本发明总体涉及用于无刷电机控制的电子电路，并且更具体地涉及使用反激电压对dc电机进行自动超前角调整的方法和装置。
背景技术：
电动机利用磁性将电力转换成旋转运动，在常规的电动机中，其具有两部分：称为定子的固定部分和称为转子的旋转部分。
电动机可以被分为dc电机和ac电机。在ac电机类别中有两大种类：感应电机和永磁同步电机(pmsm)。在dc电机类别中有两大种类：有刷电机和无刷电机。
在每个电机种类中，转子和定子具有带有相反磁场的磁体。磁场可以用永磁体或电磁体产生。典型地，至少一组磁体是电磁体，使得电磁体可以被顺序地激励，以产生旋转(rotating)磁场。该旋转磁场致使在转子和定子上的磁极推拉最近的磁极。连续顺序地激励电磁体以产生旋转磁场的过程称为“换向”。在有刷dc电机中，旋转通过机械换向器完成，在这种情况下使用术语“自换向”。对于无刷dc电机，其中由电机控制器执行换向，使用术语“外部换向”。
当转子机械旋转时，转子和定子之间的磁场相互作用产生电压。以这种方式使用的电机被称为发电机。转子的旋转越快，产生的电压就越高。当转子带电转动时，转子和定子之间的磁场相互作用产生电压，正如电机是发电机一样。所产生的电压相当于反抗被用于驱动电机中的电磁体的电压的力。该力有几个名字，两个常见的名字是“逆电动势(counter-electromotiveforce)”和“反电动势(back-electromotiveforce)”或“bemf”。本文使用的术语bemf指的是感应电压。bemf电压的量值与转子的旋转速度成比例。
在有刷dc电机中，转子具有电磁体，并且通过在转子轴上的分段接触机械地完成换向，该转子轴是转子的各个电磁体被连接的地方。电刷(典型地为碳块)将电流传导到换向器上的区段以激励转子上的电磁体。当转子转动时，电刷从一组触点移动到另一组触点，以激励另一组电磁体。电磁体的顺序激励导致转子转动。在有刷dc电机的情况中，仅仅向电机供应dc功率就会导致转子转动。
在无刷dc电机中，转子具有永磁体并且定子具有电磁体。由电机控制器对定子绕组外部地换向，该电机控制器使用所感测的转子的速度和位置来安排电磁体线圈的激励时间以使转子转动。在一些外部换向电机中，电机控制器使用霍尔效应传感器来感测转子的位置和速度。
当转子转动时，定子中产生与转子的速度成比例的bemf。一些电机控制器测量bemf电压来感测转子的位置和速度。这种方法消除了霍尔效应传感器的需求、成本和尺寸。使用这种技术的电机控制器有时被称为“无传感器”控制器。可以利用更小的、成本更低的无传感器控制器的产品应用受益于无传感器技术。电机/控制器设备的进一步改进和简化需要持续的努力。
技术实现要素：
一种方法包括：输出高侧驱动器门信号到多个高侧驱动器设备，并且输出低侧驱动器门信号到多个低侧驱动器设备，配置为控制供应给具有多个相节点的电机的电流；在所选的相节点的预期过零点的大约之前的时间，停用高侧驱动器门信号和低侧驱动器门信号；测量反电动势(bemf)电压并观察过零点时间；估计下一个过零点时间；在下一个过零点时间之前，停用被耦合到所选的相节点的高侧驱动器门信号和低侧驱动器门信号，并且观察第一电压以形成第一样本；并且在下一个过零点时间之后，观察第二电压以形成第二样本。
附图说明
图1是基本三相无刷电机驱动器系统的框图。
图2a和图2b分别是高侧fet控制的电机绕组的电路示意图和相应的反激电压的曲线图。
图3a和图3b分别是低侧fet控制的电机绕组的电路示意图和相应的反激电压的曲线图。
图4a、图4b和图4c是示出bemf测量窗口的曲线图。
图5是实施示例实施例的三相无刷电机驱动器系统的框图。
图6是指示来自示例实施例的采样窗口的电机电流和bemf的曲线图。
图7a、图7b和图7c是采样窗口的曲线图。
图8是方法实施例的流程图。
具体实施方式
除非另外指明，否则在不同的附图中相应的数字和符号通常指的是相应的部分。这些附图不一定按比例绘制。
术语“耦合”可以包括利用中间元件进行的连接，并且在被“耦合”的任何元件之间可以存在附加元素和各种连接。
当电机电流和bemf电压同相时达到无刷dc电机的最佳性能。bemf是电机的固有特性并且bemf相位随转子速度和负载而改变。电机控制器通过调整施加的电机电压相位来调整电机电流相位。对于电机控制器将bemf相位与电机电流相位保持对准，控制器需要知道bemf电压相位和电机电流相位。在直接测量方法中，电机电流利用分流电阻器测量，并且bemf电压在电机定子绕组两端测量。
示例实施例提供了一种无刷电机控制器，该控制器通过使用反激电压测量来动态确定电机电流相位，从而产生动态调整电流超前角以将电机维持在最佳工况或接近最佳工况的能力。先前方案中电流测量硬件的消除降低了电机控制器的复杂性、成本和尺寸。
图1是常规三相无刷电机驱动器系统100的框图。该无刷电机系统100包含控制器110，六个驱动器设备，该驱动器设备是显示为场效应晶体管(fet)122u、122v、122w、124u、124v、124w的晶体管，以及电机130。在控制器110中，具有cpu111、存储器112、脉冲宽度调制(pwm)驱动器113、由模数转换器(adc)114实现的采样电路、相分流电阻器115和分流放大器116。电机130的绕组被命名为u、v、w，并且每一个绕组有一对fet，其中“高侧驱动器”fet124u、124v、124w将相应的电机绕组耦合到vdc+并且“低侧fet”122u、122v、122w将相应的绕组耦合到vdc-。尽管为了简单并非所有的通信线路都被绘出，但cpu111至少与pwm113块、存储器112和adc块114通信。在替代实施例中，相应的绕组可以被耦合到地来代替vdc-，并且可以使用任一参考电压来形成额外的实施例。
adc块114被耦合到cpu111、分流放大器116和在电机130中被标记为u、v和w的三个绕组的绕组连接点。依赖于各种因素，诸如集成的规模以及电机的尺寸和功率，控制器110可以被制造为包含块110中所示的所有部件的单个集成电路。在示例性布置中，集成电路控制器110还可以包含用于较低功率电机的驱动器fet124u、124v、124w和122u、122v、122w。在另一种布置中，控制器110可以完全由分立部件制造或由集成电路和分立部件的一些组合来制造。在控制器110中，cpu111可以是dsp(数字信号处理器)、mcu(微控制器单元)、精简指令集计算机核(诸如risc或arm核)、msp(混合信号处理器)或能够执行计算的任何其他处理电路。
在操作中，控制器110为电机130提供外部换向。存储在存储器112中的程序被cpu111执行，cpu111为控制器110中的pwm模块113提供定时脉冲。pwm模块113驱动高侧fet124u、124v、124w和低侧fet122u、122v、122w来为电磁体供应能量，这致使电机130的外部换向。电机130的换向产生旋转磁场，该旋转磁场致使转子(未示出)转动。
cpu111使用bemf电压和电机电流信息来执行安排pwm部分113的脉冲的时间所必要的过程。当bemf电压和电机电流在同一时间穿过零电压线时，达到最佳的电机性能。为了检测具体相的电机电流，adc114对来自与相应的电机绕组u、v和w相关联的分流电阻器115/放大器116的电压进行采样。为了感测bemf电压，暂时关闭用于特定绕组的fet，允许绕组“浮置(float)”达一个时间窗口(awindowoftime)以使得bemf电压可以被adc114采样。当绕组引线浮置时，存在来自绕组中的线圈的磁场的崩溃(collapse)，从而在引线上产生电压。该电压通常被称为“反激(fly-back)”电压，并且在反激电压消失之后，bemf电压可以被adc114采样。
图2a和图2b分别是高侧fet控制的电机绕组的示意图和相应的反激电压的曲线图。示意图200示出了被连接到一对fet驱动器(高侧fet204和低侧fet202)的电机绕组208。绕组208的第二端子被连接到地。电池206通过高侧fet204向绕组供电。高侧fet204的栅极由控制电压vh驱动并且低侧fet202的栅极由控制电压vl驱动。正如上文所描述的，接地电压可以用另一参考电压vdc-代替以形成替代实施例。
在图2b中，三个曲线图vw、vh、vl示出绘制在竖直轴上的电压并且具有相同的代表时间的水平轴。顶部曲线图vw图示说明了在绕组节点vw处的电压，中间曲线图图示说明了高侧fet控制电压vh，并且底部曲线图图示说明了低侧fet控制电压vl。在这种情况下，在整个所显示的时间期间低侧驱动器fet是截止的，导致没有电流流过低侧fet202。
在图2b中标记为210的区域示出了来自图2a中的示意图的绕组208的反激电压。在事件210之前的时间中，低侧fet202是截止的(如曲线图vl所示)并且高侧fet204是导通的(如曲线图vh所示)。vh曲线图描绘了在高侧fet204的栅极处的电压，并且vl曲线图描绘了在低侧fet202的栅极处的电压。高侧驱动器导通的结果是电流id流过图2a中的电机线圈208，被示出为流过绕组。当高侧fet204被切断时，绕组电压节点vw放电并且接近零伏。而且，当高侧fet204被切断时，线圈208中的磁场崩溃，在图2a中所示的低侧fet202两端产生反激电压vf。反激电压vf将绕组电压vw拉到负的vf量值，使得vw＝gnd-vf。在图2b的vw曲线图上的区域210中可以看到反激电压。在系统(诸如系统100)的操作中，adc(未在图2a-图2b中示出)将在反激电压衰减之后对vw信号进行采样，以获得bemf电压。
图3a和图3b分别是低侧fet控制的电机绕组的示意图和相应的反激电压的曲线图。在图3a中，示意图300示出了在节点vw处被连接到一对fet驱动器(高侧fet304和低侧fet302)的电机绕组308。电池306供应系统电压vdc+。绕组308的第二端子也被连接到vdc+。高侧fet304的栅极由控制电压vh驱动并且低侧fet302的栅极由控制电压vl驱动。
在图3b中，三个曲线图vw、vh和vl示出绘制在竖直轴上的电压并且具有相同的代表时间的水平轴。顶部曲线图图示说明了在绕组节点vw处的电压，中间曲线图图示说明了驱动高侧fet304的栅极的电压vh，并且底部曲线图图示说明了驱动低侧fet302的栅极的电压vl。在这种情况下，在整个时间期间高侧fet304是截止的，导致没有电流流过高侧fet304。
在图3b中的区域310示出了反激电压。在事件310之前的时间中，曲线图vh示出高侧fet304是截止的，并且曲线图vl示出低侧fet302是导通的然后被切断。低侧fet302导通的结果是电流id流过图3a中的电机线圈308。当低侧fet302被切断时，绕组电压节点vw接近电源电压vdc。而且，当低侧fet302被切断时，绕组中的磁场崩溃，从而在图3a中所示的高侧fet304两端产生反激电压vf。反激电压将绕组电压vw增加正的vf量值或vw＝vdc+vf。在图3b的vw曲线图上的区域310中可以看到反激电压。系统中的adc(未示出)在反激电压衰减之后对vw信号进行采样，以获得bemf电压。
图4a、图4b和图4c是示出bemf测量窗口的曲线图。对于在图4a、图4b和图4c中的曲线图400a、400b、400c中的每一个，竖直轴是电压和电流的幅值，而水平轴表示以度为单位的从零度到三百六十度的转子角。水平轴位于竖直轴的零幅值水平上。数据线410a、410b和410c表示bemf电压，并且数据线420a、420b和420c表示电机电流。
在图4a中，曲线图400a示出了电机电流420a和bemf410a在相同一百八十度角处穿过零幅值。在绕组引线被浮置时，在区域414a内电机电流曲线图420a中标记为416的平坦线(flatline)是十五度“窗口”，以允许测量bemf电压。在该特定示例中，窗口持续时间被显示为大约十五度。在替代的布置中，其中绕组引线被浮置的窗口可以是更长或更短的持续时间(更多或更少的度数，或更多或更少的时间)。如曲线图400a所示，当电机绕组电流和bemf电压在相同的时间处穿过零幅值时，这是电机的最佳驱动条件。
在图4b中，曲线图400b图示说明了bemf电压410b在电机电流420b穿过零点前的大约十度穿过零点的情况。该事件在区域414b中示出。在区域414b中的电机电流420b上的平坦线是绕组被浮置并且bemf电压被测量的地方。
在图4c中，曲线图400c上，在区域414c中bemf电压410c在电机电流420c穿过零点之后的大约二十度穿过零点。在区域414c中的电机电流420c上的平坦线是绕组被浮置并且bemf电压被测量的地方。bemf过零点的角随速度和负载而变化。为了维持最佳电机效率，电机电流和bemf电压应该如图4a所示在相同时间穿过零线。
图5是实施示例实施例的三相无刷电机驱动器系统500的框图。为了清楚，图5中针对相似元件所使用的附图标记类似于在图1中使用的附图标记。例如，在图5中的电机530相当于在图1中的电机130。无刷电机系统500包含控制器510、六个驱动器fet522u、522v、522w、524u、524v、524w，以及电机530。在控制器510中，至少具有cpu511、存储器512、pwm驱动器513和被耦合到相输入端的采样电路，在本示例中，该采样电路由adc514实施。电机530的相被命名为u、v、w并且每一个相具有连接到一对fet的绕组。存在将绕组耦合到vdc+的三个“高侧”fet524u、524v、524w和将绕组耦合到vdc-的三个“低侧”fet522u、522v、522w。cpu511至少与pwm513块、存储器512和adc块514通信。为了简化，并非所有的通信线都被示出。adc块514被耦合到cpu511和相u、v和w上的绕组连接点。依赖于各种因素，诸如集成的规模、电机的尺寸和功率，控制器510可以是包含块510中所示的所有部件的集成电路。在替代实施例中，集成电路控制器510也可以包含用于较低功率电机的六个驱动器fet，或者在又一实施例中，控制器可以完全由分立部件制造或由集成电路和分立部件的一些组合来制造。在控制器510中，cpu511可以是dsp(数字信号处理器)、mcu(微控制器单元)、msp(混合信号处理器)或能够执行计算的任何其他计算电路。这些替代方案中的每一个形成另外的实施例。
在操作中，控制器510为电机530提供外部换向。在控制器510中，存储在存储器512中的程序被cpu511执行，cpu511为pwm模块513提供定时脉冲。pwm模块驱动高侧fet524v、524u、524w和低侧fet522u、522v、522w来为电磁体供应能量，从而致使电机530的外部换向。电机530的换向产生旋转磁场从而致使转子转动。
cpu511使用测量的bemf电压和推断的电机电流相位信息以处理对安排pwm部分513的脉冲的时间所必要的方程式。正如上文所描述的，当bemf电压和电机电流在相同时间穿过零电压线时达到最佳性能。为了感测bemf电压，驱动电机绕组的fet被断开以允许所选的相引线“浮置”达一个时间窗口(诸如十五度或更多或更少的度数)，使得bemf电压可以被adc采样，正如上文关于图4所解释的。当相引线被浮置时，存在相绕组中的磁场的崩溃，致使在相引线上的持续的电压，该电压通常被称为反激电压，并且在反激电压衰减之后，bemf电压可以被adc采样。
为了在不需要分流电阻器的情况下推断电机电流过零点，在预期过零点的相对侧上的两个小窗口中对反激电压的极性进行采样。在该示例实施例中，半度持续时间的窗口被安排在预期过零点之前大约两度和预期过零点之后大约两度。在其他实施例中，窗口的持续时间可以更大或更小，并且在预期的过零点之前和之后的时间间隔(timing)可以更大或更小。当第一窗口出现在电机电流穿过零电流线之前并且第二窗口出现在电机电流穿过零电流线之后时，那么反激电压将具有相反的极性。这表明电机电流在窗口内并且与bemf电压充分同相，不需要调整电机相位。如果反激电压读数具有相同极性，则电机电流与bemf电压不同相，并需要对电机相位的校正。使用反激电压的极性允许cpu511来推断电机电流的过零点而不需要分流电阻器、分流放大器或其他电流感测硬件。这些实施例能够实现与之前的直接电流测量方法相比不那么复杂、具有更少的元件、采用更少的用于制造的硅面积并且使用更少的功率的电机控制器的制造。在下图中进一步解释采样窗口的放置，该采样窗口允许cpu511测量bemf电压过零点和推断电流的过零点。
图6是指示来自示例实施例的采样窗口的电机电流和bemf的曲线图。在曲线图600中，竖直轴或y轴绘制电压量值和电流量值，水平轴或x轴绘制以度为单位的时间。数据线610是bemf电压并且数据线620是电机电流。bemf采样窗口在区域616中被视为电机电流620中的平坦部分。区域626包含两个附加的采样窗口，然而它们的持续时间很短(诸如半度)，它们不能被视为平坦线，但是代替地，它们的位置由箭头624和628指示。
在区域616的下降过零点处，平坦线指示电机电流620被浮置并且十五度的窗口可用于adc在反激电压衰减之后对bemf电压进行采样的地方。从bemf数据中，估计下一个上升过零点。正好在下一个估计的上升过零点626之前，电机电流被浮置达大约半度的第一窗口624。第一窗口也可以是更多或更少的度数，或更多或更少的时间，以形成替代实施例。在第一窗口624期间，adc对反激电压进行采样以确定极性。电机电流被浮置达大约半度的第二窗口628(或更多或更少)，并且该第二窗口628正好位于电机电流的预期过零点之后。在第二窗口期间，adc对反激电压进行采样以确定极性。在窗口624和628距预期过零点间隔很近(诸如+/-2度)的情况下，如果两个反激电压样本的极性是相反的，那么电机电流相位被认为与bemf相位是充分对准的，使得不需要对施加的电机电压相位角进行调整。对于其他的窗口，间隔可以比这里所描述的示例2度更多或更少。如果两个反激电压样本具有相同极性，那么电机电流相位角与bemf相位不充分对准，并且施加的电机电压相位角被调整。当反激电压的极性都是正时，那么电机相位角被提前。当反激电压的极性都是负时，那么电机相位角被延迟。该示例实施例中使用的下降沿616和上升沿626的测量可以在其他示例实施例中的相反的倾斜沿上执行。在该示例实施例中，测量窗口624和628被显示在来自616中bemf电压测量的下一个上升过零点上。在其他示例实施例中，测量窗口624和628可以在来自bemf窗口616的任何接下来的估计的过零点。在该示例实施例中，测量窗口624和628被显示在相同的估计的过零点周围；然而，在其他示例实施例中，测量窗口可以呈现在不同的过零点上。
图7a、图7b和图7c是采样窗口的曲线图。曲线图700a、700b和700c是用于推断过零点的采样窗口的示例实施例。在曲线图700a、700b和700c中，竖直轴对于bemf710a、710b、710c是伏特，并且对于电机电流720a、720b和720c是安培。水平轴是旋转角。采样窗口731a、731b、731c被定位在刚好bemf穿过零点之前，诸如-2度。第二采样窗口732a、732b、732c被定位在刚好bemf穿过零点之后，诸如+2度。采样窗口的持续时间和间隔可以被改变以形成替代实施例。
在操作中，参考曲线图700a，两个采样窗口731a、732a出现在电机电流穿过零参考点之前。这导致反激电压测量读数的极性是负的，引起控制器提前施加的电压超前角。电压超前角的提前导致电机电流720a的过零点朝向bemf电压的过零点转移。
参考曲线图700b，两个采样窗口731b、732b出现在电机电流穿过零参考点之后。这导致每一个反激电压测量的极性是负的，引起控制器延迟施加的电压超前角。电压超前角的延迟导致电机电流720b的过零点朝向bemf电压的过零点转移。
参考曲线图700c，第一采样窗口731c返回正的极性，并且第二采样窗口732c返回负的极性，引起控制器维持当前施加的电压超前角。两个反激电压测量的相反极性表明电机电流过零点与bemf过零点在采样窗口范围内对准，诸如在该示例中采样窗口范围是+/-2度。
通过使用在预期过零点周围两个反激电压测量的极性，可以确定电机电流的角而不需要直接测量电机电流。实施例测量方法的使用消除了在先前方法控制器中对电机电流分流电阻器和相分流放大器的需求。
图8是方法实施例800的流程图。在步骤801中，该方法由断开驱动器fet开始，该驱动器fet在预期过零点之前为电机供应电流，例如在图6中所示，到电机绕组的电流在预期过零点之前大约十五度停止，以允许消散反激电压的时间。在步骤803处，在预期过零点测量bemf电压，确定过零点，并且确定下一个估计的过零点的时间。在步骤805处，使用来自步骤803的估计的下一个过零点时间，正好在预期过零点之前停止到绕组的电流(驱动器fet被短暂断开)，并且反激电压的极性p1被采样。在一个示例中，用于测量的窗口可以是大约半度的持续时间并且在预期过零点之前大约两度。
在步骤807处，正好在预期过零点之后，步骤800由捕获第二反激电压极性样本p2继续。例如，用于测量的窗口可以是大约半度的持续时间并且可以是在预期过零点之后两度。
在步骤809处，方法确定第一极性样本p1是否为正。如果为真，那么在步骤811中方法确定第二极性p2是否为正。如果为真，那么两个样本p1和p2都为正，并且在步骤813中增加施加的电压的超前角，并且该方法再次从步骤801开始。如果在步骤811中的判定为假，那么极性相反，不需要改变施加的电压超前角，并且该方法再次从步骤801开始。如果在步骤809中的判定为假，那么步骤815确定极性p2是否为负。如果在815中的判定为真，那么两个极性p1和p2都为负，并且在步骤817中减少施加的电压超前角，并且该方法再次从步骤801开始。如果在步骤815中的判定为假，极性p1和p2相反，不需要改变施加的电压超前角，并且该方法再次从步骤801开始。
在步骤811、813、815和817中的任一步骤之后，该方法转变回到步骤801并且重复。以这种方式，该方法动态且连续地调整提供给高侧驱动器设备和低侧驱动器设备的电压，以使电机电流相位角与bemf对准。该方法致使在变化的速度和负载下，电机以最有效的方式运行。该实施例的使用实现了在各种各样的转子速度和负载中的有效操作，其中降低了复杂度、元件数量并且减小了集成电路的尺寸。在实施例中使用的反激电压极性测量指示零电流交叉点而不需要直接电流测量电路。因此，实施例的使用消除了直接电流测量和相关的传感器的需求，同时提供高效的电机操作。
在所描述的实施例中修改是可能的，并且在权利要求的范围内其它实施例是可能的。