动态脉冲宽度调制更新的制作方法

1.本公开涉及车辆电力电子部件。


背景技术：

2.某些机动车辆可以包括向一个或多个电机提供能量并存储来自一个或多个电机的能量的牵引电池。功率转换器可以用于将来自牵引电池的dc电力转换为ac电力以供一个或多个电机使用，并且反之亦然。


技术实现要素：

3.一种动力传动系统具有牵引电池、电机和功率转换器，所述功率转换器在所述牵引电池与所述电机之间传递能量，并且包括形成相桥的上开关和下开关。该动力传动系统还具有控制器，所述控制器根据由所述上开关和所述下开关中的一者的下一周期脉冲宽度调制命令是否比所述开关中的所述一者的前一周期脉冲宽度调制命令更早地出现所定义的顺序来顺序地更新所述开关中的每一者的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
4.一种方法包括根据由功率转换器的相桥的上开关和下开关中的一者的下一周期脉冲宽度调制命令的上升沿相对于所述开关中的所述一者的前一周期脉冲宽度命令的上升沿的定时所定义的顺序来顺序地更新所述开关中的每一者的所述下一周期脉冲宽度命令。
5.一种用于功率转换器的控制系统，该功率转换器具有包括上开关和下开关的相桥，该控制系统包括控制器，所述控制器响应于所述上开关的下一周期脉冲宽度调制命令的定时指示比所述上开关的前一周期脉冲宽度调制命令更早地出现，首先更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
附图说明
6.图1是包括具有三个半桥相桥的牵引马达驱动器的动力传动系统的示意图。
7.图2是包括具有一个半桥相桥的可变电压转换器的动力传动系统的示意图。
8.图3是具有死区时间的脉冲宽度调制信号的迹线。
9.图4是用于生成和存储脉冲宽度调制命令的算法的流程图。
10.图5是图4的算法的一部分的流程图，其中确定脉冲宽度调制命令寄存器的更新顺序。
11.图6a是上开关和下开关的脉冲宽度调制信号的迹线，其中针对上开关的命令出现得更早。
12.图6b是上开关和下开关的脉冲宽度调制信号的迹线，其中针对上开关的命令出现得更晚。
13.图6c是上开关和下开关的脉冲宽度调制信号的迹线，其中针对下开关的命令出现
得更早。
14.图6d是上开关和下开关的脉冲宽度调制信号的迹线，其中针对下开关的命令出现得更晚。
15.图7a和图7b是在同步更新方案下的先前和新的脉冲宽度调制信号的迹线。
16.图8是具有增加的死区时间的迹线，所述增加的死区时间是由于下开关的脉冲宽度调制信号在当前周期中被更新并且上开关的脉冲宽度调制信号在下一周期中被更新而导致的。
具体实施方式
17.所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可以呈现各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而仅应解释为用于教导本领域技术人员以不同方式采用实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任一者示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实现方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。
18.在功率转换器中，半桥相桥是基本构建块。一个半桥相桥可以包括两个电力电子开关(即，上开关和下开关)。在电动化车辆中，可能存在多个功率转换器，包括使用这种半桥相桥的牵引马达驱动器和可变电压转换器。
19.参考图1，车辆的动力传动系统10包括用于连接到牵引电池的端子12、输出电容器14、牵引马达驱动器16、三相电机18和一个或多个控制器20。输出电容器14电气地位于端子12与牵引马达驱动器16之间。牵引马达驱动器16电气地位于输出电容器14与电机18之间。并且，控制器20与牵引马达驱动器16和电机18通信/对牵引马达驱动器16和电机18施加控制。
20.牵引马达驱动器16包括开关22、24、26、28、30、32。开关22、24形成第一半桥相桥。开关26、28形成第二半桥相桥。并且，开关30、32形成第三半桥相桥。在该示例中，开关22、26、30是上开关，并且开关24、28、32是下开关。
21.参考图2，车辆的动力传动系统34包括牵引电池36、可变电压转换器38、电力电子模块40、电机42和一个或多个控制器44。动力传动系统34还包括电压传感器46、48和接触器50。可变电压转换器38电气地位于牵引电池36与电力电子模块40之间。电力电子模块40电气地位于可变电压转换器38与电机42之间。并且控制器44与牵引电池36、可变电压转换器38、电力电子模块40、电机42、电压传感器46、48和接触器50通信/对其施加控制。
22.可变电压转换器38包括电感器52、开关54、56和栅极驱动器58。开关54、56形成半桥相桥，其中开关54是上开关，并且开关56是下开关。
23.在半桥相桥中，可能期望避免上开关和下开关同时导通。否则，相桥中可能存在短路和电流流动(击穿)。为了防止击穿，一对互补脉冲宽度调制(pwm)信号应馈送到上开关和下开关。参考图3，应在开关的导通状态之间插入足够的死区时间(dt)，在该死区时间期间两个开关都关断。
24.有几种方法确保正确的死区时间插入。一些栅极驱动器(以集成电路芯片的形式)
可以执行硬件死区时间插入，并且一些微控制器包括具有硬件死区时间插入功能的内部pwm模块。这些基于硬件的死区时间插入方法通常可能是稳健的，但成本高昂。
25.作为基于硬件的死区时间插入的替代方案，存在基于软件的死区时间插入方法，其中在微控制器中运行的软件负责向pwm模块提供正确的pwm命令(通常以硬件pwm计数器的计数的形式)。基于软件的死区时间插入可以比基于硬件的方法更具成本效益且更灵活。某些现有的基于软件的死区时间插入方法在一些工况下可能会遇到潜在的问题。这里，提出了稳健的pwm生成方法，以确保死区时间插入并防止击穿状况。
26.通常，应用软件在pwm周期开始时开始运行。在计算完成之后，软件以pwm周期计数和占空比计数的形式提供pwm命令的有效值。这些pwm命令没有关于死区时间的信息。然后，软件死区时间插入模块读取pwm命令并插入适当的死区时间信息。接下来，它生成一对互补pwm命令分别用于上开关和下开关。最后，软件将互补pwm命令复制到微控制器的寄存器中。在每个pwm周期结束时(即，下一个周期开始时)，硬件pwm模块将从微控制器寄存器读取上和下pwm命令。基于寄存器值，pwm硬件模块将生成pwm信号(即，针对下一个pwm周期的具有如图3所示的死区时间的方波)。该过程针对每个pwm周期重复，并且只要软件在当前pwm周期内完成到寄存器的复制，则硬件pwm模块可以从寄存器加载正确的值。在这种情况下，pwm生成始终是正确的。
27.然而，这种软件可能是复杂的。并且在某些状况下，它可能无法按时完成其所有任务。例如，软件可能被具有更高优先级的其他任务中断，软件本身可能经历比预期更长的逻辑环，或者微控制器的ram可能被延迟。如果硬件pwm模块在软件将所有值复制到寄存器中之前读取寄存器，则这可能导致信号完整性问题。例如，紧接在软件将新的上pwm命令复制到寄存器中之后，硬件可以从寄存器读取pwm命令。在这种情况下，硬件获得新的上pwm命令和先前的下pwm命令。因为上命令和下命令不一致，所以实际死区时间可能是错误的：死区时间不足可能导致击穿。
28.硬件加载时间通常是预先确定的，因此在运行时期间可能无法更改它。无论前一周期的软件是否完成，硬件都会在下一个pwm周期开始时被触发。
29.一个简单的软件解决方案可能是通过使用更高级的微控制器来绝对避免软件超时运行。然而，这种解决方案是昂贵的，因为微控制器需要在正常操作之上的显著裕度。另一种解决方案可为检查软件中的硬件读取时间，并且如果硬件读取时间太接近，则停止软件到寄存器中的复制。然而，在多任务复杂软件中，存在许多任务。因此，可能难以预测软件中的硬件读取时间，特别是对于在不可预测的时间被中断的低优先级任务。
30.其他方法可以被设计成保证硬件pwm模块始终从软件读取一致的寄存器值(即，上pwm命令和下pwm命令)。相比之下，这里提出的算法不能保证硬件将读取一致的寄存器值。相反，它们试图保证硬件在读取不一致的值时不会导致击穿。所提出的序列中的一些可以提供若干优点，包括在软件超时运行或被更高优先级任务中断时稳健地防止击穿、不需要预测硬件读取时间、不需要附加硬件以及可忽略不计的计算负担。
31.在常规的寄存器更新序列中，更新顺序是固定的。例如，首先更新上pwm命令，然后更新下pwm命令。相比之下，在所提出的算法中，软件将确定每个pwm周期的寄存器更新顺序。在确定顺序之后，软件将根据该顺序更新寄存器。
32.当软件超时运行并且硬件在软件完成更新之前读取寄存器时，寄存器的一部分中
将存在新值，而寄存器的另一部分中将存在先前值。所提出的算法提供正确的顺序以保证新值和先前值不会导致击穿。新值和先前值可能仍然不一致并且导致软件性能劣化，但是避免了击穿状况。
33.参考图4，可以驻留在例如图1、图2的控制器20、44(分别地)上的pwm生成算法执行以更新寄存器62，所述寄存器可以与控制器20、44相关联。在操作64处，所述算法以pwm周期的开始而启动。在操作66处，以已知方式确定下一个pwm周期的pwm命令。此时不存在死区时间信息。在操作68处，以已知方式执行死区时间插入。在操作70处，确定用用于上开关和下开关的下一个周期pwm命令来更新寄存器62的顺序。在操作72处将具有死区时间信息的上pwm命令和下pwm命令复制到寄存器62。在操作74处，算法结束。
34.参考图5，在操作70处接收上pwm命令和下pwm命令。然后执行若干子操作。在子操作76处，基于pwm命令计算上开关和下开关的上升沿和下降沿定时。计算应与微控制器的pwm硬件模块的行为一致，因此它是硬件相关的，但对于了解此类pwm命令的普通技术人员来说是已知且简单的。在子操作78处，识别四个可能的上升沿和下降沿场景中的一个。并且在子操作80处，做出关于是否首先用针对上开关的pwm命令接下来用针对下开关的pwm命令来更新寄存器或反之亦然的决定。
35.参考图6a至图6d并且如上所述，存在四种可能的上升沿和下降沿场景，每种场景具有用于上开关和下开关的相关联的寄存器更新序列。
36.在图6a中，新的上开关命令比前一周期更早地出现：序列将首先用针对下开关的新的pwm命令更新寄存器，然后是上开关。在图6b中，新的上开关命令比前一周期更晚地出现：序列将首先用针对上开关的新的pwm命令更新寄存器，然后是下开关。在图6c中，新的下开关命令比前一周期更早地出现：序列将首先更新针对上开关的新的pwm命令，然后是下开关。在图6d中，新的下开关命令比前一周期更晚地出现：序列将首先更新针对下开关的新的pwm命令，然后是上开关。
37.参考图7a和图7b，在一些实现方式中，pwm命令将决定下一个pwm周期的上升沿和下降沿两者，因此场景标识与和图6a至图6d相关联的场景标识不同。对于这种类型的pwm实现方式，仅存在两种场景。在图7b中，新的上开关命令比前一周期更早地出现：序列将首先更新针对下开关的新的pwm命令，然后是上开关。在图7a中，新的上开关命令比前一周期更晚地出现：序列将首先更新针对上开关的pwm命令，然后是下开关。
38.再次参考图4，在确定上开关和下开关的序列更新顺序之后，将根据如上所述的更新顺序将相应的pwm命令保存到寄存器62。
39.可能存在与所设想的算法相关联的三种可能结果。对于它们中的任何一个，pwm信号都不会导致击穿状况。如果软件没有超时运行，即软件执行时间没有超过当前pwm周期，则所有新的pwm命令都将被复制到寄存器，并且pwm硬件模块将选择所述新的命令并根据所述新的pwm命令生成pwm信号。如果软件完全超时运行，则没有新的pwm命令将被复制到寄存器。因此，pwm硬件模块将选择先前的命令并生成与先前周期相同的pwm信号。如果软件部分地超时运行并且pwm硬件模块选择不一致的值，则pwm信号将是新的(pwm命令以第一更新顺序复制)和先前(pwm命令将以第二更新顺序复制但尚未复制)的组合，这将导致长于标称的死区时间。
40.参考图8，下pwm命令以第一更新顺序进行复制。最终的pwm结果将是新的下开关命
令和先前的上开关命令的组合，没有击穿状况。
41.本文所公开的过程、方法或算法可能够输送到处理装置、控制器或计算机/由处理装置、控制器或计算机实施，所述处理装置、控制器或计算机可以包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述过程、方法或算法可以作为可由控制器或计算机以许多形式执行的数据和指令来存储，所述形式包括但不限于：永久存储在不可写存储介质(诸如只读存储器(rom)装置)上的信息以及可变更地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、光盘(cd)、随机存取存储器(ram)装置以及其他磁性和光学介质)上的信息。所述过程、方法或算法也可以以软件可执行对象来实现。替代地，可以使用合适的硬件部件或者硬件、软件和固件部件的组合全部或部分地实施所述过程、方法或算法，所述硬件部件诸如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或其他硬件部件或装置。
42.尽管上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。
43.如先前描述，各个实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或示出的其他实施例。尽管各种实施例可能已经被描述为就一个或多个期望的特性而言提供优点或优于其他实施例或现有技术实现方式，但是本领域普通技术人员认识到，可以折衷一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。为此，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式期望的实施例不在本公开的范围外，并且对于特定应用可能是期望的。
44.根据本发明，提供了一种动力传动系统，其具有：牵引电池；电机；功率转换器，所述功率转换器被配置为在所述牵引电池与所述电机之间传递能量，并且包括形成相桥的上开关和下开关；和控制器，所述控制器被编程为根据由所述上开关和所述下开关中的一者的下一周期脉冲宽度调制命令是否比所述开关中的所述一者的前一周期脉冲宽度调制命令更早地出现所定义的顺序来顺序地更新所述开关中的每一者的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
45.根据实施例，当所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令将比所述上开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更早地出现时，所述顺序是首先更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
46.根据实施例，当所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令将比所述上开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更晚地出现时，所述顺序是首先更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
47.根据实施例，当所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令将比所述下开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更早地出现时，所述顺序是首先更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
48.根据实施例，当所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令将比所述下开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更晚地出现时，所述顺序是首先更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
49.根据实施例，所述功率转换器是可变电压转换器。
50.根据实施例，所述功率转换器是牵引马达驱动器。
51.根据本发明，一种方法包括：根据由功率转换器的相桥的上开关和下开关中的一者的下一周期脉冲宽度调制命令的上升沿相对于所述开关中的所述一者的前一周期脉冲宽度命令的上升沿的定时所定义的顺序来顺序地更新所述开关中的每一者的所述下一周期脉冲宽度命令。
52.根据实施例，当所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令将比所述上开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更早地出现时，所述顺序是首先更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
53.根据实施例，当所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令将比所述上开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更晚地出现时，所述顺序是首先更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
54.根据实施例，当所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令将比所述下开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更早地出现时，所述顺序是首先更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
55.根据实施例，当所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令将比所述下开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更晚地出现时，所述顺序是首先更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
56.根据本发明，提供了一种用于功率转换器的控制系统，功率转换器包括具有上开关和下开关的相桥，所述控制系统具有：控制器，所述控制器被编程为响应于所述上开关的下一周期脉冲宽度调制命令的定时指示比所述上开关的前一周期脉冲宽度调制命令更早地出现，首先更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
57.根据实施例，所述控制器还被编程为响应于所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令的定时指示比所述上开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更晚地出现，首先更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
58.根据实施例，所述控制器还被编程为响应于所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令的定时指示比所述下开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更早地出现，首先更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
59.根据实施例，所述控制器还被编程为响应于所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令的定时指示比所述下开关的所述前一周期脉冲宽度调制命令更晚地出现，首先更新所述下开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令，然后更新所述上开关的所述下一周期脉冲宽度调制命令。
60.根据实施例，所述功率转换器是可变电压转换器或牵引马达驱动器。