制冷机控制器系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2017年10月11日提交的名称为“cryocoolercontrollersystemsandmethods”的美国临时申请no.62/571,000和于2018年9月28日提交的题为“cryocoolercontrollersystemsandmethods”的美国临时申请no.62/738,950的优先权和权益，上述申请在此均通过引用整体并入。

本发明的一个或多个实施例大体上涉及低温制冷装置，并且更具体地涉及例如用于制冷系统和方法的控制器。

背景技术：

低温制冷系统或低温制冷机通常用于将其他装置冷却至接近或低于约120开尔文的温度，并且更普遍地，根据例如具体装置呈现的总热负荷，可以用于将装置冷却至200开尔文和60开尔文之间。这种冷却的装置通常是在冷却时更好操作(例如，生成具有更少的噪声、更高的灵敏度、更高的准确性、更高的响应度和/或具有其他通常更期望的性能指标的测量结果)的各种不同类型的传感器系统中的一个。例如，可以从冷却中受益的一种这样类型的传感器系统包括红外相机(例如，包括各个红外传感器的焦平面阵列(fpa))，其将来自物体的红外(例如，热)发射测量或捕获为红外/热图像和/或视频。冷却这样的红外相机通常会提高检测器灵敏度(例如，通过减小各个红外传感器固有的热噪声)，这可能导致整体上更加准确和可靠的红外成像。

用于红外相机的低温制冷机可以很小(例如，设计成安装在约3×3×2英寸或更小的体积内)，但仍能够提供足够的冷却功率(例如，致冷器的从耦接装置提取热量的能力的、通常以瓦特为单位的度量)，以将红外相机的至少一部分冷却到例如相对低噪声热成像所需的温度范围，同时承受操作的红外相机的典型的热负荷。系统电子装置(例如，低温制冷机的控制器)(例如，配置为根据所需温度和/或其他操作参数供电和操作低温制冷机的装置)生成的废热可能会对低温制冷机和/或传感器系统的重量、成本和整体性能具有基本上负面的影响。而且，减小系统尺寸和重量以及提高电效率可以有助于促进各种低功率、尺寸和重量应用，包括与飞行平台的集成。

因此，在本领域中需要相对紧凑且有效的低温制冷机控制器，该控制器相对于常规控制器能够维持或提高整体系统性能。

技术实现要素：

公开了用于控制低温制冷机/制冷系统的操作以提供装置或传感器系统的低温和/或一般冷却的系统和方法的技术。

在一个实施例中，一种系统，该系统可以包括：电机驱动器控制器，所述电机驱动器控制器被配置为接收与由低温制冷机控制器控制的低温制冷机的操作相对应的操作参数，以及至少部分地基于接收的操作参数来生成电机驱动器控制信号。该系统还可以包括电机驱动器，所述电机驱动器被配置为从电机驱动器控制器接收电机驱动器控制信号，以及至少部分地基于电机驱动器控制信号生成驱动信号，以驱动低温制冷机的电机。电机驱动器可以包括第一级，所述第一级包括：串联联接在电机驱动器的输入和电机驱动器的接地之间的第一对开关、串联联接在第一级的输出和电机驱动器的接地之间的第二对开关、以及联接在第一对开关和第二对开关之间的电感器，或由所述第一对开关、所述第二对开关以及所述电感器构成，其中，第一对开关和第二对开关中的每个开关的操作由电机驱动器控制器生成的电机驱动器控制信号独立地控制。

在另一个实施例中，一种方法可以包括：接收与由低温制冷机控制器控制的低温制冷机的操作相对应的操作参数；至少部分地基于接收的操作参数生成电机驱动器控制信号；由低温制冷机控制器的电机驱动器接收电机驱动器控制信号；以及由低温制冷机控制器的电机驱动器生成驱动信号，以驱动低温制冷机的电机。电机驱动器可以包括第一级，所述第一级包括：串联联接在电机驱动器的输入和电机驱动器的接地之间的第一对开关、串联联接在第一级的输出和电机驱动器的接地之间的第二对开关、以及联接在第一对开关和第二对开关之间的电感器，或由所述第一对开关、所述第二对开关以及所述电感器构成，其中第一对开关和第二对开关中的每个开关的操作由电机驱动器控制器生成的电机驱动器控制信号独立地控制。

本发明的范围由权利要求限定，该权利要求通过引用并入本部分。通过考虑以下对一个或多个实施例的详细描述，本领域技术人员将更全面地理解本发明的实施例，并实现本发明的附加优点。将参考首先将简要描述的附图。

附图说明

图1示出了根据本公开实施例的包括低温制冷机控制器的制冷系统的框图。

图2a示出了根据本公开实施例的可以由低温制冷机控制器控制的分置式斯特林致冷器/低温制冷机的框图。

图2b示出了根据本公开实施例的可以由低温制冷机控制器控制的分置式斯特林致冷器/低温制冷机的图像。

图3示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器的电机驱动器的电路图。

图4示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器的电机驱动器的降压模式驱动器控制信号。

图5示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器的电机驱动器的升压模式驱动器控制信号。

图6示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器的电机驱动器的降压模式和升压模式驱动器控制信号以及所得的输出电机驱动信号。

图7示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器的电机驱动器控制器的框图。

图8示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器的电机驱动器控制器的驱动误差发生器的框图。

图9a示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器的电机驱动器控制器的驱动器控制信号发生器的框图。

图9b示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器的驱动器控制信号发生器的控制信号发生器的框图。

图9c示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器的控制信号发生器的设定点发生器的框图。

图10示出了根据本公开实施例的低温制冷机控制器的框图。

图11是示出根据本公开实施例的用于操作低温制冷机的方法的流程图。

通过参考下面的详细描述，将最好地理解本发明的实施例及其优点。应当理解，相似的附图标记用于标识在一个或多个附图中示出的相似的元件。

具体实施方式

根据本公开的各种实施例，紧凑且强大的制冷系统和方法可有利地采用高效且灵活的低温制冷机控制器，该控制器包括低功率但高度灵活，且功能丰富的电机驱动器控制器以及坚固的电机驱动器设计，该设计可以用很少的电气元件实现但还生成相对干净/无噪声和可配置/可变的驱动信号来驱动制冷系统的电机。例如，用于低温制冷机控制器的电机驱动器可以通过仅包括四个开关和电感器的降压-升压逆变器级以及仅包括附加的四个开关的换向器级来实现。电机驱动器控制器可以控制总共8个开关的操作以生成具有可配置/可变的频率、振幅和/或其他波形特性的交流电(ac)输出信号，以及例如由电机驱动器生成的驱动信号可以利用超过提供到电机驱动器的直流电(dc)输入功率信号的输入电压电平的电压振幅生成。降压-升压逆变器级可以另外包括单个电容器，该电容器与电感器一起形成单个低通滤波器，该滤波器与降压-升压逆变器级集成在一起并基本上消除了从来自由电机驱动器生成的ac输出信号的开关噪声和/或其他系统噪声。

通过限制电机驱动器中的部件数量，制冷机控制器的实施例可以配置为以在提供给制冷系统的电机的整个功率范围内大于大约95％的装置效率(例如，定义为传递给制冷系统的电机的额定输出功率除以提供给低温制冷机控制器的所有元件的额定输入功率)生成驱动器信号。传统控制器(例如，通过允许未经过滤的开关噪声到达制冷系统的电机)典型地仅达到接近90％的效率或者更差的效率，而且通常相当嘈杂。

这种较高的效率允许实施例以最小的废热进行操作，这又允许例如在制冷系统内或周围更紧凑且更便宜地包装此类实施例，而不会负面影响制冷系统的冷却性能。另外，低温制冷机控制器的提高的效率和灵活性可以帮助构成的制冷系统达到比类似尺寸的常规系统更高的冷却功率(和更低的可达到的工作温度)，特别是在以相似的输入功率操作时。而且，减少的部件数量允许实施例在较小的尺寸约束内实施，这进而允许进一步减小制冷系统的整体尺寸和重量。

因为本公开实施例生成相对无噪声的电机驱动信号并且可以提供相对较高的冷却功率和较低的工作温度，所以联接的冷却的传感器系统可以根据比常规制冷系统可达到的更高的性能特征来操作，特别是在紧凑性和效率是很重要的情况下，例如在涉及太空飞行、无人飞行器系统、相对较大和/或高功率耗散的传感器系统和/或电池或太阳能系统的应用中。特别是，较高的冷却功率和/或较低的工作温度可以提高红外相机操作的总体性能。

例如，当周围光线不足或环境条件要不然不利于可见光谱成像时，红外相机可用于夜间或其他应用，并且它们还可用于以下应用：在其中需要关于场景(例如，气体泄漏检测)的额外的非可见光谱信息。在每种应用中，通常期望通过在捕获图像的同时将红外相机的至少焦平面阵列(fpa)冷却至低温和/或相对稳定的温度来减少由红外相机捕获的图像中的噪声和可变性。通常还希望最小化可能导致加热和/或干扰红外相机操作的系统噪声和/或其他外部信号。由本公开实施例提供的较高的冷却功率可以冷却较大和/或更多的功率消耗型fpa(例如，较高性能的fpa)，和/或例如可以提供较低和更稳定的工作温度；较低的工作温度可导致生成的红外成像中噪声降低，而更稳定的工作温度可导致更可靠且更准确的红外图像(例如，特别是热图像)。

图1示出了根据本公开实施例的包括低温制冷机控制器120的制冷系统100的框图。如图1所示，制冷系统100包括通过电源引线113向制冷机控制器120提供输入功率信号的电源112，然后制冷机控制器120通过电源引线123提供电机驱动信号以驱动低温制冷机170的电机172。通常，低温制冷机170操作成冷却指形冷冻器176，该指形冷冻器176热联接至并配置成通过热接口177从电子装置/传感器/相机180的至少一部分(例如，fpa182)冷却/提取热量。如图1所示，低温制冷机控制器120可配置为接收各种传感器信号(例如，对应于电源112提供的输入功率信号的输入电压，电机驱动器140/低温制冷机控制器120生成的电机驱动信号的输出电压，由温度传感器134测量的制冷系统100的各个部件的温度，和/或与低温制冷机170和/或制冷系统100的其他元件相对应的其他传感器信号)作为低温制冷机170和/或制冷系统100的其他元件的操作反馈，并相应地调节提供给电机172的驱动信号(例如，以便在指形冷冻器176处提供稳定和/或所需的温度和/或冷却功率)。

图1还示出了用户接口110。用户接口110可以被实现为个人计算机、平板电脑、智能电话、移动计算装置和/或车辆接口；和/或显示器、触摸屏、键盘、鼠标、操纵杆、旋钮、按钮或开关中的一个或多个；和/或任何其他能够接受用户输入和/或向用户提供反馈的装置。更一般地，用户接口110可以被配置为提供制冷系统100的用户级控制并且向系统100的用户提供操作反馈。

用户接口110可以与任何适当的逻辑装置(例如，处理装置、微控制器、处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、存储器存储装置、存储器读取器或其他装置或装置的组合)集成在一起，该适当的逻辑装置可以适于执行、存储和/或接收适当的指令，例如，实现用于控制系统100的各种操作的控制回路的软件指令。另外，用户接口110可以包括机器可读介质，该机器可读介质被提供用于存储用于加载到用户接口110中并由用户接口110执行的非暂时性指令。在这些和其他实施例中，用户接口110可以在适当的地方用其他部件实现，例如易失性存储器、非易失性存储器和/或用于与系统100的装置接口连接的各种模拟和/或数字部件。

在各种实施例中，用户接口110可以被配置为向低温制冷机控制器120提供初始化信号以开始低温制冷机170的操作，或者例如提供温度设定点和/或其他操作参数(例如，对应于低温制冷机170的期望的操作状态)到低温制冷机控制器120。在特定实施例中，用户接口110可以被配置为向低温制冷机控制器120提供和/或更新配置数据，包括逻辑级配置数据，以促进对低温制冷机170的操作的控制，如本文所述。用户接口110还可以被配置为(例如，从低温制冷机控制器120和/或制冷系统100的其他元件)接收低温制冷机170和/或制冷系统100的其他元件的操作温度、功耗、效率和/或其他操作特性和/或测量的操作反馈，并提供此类信息以便显示或指示给用户。在一些实施例中，用户接口110可被配置为接收由相机180捕获的红外图像(例如，在数据引线111上方)，并提供红外图像以显示给用户。

电源112可以被实现为电池、太阳能电池、机械发电机和/或其他功率生成和/或输送装置，其可以被特别地提供给功率制冷系统100，和/或例如被联接至、集成于、或生成为单独平台(例如传感器、车辆、飞机、船只或其他固定或移动平台)操作的一部分。在一些实施例中，电源112可以被配置为通过电源引线113提供输入dc功率信号，例如12v、40v、48v或其他电压电平dc功率信号。更一般而言，电源112可以配置为通过电源引线113提供任何类型的输入功率信号，这些输入功率信号可以由低温制冷机控制器120转换为适合于驱动电机172的电机驱动信号。

如图1所示，低温制冷机控制器120包括电机驱动器控制器130、反馈接口132、电机驱动器140和可选的其他模块122。在另外的实施例中，例如在低温制冷机170包括多个电机的情况下，低温制冷机控制器120可以用多个电机驱动器实现，例如，每个电机驱动器可以由电机驱动器控制器130生成的电机驱动器控制信号独立地控制。

电机驱动器控制器130可被实现为可被适配为执行、存储、和/或接收适当的指令(例如，实现用于控制低温制冷机170和/或系统100的其他部件的各种操作的控制回路的软件指令)的任何适当的逻辑装置(例如，处理装置、微控制器、处理器、asic、fpga、存储器存储装置、存储器读取器、或其他装置、或装置的组合)。例如，电机驱动器控制器130可被配置为接收与低温制冷机170的操作相对应的操作参数，并生成电机驱动器控制信号，该电机驱动器控制信号至少部分地基于所接收的操作参数来控制电机驱动器140的操作。

另外，电机驱动器控制器130可包括机器可读介质，该机器可读介质被提供用于存储数据和/或非暂时性指令以用于加载到电机驱动器控制器130中并由电机驱动器控制器130执行。在这些和其他实施例中，电机驱动器控制器130可以在适当的地方用其他组件实现，例如易失性存储器、非易失性存储器和/或用于与系统100的装置接口连接的各种模拟和/或数字部件。在特定实施例中，电机驱动器控制器130可以基本上完全由诸如fpga的可编程逻辑装置(pld)来实现，该可编程逻辑装置可以被配置为实现(例如，使用可编程资源)并执行本文所述的任何方法。在这样的实施例中，用户接口110可以被配置为通过数据引线111向电机驱动器控制器130提供/更新配置数据，其被配置为在电机驱动器控制器130的可编程资源和/或其他元件中实现/更新/修改这样的方法。参照图7-9更详细地描述了电机驱动器控制器130的各种实施例。

电机驱动器140可以由一个或多个电气部件(例如，各种电可控开关/晶体管、电感器和电容器)实现，这些部件可配置为从电机驱动器控制器接收电机驱动器控制信号并至少基于电机驱动器控制信号生成驱动信号，从而驱动低温制冷机170的电机172。参照图3更详细地描述电机驱动器140的实施例。

反馈接口132可以由多通道模数转换器、参考信号源、温度传感器、数字通信接口、和/或配置为接收和/或测量对应于低温制冷机170和/或系统100的其他元件(例如，通过传感器引线124)的操作的传感器信号并将这种传感器信号转换成指示低温制冷机170和/或系统100的其他元件的操作状态的相应反馈数据的其他电气或电子部件中的一个或多个来实现。反馈接口132可以被配置为向电机驱动器控制器130提供这样的反馈数据，以帮助根据低温制冷机170和/或系统100的其他元件的各种期望的操作特性或状态来调节低温制冷机170和/或系统100的其他元件的操作。

例如，反馈接口132可以被配置为接收(例如，来自温度传感器134的)一个或多个传感器信号并生成与低温制冷机170的操作相对应的反馈数据，并且电机驱动器控制器120可以被配置为从反馈接口132接收反馈数据并至少部分地基于反馈数据生成电机驱动器控制信号。在一些实施例中，一个或多个温度传感器134可以被实现为具有特征电压/温度响应的二极管。反馈接口132可以被配置为向二极管提供参考电流并且测量/数字化横跨二极管生成的所得电压，该电压与温度传感器134的温度成比例。有利地，这样的二极管可以与相机180的fpa182集成在一起，例如，允许直接和精确地测量和反馈fpa182的温度。

在一些实施例中，由反馈接口132接收的一个或多个传感器信号可以包括低温制冷机170的指形冷冻器1760和/或(例如，经由热接口177)热联接到低温制冷机170的电子装置180的测量温度。可以将相应的反馈数据提供给电机驱动器控制器120，该电机驱动器控制器120可以被配置为至少部分地基于与指形冷冻器176和/或电子装置180的期望温度相对应的设定点和接收到的反馈数据来确定反馈误差。在这样的实施例中，电机驱动器控制器120可以被配置为至少部分地基于所确定的反馈误差来生成电机驱动器控制信号。

更一般地，电机驱动器控制器120可以被配置为至少部分地基于对应于指形冷冻器176和/或电子装置180的测量的温度、电机驱动器140接收到的功率信号的测量的输入电压，电机驱动器140生成的驱动信号的测量的输出电压和/或低温制冷机控制器120的测量的(例如，通过反馈接口132测量的)温度的反馈数据(例如，由反馈接口132生成的)，来确定反馈误差、与低温制冷机170的操作状态相对应的斜坡使能状态和/或斜坡误差。在这样的实施例中，电机驱动器控制器120可以被配置为至少部分地基于所确定的反馈误差、斜坡使能状态和/或斜坡误差来生成电机驱动器控制信号。可选的其他模块122可以包括各种电源、数字和/或模拟信号接口、传感器和/或配置为促进低温制冷机控制器120的任何元件的操作的附加电路。

低温制冷机170可以被实现为任何制冷机或制冷系统，该制冷机或制冷系统被配置为将通过电源引线123传递至电机172的电功率转换成由致冷器174在指形冷冻器176处生成的冷却功率。在一些实施例中，低温制冷机170可被实现为例如斯特林制冷机，并且例如在特定实施例中，可被实现为微型分置式斯特林制冷机，如参考图2a-b更详细地描述的。如图1所示，低温制冷机170可以包括一个或多个温度传感器134，该温度传感器134被配置为将指示低温制冷机170的相应元件(例如，电机172的用于故障检测的相应元件，或指形冷冻器176的用于操作温度反馈的相应元件)的测量温度的传感器信号提供到低温制冷机控制器120的反馈接口132。可选的其他模块178可以包括附加的温度或电信号传感器、各种机械或热联动装置、杜瓦腔、工作流体容器和/或其他机械或电气部件或传感器，其被配置为促进低温制冷机170的任何元件的操作和/或提供额外的操作反馈至低温制冷机控制器120。

如图1所示，低温制冷机170可以通过热接口177热联接至电子装置/传感器/相机180。例如，热接口177可以由热油脂、热胶带、铜或铝板或膜、和/或其他材料和/或结构实现，其被配置为在低温制冷机170和电子装置/传感器/相机180的至少一部分之间提供可靠且高导热的链接。电子装置/传感器/相机180可以是在冷却时操作得更好(例如，具有更高的信噪比操作特性和/或具有根据其他性能指标的更高的性能)的任何设备、传感器或成像装置。

例如，电子装置/相机180可以包括被实现为fpa182的红外成像传感器，其可以联接到光学器件184并且被配置成由于光学器件184而对从场景发射的红外辐射(例如，包括热辐射)进行成像。在一些实施例中，低温制冷机170可以直接联接(例如，经由热接口177)到电子装置/相机180的传感器(例如，/fpa182)，并且主要被配置为冷却这种传感器。在其他实施例中，低温制冷机170可以联接到电子装置/相机180的各种元件(例如，光学器件184、相机主体181、和/或其他模块186)，并且被配置为冷却这样的各种元件以帮助提高电子装置/相机180的性能。

如图1所示，电子装置/相机180可以包括一个或多个温度传感器134，其被配置为将指示电子装置/相机180的对应元件(例如，fpa182的用于操作温度的对应元件)的测量温度的传感器信号提供到低温制冷机控制器120的反馈接口132。可选的其他模块186可以包括附加的温度或电信号传感器、对不同光谱(例如，可见光)敏感的传感器的fpa、其他光学元件、和/或其他机械或电气部件或传感器，其被配置为促进电子装置/相机180的任何元件的操作和/或向低温制冷机控制器120提供其他操作反馈。

图1中还显示了系统100的可选其他模块190，其通过数据引线111联接至用户接口120并通过引线192联接至系统100的其他元件。其他模块190可包括附加传感器、附加温度或电信号传感器、根据所需方向对准电子装置/相机180的致动的万向架和相关的控制子系统、加速度计、陀螺仪、全球导航卫星系统接收器、指南针、其他定向和/或位置传感器、振动传感器、热管理子系统、结构支撑、热和/或电屏蔽、和/或其他机械或电气部件或传感器，其配置成促进制冷系统100的任何元件的操作和/或向低温制冷机控制器120提供额外的操作反馈。

图2a示出了根据本公开实施例的可以由图1的低温制冷机控制器120控制的分置式斯特林致冷器/低温制冷机170的框图。在图2a所示的实施例中，低温制冷机170包括电机/压缩机172，其经由气体传输管线/管277与致冷器174流体连通。在一般操作中，电机/压缩机172可以由电机驱动器140通电以压缩压缩空间内(例如，在活塞271之间)的工作气体，并通过气体传输管线277将工作气体的压缩波/质量流输送到致冷器174。至少部分地通过压缩生成的工作气体中的热量在电机/压缩机172处提取并散发到环境中，而不是注入致冷器174中。

压缩波/质量流使再生器/置换器274朝指形冷冻器176移动并在弹跳空间279内伸展弹簧278，并且至少一部分工作气体穿过多孔再生器/置换器274并进入膨胀空间276。在压缩冲程之间由弹簧278和活塞271的后退(由电机驱动器140提供的驱动信号控制)提供的恢复力将再生器/置换器274朝向弹跳空间279回拉并在膨胀空间276内使工作气体膨胀，从而通过指形冷冻器176从环境中提取热量并将其嵌入膨胀的工作气体中。这样的周期的重复操作将从指形冷冻器176(例如，以及热联接到指形冷冻器176的任何元件)提取的热量移动到电机/压缩机172，并且所传递的热量被散发到环境中(例如，使用各种热交换器和联接电机/压缩机172的热管理器)，正如各种斯特林周期制冷系统中普遍的那样。

如图2a所示，电机/压缩机172可以被实现为具有感应绕组272，该感应绕组被配置为使活塞271朝向彼此移动以在其之间的压缩空间内压缩气体。在一些实施例中，低温制冷机控制器120的电机驱动器140可以电联接至电机/压缩机172的绕组272(例如，通过电源引线123)，并且由电机驱动器140生成的电机驱动信号可以用于驱动活塞271，以如在直线电机布置中那样生成压缩波/质量流，如本文中所描述的。可以想到其他电机/压缩机布置，包括各种直线电机布置、其他压缩机布置、和/或周期电机和/或电机/压缩机布置。

图2b示出了根据本公开实施例的可以由图1的低温制冷机控制器120控制的分置式斯特林致冷器/低温制冷机170的图像。图2b示出了小型低温制冷机170的总体尺寸，其类似于图2a的低温制冷机170并且可以用来冷却图1中的相机180的fpa182。例如，电机/压缩机172的长度可以约为2.6英寸，气体传输线的长度可以大致相同(例如，根据应用需求，或较短或更长)，而致冷器174的长度可以约为2英寸，其中指形冷冻器直径约0.5英寸。通常，与图2b的低温制冷机170相似尺寸和类型的低温制冷机可以由低温制冷机控制器120控制，以在典型的磁头加载下达到大约77k至120k的稳定工作温度或更高的温度，这取决于应用需求。更普遍地，各种低温制冷机布置(例如，包含包括和/或不同于分置式斯特林制冷装置的低温制冷机布置)可以由低温制冷机控制器120控制，以达到宽范围的稳定操作温度、冷却功率和/或受到各种不同的尺寸、功率和重量限制。

图3示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器120的电机驱动器140的电路图。例如，如图3所示，电机驱动器140包括第一级340，第一级本身包括：串联联接在电机驱动器140的输入313和电机驱动器140的接地之间的第一对开关342和344；串联联接在第一级的输出350和电机驱动器140的接地之间的第二对开关346和348；以及联接在第一对开关和第二对开关之间的电感器352，如本文所述。通常，如本文所述，第一级340可以被称为和/或操作为降压-升压逆变器级。图3的电机驱动器140还包括联接到第一级340的输出350的第二级360，第二级其本身包括：串行联接在第一级340的输出350和电机驱动器140的接地之间的第三对开关362和364以及第四对开关366和368，如图所示。电机驱动器140的差分输出323可以联接在第三对开关和第四对开关之间，使得第三对开关和第四对开关中的至少一个开关362-368联接在差分输出323的每个引线与第一级340的输出350或者电机驱动器的接地之间，如图所示。通常，第二级360可以被称为和/或操作为换向器级，如本文所述。

通常，第一对开关、第二对开关、第三对开关和第四对开关中的每个开关342-348和362-368的操作可以由电机驱动器控制器130生成的电机驱动器控制信号独立地控制。在一些实施例中，提供给开关342-348的电机驱动器控制信号(例如，由电机驱动器控制器130生成)可以被配置成使第一级340将在输入313处接收到的dc功率信号转换成在输出350处生成的整流正弦波驱动信号。当以降压模式配置时，如表341所示，第一级340可以在输出端350生成输出信号，该输出信号的电压电平大约高达输入313处提供的输入功率信号的电压电平vin。例如，当处于降压模式时，主驱动开关342的占空比与输出350(vout)处期望的输入电压vin(例如，在输入313处提供)的百分比成比例。当也如表341所示配置为升压模式时，第一级340可以在输出350处生成输出信号，该输出信号的电压电平大约大于输入313处提供的输入功率信号的电压电平。例如，当处于升压模式时，主驱动开关348的占空比可以等于1-vin/vout。

提供给开关362-368的电机驱动器控制信号(例如，也由电机驱动器控制器130生成)可以被配置为使第二级360将由第一级340在输出350处生成的整流正弦波转换为在电机驱动器140的差分输出323处生成的全正弦波电机驱动器信号。例如，表361指示用于开关362-368的两个开关配置，其被配置为选择差分输出323相对于第一级340的输出350的极性。在这样的实施例中，由电机驱动器140在差分输出323两端生成的电机驱动信号包括由第二级360生成的全正弦波。

在各种实施例中，开关342-348和362-368中的每个可以由具有非常低的寄生特性和零反向恢复损耗的增强模式氮化镓(gan)场效应晶体管(fet)来实现，这大大降低了相关的开关和传导损耗并且提高了横跨整个低温制冷机控制器120的电效率。例如，每个开关可具有大约15mohm的rds(on)和足够低的栅极电容，该栅极电容低至允许在使用电机驱动器140的实施例生成电机驱动信号时，开关频率基本上高于任何典型需求。例如，典型的pwm开关频率可以约为53khz，以便生成相对干净且纯净的(例如，失真很小的高分辨率)整流正弦波，其固有频率小于约200hz(例如，或更典型地在60hz至60hz之间)并且开关频率足够高以通过与第一级340集成的低通滤波器从电机驱动信号有效消除。此外，此类fet可以配置为接受3.3v逻辑装置，其允许各种类型的pld(包括特定的fpga)直接驱动开关342-348和362-368，而不会放弃电路板空间和原本逻辑电平转换器需要的额外功耗。

在各个实施例中，第一级340可以包括电容器354，该电容器354联接在输出350和电机驱动器140的接地之间，使得电容器354和电感器352形成低通滤波器，其与第一级340集成并且被配置低通滤波由第一级340生成的信号。例如，可以选择电容器354的电容以使所得的低通滤波器过滤与开关342-348的操作相关联的开关噪声(例如，pwm频率尺度开关噪声)，而不管为电感器352选择的电感。因为这样的低通滤波器与第一级340集成(例如，通过利用电感器352作为低通滤波器的元件)，所以减少了对第一级140的输出进行低通滤波所需的电子部件的总数，从而减小总体尺寸，同时保持相对理想的低噪声特性，并且可以提高电机驱动器140的电效率(例如，通过限制寄生串联电阻和/或通常与信号路径中增加数量的电子部件相关的电路的其他有害操作特性)。

图4示出了根据本公开实施例的由电机驱动器控制器130生成的、用于电机驱动器140的开关342和344的降压模式驱动器控制信号。例如，当在第一级340的输出350处生成整流正弦波的一部分，其电压电平vout低于由电源112提供给电机驱动器140的输入313的dc输入电压的电压电平vin时，第一级340可以处于降压模式(例如，如图3的表341所示)，并且电机驱动器控制器130可以被配置为提供类似于提供给开关342的主驱动信号迹线和提供给开关344的补充信号迹线调制的pwm脉冲，同时保持开关346闭合并且开关348打开。当处于降压模式时，根据等式d＝vout/vin，主驱动pwm脉冲的占空比d大致与第一级340的输出电压vout成比例。如图4所示，信号迹线342、344和350示出了箭头441所示的电机驱动器140的降压模式，该模式由电机驱动器控制器130生成的控制信号选择直至达到输入电压电平的一半的近似降压模式输出电压电平(对于整流的正弦波输出)，其对应于占空比为50％(例如，相等的开和关脉冲宽度持续时间)的主驱动pwm脉冲。

图5示出了根据本公开实施例的由电机驱动器控制器130生成的、用于电机驱动器140的开关346和348的升压模式驱动器控制信号。例如，当在第一级340的输出350处生成整流的正弦波的一部分，其电压电平vout高于由电源112提供给电机驱动器140的输入313的dc输入电压的电压电平vin时，第一级340可以处于升压模式(例如，如图3的表341所示)，并且电机驱动器控制器130可以被配置为提供类似于提供给开关348的主驱动信号迹线和提供给开关346的补充信号迹线调制的pwm脉冲，同时保持开关342闭合和开关344打开。当在升压模式时，主驱动pwm脉冲的占空比d大致遵循等式d＝1-vin/vout。如图5所示，信号迹线346、348和350示出了箭头541所示的电机驱动器140的升压模式，该模式通过由电机驱动器控制器130生成的控制信号选择，该控制信号从高出输入电压电平大约10-11％的近似升压模式输出电压电平(对于整流正弦波输出)增加，其对应于具有大约10％的占空比的主驱动pwm脉冲(例如，对于单个pwm循环的10％开，并对于单个pwm循环的90％关)。

图6示出了根据本公开实施例的由电机驱动器控制器130生成的、用于电机驱动器140的开关342-348的降压模式和升压模式驱动器控制信号以及得到的输出电机驱动信号。另外，图6示出了当由电机驱动器控制器130控制的电机驱动器140在降压模式和升压模式之间转换时预期的最小或不存在的信号瞬变，其大致由第一级输出电压信号迹线350(以叠加的dc输入电压信号迹线313为参考)中的箭头643和644大致指示。特别地，信号迹线342-348示出了提供给开关342-348的各种pwm和模式选择驱动器控制信号的时间序列，开关342-348被配置为在第一级340的输出350处生成整流正弦波，其电压振幅大于电源112提供给电机驱动器140的输入313的dc输入电压的电压电平vin。如图6所示，信号迹线640包括与第一级340的升压模式输出642分离的第一级340的降压模式输出641(例如，其也被vin负偏置以加强分离)，并且信号迹线313/350包括第一级340的集合的降压模式和升压模式输出350，其由输入电压信号迹线313叠加以供视觉参考。

通过提供能够降压和升压模式操作并且被控制为提供这种操作而基本上在模式转换之间没有瞬变的电机驱动器140，实施例能够提供一种高度灵活的低温制冷机控制器，其可以提供相对较宽范围的冷却功率和/或稳定工作温度用于给定电源电压。此外，因为输出信号电压振幅并不严格限于最大输入电源电压，所以实施例能够采用反馈技术，该反馈技术即使电源电压变化或漂移也能够补偿并提供相对稳定的低温制冷机操作。

图7示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器120的电机驱动器控制器130的框图。在各种实施例中，电机驱动器控制器130的元件可以在被配置为执行本文描述的操作的数字和/或模拟电路中实现。在一些实施例中，电机驱动器控制器120的所有元件及其功能可以在pld中实现。这样，电机驱动器控制器120的元件、它们的互连和/或它们的功能可以被配置和/或更新(例如，通过用户接口110)以执行本文所述的任何方法，例如，包括基本上在电机驱动器控制器130的操作期间发生的更新。

如图7所示，电机驱动器控制器130可以包括通信接口710、驱动器误差发生器720、和/或驱动器控制信号发生器730，它们中的每一个可以被配置为与存储器740通信(例如，以存储和/或检索操作参数、传感器和/或反馈数据、操作状态数据、此类数据的时间序列、和/或如本文所述的其他信息)。通常，驱动器控制信号发生器730可以被配置为从驱动器误差发生器720接收驱动误差和/或从存储器740接收附加操作参数或其他数据，并生成相应的控制信号以控制电机驱动器140的操作，如图所示。

通信接口710可以被配置为根据电机驱动器控制器130和/或电机驱动器控制器130的元件、反馈接口132、用户接口120和/或图1的系统100的其他部件之间的各种不同格式和/或协议来支持数据的数字通信。例如，通信接口710可以被配置为支持用户接口110和存储器740之间的基于uart的数据通信；反馈接口132、存储器740和/或驱动误差发生器720之间的基于spi的数据通信；和/或系统100的部件之间其他数字通信。

另外，通信接口710可以被配置为支持促进电机驱动器控制器130的操作的其他信号接口，例如系统时钟输入接口和/或被配置为手动地启用/重载电机驱动器控制器130的编程操作(例如，通过与低温制冷机控制器120直接联接/集成的模拟开关，与通过数字通信提供给电机驱动器控制器130的元件的类似功能相反)的开/关/备用启用/禁用信号接口。

驱动误差发生器720可以被配置为连同例如与由低温制冷机控制器120控制的低温制冷机170的操作相对应的各种操作参数一起，接收与电机172、指形冷冻器176和/或低温制冷机170的其他元件和/或系统100的各种部件的测量的传感器信号、操作状态和/或其他操作特性相对应的反馈数据，并基于接收到的数据来生成驱动误差。通常，驱动误差表示在低温制冷机170的期望操作状态与低温制冷机170的测量操作状态之间的误差的量度。在一些实施例中，驱动误差可以采取用于调整由电机驱动器控制器130生成的驱动器控制信号的增益因子的形式，使得由电机驱动器140生成的所得驱动信号的电压电平/振幅(例如，由电机驱动器控制器130生成的电机控制信号所控制)被驱动误差有效地缩放，以试图迫使测量的低温制冷机170的操作状态朝着低温制冷机170的期望的操作状态聚集(例如，以补偿和/或减小驱动误差的大小)。参照图8提供了关于驱动器误差发生器720的实施的附加细节。

驱动器控制信号发生器730可以被配置为例如连同与由低温制冷机控制器120控制的低温制冷机170的操作相对应的各种操作参数一起，从驱动器误差发生器720接收驱动误差，并生成相应的驱动控制信号，其被配置为根据低温制冷机170和/或系统100的其他元件的期望操作状态或特性来操作低温制冷机170的电机驱动器140和/或驱动电机172。参考图9a提供了关于驱动器控制信号发生器730的实施的附加细节。

存储器740可以由寄存器、存储器单元、闪存和/或其他存储器结构和/或逻辑装置或结构实现，所述逻辑装置或结构被配置为存储由电机驱动器控制器130、低温制冷机控制器120和/或系统100的各种元件提供的数字数据，和/或如本文所述将存储的数据提供给这样的元件。如本文所述，在电机驱动器控制器130由pld实现的实施例中，存储器740可以至少部分地由在pld的可配置资源内实现或指定的寄存器来实现，该寄存器可以在电机驱动器控制器130的操作/执行之前和/或运行时间期间重新配置(例如，以增加或减少存储量)。

图8示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器120的电机驱动器控制器130的驱动器误差发生器720的框图。通常，驱动误差发生器720通常可以包括一个或多个比例-积分-微分反馈机制(例如，pid控制器)和/或其他类型的反馈机制，其被配置为监测与低温制冷机170和/或系统100的其他元件的期望操作状态的偏差并生成驱动误差862，该驱动误差被配置为补偿和/或最小化与期望操作状态的偏差(例如，当用于通过调节用于依次控制电机驱动器140的操作的驱动器控制信号来调节低温制冷机170的操作时，如本文所述)。

如图8所示，元件810至840通常实现pid控制器，该pid控制器被配置为基于测量温度741(例如，指形冷冻器176和/或fpa182的温度)和期望的温度(例如，设定点742)来生成反馈误差842。特别地，误差样本平均器810可以被配置为对一系列测量温度741求平均(例如，通常为1-4个样本，其可以由反馈接口132提供和/或存储在存储器740中/从存储器740中获取)并确定平均测量温度和设定点742之间的差(例如，操作参数，其可以由用户接口110提供和/或存储在存储器740中/从存储器740检索)，然后将该差提供给可变增益块812和814。

可变增益块812和814可以由增益或比例因子743和744来控制，其由用户接口110提供和/或存储在存储器740内/从存储器740检索。在一些实施例中，可变增益块812和814可以被实现为位移位器(bitshifter)，其被配置为将提供给块812和814的值移位设置的位数(例如，由增益因子/寄存器743和744单独设置)以增加/减少对反馈误差842的比例(例如，块812)或积分(例如，块814)贡献。微分器820可以被配置为确定对反馈误差842的微分贡献，并且积分器830可以被配置为确定对反馈误差842的积分贡献。组合块840可以被配置为组合各种pid贡献以生成反馈误差842。

附加的pid或类似的配置为生成与系统100的其他操作状态(例如，在电机驱动器140的输入313处接收到的功率信号的测量输入电压、电机驱动器140生成的驱动信号的测量输出电压、低温制冷机控制器120的测量温度和/或系统100的其他操作状态)有关的反馈错误的控制器也可以被实现为驱动误差发生器720的一部分(例如，其他反馈误差844)，并且所有这样的反馈误差可以在组合块840处组合(例如，根据各个权重因子和/或其他聚集机制)以生成聚集反馈误差842，该聚集反馈误差842被配置为补偿和/或最小化偏离一个或多个对应的期望操作状态的偏差。

在图8和/或图1和7-9c中所示的数据流内的各个点处，可以省略测量、检索的和/或计算的数据(例如，限制于一定范围的值)，以便最小化和/或消除非物理或不期望的反馈误差、驱动误差和/或结果控制信号和/或其他操作参数。举例来说，在一些实施例中，驱动误差发生器720可包含削波器(clipper)块816，其设置在可变增益块812与微分器820/组合块840之间且经配置以将比例贡献限制到某一位宽度(例如，大小)。例如，类似的削波器块可以设置在平均器810和/或积分器830内，以限制瞬变的影响和/或稳定驱动误差发生器720的操作。

在一些实施例中，驱动误差发生器720可以用斜坡控制器850来实现，斜坡控制器850可以被配置为减小在致冷器174和/或相关的工作气体相对温暖且(通常)粘性时由提供给电机172的相对高的驱动信号振幅引起的爆震的风险。在驱动误差发生器720包括斜坡控制器850的实施例中，斜坡控制器850可以被配置为例如基于与低温制冷机170的操作状态相对应的反馈数据来确定低温制冷机170是处于初始化、温暖还是冷却状态，例如基于测量温度741(例如，指形冷冻器176和/或电子装置/相机180的温度)、由电机驱动器140生成的驱动信号的测量输出电压的检测到的变化(例如，从零到非零)和/或其他反馈数据，可以将其与存储在存储器740内/从存储器740检索的各种操作参数和/或操作状态(例如，测量的环境温度和/或低温制冷机控制器120的温度和/或其他参数、状态或反馈数据)进行比较。如果检测到这种状态，则斜坡控制器850可以被配置为将斜坡使能信号852设置为“真”，从而在误差/斜坡选择器860处选择斜坡误差854作为驱动误差862，如图所示。

斜坡控制器850可以被配置为基于斜坡曲线745(例如，由用户接口110提供和/或存储在存储器740中/从存储器740检索的斜坡曲线)来生成斜坡误差854，其可以对应于从零值(例如，导致由电机驱动器140生成的驱动信号，其具有零电压振幅)逐渐增加到1值(例如，导致由电机驱动器140生成的驱动信号，其具有默认或稳态/未调节的电压振幅)的驱动误差862。在一些实施例中，斜坡曲线745可以采取比例因子的形式，其可以用于调整被配置为在斜坡使能852被设置为真时开始增加计数的计数器的计数率和/或步长(例如，在斜坡控制器850内实现并通过时钟信号驱动电机驱动器控制器130触发)。在这样的实施例中，斜坡误差854可以被设置为等于增加计数。例如，预期其他非线性斜坡曲线，并且通常斜坡误差854可取决于斜坡曲线745和低温制冷机170的各种反馈数据和/或操作状态(例如，包括低温制冷机170的元件和/或系统100的其他部件的一个或多个测量温度，使得斜坡误差854与温度有关)。在检测到基于时间的斜坡曲线745和/或足够低的测量温度741(例如，低于存储的阈值温度或接近设定点742)的结束时，斜坡控制器850可以将斜坡使能信号852设置为“假”，以在误差/斜坡选择器860处选择反馈误差842作为驱动误差862，如图所示。

图9a示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器120的电机驱动器控制器130的驱动器控制信号发生器730的框图。通常，驱动器控制信号发生器730可以被配置为生成各种控制信号以控制电机驱动器140的第一级340的开关342-348的操作以及电机驱动器140的第二级360的开关362-368的操作，以引起电机驱动器140根据期望波形生成驱动信号。典型地，这样的期望波形是具有程序上可变的振幅的纯正弦波，其可以通过驱动误差862来调节，以迫使低温制冷机170在期望的操作状态下操作或随着时间朝着期望的操作状态聚集。更一般地，这样的期望波形可以具有带着程序上可变的振幅、频率和/或其他波形特性的任何期望的形状，其可以被调整以调节(例如，通常改善)低温制冷机170和/或系统100的其他部件的性能。

在图9a所示的实施例中，驱动器控制信号发生器730包括驱动信号表指针910，其被配置为向驱动信号相选择器920和控制信号种子发生器930提供指示器索引。驱动信号相选择器920被配置为向电机驱动器140的第二级360的开关362-368提供控制信号，在一些实施例中，该控制信号可以被配置为使开关362-368将由电机驱动器140的第一级340生成的整流正弦波转换为跨差分输出323的全正弦波。然后可以将这种全正弦波提供给电机172，如图3所示。

例如，在一些实施例中，驱动信号表指针910可以通过计数器来实现，该计数器通过对与驱动信号曲线746的整流正弦波版本相对应的表的索引进行计数。在到达这样的表的末尾时，驱动信号表指针910可以将计数重新开始到这样的表的开始。驱动信号相选择器920可以被配置为检测计数的重新开始并将控制信号提供给第二级360的开关362-368，以使开关362-368相对于第一级340的输出350反转差分输出323的极性，并且横跨差分输出323生成全正弦波，如本文所述。

控制信号种子发生器930可以被配置为(例如，从存储器740中)获取驱动信号曲线746，并基于驱动信号表指针910和驱动信号曲线746提供的指示器索引来确定控制信号种子参数，并且然后可以将确定的控制信号种子参数提供给误差补偿器940。例如，驱动信号曲线746可以被实现为主驱动pwm控制信号占空比的表(例如，控制信号种子参数的表)，其被配置为使电机驱动器140在输出350处生成具有预定或期望电压振幅的整流正弦波(例如，当作为控制信号的时间序列提供时，适当时该控制信号带有相应的升压/降压控制信号)。可以选择这样的预定电压振幅(例如，基于系统100的先前操作)以生成期望的冷却时间、稳态冷却功率或操作温度、和/或低温制冷机170和/或系统100的其他期望的操作状态，例如，以默认地以降压模式操作电机驱动器140，或默认地最大化低温制冷机170生成的可用冷却功率(例如，在通过驱动误差862进行调整之前)。设想了对应于不同波形和/或包括不同控制信号种子参数的其他驱动信号曲线。

误差补偿器940可以被配置为从控制信号种子发生器930接收驱动误差862(例如，由驱动误差发生器720提供)和控制信号种子参数，并确定对应的误差调节的控制信号参数941，然后可以将所确定的误差调节的控制信号参数941提供给控制信号发生器950。例如，误差补偿器940可以从控制信号种子发生器930接收主驱动pwm控制信号占空比，并且被配置为将接收的主驱动pwm控制信号占空比乘以驱动误差862，以生成误差调节的主驱动pwm控制信号占空比，其被配置为使电机驱动器140生成电机驱动信号，该电机驱动信号趋向于使随着时间而与低温制冷机170和/或系统100的其他部件的期望操作状态的偏差最小和/或朝着该期望操作状态聚集，如本文所述。

控制信号发生器950可以被配置为接收由误差补偿器940生成的误差调节的控制信号参数941，并且向电机驱动器140的第一级340的开关342-348提供相应的控制信号，该控制信号可以被配置为使开关342-348生成与具有由驱动误差862调节的振幅或其他波形特征的驱动信号曲线746相对应的驱动信号。例如，控制信号发生器950可以从误差补偿器940接收误差调节的主驱动pwm控制信号占空比，并且被配置为生成对应的误差调节的主驱动pwm控制信号、补充的pwm控制信号以及对应的升压/降压控制信号，并适当地将每个和/或所有四个控制信号提供给开关342-348(例如，如图3中的表341所示)。

在特定的相关实施例中，可以选择误差调节的主驱动器pwm控制信号占空比的分辨率(以比特为单位)(例如，连同驱动器控制信号发生器730和/或电机驱动器控制器130处理的数据的其他特征一起)，从而使得误差调节的主驱动器pwm控制信号占空比的最高有效位启用或禁用电机驱动器140的第一级340的升压模式，而其余的最低有效位则限定主驱动器pwm控制信号占空比/脉冲宽度。这样，当在驱动器控制信号发生器730的实施例中进行处理时，误差调节的主驱动器pwm控制信号占空比在其极端情况下可以相对于在降压模式下时电机驱动器140的第一级340的最大输出，大致从0％变化到200％(例如，从零值到二值)。削波(例如，上、下、和/或振幅削波)可以应用于驱动器控制信号发生器730内的各个点，以帮助将误差调节的主驱动pwm控制信号占空比的偏移限制在该范围之外。

除上述之外，驱动信号相选择器920和控制信号发生器950可各自被配置为在补充的开关状态和/或降压/升压模式转换(例如，第一级340的转换)和/或极性转换(例如，第二级360的极性转换)之间插入指定的死区时间，以便提供直通保护以防止使输入313或输出350到接地短路。例如，关于第一级340，这种死区时间可以是驱动电机驱动器控制器130的时钟信号的单个时钟周期的持续时间，或者可以足够长至以导致开关342-348中的任何一个的开关时间。可以为第二级360选择类似的死区时间。尽管此类开关会在电机驱动器140内生成瞬变，但在第一级340内生成的任何此类瞬变的频率与开关342-348的最大开关频率大致相同或更高，并且这些频率可通过与第一级340集成的低通滤波器进行有效滤波，如本文所述。此外，这种死区时间通常仅大致在第一级340在输出350处输出的驱动信号近似为零时才在第二级360中生成，因此第二级360中任何这样的瞬变的振幅通常也近似为零并且不会负面地影响电机驱动器140的噪声特性。

尽管图8中示出的驱动误差发生器720和图9a中示出的驱动器控制信号发生器730的实施例主要配置为调整由电机驱动器140生成的所得驱动信号的振幅，但是在其他实施例中，驱动误差发生器720和/或控制信号发生器730可以用逻辑装置来实现以调整所得驱动信号的频率和/或其他波形特性，从而帮助最小化与所需操作状态之间的偏差和/或例如最大化低温制冷机性能。例如，可以调整表中与驱动信号曲线746相对应的条目的数目和/或配置为实现驱动信号表指针910的计数器的增加率(例如，相对于驱动器控制信号发生器730和/或电机驱动器控制器130的时钟信号驱动操作)，以调整与驱动信号曲线746相对应的驱动信号的频率。

这样的调整可以传播到驱动信号相选择器920、误差补偿器940和/或控制信号发生器950，并且由电机驱动器140生成的所得的驱动信号可以使低温制冷机170和/或系统100的其他部件的操作特性生成变化，该变化可以被测量并反馈回低温制冷机控制器120中，并且在驱动信号频率和/或其他操作参数的范围内被跟踪以确定驱动信号频率与性能之间的关系。这种关系可能随时间变化，原因在于与电机172和/或低温制冷机170的其他元件的长期操作相关的损耗，并且例如可以周期性地执行性能搜索以随时间跟踪这种关系并识别随系统100变旧而更新的最佳操作参数。更一般而言，可以随时间搜索和跟踪任何此类性能与操作参数的关系，以帮助选择系统100的最佳操作参数。

图9b示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器120的驱动器控制信号发生器730的控制信号发生器950的框图。通常，控制信号发生器950可以被配置为控制电机驱动器140的第一级340的开关342-348的操作，以使电机驱动器140根据期望的波形生成驱动信号。更具体地，如在图8-9a的讨论中所指出的，控制信号发生器950可以被配置为接收由误差补偿器940生成的误差调节的控制信号参数941，并且向电机驱动器140的第一级340的开关342-348提供相应的控制信号，该控制信号可以被配置为使开关342-348生成与驱动信号曲线746相对应的驱动信号，该驱动信号的振幅或其他波形特性由驱动误差862和/或例如附加补偿值调节，如本文所述。

例如，在图9b所示的实施例中，控制信号发生器950包括降压-升压(bb)输入电压补偿器951，其被配置为提供输入电压补偿的控制信号参数(例如，基于通过误差补偿器940所提供的误差调节的控制信号参数941)到bb增益选择器953，bb增益选择器953可以转而配置为将选定的bb增益应用于(bb)输入电压补偿器951提供的输入电压补偿的控制信号参数，并将得到的补偿控制信号参数提供给pwm脉冲计数器956，如图所示。pwm时钟954、pwm循环计数器955和pwm脉冲计数器956可以被配置为生成与由bb输入电压补偿器951和/或bb增益选择器953生成的补偿控制信号参数相对应的pwm控制信号，并将这种控制信号提供给电机驱动器140的第一级340的开关342-348，这种控制信号可以被配置为使开关342-348生成与驱动信号曲线746和/或误差调节的控制信号参数941相对应的驱动信号，该驱动信号的振幅或其他波形特性由bb输入电压补偿器951调节和/或bb增益选择器953调节。

例如，pwm脉冲计数器956可以被配置为从bb输入电压补偿器951和/或bb增益选择器953接收补偿的主驱动pwm控制信号占空比，并且生成相应的补偿的主驱动pwm控制信号和补充pwm控制信号(例如，基于pwm时钟954提供的pwn时钟信号和pwm循环计数器955提供的pwm周期信号)，并根据需要(例如，如图3中的表341所示)将每个和/或所有四个控制信号提供给开关342-348。在特定的相关实施例中，可以选择由bb输入电压补偿器951和/或bb增益选择器953提供的补偿的主驱动pwm控制信号占空比的分辨率(以比特为单位)(例如，连同由控制信号发生器950处理的数据的其他特性一起)，以使补偿的主驱动器pwm控制信号占空比的最高有效位952启用或禁用电机驱动器140的第一级340的升压模式，而其余的最低有效位则限定主驱动器pwm控制信号占空比/脉冲宽度。削波(例如，上、下和/或振幅削波)可应用于控制信号发生器950内的各个点，以帮助限制补偿的主驱动pwm控制信号占空比的偏移。

bb输入电压补偿器951可以被配置为(例如，从存储器740)获取bb设定点747，并基于bb设定点747和误差调节的控制信号参数941来确定输入电压补偿的控制信号参数。这样的输入电压补偿的控制信号参数可以被配置为帮助在电机驱动器140的输出350处生成期望的峰值输出电压电平(例如，vout)，而不管和/或补偿在输入313处提供的vin的波动。在各种实施例中，bb输入电压补偿器951可以被配置为将误差调节的控制信号参数941乘以bb设定点747，以将误差调节的控制信号参数941乘以bb设定点747。在一些实施例中，bb设定点747可以被实现为基于在电机驱动器140的输入313处提供的dc输入电压vin而从bb设定点的表选择的表值，并且被配置为使电机驱动器140生成整流正弦波，其在输出350处具有预定或期望的峰值电压振幅(例如，vout)。在其他实施例中，bb设定点747可以被实现为由逻辑装置(例如，图9c的设定点发生器947)提供的相对高位分辨率(例如，相对于表值)计算的值，该逻辑装置被配置为在电机驱动器控制器130的操作期间计算bb设定点747，如在图9c中更详细地示出和描述的。

bb增益选择器953可以被配置为检索bb增益寄存器值748(例如，从存储器740)，并至少部分地基于低温制冷机控制器120的降压或升压模式，将与bb增益寄存器值748和/或其他bb增益值相对应的bb增益应用到由bb输入电压补偿器951提供的输入电压补偿的控制信号参数。例如，在一些实施例中，bb增益选择器953可被配置为在低温制冷机控制器120处于降压模式时(例如，当补偿的主驱动pwm控制信号占空比的最高有效位952为“0”时)将1增益应用到由bb输入电压补偿器951提供的输入电压补偿的控制信号参数，以及在低温制冷机控制器120处于升压模式时(例如，当补偿的主驱动pwm控制信号占空比的最高有效位952为“1”时)应用与bb增益寄存器值748相对应的增益。在各种实施例中，bb增益寄存器值748可以被实现为选自增益值表的表值，该表值被配置为使得电机驱动器140在升压模式下时在输出350处生成具有预定电压振幅的整流正弦波。

在由控制信号发生器950生成的控制信号是pwm控制信号的实施例中，pwm时钟可以可选地集成在控制信号发生器950、电机驱动器控制器130、低温制冷机控制器120和/或系统100的其他元件内，并且例如被配置为向pwm循环计数器955和pwm脉冲计数器956提供恒定或可变的时钟信号。模式选择器/最高有效位952可与pwm脉冲计数器956和/或pwm循环计数器955生成的控制信号相结合，以在适当情况下(例如，图3中的表341所示)使每个和/或所有四个对应的控制信号(例如，主驱动控制信号；补充pwm控制信号；开、关控制信号)到达开关342-348。

图9c示出了根据本公开实施例的用于低温制冷机控制器120的控制信号发生器950的设定点发生器947的框图。通常，设定点发生器947可以被配置为至少部分地基于由电机驱动器140在输出350和/或在差分输出323两端生成的期望峰值电压电平(vout)以及在电机驱动器140的输入313处提供的dc输入电压vin，计算电机驱动器控制器130的操作期间的bb设定点747，如图3所示。更具体地，如在图9b的讨论中所指出的，bb设定点747可以用于缩放误差调节的控制信号参数941，以生成(例如，使用bb输入电压补偿器951)输入电压补偿的控制信号参数。这样的输入电压补偿的控制信号参数可以被配置为帮助在电机驱动器140的输出350处生成期望的峰值输出电压电平(例如，vout)，而不管和/或补偿在输入313处提供的vin的波动。

设定点发生器947的实施例通过以下提供了表查找方法的优势：通过减少具有用于每个不同的输入电压(或不同的输入电压范围)的表所需要的存储器资源，以及通过为bb设定点747提供相对高的分辨率值，这生成了一个针对相对较宽范围的输入电压和输入电压随时间的变化的、在输出350处和/或在差分输出323两端的相对平滑的正弦波输出。此外，设定点发生器947的实施例可通过用迭代近似代替数值除法逻辑而在逻辑上相对紧凑地实现，该迭代近似代之以依赖于乘法逻辑，如本文所述，这在设定点发生器947被实现在pld中时特别有益。

例如，在图9c所示的实施例中，设定点发生器947包括ac输出电压缩放器960、dc输入电压缩放器962、比较器964、bb设定点累加器966和配置为提供bb设定点747的可选的bb设定点锁存器968。在各种实施例中，bb设定点锁存器968可以被配置为将bb设定点747存储或锁存到存储器740中和/或将bb设定点747提供给bb输入电压补偿器951。通常，设定点发生器947可经配置以确定bb设定点747，使得当dc输入电压由bb设定点747缩放时，结果大致等于由缩放常数751缩放的期望ac峰值电压750，如图所示。

ac输出电压缩放器960可以被配置为获取期望的ac峰值电压750和缩放常数751(例如，从存储器740)，并且生成作为输出b的缩放的期望的ac峰值电压到比较器964。在各种实施例中，缩放常数751可以被选择为对应于期望的ac峰值电压750的输入电压vin当量的一半，并且例如可以被实现为16位数字。例如，可以从斜坡曲线745或驱动信号曲线746中获取和/或导出期望的ac峰值电压750。在一些实施例中，ac输出电压缩放器960可以被配置为将期望的ac峰值电压750乘以缩放常数751，并生成具有特定选择和剪切的位宽的缩放的期望的ac峰值电压(例如，乘积)。举例来说，在一些实施例中，ac输出电压缩放器960可被配置成剪切掉乘积的前3位，且将乘积的后16位作为缩放的所需ac峰值电压(例如，输出b)提供到比较器964。

dc输入电压缩放器962可以被配置为获取或接收dc输入电压963(例如，来自存储器740或配置为测量vin的电压传感器)，并生成作为输出a的缩放的期望ac峰值电压到比较器964。在一些实施例中，dc输入电压缩放器962可被配置为将dc输入电压963乘以初始化的设定点967(例如，由bb设定点累加器966提供)，并生成缩放的dc输入电压(例如，乘积)，其在一些实施例中可以具有与ac输出电压缩放器960的实施例所提供的相同的特定选择和剪切的位宽。

在各种实施例中，比较器964可以被配置为比较输出a和b(例如，缩放的dc输入电压和缩放的期望ac峰值电压)，并且将比较器输出提供给与输出a和b之间的差异相对应的bb设定点累加器966。bb设定点累加器966可以被配置为生成更新的设定点967，其被配置为减小、最小化和/或消除比较器964识别的输出a和b之间的差异，并且将所得的累积的设定点967作为bb设定点747转发到bb设定点锁存器968和/或bb输入电压补偿器951，如本文所描述。

在特定实施例中，比较器964、bb设定点累加器966和dc输入电压缩放器962可以在迭代循环中操作，例如，以迭代地调整由bb设定点累加器966生成的更新/累积的设定点967以向bb设定点747聚集，这减小、最小化、和/或消除了输出a和b之间的差异(对于特定的dc输入电压963和期望的ac峰值电压750)。例如，可以将初始的16位设定点967初始化为在所有位位置中都为“0”。比较器964、bb设定点累加器966和dc输入电压缩放器962可以针对16位输出a和b中的每个位位置进行迭代，在最高有效位(例如，i＝15)开始，然后进行至最低有效位(例如，i＝0)。

对于每次迭代，bb设定点累加器966可以被配置为将累积的设定点967中的位(i)设置为“1”，并且将累积的设定点967转发给dc输入电压缩放器962；dc输入电压缩放器962可以被配置为通过所得的更新/累积的设定点967缩放dc输入电压963；并且比较器964可以被配置为将a中的位(i)与b中的位(i)进行比较。当a中的位(i)≤b中的位(i)时(例如，比较器964返回“真”)，则bb设定点累加器966允许累加的设定点967中的位(i)保持为“1”，并且循环进行到位(i-l)。当a中的位(i)>b中的位(i)时(例如，比较器964返回“假”)，则bb设定点累加器966将累加的设定点967中的位(i)设置为“0”，并且循环进行到位(i-l)。

在迭代完成时(例如，在位(0))，输出a大致等于输出b(例如，在设定点发生器947的位分辨率内)，并且将所得的累积的设定点967转发为bb设定点747，如图所示。因此，这种逐次逼近的迭代方法提供了相对准确和可靠的bb设定点747，并在输出350处提供了vin归一化的vout，这提高了系统100在更大范围的环境条件(包括热或环境变化电源112)下的整体可靠性和性能。

图10示出了根据本公开实施例的低温制冷机控制器120的框图。在图10中，在二十五美分美元货币旁边示出了低温制冷机控制器120的实施例，以示出低温制冷机控制器120的近似尺寸。例如，长度1012可以大约为1.8英寸，宽度1010可以大约为1英寸，并且高度可以大约在0.5英寸和1英寸之间。在图10所示的实施例中，低温制冷机控制器120包括插座1022以及电机驱动器控制器130、反馈接口132和电机驱动器140，所有这些都可以被焊接在长度1012且宽度1010的印刷电路板1025上，如图所示。

如本文所述，这样的实施例能够达到比典型功率负载下的95％更大的电效率(例如，除了电机驱动器140用来生成驱动信号以驱动电机172所使用的功率之外，还包括用于操作电机驱动器控制器130和反馈接口132的所有功率)。实施例能够生成具有范围从大约4hz至200hz的可配置频率的相对低噪声的纯正弦波电机驱动信号(例如，具有40mv或更小的波纹和/或噪声包络)。实施例能够从12vdc输入功率信号生成振幅大于20vrms的ac波形，可以驱动50w低温制冷机，并且能够控制类似于低温制冷机170的低温制冷机，以生成在从大约77k到150k范围内稳定于0.1k的工作温度(例如，按fpa182进行测量)。

图11是示出根据本公开实施例的用于操作低温制冷机控制器的方法的流程图。方法1100的一个或多个部分可以通过低温制冷机控制器120以及利用参考图1-10描述的系统、部件、逻辑或方法的任何元件来执行。应当理解，可以以与图11所示的实施例不同的顺序或布置来执行方法1100的任何步骤、子步骤、子过程或功能块。在一些实施例中，方法1100的任何部分可以循环实现以便连续地操作，例如以控制回路的形式。

在块1102，接收低温制冷机的操作参数。例如，低温制冷机控制器120的电机驱动器控制器130可以被配置为从用户接口110和/或存储器740接收操作参数，例如与指形冷冻器176和/或fpa182的期望温度相对应的温度设定点。在一些实施例中，电机驱动器控制器130还可被配置为从反馈接口132接收与低温制冷机170的操作相对应的反馈数据。反馈接口132可以被配置为接收一个或多个传感器信号(例如，从温度传感器134和/或其他源)，并生成相应的反馈数据以传递给电机驱动器控制器130，如本文所述。

在块1104中，至少部分基于低温制冷机的操作参数生成电机驱动器控制信号。例如，低温制冷机控制器120的电机驱动器控制器130可以被配置为至少部分地基于在块1102中接收到的操作参数，来生成低温制冷机170的电机驱动器控制信号。在一些实施例中，电机驱动器控制器130可以被配置为至少部分地基于在块1102中接收到的反馈数据和/或操作参数来生成电机驱动器控制信号。例如，电机驱动器控制器130可以被配置为至少部分地基于与指形冷冻器176和/或电子装置180的期望温度相对应的设定点742以及与指形冷冻器176和/或电子装置180的测量温度741相对应的反馈数据，来确定反馈误差742。然后，电机驱动器控制器130可以至少部分地基于所确定的反馈误差来生成电机驱动器控制信号。

在另外的实施例中，电机驱动器控制器130可以被配置为至少部分地基于与测量温度741、在电机驱动器140的输入313处接收到的功率信号的测量输入电压、由电机驱动器140生成的驱动信号的测量输出电压、和/或低温制冷机控制器120的测量温度相对应的反馈数据，来确定反馈误差742、与低温制冷机170的操作状态相对应的斜坡使能状态852和/或斜坡误差854。然后，电机驱动器控制器130可以至少部分地基于所确定的反馈误差842、斜坡使能状态852和/或斜坡误差854来生成电机驱动器控制信号。

在块1106，生成基于电机驱动器控制信号的电机驱动信号。例如，低温制冷机控制器120的电机驱动器控制器130可以被配置为将在块1104中生成的电机驱动器控制信号提供给电机驱动器140的第一级340的开关342-348和/或第二级360的开关362-368。在一些实施例中，提供给第一级340的开关342-348的电机驱动器控制信号被配置成使第一级340将在电机驱动器140的输入313处接收的直流功率信号转换成在第一级340的输出350处生成的整流正弦波。在各个实施例中，电机驱动器140的第二级360可以被配置为将第一级340的输出350处的整流正弦波转换成在电机驱动器140的差分输出323处生成的全正弦波。

在适用的情况下，可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现由本公开提供的各种实施例。同样，在适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以组合成包括软件、硬件和/或两者的合成部件。在适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以被分成包括软件、硬件或两者的子部件。另外，在适用的情况下，可以预期的是，软件部件可以被实现为硬件部件，反之亦然。

可以将根据本公开的软件(例如，非暂时性指令、程序代码和/或数据)存储在一个或多个非暂时性机器可读介质上。还预期可以使用一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统、网路和/或其他方式来实现本文中标识的软件。在适用的情况下，可以更改本文描述的各个步骤的顺序，将其组合成合成步骤和/或分成子步骤以提供本文描述的特征。

上述实施例示出但不限制本发明。还应该理解，根据本发明的原理，可以进行多种修改和变化。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。