CN114097171A - 扩展脉冲宽度调制电压源逆变器中的线性调制范围的占空比生成方法 - Google Patents

扩展脉冲宽度调制电压源逆变器中的线性调制范围的占空比生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及控制多相电机(28)的控制系统(20)和方法，用于控制电流在电压源(22)和多相电机或其它应用/负载之间的流动。控制系统在多相电机的每一相和电压源之间包括：并联定位在电压源的正极端子和电机之间的高侧二极管(30A‑C)和高侧开关(34A‑C)，其中高侧二极管相对于正极端子反向偏置；以及并联定位在电压源的负极端子和电机之间的低侧二极管(32A‑C)和低侧开关(36A‑C)，其中低侧二极管相对于电机反向偏置。控制系统操作高侧和低侧开关以提供电机的高效操作。

Description

扩展脉冲宽度调制电压源逆变器中的线性调制范围的占空比 生成方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年10月4日提交的、名称为“A METHOD OF DUTY CYCLEGENERATION FOR EXTENDING THE LINEAR MODULATION RANGE IN A PULSE WIDTHMODULATED VOLTAGE SOURCE(用于扩展脉冲宽度调制电压源中的线性调制范围的占空比生成方法)”的、序列号为62/910,529的美国临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及扩展脉冲宽度调制电压源逆变器中的线性调制范围的占空比生成方法。
背景技术
将脉冲宽度调制电压源逆变器与电动马达一起使用正变得越来越流行。
当使用这种脉冲宽度调制电压源逆变器时，电动马达的每一相通常使用一对开关功率半导体装置(即开关)，并且该开关功率半导体装置位于电动马达和直流(DC)电压源之间。开关被控制打开和关闭，从而合成期望的电压波形并控制电流在电动马达的各相内的流动。这种打开和关闭功率半导体装置以合成期望电压波形和/或电流波形的技术称为脉冲宽度调制(PWM)。
这种布置的一个缺点是控制电流的开关的操作需要可测量的时间量，通常称为死区时间，在该时间量中必须控制两个开关打开。需要该死区时间以防止DC电压源的正负极端子短路，并且该死区时间会影响在需要占空比钳制和/或过调制之前可以由电压源逆变器(VSI)合成的最大线性电压。
除了死区时间之外，存在半导体开关可以从闭合转变为打开再转变回闭合或从打开转变为闭合再转变回打开的最小时间量。该最小时间量通常被称为功率半导体装置最小脉冲宽度，并且是该装置及其相关电路的物理特性。该最小脉冲宽度也对电压源逆变器(VSI)可以合成的最大线性电压产生影响。
尽管解决此类死区时间和最小脉冲宽度的一些方法是已知的，但仍需要进一步改进。
发明内容
本发明提供了一种方法和系统，用于生成占空比并扩展用于为电动马达或其它VSI应用供电的脉冲宽度调制电压源逆变器的最大线性电压容量。
本发明在其一种形式中包括用于多相电机的控制系统，其用于控制电流在电压源和多相电机之间的流动以将电机作为马达或发电机操作。在多相电机的每一相和电压源之间，控制系统包括：并联定位在电压源的正极端子和电机的相之间的高侧二极管和高侧开关，其中高侧二极管相对于正极端子反向偏置；以及并联定位在电压源的负极端子和电机的相之间的低侧二极管和低侧开关，其中低侧二极管相对于电机的相反向偏置。控制系统经由预定PWM频率下的脉冲宽度调制进行操作，系统的物理部件限定最小非零占空比(Dmin)，控制系统进一步限定死区时间占空比(Ddead)，其中控制系统可操作以限定可变占空比。Dmin是在电机作为马达或发电机操作期间由控制系统限定的最小非零占空比；并且在电机操作期间由控制系统限定的最大非单位占空比(Dmax)等于一减去Dmin。
在控制系统的一些实施例中，由控制系统限定的最大非单位占空比(Dmax)在单个PWM周期内对称地取向，其中前断开时间等于Dmin/2且后断开时间等于Dmin/2。
在控制系统的一些实施例中，使用载波信号控制可变占空比，即由控制系统限定的功率半导体装置的接通时间和断开时间，其中载波信号从PWM周期开始处的1.0线性下降到PWM周期中点处的0.0并从PWM周期中点处的0.0线性上升到PWM周期结束点处的1.0，并且其中：
当从VSI到电机的相的电流为正时，高侧开关在载波信号大于期望占空比时打开，在载波信号小于期望占空比时闭合；其中低侧开关在载波信号大于(期望占空比+2*Ddead)时闭合，在载波信号小于(期望占空比+2*Ddead)时打开；并且
当从VSI到电机的相的电流为负时，高侧开关在载波信号大于(期望占空比-2*Ddead)时打开，在载波信号小于(期望占空比-2*Ddead)时闭合；其中低侧开关在载波信号大于期望占空比时闭合，在载波信号小于期望占空比时打开。
在使用载波信号的实施例中，控制系统可以被配置为使得当从VSI到电机的相的电流为正并且(期望占空比+2*Ddead)高于最大占空比(Dmax)且期望占空比等于或低于Dmax时，高侧开关在载波信号小于期望占空比时闭合，在载波信号大于期望占空比时打开；低侧开关在整个PWM周期内保持打开。
在使用载波信号的实施例中，控制系统可以被配置为使得当从VSI到电机的相的电流为正并且期望占空比大于Dmax且等于或低于(1-Dmin/2)时，高侧开关在载波信号小于Dmax时闭合，在载波信号大于Dmax时打开；低侧开关在整个PWM周期内保持打开。
在使用载波信号的实施例中，控制系统可以被配置为使得当从VSI到电机的相的电流为正并且期望占空比高于(1-Dmin/2)时，高侧开关在整个PWM周期内保持闭合；低侧开关在整个PWM周期内保持打开。
在使用载波信号的实施例中，控制系统可以被配置为使得当从VSI到电机的相的电流为正并且期望占空比等于或低于最小占空比(Dmin)且等于或高于(Dmin/2)时，高侧开关在载波信号小于Dmin时闭合，在载波信号大于Dmin时打开；其中低侧开关在载波信号小于(Dmin+2*Ddead)时打开，在载波信号大于(Dmin+2*Ddead)时闭合。
在使用载波信号的实施例中，控制系统可以被配置成使得当从VSI到电机的相的电流为正并且期望占空比低于(Dmin/2)时，高侧开关在整个PWM周期内保持打开；低侧开关在整个PWM周期内保持闭合。
在使用载波信号的实施例中，控制系统可以被配置成使得当从VSI到电机的相的电流为负并且期望占空比高于最大占空比(Dmax)且等于或低于(1-Dmin/2)时，高侧开关在载波信号小于(Dmax-2*Ddead)时闭合，在载波信号大于(Dmax-2*Ddead)时打开；其中低侧开关在载波信号大于Dmax时闭合，在载波信号小于Dmax时打开。
在使用载波信号的实施例中，控制系统可以被配置为使得当从VSI到电机的相的电流为负并且期望占空比高于(1-Dmin/2)时，高侧开关在整个PWM周期内保持闭合；低侧开关在整个PWM周期内保持打开。
在使用载波信号的实施例中，控制系统可以被配置为使得当从VSI到电机的相的电流为负并且(期望占空比-2*Ddead)低于最小占空比(Dmin)且期望占空比等于或高于最小占空比(Dmin)时，高侧开关在整个PWM周期内保持打开；低侧开关在载波信号大于期望占空比时闭合，在载波信号小于期望占空比时打开。
在使用载波信号的实施例中，控制系统可以被配置为使得当从VSI到电机的相的电流为负并且期望占空比低于最小占空比(Dmin)且等于或高于(1-Dmin/2)时，高侧开关在整个PWM周期内保持打开；低侧开关在载波信号大于Dmin时闭合，当在载波信号小于Dmin时打开。
在使用载波信号的实施例中，控制系统可以被配置为使得当从VSI到电机的电流为负并且期望占空比低于(Dmin/2)时，高侧开关在整个PWM周期内保持打开；低侧开关在整个PWM周期内闭合。
在一些实施例中，电机是三相电机。
在一些实施例中，Dmin和Ddead被确定为以下至少一项的函数：
(a)制造商建议的死区时间和/或最小脉冲宽度；
(b)物理部件的经验测试以确定所需的死区时间和/或最小脉冲宽度；
(c)公式：Ddead＝([(Offmax-Onmin)+(PDmax-PDmin)]*SF)/(脉冲循环持续时间)
其中Ddead是死区时间占空比；Offmax是开关的最大断开延迟时间；Onmin是开关的最小接通延迟时间；PDmax是驱动器的最大传播延迟；PDmin是驱动器的最小传播延迟，SF是安全系数。
一些实施例还包括与控制系统可操作地联接的电机。
本发明在其另一种形式中包括使用用于控制多相电机的电流流动的控制系统来操作作为电动马达的多相电机的方法。该方法包括：
在多相电机的每一相和电压源之间提供：
高侧二极管和高侧开关，其并联定位在电压源的正极端子和电机之间，其中高侧二极管相对于正极端子反向偏置；以及
低侧二极管和低侧开关，其并联定位在电压源的负极端子和电机之间，其中低侧二极管相对于电机的相反向偏置；
使用控制系统作为具有预定脉冲循环持续时间的脉冲宽度调制控制系统，其中控制系统的物理部件限定最小占空比(Dmin)和死区时间占空比(Ddead)；以及
操作控制系统以限定可变占空比：
其中Dmin是在电机作为马达或发电机操作期间由控制系统实现的最小非零占空比；并且
其中在电机作为马达或发电机操作期间由控制系统限定的最大非单位占空比(Dmax)等于一减去Dmin。
在一些实施例中，使用载波信号控制由控制系统限定的可变占空比，其中载波信号从PWM周期开始处的1.0线性下降到PWM周期中点处的0.0并从PWM周期中点处的0.0线性上升到PWM周期结束点处的1.0，并且其中：
当可变占空比在Dmin和(Dmax–2*Ddead)之间并且电流为正(即进入电机的相)时，高侧开关在载波信号大于(期望占空比)时打开，在载波信号小于(期望占空比)闭合；其中低侧开关在载波信号大于(期望占空比+2*Ddead)时闭合，在载波信号小于(期望占空比+2*Ddead)时打开；并且
当可变占空比在(Dmin+2*Ddead)和Dmax之间并且电流为负(即流出电机的相)时，高侧开关在载波信号大于(期望占空比-2*Ddead)时打开，在载波信号小于(期望占空比-2*Ddead)时闭合；其中低侧开关在载波信号大于(期望占空比)时闭合，在载波信号小于(期望占空比)时打开；
当电流为正并且(期望占空比+2*Ddead)高于最大占空比(Dmax)且期望占空比等于或低于Dmax时，高侧开关在载波信号小于期望占空比时闭合，在载波信号大于期望占空比时打开；低侧开关在整个PWM周期内保持打开；
当电流为正并且期望占空比大于Dmax且等于或低于(1-Dmin/2)时，高侧开关在载波信号小于Dmax时闭合，在载波信号大于Dmax时打开；低侧开关在整个PWM周期内保持打开；
当电流为正并且期望占空比高于(1-Dmin/2)时，高侧开关在整个PWM周期内保持闭合；低侧开关在整个PWM周期内保持打开；
当电流为正并且期望占空比低于最小占空比(Dmin)且等于或大于(Dmin/2)时，高侧开关在载波信号小于Dmin时闭合，在载波信号大于Dmin时打开；并且其中低侧开关在载波信号小于(Dmin+2*Ddead)时打开，在载波信号大于(Dmin+2*Ddead)时闭合；
当电流为正并且期望占空比低于(Dmin/2)时，高侧开关在整个PWM周期内保持打开；低侧开关在整个PWM周期内保持闭合；
当电流为负并且期望占空比高于最大占空比(Dmax)且等于或低于(1-Dmin/2)时，高侧开关在载波信号小于(Dmax-2*Ddead)时闭合，在载波信号大于(Dmax-2*Ddead)时打开；其中低侧开关在载波信号大于Dmax时闭合，在载波信号小于Dmax时打开；
当电流为负并且期望占空比高于(1-Dmin/2)时，高侧开关在整个PWM周期内保持闭合；低侧开关在整个PWM周期内保持打开；
当电流为负并且(期望占空比-2*Ddead)低于最小占空比(Dmin)且期望占空比等于或高于最小占空比(Dmin)时，高侧开关在整个PWM周期内保持打开；低侧开关在载波信号大于期望占空比时闭合，在载波信号小于期望占空比时打开；
当电流为负并且期望占空比低于最小占空比(Dmin)且等于或高于(1-Dmin/2)时，高侧开关在整个PWM周期内保持打开；低侧开关在载波信号大于Dmin时闭合，当在载波信号小于Dmin时打开；以及
当电流为负并且期望占空比低于(Dmin/2)时，高侧开关在整个PWM周期内保持打开；低侧开关在整个PWM周期内闭合。
在一些实施例中，Dmin和Ddead被确定为以下至少一项的函数：
(a)制造商建议的死区时间和/或最小脉冲宽度；
(b)物理部件的经验测试以确定所需的死区时间和/或最小脉冲宽度；
(c)公式：Ddead＝([(Offmax-Onmin)+(PDmax-PDmin)]*SF)/(脉冲循环持续时间)
其中Ddead是死区时间占空比；Offmax是开关的最大断开延迟时间；Onmin是开关的最小接通延迟时间；PDmax是驱动器的最大传播延迟；PDmin是驱动器的最小传播延迟，SF是安全系数。
附图说明
通过参考以下结合附图对本发明的实施例的描述，本发明的上述和其它特征以及实现它们的方式将变得更加明显并且本发明本身将被更好地理解，其中：
图1是采用脉冲宽度调制电压源逆变器和电动马达的系统的示意图。
图2是用于电动马达的一个相的一对开关功率半导体的示意图。
图3是示出了插入和补偿死区时间的现有技术方法的图。
图4是示出了当存在正电流(即进入电机的相的电流)并且两个开关都打开时的电流流动的示意图。
图5是示出了单个PWM周期内的载波值以及它如何与占空比方程相互作用以控制正电流的开关的图。
图6是示出了图5的PWM方案如何导致在电机的相处生成PWM电压的开关时序图。
图7是示出了单个PWM周期内的载波值以及它如何与占空比方程相互作用以当正电流的期望占空比接近一个单位时在最大占空比附近控制开关的图。
图8是示出了当正电流的期望占空比接近一个单位时在最大占空比附近的高侧开关的钳制策略的图。
图9是开关时序图，示出了图8的钳制策略和图7的PWM方案如何当正电流的期望占空比接近一个单位时在最大占空比附近在电机的相处生成PWM电压。
图10是示出了单个PWM周期内的载波值以及它如何与占空比方程相互作用以当正电流的期望占空比接近零时在最小占空比附近控制开关的图。
图11是示出了当正电流的期望占空比接近零时在最小占空比附近的高侧开关的钳制策略的图。
图12是示出了当正电流的期望占空比接近零时在最小占空比附近的低侧开关的钳制策略的图。
图13是开关时序图，示出了图11和12的钳制策略如何当正电流的期望占空比接近零时在最小占空比附近在电机的相处生成PWM电压。
图14是示出了当存在负电流(即离开电机的相的电流)并且两个开关都打开时的电流流动的示意图。
图15是示出了单个PWM周期内的载波值以及它如何与占空比方程相互作用以控制负电流的开关的图。
图16是示出了图15的PWM方案如何导致在电机的相处生成PWM电压的开关时序图。
图17是示出了单个PWM周期内的载波值以及它如何与占空比方程相互作用以当负电流的期望占空比接近一个单位时在最大占空比附近控制开关的图。
图18是示出了当负电流的期望占空比接近一个单位时在最大占空比附近的低侧开关的钳制策略的图。
图19是示出了当负电流的期望占空比接近一个单位时在最大占空比附近的高侧开关的钳制策略的图。
图20是开关时序图，示出了图18和19的钳制策略如何当负电流的期望占空比接近一个单位时在最大占空比附近在电机的相处生成PWM电压。
图21是示出了单个PWM周期内的载波值以及它如何与占空比方程相互作用以当负电流的期望占空比接近零时在最小占空比附近控制开关的图。
图22是示出了当负电流的期望占空比接近零时在最小占空比附近的低侧开关的钳制策略的图。
图23是开关时序图，示出了图22的钳制策略和图21的PWM方案如何当负电流的期望占空比接近零时在最小占空比附近在电机的相处生成PWM电压。
在几个视图中，相应的附图标记表示相应的部分。尽管此处阐述的示例以一种形式描述了本发明的实施例，但以下公开的实施例并不旨在是穷尽的或被解释为将本发明的范围限制为所公开的精确形式。
具体实施方式
用于多相电机28的控制系统20具有电压源22、逆变器电路24和处理器26。当交流(AC)电机28作为马达操作时，控制系统20控制电流以驱动交流电机，如图1中示意性所示。这种系统可用于多种不同的应用。
尽管电机28在本文中也可称为电动马达，但电机28可采用只能作为电动马达操作、只能作为发电机操作或者能选择性地作为电动马达或发电机操作的电机的形式。例如，在图示的实施例中，电机28采用三相电机的形式，该电机可作为电动马达或发电机操作，并用于混合动力机动车辆中，以便交替地提供扭矩以减少车辆的内燃机上的牵引负载或生成电流为一个或多个能量存储装置(例如电池或电池包)充电。下面的讨论涉及该电机在其电动模式下的操作，因此，为了简单和清楚起见，将该电机称为电动马达。因此，如本文所用，术语“电动马达”是指能够作为电动马达操作的任何电机，但不要求或暗示该电机必须仅作为电动马达操作。
电压源22可以采用一个或多个直流(DC)电池的形式并且提供电能以驱动电动马达28。逆变器电路24将电压源22的直流输出转换成适合驱动电动马达28的交流电(AC)。逆变器电路24对于电动马达28的每个相包括一对二极管和一对开关。在所示实施例中，电路24包括高侧二极管30A、30B、30C、高侧开关34A、34B、34C、低侧二极管32A、32B、32C和低侧开关36A、36B、36C。为电机的每个单独相提供一对二极管和一对开关，其控制提供给电动马达的该特定相的电压。在图示的实施例中，二极管30A、32A和开关34A、36A控制第一相的电压；二极管30B、32B和开关34B、36B控制第二相的电压；二极管30C、32C和开关34C、36C控制第三相的电压。
开关34A-C、36A-C由处理器26控制并且可以采用场效应晶体管(FET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)的形式。也可以使用替代的开关机构，例如双极结型晶体管，例如NPN或PNP晶体管。处理器26为每个开关生成PWM信号，该信号控制开关何时接通(闭合开关)或断开(打开开关)。下面更详细地讨论PWM信号的生成。虚线38表示用于将PWM信号传送到各个开关从而控制开关的操作的电线。
在所示实施例中，电动马达28包括三相，其对应于第一相(A相)的定子绕组40A、第二相(B相)的定子绕组40B和第三相(C相)的定子绕组40C，每个相具有控制通过其中的电流供应的相应的一对二极管和一对开关。在图示的实施例中，电动马达28是具有带永磁体的转子的三相马达。
图1示出了AC电动马达的一个示例，然而，本公开可用于向任何合适的AC电动马达提供PWM电压并且不限于任何特定设计或类型的电动马达。其不限于电动马达的操作，也可用于驱动其它负载的其它2电平电压源逆变器。例如，所示出的电动马达28是三相电动马达，然而，替代实施例可采用具有不同相数的AC电动马达。除了具有带永磁体的转子的马达之外，还可以使用替代设计，例如感应马达。类似地，虽然电动马达28被示出为具有以星形或星状配置连接的三相，但是电动马达28不限于这种类型的配置并且可替代地在相之间采用三角形连接。本领域普通技术人员将认识到，与系统20一起使用的电动马达28的各种其它替代实施例也是可能的。
从图1中可以看出，电动马达28的每个相都具有类似的二极管30、32和开关34、36的布置形式。单组二极管30、32和开关34、36在图2中示出并在下面讨论。通用开关符号用于开关，但这样的开关可以有利地采用FET或IGBT的形式。这种布置形式的操作对于每一相都是相似的，并且本公开可以通过包括如图2中所示出的用于电动马达的每一相的一对二极管和开关而适用于具有可选数量的电相的电动马达。
从图1和图2中可以看出，在电动马达28的每一相和电压源22之间，控制系统20包括并联定位在电压源22的正极端子(+)和电动马达28的相应绕组之间的高侧二极管30和高侧开关34。高侧二极管30相对于正极端子被反向偏置，由此其抑制从正极端子到电动马达28的方向上的电流。
同样位于电动马达28的每一相和电压源22之间，控制系统20包括并联设置在电压源22的负极端子(-)和电动马达28的相应绕组之间的低侧二极管32和低侧开关36。低侧二极管32相对于电动马达28的绕组被反向偏置，由此其抑制从电动马达28到负极端子的方向上的电流。
当特定相的高侧开关34和低侧开关36都打开并且电动马达28正在操作时，所连接的绕组通常将被激励。在这种情况下，二极管30、32的定位导致的结果是，如果是负电流，则高侧二极管30允许来自电动马达28的电流传导，如果是正电流，则低侧二极管32允许来自电动马达28的电流传导。
就此而言，需要注意的是，正电流可以被认为是通过电机的连接相流入电机的中性点，而负电流可以被认为是在星相连接绕组的中心处远离电机的中性点从电机的相流出。
如上所述，PWM信号用于控制开关34、36的操作，从而控制电流通过电动马达28的流动。当使用PWM信号控制开关34、36时，必须考虑许多因素。首先，要注意的是，如果开关34和36同时闭合，则会产生短路，这种短路有时被称为桥式直通。这种情况是不期望的，可能会导致系统故障。另一个因素涉及形成逆变器电路24的物理电路部件的实际限制，其需要一些可测量时间量来打开和关闭开关。为避免短路，死区时间段用来在高侧和低侧开关中的一个打开之后分开进行高侧和低侧开关中的另一个的闭合。
PWM信号的特征之一是与各个PWM周期的持续时间直接相关的频率。PWM周期，在本文中也称为脉冲循环持续时间，在图6中由附图标记42表示。尽管可变持续时间PWM周期是可以想象的，但更常见的是使用具有预定且恒定持续时间的PWM周期，例如1/10,000秒，于是其直接对应于频率，例如10kHz。对于诸如示例性实施例的电动马达的控制操作，PWM信号的频率通常在几十kHz，然而，本公开不限于这样的频率范围。
占空比对应于“开启”时间相对于PWM周期的整个持续时间的比例或百分比。在图6中，附图标记44表示占空比的图形表示。换言之，电机的相端子被期望连接到正极DC端子的时间量与脉冲循环持续时间42或PWM周期的时间量之间的比率的图形表示。这通常以1的百分比或分数表示。例如，如果占空比正好持续PWM周期整个持续时间的一半，它将是50或0.5，具体取决于所采用的数字约定。本公开采用0.0到1.0的数字约定，但可以容易地适应使用其它数字约定或方法来量化占空比。
电动马达28是AC马达，流过每一相的电流将随时间在正电流和负电流之间交替，这是通过适当切换开关34、36来实现的。由于电路部件的物理限制(即闭合和打开开关所需的时间)并且为了防止短路，使用电压源逆变器的脉冲宽度调制可以合成的最大线性电压是有限的。
图3示出了用于实现占空比命令的已知方法。在常规PWM方法的这个示例中，仅示出了一个相的单个PWM周期。顶部的线示出了正确操作电动马达所期望的原始占空比命令的描述。在这个示例中，正电流被提供给电动马达的相，当两个开关都打开时，来自电动马达的正电流将穿过低侧二极管，在图3中，这由标识为“二极管导通”的带有散列标记的区域示出。要注意的是，当电流穿过低侧二极管时，施加到电动马达的相的电压接近负极AC端子电压。为防止短路，在低侧开关打开和高侧开关闭合之间插入死区时间间隔。类似地，在结束占空比时，会在高侧开关打开和低侧开关闭合之间插入死区时间间隔。图3的底部波形示出了实际施加到电动马达的相上的最终电压波形。可以看出，在这种常规方法中，电压波形具有与原始占空比命令相同的占空比。这是通过在生成PWM输出之前将已知的等效死区时间占空比添加到原始占空比命令来补偿死区时间间隔而实现的。当考虑打开和闭合开关所需的上述可测量时间量时，补偿死区时间间隔的这种常规方法可能限制逆变器电路24的最大可实现线性调制范围，并因此限制由控制系统20合成的电压波形的质量。此外，如在该常规方法中所见，与原始命令相比，所得电压波形延迟了死区时间段的1/2。这种延迟是不期望的，因为它会在处理器26内的采样和执行的协调中引起时序问题。
现在将参考图4-23解释控制系统20执行脉冲宽度调制的方式。在该图示实施例中，控制系统20是具有预定脉冲循环持续时间42的脉冲宽度调制控制系统，并且其中控制系统的物理部件限定了最小非零占空比(Dmin)和死区时间占空比(Ddead)，控制系统20用于限定可变占空比，其中Dmin是在电机操作期间由控制系统限定的最小非零占空比；并且其中在电机操作期间由控制系统限定的最大非单位占空比(Dmax)等于一减去Dmin。尽管示例性实施例具有预定的脉冲循环持续时间，但替代实施例可以采用可变脉冲循环持续时间或PWM频率。
首先转到图4-6，这些图示出了对于介于Dmin和(Dmax-2*Ddead)之间的占空比，正电流被提供给电动马达28的相的情况。在所示示例中，由控制系统限定的可变占空比使用载波信号进行控制，其中载波信号从脉冲循环开始时的1.0线性下降到脉冲循环中点处的0.0，并从在脉冲周期的中点处的0.0线性上升到在脉冲周期的终点处的1.0。图5示出了单个PWM周期的载波信号46。
本文公开的载波信号方法导致占空比的中心点与PWM周期的中心点重合。然而，使用具有固定前沿(开始时间)或固定后沿(结束时间)的占空比将是可能的。例如，可以将占空比的前沿固定为始终从0.5(Dmin)开始或将占空比的后沿固定在1.0-(0.5(Dmin))。在这样的替代方法中，占空比的持续时间将使用本文描述的相同方法计算并且定位在PWM周期内以在固定开始时间开始或在固定结束时间结束。然而，使用中心点与PWM周期的中心点重合的的占空比可以提供计算效率。
当流经电机的相的电流为正(即电流流入电机的相)时，如图4-6的情况所示，当载波信号大于期望占空比时，高侧开关打开，当载波信号小于期望占空比时，高侧开关闭合；当载波信号大于(期望占空比+2*Ddead)时，低侧开关闭合，当载波信号小于(期望占空比+2*Ddead)时，低侧开关打开。
在图5中，当载波信号与水平线Sx,L＝D*+2Ddead相交时，根据载波信号是下降到低于该线还是上升到高于该线，低侧开关打开或闭合，其中当载波信号大于该水平线的值时低侧开关闭合。D*表示期望占空比。类似地，在图5中，当载波信号与水平线Sx,H＝D*相交时，高侧开关打开或闭合，其中当载波信号小于该值时，高侧开关闭合。D*用于指定图5和图6中的占空比命令。在图5中，不同的值代表PWM周期的分数，因此是无单位值。
在图6中，Sx,H的线对应于传送到高侧开关的控制信号。当这条线处于升高位置时，高侧开关闭合(“开”)，当它处于降低位置时，高侧开关打开或(“关”)。类似地，Sx,L的线对应于传送到低侧开关的控制信号。当这条线处于升高位置时，低侧开关闭合(“开”)，当它处于降低位置时，低侧开关打开或(“关”)。当线Vx升高时，DC电压源的正极端子施加到电动马达28的相。当线Vx没有升高时，DC电压源的负极端子施加到电动马达28的相。从图6中可以看出，线Vx对应于期望占空比D*，并且这两者都处于PWM周期的中心。在图6中标识为二极管导通的虚线区域是当两个开关在死区时间期间都打开并且正电流穿过低侧二极管从而将电动马达28的相连接到DC电压源的负极端子时。
图14-16示出了对应的情况，其中对于介于(Dmin+2*Ddead)和Dmax之间的占空比，负电流被提供给电动马达28。当流过电机的相的电流为负(即电流流出电机的相)时，高侧开关在载波信号大于(期望占空比-2*Ddead)时打开，在载波信号小于(期望占空比-2*Ddead)时闭合；低侧开关在载波信号大于期望占空比时闭合，在载波信号小于期望占空比时打开。
在图15中，当载波信号与水平线Sx,L＝D*相交时，根据载波信号是下降到低于该线还是上升到高于该线，低侧开关打开或闭合，其中当载波信号小于该水平线的值时低侧开关打开。类似地，在图15中，当载波信号与水平线Sx,H＝D*-2Ddead相交时，高侧开关打开或闭合，其中当载波信号小于该值时，高侧开关闭合。D*用于指定图15和16中的命令占空比。应当注意，当两个开关都打开时，高侧二极管传导负电流，由于该二极管导通并且由于负电流和正电流之间的差异，使得在低侧开关打开的整个时间期间，包括两个开关都打开时的死区时间，电动马达28的相连接到DC电压源的正极端子。这可以在图16的Vx线中看到。
现在转向可变占空比的最末端，图7-9示出了对于接近Dmax的占空比，正电流被提供给电动马达28的相的情况。图7与图5相似，但示出了占空比接近最大占空比的情况。在所示实施例中，最大非单位占空比(Dmax)等于一减去最小非零占空比(Dmin)。
当正电流在DC电压源和电机的相之间流动并且(期望占空比+2*Ddead)等于或大于最大占空比(Dmax)时，低侧开关在整个PWM周期内保持打开。在这种情况下，基本上没有“死区时间”，因为从不启用低侧开关。相反，低侧开关保持断开，低侧二极管导通的时间相当于低侧开关的“接通时间”。因此，电压源逆变器可以合成的最大线性电压不受死区时间插入的限制。这是所公开的实施例的新颖且有利的特征。
图8示出了当期望占空比等于或大于最大占空比时高侧开关的钳制策略。如前所述，当D*+2*Ddead大于或等于Dmax时，低侧开关被钳制断开。高侧开关执行D*，直到D*大于Dmax。如果D*大于Dmax且D*小于或等于1-(Dmin/2)，则高侧开关执行Dmax。如果D*大于1-(Dmin/2)，则高侧开关执行1。
图9示出了最大非单位占空比，其中占空比在脉冲循环内对称地取向，高侧开关的前断开时间等于Dmin/2，高侧开关的后断开时间等于Dmin/2.
图10-13示出了对于接近最小占空比的占空比，正电流被提供给电动马达28的相的情况。当流过电机的相的电流为正(即电流流入电机的相)并且期望占空比等于或低于最小占空比(Dmin)且等于或大于0.5*Dmin时，高侧开关在载波信号小于Dmin时闭合，在载波信号大于Dmin时打开；并且其中低侧开关在载波信号小于(Dmin+2*Ddead)时打开，在载波信号大于(Dmin+2*Ddead)时闭合。当流过电机的相的电流为正(即电流流入电机的相)并且期望占空比低于0.5*Dmin时，高侧开关在整个PWM周期内闭合，低侧开关在整个PWM周期内打开。
图10与图7和图5相似，但示出了占空比接近最小占空比的情况。图13提供了图表，示出了占空比以及高侧和低侧开关在Dmin的期望占空比内的操作。图11代表高侧开关的钳制策略，图12代表低侧开关的钳制策略，这是针对等于Dmin或低于Dmin的期望占空比和正电流。
图17-20示出了对于接近最大占空比的占空比，负电流被提供给电动马达28的相的情况。当流过电机的相的电流为负(即电流流出电机的相)并且期望占空比等于或高于最大占空比(Dmax)且等于或低于(1–0.5*Dmin)时，高侧开关在载波信号小于(Dmax-2*Ddead)时闭合，在载波信号大于(Dmax-2*Ddead)时打开；并且其中低侧开关在载波信号大于Dmax时闭合，在载波信号小于Dmax时打开。当流过电机的相的电流为负(即电流流出电机的相)并且期望占空比高于(1-0.5*Dmin)时，高侧开关在整个PWM周期内闭合，低侧开关在整个PWM周期内打开。
图17与图15相似，示出了占空比接近最大占空比的情况。图20提供了图表，示出了占空比以及对于占空比命令等于Dmax的情况下高侧和低侧开关的操作。从图20中可以看出，因为这种情况涉及负电流，所以每当高侧开关和低侧开关都打开或每当高侧开关闭合且低侧开关打开时，输出电压对应于DC电压源的正极端子。
图18和19表示当期望占空比等于或高于负电流的Dmax时，用于高侧和低侧开关的钳制策略。如图18所示，当期望占空比高于1-0.5*Dmin时，低侧开关被钳制打开。如图19所示，当期望占空比高于1-0.5*Dmin时，高侧开关被钳制闭合。当期望占空比等于或高于Dmax且等于或低于1–0.5*Dmin时，高侧开关在载波信号小于Dmax时闭合，在载波信号大于Dmax时打开；并且其中低侧开关在载波信号小于(Dmax-2*Ddead)时打开，在载波信号大于(Dmax-2*Ddead)时闭合。
图21-23示出了对于接近最小占空比的占空比，负电流被提供给电动马达28的情况。当流过电机的相的电流为负(即电流流出电机的相)且(期望占空比-2*Ddead)等于或低于最小占空比(Dmin)并且期望占空比等于或高于最小占空比(Dmin)时，高侧开关在整个脉冲循环持续时间内保持在打开位置；并且其中低侧开关在载波信号小于期望占空比(D*)时打开，在载波信号大于期望占空比(D*)时闭合。当电流为负且期望占空比低于最小占空比时，高侧开关在整个脉冲循环持续时间内保持打开，而低侧开关在整个脉冲循环持续时间内保持闭合。
图21与图15和17相似，示出了占空比接近用于负电流的最小占空比的情况。随着占空比接近最小占空比，一旦期望占空比下降到低于(Dmin+2*Ddead)，则高侧开关将在整个PWM周期内保持打开。图23示出了高侧和低侧开关的操作以及负电流下对于最小占空比而言的占空比。
图22表示当占空比等于或低于Dmin且为负电流时用于低侧开关的钳制策略。在这种情况下，每当D*-2(Ddead)小于Dmin，高侧开关就会被钳制断开。低侧开关继续在D*下操作，直到达到Dmin。当D*小于Dmin且D*等于或大于(Dmin/2)时，低侧开关在Dmin下操作。当D*小于(Dmin/2)时，低侧开关钳制接通。
本文描述的控制系统的实施例可以使用多种方法中的一种来确定系统中使用的最小占空比(Dmin)和死区时间占空比(Ddead)值。
用于制造控制电路24的电气部件的制造商可以为给定的功率半导体装置提供接通和断开特性。该信息可用于确定最小脉冲宽度和/或必要的死区时间。在根据制造商的技术数据生成Ddead或Dmin值时，由电路的其它部件产生的延迟也可能需要结合到这些值中。
以下公式也可用于确定死区时间：
Dead＝[(Offmax-Omin)+(PDmax-PDmin)]*SF/(PWM周期)
其中Ddead是死区时间；Offmax是开关的最大断开延迟时间；Onmin是开关的最小接通延迟时间；PDmax是驱动器的最大传播延迟；PDmin是驱动器的最小传播延迟，SF是安全系数。
确定这些值的另一种方法是使用经验测试来确定控制电路24的实际物理部件的Dmin。当这种方法用于将要大量制造的系统时，通常建议使用安全系数。例如，如果经验测试确定电路能够达到X的Dmin，则在实践中1.2X可能用作Dmin值，以考虑在将系统投入制造时的制造公差和其它不一致性的情况。
然后使用Dmin和Ddead的值来设定与上述方法一起使用的值。在这点上，应注意，当开关由控制电路尽可能快地操作时，Dmin被设定为近似于在一种状态(接通或断开)下的开关的停留时间。在实践中，该值会略大于提供安全系数的实际最短时间，例如大20％。
控制系统通过将最小前断开时间和最小后断开时间设定为Dmin/2来提高效率。需要注意的是，图9示出了高侧开关的前断开时间和后断开时间为Dmin/2的情况。这些是高侧开关的最小非零前断开时间和最小非零后断开时间。图20示出了低侧开关的前断开时间和后断开时间为Dmin/2的情况。这些是低侧开关的最小非零前断开时间和最小非零后断开时间。
从图6、9、13、16、20和23中可以看出，如果高侧开关在整个PWM周期内没有被钳制为闭合或打开，则高侧开关在持续时间至少与Dmin/2一样长的打开或“断开”位置开始每个PWM周期循环。高侧开关还在持续时间至少与Dmin/2一样长的打开或“断开”位置结束每个PWM循环。因此，如果两个这样的PWM周期串联出现，则高侧开关将在Dmin的总持续时间内处于“断开”或打开位置。这是因为一个PWM循环的后“断开”时间会延伸到下一个PWM循环的前“断开”时间中。
从图6、9、13、16、20和23中可以看出，如果高侧开关在整个PWM周期内没有被钳制为闭合或打开，则低侧开关在持续时间至少与Dmin/2一样长的闭合或“接通”位置开始每个PWM周期循环。低侧开关还在持续时间至少与Dmin/2一样长的闭合或“接通”位置结束每个PWM循环。因此，如果两个这样的PWM周期串联出现，则低侧开关将在Dmin的总持续时间内处于“接通”或闭合位置。这是因为一个PWM循环的后“接通”时间会延伸到下一个PWM循环的前“接通”时间中。
如果正电流的Dmax期望占空比(图9)紧随或先于负电流的Dmax期望占空比(图20)，则低侧开关在闭合或“接通”位置将只有Dmin/2的停留时间，这种快速切换对于电路来说在物理上是不可能的。虽然这种理论上的限制似乎阻止了上述控制方法的使用，但在实际实践中，这种理论冲突可能不存在或不存在重大问题。在这方面，要注意的是，通常可以毫无问题地命令Dmin/2的单个脉冲。开关可能不接通，或者可能接通，或者可能部分接通，但是对于单个开关循环，这通常不会对控制系统20产生显著的负面影响。
下面描述几个有利的实施例。第一实施例提供了一种用于多相电机(28)的控制系统(20)，其用于控制电流在电压源(22)和多相电机之间的流动以将电机作为马达操作，所述控制系统包括：其中在多相电机的各相与电压源之间，控制系统包括：高侧二极管(30A-C)和高侧开关(34A-C)，其并联定位在电压源的正极端子和电机之间，其中高侧二极管相对于正极端子反向偏置；以及低侧二极管(32A-C)和低侧开关(36A-C)，其并联定位在电压源的负极端子和电机之间，其中低侧二极管相对于电机反向偏置；其中控制系统是具有脉冲循环持续时间的脉冲宽度调制控制系统，并且其中控制系统的物理部件限定最小占空比(Dmin)，控制系统进一步限定死区时间占空比(Ddead)并且可操作以限定从零到一的可变占空比(D*)，其中由控制系统限定的可变占空比是使用载波信号确定的，其中载波信号从脉冲循环开始处的1.0线性下降到脉冲循环中点处的0.0并从脉冲循环中点处的0.0线性上升到脉冲循环结束点处的1.0，其中用于控制高侧开关和低侧开关的命令被确定为载波信号的函数：其中Dmin是在电机作为马达操作期间由控制系统限定的最小非零占空比；并且其中在电机操作期间由控制系统限定的最大非单位占空比(Dmax)等于(1-Dmin)。
第二实施例提供具有第一实施例的特征的控制系统，其中当可变占空比在Dmin和(Dmax-2(Ddead))之间并且电流为正时，控制系统命令：高侧开关在载波信号大于D*时打开，在载波信号小于D*时闭合；以及低侧开关在载波信号大于(D*+2(Ddead))时闭合，在载波信号小于(D*+2(Ddead))时打开；并且其中当可变占空比(D*)在(Dmin+2(Ddead))和Dmax之间且电流为负时，控制系统命令：高侧开关在载波信号大于(D*-2(Ddead))时打开，在载波信号小于(D*-2(Ddead))时闭合；以及低侧开关在载波信号大于D*时闭合，在载波信号小于D*时打开。
第三实施例提供具有第一实施例的特征的控制系统，其中当电流为正并且(D*+2(Ddead))大于Dmax且D*等于或低于Dmax时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于D*时闭合，在载波信号大于D*时打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且其中当电流为负并且(D*-2(Ddead))小于Dmin且D*大于或等于Dmin时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在载波信号大于D*时闭合，在载波信号小于D*时打开。
第四实施例提供具有第一实施例的特征的控制系统，其中当电流为正并且D*大于Dmax且D*也等于或低于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于Dmax时闭合，在载波信号大于Dmax时打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且其中当电流为负并且D*大于Dmax且D*也小于或等于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于(Dmax-2(Ddead))时闭合，在载波信号大于(Dmax-2(Ddead))时打开；以及低侧开关在载波信号大于Dmax时闭合，在载波信号小于Dmax时打开。
第五实施例提供具有第一实施例的特征的控制系统，其中当电流为正并且D*大于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且其中当电流为负并且D*大于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开。
第六实施例提供具有第一实施例的特征的控制系统，其中当电流为正并且D*低于Dmin且D*也大于或等于(Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于Dmin时闭合，在载波信号大于Dmin时打开；以及低侧开关在载波信号小于(Dmin+2(Ddead))时打开，在载波信号大于(Dmin+2(Ddead))时闭合；并且其中当电流为负并且D*小于Dmin且D*也大于或等于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在载波信号大于Dmin时闭合，在载波信号小于Dmin时打开。
第七实施例提供具有第一实施例的特征的控制系统，其中当电流为正并且D*低于(Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；并且其中当电流为负并且D*小于(Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合。
第八实施例提供具有实施例3-7中任一项的特征的控制系统，其中当可变占空比在Dmin和(Dmax-2(Ddead))之间并且电流为正时，控制系统命令：高侧开关在载波信号大于D*时打开，在载波信号小于D*时闭合；以及低侧开关在载波信号大于(D*+2(Ddead))时闭合，在载波信号小于(D*+2(Ddead))时打开；并且其中当可变占空比(D*)在(Dmin+2(Ddead))和Dmax之间且电流为负时，控制系统命令：高侧开关在载波信号大于(D*-2(Ddead))时打开，在载波信号小于(D*-2(Ddead))时闭合；以及低侧开关在载波信号大于D*时闭合，在载波信号小于D*时打开。
第九实施例提供具有实施例2或4-7中任一项的特征的控制系统，其中当电流为正并且(D*+2(Ddead))大于Dmax且D*等于或低于Dmax时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于D*时闭合，在载波信号大于D*时打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且其中当电流为负并且(D*-2(Ddead))小于Dmin且D*大于或等于Dmin时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在载波信号大于D*时闭合，在载波信号小于D*时打开。
第十实施例提供具有实施例2、3或5-7中任一项的特征的控制系统，其中当电流为正并且D*大于Dmax且D*也等于或低于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于Dmax时闭合，在载波信号大于Dmax时打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且其中当电流为负并且D*大于Dmax且D*也小于或等于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于(Dmax-2(Ddead))时闭合，在载波信号大于(Dmax-2(Ddead))时打开；以及低侧开关在载波信号大于Dmax时闭合，在载波信号小于Dmax时打开。
第十一实施例提供具有实施例2-4、6或7中任一项的特征的控制系统，其中当电流为正并且D*大于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且其中当电流为负并且D*大于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开。
第十二实施例提供具有实施例1-5或7中任一项的特征的控制系统，其中当电流为正并且D*低于Dmin且D*也大于或等于(Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于Dmin时闭合，在载波信号大于Dmin时打开；以及低侧开关在载波信号小于(Dmin+2(Ddead))时打开，在载波信号大于(Dmin+2(Ddead))时闭合；并且其中当电流为负并且D*小于Dmin且D*也大于或等于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在载波信号大于Dmin时闭合，在载波信号小于Dmin时打开。
第十三实施例提供具有实施例2-6中任一项的特征的控制系统，其中当电流为正并且D*低于(Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；并且其中当电流为负并且D*小于(Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合。
第十四实施例提供了一种用于多相电机(28)的控制系统(20)，其用于控制电流在电压源(22)和多相电机之间的流动以将电机作为马达操作，所述控制系统包括：其中在多相电机的各相与电压源之间，控制系统包括：高侧二极管(30A-C)和高侧开关(34A-C)，其并联定位在电压源的正极端子和电机之间，其中高侧二极管相对于正极端子反向偏置；以及低侧二极管(32A-C)和低侧开关(36A-C)，其并联定位在电压源的负极端子和电机之间，其中低侧二极管相对于电机反向偏置；其中控制系统是具有脉冲循环持续时间的脉冲宽度调制控制系统，并且其中控制系统的物理部件限定最小占空比(Dmin)，控制系统进一步限定死区时间占空比(Ddead)并且可操作以限定从零到一的可变占空比(D*)，其中由控制系统限定的可变占空比是使用载波信号确定的，其中载波信号从脉冲循环开始处的1.0线性下降到脉冲循环中点处的0.0并从脉冲循环中点处的0.0线性上升到脉冲循环结束点处的1.0，其中用于控制高侧开关和低侧开关的命令被确定为载波信号的函数：其中Dmin是在电机作为马达操作期间由控制系统限定的最小非零占空比；并且其中在电机操作期间由控制系统限定的最大非单位占空比(Dmax)等于(1-Dmin)；
其中当可变占空比在Dmin和(Dmax-2(Ddead))之间并且电流为正时，控制系统命令：高侧开关在载波信号大于D*时打开，在载波信号小于D*时闭合；以及低侧开关在载波信号大于(D*+2(Ddead))时闭合，在载波信号小于(D*+2(Ddead))时打开；并且其中当可变占空比(D*)在(Dmin+2(Ddead))和Dmax之间且电流为负时，控制系统命令：高侧开关在载波信号大于(D*-2(Ddead))时打开，在载波信号小于(D*-2(Ddead))时闭合；以及低侧开关在载波信号大于D*时闭合，在载波信号小于D*时打开；
其中当电流为正并且(D*+2(Ddead))大于Dmax且D*等于或低于Dmax时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于D*时闭合，在载波信号大于D*时打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且其中当电流为负并且(D*-2(Ddead))小于Dmin且D*大于或等于Dmin时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在载波信号大于D*时闭合，在载波信号小于D*时打开；
其中当电流为正并且D*大于Dmax且D*也等于或低于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于Dmax时闭合，在载波信号大于Dmax时打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且其中当电流为负并且D*大于Dmax且D*也小于或等于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于(Dmax-2(Ddead))时闭合，在载波信号大于(Dmax-2(Ddead))时打开；以及低侧开关在载波信号大于Dmax时闭合，在载波信号小于Dmax时打开；
其中当电流为正并且D*大于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且其中当电流为负并且D*大于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；
其中当电流为正并且D*低于Dmin且D*也大于或等于(Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在载波信号小于Dmin时闭合，在载波信号大于Dmin时打开；以及低侧开关在载波信号小于(Dmin+2(Ddead))时打开，在载波信号大于(Dmin+2(Ddead))时闭合；并且其中当电流为负并且D*小于Dmin且D*也大于或等于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在载波信号大于Dmin时闭合，在载波信号小于Dmin时打开；并且
其中当电流为正并且D*低于(Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；并且其中当电流为负并且D*小于(Dmin/2)时，控制系统命令：高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合。
第十五实施例提供了一种控制系统，其具有实施例1-14中任一项的特征，其中Dmin和Ddead被确定为以下至少一项的函数：
(a)制造商建议的死区时间和/或最小脉冲宽度；
(b)物理部件的经验测试以确定所需的死区时间和/或最小脉冲宽度；和
(c)公式：Ddead＝([(Offmax-Onmin)+(PDmax-PDmin)]*SF)/(脉冲循环持续时间)；
其中Ddead是死区时间占空比；Offmax是开关的最大断开延迟时间；Onmin是开关的最小接通延迟时间；PDmax是驱动器的最大传播延迟；PDmin是驱动器的最小传播延迟，SF是安全系数。
第十六实施例提供具有实施例1-15中任一项所述的特征的控制系统，其中电机是三相电机。
本发明还可以采用根据本文所述的各种实施例或一般原理中的任一项来操作控制系统和电机的方法的形式。
虽然本发明已被描述为具有示例性设计，但本发明可在本公开的精神和范围内进一步修改。因此，本申请旨在涵盖使用其一般原理的本发明的任何变化、用途或改变。

Claims (15)

1.一种用于多相电机(28)的控制系统(20)，其用于控制电流在电压源(22)和多相电机之间的流动以将电机作为马达操作，所述控制系统包括：
其中在多相电机的各相与电压源之间，控制系统包括：
高侧二极管(30A-C)和高侧开关(34A-C)，其并联定位在电压源的正极端子和电机之间，其中高侧二极管相对于正极端子反向偏置；以及
低侧二极管(32A-C)和低侧开关(36A-C)，其并联定位在电压源的负极端子和电机之间，其中低侧二极管相对于电机反向偏置；
其中控制系统是具有脉冲循环持续时间的脉冲宽度调制控制系统，并且其中控制系统的物理部件限定最小占空比(Dmin)，控制系统进一步限定死区时间占空比(Ddead)并且可操作以限定从零到一的可变占空比(D*)，其中由控制系统限定的可变占空比是使用载波信号确定的，其中载波信号从脉冲循环开始处的1.0线性下降到脉冲循环中点处的0.0并从脉冲循环中点处的0.0线性上升到脉冲循环结束点处的1.0，其中用于控制高侧开关和低侧开关的命令被确定为载波信号的函数：
其中Dmin是在电机作为马达操作期间由控制系统限定的最小非零占空比；并且
其中在电机操作期间由控制系统限定的最大非单位占空比(Dmax)等于(1-Dmin)。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中当可变占空比在Dmin和(Dmax-2(Ddead))之间并且电流为正时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号大于D*时打开，在载波信号小于D*时闭合；以及
低侧开关在载波信号大于(D*+2(Ddead))时闭合，在载波信号小于(D*+2(Ddead))时打开；并且
其中当可变占空比(D*)在(Dmin+2(Ddead))和Dmax之间且电流为负时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号大于(D*-2(Ddead))时打开，在载波信号小于(D*-2(Ddead))时闭合；以及
低侧开关在载波信号大于D*时闭合，在载波信号小于D*时打开。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中当电流为正并且(D*+2(Ddead))大于Dmax且D*等于或低于Dmax时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号小于D*时闭合，在载波信号大于D*时打开；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且
其中当电流为负并且(D*-2(Ddead))小于Dmin且D*大于或等于Dmin时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及
低侧开关在载波信号大于D*时闭合，在载波信号小于D*时打开。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其中当电流为正并且D*大于Dmax且D*也等于或低于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号小于Dmax时闭合，在载波信号大于Dmax时打开；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且
其中当电流为负并且D*大于Dmax且D*也小于或等于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号小于(Dmax-2(Ddead))时闭合，在载波信号大于(Dmax-2(Ddead))时打开；以及
低侧开关在载波信号大于Dmax时闭合，在载波信号小于Dmax时打开。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中当电流为正并且D*大于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且
其中当电流为负并且D*大于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其中当电流为正并且D*低于Dmin且D*也大于或等于(Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号小于Dmin时闭合，在载波信号大于Dmin时打开；以及
低侧开关在载波信号小于(Dmin+2(Ddead))时打开，在载波信号大于(Dmin+2(Ddead))时闭合；并且
其中当电流为负并且D*小于Dmin且D*也大于或等于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及
低侧开关在载波信号大于Dmin时闭合，在载波信号小于Dmin时打开。
7.根据权利要求1所述的控制系统，其中当电流为正并且D*低于(Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；并且
其中当电流为负并且D*小于(Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的控制系统，其中当可变占空比在Dmin和(Dmax-2(Ddead))之间并且电流为正时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号大于D*时打开，在载波信号小于D*时闭合；以及
低侧开关在载波信号大于(D*+2(Ddead))时闭合，在载波信号小于(D*+2(Ddead))时打开；并且
其中当可变占空比(D*)在(Dmin+2(Ddead))和Dmax之间且电流为负时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号大于(D*-2(Ddead))时打开，在载波信号小于(D*-2(Ddead))时闭合；以及
低侧开关在载波信号大于D*时闭合，在载波信号小于D*时打开。
9.根据权利要求2或4-7中任一项所述的控制系统，其中当电流为正并且(D*+2(Ddead))大于Dmax且D*等于或低于Dmax时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号小于D*时闭合，在载波信号大于D*时打开；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且
其中当电流为负并且(D*-2(Ddead))小于Dmin且D*大于或等于Dmin时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及
低侧开关在载波信号大于D*时闭合，在载波信号小于D*时打开。
10.根据权利要求2、3或5-7中任一项所述的控制系统，其中当电流为正并且D*大于Dmax且D*也等于或低于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号小于Dmax时闭合，在载波信号大于Dmax时打开；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且
其中当电流为负并且D*大于Dmax且D*也小于或等于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号小于(Dmax-2(Ddead))时闭合，在载波信号大于(Dmax-2(Ddead))时打开；以及
低侧开关在载波信号大于Dmax时闭合，在载波信号小于Dmax时打开。
11.根据权利要求2-4、6或7中任一项所述的控制系统，其中当电流为正并且D*大于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；并且
其中当电流为负并且D*大于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开。
12.根据权利要求1-5或7中任一项所述的控制系统，其中当电流为正并且D*低于Dmin且D*也大于或等于(Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在载波信号小于Dmin时闭合，在载波信号大于Dmin时打开；以及
低侧开关在载波信号小于(Dmin+2(Ddead))时打开，在载波信号大于(Dmin+2(Ddead))时闭合；并且
其中当电流为负并且D*小于Dmin且D*也大于或等于(1-Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及
低侧开关在载波信号大于Dmin时闭合，在载波信号小于Dmin时打开。
13.根据权利要求2-6中任一项所述的控制系统，其中当电流为正并且D*低于(Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合；并且
其中当电流为负并且D*小于(Dmin/2)时，控制系统命令：
高侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内打开；以及
低侧开关在整个脉冲循环持续时间(PWM周期)内闭合。
14.根据权利要求1-7中任一项所述的控制系统，其中Dmin和Ddead被确定为以下至少一项的函数：
(a)制造商建议的死区时间和/或最小脉冲宽度；
(b)物理部件的经验测试以确定所需的死区时间和/或最小脉冲宽度；和
(c)公式：Ddead＝([(Offmax-Onmin)+(PDmax-PDmin)]*SF)/(脉冲循环持续时间)；
其中Ddead是死区时间占空比；Offmax是开关的最大断开延迟时间；Onmin是开关的最小接通延迟时间；PDmax是驱动器的最大传播延迟；PDmin是驱动器的最小传播延迟，SF是安全系数。
15.根据权利要求15所述的控制系统，其中电机是三相电机。
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