CN111030544A - 一种电机控制器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电机控制器，包括外部ADC、PWM模块和MCU；所述外部ADC根据所述PWM模块的控制对输入的模拟信号进行模数转换，得到数字信号；所述PWM模块接收所述外部ADC输出的所述数字信号，并对其进行脉宽调制，得到的脉宽调制信号输出给所述MCU；所述MCU向所述PWM模块输出用于选择外部ADC的选择信号，并对接收到的所述脉宽调制信号进行监测和/或控制。本发明将最耗费软件资源的模数转换部分的功能从电机控制器的主程序中剥离，主程序只需耗费少量通信时间，用于从外部获得数字信号，从而大大减轻了主程序的负担，减少了主程序的执行周期，以适应越来越高的IGBT开关频率。

Description

一种电机控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车控制领域，尤其涉及一种电机控制器及控制方法。
背景技术
随着半导体器件的技术发展，低开关损耗和低导通损耗已经成为器件厂商争相追逐的产品发展路线。而运用低损耗高开关频率的器件可以有效降低无源元件的体积和成本，因而技术的进步为器件使用方所乐见。
但是，高频化带来了一个新的问题。由于电机控制器的运算执行周期与其内部半导体器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)的开关周期相关，因而当IGBT的开关周期随着半导体技术的进步而提升时，电机控制器的运算执行周期大大减小了。然而电机控制器(主要指软件)需要完成的任务量并没有改变，当IGBT的开关周期缩小到足够小的时候，就将影响电机控制器的正常工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电机控制器，使其能够适应越来越高的半导体器件开关频率。
所述电机控制器包括外部ADC(Analog-Digital Converter，模数转换器)、PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)模块和MCU(Micro Control Unit，微处理器)；
所述外部ADC根据所述PWM模块的控制对输入的模拟信号进行模数转换，得到数字信号；
所述PWM模块接收所述外部ADC输出的所述数字信号，并对其进行脉宽调制，得到的脉宽调制信号输出给所述MCU；
所述MCU向所述PWM模块输出用于选择外部ADC的选择信号，并对接收到的所述脉宽调制信号进行监测和/或控制。
上述的电机控制器，其中，所述ADC包括多个，所述PWM模块通过地址对多个所述外部ADC进行选择。
上述的电机控制器，其中，所述PWM模块为CPLD芯片。
上述的电机控制器，其中，所述MCU为DSP芯片。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述的电机控制器的控制方法，包括如下步骤：
S1、所述MCU向所述PWM模块发送第一片选信号，通知所述PWM模块可以开始模数转换；
S2、所述PWM模块接受所述第一片选信号后，输出转换指令至所述外部ADC，使所述外部ADC开始模数转换；
S3、所述外部ADC接受所述转换指令后，将输入的模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送给所述PWM模块；
S4、所述PWM模块接受所述数字信号后，对所述数字信号进行脉宽调制，以得到调制信号，并向所述MCU发送数据准备好信号；
S5、所述MCU收到所述数据准备好信号后，读取所述调制信号，以监测和/或控制车辆状态。
上述的控制方法，步骤S1中，所述MCU在每一个执行周期中发出一次所述第一片选信号。
上述的控制方法，步骤S1中，当包含多个所述外部ADC时，所述MCU还向所述PWM模块发出指示选择外部ADC的第一地址。
上述的控制方法，步骤S2中，具体包括如下步骤：
S21、所述PWM模块向所述外部ADC发送第二片选信号；
S22、所述PWM模块向所述外部ADC发送时钟信号；
S23、所述PWM模块向所述外部ADC发送转换指令。
上述的控制方法，当包含多个所述外部ADC时，步骤S23之前还包括：所述PWM模块向所述外部ADC发送第二地址。
上述的控制方法，步骤S3中，具体包括如下步骤：
S31、所述外部ADC向所述PWM模块发送数据准备中信号；
S32、所述外部ADC读取模拟信号，并根据所述PWM模块发送的时钟信号对所述模拟信号进行模数转换；
S33、所述外部ADC撤销所述数据准备中信号，以通知所述PWM模块数字信号准备好。
上述的控制方法，步骤S4中，所述PWM模块通过SPI或SCI通信协议接收所述数字信号。
与现有技术相比，本发明将最耗费软件资源的模数转换部分的功能从电机控制器的主程序中剥离，主程序只需耗费少量通信时间，用于从外部获得数字信号，从而大大减轻了主程序的负担，减少了主程序的执行周期，以适应越来越高的IGBT开关频率。
同时，相比集成于MCU中的ADC，专用的外部ADC的工作频率、转换深度和转换精度都得到提升，并且ADC的品种和数量的选择余地也大大扩大，因此，被监测/监控的信号的数量和精度都能得到提高。
附图说明
图1是软件执行周期对比图；
图2是本发明一实施例中的硬件架构图；
图3是本发明一实施例中的时序图；
图4是本发明一实施例中CPLD实现脉宽调制的时序说明图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。且，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征允许相互组合或替换。结合以下的说明，本发明的优点和特征将更清楚。
需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
电机控制器通过SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉冲宽度调制)的方式来控制动力电机的扭矩大小，而SVPWM的周期与电机控制器内部的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)相关。一般来说，SVPWM的控制算法的执行周期等于功率开关的开关周期。如图1所示，伴随着IGBT的开关频率的提升，电机控制器的SVPWM周期反而下降。IGBT开关频率由10kHz提升为40kHz将导致SVPWM周期缩短为原来的1/4，若IGBT开关频率继续提高，那么SVPWM周期将进一步缩短，单个SVPWM周期内的软件负荷率大大增加，从而导致软件功能的开发遇到瓶颈。
由于电机控制器的软件执行周期与SVPWM周期相同，因此，SVPWM周期的缩短直接影响了电机控制器的软件可安全运行时间，严重时还可能导致电机控制器的软件不能在周期内运行完毕。如果使用高主频的MCU则必然导致产品成本的增加和额外的软件开发费用。
通过分析可知，现有的电机控制器大多使用集成了ADC(Analog-DigitalConverter，模数转换器)端口的DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片作为MCU(Micro Control Unit，微控制器)，因此ADC的处理时间会大量占用SVPWM周期的时间，使计算资源无法充分应用到检测和监控上。而ADC是电机控制器中采样监测和/或控制信号必不可少的部分，不能省略。
为了在不提高MCU主频的基础上解决软件运行时间不够的问题，发明人提出了一种新的硬件架构。将ADC从MCU中剥离，使模数转换这一耗时最长的步骤(功能)不占用，或者说少占用MCU的处理时间。在MCU的控制下，在MCU之外完成模数转换步骤，然后将转换好的数字信号通过通信协议(串行的或并行的)发送到MCU中，这样MCU只需耗费少量通信时间就能得到所需的数字信号，大大减少了MCU的软件运行时间，使其能够适应越来越短的SVPWM周期。
按上述的硬件架构的思想构建的一种电机控制器，包括外部ADC、PWM模块和MCU。所述外部ADC根据所述PWM模块的控制对输入的模拟信号进行模数转换，从而得到数字信号。所述PWM模块接收所述外部ADC输出的所述数字信号，并对其进行脉宽调制，得到的脉宽调制信号输出给所述MCU。所述MCU向所述PWM模块输出用于选择外部ADC的选择信号，并对接收到的所述脉宽调制信号进行监测和/或控制。
如图2所示，发明人提出的一种新的电机控制器，包括作为外部ADC使用的ADI公司的A/D转换芯片、用于充当PWM模块的CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)和作为MCU使用的DSP。
本方案中选用的A/D转换芯片内部包含2路12/14bit的模数转换器，输入端分别为图中的VA1、VA2和VB1、VB2。作为示意，图中只画出了一个A/D转换芯片。事实上，根据需要，所述电机控制器中还可以包括多个A/D转换芯片。
图2中，CPLD中预设了相应的控制逻辑，以充当PWM模块，用于根据DSP的指令控制A/D转换芯片的工作。具体的，DSP向CPLD发送第一片选信号ADC_SOC，以使CPLD开始工作。同时，DSP还向CPLD发送具体选中A/D转换芯片中哪一路模数转换器的第一地址[XA3…XA1]，CPLD取得指定的数字信号后，向DSP反馈指定的数字信号。
CPLD接收到DSP发送的第一片选信号ADC_SOC和A/D转换芯片的地址[XA3…XA1]后向多个A/D转换芯片发送第二片选信号CS，选中指定的A/D转换芯片。同时，由于A/D转换芯片中包括2路模数转换器，CPLD还向该指定的A/D转换芯片发送第二地址ADDR，用于选定输入端VA1、VA2或VB1、VB2(即选定哪一路转换器)。A/D转换芯片根据上述的控制信号向CPLD反馈数字信号DOUT_A或DOUT_B。时钟SCLK、转换指令CONVST和标志位BUSY用于相互配合，准确完成时序。
CPLD接收到数字信号后进行SVPWM数字脉宽调制，并将得到的调制信号XD[15..0]储存在并行口，等待DSP来读取。为了通知DSP数据已准备好，CPLD还向DSP发送数据准备好信号ADC_DONE。DSP收到数据准备好信号ADC_DONE后来读取CPLD的并行口，获取新一轮的调制信号。并根据该调制信号对车辆进行控制和/或监测。
基于上述的电机控制器，本发明还公开了一种控制方法，用于使所述外部ADC、PWM模块和MCU按规定的时序完成模数转换和信号检测和/或监控的功能。所述的控制方法包括如下步骤：
S1、所述MCU向所述PWM模块发送第一片选信号，通知所述PWM模块可以开始模数转换；
S2、所述PWM模块接受所述第一片选信号后，输出转换指令至所述外部ADC，使所述外部ADC开始模数转换；
S3、所述外部ADC接受所述转换指令后，将输入的模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送给所述PWM模块；
S4、所述PWM模块接受所述数字信号后，对所述数字信号进行脉宽调制，以得到调制信号，并向所述MCU发送数据准备好信号；
S5、所述MCU收到所述数据准备好信号后，读取所述调制信号，以监测和/或控制车辆状态。
具体的，图3所示为图2所示的架构图中A/D转换芯片和CPLD之间的数据交换时序图。由于MCU在每个执行周期中仅发出依次第一片选信号，CPLD在每个执行周期也仅发出一次转换指令CONVST，用于指示数据交换的开始。所述转换指令CONVST下降沿有效，当转换指令CONVST的低电平维持一段时间后，A/D转换芯片作出响应，使数据准备中信号BUSY有效，通知CPLD该A/D转换芯片正在进行内部的模数转换工作。该模数转换工作的持续时长为tconvert，其具体数值与具体硬件连接相关。当数据准备中信号BUSY撤消后，CPLD向该A/D转换芯片发送片选信号CS(需要时还包括第二地址ADDR)和时钟SCLK，A/D转换芯片根据时钟SCLK的节拍向CPLD发送转换好的数字信号DOUT_A或DOUT_B。
进一步地，步骤S2中，具体包括：
S21、所述PWM模块向所述外部ADC发送第二片选信号；
S22、所述PWM模块向所述外部ADC发送时钟信号；
S23、所述PWM模块向所述外部ADC发送转换指令。
更进一步，当包含多个所述外部ADC时，步骤S23之前还包括所述PWM模块向所述外部ADC发送第二地址。
进一步地，步骤S3中，具体包括：
S31、所述外部ADC向所述PWM模块发送数据准备中信号；
S32、所述外部ADC读取模拟信号，并根据所述PWM模块发送的时钟信号对所述模拟信号进行模数转换，从而得到数字信号；
S33、所述外部ADC撤销所述数据准备中信号，以通知所述PWM模块数字信号准备好。
进一步地，步骤S3中，所述PWM模块通过SPI或SCI通信协议接收所述数字信号。
为保证转换后的数字信号可以送入到MCU中进行软件功能的控制和监控，CPLD和MCU之间必须具备一定的数据通讯功能。本发明中不限制CPLD和DSP之间的通讯协议。根据实际的需要，通讯协议可以是SPI或者是SCI通讯，还可以是并口通讯。每个SVPWM中断周期内，在经过一定的延迟时间，DSP和CPLD之间进行数据交互，从而获得数字信号。
本发明通过预设的控制逻辑将CPLD定义为SVPWM信号输出器。以中心对称SVPWM为例，DSP还向CPLD发送开关周期Tpwm、第一电平跳转时刻Time[1]、第二电平跳转时刻Time[2]和使能位Enable。如图4所示，在第一电平跳转时刻Time[1]时，CPLD的指定I/O口的电平产生跳转，默认从低电平跳转为高电平。在第二电平跳转时刻Time[2]时，该电平也要产生跳转，默认从高电平跳转为低电平。CPLD从DSP接受到上述四个信息，就可以输出PWM调制信号了。当电机控制器需要对逆变器进行变频控制的时候，只要改变开关周期值Tpwm，就可以实现利用CPLD来根据控制算法需要进行变频控制。
上述的一种新型的电机控制器及其控制方法，采用了一种新的硬件结构，将原本由MCU负担的A/D转换功能外置到外部电路中，使A/D转换和MCU的检测、监控功能得以并行进行，从而使MCU能够适应日渐增长的开关器件的频率，加快MCU的反应速度，减少了主程序的执行周期。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种电机控制器，其特征在于，包括外部ADC、PWM模块和MCU；
所述外部ADC根据所述PWM模块的控制对输入的模拟信号进行模数转换，得到数字信号；
所述PWM模块接收所述外部ADC输出的所述数字信号，并对其进行脉宽调制，得到的脉宽调制信号输出给所述MCU；
所述MCU向所述PWM模块输出用于选择外部ADC的选择信号，并对接收到的所述脉宽调制信号进行监测和/或控制。
2.如权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述ADC包括多个，所述PWM模块通过地址对多个所述外部ADC进行选择。
3.如权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述PWM模块为CPLD芯片；所述MCU为DSP芯片。
4.一种基于如权利要求1-3任一项所述的电机控制器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、所述MCU向所述PWM模块发送第一片选信号，通知所述PWM模块可以开始模数转换；
S2、所述PWM模块接受所述第一片选信号后，输出转换指令至所述外部ADC，使所述外部ADC开始模数转换；
S3、所述外部ADC接受所述转换指令后，将输入的模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送给所述PWM模块；
S4、所述PWM模块接受所述数字信号后，对所述数字信号进行脉宽调制，以得到调制信号，并向所述MCU发送数据准备好信号；
S5、所述MCU收到所述数据准备好信号后，读取所述调制信号，以监测和/或控制车辆状态。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述MCU在每一个执行周期中发出一次所述第一片选信号。
6.如权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于，步骤S1中，当包含多个所述外部ADC时，所述MCU还向所述PWM模块发出指示选择外部ADC的第一地址。
7.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤S2中，具体包括如下步骤：
S21、所述PWM模块向所述外部ADC发送第二片选信号；
S22、所述PWM模块向所述外部ADC发送时钟信号；
S23、所述PWM模块向所述外部ADC发送转换指令。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，当包含多个所述外部ADC时，步骤S23之前还包括：
所述PWM模块向所述外部ADC发送第二地址。
9.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤S3中，具体包括如下步骤：
S31、所述外部ADC向所述PWM模块发送数据准备中信号；
S32、所述外部ADC读取模拟信号，并根据所述PWM模块发送的时钟信号对所述模拟信号进行模数转换；
S33、所述外部ADC撤销所述数据准备中信号，以通知所述PWM模块数字信号准备好。
10.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤S4中，所述PWM模块通过SPI或SCI通信协议接收所述数字信号。
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