[0002] 本
申请要求2016年12月16日提交的题为“航空航天应用中的不连续脉冲宽度调制(DISCONTINUOUS PULSE-WIDTH MODULATION INAEROSPACEAPPLICATIONS)”的美国临时
专利申请No.62/435,276的优先权的权益，其通过引用结合于此用于所有目的。
技术领域
[0003] 本主题大体涉及用于
飞行器或其他航空航天应用的电
力系统。
背景技术
[0004] 飞行器或其他空中交通工具可以包括用于为包括作为飞行器的一部分的各种负载产生电力的电力系统。一些电力系统可以包括用于发电的
电机，例如
电动机和/或发电机。在飞行器工业中，通常发现组合电动机/发电机，其中电动机用于为发电机提供动力，并且根据构造，电动机也用作发电机。无论何种构造，发电机通常包括具有主绕组的
转子，主绕组被旋转源驱动以旋转，旋转源例如是电机或机械机器，对于一些飞行器可以是燃气
涡轮发动机。在一些应用中，发电机最初产生交流电(AC)，其被整流以产生用于飞行器上的DC部件的直流(DC)电力。
[0005] 一些电力系统可以包括用于从例如DC电力产生多相AC电力(例如，三相AC电力)的逆变器。AC电力可以为飞行器的各种部件供电和/或可以用作飞行器的备用AC电力系统的一部分。逆变器可以包括用于输出电力的每个相的一个或多个桥
电路。每个桥电路可以包括多个切换元件(例如，
绝缘栅双极晶体管，功率MOSFET等)。
发明内容
[0006] 本公开的
实施例的方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可以从描述中学习，或者可以通过实施例的实践来学习。
[0007] 本公开的一个示例方面涉及一种在飞行器的电力系统中提供AC电力的方法。该方法可以包括在飞行器的电力系统的逆变器处接收DC电力。逆变器可以是多相逆变器，其具有用于逆变器的每个输出相的至少一个桥电路。每个桥电路可包括多个切换元件。该方法可以包括由一个或多个控制设备产生多个占空比命令，用于每个桥电路的多个切换元件的操作。该方法可以包括由一个或多个控制设备根据多个占空比命令操作逆变器，以产生来自逆变器的多相AC电力输出。可以至少部分地使用空间矢量调制处理来产生多个占空比命令。
[0008] 本公开的另一示例方面涉及一种用于飞行器的电力系统。该系统包括DC电源和多相逆变器。逆变器可以被构造为将来自DC电源的DC电力转换为用于一个或多个飞行器负载的多相AC电力输出。逆变器可以具有用于逆变器的每个输出相的桥电路。每个桥电路可包括多个切换元件。该系统可以包括控制系统，该控制系统被构造成：产生多个占空比命令，用于每个桥电路的多个切换元件的操作。控制系统可以被构造成根据多个占空比命令控制逆变器，以产生来自逆变器的多相AC电力输出。当飞行器负载的电力需求满足一个或多个
阈值时，可以至少部分地使用第一调制处理产生多个占空比命令。然而，当电力需求不满足一个或多个阈值时，可以至少部分地使用与第一调制处理不同的第二调制处理来产生多个占空比命令。
[0009] 本公开的又一示例方面涉及一种飞行器。该飞行器可以包括多相逆变器，该多相逆变器被构造为将DC电力转换为用于一个或多个飞行器负载的多相AC电力输出。飞行器可以包括控制系统，该控制系统被构造为产生多个占空比命令，用于每个桥电路的多个切换元件的操作。控制系统还可以被构造为根据多个占空比命令控制逆变器以产生多相AC电力输出。当一个或多个飞行器负载的电力需求满足一个或多个阈值时，至少部分地使用具有第一上占空比限制(first upper duty cycle limit)和第一下占空比限制(first lower duty cycle limit)的不连续脉冲宽度调制处理来产生多个占空比命令。当电力需求不满足一个或多个阈值时，可以至少部分地使用具有第二上占空比限制(second upper duty cycle limit)和第二下占空比限制(second lower duty cycle limit)的不连续调制处理来产生多个占空比命令。特别地，第一上占空比限制大于第二上占空比限制，并且第一下占空比限制小于第二下占空比限制。
[0010] 在一些实施例中，空间矢量调制处理可包括
访问多个占空比命令。每个占空比命令可以与多相逆变器的多个输出相中的一个相关联。空间矢量调制处理可以包括：对于第一循环，实施用于多个占空比的上推处理；和对于第二循环，实施用于多个占空比的下拉处理。上推处理可以包括：确定多个占空比命令的最大值；确定多个占空比命令的最大值与上占空比限制之间的第一差值；将第一差值添加到多个占空比中的每一个，使得多个占空比中的最大值等于上占空比限制。下拉处理可以包括：确定多个占空比命令中的最小值；确定多个占空比命令的最小值与下占空比限制之间的第二差值；从多个占空比中的每一个中减去第二差值，使得多个占空比中的最小值等于下占空比限制。
[0011] 本公开的其他示例方面涉及系统，方法，飞行器，设备，非暂时性计算机可读介质。可以对本公开的这些示例方面进行变化和
修改。
[0012] 参考以下描述和所附
权利要求，将更好地理解各种实施例的这些和其他特征，方面和优点。包含在本
说明书中并构成其一部分的
附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释相关原理。
附图说明
[0013] 在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的实施例的详细讨论，该说明书参考了附图，其中：
[0014] 图1描绘了根据本公开的示例实施例的示例性飞行器；
[0015] 图2描绘了根据本公开的示例实施例的示例性飞行器电力系统；
[0016] 图3描绘了根据本公开的示例实施例的示例逆变器；
[0017] 图4描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法的
流程图；
[0018] 图5描绘了根据本公开的示例实施例的示例空间矢量调制方案；
[0019] 图6描绘了根据本公开的示例实施例处理的使用不连续脉冲宽度调制产生的占空比命令的图形表示；
[0020] 图7描绘了根据本公开的示例实施例处理的使用可变不连续脉冲宽度调制处理产生的占空比命令的图形表示；
[0021] 图8描绘了根据本公开的示例实施例处理的使用连续空间矢量调制处理产生的占空比命令的图形表示；
[0022] 图9描绘了根据本公开的示例实施例的示例性上推(push-up)处理；
[0023] 图10描绘了根据本公开的示例实施例的示例性下拉(pull-down)处理；和[0024] 图11描绘了根据本公开的示例实施例的用于实施一个或多个方面的示例控制系统的各方面。
具体实施方式
[0025] 现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个实施例是为了解释本发明，而不是限制本发明。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，本发明旨在
覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变化。
[0026] 如说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”，“一种”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确说明。术语“约”与数值的结合使用是指所述量的25％以内。
[0027] 本公开的示例方面涉及减少用作飞行器的电力系统的一部分的多相逆变器中的切换损耗。逆变器可以被构造为从DC电源(例如，DC链路上的DC电力)提供多相AC电力。在一些实施例中，逆变器可以用作例如飞行器的备用电源或其他电源。
[0028] 逆变器可包括多个桥电路。多个桥电路中的每一个可包括
串联联接的多个切换元件。可以根据脉冲宽度调制方案来切换切换元件，以从DC电源产生多相AC电力。将参考使用逆变器产生三相AC电力来讨论本公开的示例方面。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，本公开的示例方面适用于被构造为提供多相输出的任何逆变器。
[0029] 根据本公开的示例实施例，可以使用空间矢量调制方案来操作逆变器。例如，空间矢量调制方案可以接收常规PWM方案的占空比，并且可以修改PWM方案的占空比。在一个实施例中，空间矢量调制方案可以使用不连续脉冲宽度调制(DPWM)处理，连续空间矢量调制(CSVM)处理，可变DPWM处理或选择性谐波消除(SHE)处理中的至少一个来修改占空比。
[0030] 在一些实施例中，对于三相逆变器，空间矢量调制方案可以以循环序列包括：访问三相逆变器的所有三个占空比；交替地选择三个占空比中的最大值或三个占空比中的最小值。当取三个占空比的最大值时，该处理可以包括将一和最大占空比之间的差值加到所有三个占空比，从而均等地上推所有三个占空比并使最大占空比等于一。当取三个占空比中的最小值时，该处理可以包括从三个占空比中的每一个减去最小占空比和零之间的差值，从而均等地下拉所有三个占空比并使最小占空比等于零。该上推和下拉循环可以与原始占空比的基本
频率同相，因此，通常，上推发生在
相位的峰值期间，并且下拉发生在相位的谷值(例如，低谷)期间。
[0031] 在一些实施例中，除了1和0之外的值可以分别用于上占空比限制和下占空比限制。例如，可以在一系列负载值上使用基本DPWM模式。然而，在一些示例中，小于1的值可以用于上占空比限制。此外，在一些示例中，大于零的值可以用于下占空比限制。
[0032] 在一些实施例中，使用连续空间矢量调制(CSVM)方案。在一个示例中，三个占空比的中值可以针对每个时刻设置为0.5。
[0033] 在一些实施例中，可以使用可变脉冲宽度调制方案。例如，CSVM可用于较轻负载或较低调制指数，DPWM可用于较重负载或较高调制指数。在一些示例中，逆变器可以在CSVM模式下操作，并且当负载超过上阈值时转换到DPWM模式。当负载低于小于上阈值的下阈值时，逆变器可以转换回CSVM模式。在一些示例中，这种类型的滞后阻止了在调制方案之间来回快速切换。
[0034] 在一些实施例中，可以使用可变DPWM方案。例如，在某些情况下可以使用可变占空比限制。例如，随着负载或调制指数增加，上和/或下占空比限制可以改变。例如，当负载或调制指数增加时，上占空比限制可能接近1并且下占空比限制可能接近零。
[0035] 根据本公开的示例方面的根据空间矢量调制方案来操作逆变器可以提供许多技术效果和益处。例如，使用空间矢量调制方案可以增加调制指数，这意味着对于逆变器的相同DC输入电力(例如，相同的DC链路
电压)，在与常规PWM方案相比时，空间矢量调制方案可以产生更高的电压输出。
[0036] 另外，因为在DPWM处理期间总是存在一个相位，其占空比处于最大值或最小值，所以总是存在一个未切换的支路(例如，桥电路)。因此，就热性能而言，当使用DPWM处理时，有效切换频率可降至正常切换频率的66％。切换损耗和热量可降低33％。此外，由于在DPWM期间三个占空比移动相同的量，原始占空比仅由共模
信号修改：没有差模失真，并且实际切换频率没有下降。
[0037] 以这种方式，根据本公开的示例方面的系统和方法通过提供将最大可允许调制指数增加大约15％、减少切换损失约33％、不影响实际切换频率、并且减少较轻负载处的共模噪声的能力来提供对飞行器的电力系统的改进。这些百分比仅作为示例提供。应当理解，所公开的技术的实施可以导致不同的最大可允许调制指数和/或切换损耗。
[0038] 图1描绘了根据本公开的示例实施例的示例性飞行器100。飞行器100可包括控制系统102，例如参考图6描述的控制系统600。飞行器100可包括电力系统200。电力系统200可用于为飞行器200上的一个或多个负载供电。
[0039] 在一些实施例中，电力系统200可包括可用于产生电力的一个或多个电机210。电机210可以提供AC输出。可以通过例如电力转换器(例如，
整流器，AC到DC转换器等)将AC输出转换为DC链路的DC电力。DC链路上的DC电力可以通过多相逆变器(例如，三相逆变器)转换为用于一个或多个飞行器负载的AC电力。根据本公开的示例方面，可以根据空间矢量调制处理来控制逆变器，以减少切换损耗并增加逆变器的最大可允许调制指数。
[0040] 示例性飞行器200的部件的数量，
位置和/或取向是出于说明和讨论的目的，而不是限制性的。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以调整飞行器200的部件的数量，位置和/或取向。
[0041] 图2描绘了根据本公开的示例实施例的示例性电力系统200的至少一部分的示例电路图。如图所示，电力系统200包括电机210(例如，发电机)，其构造成从轴的旋转运动产生AC电力。在一些实施例中，电机210可包括第一机器(例如，激励器)和第二机器(例如，主机)。电机210可以联接到轴向旋转源(未示出)，该轴向旋转源可以是飞行器的
燃气涡轮发动机。
[0042] 电机210可以产生AC电力输出。AC电力输出可以被提供给转换器215，转换器215可以被构造为将AC电力转换为用于DC链路220的DC电力。转换器215可包括用于将AC电力转换为DC电力的任何合适的电路。例如，在一些实施例中，转换器215可以是整流器(例如，桥式整流器)。在一些实施例中，转换器215可以是AC到DC转换器。
[0043] DC链路220上的DC电力可以是用于逆变器230的DC电源。逆变器230可以是多相逆变器，其被构造为将DC电力转换为输出多相AC电力。在图2的示例中，逆变器230是三相逆变器，其被构造为提供输出Aφ，输出Bφ和输出Cφ。
[0044] 图3描绘了示例逆变器230的电路图。逆变器230包括多个桥电路232。每个桥电路232包括多个切换元件，包括串联联接的上切换元件234和下切换元件236。切换元件可以是例如绝缘栅双极晶体管，功率MOSFET或其他切换元件。在一些实施例中，切换元件可以与反并联
二极管联接。每个桥电路232可以与逆变器230的输出相位相关联。每个桥电路232的输出可以在上切换元件234和下切换元件236之间的
节点处联接。在用于飞行器的传统电力系统中，根据脉冲宽度调制(PWM)方案切换上和下切换元件234,236，以产生多相AC电力。然而，上切换元件234和下切换元件236的切换导致切换损耗，并且来自切换损耗的热量可能导致飞行器的冷却系统的额外负担。如下面详细讨论的，可以根据空间矢量调制方案操作切换元件234,236，以减少切换损耗。
[0045] 返回参考图2，电力系统200可包括一个或多个控制装置250，用于控制逆变器230的操作。控制装置250可以是任何合适的
控制器或其他控制系统(例如，
微控制器，
微处理器，
专用集成电路等)，其被构造为执行本文所述的操作。图9中示出了示例控制系统。在一些实施例中，一个或多个控制装置250可以根据空间矢量调制处理控制逆变器230，以减少切换损耗并增加逆变器230的最大可允许调制指数。
[0046] 图4描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法300的流程图。可以使
用例如图2的电力系统200或其他合适的电力系统来实施方法300。图4描绘了出于说明和讨论的目的以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，本文公开的任何方法的各个步骤可以以各种方式适应，修改，同时执行，省略，重新布置和/或扩展，而不偏离本公开的范围。
[0047] 在(310)处，该方法包括在飞行器电力系统的逆变器处接收DC电力。例如，可以接收来自DC链路的DC电力作为飞行器电力系统的多相逆变器的输入。逆变器可以包括用于逆变器的每个输出相的至少一个桥电路。每个桥电路可以包括多个切换元件(例如，如参考图3所讨论的)。
[0048] 在(320)处，该方法包括为逆变器的每个桥电路产生用于操作多个切换元件的占空比命令。根据示例实施例，至少部分地使用空间矢量调制处理来产生占空比命令。
[0049] 图5描绘了根据本公开的示例实施例的空间矢量调制处理的流程图。在(322)，空间矢量调制处理包括访问多个占空比命令。可以使用标准PWM产生占空比命令，以提供逆变器的多相输出。例如，图6描绘了占空比命令402,404和406的图形表示，分别用于与输出Aφ，Bφ和Cφ相关联的桥电路中的切换元件的操作。
[0050] 在(324)处，空间矢量调制处理包括实施用于上推循环的上推处理。上推处理提供了在上推循环期间不切换用于至少一个输出相的切换元件。
[0051] 图9中示出了示例性上推处理(324)。如图所示，上推处理(324)可以包括：确定占空比命令的最大值(324.2)；确定上占空比限制和最大值之间的差值(324.4)；将差值添加到占空比命令(324.6)。在示例实施例中，上占空比限制是百分之百100％。
[0052] 在图5的(326)处，空间矢量调制处理包括实施用于第二循环的下拉处理。下拉处理提供了在下拉循环期间不切换用于至少一个输出相的切换元件。
[0053] 图10中示出了示例性下拉处理(326)。如图所示，下拉处理(326)可以包括：确定占空比命令的最小值(326.2)；确定下阈值和最小值之间的差值(326.4)；从占空比命令中减去差值(326.6)。在示例实施例中，下阈值对应于0％的占空比。
[0054] 参考图5，可以在空间矢量调制处理期间交替地实施用于上推循环的上推处理和用于下拉循环的下拉处理。图6描绘了根据本公开的示例方面的使用DPWM处理产生的占空比命令412,414和416的图形表示，分别用于与输出Aφ，Bφ和Cφ相关联的桥电路中的切换元件的操作。对于一个示例中的DPWM处理，上阈值和下阈值分别对应于100％和0％的占空比。结果，可能总是存在一条未切换的支路，因为存在一个相(例如，Aφ，Bφ和Cφ)，其在给定时间段内的占空比为0％或100％。以这种方式，可以减小切换损耗和热量，因为逆变器的有效切换频率相对于逆变器的正常切换频率降低。
[0055] 可以使用其他空间矢量调制处理来修改占空比命令412,414和416。例如，当从逆变器接收AC电力的一个或多个飞行器负载的电力需求小于阈值量时，与当电力需求小于阈值量时占空比命令412,414和416中的不连续性相比，占空比命令412,414和416中的不连续性可能更大。此外，由于随着占空比命令412,414和416中的不连续性增加，与共模信号相关联的噪声量增加，因此当电力需求小于阈值量时，与共模信号相关联的噪声量可能更大。为此，当电力需求小于阈值量时，可以使用其他空间矢量调制处理来修改占空比命令412,414和416。
[0056] 图7描绘了根据本公开的示例方面的使用可变DPWM处理产生的占空比命令412,414和416的图形表示。与DPWM处理相反，可变DPWM处理包括基于一个或多个飞行器负载的电力需求来调整上和下占空比限制。例如，当电力需求满足一个或多个阈值时，可以使用具有第一上占空比限制和第一下占空比限制的DPWM处理来产生占空比命令412,414和416。然而，当电力需求不满足一个或多个阈值时，可以使用具有第二上占空比限制和第二下占空比限制的DPWM处理来产生占空比命令412,414和416。在示例实施例中，第一上占空比限制可以大于第二上占空比限制，并且第一下占空比限制可以小于第二下占空比限制。特别是，第一上占空比限制可以是百分之百(100％)，下占空比限制可以是百分之零(0％)，第二上占空比限制可以大于百分之五十(50％)但是小于100％，第二下占空比限制可以大于0％但小于50％。以这种方式，当电力需求小于阈值量时占空比命令412,414和416中的不连续性可以减少。
[0057] 图8描绘了根据本公开的示例实施例的使用CSVM处理产生的占空比命令412,414和416的图形表示。当一个或多个飞行器负载的电力需求小于阈值量时，CSVM处理是优选的，因为使用CSVM处理修改的占空比命令412,414和416总是具有大于0％并且小于100％的占空比。这样，减少了占空比命令412,414和416中的不连续性。此外，由于减少了不连续性，因此降低了与共模信号相关联的噪声。
[0058] 在一些实施例中，当一个或多个飞行器负载的电力需求满足一个或多个阈值时，可以至少部分地使用第一调制处理来产生占空比命令。或者，当一个或多个飞行器负载不满足一个或多个阈值时，可以至少部分地使用第二调制处理产生多个占空比命令。更具体地，第二调制处理可以与第一调制处理不同。作为示例，第一调制处理可以是DPWM处理，第二调制处理可以是CSVM处理。以这种方式，逆变器可以至少部分地基于一个或多个飞行器负载的电力需求在DPWM处理和CSVM处理之间切换。然而，应当理解，逆变器可以被构造为基于诸如调制指数的其他参数在DPWM和CSVM处理之间切换。
[0059] 返回参考图4，方法(300)可以包括根据修改的占空比命令操作逆变器(330)。例如，可以根据修改的占空比命令将
门定时信号提供给切换元件，以根据DPWM方案操作逆变器。在(340)处，方法(300)可以包括从逆变器提供用于一个或多个飞行器负载的AC输出。
[0060] 图11描绘了可以用于实施根据本公开的示例实施例的控制系统500或其他系统的示例计算系统的
框图。如图所示，控制系统500可以包括一个或多个计算设备502。一个或多个计算设备502可以包括一个或多个处理器504和一个或多个
存储器设备506。一个或多个处理器504可以包括任何合适的处理设备，例如微处理器，微控制器，集成电路，逻辑设备或其他合适的处理设备。一个或多个存储器设备506可以包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质，RAM，ROM，
硬盘驱动器，闪存驱动器或其他存储器设备。
[0061] 一个或多个存储器设备506可以存储可由一个或多个处理器504访问的信息，包括可以由一个或多个处理器504执行的计算机可读指令508。指令508可以是任何指令集，当由一个或多个处理器504执行时，其使得一个或多个处理器504执行操作。指令508可以是以任何合适的编程语言编写的
软件，或者可以以
硬件实施。在一些实施例中，指令508可以由一个或多个处理器504执行以使一个或多个处理器504执行操作，诸如用于本文公开的DPWM的操作。
[0062] 存储器设备506还可以存储可以由处理器504访问的数据510。根据本公开的示例实施例，数据510可以包括一个或多个表格，函数，
算法，模型，等式等，用于减少飞行器中的电气系统中的切换损耗。
[0063] 一个或多个计算设备502还可以包括用于例如与系统的其他部件和/或其他计算设备通信的通信
接口512。
通信接口512可以包括用于与一个或多个网络交互的任何合适的部件，包括例如发射器，接收器，端口，控制器，天线或其他合适的部件。接口可以与例如
传感器514和远程设备516通信。
[0064] 这里讨论的技术参考基于计算机的系统和由基于计算机的系统采取的动作以及发送到基于计算机的系统和从基于计算机的系统发送的信息。本领域普通技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有灵活性允许部件之间以及部件之中的各种可能的构造，组合以及任务和功能的划分。例如，这里讨论的处理可以使用单个计算设备或组合工作的多个计算设备来实施。
数据库，存储器，指令和应用可以在单个系统上实施，也可以跨多个系统分布。分布式部件可以顺序或并行操作。
[0065] 尽管各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护附图的任何特征。
[0066] 本书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
