专利名称：具有集成测试和控制的数字脉冲宽度调制器的制作方法
下列美国专利申请与本申请在相同日期提出，这些申请是可以信赖的，并且在本申请中参考引入。
带有代理人卷号No.58,295的题目为“平顶原理”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,332的题目为“感应电动机及有关冷却方法”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,333的题目为“用于电动车辆的汽车12伏系统”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,334的题目为“用于电动车辆推进系统的直冷开关组件”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,335的题目为“电动车辆推进系统”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,336的题目为“用于高压电动机控制的速度控制与自举技术”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,337的题目为“用于电动车辆推进系统电动机控制器的矢量控制板”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,339的题目为“用于电动车辆的控制机构”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,340的题目为“用于电源变换器的改进型电磁干扰滤波器布局”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,341的题目为“用于传感电源与底盘之间泄漏电流的故障探测电路”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,342的题目为“电动车辆继电器组件”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,343的题目为“三相电桥组件”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；
带有代理人卷号No.58,344的题目为“具有内装测试的电动车辆推进系统电桥”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,345的题目为“用于测试电动车辆推进系统的电桥的方法”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,346的题目为“电动车辆配电组件”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,347的题目为“电动车辆底盘控制器”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,348的题目为“电动车辆系统控制装置外壳”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,349的题目为“用于电动车辆系统控制装置的低成本液冷外壳”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,350的题目为“电动车辆冷却剂泵组件”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,351的题目为“散热变压器线圈”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；带有代理人卷号No.58,352的题目为“电动车辆电池充电器”，并且与此在相同日期提出的美国专利申请；本发明一般涉及电动车辆。更具体地说，本发明涉及用于电动车辆的具有集成测试和控制的数字脉冲宽度调制器。虽然本发明应用范围很广，但是它特别适合用于利用电池或电池组合及其它源，例如耦合到交流发电机的热机来作为电源的电动车辆，并且将就此作具体叙述。
对商业上富有生命力的电动车辆来说，其成本和性能应该与它的装有汽油发动机的对应车辆的成本和性能相竞争。典型地，车辆的推进系统和电池是对车辆成本和性能竞争性产生影响的主要因素。
通常，为了实现商业接受，电动车辆推进系统应该提供下列特点(1)车辆性能与典型的装有汽油发动机的推进系统等效；(2)车辆推进的平滑控制；(3)再生制动；(4)高效率；(5)低成本；(6)自冷却；(7)电磁干扰(EMI)抑制；(8)故障探测和自保护；(9)自测试和诊断能力；(10)与外部系统的控制和状态接口；(11)安全操作和维修；(12)灵活电池充电能力；以及(13)由主电池提供的辅助12伏电源。但是，在现有实际中，电动车辆推进系统设计主要包括使电动机和控制器与一组车辆性能目标相适应，结果通常为了允许实用的电动机和控制器设计而牺牲了性能。此外，对上述提高商业接受性的种种特点很少给予注意。
例如，一个典型的常规电动车辆推进系统包括一个直流电动机，一个斩波式电动机控制器，一个独立电池充电器，以及一组分布的控制和状态指示器。车辆性能一般不适合于公路驱动，加速不均匀，并且要求手动变速。另外，一般没有以综合方式强调批量生产成本，电磁干扰，故障探测，维修，控制和状态接口，以及安全性等问题。
有两种技术用于产生脉冲宽度调制(PWM)波形。最为常见的技术使用模拟元件，而另一种技术使用数字元件。在模拟系统中，PWM波形由一个使用运算放大器和电压比较器来把三角参考电压信号的交叉点与所施加的控制电压波形相比较的模拟设计来产生。电压比较器输出产生的PWM波形。然后，一个异步空载时间电路用来在PWM信号与反相PWM信号的跃迁之间产生一个延迟。对三相系统要求三组同样的模拟电路。但是，例如由于温度变化，偏移及增益变化影响脉冲宽度，并且使通道到通道之间失配，导致电动机控制系统的动态范围减小，结果使模拟电路易于漂移。实现具有九位分辨能力的测试产生脉冲宽度所需要的内装测试(BIT)电路是不实际的。使用数字电路将会消除模拟设计例如由于温度变化和偏移而引起漂移的缺点。
可得到数字PWM波形产生，但是这也有限制。例如，在现有产生PWM波形的微控制器和数字处理器中，(1)使用锯齿参考波形而不是三角波形来产生PWM信号，(2)处理器不包括同步空载时间发生，以及/或者(3)分辨能力取决于PWM频率，并且分辨能力随频率增加而减小。
有其它可独立应用的产生PWM波形的PWM集成电路，但是这些电路没有同步空载时间产生，基于三角的PWM产生，或用于内装测试的个别控制波形。并且，这些可独立应用的PWM集成电路不产生与三角波形的峰和/或谷相同步的输出脉冲。
鉴于以上所述，需要有一种电动车辆，它具有一个克服有关技术的缺点的脉冲宽度调制器。
因此，本发明涉及一种用于电动车辆的数字脉冲宽度调制器，它充分消除由于现有技术的限制和缺点所引起的一个或多个问题。
本发明的一个优点是准备一种布置，其充分消除所述现有技术的一个或多个限制和缺点。
本发明的特点和优点将在下列叙述中陈述，并且部分将从叙述中显而易见，或可由本发明的实践得知。本发明的目的和其它优点将由所写叙述和其权利要求及附图所具体指出的装置和方法而得到认识并实现。
如实施和概括所述那样，为了实现这些和其它优点，并且按照本发明的目的，一种数字脉冲宽度调制器包括一个脉冲宽度调制(PWM)电路，用于产生脉冲以起动一个驱动装置，以驱动一对用于一个电动机的开关电路，其包括一个用于接收待调制的N位数字化输入信号的输入部分；一个PWM计数器，用于从零到一个数并返回到零连续计数，该PWM计数器产生一个具有N位分辨能力的数字化三角波形；一个比较装置，用于接收和比较数字化输入信号和数字化三角波形，以产生一个输出脉冲；以及一个空载时间发生装置，用于由比较装置所产生的输出脉冲来产生第一和第二脉冲，第一和第二脉冲各驱动开关电路中一个对应开关电路，第一和第二脉冲相互之间具有不同的跃迁时间。
在另一方面，本发明的脉冲宽度调制电路还包括一个逻辑电路，用于接收第一和第二脉冲，并且分别按照第一和第二脉冲起动驱动装置；以及一个内装测试(BIT)电路，用于提供与PWM信号相对应的BIT输入信号，以检验包括一个来自驱动器的反馈回路的PWM电路的正确操作，BIT输入信号提供各PWM信号的个别控制。
将会理解上述一般叙述和下列详细叙述都是示范性和说明性的，并且是用来对本发明提供如权利要求那样的进一步说明。
包括附图是为了对本发明提供进一步理解，这些附图结合并构成本说明书的一部分，它们说明本发明的一个实施例，并且与叙述一起用作说明本发明的原理。
在附图中
图1是按照本发明优选实施例的电动车辆推进系统的方块图；图2是图1电动车辆推进系统的配电图3是图1电动车辆推进系统的功能图；图4是图1电动车辆推进系统的电动机控制器的功能图；图5A是图1电动车辆推进系统的电动机的示意图；图5B是图1电动车辆推进系统的解析器的示意图；图6是图4电动机控制器的矢量控制板的示意图；图7是按照本发明的数字脉冲宽度调制电路的示意图；图8说明由图7数字脉冲宽度调制器所产生的空载时间波形；以及图9是图7数字脉冲宽度调制电路的详细电路图。
现在将详细参考本发明的本优选实施例，其一例在附图中说明。
如图1所示，提供一种电动车辆推进系统10，包括一个系统控制装置12，一个电动机组件24，一个冷却系统32，一个电池40，以及一个DC/DC转换器38。系统控制装置12包括一个冷却板14，一个电池充电器16，一个电动机控制器18，一个配电组件20，以及一个底盘控制器22。电动机组件24包括一个解析器26，一个电动机28，以及一个滤波器30。冷却系统32包括一个油泵装置34和一个散热器/风扇36。
图2是电动车辆推进系统10的配电图。如图2所示，电池40用作电动车辆推进系统10的主电源。电池40例如包括一个密封铅酸电池，一个单极锂金属硫化物电池，一个双极锂金属硫化物电池，或其它类似电池，用于提供320伏输出。优选地，电动推进系统10在一个宽电压范围，例如120伏到400伏上工作，以适应由于负载或放电度所引起的电池40的输出电压变化。但是，电动车辆推进系统10优选地最优化为大约320伏额定电池电压。
配电组件20耦合到电池40的输出，并且其中包括熔断器，配线，以及用来把电池40的320伏输出分配到电动车辆推进系统10的各种元件的连接器。例如，配电组件20把电池40的320伏输出耦合到电动机控制器18，DC/DC转换器38，油泵装置34，以及电池充电器16。配电组件20还把电池40的320伏输出分配到电动车辆推进系统10外部的各种车辆辅助设备。这些车辆辅助设备例如包括一个空气调节系统，一个加热系统，一个功率转向系统，以及任何其它可能要求320伏电源的辅助设备。
如上所述，DC/DC转换器38耦合到配电组件20的320伏输出，它把配电组件20的320伏输出转换为12伏。DC/DC转换器38然后把它的12伏输出作为操作电源供给电池充电器16，电动机控制器18，底盘控制器22，油泵装置34，以及散热器/风扇36。DC/DC转换器38还把它的12伏输出作为操作电源供给电动车辆推进系统10外部的各种车辆辅助设备。这些车辆辅助设备例如包括车辆照明，音响系统，以及任何其它可能要求12伏电源的辅助设备。应该理解DC/DC转换器38消除了需要一个分开的12伏蓄电池。
如图3和图4所示，电动车辆推进系统10的元件通过各种数据总线相互连接。数据总线可以是如本领域已知的电式，光式或光电式。现在将参考图3和图4叙述电动车辆推进系统10的操作。
电池充电器16从电动机控制器18接收指令信号，并对其发送状态信号，以用来对电池40充电。电池充电器16从一个外部交流电源(未示出)提供一个受控电池充电电流。优选地，交流电流按照希望未来电力质量标准，以功率因数接近1和低谐波失真来抽出。此外，电池充电器16优选地设计为与标准接地故障电流断续器和通常在住宅位置所发现的单相电源相适应。
油泵装置34和散热器/风扇36也从电动机控制器18接收指令信号，并对其发送状态信号。如下将作更详细叙述，油泵装置34和散热器/风扇36是用于电动车辆推进系统10的闭环油冷却系统的一部分。
如图5A所示，电动机28为三相交流感应电动机，各相具有两个同样的电气隔离的绕组(对“A”相为绕组A1和A2，对“B”相为绕组B1和B2，以及对“C”相为绕组C1和C2)，用于零速产生高转矩，以提供与常规气动发动机不相上下的性能。电动机28的转子(未示出)耦合到车辆转轴上。优选地，电动机28的各相中两个绕组大体上相互层压成一直线，并且电气同相，以便各绕组提供大约总相功率的一半。而且电动机28优选地完全密封，并且利用喷油冷却来从转子和端绕组直接散去热量，以增加可靠性。
解析器26在图5B说明，并且安排靠近电动机28，以用来探测电动机轴的角位置，并且用来对电动机控制器18提供指示电动机轴的角位置的信号。连接到解析器的参考信号线R1是用于提供指示电动机轴的角位置的正或负参考值。来自解析器的S1信号线提供关于电动机轴的角位置的正或负正弦值，以及来自解析器的S2信号线提供关于电动机轴的角位置的正或负余弦值。
解析器26可以包括市场上可买到的解析器或其它本领域已知的解析器。用于解析器26的参考信号由电动机控制器18提供。
底盘控制器22和电动机控制器18从车辆通信总线接收信号。通常，如下将作更详细叙述，车辆通信总线用作与至底盘控制器22和电动机控制器18的各种车辆传感器和控制器相接口的通信通路。
底盘控制器22包括一个基于微处理器的数字和模拟电子系统，并且提供与车辆传感器和控制器以及与电动机控制器18相关的控制和状态。例如，底盘控制器22通过车辆通信总线连接到车辆钥匙开关，加速器，制动器，以及驱动选择开关。底盘控制器22从这些开关解释信号，以对电动机控制器18提供起动，驱动方式(例如前进，倒退，以及空挡)，电动机转矩，再生制动，关闭，以及内装测试(BIT)指令。优选地，底盘控制器22通过一个光耦合串行数据接口与电动机控制器18通信，并且从电动机控制器18接收所有送来指令的状态信号，以便检验底盘控制器22，车辆及电动机控制器18之间的通信连接，以及检验车辆在正确操作。应该理解，因为底盘控制器22提供与车辆传感器和控制器以及与电动机控制器18相关的控制和状态，所以对具体车辆通过简单变更底盘控制器22，就能把电动车辆推进系统10变更用于任意数目的不同车辆。
使用通过车辆通信总线而从位于配电组件20中的电池电流传感器所接收的信号，底盘控制器22还提供电池管理能力。底盘控制器22解释来自电池电流传感器的信号，对电动机控制器18提供充电指令，并且对车辆仪表板上的一个“加燃料”计量仪表发送充电状态值。底盘控制器22还通过车辆通信总线连接到包括里程表，速度表，照明，诊断和发射控制器的车辆控制器，以及连接到用于系统扩展的RS-232接口。如图4所示，电动机控制器18分别包括一个低压电源42，一个输入滤波器和DC继电器控制装置44，一个矢量控制板46，以及第一和第二电桥及门驱动器48和50。
低压电源42转换来自DC/DC转换器38的12伏输出，以把+5V，+/-15V，以及+20V输出提供给输入滤波器和DC继电器控制装置44，矢量控制板46，第一电桥48，以及第二电桥50。低压电源42可以包括如本领域已知的市场上买得到的电源。
输入滤波器和DC继电器控制装置44包括用来把配电组件20的320伏输出分别耦合到第一和第二电桥48和50的电连接。输入滤波器和DC继电器控制装置44包括EMI滤波，一个用来把配电组件20的320伏输出至第一和第二电桥48和50的耦合分别切断的继电器电路，以及各种包括电压传感电路和底盘接地故障电路的BIT电路。优选地，输入滤波器和DC继电器控制装置44从矢量控制板46接收控制信号，并对其发送状态信号，例如BIT信号。
第一和第二电桥48和50各分别包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关电路及相关门驱动电路，以用来对电动机28的各绕组施加驱动电流。优选地，第一和第二电桥48和50各分别对电动机28的绕组提供一半电流，从而允许使用容易得到的低成本的IGBT开关电路。第一和第二电桥48和50分别从矢量控制板46接收控制信号，并对其发送状态信号，例如BIT信号。
矢量控制板46包括一个基于微处理器的数字和模拟电子系统。作为其主要功能，矢量控制板46从底盘控制器22接收驱动器起动的加速和制动请求。矢量控制板46然后分别从解析器26获得转子位置测量，以及从第一和第二电桥48和50获得电流测量，并且使用这些测量来产生脉冲宽度调制(PWM)电压波形，分别用于驱动第一和第二电桥48和50，以在电动机28中产生希望的加速或制动作用。PWM电压波形按照设计为结果引起要求转矩输出的控制程序来产生。如上所述，矢量控制板46还有控制输入滤波器和DC继电器控制装置44，油泵装置34，散热器/风扇36，电池充电器16，输入滤波器和DC继电器控制装置44，内装测试电路，车辆通信，以及故障探测的功能。
如图6所示，矢量控制板46包括一个微控制器100，一个数字信号处理器200，一个数字门阵列300，一个解析器接口400，以及一个模拟接口500。用于微控制器100，数字信号处理器200，以及数字门阵列300的时钟信号由振荡器202提供。
参考图6，微控制器100例如包括从Motorolla 68HC11微控制器系列选择的一种微控制器，或其它本领域已知的类似装置。作为其主要功能，微控制器100执行矢量控制板46的各种内务功能。例如，微控制器100通过一个光隔离器102从底盘控制器22接收电流指令，BIT指令，转矩指令，以及方式指令，并对其发送状态信号，以与底盘控制器通信。微控制器100还通过数字门阵列300对数字信号处理器200提供转矩请求，以与数字信号处理器200通信，并且与数字门阵列300通信，以例如执行各种BIT和控制操作。优选地，微控制器100包括RAM，ROM，及EEPROM的组合，以用来存储用于控制其操作的程序指令。选择地，可以在EPROM112中存储部分或全部程序指令。
微控制器100还通过一个A/D转换器110从温度传感器接口104，A/DBIT电路106，以及电压探测器接口108接收模拟输入信号。该A/D转换器110优选地为微控制器100的一部分。
来自温度传感器接口104的模拟输入信号包括由接近第一和第二电桥48和50的冷却板14上安排的温度传感器(未示出)所分别发送的温度信号。来自A/D BIT电路106的模拟输入信号包括用于测试A/D转换器110的电压测试信号。来自电压探测器接口108的模拟输入信号包括由位于输入滤波器和DC继电器控制装置44中的电压探测器(未示出)所发送的电压信号。
数字信号处理器200例如包括一个Texas Instrument TMS320C50数字信号处理器或其它本领域已知的类似装置。作为其主要功能，数字信号处理器200执行一个转矩控制程序，该程序存储在EPROM 204中，并且在起动电动车辆推进系统10时向下装载到位于数字信号处理器200中的RAM。选择地，数字信号处理器200可以编程包括该转矩控制程序。
特别是，数字信号处理器200从解析器接口400接收数字化转子位置测量，从模拟接口500接收数字化电流测量，以及从微控制器100接收转矩指令，并且使用这些测量和指令来产生相电压信号。如下将作更详细说明，这些相电压信号供给数字门阵列300，从而数字门阵列300以门驱动信号形式产生脉冲宽度调制(PWM)电压波形，以在电动机28中产生希望的加速或制动作用。相电压信号，并且因此PWM电压波形就按照设计为结果引起请求转矩输出的转矩控制程序来产生。
数字门阵列300例如包括一个现场可编程的门阵列或其它本领域已知的类似装置。数字门阵列300通过一个光隔离器304产生并接收各种PWM信号，用于控制油泵装置34和电池充电器16，以及产生并接收各种控制信号，用于控制散热器/风扇36，位于输入滤波器和DC继电器控制装置44中的主继电器和预先充电/放电继电器(未示出)，以及一个也是位于输入滤波器和DC继电器控制装置44中的底盘故障探测装置。并且，数字门阵列300通过光隔离器驱动器304接收操作员起动的紧急停止信号。
数字门阵列300从数字信号处理器200接收相电压信号Va，Vb和Vc。相电压信号施加到一个具有集成测试和控制的数字脉冲宽度调制器，以便以门驱动信号的形式产生PWM电压波形，以分别用来驱动第一和第二电桥48和50。
图7表示具有本发明的集成测试和控制的数字脉冲宽度调制器的一个示范性实施例，该实施例由标号1110一般指示。数字脉冲宽度调制电路1110包括在数字门阵列300中(图6)。
如图7所示，本发明的数字脉冲宽度调制器包括数字PWM1102，其包括输入寄存器1112，1114和1116，第二组寄存器1118，1120和1122，比较器1124，1126和1128，PWM计数器1138，以及PWM控制1140；空载时间发生装置1104，其包括空载时间发生器1130，1132和1134；门驱动起动逻辑1136；BIT测试能力输入1142；以及测试信号输入1144。图7还表示门驱动器1146和1148，其接收PWM波形，以及一个数字化三角波形1150，其从PWM计数器1138输出，PWM计数器1138从0到511并然后返回到0计数。
本发明的脉冲宽度调制器包括一个输入部分，用于接收待调制的N位数字化输入信号。
参考图7，电压参考信号Va，Vb和Vc施加到第一组输入寄存器1112，1114和1116。电压参考信号优选地为N＝9位数字信号。来自第一组输入寄存器的电压参考信号如图7所示，与来自PWM计数器1138的端计数相同步地装载到第二组输入寄存器1118，1120和1122中。两组输入寄存器优选地为9位寄存器。
本发明的脉冲宽度调制电路包括一个从零到预定数并返回到零连续计数的PWM计数器。该PWM计数器产生一个与预定数相对应具有N位分辨能力的数字化三角波形。
参考图7，PWM计数器1138输出一个端计数器(TC)，以在PWM控制1140控制下把数字电压参考信号同步装载到寄存器1118，1120和1122中。PWM计数器1138从0到511(9位分辨能力)并返回到0连续计数，以产生一个数字三角波形(其如标号1150所示)。
本发明的脉冲宽度调制器包括一个比较装置，用于接收数字化输入信号，并且把数字化输入信号与数字化三角波形相比较，有产生一个PWM输出脉冲。
参考图7，比较装置包括比较器1124，1126和1128。比较器1124，1126和1128分别把来自寄存器1118，1120和1122的数字化电压参考信号与来自PWM计数器1138的数字化三角波形1150相比较。如果我们考虑比较器1124和第一电压参考信号Va，则比较器1124把从输入寄存器1118装载的电压参考信号Va与来自PWM计数器1138的从1到510(或从510到0)的各顺序计数相比较。例如，比较器1124把装载的参考信号Va与从1，2，3，4等开始到510(或510，509，508等到1)的PWM计数相比较。当装载的参考信号大于PWM计数时，那么输出PWM脉冲例如为逻辑低状态。当装载的参考信号小于或等于PWM计数时，那么输出PWM脉冲例如为逻辑高状态。
输入寄存器可以在用于比较和产生脉冲宽度的9位计数器从小到大计数或从大到下计数之前装载。电压参考信号可以按两种方法中之一装载。按第一种方法，电压参考信号对从0到511或从511到0的每个计数装载。换句话说，如果从0到511并返回到0的一个计数被认为是三角波形的一个周期，那么电压参考信号对各半周期装载一次(或对一个全周期装载两次)。按第二种方法，电压参考信号对一个全周期装载一次。第一种方法将有较小的谐波失真和较平滑的电动机控制，而第二种方法将在脉冲宽度更新之间允许有更多的处理时间。
但是，比较器不把装载的参考信号与谷计数0(9位全部为0)或峰计数511(9位全部为1)相比较，从而防止过调制。过调制发生在输入寄存器值(装载的参考信号)与三角波形的峰和谷所对应的寄存器值相同之时。脉冲宽度调制电路按一个计数来更改输入信号值，以防止峰(511)和谷(0)计数与三角波形比较。PWM电路的这个设计卸载了一个例如处理器的控制器，其要不然就必须在各输入信号产生时花费时间来检查各输入信号值。
PWM计数器由PWM控制器1140控制。PWM控制器1140例如在计数的峰(511)和谷(0)对输入寄存器1118，1120和1122提供同步脉冲(TC)，以把下一个信号(根据使用如上所述的方法)装载到模拟-数字(A/D)转换器(504a，504b，504c及504d)，以通过电动机控制器18(图1)的矢量控制板46(图4)的模拟接口500(图6)用来抽样电动机28中的电流，并且装载到矢量控制板46(图6)的数字信号处理器(DSP)200。DSP 200与来自PWM控制1140的同步脉冲相同步地接收抽样电流，并且起动一个算法，以通过微控制器100提供与车辆操作员的请求相对应的正确转矩。因此，PWM控制1140使用PWM计数器1138的峰和/或谷而使矢量控制板中各种装置相同步。因为例如在计数0和511，电动机控制器18中的开关暂态将不污浊模拟接口500中模拟-数字抽样，所以计数的峰(511)和谷(0)用于同步。
因此，PWM电路的PWM控制1140设计为强制产生脉冲，这些脉冲用来起动模拟-数字抽样，以与三角波形的峰和/或谷相同步。因此，计数0和511不于电压参考信号Va，Vb和Vc相比较。
脉冲宽度调制电路包括一个空载时间发生装置1104，用来由比较装置所产生的输出脉冲产生第一和第二脉冲。第一和第二脉冲各驱动对应一个开关电路，并且第一和第二脉冲相互之间具有不同的跃迁时间。第一脉冲具有第一延迟，并且第二脉冲具有第二延迟，它们与比较装置的输出脉冲相同步。
参考图7，空载时间发生装置1104包括空载时间发生器1130，1132和1134，各从比较器1124，1126和1128接收一个对应PWM输出脉冲。空载时间发生装置1104从各对应PWM输出脉冲产生一个上脉冲和一个下脉冲。上脉冲与用于驱动一对包括绝缘栅双极晶体管(IGBTs)的开关装置中一个的门驱动器相对应。下脉冲与用于驱动该对开关装置中另一个的门驱动器相对应。例如，考虑一对向电动机28(图5A)传送强功率的开关装置。在这种情况下，一个上和下脉冲对驱动连接到并对应于电动机28的各端A1，A2，B1，B2，C1和C2的IGBT对。因此，各端有两个开关装置，功率从这两个开关装置传送。在上与下脉冲之间需要一个空载时间延迟，因为如果无延迟引入，一端的两个开关装置可能起动(闭合)以产生短路。因此，应该在上和下脉冲中与PWM输出脉冲相同步地引入适当延迟。延迟开始总是与发生比较器输出跃迁相同步，并且这个同步延迟允许PWM信号保持9位分辨能力。
空载时间延迟由空载时间发生装置1104产生，并且如下将参考图8说明。当输出PWM脉冲由比较装置产生时，空载时间发生装置1104产生一个上脉冲和一个下脉冲，如图8所示。为了允许足够时间使各对应开关断开和闭合，引入一个空载时间延迟。例如，当上脉冲从逻辑1跃迁为逻辑0以断开其对应开关时，低脉冲在从逻辑0跃迁为逻辑1以闭合其对应开关之前，必须等待足够长持续时间以使该开关断开。在这个状态下，当上脉冲需要从逻辑0跃迁为逻辑1以闭合其对应开关时，在上脉冲可以跃迁为逻辑1并闭合其开关之前，上脉冲必须等待足够长持续时间，以使低脉冲从逻辑1跃迁为逻辑0，以便断开其对应开关。为了保证一个开关在另一个开关闭合之前为断开，需要引入延迟。如图8所示，空载时间发生装置1104提供这样的保证。
并且，数字PWM1102优选地在接近8kHz频率处操作，以及空载时间发生装置1104产生一个接近3微秒的延迟。
本发明的脉冲宽度调制电路还包括一个逻辑电路，用于接收第一(上)和第二(下)脉冲，并且分别按照第一和第二脉冲起动驱动器控制装置。
参考图7和图9，空载时间发生器1130，1132和1134把各电压参考信号Va，Vb和Vc的上和下脉冲发送到门驱动起动逻辑电路1136，其包括禁止逻辑电路1135和组合逻辑电路1136a，1136b，1136c，1136d，1136e，1136f。门驱动起动逻辑电路1136优选地是一个组合逻辑电路，其对与各电压参考信号相对应的上和下脉冲产生正确的门驱动信号。特别是，逻辑电路1136对相同的上和下脉冲提供重复的门驱动信号。前面的门驱动信号对应电动机28(图5A)的第一组绕组(A1，B1和C1)，而后面的门驱动信号(重复)对应电动机28的第二组绕组(A2，B2和C2)，这里A1和A2绕组相对于相A，B1和B2绕组相对于相B，以及C1和C2绕组相对于相C。因此，从门驱动起动逻辑电路1136输出六条线(对应A1上和下，B1上和下，以及C1上和下)到门驱动器1146，并且另外六条线(对应A2上和下，B2上和下，以及C2上和下)输出到门驱动器1148。
本发明的脉冲宽度调制电路包括一个内装测试(BIT)电路，用于提供与第一(上)和第二(下)脉冲相对应的BIT输入信号，以检验包括来自驱动器控制装置的反馈回路的PWM电路的正确操作，驱动器控制装置比PWM电路具有较高的集成度。BIT输入信号提供各PWM信号的个别控制。
参考图7，内装测试电路包括门驱动起动逻辑1136，测试信号输入1144，以及BIT输入1142。该BIT电路检验较高集成度的例如电动机控制器18的正确操作。例如，参考图8，微控制器100(图6)可以通过对BIT输入1142写数，并且由空载时间发生器来禁止PWM输出脉冲，以控制各输出的状态。这一点在图9中更详细表示。
参考图9，BIT输入1142分为两组，BIT输入1142a和1142b。BIT输入1142a和1142b分别与以上参考图5A说明的每相两个同样的电气隔离的绕组相对应(对“A”相为绕组A1和A2，对“B”相为绕组B1和B2，以及对“C”相为绕组C1和C2)。BIT输入1142a包括相对于A1U，A1L，B1U，B1L，C1U，C1L的位测试输入(“U”对应于来自空载时间发生装置的上脉冲，以及“ L”对应于来自空载时间发生装置的下脉冲)。类似地，BIT输入1142b包括相对于A2U，A2L，B2U，B2L，C2U，C2L的位测试输入。BIT输入1142a和1142b包括一个电源复位输入(POWER RST)，其在系统电源复位期间用于复位目的。BIT输入1142a还包括PWM禁止输入，其在BIT输入测试期间通过一个起动/禁止装置1135(该装置为门驱动起动逻辑1136的一部分)来禁止来自空载时间发生装置1104的信号。因此，信号VA1U，VA1L，VB1U，VB1L，VC1U和VC1L被禁止，并且来自BIT输入1142a和1142b的测试输入信号施加到组合逻辑电路1136a，1136b，1136c，1136d，1136e和1136f。这些组合逻辑电路能使用来自微控制器100的GLOBAL RESET信号全部复位。
除测试较高程度集成的正确操作外，包括数字PWM1102，空载时间发生装置1104和门驱动起动逻辑1136的整个PWM电路能对所有九位脉冲宽度分辨能力进行测试。例如，参考图7和图9，数字信号处理器200提供测试输入信号TVa，TVb和TVc以代替电压参考信号Va，Vb和Vc。测试输入信号包括九位的各步(0到511)。PWM电路用测试输入信号执行与参考电压参考信号Va，Vb和Vc所讨论的相同操作，以从空载时间发生装置1104产生上和下脉冲。与测试输入信号相对应的上和下脉冲施加到门驱动起动逻辑1136，并且其后施加到门驱动器1146和1148(BIT输入1142在这个测试顺序中不起作用)。门驱动器1146和1148把对应驱动信号反馈到测试信号输入1144。驱动信号与具体测试输入信号所对应的已知值相比较。因此，能测试从0到511的九位测试输入信号的各步。
独立PWM电路1102，包括BIT输入1142和测试信号输入1144的BIT电路，以及控制电路组装在一个与数字信号处理器200和微控制器100相接口的数字逻辑阵列300中(见图6)。
由空载时间发生装置1104所产生的延迟与PWM输出脉冲相同步。周期数字三角波形可编程，过调制得到防止，以及同步抽样信号得以产生并可编程调节。
本发明就产生脉冲宽度调制验明若干特点，包括(1)全部数字实现，以支持如DSP200的接口电路，微控制器100和其它数字元件，以解决模拟元件中的缺点，(2)高分辨能力，9位，PWM功能三者实现三相电动机控制器中的控制，这样减小电流波动，允许较平滑转矩控制和较好效率，(3)同步空载时间发生器在9位系统中保持9位分辨能力，(4)内装测试使用各PWM信号的个别控制及一个检验信号电平的反馈回路，来检验PWM设计的功能度及下一个较高集成度的功能度，(6)产生与三角波形的峰和谷相同步，并且与峰之间或与峰和谷两者之间可编程选择同步的抽样脉冲，以及(7)防止过调制。
空载时间发生装置1104中的电路实现用来对控制器功率输出级中开关装置进行控制的信号之间的同步空载时间延迟。两个PWM信号(上和下)由空载时间电路产生(图8)，并且在下和上信号之间产生延迟。延迟开始总是与发生比较器输出跃迁相同步。这个同步延迟允许PWM信号保持全N(＝9)位分辨能力。
内装测试电路允许各输出的状态由至测试寄存器的配线来控制。这用来独立地测试控制器的下一个较高组件的部分。通过反馈PWM门驱动信号来使用测试输入，以检验数字电路对已知的输入寄存器值正在产生正确脉冲。各位分辨能力可以由指定适当输入值来加以测试。
对本领域技术人员将显而易见，在不违反本发明的精神或范围下，可以对本发明具有集成测试和控制的数字脉冲宽度调制器进行各种更改和变更。因此本发明意欲覆盖此发明的种种更改和变更，只要它们在附加权利要求及其等效范围之内。
权利要求
1.一种脉冲宽度调制(PWM)电路，用于产生脉冲以起动一个驱动器控制装置，以驱动一对用于一个电动机的开关电路，包括一个输入部分，用于接收待调制的N位数字化输入信号；一个PWM计数器，用于从零到一个预定数并返回到零连续计数，该PWM计数器产生一个数字化三角波形，其具有与该预定数相对应的N位分辨能力；一个比较装置，用于接收和比较数字化输入信号和数字化三角波形，以产生一个输出脉冲；以及一个空载时间发生装置，用于从比较装置所产生的输出脉冲来产生第一脉冲和第二脉冲，该第一和第二脉冲各驱动开关电路中一个对应开关电路，该第一和第二脉冲相互之间具有不同的跃迁时间。
2.按照权利要求1的脉冲宽度调制(PWM)电路，还包括一个逻辑电路，用于接收第一和第二脉冲，并且分别按照第一和第二输出脉冲来起动驱动器控制装置。
3.按照权利要求1的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中第一脉冲具有第一延迟，以及第二脉冲具有第二延迟，第一和第二延迟与比较装置的输出脉冲相同步。
4.按照权利要求1的脉冲宽度调制(PWM)电路，还包括一个脉冲宽度调制控制器，用于控制PWM计数器，该脉冲宽度调制控制器提供同步信号，用于使PWM电路的操作与数字化三角波形的峰和谷相同步。
5.按照权利要求4的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中脉冲宽度调制控制器对输入部分提供同步信号，用于与PWM计数器相同步地装载数字化输入信号。
6.按照权利要求2的脉冲宽度调制(PWM)电路，还包括一个内装测试(BIT)电路，用于提供与第一和第二脉冲相对应的BIT输入信号，以检验包括一个来自驱动器控制装置的反馈回路的PWM电路的正确操作，驱动器控制装置比PWM电路具有较高集成度，并且BIT输入信号提供各PWM信号的个别控制。
7.按照权利要求6的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中包括空载时间发生装置和BIT电路的PWM电路以一个独立应用的单集成电路片的数字逻辑阵列来实现。
8.按照权利要求1的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中数字化三角波形以一个从0到511并且从511到0连续计数的9位计数器来实现，这里从0到511到0的计数或从511到0到511的计数表示一个周期。
9.按照权利要求8的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中输入部分包括寄存器，用于与PWM计数器相同步地装载数字化输入信号，以及比较装置把输入信号的9位数字值与来自9位PWM计数器的数字化三角波形相比较，并且产生输出脉冲。
10.按照权利要求9的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中输出脉冲由在三角波形的一个周期期间只装载一次的输入寄存器来产生。
11.按照权利要求9的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中输出脉冲由在从0到511由小到大计数的周期期间装载一次，以及在从511到0由大到小计数的周期期间装载一次的输入寄存器来产生。
12.按照权利要求9的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中当三角波形计数器比数字输入信号小时，输出脉冲为逻辑低状态，以及当三角波形计数器比数字输入信号大时，输出脉冲为逻辑高状态。
13.按照权利要求9的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中当三角波形计数器比数字输入信号小时，输出脉冲为逻辑高状态，以及当三角波形计数器比数字输入信号大时，输出脉冲为逻辑低状态。
14.按照权利要求9的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中输入寄存器在9位计数器从小到大计数和从大到小计数两者之前装载。
15.按照权利要求1的脉冲宽度调制(PWM)电路，还包括用于防止三角波形的峰和谷所对应的输入信号值与三角波形相比较的方法。
16.按照权利要求1的脉冲宽度调制(PWM)电路，还包括一个测试控制装置，用于以测试信号代替PWM电路的输入信号，以测试PWM电路，该测试控制装置把由PWM电路产生的与测试信号相对应的实际PWM输出脉冲与测试信号相对应的已知输出脉冲相比较。
17.按照权利要求16的脉冲宽度调制(PWM)电路，其中测试信号包括从零到预定数的所有数字值。
全文摘要
一种脉冲宽度调制(PWM)电路，用于产生脉冲以起动一个驱动器控制装置，以驱动一对用于一个电动机的开关电路，包括一个输入部分，用于接收待调制的N位数字化输入信号，以及一个PWM计数器，用于从零到一个预定数并返回到零连续计数，该PWM计数器产生一个数字化三角波形，具有与该预定数相对应的N位分辨能力。一个比较装置接收并比较数字化输入信号和数字化三角波形，以产生一个输出脉冲，以及一个空载时间发生装置从比较装置所产生的输出脉冲来产生第一脉冲和第二脉冲。第一和第二脉冲各驱动开关电路中一个对应开关电路，并且第一和第二脉冲相互之间具有不同的跃迁时间。一个内装测试(BIT)电路提供与第一和第二脉冲相对应的BIT输入信号，以检验包括一个来自驱动器控制装置的反馈回路的PWM电路的正确操作，驱动器控制装置比PWM电路具有较高集成度，并且BIT输入信号提供各PWM信号的个别控制。
文档编号H02P27/06GK1165594SQ95194184
公开日1997年11月19日 申请日期1995年6月1日 优先权日1994年6月10日
发明者詹姆斯·L·芒罗, 杰弗里·B·兰斯伯里, 贝斯·A·赫曼 申请人:诺思路·格鲁曼公司