专利名称：脉宽调制空载时间补偿方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有数字脉宽调制(PWM)能力的数字装置，且更特定来说，涉及在 控制例如电动机的电感负载时具有对PWM波形的空载时间补偿的数字装置。
背景技术：
脉宽调制(PWM)控制器正有效地用于控制电力供应器中的电压电平且控制电动 机的旋转速度及方向。对于电动机控制，以各种速率接通及关断直流(DC)电源以产生用 于控制电动机的速度及旋转方向的交流(AC)波形。参考图1，其描绘脉宽调制(PWM) 功率控制器102的示意性框图及功率驱动器电路106的示意性连接图。通常，“半桥式” 功率晶体管配置功率晶体管110及112 (例如功率MOSFET、SCR、三端双向可控硅开关 等)由两个互补PWM信号PWMH 220及PWML 222控制，在任何时间所述两个互补信 号中仅有一者接通。为确保可不存在两个互补PWM信号的“接通”重叠，在此两个互 补PWM信号PWMH 220及PWML 222(通常参考图2)之间引入“空载时间”。“空载 时间”功能确保在接通一个晶体管同时接通另一晶体管时不产生电流尖峰(例如，无将导 致+V与-V之间的短路的“接通”重叠)。在空载时间电路为所需功能的同时，其也产 生其自身的“问题”。关于空载时间电路的最大问题是所产生的晶体管波形因电动机绕 组的电感而失真。此波形失真致使受控制的电动机大致以缓慢的电动机速度运行。可使 用空载时间补偿电路对由电动机电感导致的失真进行校正。
参考图3，其描绘用于产生具有空载时间补偿的互补PWM波形的数字PWM产 生系统的具体实例性现有技术实施例的示意性框图。用于空载时间补偿的这些现有技术 根据电动机负载中的电流的方向而在两个不同的PWM工作循环之间进行选择。如图3 (a) 中所示，简单空载时间补偿电路使用多路复用器306以根据装置输入340的状态(由电动 机电流的方向确定)而选择来自不同工作循环控制寄存器302及304的两个工作循环值中 的一者。此现有技术实施例需要大量的软件“额外开销”来持续地计算新的工作循环值 并将其加载到装置的工作循环控制寄存器302及304中。如图3(b)中所示，另一技术使 用需要硬件加法器/减法器310的“强力”方法，所述硬件加法器/减法器基于穿过受 控制电动机的电流的方向而自动地计算所要的经补偿空载时间值并将其加到存储于工作 循环控制寄存器302及304中的循环值上/将其从所述循环值中减去。图3(b)的硬件实 施方案实施起来较昂贵且复杂。发明内容
因此，存在对一种实施适合于负载电流的两个方向的互补PWM信号的空载时间 补偿的简单、具成本效益且高效的方式的需要，例如，所述负载可以是电动机或任一其 它类型的电感负载。
因此，根据本发明的教示内容，通过以下步骤从脉宽调制(PWM)产生器获得经 空载时间补偿的互补PWM信号首先基于正由所述PWM产生器控制的电感负载中的电流的方向而向PWM产生器信号施加时间周期补偿。接着向经补偿的PWM产生器信号施 加空载时间以产生互补的经空载时间补偿的PWM信号，用于控制驱动所述电感负载的功 率切换电路。
根据本发明的另一具体实例性实施例，一种向脉宽调制(PWM)信号提供空载时 间补偿并从中产生互补PWM信号的方法包括以下步骤补偿脉宽调制(PWM)信号的时 间周期，其中所述补偿所述PWM的所述时间周期的步骤包括以下步骤如果电感负载 的电流正在第一方向上流动，那么伸展所述PWM信号的所述时间周期；或如果所述电 感负载的所述电流正在第二方向上流动，那么收缩所述PWM信号的所述时间周期；将 空载时间加到所述PWM信号的所述经补偿的时间周期上；以及从所述经空载时间补偿 的PWM信号产生互补PWM信号。
根据本发明的另一具体实例性实施例，一种用于向脉宽调制(PWM)信号提供 空载时间补偿并从中产生互补PWM信号的设备包括第一电路，其用于补偿脉宽调制 (PWM)信号的时间周期，其中所述时间周期在电感负载电流正在第一方向上流动时伸展 且在所述电感负载电流正在第二方向上流动时收缩；第二电路，其用于将空载时间加到 所述PWM信号的所述经补偿的时间周期上；以及第三电路，其用于从所述经空载时间 补偿的PWM信号产生互补PWM信号。
根据本发明的又一具体实例性实施例，一种用于向脉宽调制(PWM)信号提供 空载时间补偿并从中产生互补PWM信号的设备包括第一延迟电路002)，其用于使 PWM信号(450)延迟且具有经延迟的PWM信号052)的输出；第一边缘检测器电路 (404),其用于针对所述PWM信号050)的每一逻辑电平转变而产生一启动信号；第 一计时器006)，其耦合到所述第一边缘检测器电路004)，其中每当所述PWM信号 (450)进行逻辑电平转变时所述第一计时器(406)就产生一补偿时间周期，所述第一计时 器(406)具有补偿时间周期信号(454)的第一输出及互补补偿时间周期信号(456)的第二 输出；“或”门008)，其具有耦合到所述经延迟的PWM信号052)的第一输入、耦合 到所述补偿时间周期信号GM)的所述第一输出的第二输入及经伸展的PWM信号(458) 的输出；“与”门G10)，其具有耦合到所述经延迟的PWM信号052)的第一输入、 耦合到所述互补补偿时间周期信号G56)的所述第二输出的第二输入及经收缩的PWM信 号G60)的输出；多路复用器012)，其具有耦合到所述经伸展的PWM信号058)的第 一输入及耦合到所述经收缩的PWM信号060)的第二输入，其中所述多路复用器(412) 的输出在电感负载的电流正在第一方向上流动时耦合到所述第一输入且在所述电感负载 的所述电流正在第二方向上流动时耦合到所述第二输入，借此所述多路复用器G12)的 所述输出产生经补偿的PWM信号062)；第二延迟电路022)，其用于使所述经补偿的 PWM信号(46 延迟且具有经延迟的经补偿PWM信号064)的输出；第二边缘检测器 电路GM)，其用于针对所述经延迟的经补偿PWM信号(464)的每一逻辑电平转变而产 生一启动信号；第二计时器026)，其耦合到所述第二边缘检测器电路004)，其中每当 所述经延迟的经补偿PWM信号(464)进行逻辑电平转变时所述第二计时器(406)就产生 一空载时间时间周期，所述第二计时器(426)具有经空载时间补偿的PWM信号066)的 输出；“与”门G14)，其具有耦合到所述经补偿的PWM信号062)的第一输入、耦 合到所述经空载时间补偿的PWM信号066)的第二输入及第一互补的经空载时间补偿的PWM信号(PWMH468)的输出；以及“与”门016)，其具有耦合到所述经延迟的经补 偿PWM信号064)的第一输入、耦合到所述经空载时间补偿的PWM信号066)的第二 输入及第二互补的经空载时间补偿的PWM信号(PWML470)的输出。
通过参考结合附图进行的以下说明可更全面地理解本发明，附图中
图1图解说明脉宽调制(PWM)功率控制器的示意性框图及功率驱动器电路的示 意性连接图2图解说明以下各项的时序图(a)互补PWM波形，(b)在PWM与互补 PWM波形之间具有空载时间的互补PWM波形，及(c)具有空载时间补偿的互补PWM波 形；
图3图解说明用于产生具有空载时间补偿的互补PWM波形的现有技术数字 PWM产生系统的示意性框图4图解说明根据本发明的具体实例性实施例用于产生具有空载时间补偿的互 补PWM波形的数字PWM产生器的示意性框图；且
图5图解说明在图4中所示的PWM产生器的操作期间产生的信号波形的示意性 时序图。
尽管本发明易于作出各种修改及替代形式，但在图式中是显示并在本文中详细 地描述其具体实例性实施例。然而，应理解，本文对具体实例性实施例的说明并非打算 将本发明限定于本文所揭示的特定形式，而是相反，本发明打算涵盖所附权利要求书所 界定的所有修改及等效形式。
具体实施方式
现在参照图式，其示意性地图解说明具体实例性实施例的细节。图式中，相 同的元件将由相同的编号表示，且相似的元件将由带有不同小写字母后缀的相同编号表示。
图1图解说明脉宽调制(PWM)功率控制器的示意性框图及功率驱动器电路的示 意性连接图。PWM功率控制器102可包括具有互补PWM信号产生的数字装置104及用 于驱动例如电动机、电感加热器等负载的功率驱动器电路106。功率驱动器电路106可 包括用于将所述负载(未显示)以交替方式连接到+V(晶体管110接通)或_V(晶体管 112接通)的功率驱动器晶体管110及112。晶体管110及112两者无法同时接通，否 则可发生对所述功率电路可极具破坏性的电流贯通。分别通过来自数字装置104的互补 PWM信号220及222来控制接通及关断晶体管110及112。晶体管110及112表示用于 电感负载的单相的驱动器电路10虹。对于多相电感负载(例如，多相电动机)，一对晶 体管Iio及112将用于相位(例如，三个相位)中的每一者。
参考图2，其描绘以下各项的时序图(a)互补PWM波形，(b)在PWM与互补 PWM波形之间具有空载时间的互补PWM波形，及(c)具有空载时间补偿的互补PWM波 形。PWML波形信号222b将处于逻辑电平低(“0”)，例如，从而控制晶体管110关 断，且PWMH波形信号22 处于逻辑电平高(“1”)，例如，从而控制晶体管112接通，且反之亦然。因此，此两个信号220a及22 是彼此“互补的”或“相反的”以便 确保在某一时间晶体管110及112中仅有一者接通。
为进一步保证在某一时间晶体管110及112中仅有一者接通，向PWM波形信号 220b及22 中的至少一者引入空载时间202。空载时间202有效地防止在晶体管110或 112中的一者接通而另一者关断时发生电流贯通，类似于先断后通开关。然而，引入空载 时间202产生到电动机的功率的电压及电流失真。这是因为电动机为电感的且因此在空 载时间周期期间电流继续在电动机绕组中流动。因此，到电动机的所施加电压失真，从 而导致电动机中的电流失真。可根据电动机电流方向使PWM波形预失真来对电动机中的 此不合意电流失真进行补偿。可通过使PWM波形信号中的例如PWM波形信号22 的 一者伸展(由编号208表示)并使另一信号收缩(例如)PWM波形信号220c的时间204 及206来完成PWM波形的预失真，如本文中更全面地描述。
现在参考图4及5，其中图4描绘根据本发明的具体实例性实施例用于产生具有 空载时间补偿的互补PWM波形的数字PWM产生器的示意性框图，且图5描绘在图4中 所示的PWM产生器的操作期间产生的信号波形的示意性时序图。根据本发明的应用于 图4的具体实例性实施例的教示内容，PWM信号462是PWM信号450的“预失真”版 本，且PWMH信号468及PWML信号470包括原始PWM信号450的互补的借助空载时 间预失真的(消隐)信号，如下文更全面地描述。数字电路设计领域的且受益于本发明 的技术人员可设计出将仍在本发明的精神及范围内的其它逻辑电路配置。
将来自PWM产生器(例如，数字装置104的一部分)的PWM信号450同时施加 到1时钟延迟电路(寄存器)402及边缘检测器404的输入。1时钟延迟电路402使PWM 信号450延迟1个时钟时间周期以产生经延迟的PWM信号452，其为已被延迟1个时钟 周期的PWM信号450的复制品。每当边缘检测器404检测到逻辑电平转变(例如，低 到高或高到低)时，边缘检测器404的Q输出就将启动空载时间补偿计时器406(例如， 单触发计时器)。空载时间计时器406的接通时间持续时间可以是可通过数字输入472编 程的以提供所要量的空载时间补偿，例如204及206(参见图幻。在从边缘检测器404接 收此启动信号之后，空载时间计时器406在其Q输出上产生逻辑高(“1”)且在其Q/ 非输出上产生逻辑低(“0”)，分别作为计时信号妨4及456。在“或”门408中对经 延迟的PWM信号452与计时信号妨4进行逻辑“或”运算以产生“经伸展的” PWM信 号458。在“与”门410中对经延迟的PWM信号452与计时信号妨4进行逻辑“与” 运算以产生“经缩短的” PWM信号460。经延迟的PWM信号452的1时钟周期时间延 迟确保PWM信号452以及输出计时信号妨4及456分别在适当时间抵达“或”门408及“与”门410的输入。
多路复用器412根据校正输入信号440逻辑电平而选择输入a上的“经伸展 的” PWM信号458或输入b上的“经缩短的” PWM信号460以分别产生经伸展的或经 缩短的PWM信号462。校正输入信号440逻辑电平由电动机中的电流的方向确定。接 着将经伸展的或经缩短的PWM信号462发送到“与”门414及反相器418的输入。将 来自反相器418的输出同时施加到1时钟延迟电路(寄存器)422及边缘检测器424的输 入。1时钟延迟电路422使来自反相器418的PWM信号延迟1个时钟时间周期以产生 经延迟的PWM信号464，其为已被延迟1个时钟周期的经伸展的或经缩短的PWM信号462的经反相复制品。经伸展的或经缩短的PWM信号462是原始PWM信号450在应用 标准空载时间消隐功能之前的“预失真”版本，如下文更全面地论述。
每当边缘检测器4M检测到逻辑电平转变(例如，低到高或高到低)时，边缘 检测器424的Q输出就将启动空载时间计时器426(例如，单触发计时器)。空载时间计 时器426的接通时间持续时间可以是可通过数字输入472编程的以提供所要的空载时间 202(参见图幻。在从边缘检测器4M接收此启动信号之后，空载时间计时器似6在其 Q/非输出上产生逻辑低(“0”)作为计时信号466。在“与”门414中对经伸展的或 经缩短的PWM信号462与计时信号466进行逻辑“与”运算以产生经补偿的空载时间 PWMH信号468。在“与”门416中对经延迟的PWM信号464与计时信号466进行逻 辑“与”运算以产生经补偿的空载时间PWML信号470。经延迟的PWM信号464的1 时钟周期时间延迟确保PWM信号464及输出计时信号466在适当时间抵达“与”门416 的输入。借此将空载时间202与经伸展的或经缩短的(经补偿的)PWM 462信号集成以 产生PWMH输出信号468及PWML输出信号470。
尽管已通过参考本发明的实例性实施例来描绘、描述及界定本发明的各实施 例，但此参考并不意味着对本发明的限定，且不应推断出存在此限定。所揭示的标的物 能够在形式及功能上具有大量修改、更改和等效形式，相关领域的且受益于本发明的技 术人员将会联想到此类修改、更改和等效形式。所描绘及所描述的本发明的各实施例仅 作为实例，而并非是对本发明范围的穷尽性说明。
权利要求
1.一种向脉宽调制(PWM)信号提供空载时间补偿并从中产生互补PWM信号的方 法，所述方法包括以下步骤补偿脉宽调制(PWM)信号的时间周期，其中所述补偿所述PWM的所述时间周期的 步骤包括以下步骤如果电感负载的电流正在第一方向上流动，那么伸展所述PWM信号的所述时间周 期；或如果所述电感负载的所述电流正在第二方向上流动，那么收缩所述PWM信号的所述 时间周期；将空载时间加到所述PWM信号的所述经补偿的时间周期上；以及 从所述经空载时间补偿的PWM信号产生互补PWM信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述补偿所述PWM信号的所述时间周期的步骤 进一步包括编程补偿时间的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述将空载时间加到所述PWM信号的所述经补 偿的时间周期上的步骤进一步包括编程空载时间的步骤。
4.一种用于向脉宽调制(PWM)信号提供空载时间补偿并从中产生互补PWM信号的 设备，所述设备包括第一电路，其用于补偿脉宽调制(PWM)信号的时间周期，其中所述时间周期在电 感负载电流正在第一方向上流动时伸展且在所述电感负载电流正在第二方向上流动时收 缩；第二电路，其用于将空载时间加到所述PWM信号的所述经补偿的时间周期上；以及第三电路，其用于从所述经空载时间补偿的PWM信号产生互补PWM信号。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第一电路是可编程的。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述第二电路是可编程的。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一电路包括 第一逻辑电平改变检测器电路；补偿计时器电路；所述第一逻辑电平改变检测电路耦合到所述PWM信号；所述第一逻辑电平改变检测电路耦合到所述补偿计时器电路，其中每当所述PWM信 号改变逻辑电平时，所述补偿计时器就启动一补偿时间脉冲；第一逻辑电路，其用于将所述补偿时间脉冲加到所述PWM信号的所述时间周期上；第二逻辑电路，其用于从所述PWM信号的所述时间周期中减去所述补偿时间脉冲；以及选择电路，其用于在所述电感负载电流正在所述第一方向上流动时选择所述第一逻 辑电路且在所述电感负载电流正在所述第二方向上流动时选择所述第二逻辑电路。
8.根据权利要求7所述的设备，其中第一延迟电路耦合于所述第一及第二逻辑电路与 所述PWM信号之间。
9.根据权利要求4所述的设备，其中所述第二及第三电路包括第二逻辑电平改变检测器电路；空载时间计时器电路；所述第二逻辑电平改变检测电路耦合到所述第一电路；所述第二逻辑电平改变检测电路耦合到所述空载时间计时器电路，其中每当所述经 补偿的PWM信号改变逻辑电平时，所述空载时间计时器就启动一空载时间时间脉冲；第三逻辑电路，其用于将所述空载时间时间脉冲加到所述经补偿的PWM信号的所述 时间周期上并从所述经空载时间补偿的PWM信号产生所述互补PWM信号。
10.根据权利要求9所述的设备，其中第二延迟电路耦合于所述经补偿的PWM信号 与所述第三逻辑电路之间。
11.一种用于向脉宽调制(PWM)信号提供空载时间补偿并从中产生互补PWM信号 的设备，所述设备包括第一延迟电路(402)，其用于使PWM信号(450)延迟且具有经延迟的PWM信号 (452)的输出；第一边缘检测器电路(404)，其用于针对所述PWM信号(450)的每一逻辑电平转变 而产生一启动信号；第一计时器(406)，其耦合到所述第一边缘检测器电路(404)，其中每当所述PWM 信号(450)进行逻辑电平转变时所述第一计时器(406)就产生一补偿时间周期，所述第一 计时器(406)具有补偿时间周期信号(454)的第一输出及互补补偿时间周期信号(456)的第二输出；“或”门(408)，其具有耦合到所述经延迟的PWM信号(452)的第一输入、耦合到 所述补偿时间周期信号(454)的所述第一输出的第二输入及经伸展的PWM信号(458)的 输出；“与”门(410)，其具有耦合到所述经延迟的PWM信号(452)的第一输入、耦合 到所述互补补偿时间周期信号(456)的所述第二输出的第二输入及经收缩的PWM信号 (460)的输出；多路复用器(412)，其具有耦合到所述经伸展的PWM信号(458)的第一输入及耦合 到所述经收缩的PWM信号(460)的第二输入，其中所述多路复用器(412)的输出在电感 负载的电流正在第一方向上流动时耦合到所述第一输入且在所述电感负载的所述电流正 在第二方向上流动时耦合到所述第二输入，借此所述多路复用器(412)的所述输出产生 经补偿的PWM信号(462)第二延迟电路(422)，其用于使所述经补偿的PWM信号(462)延迟且具有经延迟的 经补偿PWM信号(464)的输出；第二边缘检测器电路(424)，其用于针对所述经延迟的经补偿PWM信号(464)的每 一逻辑电平转变而产生一启动信号；第二计时器(426)，其耦合到所述第二边缘检测器电路(404)，其中每当所述经延迟 的经补偿PWM信号(464)进行逻辑电平转变时所述第二计时器(406)就产生一空载时间 时间周期，所述第二计时器(426)具有经空载时间补偿的PWM信号(466)的输出；“与”门(414)，其具有耦合到所述经补偿的PWM信号(462)的第一输入、耦合 到所述经空载时间补偿的PWM信号(466)的第二输入及第一互补的经空载时间补偿的PWM信号(PWMH468)的输出；以及“与”门(416)，其具有耦合到所述经延迟的经补偿PWM信号(464)的第一输入、 耦合到所述经空载时间补偿的PWM信号(466)的第二输入及第二互补的经空载时间补偿 的PWM信号(PWML 470)的输出。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述第一计时器是可编程的。
13.根据权利要求11所述的设备，其中所述第二计时器是可编程的。
全文摘要
通过以下步骤从脉宽调制(PWM)产生器获得经空载时间补偿的互补PWM信号(PWMH、PWML)首先基于正由所述PWM产生器控制的电感负载中的电流的方向(校正控制440)而向PWM产生器信号(450)施加时间周期补偿。接着向经补偿的PWM产生器信号(462)施加空载时间以产生互补的经空载时间补偿的PWM信号(PWMH、PWML)，用于控制驱动所述电感负载的功率切换电路。
文档编号H03K7/08GK102027679SQ200980107362
公开日2011年4月20日 申请日期2009年5月6日 优先权日2008年5月7日
发明者布赖恩·克里斯, 斯蒂芬·鲍林 申请人:密克罗奇普技术公司