um eine Folge von Werten, die die zeitlich schwankende Periodendauer des PWM-Signals in Relation zu einer Taktperiode angeben. Der Wert 13 bedeutet beispielsweise, dass die Periodendauer dem 13-fachen der Taktperiode entspricht. Das Periodendauer-Signal wird vorzugsweise von einem Umsetzer entgegengenommen, der in Abhängigkeit des zeitlich variierenden Periodendauer-Signals und einer Pulsdauervorgabe oder einer Tastgradvorgabe ein PWM-Signal erzeugt. Derartige Umsetzer, die typischerweise mittels eines Zählers aus einer Periodendauervorgabe und einer Pulsdauervorgabe ein PWM-Signal mit der entsprechenden Periodendauer und der entsprechenden Pulsdauer erzeugen, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Das Zufallszahlen-Signal ist vorzugsweise ein in einem bestimmten Intervall gleichverteiltes Zufallszahlen-Signal; beispielsweise ein gleichverteiltes Zufallszahlen-Signal mit einem Wertebereich von 0 bis 1. Zur Bestimmung des Periodendauer-Signals wird der Kehrwert eines von dem Zufallszahlen-Signal abhängigen gleichverteilten Signals oder der Kehrwert des Zufallszahlen-Signals oder ein beliebiges Vielfaches eines solchen Kehrwerts bestimmt. Beispielsweise wird der Kehrwert des von dem gleichverteilten Zufallszahlen-Signal x abhängigen Signals f $f = f_{m i n} + (f_{m a x} - f_{m i n}) \cdot x$
bestimmt, wobei f_min eine vorgegebene untere Grundfrequenzgrenze und fmax eine vorgegebene obere Grundfrequenzgrenze bezeichnen. Die Werte des Signals f entsprechen der Grundfrequenz des resultierenden PWM-Signals.
Durch die Kehrwertbildung wird die Gleichverteilung in eine andere Wahrscheinlichkeitsverteilung mit 1/x-Charakteristik modifiziert, wobei diese Wahrscheinlichkeitsverteilung bewirkt, dass das resultierende Spektrum des PWM-Signals in einem betrachten Frequenzbereich (beispielsweise von 50 kHz bis 200 kHz) bei gleichzeitig geringerer Maximalamplitude gleichmäßiger im Vergleich zu der Situation ohne Kehrwertbildung verteilt ist.
Vorzugsweise wird zur Bestimmung des Periodendauer-Signals ein die Grundfrequenz vorgebendes Grundfrequenz-Signal in Abhängigkeit des Zufallszahlen-Signals bestimmt. Das Grundfrequenz-Signal f kann beispielsweise aus einer vorgegebenen unteren Grundfrequenzgrenze fmin, einer vorgegebenen oberen Grundfrequenzgrenze fmax und dem Zufallszahlen-Signal x bestimmt werden, beispielsweise gemäß folgender Beziehung: $f = f_{m i n} + (f_{m a x} - f_{m i n}) \cdot x .$
In diesem Fall handelt es sich bei dem Zufallszahlen-Signal x um ein Signal mit einem Wertebereich von 0 bis 1. Je nach Wert des Zufallszahlen-Signals x kann die Grundfrequenz f einen zufälligen Wert in dem Frequenzfenster zwischen der unteren Grundfrequenzgrenze fmin und der oberen Grundfrequenzgrenze fmax annehmen.
Das Periodendauer-Signal wird durch eine Kehrwertbildung des Grundfrequenz-Signals oder eines davon abhängigen Signals bestimmt, beispielsweise in folgender Form: $T_{P} = \frac{1}{f} .$
Beispielsweise wird das zeitlich variierende Periodendauer-Signal gemäß folgender Beziehung bestimmt: $T_{P} = \frac{1}{f_{m i n} + (f_{m a x} - f_{m i n}) \cdot x} .$
Es ist von Vorteil, wenn der Bereich, auf den die Variation der Periodendauer begrenzt ist, variabel ist. Beispielsweise kann ein variables Fenster für die Grundfrequenz vorgegeben werden, welches adaptiv zur Optimierung des Spektrums des PWM-Signals im Hinblick auf eine möglichst geringe Störabstrahlung angepasst werden kann.
Es ist vorgesehen, dass das PWM-Signal im Rahmen einer spektralen Analyse ausgewertet wird und die untere Grundfrequenzgrenze des PWM-Signals verändert wird, um das Spektrum des PWM-Signals im Hinblick auf eine möglichst geringe Störabstrahlung zu optimieren. Hierzu wird im Rahmen der spektralen Auswertung des PWM-Signals eine lineare Ausgleichgerade im Frequenzbereich bestimmt, die den Verlauf des PWM-Signals in einem gewissen Frequenzbereich (beispielsweise von der unteren Grundfrequenzgrenze bis zur oberen Grundfrequenzgrenze) approximiert, wobei die untere Grundfrequenzgrenze in Abhängigkeit der linearen Ausgleichgerade geregelt wird. Es ist von Vorteil, wenn hierzu der Abstand der Ausgleichsgerade zu einem Referenzwert bei der unteren Grundfrequenzgrenze bestimmt wird und der Abstand der Ausgleichsgerade zu einem Referenzwert bei einer oberen Grundfrequenzgrenze bestimmt wird. Bei den beiden Referenzwerten kann es sich um Punkte auf einer Referenzgerade handeln, die beispielsweise parallel zur Frequenzachse verläuft (d. h. die Steigung ist null). Die Referenzwerte sind dann gleich groß. Die untere Grundfrequenzgrenze wird in Abhängigkeit der Abstände verändert.
Beispielsweise wird die untere Grundfrequenzgrenze im Fall einer Ausgleichsgerade mit negativer Steigung erhöht (d.h. die Obergrenze der Periodendauer wird verringert), beispielsweise wenn der Abstand d zwischen der Ausgleichsgerade und dem Referenzwert bei der unteren Grundfrequenzgrenze größer als der Abstand d zwischen der Ausgleichsgerade und dem Referenzwert bei der oberen Grundfrequenzgrenze ist.
Ein zweiter Aspekt betrifft einen elektronischen Signalgenerator zur Erzeugung eines PWM-Signals zur Ansteuerung eines elektromotorischen Antriebs. Der elektronische Signalgenerator ist eingerichtet, basierend auf einer für den Tastgrad oder die Pulsdauer charakteristischen Vorgabe und einem Zufallszahlen-Signal ein pulsweitenmoduliertes Signal mit zufällig variierender Periodendauer zu erzeugen, wobei die zufällige Variation der Periodendauer auf einen vorgegebenen Bereich begrenzt ist.
Vorzugsweise umfasst der Signalgenerator einen ersten Funktionsblock, welches basierend auf dem Zufallszahlen-Signal ein für die Periodendauercharakteristisches Periodendauer-Signal erzeugt. Ferner ist ein zweiter Funktionsblock vorhanden, der als Umsetzer fungiert und basierend auf dem Periodendauer-Signal und einer Tastgradvorgabe (oder einer Periodendauervorgabe) ein PWM-Signal erzeugt.
Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für den erfindungsgemäßen Signalgenerator nach dem zweiten Aspekt der Erfindung. An dieser Stelle nicht explizit beschriebene vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Signalgenerators entsprechen den beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In diesen zeigen:

1 ein beispielhaftes konventionelles PWM-Signal;
2 ein beispielhaftes Spektrum eines konventionellen PWM-Signals;
3 ein Ausführungsbeispiel zur Berechnung des PWM-Signals;
4 ein Beispiel für die Sample-Zeit t_s , die Pulsdauer T_d und die Periodendauer T_p;
5 einen beispielhaften Zeitverlauf eines erfindungsgemäßen PWM-Signals;
6 ein beispielhaftes Spektrum eines erfindungsgemäßen PWM-Signals;
7 ein beispielhaftes Spektrum eines erfindungsgemäßen PWM-Signals im Vergleich zu einem Spektrum eines konventionellen PWM-Signals;
8 ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel zur Regelung der unteren Grundfrequenzgrenze;
9 eine beispielhafte Ausgleichsgerade im Spektrum des PWM-Signals;
10 ein beispielhaftes Spektrum eines PWM-Signals ohne Regelung der unteren Grundfrequenzgrenze; und
11 ein beispielhaftes Spektrum eines PWM-Signals mit Regelung der unteren Grundfrequenzgrenze.

1 zeigt den Zeitverlauf eines konventionellen PWM-Signals in Form einer periodischen Rechteckfolge mit einer Periodendauer T_P und einer Pulsdauer T_d.
2 zeigt das Spektrum der periodischen Rechteckfolge aus 1. Dieses umfasst einen Frequenzanteil bei 0 Hz (Gleichanteil), einen Frequenzanteil bei der Grundfrequenz f_G = 1/T_P und einen im Vergleich dazu reduzierten Frequenzanteil bei der Oberwelle 2/T_P. Bei der Frequenz 1/T_d liegt eine Nullstelle des Spektrums. Die gestrichelte Linie entspricht der Einhüllenden.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren basiert auf der Idee, bei gegebenem Tastgrad die Periodendauer T_P eines PWM-Signals innerhalb eines bestimmten Variationsbereichs unter Verwendung eines Zufallszahlen-Signals variabel zu gestalten. Dazu wird in dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel ein in einem bestimmten Bereich variierendes Periodendauer-Signal mittels einer Funktion aus einem Zufallszahlen-Signal berechnet. Diese Berechnung wird fortlaufend mit sich zeitlich änderndem Zufallszahlen-Signal durchgeführt, so dass ein stochastisches PWM-Signal erzeugt werden kann. Da die Periodendauer T_P in einem bestimmten Bereich variiert, wird der in 1 dargestellte Frequenzanteil bei 1/T_P über einen breiteren Frequenzbereich verteilt, so dass die Amplitude A sinkt; ähnliches gilt für die Oberwellen.
Da das PWM-Signal in einem bestimmten Frequenzfenster variiert werden soll, werden eine obere Grenze T_p,max der Periodendauer T_p oder eine untere Grenze fmin = 1/ T_p,max der Grundfrequenz und eine untere Grenze T_p,min der Periodendauer T_p bzw. eine obere Grenze fmax = 1/ T_p,min der Grundfrequenz vorgegeben. Ohne Begrenzung würde die Periodendauer des PWM-Signals im Bereich von 0 bis ∞ Sekunden variieren. Die Begrenzung der Periodendauer T_P des Zeitsignals bedeutet eine Begrenzung der Grundfrequenz f_G des PWM-Signals in Frequenzbereich zwischen fmin und fmax und umgekehrt.
Durch die Begrenzung können Spektralanteile mit hoher Leistungsdichte im Leistungsspektrum des ausgegebenen PWM-Signals in einem vorgegebenen Fenster gehalten werden, welches in grober Näherung dem Frequenzfenster fmin bis fmax der Grundfrequenz f_G entspricht.
3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Berechnung des PWM-Signals s_PWM . Hierzu ist ein Funktionsblock 10 zur Berechnung eines die Periodendauer T_P vorgebendes Signals s_Tp in Abhängigkeit eines Zufallszahlen-Signals x und ein Umsetzer 20 zur Erzeugung des PWM-Signals s_PWM in Abhängigkeit des die Periodendauer T_P vorgebenden Signals STp.
Bei dem Zufallszahlen-Signal x handelt es sich um ein gleichverteiltes Zufallssignal mit dem Wertebereich von 0 bis 1. Aus dem Zufallszahlen-Signal x, einer vorgegebenen unteren Grundfrequenzgrenze fmin und einer vorgegebenen oberen Grundfrequenzgrenze fmax wird ein variierendes Grundfrequenz-Signal f berechnet, welches die Grundfrequenz des PWM-Signals s_PWM vorgibt: $f = f_{m i n} + (f_{m a x} - f_{m i n}) \cdot x .$
Hierzu dienen der Subtraktionsblock 1, der Multiplikationsblock 2 und der Additionsblock 3. Je nach Wert des Zufallszahlen-Signals x kann die Grundfrequenz f einen zufälligen Wert in dem Frequenzfenster zwischen der unteren Grundfrequenzgrenze fmin und der oberen Grundfrequenzgrenze fmax annehmen.
Das Grundfrequenz-Signal f wird über den Multiplikationsblock 4 mit der sogenannten Sample-Zeit t_s multipliziert. Bei der Sample-Zeit t_s handelt es sich um den Kehrwert der Taktfrequenz 1/t_s des Umsetzers 20, der einen mit dieser Taktfrequenz 1/t_s arbeitenden Zähler umfasst. Die Taktfrequenz 1/t_s ist dabei größer gleich dem maximalen Frequenzwert aus dem Wertebereich des Grundfrequenz-Signals f. Das Ausgangssignal f·t_s des Multiplikationsblocks 4 gibt also die Grundfrequenz f in Relation zur Taktfrequenz 1/ts an.
In dem Block 5 wird der Kehrwert des Signals f·t_s bestimmt. Hierbei handelt es sich um eine Zeitangabe in Relation zur Sample-Zeit t_s .
Durch die Kehrwertbildung wird die Gleichverteilung des stochastischen Grundfrequenz-Signals f in eine andere Wahrscheinlichkeitsverteilung modifiziert, wobei diese Wahrscheinlichkeitsverteilung bewirkt, dass das resultierende Spektrum des PWM-Signals in einem betrachten Frequenzbereich (beispielsweise von 50 kHz bis 200 kHz) bei gleichzeitig geringerer Maximalamplitude gleichmäßiger im Vergleich zu der Situation ohne Kehrwertbildung verteilt ist.
Das Ergebnis wird in dem Block 6 auf eine ganze Zahl gerundet. Das resultierende Signal s_Tp gibt die Periodendauer T_p als Vielfaches der Sample-Zeit t_S wieder, d. h. $T_{P} = s_{T p} \cdot t_{s}$
Mit dem eingestellten Tastgrad TG und der Periodendauerangabe am Ausgang des Blocks 5 wird eine Pulsdauervorgabe s_Td berechnet. Die Pulsdauervorgabe s_Td gibt die Pulsdauer T_d als Vielfaches der Sample-Zeit t_s wieder. Hierzu wird über den Multiplikationsblock 7 der Tastgrad TG mit dem Ausgangssignal des Blocks 5 multipliziert und in dem Block 8 auf eine ganze Zahl gerundet.
In 4 ist ein beispielhafter Zeitverlauf des PWM-Signals s_PWM zu einem bestimmten Zeitpunkt dargestellt. Die Periodendauer T_P entspricht zu diesem Zeitpunkt dem 10-fachen der Sample-Zeit t_s , d. h. s_Tp = 10. Die Pulsdauer entspricht zu diesem Zeitpunkt dem 5-fachen der Sample-Zeit t_s , d. h. s_Td = 5.
In 5 ist ein beispielhafter Zeitverlauf des PWM-Signals s_PWM mit einem Tastgrad TG = 50 % dargestellt. Wie aus dem Zeitverlauf ersichtlich, variiert die Periodendauer T_P über der Zeit in zufälliger Weise. Die untere Grundfrequenzgrenze fmin wurde zu 50 kHz und die obere Grundfrequenzgrenze fmax wurde zu 200 kHz gewählt.
6 zeigt ein Leistungsspektrum des PWM-Signals s_PWM bei Wahl der unteren Grundfrequenzgrenze fmin zu 50 kHz und der oberen Grundfrequenzgrenze fmax zu 200 kHz. Wie aus 6 ersichtlich, befinden sich die wesentlichen Anteile des Spektrums in dem Frequenzfenster von fmin = 50 kHz bis fmax = 200 kHz. Die sonstigen Anteile des Spektrums außerhalb dieses Frequenzfensters liegen im Wesentlichen bei Vielfachen von 1/T_p oder bei zusätzlich im Signal enthaltenen Frequenzanteilen.
7 zeigt das Leistungsspektrum 12 des PWM-Signals s_PWM im Vergleich zu dem Leistungsspektrum 11 eines konventionellen PWM-Signals. Wie aus 7 ersichtlich, weist das Leistungsspektrum 11 des konventionellen PWM-Signals hohe Signalspitzen bei der Grundfrequenz (hier 10 kHz) sowie den Harmonischen auf. Demgegenüber weist das Spektrum 12 des PWM-Signals s_PWM keine merklichen Signalspitzen auf.
Es kann optional vorgesehen sein, eine aktive Regelung des Frequenzspektrums vorzusehen. Hierzu wird das erzeugte PWM-Signal s_PWM spektral ausgewertet und die untere Grundfrequenzgrenze fmin in Abhängigkeit hiervon verändert. Eine beispielhafte Implementierung hierfür ist schematisch in 8 dargestellt. In dem im Zusammenhang mit 3 beschriebenen Funktionsblock 10 werden in Abhängigkeit der aktuell vorgegebenen unteren Grundfrequenzgrenze fmin das die Periodendauer vorgebende Signal s_Tp und das die Pulsdauer vorgebende Signal s_Td bestimmt. Diese Signale s_Tp und s_Td werden von dem Umsetzer 20 entgegengenommen, der das PWM-Signal s_PWM entsprechend der vorgegebenen Periodendauer und der vorgegebenen Pulsdauer erzeugt. In dem Block 30 wird eine FFT (Fast-Fourier-Transformation) des ausgegebenen PWM-Signals s_PWM berechnet. In dem Block 31 werden aus den Werten der FFT die Werte im Bereich zwischen der unteren Grundfrequenzgrenze fmin und der oberen Grundfrequenzgrenze fmax ausgeschnitten und die ausgeschnitten Werte der FFT an einen Block 32 weitergegeben. Der Block 32 dient als Regler dazu, die untere Grundfrequenzgrenze fmin in Abhängigkeit dieser Werte anzupassen.
Eine mögliche Implementierung sieht vor, dass in dem Block 32 eine lineare Ausgleichgerade berechnet wird, die den Verlauf der ausgeschnittenen FFT-Werte approximiert. Die berechnete Ausgleichsgerade wird in dem Block 32 mit einer vorgegebenen Referenzgerade verglichen und die untere Grundfrequenzgrenze fmin wird nachgeregelt, falls dies erforderlich ist. Dazu wird dann die vor dem Nachregeln gültige Grundfrequenzgrenze fmin beispielsweise um einen bestimmten Wert erhöht und die so erhöhte Grundfrequenzgrenze fmin auf den Funktionsblock 10 geführt.
9 zeigt eine beispielhafte, berechnete Ausgleichgerade 40, die den spektralen Verlauf 41 des pulsweitenmodulierten Signals s_PWM im Bereich zwischen fmin und fmax approximiert. In dem Block 32 werden der Abstand d₁ der Ausgleichsgerade zu einer Referenzgerade 42 mit der Steigung 0 bei der Frequenz fmin und der Abstand d₂ der Ausgleichsgerade zu der Referenzgerade 42 bei der Frequenz fmax bestimmt. In dem Block 32 wird versucht, den Abstand d₁ an den Abstand d₂ anzunähern, indem die untere Grundfrequenzgrenze fmin in Richtung der oberen Grundfrequenzgrenze fmax verschoben wird. Hierzu wird beispielsweise ein Vergleich von d₁ mit d₂ durchgeführt. Wenn beispielsweise d₁ ≤ d₂ ist und somit die Ausgleichsgerade 40 eine Steigung ≥ 0 aufweist, bleibt die untere Grundfrequenzgrenze fmin unverändert. Wenn aber d₁ > d₂ ist und somit die Ausgleichsgerade 40 eine Steigung < 0 aufweist, wird die untere Grundfrequenzgrenze fmin erhöht, beispielsweise um den Wert f_max/d₂.
10 zeigt ein Simulationsergebnis für das Spektrum des PWM-Signals s_PWM für fmin = 10 kHz und fmax = 200 kHz. Es ist zu erkennen, dass hohe Signalanteile bei Frequenzen in der Nähe von fmin = 10 kHz vorliegen.
11 zeigt ein Simulationsergebnis für das Spektrum des PWM-Signals s_PWM , wenn die untere Grundfrequenz fmin geregelt wird, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Als Startwert wird für die Grundfrequenz fmin der Wert 10 kHz gewählt. Die obere Grundfrequenzgrenze liegt konstant bei 200 kHz. Es ist zu erkennen, dass das Spektrum im gewählten Fenster zwischen dem Startwert für fmin und dem konstanten Wert für fmax geformt wird und die Signalanteile ab ca. 10 kHz im Vergleich zu 10 deutlich reduziert werden.
Vorstehend wurde die Erzeugung eines stochastischen PWM-Signals beschrieben, bei dem die Periodendauer in zufälliger Weise variiert.
Es sind andere Verfahren denkbar, um ein stochastischen PWM-Signal zu erzeugen, welches keine hohen Signalspitzen im Spektrum aufweist, wie dies bei einem konventionellen PWM-Signal der Fall ist.
Beispielsweise kann bei einem alternativen Algorithmus eine zufällige Pulsfolge erzeugt werden. Hierbei werden über eine Zufallsfunktion Zufallswerte generiert und diese in einem Komparator mit einem Schwellwert verglichen. Als Schwellwert wird der Tastgrad oder eine davon abhängige Größe verwendet. Beispielsweise handelt es sich bei dem Zufallswerten um Zufallswerte, die jeweils 1 oder 0 sind. Wenn der generierte Wert kleiner als der Tastgrad ist, so ist der Ausgang des Komparators 0. Wenn der generierte Wert größer als der Tastgrad ist, so ist der Ausgang des Komparators 1. Die somit entstandene zufällige Folge von Signalwerten am Ausgang des Komparators, wobei ein Signalwert entweder 0 oder 1 ist, wird mit einer Pulsdauer T pro Signalwert ausgegeben.
Bei einem weiteren alternativen Algorithmus zu Erzeugung einer zufälligen Pulsfolge wird nicht die Periodendauer T_P variiert, sondern konstant gehalten. Stattdessen wird der Tastgrad um einen zufälligen Wert verändert, so dass auch die Pulsdauer T_d variiert. Die Pulsdauer T_d wird dabei so verändert, dass im Mittel der gewünschte Tastgrad erhalten bleibt. Beispielsweise wird bei einem gewünschten Tastgrad von 30 % die Pulsdauer T_d zwischen 0 % und 60 % von T_p zufällig variiert. Bei einem Tastgrad von gewünschten 50 % wird die Pulsdauer T_d beispielsweise zwischen 0% und 100 % von T_p zufällig variiert. Bei einem gewünschten Tastgrad von 80 % wird die Pulsdauer T_d beispielsweise zwischen 60% und 100 % von T_p zufällig variiert.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals (s_PWM) zur Ansteuerung eines elektromotorischen Antriebs, wobei basierend auf einer für den Tastgrad oder die Pulsdauer charakteristischen Vorgabe (TG) und einem Zufallszahlen-Signal (x) ein pulsweitenmoduliertes Signal (s_PWM) mit zufällig variierender Periodendauer (T_p) erzeugt wird, wobei die zufällige Variation der Periodendauer auf einen vorgegebenen Bereich begrenzt ist, wobei das pulsweitenmodulierte Signal (sPWM) spektral ausgewertet wird, eine untere Grundfrequenzgrenze (fmin) des pulsweitenmodulierten Signals in Abhängigkeit hiervon verändert wird, wobei eine lineare Ausgleichgerade (40) bestimmt wird, die den Verlauf des pulsweitenmodulierten Signals (sPWM) in einem gewissen Frequenzbereich approximiert, und die untere Grundfrequenzgrenze (fmin) mittels einer aktiven Regelung in Abhängigkeit der linearen Ausgleichgerade verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Erzeugung des pulsweitenmodulierten Signals (s_PWM) ein die Periodendauer (T_p) vorgebendes zeitlich variierendes Periodendauer-Signal (s_Tp) in Abhängigkeit des Zufallszahlen-Signals (x) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei - das Zufallszahlen-Signal (x) ein in einem bestimmten Intervall gleichverteiltes Zufallszahlen-Signal ist und - zur Bestimmung des Periodendauer-Signals (s_Tp) der Kehrwert eines von dem Zufallszahlen-Signal abhängigen gleichverteilten Signals oder der Kehrwert des Zufallszahlen-Signals oder ein beliebiges Vielfaches eines solchen Kehrwerts bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei - zur Bestimmung des Periodendauer-Signals (s_Tp) ein die Grundfrequenz vorgebendes Grundfrequenz-Signal (f) in Abhängigkeit des Zufallszahlen-Signals (x) bestimmt wird und - das Periodendauer-Signal (s_Tp) durch Bildung des Kehrwerts des Grundfrequenz-Signals (f) oder eines davon abhängigen Signals bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Grundfrequenz-Signal (f) aus einer vorgegebenen unteren Grundfrequenzgrenze (fmin), einer vorgegebenen oberen Grundfrequenzgrenze (fmax) und dem Zufallssignalen-Signal (x) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Periodendauer-Signal gemäß folgender Berechnungsvorschrift bestimmt wird: $T_{P} = \frac{1}{f_{m i n} + (f_{m a x} - f_{m i n}) \cdot x},$
wobei T_P das Periodendauer-Signal, fmin eine vorgegebene untere Grundfrequenzgrenze, f_max eine vorgegebene obere Grundfrequenzgrenze und x das Zufallszahlen-Signal bezeichnen, wobei das Zufallszahlen-Signal einen Wertebereich von 0 bis 1 aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bereich, auf den die Variation der Periodendauer begrenzt ist, variabel ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der Abstand (d₁) der Ausgleichsgerade zu einem Referenzwert bei der unteren Grundfrequenzgrenze (fmin) bestimmt wird, - der Abstand (d₂) der Ausgleichsgerade zu einem Referenzwert bei einer oberen Grundfrequenzgrenze (fmax) bestimmt wird, und - die untere Grundfrequenzgrenze (fmin) in Abhängigkeit der Abstände verändert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die untere Grundfrequenzgrenze (fmin) im Fall einer Ausgleichsgerade mit negativer Steigung erhöht wird.
Elektronischer Signalgenerator (10, 20) zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals (s_PWM) zur Ansteuerung eines elektromotorischen Antriebs, wobei der Generator eingerichtet ist, basierend auf einer für den Tastgrad oder die Pulsdauer charakteristischen Vorgabe (TG) und einem Zufallszahlen-Signal (x) ein pulsweitenmoduliertes Signal (s_PWM) mit zufällig variierender Periodendauer (T_p) zu erzeugen, wobei die zufällige Variation der Periodendauer (T_p) auf einen vorgegebenen Bereich begrenzt ist, das pulsweitenmodulierte Signal (sPWM) spektral auszuwerten, eine untere Grundfrequenzgrenze (fmin) des pulsweitenmodulierten Signals in Abhängigkeit hiervon zu verändern, eine lineare Ausgleichgerade (40) zu bestimmen, die den Verlauf des pulsweitenmodulierten Signals (sPWM) in einem gewissen Frequenzbereich approximiert, und die untere Grundfrequenzgrenze (fmin) mittels einer aktiven Regelung in Abhängigkeit der linearen Ausgleichgerade zu verändern.