(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気負荷の電力制御のために固定周波数および固定持続時間（ＦＦＦＤ）のパルス列を使用する方法であって、
処理システムを用いて、
電気負荷の所望される電力レベルを決定し、かつタイミング信号を提供するステップと、
前記タイミング信号の周期内で固定周波数および固定持続時間（ＦＦＦＤ）の一連の制御パルスであって、そのパルス数が前記電力レベルに対応している一連の制御パルスを含む制御信号を生成するステップと、
第１の電位線と前記電気負荷との間に接続された第１の電流供給スイッチ及び第２の電位線と前記電気負荷との間に接続された第２の電流供給スイッチそれぞれの制御入力に前記制御信号を供給して、これらスイッチを各パルスの幅の間ＯＮ状態とし、かつ各パルスの後にＯＦＦ状態に制御して、前記ＯＮ状態の間に前記電気負荷を通して、第１の電位線から第２の電位線に電流を流すステップと、
を含み、前記電気負荷と前記第１又は第２の電流供給スイッチとの直列接続に並列に、分路抵抗器が並列接続されていることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、該方法はさらに、反復する時間サイクル内でパルスの数を変化させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記電気負荷が１または複数のＤＣ電気モータであることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、前記タイミング信号を提供するステップが、減分カウンタまたは増分カウンタを使用するソフトウェアを使用して、前記制御パルスの前記パルス数を制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項３記載の方法において、該方法はさらに、前記１つまたは複数のＤＣ電気モータの運転を制御するステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記制御信号を生成するステップが、アナログパルス成形回路を使用するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、該方法はさらに、１または複数の電気モータに印加される電力を制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、前記電気負荷が１または複数の電気的光源であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、該方法はさらに、反復する時間サイクル内で前記パルス数を変化させることによって、前記１または複数の光源の光出力の強度を制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、前記電気負荷が１または複数の加熱装置であることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、該方法はさらに、反復する時間サイクル内で前記パルス数を変化させることによって熱出力を制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法において、該方法はさらに、反復する時間サイクル内で前記パルス数を変化させることによって、１または複数の切り替え電源に印加される電力を制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
電力制御回路であって、
タイミングサイクルを有し、固定周波数及び固定持続時間（ＦＦＦＤ）の一連のパルスを含む電流供給スイッチ制御信号を生成する処理システムと、
第１の電位線と、
第２の電位線と、
電気負荷と、
前記第１の電位線と前記電気負荷との間及び前記第２の電位線と前記電気負荷との間にそれぞれ接続され、制御入力端を有する第１及び第２の電流供給スイッチであって、前記電流供給スイッチ制御信号を前記制御入力端で受信して、前記タイミングサイクル内の前記一連のパルスによりＯＮ状態およびＯＦＦ状態のいずれかに制御され、ＯＮ状態の間に前記電気負荷を通って第１の電位線から第２の電位線へ電流を供給して、該電気負荷に電力を供給する第１及び第２の電流供給スイッチと、
前記電気負荷と前記第１又は第２の電流供給スイッチとの直列接続に並列に接続された分路抵抗器と
を備えていることを特徴とする電力制御回路。
【請求項１４】
請求項１３記載の電力制御回路において、前記電気負荷が発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする電力制御回路。
【請求項１５】
請求項１３記載の電力制御回路において、前記電気負荷が発光ダイオードのアレイであることを特徴とする電力制御回路。
【請求項１６】
請求項１３記載の電力制御回路において、前記電気負荷がＤＣモータの電気回路であることを特徴とする電力制御回路。
【請求項１７】
請求項１６記載の電力制御回路において、前記ＤＣモータがブラシレスＤＣモータであることを特徴とする電力制御回路。
【請求項１８】
請求項１４記載の電力制御回路において、該回路は、タイミングサイクルの前記パルスの数を、ゼロから最大強度までのＬＥＤの強度レベルに対応して０から最大数に変化するよう構成されていることを特徴とする電力制御回路。
【請求項１９】
請求項１３記載の電力制御回路において、前記電気負荷が、加熱エレメントであることを特徴とする電力制御回路。
【請求項２０】
請求項１９記載の電力制御回路において、該回路は、タイミングサイクルの前記パルスの数を、ゼロから最大熱出力まで加熱エレメントの熱出力レベルに対応してゼロから最大数に変化するよう構成されていることを特徴とする電力制御回路。
【請求項２１】
請求項１３記載の電力制御回路において、該回路はさらに、前記電流供給スイッチに供給される電流供給スイッチ制御信号を生成し、前記タイミングサイクル内の各パルスの前記開始および終了を計時するための処理装置を備えることを特徴とする電力制御回路。
【請求項２２】
請求項１３記載の電力制御回路において、該回路はさらに、前記電気負荷と前記第１又は第２の電流供給スイッチとの直列接続に並列に接続された分路ダイオードを備えることを特徴とする電力制御回路。
【発明の詳細な説明】
【発明の技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ負荷への電力を制御するための方法およびシステムに関する。
なお、本出願は、参照することによりその教示全体が本明細書に組み込まれる、２０１０年５月１３日に出願された米国特許出願第１２／７７９，１７９号の利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング素子を使用して、ＤＣ母線（power rail）を電動負荷に接続することによってＤＣ負荷への電力を増分的に制御する従来の方法は、パルス幅変調器（つまり「ＰＷＭ」）、および可変周波数（つまり「ＶＦ」）の一定幅のパルス等の多様なタイプのパルス列を含む。両方の方法とも、パルス列のデューティサイクルを効果的に変更するが、両方とも操作上の欠点を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本開示の態様および実施形態は、固定周波数と、固定された期間または持続期間の両方を制御パルスに提供することによって前述の問題に対処する。かかる技法は、本明細書中で、または関連出願で、パルス列中のパルスの固定周波数固定持続期間の性質に関して、「ＦＦ/ＦＤ」技法、「ＦＦＦＤ」技法、「ＦＤ/ＦＦ」技法、または「ＦＤＦＦ」技法と呼ばれることがある。電気負荷（複数の場合がある）に提供される電力は、設定された期間内にパルスが発せられる回数を変更することによって変えられる。本開示に係るＦＦＦＤ技法は、本明細書にさらに詳しく説明されるように従来のＰＷＭ方法およびＶＦ方法に対して明瞭な優位点を有する。
本開示の態様は、電気負荷の電力制御のために固定持続期間および固定周波数のパルスを使用する方法を対象とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
例示的な実施形態では、一つの方法は、処理システムを用いて、タイミング信号を提供することと、電気負荷に対して所望される電力レベルを決定することを含むことがある。この方法は、タイミング信号内の、および所望される電力レベルに対応する固定持続期間および固定周波数の制御パルスのシーケンスを含む制御信号を生成することを含むことがある。制御信号は、電力負荷に接続される電流供給スイッチの入力に供給されて、スイッチを各パルス中のＯＮ状態およびで各パルス後のＯＦＦ状態の内の１つにして、ＯＮ状態の間に電気負荷を通して、第１のポテンシャルから第２のポテンシャルに電流を流すことができる。
【０００５】
この方法は、反復する時間サイクル内でパルス数を変えることをさらに含むことがある。
電気負荷は、１つまたは複数のＤＣ電気モータを含むことがある。
タイミング信号を提供することは、減分カウンタまたは増分カウンタを使用するソフトウェアを使用して、制御パルスの期間を制御することを含むことがある。
この方法は、１つまたは複数のＤＣ電気モータの移動を制御することをさらに含むことがある。
この方法は、制御信号を生成することを含むことがあり、アナログパルス整形回路を使用することを含む。
この方法は、１つまたは複数の電気モータに印加される電力を制御することを含むことがある。
この方法は、１つまたは複数の電気的光源に適用される電力を制御することを含むことがある。
この方法は、反復する時間サイクル内でパルス数を変えることによって１つまたは複数の光源の光出力の強度を制御することを含むことがある。
この方法は、１つまたは複数の加熱装置に印加される電力を制御することを含むことがある。
この方法は、反復する時間サイクル内でパルス数を変えることによって熱出力を制御することをさらに含むことがある。
この方法は、反復する時間サイクル内でパルス数を変えることによって、１つまたは複数の切り替え電源に印加される電力を制御することを含むことがある。
本開示の追加の態様は、電気負荷に供給される電力の制御のためにＦＦＦＤ伝導装置を提供するために動作している制御回路／装置を対象にする。
【０００６】
ＦＦＦＤ制御回路の例示的な実施形態は、第１の出力ポテンシャルおよび第２の出力ポテンシャル、ならびに電気負荷を含むことがある。また、制御回路は、電気負荷に接続される電流供給スイッチを含み、電流供給スイッチ制御信号を受信し、スイッチをＯＮ状態およびＯＦＦ状態の内の一方にする入力を含み、タイミングサイクル内の固定持続期間および固定周波数のパルスのシリーズがあるタイミングサイクルを含み、ＯＮ状態の間に負荷を通って第１のポテンシャルから第２のポテンシャルへ電流を流し、負荷にタイミングサイクルの間電力を受け取らせる。
【０００７】
負荷は、１つまたは複数の発光ダイオード（LED)を含むことがある。
負荷は、例えば直列のＬＥＤの平行したストリング等の、発光ダイオード（ＬＥＤ)のアレイを含むことがある。
負荷は、ＤＣモータの電気回路を含むことがある。
ＤＣモータは、ブラシレスＤＣモータであることがある。
負荷は、ＡＣモータの電気回路を含むことがある。
【０００８】
ＦＦＦＤ回路は、電流が電流供給スイッチを通って流れる前の初期状態を有することがあり、タイミングサイクルのパルス間の期間は、回路がタイミングサイクルのパルスの後に初期状態に戻るための期間よりも長い。
タイミングサイクルのパルス数は、ゼロから最大強度までの強度レベルに対応する最大数にゼロから変わることがある。
負荷は、加熱エレメントを含むことがある。
タイミングサイクルのパルス数は、ゼロから最大熱出力までの加熱エレメントの熱出力レベルに対応する最大数にゼロから変わることがある。
【０００９】
また、回路は、電流供給スイッチに供給される電流供給スイッチ制御信号を生成し、タイミングサイクル内の各パルスの開始および終了を計時するための処理装置を含むこともある。
また、回路は、負荷に接続される第２の電流供給スイッチも含むことがある。
回路は、第１の電流供給スイッチまたは第２の電流供給スイッチ、および第１の出力ポテンシャルまたは第２の出力ポテンシャルに接続される分路抵抗器を含むこともある。
また、回路は、第１の電流供給スイッチまたは第２の電流供給スイッチ、および第１の出力ポテンシャルまたは第２の出力ポテンシャルに接続される分路ダイオードを含むこともある。
【００１０】
上述の実施形態および態様を、任意の実際的な組み合わせで組み合わせる、または配置することができることが理解されるだろう。
本開示の実施形態の他の特長は、本明細書中の説明、図面、および請求項から明らかになるだろう。
本開示の態様は、実例的な性質であり、制限的ではないと見なされる添付図面とともに読まれるときに以下の説明からより完全に理解され得る。図面は、必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに本開示の原則に強調が加えられている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本開示の例示的な実施形態に従って一般的な電気負荷を通る電流フローを制御するために電子スイッチを使用する方法を示す簡略化された回路概略図である。
【図１Ｂ】本開示の例示的な実施形態に従って負荷を通る電流フローを制御するために電子スイッチを使用する方法を示す簡略化された回路概略図である。
【図２】本開示の例示的な実施形態に従って、ＦＦＦＤ制御技法で使用されるパルスの基本的なタイミング方式を示すタイミング図の集合体を含む図である。
【図３】本開示に係るＦＦＦＤパルス列技法の実施形態と、以前のＰＷＭパルス方法との間の相違点を示すタイミング図の集合体を含む図である。
【図４】以前のＰＷＭ方法の間違いを示す波形の集合体を含む図である。
【図５】本開示の例示的な実施形態に従って、ＦＦＦＤ技法の実施形態の正確さを示す波形の集合体を含む図である。
【図６】同じパルスの実際の電流フロー対理想化された電流フローを対比する波形の集合体を含む図である。
【図７】ＦＦＦＤパルスが、本開示の例示的な実施形態に従って、なぜパルスごとに一貫した電流フローを与えるのかを示す波形の集合体を含む図である。
【図８】本開示の例示的な実施形態に従って、コンピュータまたはプロセッサによって生成されるＧ ＦＦＦＤパルスのためのタイミング信号を示す波形の集合体を含む図である。
【図９】本開示の例示的な実施形態に従って、ＦＦＦＤ電力制御技法のためにＧパルスを生成するように構成されたプロセッサシステムの回路図である。
【図１０】本開示の例示的な実施形態に係る、プロセッサシステムによるＧ ＦＦＦＤパルスの生成のためのフローチャートである。
【図１１】本開示の例示的な実施形態に係る、ＦＦＦＤパルスの生成のためのアナログ回路の回路概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ある実施形態が図中に示されているが、当業者は、示されている実施形態が例示的であること、および本明細書中に説明される他の実施形態だけではなく、示されている実施形態の変形形態も本開示の範囲内で計画され、実施され得ることを理解するだろう。したがって、図面および発明を実施するための形態は、制限的ではなく実例となる性質であると見なされるべきである。
以下の発明を実施するための形態では、本開示の態様および実施形態の完全な理解を提供するために多数の具体的な詳細が述べられている。しかしながら、本開示の態様および実施形態がこれらの具体的な詳細のいくつかがなくても実践し得ることが当業者に明らかになるだろう。他の例では、周知の構造および技法は、理解を容易にするために詳細に示されていない。
【００１３】
本開示の上述の課題を解決するための手段および以下の発明を実施するための形態が、例示的且つ説明的であり、本開示の範囲を制限することを意図されていないことが理解されるべきである。さらに、本明細書中で使用される専門用語に関して、単数形の要素に対する参照は、別段に記述しない限り「唯一の」を意味することを意図しているのではなく、むしろ「１つまたは複数の」を意味することを意図している。用語「いくつかの」は、１つまたは複数を指す。下線が付けられた見出しおよび小見出し、および／またはイタリック体の見出しおよび小見出しは、便宜上のみ使用され、本開示を制限せず、本開示の説明の解釈に関連して参照されない。
【００１４】
本開示の実施形態は、固定周波数および固定期間（ＦＦＦＤ）を有する制御パルスの印加による（電子的を含む）電気的な負荷に対する電源の供給または印加のための制御技法を対象にする。異なる用途の場合、電気回路でのいくつかの変動が必要とされることがあるが、負荷は、任意のタイプのＤＣ負荷である場合がある。かかるＦＦＦＤ技法は、以前の技法、つまり注目すべきＰＷＭ技法およびＶＦ技法よりもより正確な電源の供給を実現できる。かかる正確な電源供給は、一般的に電力負荷に対して、および特に電気モータ、電灯、および発熱体に対して、多くの点で望ましい。かかる精密電源供給は、義肢、ロボット、スペースシャトル上でのようなロボットアーム、および細かな接触および精度が重大である電動式の医療機器および手術用機器の制御された移動において等、細かい作業に特によく適していることがある。正確なモータ移動を必要とする他の用途は、無人飛行機等の航空機の制御、天体望遠鏡の移動、および海軍の大砲等の長距離武器の移動を含む。
【００１５】
本開示に係るＦＦＦＤ技法は、例えば電気モータ等の電気負荷を駆動するための装置および／または方法を含み、パルス幅変調（ＰＷＭ）技法または可変周波数（ＶＦ）技法のどちらかよりもより正確である場合がある。例えば、ＰＷＭは、合計２つの可変制御パラメータについて、（１）パルスの幅、および（２）総サイクル長を変更する。ＶＦは、合計２つの可変制御パラメータについて、（１）パルス長および（２）これらのパルスの周波数を変更する。ＦＦＦＤ技法を使用すると、設計者は、（１）ＯＮパルスの固定長、（２）ＯＦＦ期間または回復期間の固定長、（３）１サイクルの総期間、および／または（４）その期間内のパルス数を変更できるようになる。特に、ＦＦＦＤ ＯＮパルスのそれぞれの正確な電源供給が関連しており、したがって電気モータが電気負荷であるときに、正確なモータの移動を可能にする。したがって、本開示にかかるＦＦＦＤ技法は、ＰＷＭ技法および／またはＶＦ技法の代わりに有利に活用できる。
【００１６】
図１Ａは、本開示の例示的な実施形態に係る、ＦＦＦＤ電力制御の一般的な技法（システムおよび／または方法）１００を示す簡略化された回路概略図を示す。図示されるように、ＤＣ負荷１０６は、負電圧レール１１０に流れる正電圧レール１０５から供給される電流に接続し、電力の供給を受けることができる。電源スイッチ１０７は、制御パルス１０８によって命令されるように、この電流フローを中断する、または電流を中断なしに通すことができる。パルス列１０８のパターンおよび有効デューティサイクルは、最終的に、負荷１０６を通る有効な電流フローを決定するが、その電流の精度、効率、および有効性は、以下の説明に説明されるように、パルス列の特定のパターンに依存する。電源スイッチ１０７が、パワー電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）装置である場合には、パルス列１０８（つまりＧパルス）がＦＥＴのゲートに印加されるだろう。他の構成では、トランジスタ等の任意のタイプの電源スイッチ装置が使用できるだろう。
【００１７】
図１Ｂは、非抵抗負荷に必要とされることがある異なる構成のいくつかを示す簡略化された回路概略図１００Ｂを示す。図１Ａとは対照的に、図１Ｂは、２つのスイッチング素子１１５および１２５を示す。この二重切り替えは、両方のスイッチにＧパルス列１３０を使用して、ＶプラスラインとＶマイナスラインの両方から負荷１２０を完全に隔離できる。これは、例えば負荷１２０が、電気モータでのようにきわめて誘導的な性質であるときに必要となることがある。誘導負荷がＯＦＦ状態に切り替えられるとき、誘導された電流によって、電圧スパイスが、負荷１２０の負の端部で発生し、したがってその場合、この電流を妥当な電圧に固定するために分路ダイオード１４０が必要とされることがある。同様に、例えば切り替えＯＦＦ状態が可能な限りゼロに近くなることが所望された等、負荷１２０が非常に正確な量の電力を有することを要求された場合、分路抵抗器１５０は、ＯＦＦ状態でスイッチ装置１１５を通して流れる漏れ電流を効果的に脇にそらすだろう。
【００１８】
図１Ｂに示される例では、ＯＦＦに切り替えられるときに負荷１２０が真にゼロ電流状態にあるのに対し、図１Ａでは、負荷１０６はＯＦＦ状態の間それを通って流れるスイッチ１０７の漏れ電流を有し続けることができることが分かる。明らかに、ＦＦＦＤ技法を使用する他の回路設計は、その特定の回路設計の特定の負荷および必要とされる性能の変動について要求されることがあるように、これらの追加の構成要素のいくつかだけ、またはなおさらに多くの異なる構成要素を含むことがある。
【００１９】
本開示にかかるＦＦＦＤ技法は、ＰＷＭ技法および／またはＶＦ技法の代わりに有利に活用できることが理解されるだろう。ＦＦＦＤ技法によって電力が印加される電気負荷は、実質的には、供給される電力を制御することが所望される任意のタイプの要素または構成要素である場合がある。負荷に印加される電力は、反復する時間サイクル内でＦＦＦＤパルスの数を変えることによって制御できる。例えば、かかる負荷は、電動工具または電動式のパワーツール、ＬＥＤアレイ、高輝度放電（ＨＩＤ）照明等の任意の種類の電灯照明、電熱器および加熱エレメント、ファンモータおよび空気清浄器、電動式自転車、単車、スクーター、電気式ゴルフカート、電子玩具、電動操舵電動式ボート、ジャッキ、手押し車、手動パレット移動装置でのその使用を含む液圧式応用機械、電子式または電動式の義肢、電動歯ブラシ、可動式ベッド、車いす、吸引装置、人工心臓、歯科ドリル、電動式ポンプを含む電子医療機器または電動式医療機器、電子無人操縦飛行機および電動式無人操縦飛行機、トレッドミル、階段乗降装置を含む電動式運動器具、バス、列車、路面電車、トロリー、地下鉄車両を含む電動式車両、冷蔵庫を含む電化製品、木はさみ、草刈り機、植木用電気バリカン、芝刈り機を含む電動式園芸用具のどれかを含むことがあるが、これらに限定されない。例示的な実施形態は、線形アクチュエータおよびロータリーアクチュエータまたはサーボモータに使用されるものを含む、ブラシレスＤＣモータと活用できる。
【００２０】
図２は、本開示の例示的な実施形態に係る、ＦＦＦＤ技法の基本概念を示す一式のタイミング図である。図示されるように、単一のＧパルス２０１は、基本パルス長に等しい短期間、例えば図１Ａの電源スイッチ１０７等の電源スイッチをオンにすることができる。これは、例えば図１Ａの負荷１０６等の負荷に設定された量の電力を供給する。例えば、３倍（３Ｘ）の電力が、負荷に供給される必要がある場合には、三（３）個パルス２０５が、例えば図１Ａのパルス列１０８等のパルス制御列によって時間を記録される。三（３）個パルス２０５が、例えば図１Ａのパルス列１０８等のパルス制御列によって時間を記録される。例えば図１Ａのパルス列１０８について示されるようなこれらのパルスは、マイクロコンピュータまたは論理出力のある他の類似した装置（例えば、ＣＰＵ等のプロセッサシステム）の出力によって形成できる。同様に、例えば、６倍（６Ｘ）の電力が必要とされる場合には、六（６）個のパルスが、例えば図１の電源スイッチ１０７等の電源スイッチに送られる。このパターンは、例えば図１Ａの負荷１０６等の負荷で問題を引き起こさないほど十分に短いが、負荷に必要とされる最大必須パルス１０８を可能にするほど十分に長くなるように選ぶことのできる、Ｔサイクル２１１の長さのサイクル（または期間）で繰り返すことができる。Ｔサイクル（タイミングサイクル期間）が長すぎる場合、負荷に対する電力は一様ではない、つまり散発的となるように見えることがある。
【００２１】
続けて図２を参照すると、Ｔサイクル２１１は、好ましくは微調整のために十分なパルス数を有するほど十分に長い。例えば、負荷が電力ステップの１パーセント以内で制御されることが所望される場合には、Ｔサイクル２１１は、好ましくはサイクルタイプ２１０の長さの１００個のパルスの少なくとも１カウントを含む。したがって、Ｔサイクルの決定は、用途、つまり例えば図１Ａの負荷１０６等の特定の負荷の特定の要件に依存する。例えば、負荷がＬＥＤライトの場合には、パルス２１０は、それぞれ１マイクロ秒の部分である可能性があり、Ｔサイクル２１１はミリ秒の部分である可能性がある。例えば負荷１０６等の負荷が自動車の電気モータである場合は、パルス２１０は、設計の詳細に応じて、例えば２０ミリ秒等であることがあり、Ｔサイクル２１１は例えば２５０マイクロ秒であることがある。
【００２２】
図３は、本開示のＦＦＦＤ実施形態と、パルス幅変調器（ＰＷＭ）および可変周波数（ＶＦ）の従来の電力制御手法との間の相違点を示すタイミング図の集合体３００である。ＰＷＭでは、パルス３０１は、最小期間の間のパルスを示す。図示されるように、３倍（３Ｘ）の量の電力が必要とされると、パルス長３０５が３倍（３Ｘ）長くされる。理想的には、パルス３０５はパルス３０１の３倍の電力を与えるだろう。以下に示されるように、これは理想的なケースにすぎない。つまり、これは現実の回路では起こらない。パルスストリーム３１０は、ＶＦ手法でレベル１の電力を供給するための特定のパルス繰り返し周波数を示す。３倍（３Ｘ）の電力を供給するために、３倍（３Ｘ）の周波数が要求され、パルスストリーム３１５を生じさせる。再び、これは理想的な世界での倍（３Ｘ）の電力を供給しなければならないが、現実の回路用途では食い違いを有することが示される。
【００２３】
図４は、ＰＷＭ技法の欠点を示すタイミング図の集合体４００を示す。図４は、ＰＷＭ方法が、実際の回路で正確ではない理由を示す。パルス４０１がＰＷＭ用途の最低の電力状態のためのパルスであると仮定する。この結果、４１０として通常示される電流フローが生じる。理想的には、電流は、方形波関数、つまり制御パルス４０１と同じでなければならないが、実際の状況は容量効果および誘導効果の両方を有する。接続する回路は、かなりの漂遊容量および漂遊インダクタンスを同様に有さなければならない導体の有限長さを有さなければならないので、負荷が純粋に抵抗力があるときにもこれが当てはまる。したがって電流フロー４１０の典型的な波形は、これらのゼロではない容量値および誘導値に起因する歪みを示す。この立ち上がり時間および「リンギング」波形は、オシロスコーププローブを典型的な回路に接続することによって容易に見ることができる。このリンギングは、ＰＷＭ方法に影響する。パルス４０１から生じる総電流流は、次いでプロット４１５で表される。パルス４２０が、ＰＷＭ例のレベル２のＰＷＭパルスを表す場合、パルス４２０はパルス４０１の長さの二倍に可能な限り近い。その結果、プロット４３０で示される電流フローが生じる。再び、理想的な状況では、４３０の形状は、制御パルス４２０と同じ形状でなければならず、理想的には、４３０の総電流フローは、電流フロー４１０のまさに二倍となるだろう。現実の回路では、プロット４３０は、実際の電流フローの典型的な表現である。４１０および４３０のリンギングのため、総電流フロー４３５は４１５の合計の２倍ではなく、どちらかといえば他の何らかの値（これの例は図６に示される）である。
【００２４】
図５は、ＦＦＦＤ方法が電力の増分を生じさせるときにどのようにしてより正確なのかを示す。ＦＦＦＤパルス５０１では、結果として生じる負荷への瞬時電流フローは、実際の典型的な波形５０５によって示される。この結果、曲線５１０によって示される総電流フローが生じる。２倍の電力量が所望される場合、ＦＦＦＤ方法は、５２０によって表される２個のパルスを使用する。これらのパルスの両方とも本質的に同一であり、それぞれが５０１と同じ形状および長さであるので、結果として生じる瞬時電流フロー５２５はまさに２つの本質的に同一な波形５２５であり、そのそれぞれは本質的に５０５と同じである。したがって、２個のＦＦＦＤパルス５２０から生じる総電流フロー５３０は、本来、単一パルス５０１に対してである５１０の電流フローの２倍である。実際の回路でも、かなりのリンギングがある場合、２個のパルスは、図示されるように１個のパルス５０１の本来２倍を提供する。
【００２５】
図６は、ＰＷＭ技法の欠点を示すタイミング図の集合体６００を示す。図６では、曲線６４０が、単一期間の電力の１１倍となることが所望されるＰＷＭパルス時間を表す。理想的な世界では、曲線６５０上に示される結果として生じる電流パケット１から１１は、すべて、時間、サイズ、および形状で同一となり、具体的には完全に矩形であろう。ただし、実際の電子回路では、インダクタンスおよび容量、ならびに電子流の速度を決定する物理学の法則によって、曲線６０１で表される結果として生じる電流の実際の波形が生じる。この波形では、波形の第１の部分が、電子機器の誘導効果に起因する、６０５で立ち上がり時間を示すことが分かる。同じインダクタンスは、６１０で示されるように、理想的な純粋に抵抗のある状況で遭遇されるだろうよりは高いレベルまで電流を飛び越えさせる。電流は、次いで、ＰＷＭパルスが最大総リンギング時間に比較して相対的に短い場合には絶対に発生しないだろう一定値に最終的に落ち着くまで、曲線の６１５から６１１で、ある期間を経過するか、リンギングの期間を経過する。ＰＷＭパルスの時価期間のそれぞれの電流の結果として生じるパケットは、曲線６２０によって表される。図示されるように、時間６２１の第１のパケットは、第２のパケット６２２未満であり、それぞれは、リンギングが最終的に停止するまで他の全てに対して異なるが、第１のパルスとは同じ値ではない可能性がある。ＰＷＭパルスが停止するとき、電流の実際のカットオフによって６３０で表される電流フローが生じる。したがって、ＰＷＭ方法は、単に倍数量で期間を延長することによって単一パルスの倍数を提供することができない。この例は、ＰＷＭ方法の電流フロー側だけしか示していない。電力の無効成分および力率（つまり、瞬時電圧 Ｘ 瞬時電流）が考慮に入れられると、理想との食い違いはなおさらに歪んでいる。したがって、実際の値でのＰＷＭの制御は達成し得ない。
【００２６】
図７は、本開示のＦＦＦＤ実施形態に対応するタイミング波形の集合体７００を含む。図７は、ＦＦＦＤパルスがどのようにして実際の回路のリンギングの影響を受けないのかを示す。曲線７０５は、回路がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替えられるときの（６０１の立ち上がり時間およびリンギングに同等な）ポテンシャル波形であり、曲線７０１は回路を通り、短いＦＦＦＤパルスの間、立ち上がり時間の歪みおよび立下り区間での遮断漏れで完了する実際の電流フローを示す。総電流パケットは７１０で表され、第１のパルスの基本期間の終わりでのカットオフを除いて、立ち上がり時間、リンギングおよび遮断歪みの全てを含む。複数のＦＦＦＤパルスが電源スイッチに提供されるとき、結果として７１５で示される電流フローの複数のパケットが生じる。７１５の電流パケットのそれぞれは、本質的に単一パケット７０１に同一である。ＦＦＦＤパケット間の緩和時間７１７によって、実際の回路は、第１のパルスの前の初期状態に戻ることができる。つまり、各パルス７１５は、本質的に、パルス７０５に対して提供されるのと同じ開始状態を有する。
【００２７】
したがって、電力の整数増分は、単にパルス数を増加することだけで、本開示に係るＦＦＦＤ技法によって作ることができる。制限要因は、電力増分の最大分解能が、例えば図２の期間２１１等のＴサイクル期間に適合しなければならず、これらの数が、ＦＦＦＤ方法を使用するときに設計サイクルの一部として選ばれるという点であることがある。
【００２８】
ＦＦＦＤでの固定持続期間パルスの優位点は、可変周波数（ＶＦ）方法、図３１０、３１５でも利用可能であると考えられるが、これは説明されるように、実際には当てはまらない。ＯＮ期間はＶＦ方法のパルスの全てに対して同じであるが、この手法のいくつかの不利な点がある。デジタルコンピュータによる全周波数の完全な生成は、そのデジタル性質のために不可能である。例えば、１０００ヘルツが、要求されている電力の最低値の基準周波数として使用され、これが１．０ミリ秒ごとに１パルスで生成される場合には、３の値は、デジタルでは厳密に達成できない３キロヘルツ、つまり３３３．３３３３３３ヘルツとなる。パルスはともにより近くなる、つまりより高性能なシステムになるので、この問題は、少なくともあらゆる素数で発生し、デジタル「粒状度」が、期間が短いほどより問題になることを考慮する。また、図３１５で、パルス間の時間は、周波数が変化するたびに変わることも考慮する。つまり、緩和時間（つまりＯＦＦ時間）は、周波数の異なる値のたびに変化する。その結果、パルス間に異なる量の整定時間があったので、周波数ごとに、初期状態は異なる。再び、この問題は、パルス間の時間が、例えば高性能システムにとってより短くなるときに最も優勢になるだろう。ＦＦＦＤ技法は、周波数期間とパルスＯＮ期間の両方を一定に保持することによって、電力増分が理論上の数値に可能な限り近くなることを保証できる。
【００２９】
さらに、ＦＦＦＤ技法は、多くの場合ＶＦ技法に優る別の優位点を提供できる。例えば、ＦＦＦＤ技法を用いると、パルスタイミングは一定となり、敏感な周波数で無線周波妨害（ＲＦＩ）がないように選ぶことができる。対照的に、ＶＦを用いると、周波数は変化し、多くの周波数およびその高調波で放射され、不必要なＲＦＩを引き起こすことがある。これは、特に、ＲＦＩが厳しい問題を引き起こすことがある航空機および病院で等の用途に当てはまる。これらの条件下でのＶＦはＲＦＩ遮蔽を必要とすることがあるのに対し、ＦＦＦＤタイミングはいったん設定されると、どのようなＲＦＩも固定された、したがって予測可能な周波数中にある。モータ巻線による電力の固有の使用は、磁場を形成し、磁場を崩壊させることであるので、ＲＦＩの問題は、パルスがモータを駆動するために使用されるときに特に存在する。
【００３０】
本開示に係るＦＦＦＤ技法は、他の点ではっきりした優位点を有することがある。例えば、電気モータを駆動するためのその使用を取り上げる。「Current Limiting For Electric Motor Start-up」と題する米国特許第５，４４２，２７２号は、ＤＣモータが停止状態から起動されるときには過剰な電流が流れないようにするために追加の外部構成部品を有することが必要であると教示する。ただし、ＦＦＦＤ手法を使用することによって、パルス持続期間は、モータが停止され、バックＥＭＦがないときにモータ巻線を暴走させないパルス化電力期間を与えるように選ぶことができる。また、これは、万一モータにかかる機械的な負荷がモータの移動−パルス持続期間を遅れさせるほど大きい場合に過剰な電流状態を妨げることもでき、間隔は巻線が過熱することを可能にしないように選ぶことができる。ＰＷＭを用いる場合、過負荷がかけられたモータを補償しようとするコントローラは、デューティサイクルの長さを、関連モータに損傷を与える長さまで増加することがあり、ＦＦＦＤはかかる発生を防ぐことができる。
【００３１】
電子機器の大半は、デジタル回路を活用するコンピュータによって制御される。ＦＦＦＤ方法は、コンピュータのデジタル性質のため、ＰＷＭまたはＶＦのどちらかよりもコンピュータの用途により適している。コンピュータは、設定されたクロックで実行する。つまり、コンピュータ命令の実行（つまり、ソフトウェアの実行）は、コンピュータクロックサイクルの特定の部分でのみ発生する。通常、コンピュータクロックは、機械言語命令セットの何らかの倍数で実行する。
【００３２】
図８に注目すると、本開示の例示的な実施形態に従って、コンピュータまたはプロセッサによって生成されるＧ ＦＦＦＤパルスのためのタイミング信号を示す波形の集合体８００が示される。
【００３３】
図８では、コンピュータクロック信号が、信号８１０として示される。典型的なコンピュータチップでは、コンピュータの機械命令の（全体的なコンピュータサイクルの通常４つの部分の）「実行」部分が、通常、４つのクロックサイクルごとに起こる（なんらかの特別なタイプのコンピュータ機械命令は変わることがあるが、それらも依然としてクロックサイクルの偶数の整数となる）。つまり、コンピュータが、出力ポートで高状態、次に低状態、次に高状態のパルスサイクルを生成しようと試みた場合には、状態のこれらの変化は、図８の８２０によって示されるように４サイクルごとに示される別々のときにだけ発生することができ、線８３０によって示される別々の時間のマークとして再び起こる。したがって、最も速いパルスは、８４０で示されるような四（４）つのクロック期間から成り立つパルスだろう。
【００３４】
引き続き図８を参照すると、１つのコンピュータ命令が８４０でラインを高に設定する場合、出力ポートの低へのリセットは早くても８４５、または任意の他の時間マーカー８３０でしか起こらないが、間のどのようなときにも起こらないだろう。例えば、図８の高期間８６０は、三（３）つの完全コンピュータタイミングサイクルのパルスを表す。２．７等の完全コンピュータサイクル間のパルスは、コンピュータの固有の動作のため、不可能である。同様に、パルス８５０、８７５の低、つまり回復部分も、コンピュータサイクル時間の整数値である。示されている例では、８５０のオフ期間または低期間は、七（７）コンピュータサイクル長であり、８７５の場合、それは九（９）コンピュータサイクル長である。いったんこれら２つの期間、つまり高状態期間８４０または８６０、および低状態期間８５０、８７５がＦＦＦＤ電子回路のユーザによって選択されると、この２つの期間は、コンピュータの動作の性質のため、簡略に再生される。この理由から、コンピュータの出力ポートは、離散時間型８３０である状態から別の状態にトグルすることができるだけであり、パルスの部分は可能ではないので、電力をモータまたは他の電気負荷に制御するＶＦ手法がなぜ不正確なのかが明らかになる。
【００３５】
例えば図８の列８８０等の、ＦＦＦＤパラメータの選択から生じるＧパルスストリームまたはＧパルス列を生成するためのハードウェアは、図９に示される回路によって一実施形態で達成できる。
図示されるように、ＣＰＵとして示されるコンピュータチップ、アイテム９３０は、例えば水晶振動子構成部品等のコンピュータクロック９１０を活用して、クロック周波数９２０を引き出すことができる。分かるように、９２０は、ＣＰＵに例えば図８のパルス列８１０等のクロックパルスを与え、ＣＰＵ９３０が適切なソフトウェアを実行しているときに、Ｉ／Ｏ（入出力）ポート９４０が、図８の８８０に類似するＧパルス信号９５０を生成できるようにする。言うまでもなく、本開示は、特定のタイプのオシレータまたはクロックによって制限されず、本開示の実施形態にはどのような適切なタイプも使用され得る。
【００３６】
例えばＣＰＵ９３０等のＣＰＵのソフトウェアは、例示的な実施形態では、図１０に示されるサブルーチン１０００を含むまたは実行できる。サブルーチン１０００の場合、ＣＰＵ内のメインソフトウェアが、例えば図２の期間２１１等のＴサイクルごとの開始時である、Ｇパルスストリームが生成されるたびに、１００５で開始するサブルーチン「Ｇパルスクロックアウト」１０００を呼び出す。ユーザは、例えば１０１０で、サブルーチンに対し、生成されるパルス数Ｎ、高のコンピュータサイクル期間、つまりＯＮ期間ＨＩの長さ、低のコンピュータサイクル期間、つまりＯＦＦ期間ＬＯの長さ、およびこのＧパルスストリームＳで駆動されなければならないＩ／Ｏ ポート番号を指定する。
【００３７】
サブルーチンは、Ｇパルスストリームが、１０１５に説明されるように低状態にあることを確実にできる。サブルーチンは、次いでカウントカウンタを、例えばＨＩに等しい、１０１０によって命令される高サイクル数に等しく設定する。例えばカウントが１に等しい等、可能な最短のパルスが必要とされる場合、次いでカウント１０３５のテストで、プログラムは、Ｉ／ＯポートＳを高に設定する１０３０に分岐し、次いでまさに次のコンピュータサイクルで、それを１０６０で低にリセットする。代わりに、命令１０３５で、指定されるカウントが１よりも大きい場合、次いで高１０４０に設定され、Ｉ／ＯポートＳは、コンピュータサイクルカウントは、１０５０を経由して命令１０５５をそれ自体に分岐させることによって、コンピュータサイクルごとに１数減分される。それ自体への各ループは１コンピュータサイクルを使い果たし、カウントが１に等しいとき、プログラムが、Ｓ Ｉ／Ｏポートを低に設定することによって高状態を終了する命令１０６０まで続行するとき、最後のサイクルまでカウントを減分する。カウントカウンタは、次いで、Ｇパルスが例えばＬＯ等低状態になければならないコンピュータサイクルの数に設定される。分岐ループ１０７０のループは、それ自体１０８０に戻り、値がゼロに達するまで、各１ループ、カウンタを減分する。カウンタがＬＯ量のサイクルを数えるとき、プログラムは１０８５に続行する。このＴサイクル期間のＧパルス数が１であった場合には、プログラムが、例えば図２のＴサイクル２１１等の次のＴサイクルの開始時に再びこのサブルーチンを呼び出すまで、０への減分によってプログラムはサブルーチン１１９０を終了させるだろう。パルス数が１を超えると、次いでＮの減分はゼロ以外の値を生じさせ、サブルーチン分岐１０７５は、次の高パルスが生成される１０２５に戻る。このＴサイクルのＧパルス数が完了すると、Ｎカウントは０になり、サブルーチンは１０８５から１０９０に終了する。
【００３８】
このサブルーチンの結果は、上部パターンの場合ＨＩ＝１、ＬＯ＝７、およびＮ＝３（図示）であり、下部パターンの場合ＨＩ−３、ＬＯ＝９、およびＮ＝２（図示）である、例えば図８の８８０等Ｇパルスストリームとなる。Ｔサイクル（例えば、図２のＴサイクル２１１は、図８に示される期間よりもはるかに長くなり、したがって数Ｎは、図８単独で示されるものよりもはるかに高くなるだろうことに留意されたい。
【００３９】
ＦＦＦＤ技法は、多様な他の実施形態で、図１１に例示的に説明されるように、デジタル構成部品よりもむしろアナログ構成部品によって生成される多くのＦＦＦＤパルス（「Ｇパルス」）を有することがある。
【００４０】
図１１は、本開示の例示的な実施形態に係る、ＦＦＦＤパルスの生成のためのアナログ回路１１００の回路概略図である。図１１では、アナログ回路１１００は、例えばＣＤ４０４７ＣＭＯＳデバイス、またはＴＴＬでの損同等物、または他のソリッドステート変形形態等の２個のワンショット（つまり、単一ショット）の構成要素１１５０および１１９０を含む。図１１に示されるように、このＴサイクル時間でＧパルスによって生成されるパルス１１０５の数は、減分カウンタ１１１０の中にロードされる。カウンタのゼロ以外の状態は、ゼロ（逆転）ラインを高、１１１５にし、ワンショット１１９０をトリガする。ワンショットは、ＲＣネットワーク１１２０によって決定される設定持続期間のパルス１１２５を出力する。この構成は、Ｇパルスの期間がハードウェア設計で固定されることが必要とされる場合に最も有用である。ＲＣ時間の調整は、例えば、ＲＣ構成の中のトリマポットまたは同調コンデンサのどちらかを使用することによって達成できる。パルス１１１５は回路１１４０によって反転され、１１２５の反転パルス１１４５バージョンを提供する。１１４５の立ち上がりエッジは、次いで１１２５の立下り区間と同じであり、Ｇパルス１１６０のＯＦＦまたは低時間を提供するためにＲＣネットワーク１１５５によって調整されるワンショット１１５０をトリガする。再び、このＲＣネットワークは、必要とされる場合、トリマポットまたは同調コンデンサによってトリムできる。パルス１１６０およびパルス１１２５は、タイミング図１１９５によって示されるように、ＮＯＲ（論理和否定）ゲート１１６５と結合され、パルス１１７０を提供する。パルス１１７０は、ピン「／ｉｎｈｉｂｉｔ」（負の抑止ライン）でカウンタ１１１０の進行を抑止するために使用される。パルス１１７０が完了すると、パルス１１７０の立ち上がりエッジ１１８０は、カウンタ１１１０が次のＧパルスまで進行できるようにする。カウンタ１１１０はゼロを数え、ライン１１１５を介してワンショット１１９０にパルスを 送出するのをやめる。Ｇパルスは、１１３０でこの回路に現れる。Ｔサイクル２１１の最後で、サイドパルス数をカウンタ１１１０にロードすることによって、Ｇパルスの次のバッチが出力される。
【００４１】
したがって、本開示の実施形態は、ＰＷＭ技法およびＶＦ技法を含む、以前の技法に比した利点を提供できる。本開示に係るＦＦＦＤ技法は、固定周波数固定持続期間パルスとともに伝導装置パルスを活用して、所与の電気負荷に印加される電力を制御できる。負荷は、どのようなタイプのＤＣ負荷であることもある。例えば、本開示の実施形態は、細かい接触が重大である、義肢、ロボット、スペースシャトル上のような遠隔ロボットアーム、および電動式の医療機器または手術用機器等の細かい作業のための正確な電力制御を実現できる。正確なモータ移動を必要とする他の用途は、無人飛行機等の航空機の制御、天体望遠鏡の移動、および海軍の大砲等の長距離武器の移動を含む。
【００４２】
本開示の態様は本明細書中である実施形態に関連して説明されているが、変形が本開示の精神の中で適用可能な技術の当業者によって加えられることが留意されるべきである。
本明細書に説明される多様な機能および要素は、本開示の精神および範囲から逸脱することなく示されるものと異なって分割され得る。これらの実施形態に対する多様な修正は、当業者に容易に明らかとなり、本明細書に定められる一般的な原則は他の実施形態に適用され得る。従って、多くの変更および修正が、本開示、および請求される実施形態の精神および範囲から逸脱することなく当業者によって加えられ得る。
【００４３】
当業者は、本開示の実施形態および／または実施形態の部分が、コンピュータ可読記憶媒体（例えば、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこのようなものの任意の組み合わせ）内で／を用いて実装可能であり、１つまたは複数のネットワーク上に分散できることを理解するだろう。本開示の実施形態によって活用される、および／または作成される式および／または数学モデルを引き出す、学習する、または計算するための処理機能を含む、本明細書に説明されるステップは、任意の適当な言語（マシン依存またはマシンに依存しない）の適切なコード／命令を実装する、例えば中央演算処理装置（「ＣＰＵ」）等の１つまたは複数の適当なプロセッサによって処理できる。
【００４４】
さらに、本開示の実施形態は、例えば通信チャネルまたはネットワーク上で送信される制御信号等の信号および／または搬送波で具体化できる。さらに、本開示の方法、プロセス、および／またはアルゴリズムを具体化するソフトウェアは、例えばインターネットおよび／または無線ネットワークと使用するために、電気信号で実装できる、または電気信号によって搬送できる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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