CN107112931B - Bldc自适应零交叉检测的方法、电动机控制器和系统 - Google Patents

Bldc自适应零交叉检测的方法、电动机控制器和系统 Download PDF

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Abstract

BLDC自适应零交叉检测将BLDC电动机的浮动相位中的BEMF电压与参考电压作比较；当所述BEMF电压大于所述参考电压时在上升BEMF周期期间测量上升时间间隔，且当所述BEMF电压小于所述参考电压时在下降BEMF周期期间测量下降时间间隔。所述参考电压经调整使得所述上升时间间隔及下降时间间隔大体上是相同的，借此致使所述驱动电压与所述电动机自身产生的电压同相位，因此确保所述BLDC电动机的最大效率。

Description

BLDC自适应零交叉检测的方法、电动机控制器和系统
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2015年2月27日申请的共同拥有的第62/121,767号美国临时专利申请案的优先权；所述临时专利申请案出于所有目的特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及无刷直流(BLDC)电动机，且更特定来说，本发明涉及BLDC电动机应用中的自适应零交叉检测。
背景技术
无刷直流(BLDC)电动机用于例如家用电器、汽车、航空、消费、医疗、工业自动化设备及仪器的产业中。BLDC电动机换向时不使用电刷，而是使用电子换向。BLDC电动机具有优于有刷DC电动机及感应电动机的优势，例如：相对于力矩特性的更好的速度、更高的动态响应、更高的效率、更长的操作寿命、服务之间的更长的时间间隔、大体上无噪声的操作及更高的速度范围。BLDC电动机的更详细概要可在www.microchip.com上的微芯片应用注释AN857(Microchip Application Note AN857)的名为“易于控制的无刷直流电动机(Brushless DC Motor Control Made Easy；)”及微芯片应用注释AN885(MicrochipApplication Note AN885)的名为“无刷直流(BLDC)电动机基础(Brushless DC(BLDC)Motor Fundamentals；)”中找出，且所述两者出于所有目的特此以引用的方式并入本文中。
BLDC电动机控制需要三件事：(1)用以控制电动机速度的脉冲宽度调制(PWM)驱动电压，(2)用以换向BLDC电动机的定子的机制，及(3)用以估计BLDC电动机的转子位置的方法。PWM可用于将可变电压提供到BLDC电动机的定子绕组以用于控制其速度。提供到所述定子绕组的有效电压与PWM工作循环成比例。定子线圈的电感充当低通滤波器以大体上将PWM电压平滑化为直流(DC)电压。当经适当换向时，BLDC电动机的力矩速度特性大体上等同于DC电动机。PWM导出的可变电压控制电动机的速度及可用力矩。
三相BLDC电动机完成电循环，即在六步中以每步60电角度旋转360电角度。通过每60电角度同步而更新(换向)绕组相位电流切换。然而，一个电循环可不对应于电动机转子的一个机械旋转(360机械角度)。将经重复以完成一个机械旋转的电循环数目取决于转子极对的数目。
BLDC电动机不是自我换向的且因此对BLDC电动机的控制更为复杂。BLDC电动机控制需要知晓电动机转子位置及使得BLDC电动机定子绕组换向的机制。为了BLDC电动机的闭合回路速度控制，存在两个额外需求：旋转速度的测量；及用以控制电动机速度及其功率的脉冲宽度调制(PWM)驱动信号。
为了感测BLDC电动机的转子位置，霍尔效应(Hall Effect)传感器可用于提供绝对转子位置感测。然而，霍尔效应传感器增加了BLDC电动机的成本及复杂性。无传感器BLDC控制通过监测电动机的每一相位(A-B-C)处的反电动势(BEMF)电压以确定驱动换向而消除对霍尔效应传感器的需要。当未经驱动的相位的BEMF在换向周期的中期与半电动机电源电压交叉时，所述驱动换向与所述电动机同步。这被称为“零交叉”，其中BEMF在每一电循环上在所述零交叉电压上下变动。当将驱动电压施加到其它两个经驱动的相位时仅可在未驱动相位上检测到零交叉。所以，检测BEMF在未驱动相位上的从小于电动机电源电压的一半到大于电动机电源电压的一半的变化可在将驱动电压施加到用于个三相BLDC电动机的两个经驱动的相位期间有用。
控制无刷DC(BLDC)电动机可为有挑战性的，尤其是在BLDC电动机不提供能够确定转子的当前位置的任何传感器的情况下。因此，需要用于无传感器BLDC电动机控制的通用零交叉检测。确定BLDC应用中的当前转子位置的一种方法是使用反电动势(BEMF)信号，其中正是电压或电动势推抵感应其的电流。BEMF是由磁感应引起的交流(AC)电路中的电压下降。通常，当(例如)通过三相BLDC电动机的其三个线圈中的两者驱动BLDC电动机时，可通过未使用的线圈接收BEMF信号。BEMF信号在幅值及位置上相对于施加到经驱动的线圈的PWM信号是不同的。可在特定时间对这些BEMF信号的零交叉检测取样，其中在零交叉检测之间的中点处发生换向。然而，电动机特性可损坏这些样本。因此，为了合适的通量集成，必须知道电动机特性且驱动电压及电动机电压也必须同相。使用磁场定向控制(FOC)需要高速模/数转换器(ADC)，计算是数学密集型(例如，需要高处理能力)，且必须使用非FOC方法启动电动机(BEMF测量要求电动机转子转动)。
发明内容
因此，需要使用自适应零交叉检测的更简化的BLDC电动机控制。
根据实施例，一种用于无刷直流(BLDC)电动机的零交叉检测的方法可包括以下步骤：利用脉冲宽度调制(PWM)驱动电压脉冲驱动三相BLDC电动机的两个相位，每一PWM驱动电压脉冲具有周期及工作循环及电源中的电压；将三相BLDC电动机的未驱动的第三相位耦合到电压比较器以用于比较其反电动势(BEMF)电压；利用电压比较器比较BEMF电压与参考电压；当BEMF电压小于参考电压时在下降BEMF周期期间测量下降时间间隔；存储所述下降时间间隔；当BEMF电压大于参考电压时在上升BEMF周期期间测量上升时间间隔；存储所述上升时间间隔；且比较所述经存储的下降时间间隔及上升时间间隔，其中在所述经存储的下降及上升时间间隔大体上相同的情况下不改变参考电压，且在所述经存储的下降及上升时间间隔大体上不相同的情况下可改变参考电压。
根据所述方法的另一实施例，改变参考电压的步骤可包括调整参考电压直到下降时间间隔及上升时间间隔分别表示下降BEMF序列周期及上升BEMF序列周期的中点的步骤。根据所述方法的另一实施例，可利用模拟电压比较器比较BEMF电压与参考电压。根据所述方法的另一实施例，可从数/模转换器(DAC)的输出提供参考电压。根据所述方法的另一实施例，当上升时间间隔比下降时间间隔更长时可增加参考电压。根据所述方法的另一实施例，当上升时间间隔比下降时间间隔更短时可减少参考电压。根据所述方法的另一实施例，存储下降及上升时间间隔的步骤可包括将所述下降及上升时间间隔存储于与微控制器的数字处理器相关联的存储器中的步骤。根据所述方法的另一实施例，比较经存储的下降及上升时间间隔的步骤可包括利用微控制器的数字处理器比较经存储的下降及上升时间间隔的步骤。根据所述方法的另一实施例，测量下降及上升时间间隔的步骤可包括利用定时器-计数器测量所述下降及上升时间间隔的步骤。
根据所述方法的另一实施例，且在启动BLDC电动机之前，所述方法可包括以下步骤：测量将耦合到三相BLDC电动机的相位的高电动机电源电压；测量将耦合到三相BLDC电动机的另一相位的低电动机电源电压；且求所述高电动机电源电压及所述低电动机电源电压的平均以根据所述平均值确定初始参考电压。根据所述方法的另一实施例，测量所述高电动机电源电压及所述低电动机电源电压的步骤可包括以下步骤：利用模/数转换器(ADC)测量所述高电动机电源电压及所述低电动机电源电压；将所述经测量的高电动机电源电压及低电动机电源电压转换到其数字表示；且将这些数字表示耦合到微控制器的数字处理器。
根据另一实施例，一种用于无刷直流(BLDC)自适应零交叉检测的设备可包括：模/数转换器(ADC)；电压比较器，其具有耦合到ADC的输出的第一输入及耦合到BLDC电动机的浮动相位且经调适以用于自其测量反电动势(BEMF)的第二输出；AND门，其具有耦合到电压比较器的输出的第一输入及耦合到脉冲宽度调制(PWM)周期信号的第二输入；反相器，其具有耦合到PWM周期信号的输入；置位-复位(RS)锁存器，其具有耦合到所述AND门的输出的置位输入及耦合到所述反相器的输出的复位输入；及D锁存器，其具有耦合到SR锁存器的Q输出的D输入及耦合到所述反相器的输出的时钟输入。
根据另一实施例，异或(XOR)门可耦合在SR锁存器与D锁存器之间，其中SR锁存器的Q输出可耦合到XOR门的第一输入，D锁存器的D输入可耦合到XOR门的输出，且BEMF周期选择信号可耦合到XOR门的第二输入。根据另一实施例，当BEMF周期选择信号处于高逻辑电平时，D锁存器的D输入可从SR锁存器的Q输出反相，且当BEMF周期选择信号处于低逻辑电平时，D锁存器的D输入可处于与SR锁存器的Q输出相同的逻辑电平。
根据另一实施例，一种使用无刷直流(BLDC)自适应零交叉检测将脉冲宽度调制(PWM)驱动提供到BLDC电动机的电动机控制器可包括：高侧电力开关及低侧电力开关，其耦合到每一BLDC电动机端子，其中所述高侧电力开关及所述低侧电力开关可分别进一步耦合到高电动机电源电压及低电动机电源电压且由PWM驱动控制，其中所述高侧电力开关及所述低侧电力开关中的每一者将使得BLDC电动机端子中的相应一者连接到高电动机电源电压、低电动机电源电压或不连接到所述两者而是处于浮动状态；PWM主控时基；PWM产生器，其耦合到所述PWM主控时基及高侧电力开关及低侧电力开关的相应者；自适应零交叉检测电路，其经调适以用于耦合到BLDC电动机的浮动相位端子且用于从其接收反电动势(BEMF)电压，其中所述自适应零交叉检测电路：将BEMF电压与参考电压作比较，当BEMF电压大于参考电压时在上升BEMF周期期间测量上升时间间隔，当BEMF电压小于参考电压时在下降BEMF周期期间测量下降时间间隔，且调整参考电压直到上升时间间隔及下降时间间隔大体上相同；及微控制器，其用于基于所述参考电压产生PWM驱动信号。
根据另一实施例，自适应零交叉检测电路可包括：三输入模拟多路复用器，其每一输入可耦合到三相BLDC电动机的相应相位，其中可选择BLDC电动机的浮动相位以用于从其测量反电动势(BEMF)电压；数/模转换器(DAC)；电压比较器，其具有耦合到所述多路复用器的输出的第一输入及耦合到DAC的输出的第二输入；AND门，其具有耦合到所述电压比较器的输出的第一输入及耦合到脉冲宽度调制(PWM)周期信号的第二输入；反相器，其具有耦合到所述PWM周期信号的输入；置位-复位(RS)锁存器，其具有耦合到AND门的输出的置位输入及耦合到所述反相器的输出的复位输入；及D锁存器，其具有耦合到SR锁存器的Q输出的D输入及耦合到所述反相器的输出的时钟输入；BEMF定时器，其具有耦合到D锁存器的Q输出的输入且经调适以用于测量上升时间间隔及下降时间间隔；及数字处理器及存储器，其中所述数字处理器可耦合到DAC的数字输入、来自所述BEMF定时器的时间间隔输出及所述多路复用器的控制输入。
根据另一实施例，异或(XOR)门可耦合在SR锁存器与D锁存器之间，其中SR锁存器的Q输出可耦合到XOR门的第一输入，D锁存器的D输入可耦合到XOR门的输出，且数字处理器中的BEMF周期选择信号可耦合到XOR门的第二输入。根据另一实施例，模/数转换器(ADC)可具有耦合到多路复用器的输出的输入及耦合到数字处理器的数字输出。
根据又一实施例，一种用于驱动使用自适应零交叉检测的无刷直流(BLDC)电动机的系统可包括：三相BLDC电动机，其具有第一、第二及第三电动机相位端子；高侧电力开关及低侧电力开关，其耦合到电动机相位端子中的每一者，其中所述高侧电力开关及所述低侧电力开关可分别进一步耦合在高电源电压及低电源电压之间且由PWM驱动控制，其中所述高侧电力开关及所述低侧电力开关中的每一者将使得BLDC电动机相位端子的相应一者连接到高电动机电源电压、低电动机电源电压或不连接到所述两者而是处于浮动状态；PWM主控时基；PWM产生器，其耦合到所述PWM主控时基及高侧电力开关及低侧电力开关的相应者；自适应零交叉检测电路，其经调适以用于耦合到BLDC电动机的浮动电动机相位端子且用于从其接收反电动势(BEMF)电压，其中所述自适应零交叉检测电路：将BEMF电压与参考电压作比较，当BEMF电压大于所述参考电压时在上升BEMF周期期间测量上升时间间隔，当BEMF电压小于所述参考电压时在下降BEMF周期期间确定下降时间间隔，且调整所述参考电压直到上升时间间隔及下降时间间隔大体上相同；及微控制器，其用于基于所述参考电压产生PWM驱动信号。
根据另一实施例，高驱动器及低驱动器对可耦合在PWM产生器与高侧电力开关及低侧电力开关的相应者之间。根据另一实施例，高侧电力开关及低侧电力开关可包括高侧功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)及低侧功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。
附图说明
可通过参考结合附图的以下描述而获取对本发明的更完整的理解，其中：
图1说明根据本发明的特定实例实施例的三相BLDC电动机的示意性框图，其包括在WYE中连接的定子绕组、定子绕组驱动器功率晶体管及BLDC控制器；
图2说明根据本发明的教示的经历六个序列的360电角度旋转的BLDC电动机的三个定子绕组中的每一者处的电压波形的示意性图表；
图3说明根据本发明的特定实例实施例的在上升BEMF周期期间的BLDC自适应零交叉检测电路的示意性框图；
图4说明图3中展示的BLDC自适应零交叉检测电路的上升BEMF周期的示意性时序及电压波形图式；
图3A说明根据本发明的特定实例实施例的在下降BEMF周期期间的BLDC自适应零交叉检测电路的示意性框图；
图4A说明图3A中展示的BLDC自适应零交叉检测电路的下降BEMF周期的示意性时序及电压波形图式；
图5说明根据本发明的特定实例实施例的当参考电压大体上经优化以用于与经测量的BEMF电压比较时经历六个序列的360电角度旋转的BLDC电动机的三个相位的示意性时序及电压波形图式；
图6说明根据本发明的特定实例实施例的当参考电压与经测量的BEMF电压比较显得过高时经历六个序列的360电角度旋转的BLDC电动机的三个相位的示意性时序及电压波形图式；
图7说明根据本发明的特定实例实施例的具有BLDC自适应零交叉检测电路的BLDC电动机控制器的示意性框图；及
图8说明根据本发明的特定实例实施例的BLDC自适应零交叉检测电路的示意性操作流程图。
尽管本发明易于接受各种修改及替代形式，但已在图式中展示且在本文中详细描述本发明的特定实例实施例。然而应了解，本文的特定实例实施例的描述不希望将本发明限制于本文所揭示的特定形式。
具体实施方式
根据各种实施例，数/模转换器(DAC)可用于提供BEMF参考电压。电压比较器可用于从BEMF电压检测零交叉事件，所述BEMF电压从BLDC电动机的未驱动的电动机相位耦合。接着，DAC电平经调整以使得经施加的电压波形与电动机产生的波形同相位。在常规BLDC控制系统中，对不是以某种方式从电动机电源电压或电动机端子本身导出的BEMF参考电压存在强大拒斥。本文揭示的本发明打破所述趋势且主要提供硬件解决方案，而现有BLDC控制技术是着重于软件解决方案。
现在参考图式，示意地说明特定实例实施例的细节。由相同数字表示图式中的相同元件，且由具有不同小写字母后缀的相同数字表示类似元件。
参考图1，其描绘根据本发明的特定实例实施例的三相BLDC电动机的示意性框图，所述三相BLDC电动机包括在WYE中连接的定子绕组、定子绕组驱动器功率晶体管及BLDC控制器。三相BLDC电动机132可由电力开关120到130的三个集合驱动，例如功率金属氧化物半导体(MOSFET)晶体管，所述BLDC电动机132使得电动机端子(U、V或W)交替地耦合到共同电源、电源电压、Vmotor或允许电动机端子“浮动”(即，不连接到共同电源或电压)。这些电力开关120到130可由高/低驱动器114到118驱动。高/低驱动器114到118可耦合到可从PWM主控时基106接收主控频率信号的PWM产生器108到112。可由包括BLDC自适应零交叉检测电路104的微控制器102提供PWM产生器108到112中的PWM信号的工作循环控制。微控制器102还可监测每一定子绕组端子U、V及W处的BEMF电压且将每一定子绕组端子U、V及W处的经监测的BEMF与参考电压比较，如下文更完整地描述。
参考图2，其描绘根据本发明的教示的经历六个序列的360电角度旋转的BLDC电动机的三个定子绕组中的每一者处的电压波形的示意图表。每一相位U、V及W连续耦合到(并非同时)Vmotor电压，例如Uh；使得PWM电压从地面耦合到Vmotor，例如Wd；或浮动，例如Uf。在每一序列步骤数中，一个相位xh(“保持相位”)的组合维持在固定电压处；另一相位xd(“驱动相位”)由在Vmotor与接地之间切换的PWM周期信号驱动；及第三相位xf(“浮动相位”)不连接到任何电压或接地，例如浮动。BEMF电压在浮动相位处经测量且用于BLDC自适应零交叉检测电路104中，如图3中所展示且将在下文中更完整地解释。保持于固定电压处的相位可耦合到Vmotor或耦合到接地，出于所有目的在本文中考虑任一者。
参考图3，其描绘根据本发明的特定实例实施例的在上升BEMF周期期间的BLDC自适应零交叉检测电路的示意性框图。BLDC自适应零交叉检测电路(通常由元件符号104表示)可包括：数/模转换器(DAC)350、模拟电压比较器352、二输入AND门354、反相器356、RS锁存器358、XOR 360及D锁存器362。PWM周期信号376耦合到AND门354的输入及反相器356。PWM周期信号376具有与驱动相位PWM信号484相同的周期，但其工作循环维持在固定百分比足够长的时间以确保检测到BEMF电压的峰值。
BLDC自适应零交叉检测电路104的操作如下：DAC 350将参考电压371提供到比较器352的正输入。将从浮动相位提取的BEMF电压370(具有合适的电压调节)施加到比较器352的负输入。当BEMF电压370大于DAC 350中的参考电压371时，电压比较器352的输出372处于逻辑低(“0”)处。当BEMF电压370小于DAC 350中的参考电压371时，电压比较器352的输出372处于逻辑高(“1”)处。当输出372及PWM周期376两者处于高逻辑电平时，耦合到SR锁存器358的S输入的NAND门354的输出处于高逻辑电平处。当PWM周期信号376处于低逻辑电平时，NAND门354的输出将处于低逻辑电平处，不管输出372的逻辑电平如何。
RS锁存器358充当一个位存储器，其中当S输入处于高逻辑电平处且R输入处于低逻辑电平处时，Q输出378将处于高逻辑电平处。当S输入处于高逻辑电平或低逻辑电平处且R输入处于高逻辑电平处时，Q输出378将处于低逻辑电平处。当S输入及R输入两者处于低逻辑电平处时，Q输出将不改变且处于高逻辑电平或低逻辑电平处。当XOR门360的一个输入保持于高逻辑电平处时，XOR门360的输出将反相为(相反逻辑电平)其其它输入。因此，XOR门360可用于使得耦合到D锁存器362的D输入的Q输出378逻辑电平反相。当D锁存器362的时钟输入从低逻辑电平转变到高逻辑电平时，位于D锁存器362的D输入处的任何逻辑电平将转移到其Q输出382。Q输出382将维持所述逻辑电平直到其D输入改变逻辑电平且其时钟输入再次从低逻辑电平转变到高逻辑电平。因此，仅当PWM周期376从高逻辑电平转变到低逻辑电平时将更新Q输出382。
根据各种实施例，在启动电动机132之前，启用相位中的一者的高侧驱动器且测量所述相位处的电压，接着，停用所述高侧驱动器且启用相位中的一者的低侧驱动器且测量所述相位处的电压。计算这两个测量的平均值以确定所述两者之间的中间电压。在启动时，此平均电压用于确定DAC 350中的初始电压应设置在何处且用于比较器参考电压371。在普通BLDC电动机操作期间，其中驱动(驱动且保持)电动机相位中的两者且经由比较器352的非参考输入(BEMF 370)监测第三未经驱动的电动机相位(浮动)。在每一PWM周期驱动相位484的部分上对比较器352的输出372取样。由具有与PWM周期驱动相位484相同的周期但与其不同的工作循环的第二PWM周期信号376产生样本窗。比较器352的输出372通过AND门354耦合到RS锁存器358的S输入。如果比较器352的输出372在此样本窗时间期间的任何时候转变到高逻辑电平，那么RS锁存器358接着将捕获且保持所述事件直到PWM周期信号376结束。可紧接在复位RS锁存器358前的第二PWM周期信号376结束时由D锁存器362对RS锁存器358的输出378取样且保持所述输出378。D锁存器362的输出是零交叉事件检测信号382。RS锁存器358的输出378在下降BEMF换向循环中的极性与上升BEMF换向循环中的极性是相反的，使得D锁存器362中的零交叉事件输出总是低逻辑电平到高逻辑电平的转变。DAC 350的输出电压371在各种电动机132速度下经调整以使得零交叉事件检测信号382的高周期在上升及下降BEMF换向循环中大体上相等，如在图5及6及以下其相关解释中更完整地展示。
现在参考图4，其描绘在图3中展示的BLDC自适应零交叉检测电路的上升BEMF周期的示意性时序及电压波形图式。在浮动相位处测量电压且从其导出BEMF 370电压。每当BEMF 370小于DAC 350的输出参考电压371时，电压比较器352中的输出372就转变到高逻辑电平。只要输出372转变到高逻辑电平且PWM周期信号处于高逻辑电平处，SR锁存器358的Q输出378就转变到高逻辑电平且停留在所述逻辑电平直到PWM周期信号376返回到逻辑低。当在XOR门360的一个输入上断言低逻辑电平时，XOR门360的输出将处于与其其它输入上的逻辑电平的相对逻辑电平处，例如，输入＝0，输出＝1。因此，当输出378处于高逻辑电平时，当PWM周期信号376从高逻辑电平转变到低逻辑电平时D锁存器输出382将转变到低逻辑电平。此外，当输出378处于低逻辑电平时，当PWM周期信号376从高逻辑电平转变到低逻辑电平时D锁存器输出382将转变到高逻辑电平。
参考图3A，其描绘根据本发明的特定实例实施例的在下降BEMF周期期间的BLDC自适应零交叉检测电路的示意性框图。图3A中展示的电路以大体上与图3中展示的电路相同的方式工作，除了当XOR门360的一个输入保持于低逻辑电平处时，XOR门360的输出将不反相且其输出将与其它输入相同。因此，在此配置中的XOR门360将Q输出378逻辑电平耦合到D锁存器362的D输入而无逻辑电平反转。
现在参考图4A，其描绘图3A中展示的BLDC自适应零交叉检测电路的下降BEMF周期的示意性时序及电压波形图式。在浮动相位处测量电压且从其导出BEMF 370。每当BEMF370小于DAC 350的输出参考电压371时，电压比较器352中的输出372就将转变到高逻辑电平。只要输出372转变到高逻辑电平且PWM周期信号处于高逻辑电平处，SR锁存器358的Q输出378将转变到高逻辑电平且停留在所述逻辑电平直到PWM周期信号376返回到逻辑低。当XOR门360的一个输入上断言高逻辑电平时，XOR门360的输出将处于与其其它输入上的逻辑电平相同的逻辑电平处，例如，输入＝1，输出＝1。因此，当输出378处于高逻辑电平处时，当PWM周期信号376从高逻辑电平转变到低逻辑电平时D锁存器输出382将转变到高逻辑电平。此外，当输出378处于低逻辑电平处时，当PWM周期信号376从高逻辑电平转变到低逻辑电平时D锁存器输出382将转变到低逻辑电平。
在上升BEMF周期期间，D锁存器362的输出382在大于DAC 350的参考电压输出371的第一BEMF电压(脉冲)之后将从低逻辑电平转变到高逻辑电平。在下降BEMF周期期间，D锁存器362的输出382在小于DAC 350的参考电压输出371的第一BEMF电压(脉冲)之后将从低逻辑电平转变到高逻辑电平。所期望的是D锁存器362的输出382中的从相较于参考电压371的组合上升及下降BEMF电压370导出的工作循环具有大体上相同时间周期，例如百分之五十(50)。DAC 350的输出电压371可经调整直到实现此百分之五十的工作循环，如下文更完整地解释。
参考图5，其描绘根据本发明的特定实例实施例的在参考电压大体上经优化以与经测量的BEMF电压比较时经历六个序列的360电角度旋转的BLDC电动机的三个相位的示意性时序及电压波形图式。在序列号1期间，相位U保持于电动机电压处，相位V在上升BEMF处浮动且驱动相位W。在序列号2期间，相位U在下降BEMF处浮动，相位V保持于电动机电压处且驱动相位W。在序列号3期间，驱动相位U，相位V保持于电动机电压处且相位W在上升BEMF处浮动。在序列号4期间，驱动相位U，相位V在下降BEMF处浮动且相位W保持于电动机电压处。在序列号5期间，相位U在上升BEMF处浮动，驱动相位V且相位W保持于电动机电压处。在序列号6期间，相位U保持于电动机电压处，驱动相位V且相位W在下降BEMF处浮动。D锁存器362(锁存器B)中的输出382的工作循环大体上是百分之五十(50)，所述工作循环根据本发明的教示经优化。
参考图6，其描绘根据本发明的特定实例实施例的在参考电压与经测量的BEMF电压比较显得过高时经历六个序列的360电角度旋转的BLDC电动机的三个相位的示意性时序及电压波形图式。每一相位的电动机相位连接或非连接条件与以上图5中描述的条件相同，除了D锁存器362(锁存器B)中的输出382的工作循环大体上不是百分之五十(50)，其指示DAC 350的输出371处的参考电压未根据本发明的教示而经优化。在此情况中必须调整(改变)参考电压，这是因为所述参考电压过高且必须降低。
在上升BEMF周期或下降BEMF周期中，换向可锁相到电动机。选哪个都可但仅可选择一个。为解释而非限制的目的，将其中捕获零交叉(ZC)事件的周期定义为“ZC周期”且将其它周期定义为“换向时间(CT)周期”。锁相公式为：
[1] ZCE(n)＝ZC(n')-CT(n)/2
[2] CT(n+1)＝CT(n)+ZCE(n)*k
[3] ZC(n')＝ZC(n)+偏差–余量(balance)
[4] X＝CT(n)/2+偏差+余量
其中：
ZCE(n)＝零交叉错误(从预期ZC)。
ZC(n)＝从换向到零交叉事件的间隔(锁存器B上升边缘)。
CT(n)＝换向周期间隔。
k＝阻尼因子，通常为1/4或1/8。
X＝从ZC事件到下换向的间隔。
偏差＝变换相位的定时器计数数目。(在本应用中不必知道，因为相位还通过移动参考电压而变换，但出于完整性而包含于此)。
余量＝在上升BEMF周期与下降BEMF周期之间变换时间的定时器计数数目。(仅在十分高的速度操作中重要且补偿驱动及测量延时以使得ZC及CT周期保持相等)。
定时器计数＝ZC及CT间隔时序的分辨率。
相位锁定按如下工作：测量ZC周期中的从换向事件到ZC事件的间隔且保存为ZC(n)。下一换向事件经调度以在终止ZC周期且开始下CT周期的ZC事件之后的时间X处发生。下一换向经调度以在终止CT周期且开始下ZC周期的时间CT(n)处发生。在CT周期期间执行所有计算。
以上提及的锁相程序确保ZC周期(序列号2、4及6)中的锁存器B工作循环是百分之五十(50)。ZC及CT(序列号1、3及5)两周期的持续时间是相等的。因此，仅需要比较ZC及CT周期的锁存器B周期的高部分。如果它们大体上相等，那么DAC电压371处于最优电平。如果CT周期中的锁存器B输出的高部分比ZC周期中的锁存器B输出的高部分短，那么需要降低DAC电压371。反之，如果CT周期中的锁存器B输出的高部分比ZC周期中的锁存器B输出的高部分长，那么需要提高DAC电压371。考虑存在4个可能的ZC感测及锁相条件。在以下表A中：固定指示经保持或未经调制的侧；ZC BEMF指示在上升或下降BEMF周期中的相位锁定；LB更短指示是否响应于较短锁存器B高周期而增加或减少DAC电压；且LB更长指示是否响应于较长锁存器B高周期而增加或减少DAC电压。
表A
Figure GDA0002996976640000111
参考图7，其描绘根据本发明的特定实例实施例的具有BLDC自适应零交叉检测电路的BLDC电动机控制器的示意性框图。可使用微控制器102实施具有BLDC自适应零交叉检测电路的BLDC电动机控制器，微控制器102包括模拟多路复用器(MUX)784、模/数转换器(ADC)786、数/模转换器(DAC)350、数字处理器及存储器788、模拟电压比较器354、异或(XOR)门360、D锁存器362及BEMF定时器792。MUX 784选择正浮动的电动机相位使得可使用电压比较器352比较所述电动机相位的BEMF与参考电压371。BEMF电压可在用于集成电路电子器件的兼容电压电平处耦合到MUX 784之前按比例调整下降(分压器)。ADC 786可在启动电动机132之前用于测量高电动机电源电压及低电动机电源电压。ADC 786将经测量的高电动机电源电压及低电动机电源电压转换为其数字表示且将这些数字表示耦合到数字处理器788。ADC 786可用于获得高电动机电源电压及低电动机电源电压以用于首先确定将由DAC 350产生且耦合到电压比较器352的输入的模拟参考电压值。可设想且在本发明的范围内，ADC 786可具有与其本身相关联的(例如)集成多路复用器(未展示)，所述多路复用器的输入耦合到电动机132的感测U、V及W端子且由数字处理器788独立控制。然而，为解释的简洁性仅展示一个多路复用器784。
BEMF定时器可耦合到D锁存器362的输出382且用于确定当输出382处于高逻辑电平处时的时间间隔。当输出382从低逻辑电平转变到高逻辑电平时BEMF定时器可开始计数，且只要输出382仍然处于高逻辑电平处时计数就继续，接着当输出382返回低逻辑电平时复位其时间间隔计数。但在如此做之前，BEMF定时器792可将中断发送到数字处理器788且将时间间隔转移到BEMF定时器792。数字处理器788可存储BEMF定时器792中的时间间隔(计数值)且将关于上升BEMF的计数时间间隔与关于下降BEMF的计数时间间隔作比较。优选地，所述上升BEMF计数时间间隔及所述下降BEMF计数时间间隔大体上将是相同的。当它们不相同时，数字处理器788可将数字电压参考值调整到DAC 350(借此改变耦合到电压比较器352的模拟参考电压371)以使得所述上升BEMF计数时间间隔及所述下降BEMF计数时间间隔大体上相同，如以上表1中所描述。接着，所述微处理器可使用此数字电压参考确定大体上最优的控制电动机132的旋转的PWM驱动信号。可设想且在本发明的范围内，具有一般模拟及数字电子设计技术及受益于本发明的人员可设计替代及同等有效的电路，所述电路将仍然涵盖于由本文揭示的本发明主张的标的物内。
参考图8，其描绘根据本发明的特定实例实施例的BLDC自适应零交叉检测电路的示意性操作流程图。在步骤804中，在启动BLDC电动机之前测量将耦合到其相位的高电动机电源电压及将耦合到其另一相位的低电动机电源电压。在步骤806中，根据高电动机电源电压及低电动机电源电压的平均值确定初始参考电压。仅在启动电动机132之前执行步骤804及806。接着，在步骤808中，电动机132通过在六步序列中经驱动而开始旋转，其中电动机相位中的两者由脉冲宽度调制(PWM)驱动，且第三相位未经驱动(浮动)。在步骤810中，在每一PWM驱动周期的部分中，将未经驱动的第三相位上的BEMF电压与参考电压相比较。在步骤812中，在下降BEMF周期期间测量BEMF电压小于参考电压多久的下降时间间隔。在步骤814中，将经测量的下降时间间隔存储于存储器中，例如数字处理器存储器788。在步骤816中，在上升BEMF周期期间测量BEMF电压大于参考电压多久的上升时间间隔。在步骤818中，将经测量的上升时间间隔存储于存储器中，例如数字处理器存储器788。在步骤820中，将存储于存储器中的上升时间间隔及下降时间间隔作比较。在步骤822中，作出所述下降时间间隔及所述上升时间间隔是否大体上相同的确定。如果其大体上相同，那么返回步骤808，且如果不相同，那么进入步骤824。在步骤824中，作出上升时间间隔是否大于或小于下降时间间隔的确定。如果上升时间间隔大于下降时间间隔，那么接着在步骤826中增加参考电压且接着返回到步骤808。如果上升时间间隔小于下降时间间隔，那么在步骤828中减少参考电压且接着返回到步骤808。

Claims (18)

1.一种用于三相无刷直流电动机的零交叉检测的方法，所述方法包括以下步骤：
利用脉冲宽度调制PWM驱动电压脉冲驱动所述三相无刷直流电动机的两个相，每一PWM驱动电压脉冲具有周期及工作循环及电源中的电压；
将所述三相无刷直流电动机的未驱动的第三相耦合到电压比较器以用于比较其反电动势BEMF电压；
利用所述电压比较器比较所述BEMF电压与参考电压；
当所述BEMF电压小于所述参考电压时在下降BEMF周期期间测量下降时间间隔；
存储所述下降时间间隔；
当所述BEMF电压大于所述参考电压时在上升BEMF周期期间测量上升时间间隔；
存储所述上升时间间隔；及
比较所述经存储的下降时间间隔及上升时间间隔，其中
在所述经存储的下降及上升时间间隔大体上相同的情况下不改变所述参考电压，且
在所述经存储的下降及上升时间间隔大体上不相同的情况下改变所述参考电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中改变所述参考电压的所述步骤包括调整所述参考电压直到所述下降时间间隔的数值及所述上升时间间隔的数值分别表示下降BEMF周期及上升BEMF周期的中点的步骤。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中利用模拟电压比较器比较所述BEMF电压与所述参考电压。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中从数/模转换器DAC的输出提供所述参考电压。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中当所述上升时间间隔比所述下降时间间隔更长时增加所述参考电压。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中当所述上升时间间隔比所述下降时间间隔更短时减少所述参考电压。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中存储所述下降及上升时间间隔的所述步骤包括将所述下降及上升时间间隔存储于与微控制器的数字处理器相关联的存储器中的步骤。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中比较所述经存储的下降及上升时间间隔的所述步骤包括利用微控制器的数字处理器比较所述经存储的下降及上升时间间隔的步骤。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中测量所述下降及上升时间间隔的所述步骤包括利用定时器-计数器测量所述下降及上升时间间隔的步骤。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其在启动所述无刷直流电动机之前进一步包括以下步骤：
测量将耦合到所述三相无刷直流电动机的相的高电动机电源电压；
测量将耦合到所述三相无刷直流电动机的另一相的低电动机电源电压；及
求所述高电动机电源电压与所述低电动机电源电压的平均以从其确定初始参考电压。
11.根据权利要求10所述的方法，其中测量高电动机电源电压及低电动机电源电压的所述步骤包括以下步骤：利用模/数转换器ADC测量所述高电动机电源电压及所述低电动机电源电压；将所述经测量的高电动机电源电压及低电动机电源电压转换到其数字表示；且将这些数字表示耦合到微控制器的数字处理器。
12.一种使用无刷直流自适应零交叉检测将脉冲宽度调制PWM驱动提供到三相无刷直流电动机的电动机控制器，所述电动机控制器包括：
高侧电力开关及低侧电力开关，其耦合到每一无刷直流电动机端子，其中所述高侧电力开关及所述低侧电力开关分别进一步耦合到高电动机电源电压及低电动机电源电压且由所述PWM驱动控制，其中所述高侧电力开关及所述低侧电力开关中的每一者将使得所述无刷直流电动机端子的相应一者连接到所述高电动机电源电压、所述低电动机电源电压或不连接到所述高电动机电源电压以及所述低电动机电源电压而是处于浮动状态；
PWM主控时基；
PWM产生器，其耦合到所述PWM主控时基及所述高侧电力开关及所述低侧电力开关的相应者；
自适应零交叉检测电路，其经调适以用于耦合到所述无刷直流电动机的浮动相端子且用于自其接收反电动势BEMF电压，其中所述自适应零交叉检测电路：
将所述BEMF电压与参考电压作比较，
在所述BEMF电压大于所述参考电压时在上升BEMF周期期间测量上升时间间隔，
在所述BEMF电压小于所述参考电压时在下降BEMF周期期间测量下降时间间隔，及
调整所述参考电压直到所述上升时间间隔及下降时间间隔大体上相同；及
微控制器，其用于基于所述参考电压产生PWM驱动信号。
13.根据权利要求12所述的电动机控制器，其中所述自适应零交叉检测电路包括：
三输入模拟多路复用器，其每一输入耦合到所述三相无刷直流电动机的相应相，其中选择所述无刷直流电动机的浮动相以用于从其测量反电动势BEMF电压；
数/模转换器DAC；
电压比较器，其具有耦合到所述多路复用器的输出的第一输入及耦合到所述DAC的输出的第二输入；
AND门，其具有耦合到所述电压比较器的输出的第一输入及耦合到脉冲宽度调制PWM周期信号的第二输入；
反相器，其具有耦合到所述PWM周期信号的输入；
置位-复位SR锁存器，其具有耦合到所述AND门的输出的置位输入及耦合到所述反相器的输出的复位输入；及
D锁存器，其具有耦合到所述SR锁存器的Q输出的D输入及耦合到所述反相器的所述输出的时钟输入；
BEMF定时器，其具有耦合到所述D锁存器的Q输出的输入且经调适以用于测量所述上升时间间隔及下降时间间隔；及
数字处理器及存储器，其中所述数字处理器耦合到所述DAC的数字输入、来自所述BEMF定时器的时间间隔输出及所述多路复用器的控制输入。
14.根据权利要求13所述的电动机控制器，其进一步包括耦合在所述SR锁存器与所述D锁存器之间的异或XOR门，其中
所述SR锁存器的所述Q输出耦合到所述XOR门的第一输入，
所述D锁存器的所述D输入耦合到所述XOR门的输出，且
所述数字处理器的BEMF周期选择信号耦合到所述XOR门的第二输入。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的电动机控制器，其进一步包括具有耦合到所述多路复用器的输出的输入及耦合到所述数字处理器的数字输出的模/数转换器ADC。
16.一种用于驱动使用自适应零交叉检测的无刷直流电动机的系统，所述系统包括：三相无刷直流电动机，其具有第一、第二及第三电动机相的端子；
高侧电力开关及低侧电力开关，其耦合到所述电动机相的端子中的每一者，其中所述高侧电力开关及所述低侧电力开关分别进一步耦合在高电动机电源电压与低电动机电源电压之间且由PWM驱动控制，其中所述高侧电力开关及所述低侧电力开关中的每一者将使得所述无刷直流电动机相的端子的相应一者连接到所述高电动机电源电压、所述低电动机电源电压或不连接到所述高电动机电源电压以及所述低电动机电源电压而是处于浮动状态；
PWM主控时基；
PWM产生器，其耦合到所述PWM主控时基及所述高侧电力开关及所述低侧电力开关的相应者；
自适应零交叉检测电路，其经调适以用于耦合到所述无刷直流电动机的浮动电动机相的端子且用于从所述浮动电动机相的端子接收反电动势BEMF电压，其中所述自适应零交叉检测电路
将所述BEMF电压与参考电压作比较，
当所述BEMF电压大于所述参考电压时在上升BEMF周期期间测量上升时间间隔，
当所述BEMF电压小于所述参考电压时在下降BEMF周期期间确定下降时间间隔，及
调整所述参考电压直到所述上升时间间隔及下降时间间隔大体上相同；及
微控制器，其用于基于所述参考电压产生PWM驱动信号。
17.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括耦合在所述PWM产生器与所述高侧电力开关及所述低侧电力开关的相应者之间的高驱动器及低驱动器对。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的系统，其中所述高侧电力开关及低侧电力开关包括高侧功率金属氧化物半导体场效晶体管MOSFET及低侧功率金属氧化物半导体场效晶体管MOSFET。
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