專利名稱：用于控制到直流負載的電功率的方法和系統(tǒng)的制作方法
用于控制到直流負載的電功率的方法和系統(tǒng)相關申請本申請要求2010年5月13日提交的美國專利申請第12/779，179號的權(quán)益，該申請的全部教導均以引用方式并入本文。
背景技術(shù)：
通過使用開關元件將直流電力軌連接至加電負載來遞增地控制到直流負載的功率的常規(guī)方法包括各種類型的脈沖串，例如脈沖寬度調(diào)制(或“PWM”)以及具有不同頻率(或“VF”)的恒寬脈沖。兩種方法可有效地改變脈沖串的占空比，但兩者均具有操作上的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
通過提供具有固定頻率和固定時間周期或持續(xù)時間的控制脈沖，本公開的各方面和實施方案可解決上述問題。根據(jù)這些脈沖在脈沖串中的固定頻率固定持續(xù)時間的性質(zhì)，此類技術(shù)在本文中或在相關應用中可稱為“FF/FD”、“FFFD”、“FD/FF”或“FDFF”技術(shù)。向電負載提供的功率通過改變該些脈沖在設定時間周期內(nèi)的發(fā)射次數(shù)而改變。根據(jù)本公開的FFFD技術(shù)具有明顯優(yōu)于常規(guī)PWM和VF方法的優(yōu)點，如本文的進一步詳細描述。本公開的一方面涉及使用固定持續(xù)時間和固定頻率的脈沖對電負載進行功率控制的方法。在一個示例性實施方案中，一種方法可包括通過處理系統(tǒng)提供定時信號并且確定電負載的期望功率電平。所述方法可包括產(chǎn)生控制信號，該控制信號包括在定時信號內(nèi)并且對應于期望功率電平的固定持續(xù)時間和固定頻率的一系列控制脈沖?？蓪⑺隹刂菩盘柼峁┙o連接至電負載 的電流開關的輸入，以將該開關設置成每個脈沖期間的開啟狀態(tài)和每個脈沖之后的關閉狀態(tài)之一，從而在開啟狀態(tài)期間使電流通過電負載從第一電位流向第二電位。所述方法還可包括改變重復時間周期內(nèi)的脈沖數(shù)目。電負載可包括一個或多個直流電動機。提供定時信號可包括使用利用遞減或遞增計數(shù)器的軟件來控制所述控制脈沖的時間周期。所述方法還可包括控制一個或多個直流電動機的移動。所述方法可包括產(chǎn)生控制信號，其包括使用模擬脈沖成形電路。所述方法可包括控制施加至一個或多個電動機的功率。所述方法可包括控制施加至一個或多個電光源的功率。所述方法可包括通過改變重復時間周期內(nèi)的脈沖數(shù)目來控制一個或多個光源的光輸出的強度。所述方法可包括控制施加至一個或多個加熱裝置的功率。所述方法可包括通過改變重復時間周期內(nèi)的脈沖數(shù)目來控制熱輸出。所述方法可包括通過改變重復時間周期內(nèi)的脈沖數(shù)目來控制施加至一個或多個開關電源的功率。本公開的另一個方面涉及控制電路/裝置，其功能在于提供FFFD動力系以控制向電負載提供的功率。FFFD控制電路的一個不例性實施方案可包括第一電位和第二電位以及電負載。所述控制電路還可包括電流開關，該電流開關連接至電負載并且包括輸入以接收電流開關控制信號，以將該開關設置成開啟狀態(tài)和關閉狀態(tài)之一，所述狀態(tài)包括定時循環(huán)，該定時循環(huán)內(nèi)具有固定持續(xù)時間和固定頻率的一系列脈沖，從而在開啟狀態(tài)期間使電流通過所述負載從第一電位流向第二電位，以使所述負載在所述定時循環(huán)內(nèi)接收功率。所述負載可包括一個或多個發(fā)光二極管(LED)。所述負載可包括發(fā)光二極管(LED)的陣列，例如串聯(lián)的LED平行串。所述負載可包括直流電動機的電路。該直流電動機可為無刷直流電動機。所述負載可包括交流電動機的電路。FFFD電路可具有在電流流經(jīng)電流開關之前的初始狀態(tài)，并且定時循環(huán)的脈沖之間的周期時間比在該定時 循環(huán)的脈沖之后電路回到初始狀態(tài)的時間周期更長。定時循環(huán)中的脈沖數(shù)目可從零變化為最大數(shù)目，這對應于LED從零到最大強度的強度等級。所述負載可包括加熱元件。定時循環(huán)中的脈沖數(shù)目可從零變化為最大數(shù)目，這對應于加熱元件從零到最大熱輸出的熱輸出水平。所述電路還可包括處理裝置，以產(chǎn)生向電流開關提供的電流開關控制信號，并且為定時循環(huán)內(nèi)的每個脈沖的開始和結(jié)束計時。所述電路還可包括連接至所述負載的第二電流開關。所述電路還可包括分流電阻器，其連接至第一或第二電流開關和第一或第二電位。所述電路還可包括旁路二極管，其連接至第一或第二電流開關與第一或第二電位。應理解，上述實施方案和方面可以任何實際組合來組合或布置。本公開的實施方案的其它特征將通過本文中的描述、附圖和權(quán)利要求而顯然易見。


本公開的各方面可在連同附圖來閱讀時通過以下描述而更充分地理解，這些方面在實質(zhì)上應被視為示例性的，而非限制性的。附圖未必按比例繪制，相反地重點放在本公開的原理上。在附圖中:圖1A示出了根據(jù)本公開的示例性實施方案的簡化電路示意圖，其示出了使用電子開關來控制通過通用電負載的電流的方法；圖1B示出了根據(jù)本公開的示例性實施方案的簡化電路示意圖，其示出了使用電子開關來控制通過所述負載的電流的方法；
圖2包括根據(jù)本公開的示例性實施方案的定時圖的集合，其示出了用于FFFD控制技術(shù)中的脈沖的基本定時方案；圖3包括定時圖的集合，其示出了根據(jù)本公開的FFFD脈沖串技術(shù)的實施方案與先前的PWM脈沖方法之間的區(qū)別；圖4包括示出了先前的PWM方法的不準確性的波形的集合；圖5包括根據(jù)本公開的示例性實施方案的波形的集合，其示出了 FFFD技術(shù)的實施方案的準確性；圖6包括對比相同脈沖的實際電流與理想電流的波形的集合；圖7包括根據(jù)本公開的示例性實施方案的波形的集合，其示出了 FFFD脈沖為何向每個脈沖提供一致的電流；圖8包括根據(jù)本公開的示例性實施方案的波形的集合，其示出了計算機或處理器所產(chǎn)生的G FFFD脈沖的定時信號；圖9示出了根據(jù)本公開的示例性實施方案的處理器系統(tǒng)的電路圖，所述處理器系統(tǒng)被構(gòu)造成產(chǎn)生FFFD功率控制技術(shù)的G脈沖；圖10示出了根據(jù)本公開的示例性實施方案的通過處理器系統(tǒng)來產(chǎn)生G FFFD脈沖的流程圖；并且圖11示出了根據(jù)本公開的示例性實施方案的用于產(chǎn)生FFFD脈沖的模擬電路的電路不意圖。

雖然附圖中描述了某些實施方案，但本領域的技術(shù)人員將理解到，所描述的實施方案為示例性的，并且可在本公開的范圍內(nèi)設想和實施那些所示的變化以及本文所述的其它實施方案。因此，附圖和詳細描述在實質(zhì)上應被視為示例性的，而非限制性的。
具體實施例方式在以下詳細描述中，描述了許多具體細節(jié)，以充分理解本公開的各方面和實施方案。然而，對本領域的普通技術(shù)人員顯而易見的是，本公開的各方面和實施方案可在無需這些具體細節(jié)中的某些細節(jié)的情況下實施。在其它情況下，為了便于理解，未詳細示出所熟知的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。應當理解，本公開的上述概述和以下詳細描述均為示例性和解釋性的，而不旨在限制本公開的范圍。此外，關于本文中使用的術(shù)語，除非特別說明，否則對單數(shù)形式的元件的引用，并不旨在意指“一個且只有一個”，而是“一個或多個”。術(shù)語“一些”是指一個或多個。下劃線和/或斜體標題和副標題的使用僅為了方便起見，而不限制本公開，并且并非是指與本公開的說明的解釋相關。本公開的實施方案涉及通過施加具有固定頻率和固定持續(xù)時間(FFFD)的控制脈沖來向電(包括電子)負載輸送或施加功率的控制技術(shù)。所述負載可為任何類型的直流負載，但對于不同應用而言，可能需要電路中發(fā)生某些變化。此類FFFD技術(shù)可提供比先前技術(shù)(著名的PWM和VF技術(shù))更精確的功率輸送。這種精確的功率輸送在許多應用中是有利的，通常是在電負載中，尤其是在電動機、電燈和電熱元件中。這種精確功率輸送可特別適用于精細作業(yè)，例如在假肢、機器人、遙控機械臂(如航天飛機上)以及機動化醫(yī)療或手術(shù)設備的控制移動中，其中細微的觸碰和精確度是至關重要的。需要精確電動機移動的其它應用包括航空器如無人駕駛飛機的控制、天文望遠鏡的移動以及遠距離武器如海軍大炮的移動。根據(jù)本公開的FFFD技術(shù)包括用于驅(qū)動電負載(例如電動機)的設備和/或方法,其可比脈沖寬度調(diào)制(PWM)或變頻(VF)技術(shù)更精確。例如，PWM改變共2個可變控制參數(shù):
(I)脈沖寬度和(2)總周期長度。VF改變共2個可變控制參數(shù):(I)脈沖長度和(2)這些脈沖的頻率。通過使用FFFD技術(shù)，可使設計者改變(I)開啟脈沖的固定長度、(2)關閉或恢復期間的固定長度、(3) —個周期的總時間周期和/或(4)該時間周期中的脈沖數(shù)目。當電動機為電負載時，特別相關的是每個FFFD開啟脈沖的功率的精確輸送，從而允許精確的電動機移動。因此，根據(jù)本公開的FFFD技術(shù)可有利地代替PWM和/或VF技術(shù)使用。圖1A示出了根據(jù)本公開的示例性實施方案的簡化電路示意圖，其示出了 FFFD功率控制的通用技術(shù)(系統(tǒng)和/或方法)100。如圖所示，直流負載106可連接至所提供的從正電壓軌105流向負電壓軌110的電流，并且可通過該電流來供電。電源開關107可中斷該電流，或使其不間斷地通過，如控制脈沖108所命令。脈沖串108的模式和有效占空比最終決定通過負載106的有效電流，但該電流的準確度、效率和有效性則取決于該脈沖串的具體模式，如以下說明 所描述。如果電源開關107為功率場效應晶體管(FET)裝置，則脈沖串108 (或G脈沖)將被施加至FET的閘極。在其它構(gòu)造中，可使用任何類型的電源開關裝置，諸如晶體管。圖1B示出了簡化電路示意圖100B，其示出了非電阻性負載可能需要的一些不同的構(gòu)造。與圖1A相比，圖1B示出了兩個開關元件115和125。通過使用針對兩個開關的G脈沖串130，此雙開關可將負載120與V正線和V負線完全隔離。這在例如當負載120在本質(zhì)上具有高度電感性(例如使用電動機)時可能是必要的。當將電感負載切換成關閉狀態(tài)時，感應電流將導致負載120的負端出現(xiàn)電壓尖峰，因此在該情況下，可能需要旁路二極管140將此電流鉗位至合理的電壓。同樣地，如果需要負載120具有非常精確的功率值，例如希望將關閉狀態(tài)切換至盡可能接近零，則分流電阻器150將有效地分流走流經(jīng)呈關閉狀態(tài)的切換裝置115的漏電流。在圖1B所示的實例中，可看出當切換為關閉時，負載120真正地呈零電流狀態(tài)，而在圖1A中，在關閉狀態(tài)期間，負載106可持續(xù)使開關107的漏電流流動經(jīng)過。顯然，使用FFFD技術(shù)的其它電路設計可能僅包括這些額外組件的一些，或甚至更多且不同的組件，這對于那些特定電路設計的單位負載的變化與所需性能而言可能是需要的。應理解，可用根據(jù)本公開的FFFD技術(shù)替代PWM和/或VF技術(shù)。通過FFFD技術(shù)來施加功率的電負載實際上是需要對供給功率進行控制的任何類型的元件或組件。施加至負載的功率可通過改變在重復時間周期內(nèi)的FFFD脈沖數(shù)目進行控制。例如，此類負載包括但不限于以下任一種:電氣或電動動力工具、任何種類的電氣照明(例如LED陣列、高強度放電(HID)照明等)、電熱器和加熱元件、風扇電動機和空氣凈化器、電動自行車、摩托車、小型摩托車、電動高爾夫球車、電子玩具、電動舵機、電動船、電動液壓系統(tǒng)(包括它們在起重機、手推車、手動拖板車中的應用)、電子或電動假肢、電子或電動義肢、電動牙刷、電子或電動醫(yī)療設備(包括可調(diào)床、輪椅、吸引設備、人工心臟、牙鉆)、電動泵、電子和電動無人駕駛飛機、電動訓練設備(包括跑步機、爬梯機)、電動車(包括公交車、火車、室內(nèi)有軌電車、手推車、地鐵)、電器(包括電冰箱)、電動園藝工具(包括剪修工具、雜草切除機、綠籬機、割草機)。示例性實施方案可與無刷直流電動機一起使用，包括用于線性和旋轉(zhuǎn)式致動器或伺服電動機的那些。圖2示出了根據(jù)本公開的示例性實施方案的一組定時圖，其示出了 FFFD方法的基本構(gòu)思。如圖所示，單個G脈沖201可開啟電源開關，例如圖1A中的電源開關107，以用于等于基本脈沖長度的短周期。這將一組數(shù)量的功率提供至負載，例如圖1A的負載106。例如，如果需要將三倍(3X)功率輸送至負載，則通過脈沖控制串(例如圖1A的脈沖串108)來對三個⑶脈沖205進行時控。這些脈沖(例如圖1A脈沖串108所示的脈沖)可通過具有邏輯輸出的微型計算機或其它類似裝置(例如，處理器系統(tǒng)，如CPU等)的輸出來形成。同樣地，如果說需要六倍(6X)功率，則將六個(6)脈沖發(fā)送至電源開關，例如圖1A的電源開關107。此模式可在長度周期(或周期)Tcycle 211中重復，可將Tcycle 211選擇為足夠短到不會在負載(例如圖1A的負載106)中引起問題，但卻足夠長到允許負載所需要的最大所需脈沖108。如果Tcycle (定時循環(huán)周期)過長，則施加至負載的功率可能似乎不均勻，即不規(guī)則。繼續(xù)參考圖2，Tcycle 211優(yōu)選地足夠長以具有足夠的脈沖數(shù)目來進行精細控制。例如，如果在功率步驟中需要使負載控制在1%之內(nèi)，則Tcycle211將優(yōu)選地包括周期類型210的長度那樣長的至少100個脈沖數(shù)。然后，Tcycle的確定將取決于以下應用，即特定負載(例如圖1A的負載106)的具體要求。如果負載例如為LED光，則脈沖210每者均可為一微秒的若干分之一，并且Tcycle 211為一毫秒的若干分之一。如果負載(例如負載106)為汽車的電動機，則根據(jù)設計細節(jié)，脈沖210可例如為20毫秒，并且Tcycle211可例如為250毫秒。圖3示出了定時圖的集合300，其示出了本公開的FFFD實施方案與脈沖寬度調(diào)制(PWM)和變頻(VF)的常規(guī)功率控制方法之間的區(qū)別。在PWM中，脈沖301顯示最小時間周期的脈沖。如圖所示，當需要三倍(3X)的功率量時，脈沖長度305會長于三倍(3X)。理想的是，脈沖305將產(chǎn)生的功率為脈沖301的數(shù)倍(3X)。如隨后所示，這僅為理想情況；而不會在實際電路中發(fā)生。脈沖流310顯示了在VF方法中用于提供I級功率的特定脈沖重復頻率。為了提供三倍(3X)的功率，需要三倍(3X)的頻率，以產(chǎn)生脈沖流315。另外，在理想情況中，這應當提供數(shù)倍(3X)的功率，但在實際電路應用中這將被顯示為具有偏差。圖4示出了定時圖的集合400，其示出了 PWM技術(shù)的缺點。圖4示出了 PWM方法在實際電路中不準確的原因。假設脈沖401為PWM應用中的最低功率狀態(tài)的脈沖。這會產(chǎn)生通常被示為410的電流。雖然理想的是，該電流應為方波函數(shù)，即與控制脈沖401相同的形狀，但是真實情況則具有電容與電感效果。這甚至在負載為純電阻性負載時也是如此，因為連接電路必須具有有限長度的導體，而該導體又必須具有可測量的雜散電容和電感。因此，電流410的典型波形由于這些非零的電容值和電感值而表現(xiàn)出失真。該上升時間和“環(huán)形”波形可通過將示波器探針連接至典型電路而容易被看見。這種環(huán)形對PWM方法具有影響。然后，由脈沖401產(chǎn)生的總電流由圖線415表示。如果脈沖420表示PWM實例的2級PWM脈沖，則脈沖 420盡可能接近脈沖401長度的兩倍。該結(jié)果為由圖線430所示的電流。另外，在理想情況下，430的形狀應當為與控制脈沖420相同的形狀，并且理想的是，430的總電流正好為電流410的兩倍。在實際電路中，圖線430為實際電流的典型圖示。由于410與430為環(huán)形，則總電流435不為415的總合的兩倍，而是某個其它值(其實例如圖6所示)。
圖5示出了 FFFD方法如何更精確地產(chǎn)生功率的增量。在FFFD脈沖501中，對負載所產(chǎn)生的瞬時電流由實際的典型波形505來顯示。這可產(chǎn)生曲線510所示的總電流。當需要兩倍的功率值時，F(xiàn)FFD方法采用兩個脈沖，如520所表示。因為這兩個脈沖大致相同，并且每者均與501具有相同的形狀和長度，所以所得瞬時電流525僅為兩個大致相同的波形525，這些波形中每者均與505大致相同。因此，由兩個FFFD脈沖520產(chǎn)生的總電流530為510的電流(針對單個脈沖501)的大致兩倍。即使對于實際電路，兩個脈沖520也可通過明顯的環(huán)形來提供一個脈沖501的功率的大致兩倍，如圖所示。圖6包括定時圖的集合600，其示出了 PWM技術(shù)的缺點。在圖6中，曲線640表示PWM脈沖時間，其需為單個時間周期的功率的11倍。在理想情況下，曲線650上所顯示的所得電流包I至11將在時間、大小和形狀上相同，特別地完全為矩形。然而，在實際電子電路中，電感和電容以及控制電子流速度的物理定律會產(chǎn)生由曲線601表示的所得電流的實際波形。在該波形上，能夠看出，該波的第一部分由于電子器件的電感效應而在605處呈現(xiàn)上升時間。如610所示，相同的電感會使電流過沖而達到高于理想的純電阻情況中所遇到的水平。然后，電流會在該曲線的615至611處經(jīng)歷一個周期或環(huán)形，直到最終穩(wěn)定到一個穩(wěn)定值，而這在PWM脈沖相比于最大總環(huán)形時間而言較短的情況下絕不會發(fā)生。PWM脈沖的每個時間周期的所得電流包由曲線620表示。如圖所示，第一時間包621小于第二包622，并且每者均不同于所有其它包，直到環(huán)形最終停止為止，但可能不會在與第一脈沖相同的值處。即使當PWM脈沖停止時，實際的電流切斷也會產(chǎn)生由630表示的電流。因此，PWM方法不能僅通過將時間周期延長多倍量來提供多倍單個脈沖。該實例僅顯示了 PWM方法的電流偵U。當考慮到功率的無功分量和功率因數(shù)(即瞬間電壓X瞬間電流)時，與理想情況的偏差甚至會更加失真。因此，不可實現(xiàn)通過PWM對精確值的控制。圖7包括與本公開的FFFD實施方案相對應的定時波形的集合700。圖7示出了FFFD脈沖如何不會受到實際電路的環(huán)形的影響。對于短FFFD脈沖而言，曲線705為當電路從關閉狀態(tài)切換至開啟狀態(tài)時的電位波形(相當于601的上升時間和環(huán)形)，并且曲線701示出了通過電路的實際電流 ，以上升時間失真完成，并關閉在后沿處的泄漏?？傠娏靼?10表示，其包括上升時間、環(huán)形和關閉失真全部，但在第一脈沖的基本周期結(jié)束時截止。當向電源開關提供多個FFFD脈沖時，其結(jié)果為被示為715的多個電流包。每個715電流包均與單個包701大致相同。FFFD脈沖之間的弛豫時間717使得實際電路在第一脈沖之前回到初始狀態(tài)。這意味著每個脈沖715具有與向脈沖705提供的大致相同的起始狀態(tài)。因此，通過僅僅增加脈沖數(shù)目，根據(jù)本公開的FFFD技術(shù)便可產(chǎn)生功率的任何整數(shù)增量。一個限制因素可為功率增量的最大分辨率必須適合Tcycle時間周期，例如圖2的周期211，并且在采用FFFD方法時，這些數(shù)目被選擇作為設計周期的一部分。固定持續(xù)時間脈沖在FFFD中的優(yōu)點可能也適用于變頻(VF)方法(圖310,315),但事實并非如此，如下面將解釋。雖然VF方法中的所有脈沖的開啟周期相同，但是該方法存在若干缺點。由于數(shù)字計算機的數(shù)字特性，通過其來完全產(chǎn)生所有頻率是不可能的。例如，如果將1000赫茲用作所需功率的最低值的基準頻率，并且其可以每1.0毫秒在一個脈沖中產(chǎn)生，則對于3的值為3千赫茲或333.333333赫茲，其不能在數(shù)字上確切地實現(xiàn)。考慮到該問題將針對至少每個質(zhì)數(shù)發(fā)生，并且數(shù)值“粒度”將在較短的時間周期時存在更大的問題，因為脈沖更緊密地在一起，即性能系統(tǒng)更高。同樣考慮到在圖315中，脈沖之間的時間會隨著頻率的每次變化而改變。這意味著弛豫時間(即關閉時間)會隨著每個不同頻率值而改變。因此，對于每個頻率而言，初始狀態(tài)均不同，因為這些脈沖之間已存在不同量的穩(wěn)定時間。另外，例如對于高性能系統(tǒng)而言，當脈沖之間的時間變短時，該問題將是最普遍的。FFFD技術(shù)通過使頻率和脈沖開啟周期保持恒定可確保功率增量盡可能接近理論數(shù)值。此外，F(xiàn)FFD技術(shù)可提供優(yōu)于VF技術(shù)的另一個優(yōu)點。例如，對于FFFD技術(shù)，脈沖計時是恒定的，并且可被選擇以使得在敏感頻率上無射頻干擾(RFI)。相比之下，對于VF，這些頻率不同且以多個頻率及其諧波輻射，這可導致不必要的RFI。這對于諸如對航空器和醫(yī)院等的應用尤其如此，其中RFI可導致嚴重的問題。這些情況下的VF可能需要屏蔽RFI，然而一旦設置了 FFFD計時，則任何RFI均具有固定頻率，由此具有可預測的頻率。這種RFI問題尤其出現(xiàn)在將脈沖用于驅(qū)動電動機的情況下，因為電動機繞組對功率的固有使用會使磁場形成和崩潰。根據(jù)本公開的FFFD技術(shù)可在其它方面具有明顯的優(yōu)點。以其在驅(qū)動電動機上的用途為例。標題為"Current Limiting For Electric Motor Start_up〃 的美國專利第5，442，272號教導到，需要具有附加外部組件，以在從停止狀態(tài)啟動直流電動機時，防止過電流流動。然而，通過使用FFFD方法，可選擇脈沖持續(xù)時間，以提供在電動機停止且沒有反電動勢時不會超速驅(qū)動電動機繞組的脈沖功率周期。這也可防止電動機上的機械負載大到使電動機移動停止時的過電流狀況，并且可選擇脈沖持續(xù)時間和間隔以便不使繞組過熱。對于PWM，試圖補償過載電動機的控制器可將占空比的長度增加至會損壞相關電動機的長度；FFFD技術(shù)則可防止這種情況發(fā)生。大多數(shù)電子器件由使用數(shù)字電路的計算機控制。由于計算機的數(shù)字特性，F(xiàn)FFD方法比PWM或VF更適于計算機應用。計算機與置位時鐘一起運行，這意味著計算機指令的執(zhí)行(即運行軟件)僅發(fā)生在計算機時鐘周期的特定部分處。通常，計算機時鐘在機器語言指令集中的多個上運行。注意圖8，示出了根據(jù)本公開的示例性實施方案的波形的集合800，其示出了計算機或處理器所產(chǎn)生的G FFFD脈沖的定時信號。在圖8中，計算機時鐘信號被示為信號810。在典型的計算機芯片中，計算機機器指令的“執(zhí)行”部分(通常為整個計算機周期中的四個部分之一)通常以每第四個時鐘周期發(fā)生，(雖然一些特殊類型的計算機機器指令可能會變化，但其仍是偶數(shù)個時鐘周期)。這意味著，如果計算機試圖在輸出端口上產(chǎn)生高、然后低、然后高狀態(tài)的脈沖周期，則這些狀態(tài)變化可能僅在以每第4個周期來表示的離散時間發(fā)生(如圖8中以820來表示)，并且以線條830所表示的離散時間標記再發(fā)生。因此，最快的脈沖將為由四(4)個時鐘周期組成的脈沖，如840所示。繼續(xù)參考圖8，對于一個計算機指令將線條設置為較高(在840處)的情況，將輸出端口復位至較低可能最早僅發(fā)生在845或任何其它時間標記830處，而非兩者間的任何時間。例如，圖8上的高周期860表示三(3)個全計算機定時循環(huán)的脈沖。全計算機周期之間的脈沖(例如2.7)由于計算機的固有操作而不可能存在。同樣地，脈沖850、875的較低或恢復部分也為計算機循環(huán)次數(shù)的整數(shù)值。在所示實例中，850的關閉或低周期為七(7)個計算機周期那么長，并且對于875而言，其為九(9)個計算機周期那么長。一旦這兩個周期，即高狀態(tài)周期840或860以及低狀態(tài)周期850、875由FFFD電子電路的用戶來選擇，則這兩個周期由于計算機操作的性質(zhì)而被簡潔地復制。為此，計算機的輸出端口僅可在離散時間830處從一種狀態(tài)切換成另一種狀態(tài)，并且控制電動機或其它電負載的功率的VF方法為何不精確的原因變得顯而易見，因為脈沖的一小部分是不可能存在的。生成由FFFD參數(shù)的選擇所產(chǎn)生的G脈沖流或串(例如圖8的串880)的硬件可通過圖9所示的電路在一個實施方案中實現(xiàn)。如圖所示，被指定為CPU的計算機芯片(即元件930)可利用計算機時鐘910，例如石英晶體組件，以得到時鐘頻率920?？梢钥闯?，920對CPU提供時鐘脈沖，例如圖8的脈沖串810，從而在CPU 930運行適當?shù)能浖r，使I/O (輸入/輸出)端口 940具有產(chǎn)生G脈沖信號950 (類似于圖8中的880)的能力。當然，本公開并不受限于特定類型的振蕩器或時鐘，并且任何合適的類型均可用于本公開的實施方案中。CPU (例如CPU 930)的軟件可在示例性實施方案中包括或執(zhí)行圖10所示的子程序1000。對于子程序1000而言，每當要在每個Tcycle開始時(例如圖2的周期211)產(chǎn)生G脈沖流時，該CPU中的主要軟件便會調(diào)用從1005開始的子程序“G脈沖時鐘輸出” 1000。用戶例如在1010處向所述子程序指定要產(chǎn)生的脈沖數(shù)目N，高或開啟周期的計算機循環(huán)周期的長度HI，低或關閉周期的計算機循環(huán)周期的長度LO以及必須使用該G脈沖流來驅(qū)動的I/O端口的數(shù)目S。所述子程序可確保G脈沖流處于低狀態(tài)，如1015所述。然后，將計數(shù)器設置為等于1010所命令的高周期的數(shù)目，例如等于HI。如果需要盡可能最短的脈沖，例如計數(shù)等于I，則在計數(shù)1035的測試中，該程序會分支到1030，其將I/O端口 S設置為高，然后在1060，在恰好下一個計算機周期內(nèi)將其重新設置為低。如果相反地在指令1035中，指定的計數(shù)大于1，則將I/O端口 S設置為高1040，并且通過使指令1055經(jīng)由1050分支到其本身來將計算機周期計數(shù)以每個計算機周期遞減一個數(shù)。每個回路到其本身會消耗一個計算機周期，并且會使計數(shù)遞減直到最后的周期為止，此時計數(shù)等于1，并且該程序繼續(xù)進行通過將S I/0端口設置為低來終止高狀態(tài)的指令1060。然后，將計數(shù)器設置為G脈沖應當處于低狀態(tài)時的計算機周期的數(shù)目，例如L0。分路1070中的回路回到其本身1080，使計數(shù)器每個回路遞減一個，直到該值達到零為止。當計數(shù)器已對LO數(shù)的周期進行遞減計數(shù)時，該程序繼續(xù)進行到1085。如果該Tcycle周期的G脈沖的數(shù)目為1，則減量到0會使該程序退出子程序1190，直到在下一個Tcycle開始(例如圖2的Tcycle 211)時，該程序再次調(diào)用該子程序為止。如果脈沖數(shù)目大于I，則減量N會產(chǎn)生非零值，并且子程序分支1075回到1025，其中會產(chǎn)生下一個高脈沖。當該Tcycle的G脈沖數(shù)目完成時，N計數(shù)將為0，并且子程序?qū)⑼顺?085而進行至1090。該子程序的結(jié)果為G脈沖流，例如圖8的880，其中對于頂部模式而言，HI=I，L0=7且N=3 (如圖所示)；并對于底部模式而言，HI=3, L0=9且N=2 (如圖所示)。需要注意的是，Tcycle (例如圖2的Tcycle 211)將遠長于圖8所示的時間周期，因此該數(shù)目N會遠高于圖8單獨所示的數(shù)目。FFFD技術(shù)可在各個其它實施方案中具有由模擬分量而非數(shù)字分量所產(chǎn)生的多個FFFD脈沖(“G脈沖”)，如關于圖11來示例性說明。圖11示出了根據(jù)本公開的示例性實施方案的用于產(chǎn)生FFFD脈沖的模擬電路1100的電路示意圖。在圖11 中，模擬電路1100包括兩個單觸發(fā)(或單發(fā))組件1150和1190(例如⑶4047CM0S裝置)或者其在TTL中的等效物或其它固態(tài)變型。如圖11所示，由該TcycIe時間中的G脈沖所產(chǎn)生的脈沖數(shù)1105被加載到遞減計數(shù)器1110中。計數(shù)器的非零狀態(tài)使零(逆向)線條變高1115，從而觸發(fā)單觸發(fā)組件1190。單觸發(fā)組件輸出由RC網(wǎng)絡1120所確定的設定持續(xù)時間的脈沖1125。該構(gòu)造最可用于硬件設計中需固定G脈沖的時間周期的情況中?？衫缤ㄟ^使用RC構(gòu)造內(nèi)的微調(diào)電位器或調(diào)諧電容器來實現(xiàn)對RC時間的調(diào)整。脈沖1115通過電路1140反轉(zhuǎn)，從而提供1125的反轉(zhuǎn)脈沖1145的形式。然后，1145的上升邊與1125的后沿處于同一時間，并且觸發(fā)單觸發(fā)組件1150，單觸發(fā)組件1150通過RC網(wǎng)絡1155來調(diào)整，以提供G脈沖的關閉或低時間1160。另外，如果需要，該RC網(wǎng)絡可通過微調(diào)電位器或調(diào)諧電容器進行微調(diào)。脈沖1160和脈沖1125與NOR閘極1165組合以提供脈沖1170，如定時圖1195所示。脈沖1170用于在引腳“/禁止”(負禁止線)處禁止計數(shù)器1110的前進。當脈沖1170完成時，脈沖1170的上升邊緣1180允許計數(shù)器1110前進到下一個G脈沖。當計數(shù)器1110遞減計數(shù)到零時，其停止將脈沖經(jīng)由線1115發(fā)出到單觸發(fā)組件1190。G脈沖在此電路中出現(xiàn)在1130處。在Tcycle 211結(jié)束時，下一批G脈沖通過以脈沖數(shù)目再次加載計數(shù)器1110來輸出。因此，本公開實施方案可提供相對于先前技術(shù)(包括PWM和VF技術(shù))的有益效果。根據(jù)本公開的FFFD技術(shù)利用具有固定頻率固定持續(xù)時間脈沖的電序列脈沖來控制施加至給定電負載的功率。所述負載可為任何類型的直流負載。例如，本公開的實施方案可對例如在假肢、機器人(例如航天飛機上的遙控機械手臂)以及機動醫(yī)療或手術(shù)設備的精細作業(yè)提供精確的功率控制，其中精細觸控至關重要。需要精確電動機移動的其它應用包括航空器如無人駕駛飛機的控制、天文望遠鏡的移動以及遠距離武器如海軍大炮的移動等。雖然本文中結(jié)合特定實施方案描述了本公開的各個方面，但應該指出的是，適用領域的技術(shù)人員可在本公開的精神范圍內(nèi)做出變化。可在不脫離本公開精神和范圍的情況下將本文描述的各種功能和元件與所示出的那些進行不同的劃分。對這些實施方案的各種修改對于本領域的技術(shù)人員將顯而易見，而且本文定義的一般原理可應用于其它實施方案。因此，在不脫離本公開和要求保護的實施方案的精神和范圍的情況下，普通技術(shù)人員可進行許多改變和修改。本領域技術(shù)人員將理解到，本公開的實施方案和/或?qū)嵤┓桨傅牟糠挚梢?用計算機可讀存儲介質(zhì)(例如，硬件、軟件、固件或任何此類的組合)來實施，并且可分布在一個或多個網(wǎng)絡上。本文描述的步驟，包括推導、得到或計算本公開實施方案所利用和/或產(chǎn)生的公式和/或數(shù)學模型的處理函數(shù)，可通過一個或多個適合的處理器例如中央處理單元(“CPU”)處理，從執(zhí)行呈任何合適語言(機器相關或機器獨立語言)的合適代碼/指令。另外，本公開的實施方案可以信號和/或載體來實施，例如經(jīng)由通訊信道或網(wǎng)絡上發(fā)送的控制信號。此外，實施本公開的方 法、過程和/或算法的軟件可以電信號來實施或運載例如以供因特網(wǎng)和/或無線網(wǎng)絡使用。
權(quán)利要求
1.一種使用固定持續(xù)時間和固定頻率的脈沖來對電負載進行功率控制的方法，所述方法包括: 通過處理系統(tǒng)提供定時信號； 確定電負載的期望功率電平； 產(chǎn)生控制信號，所述控制信號包括在所述定時信號內(nèi)并且對應于所述期望功率電平的固定持續(xù)時間和固定頻率的一系列控制脈沖；并且 將所述控制信號提供給連接至所述電負載的電流開關的輸入，以將所述開關設置成每個脈沖期間的開啟狀態(tài)和每個脈沖之后的關閉狀態(tài)之一，從而在所述開啟狀態(tài)期間使電流通過所述電負載從第一電位流向第二電位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括改變重復時間周期內(nèi)的脈沖數(shù)目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電負載包括一個或多個直流電動機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中提供定時信號包括使用利用遞減或遞增計數(shù)器的軟件來控制所述控制脈沖的時間周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求3 所述的方法，還包括控制所述一個或多個直流電動機的移動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中產(chǎn)生控制信號包括使用模擬脈沖成形電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括控制施加至一個或多個電動機的功率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制施加至一個或多個電光源的功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括通過改變重復時間周期內(nèi)的脈沖數(shù)目來控制所述一個或多個光源的光輸出的強度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制施加至一個或多個加熱裝置的功率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括通過改變重復時間周期內(nèi)的脈沖數(shù)目來控制熱輸出。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過改變重復時間周期內(nèi)的脈沖數(shù)目來控制施加至一個或多個開關電源的功率。
13.一種FFFD功率控制電路，包括: 第一電位； 第二電位； 電負載；以及 電流開關，其連接至所述電負載并且包括輸入以接收電流開關控制信號，以將所述開關設置成開啟狀態(tài)和關閉狀態(tài)之一，所述狀態(tài)包括定時循環(huán)，所述定時循環(huán)內(nèi)具有固定持續(xù)時間和固定頻率的一系列脈沖，從而在所述開啟狀態(tài)期間使電流通過所述負載從所述第一電位流向所述第二電位，以使所述負載在所述定時循環(huán)內(nèi)接收功率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述負載為發(fā)光二極管(LED)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述負載包括發(fā)光二極管的陣列。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述負載包括直流電動機的電路。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電路，其中所述直流電動機為無刷直流電動機。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述負載包括交流電動機的電路。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述電路具有在電流流經(jīng)所述電流開關之前的初始狀態(tài)，并且所述定時循環(huán)的脈沖之間的周期時間比在所述定時循環(huán)的脈沖之后所述電路回到所述初始狀態(tài)的時間周期更長。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電路，其中定時循環(huán)中的脈沖數(shù)目從零變化為最大數(shù)目，其對應于所述LED從零到最大強度的強度等級。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述負載包括加熱元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的電路，其中定時循環(huán)中的脈沖數(shù)目從零變化為最大數(shù)目，其對應于所述加熱元件從零到最大熱輸出的熱輸出水平。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，還包括處理裝置，以產(chǎn)生向所述電流開關提供的所述電流開關控制信號，并且為所述定時循環(huán)內(nèi)的每個脈沖的開始和結(jié)束計時。
24.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，還包括連接至所述負載的第二電流開關。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的電路，還包括分流電阻器，其連接至所述第一或第二電流開關和所述第一或第二電位。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的電路，還包括旁路二極管，其連接至所述第一或第二電流開關和所述第一或第二電 位。
全文摘要
描述了用于將功率施加至電負載的固定頻率、固定持續(xù)時間的功率控制方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的FFFD技術(shù)利用具有固定頻率固定持續(xù)時間脈沖的電序列脈沖來控制施加至負載的功率。所述負載可為任何類型的直流負載。FFFD技術(shù)允許對開啟脈沖的固定長度、關閉或恢復周期的固定長度、一個周期的總時間周期和/或所述時間周期中的脈沖數(shù)目進行可控變化。描述了對電動機、電照明和電加熱的應用。也描述了相關電路。
文檔編號H02M3/335GK103229402SQ201180018514
公開日2013年7月31日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日
發(fā)明者B·D·雅爾布特, B·王 申請人:Lsi工業(yè)公司