CN108075691A - 控制多相无刷直流电机的控制器和方法及自动同步系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于控制多相无刷直流(BLDC)电机的控制器和方法及自动同步系统。控制器可以被配置成：响应于确定多相BLDC电机的分路电流的指示满足分路电流阈值而确定多相BLDC电机正以相位延迟状态工作；并且响应于确定多相BLDC电机的一组相对地电压未指示过零点而确定多相BLDC电机正以相位提前状态工作。控制器还可以被配置成：基于多相BLDC电机正以相位延迟状态还是以相位提前状态工作来选择性地激励多相BLDC电机的每个相。

Description

控制多相无刷直流电机的控制器和方法及自动同步系统
技术领域
本公开内容涉及电动机，并且更具体地，涉及与无刷直流(BLDC)电机关联的技术和电路。
背景技术
可以通过控制器来执行无刷直流(BLDC)电机的操作。控制器基于BLDC电机的转子相对于定子线圈的位置来控制BLDC电机的转子旋转。在一些示例中，控制器可以测量BLDC电机的未驱动线圈中的反电动势来推断转子的位置，而不需要单独的霍尔效应传感器。在这些示例中，控制器可以称为“无传感器”控制器。
发明内容
本公开内容描述了用于改进无刷直流(BLDC)电机的操作的技术、设备和系统，其中，BLDC电极使用BLDC电机的未驱动线圈中的反电动势(在下文中称为“back-emf”)而不是依赖于霍尔效应传感器来确定BLDC电机的转子位置。然而，在一些情况下，由back-emf产生的电压可能难以测量，直到BLDC电机的转子旋转超过最小速度。
在一些示例中，开环电压/频率(V/f)控制和/或开环电流/频率(I/f)可以被用于启动BLDC电机而无需依赖于back-emf。然而，利用这样的开环控制，对于使BLDC电机加速以达到适于检测BLDC电机的未驱动线圈的back-emf的最小速度而言，存在相对较高的故障风险。
启动技术可以包括：使用内置式永磁同步电机(IPMSM)的电机凸显效应以及使用永磁转子在不同位置处的可变电感效应。然而，与使用BLDC电机的未驱动线圈中的back-emf确定BLDC电机的转子位置的启动技术相比，实现这样的技术可能更为复杂并且可能使用更多的处理能力。因此，在一些应用中，特别是当一个控制器控制多个电机时，可能期望当BLDC电机的转子旋转一超过最小速度就使用back-emf的过零点检测。
根据本公开内容的一个或更多个方面，并非依靠电机凸显效应或可变电感效应来启动BLDC电机，而是提出了自动同步技术，其使用BLDC电机的直流(DC)分路电流和相对地(phase-to-ground)电压。因此，与不使用自动同步技术的系统相比，可以在使复杂度和成本最小化的同时使BLDC电机和/或控制器在BLDC电机的启动状态期间的故障的风险最小。
在一些示例中，本公开内容涉及一种用于控制多相BLDC电机的控制器。控制器被配置成：响应于确定多相BLDC电机的分路电流的指示满足分路电流阈值而确定多相BLDC电机正以相位延迟状态工作；并且响应于确定多相BLDC电机的一组相对地电压没有指示过零点而确定多相BLDC电机正以相位提前状态工作。控制器还被配置成基于多相BLDC电机正以相位延迟状态还是相位提前状态工作来选择性地激励多相BLDC电机的每个相。
在一些示例中，本公开内容涉及一种用于控制多相BLDC电机的方法。方法包括：响应于确定多相BLDC电机的分路电流的指示满足分路电流阈值，确定多相BLDC电机正以相位延迟状态工作；并且响应于确定多相BLDC电机的一组相对地电压没有指示过零点，确定多相BLDC电机正以相位提前状态工作。方法还包括基于多相BLDC电机正以相位延迟状态还是相位提前状态工作来选择性地激励多相BLDC电机的每个相。
在一些示例中，本公开内容涉及一种包括三相无刷直流(BLDC)电机、换流器以及控制器的系统。换流器被配置成：对于三相BLDC电机的一组换向序列(commutationsequence)中的每个换向序列，解耦三相BLDC电机的第一相，经由具有非常小的电阻值(例如，小于0.1ohm)的DC分路电阻元件将三相BLDC电机的第二相耦合至地，并且将三相BLDC电机的第三相耦合至电压轨。控制器被配置成：响应于确定DC分路电阻元件处的分路电流满足分路电流阈值，确定三相BLDC电机正以相位延迟状态工作；并且响应于确定三相BLDC电机的三相反电动势没有指示过零点，确定三相BLDC电机正以相位提前状态工作。控制器还被配置成基于三相BLDC电机正以相位延迟状态还是相位提前状态工作来选择性地激励三相BLDC电机的每个相。
在以下附图和描述中阐述了一个或更多个示例的细节。根据描述和附图以及权利要求书，本公开内容的其他特征、目的以及优点将是明显的。
附图说明
图1是示出根据本公开内容的一个或更多个技术的、被配置成通过使用BLDC电机的back-emf来启动和工作的示例系统的框图；
图2是根据本公开内容的一个或更多个技术的、使用BLDC电机的back-emf进行启动的图示；
图3是根据本公开内容的一个或更多个技术的、在相位延迟期间的过零点检测的图示；
图4是根据本公开内容的一个或更多个技术的、在相位提前期间的过零点检测的图示；
图5是根据本公开内容的一个或更多个技术的、在相位延迟期间的DC分路电流的图示；
图6是根据本公开内容的一个或更多个技术的、在相位提前期间的DC分路电流的图示；
图7是根据本公开内容的一个或更多个技术的、在相位延迟期间的相电流和相电压的图示；
图8是根据本公开内容的一个或更多个技术的、使用自动同步技术的示例性启动性能的图示；
图9是根据本公开内容的一个或更多个技术的、使用自动同步技术的示例性低速性能的图示；
图10是根据本公开内容的一个或更多个技术的、使用自动同步技术的示例性高速性能的图示；
图11是与可以通过根据本公开内容的电路来执行的技术一致的流程图。
具体实施方式
一些系统可以使用传感器来直接测量无刷直流(BLDC)电机上的转子的位置。例如，三个单独的霍尔效应传感器可以测量每个霍尔效应传感器在BLDC电机中检测到的旋转磁场。在该示例中，控制器根据由霍尔效应传感器检测到的旋转磁场来向BLDC电机的每个相施加电压。然而，使用传感器来直接测量BLDC电机上的转子位置会增加成本、增加复杂度(例如，附加的布线)以及降低BLDC电机的可靠性(例如，存在传感器出故障的风险)。
为了解决传感式BLDC电机的上述缺陷，一些系统可以使用无传感器的BLDC电机。例如，控制器可以根据BLDC电机的未驱动线圈中的反电动势而不是依赖于传感器输出，来对BLDC电机的每个相施加电压。具体地，控制器可以使用BLDC电机的未驱动线圈中的反电动势电压(在下文中称为“back-emf电压”)来控制BLDC电机。然而，由于back-emf电压由BLDC电机上的转子旋转而生成，因此一些系统可以使用启动技术，直到BLDC电机上的转子达到最小速度。
用于使用back-emf电压的无传感器BLDC电机的一些启动技术可以使用BLDC电机的各种电特性。例如，例如，一些系统可以对于内置式永磁同步电机(IPMSM)使用电机凸显效应。一些系统可以利用永磁(PM)转子在不同位置处的可变电感效应。然而，这样的启动技术会增加使用back-emf电压来控制无传感器BLDC电机的系统的复杂度并且增加其启动时间。
为了解决传感式BLDC电机的上述缺陷，提出了自动同步技术。具体地，由于使用back-emf电压来控制无传感器BLDC电机的系统可能已经包括针对无传感器BLDC电机的每个相的电压检测和电流检测，因此使用现有的电压检测和电流检测的自动同步技术可以最小程度地增加被配置成使用back-emf电压来控制无传感器BLDC电机的系统的复杂度和成本。
例如，自动同步技术可以包括以下系统：该系统不是直接测量BLDC电机的过零点以控制BLDC电机，而是确定是否检测到过零点以及BLDC电机的直流(DC)分路电流是否为负。BLDC电机的DC分路电流为负的情况的示例可以包括当DC分路电流从地流至BLDC电机时。如在本文中使用的，地可以指任何适合的参考节点，例如但不限于接地、DC分路电阻器的节点或其他参考节点。在示例中，控制器在DC分路电流为负时缩短BLDC电机的换向周期，并且在未检测到过零点时延长换向周期。以这种方式，控制器可以在驱动BLDC电机转子的磁场提前于转子时(例如，相位提前)有效地增大换向周期，并且在转子提前于磁场时(例如，相位延迟)有效地减小换向周期。这样的技术可以允许控制器使BLDC电机和/或控制器在启动状态期间出故障的风险最小化。
在一些应用中，例如传输系统中的油泵，可能期望使BLDC电机在启动期间出故障的风险最小化，例如每200万次启动操作中的故障少于1次。另外或可替选地，在一些应用中，可能期望使启动时间最小化，例如，从BLDC电机的零速度到最大速度的90％的时间小于255ms。因此，控制器可以使用在DC分路电流为负时缩短BLDC电机的换向周期并且在未检测到过零点时延长换向周期的自动同步技术，使得启动时间和BLDC电机出故障的风险最小化。
图1是示出根据本公开内容的一个或更多个方面的、用于控制BLDC电机108的工作的示例系统100的框图。图1示出系统100，系统100具有分离且不同的部件，这些部件被显示为控制器102、驱动器104、多个开关(例如，开关106A+、开关106A-、开关106B+、开关106B-、开关106C+以及开关106C-，其统称为“换流器106”)、电源107以及BLDC电机108；然而，系统100可以包括附加的或更少的部件。例如，控制器102、驱动器104、换流器106、电源107以及BLDC电机108可以是五个独立的部件，或者可以表示提供本文所述的系统100的功能的一个或更多个部件的组合。在另一示例中，可以省略驱动器104。
系统100可以包括向BLDC电机108提供电力的电源107。例如，当电源107包括一个发电机或多个发电机、变压器、电池、太阳能板或再生制动系统时，系统100可以包括电源107。在其他示例中，系统100可以与电源107分离。例如，当电源107包括电网、发电机、变压器、外部电池、外部太阳能板、风车、水力发电机或风力发电机或能够向系统100提供电力的任何其他形式的设备时，系统100可以与电源107分离。如上所述，存在电源107的许多示例，并且所述示例可以包括但不限于电网、发电机、变压器、电池、太阳能板、风车、再生制动系统、水力发电机或风力发电机或能够向系统100提供电力的任何其他形式的设备。在一些示例中，电源107可以包括用于向系统100的部件例如BLDC电机108供应电压的电压轨。
在一些示例中，控制器102可以被配置成基于输入109来操作BLDC电机108，输入109包括BLDC电机108的一个或更多个相电压的指示和/或BLDC电机108的DC分路电流的指示。也就是说，控制器102不必要依赖于传感器(例如，霍尔效应传感器)，而是可以使用BLDC电机108的相电压和BLDC电机108的DC分路电流。例如，控制器102可以被配置成生成包括调制信号的输出103，调制信号基于BLDC电机108的相电压和/或DC分路电流来确定BLDC电机108的线圈的平均电压和平均电流并且还确定BLDC电机108的电机速度和扭矩。
在一些示例中，控制器102可以对于BLDC电机108的每个电转使用六步换向序列来控制BLDC电机108。在一些示例中，控制器102可以是包括处理器核、存储器、输入以及输出的单个集成电路上的微控制器。例如，控制器102可以包括一个或更多个处理器，一个或更多个处理器包括一个或更多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或任何其他等效的集成或分立逻辑电路，以及这样的部件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路”通常可以单独地或与其他逻辑电路相结合来指代前述逻辑电路系统中的任何逻辑电路系统，或者任何其他等效电路。在一些示例中，控制器102可以是一个或更多个模拟部件以及一个或更多个数字部件的组合。
驱动器104基于来自控制器102的输出103而在链路105处镜像并生成驱动器输出。在一些示例中，驱动器104可以包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动器、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)驱动器、氮化镓(GaN)驱动器或者能够镜像来自控制器102的输出并向换流器106提供镜像输出的任何其他驱动器。在一些示例中，驱动器104可以基于输入111和在链路105处的反馈来镜像并生成输入109，所述反馈包括换流器106和/或BLDC电机108处的相电压以及换流器106的DC分流电阻器110处的电压的指示。DC分流电阻器110可以具有非常小的电阻值。例如，DC分流电阻器110可以具有小于1ohm或小于0.1ohm的电阻。在一些示例中，驱动器104可以将换流器106的DC分流电阻器110处的电压的指示放大以用于输入109，所述指示可以在脉冲宽度调制(PWM)接通(on)周期期间和/或在PWM关断(off)周期期间由控制器采样。如所示出的，在一些示例中，驱动器104可以是预驱动器。
换流器106可以包括三相换流器，其中，三可以是与BLDC电极108的相相同的数目。根据一个或更多个调制技术，换流器106包括由控制器102控制的一个或更多个开关(例如，基于MOS功率开关晶体管的开关、基于氮化镓(GaN)的开关或其他类型的开关器件)。控制器102可以包括一个或更多个栅极驱动器(例如，驱动器104)和使用调制技术来控制(例如，接通和断开)一个或更多个开关的控制逻辑。换流器106的开关的调制可以根据脉冲密度调制(PDM)、脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)或其他适合的调制技术来操作。在PWM中，基于调制器信号来调制脉冲的宽度(即，持续时间)。在PDM中，脉冲的相对密度与模拟信号的幅度相对应。在PFM中，脉冲串的频率基于调制信号在采样间隔处的瞬时幅度来变化。通过使用调制技术和在本文中描述的技术来控制换流器106的开关，控制器102可以调节BLDC电机108的工作。
在一些示例中，BLDC电机108可以包括永磁同步电机(PMSM)。例如，PMSM可以包括轴、转子、定子和永磁体。永磁体可以安装在转子上或转子中。在一些示例中，永磁体可以表面安装至转子，嵌入转子中或埋在转子内。在一些示例中，永磁体可以是内置磁体。永磁体可以包括稀土元素，例如钕铁硼(NdFeB)、钐钴(SmCo)或铁氧体元素(例如钡(Ba)或锶(Sr))。在一些示例中，永磁体可以包括保护涂层，例如金(Au)、镍(Ni)、锌(Zn)等的层。在一些示例中，BLDC电机108可以是多相的。例如，BLDC电机108可以是三相BLDC电机。
图2是根据本公开内容的一个或更多个技术的使用BLDC电机的back-emf的启动技术的图示。如所示出的，启动技术200包括开环伏特每赫兹(V/f，伏特/赫兹)控制252、自动同步控制254以及back-emf控制256。自动同步控制254可以包括相位延迟状态262和相位提前状态264。以下仅出于说明的目的在图1的系统100的背景下描述示例性能。
最初，在开环V/F控制252期间，BLDC电机108的转子可以是静止的。因此，控制器102可能未接收到用于back-emf控制256或用于自动同步控制254的足够的back-emf电压。如在本文中使用的，开环V/F控制可以指控制器102可以使用预定的V/f比率来控制BLDC电机108的实例。在一些示例中，预定的V/f比率可以定义用于BLDC电机108的频率的电压。例如，控制器102可以生成包括调制信号的输出103，所述调制信号基于预设定的可变向量来确定BLDC电机108的线圈的平均电压和平均电流。
根据本文中描述的一个或更多个技术，并非使用被配置成在相位延迟状态与相位提前状态之间操作BLDC电机108的预定的V/f比率，而是控制器102可以被配置成应用比预定的V/f比率高的V/f比率，使得BLDC电机108进入相位延迟状态262。例如，控制器102可以确定比预定的V/f比率大的修改后的V/f比率以用于BLDC电机108。在该示例中，控制器102可以根据修改后的V/f比率来选择性地激励BLDC电机108的每个相，直到BLDC电机108进入相位延迟状态262。在该示例中，控制器102可以在强制BLDC电机108旋转并接收BLDC电机108的分路电流的指示之前，根据修改的V/f比率来选择性地激励BLDC电机108的每个相。
自动同步控制254可以以相位延迟状态262开始。例如，如上所述，在开环V/F控制252期间，控制器102可以被配置成应用比预定的V/f比率高的V/f比率，使得BLDC电机108进入相位延迟状态262。
根据本文中所述的一个或更多个技术，并非使用被配置成操作BLDC电机108的预定的换向周期，而是控制器102可以被配置成响应于确定BLDC电机108正以相位延迟状态262工作而减小BLDC电机108的换向周期。以这种方式，控制器102可以应用比预定的换向周期小的换向周期，使得BLDC电机108进入相位提前状态264。
在相位延迟状态262期间，控制器102可以确定BLDC电机108的一组相对地电压是否指示过零点。如图3和图4进一步讨论的，过零点可以指以下情况：BLDC电机108的一组相对地电压在BLDC电机108的back-emf的上升时段期间超过电压阈值(例如，VDC/2)以及BLDC电机108的一组相对地电压在BLDC电机108的back-emf的下降时段期间小于电压阈值(例如，VDC/2)。因此，控制器102可以在以下情况下确定BLDC电机108的一组相对地电压不指示过零点：BLDC电机108的一组相对地电压在BLDC电机108的back-emf的上升时段期间未超过电压阈值并且BLDC电机108的一组相对地电压在BLDC电机108的back-emf的下降时段期间不小于电压阈值(例如，VDC/2)。响应于确定BLDC电机108的一组相对地电压未指示过零点，控制器102可以确定BLDC电机108正以相位提前状态264工作。
控制器102的示例包括被配置成对BLDC电机108的三相back-emf进行采样的模数转换器(ADC)模块。在该示例中，控制器102可以使用采样的三相back-emf来确定是否检测到过零点。例如，控制器102可以基于采样的三相back-emf与参考电压(例如，VDC/2)的比较来确定是否检测到过零点。具体地，ADC模块可以被配置成对BLDC电机108的每个相的电压进行采样，以确定在BLDC电机108的back-emf的上升时段期间的第一组电压和在back-emf的下降时段期间的第二组电压。在该示例中，控制器102还被配置成确定第一组电压中的每个电压是否超过电压阈值并且确定第二组电压中的每个电压是否小于电压阈值。在该示例中，控制器102可以响应于确定第一组电压中的每个电压未超过电压阈值并且确定第二组电压中的每个电压不小于电压阈值，来确定BLDC电机108的三个相未指示过零点。在一些示例中，系统100可以包括一个或更多个电阻分压器，一个或更多个电阻分压器按比例降低三相back-emf的电压使得采样的三相back-emf在控制器102的额定电压内。
驱动器104的示例包括被配置成确定是否检测到过零点的比较器。例如，可以将三个比较器输出从驱动器104发送至控制器102以检测back-emf过零点。这些信号是在电机相电压与参考电压(例如，VDC/2)之间的比较器输出。具体地，比较器可以被配置成：确定BLDC电机108的每个相的电压是否在BLDC电机108的back-emf的上升时段期间超过电压阈值(例如，VDC/2)，并且确定BLDC电机108的每个相的电压是否在back-emf的下降时段期间小于电压阈值。在该示例中，控制器102响应于确定BLDC电机108的每个相的电压在back-emf的上升时段期间未超过电压阈值并且确定BLDC电机108的每个相的电压在back-emf的下降时段期间不小于电压阈值，来确定BLDC电机108的三个相未指示过零点。在一些示例中，比较器可以设置在驱动器104(例如，片上系统(SOC))内部。在一些示例中，比较器可以设置在驱动器104的外部。
根据本文中所述的一个或更多个技术，并非使用被配置成操作BLDC电机108的预定的换向周期，而是控制器102可以被配置成响应于确定BLDC电机108正以相位提前状态264工作而增加BLDC电机108的换向周期。以这种方式，控制器102可以应用比预定的换向周期大的换向周期，使得BLDC电机108进入相位延迟状态262。
在相位提前状态264期间，控制器102可以确定BLDC电机108的分路电流的指示是否满足分路电流阈值。例如，控制器102可以确定包括在输入109中的BLDC电机108的分路电流的指示是否指示BLDC电机108的分路电流为负。响应于确定BLDC电机108的分路电流的指示满足分路电流阈值(例如，为负)，控制器102可以确定BLDC电机108正以相位延迟状态工作。
在自动同步控制254期间，控制器102可以重复以上步骤，使得换向周期缩短以使BLDC电机108从相位延迟状态262自然地过渡至相位提前状态264，并且使得换向周期增大以使BLDC电机108从相位提前状态264自然地过渡至相位延迟状态262。以此方式，与不使用自动同步技术的系统相比，控制器102可以使BLDC电机108和/或控制器102在自动同步控制254期间出故障的风险最小化，同时使复杂度和成本最小化。
在一些示例中，在自动同步控制254期间，控制器102可以在接收到多相BLDC电机的分路电流的指示之后，基于预定的V/f比率来选择性地激励BLDC电机108的每个相。也就是说，不同于在开环V/F控制252期间使用修改的V/f比率，控制器102可以在自动同步控制254期间和/或back-emf控制256期间使用预定的V/f比率。
如参照图9和图10进一步讨论的，自动同步控制254可以被用于控制BLDC电机108以获得BLDC电机108的任何适合的转子速度。然而，在一些示例中，可以当BLDC电机108的转子速度满足速度阈值时使用back-emf控制。例如，响应于确定BLDC电机108的转子速度满足速度阈值，控制器102可以根据BLDC电机108的back-emf的过零点检测来选择性地激励BLDC电机108的每个相。如在本文中使用的，back-emf的过零点检测可以指根据back-emf的过零点检测来激活换向序列中的下一个动作的实例。过零点检测可以被配置成使BLDC电机108的转子位置与由换流器106生成的磁场同步，使得BLDC电机108的PM通量方向与生成的磁场之间的差异在60度与120度之间。
例如，响应于检测到BLDC电机108的未驱动相的back-emf超过对被施加至BLDC电机108的被激励相的梯形波所施加的峰值电压的一半，控制器102在30度的延迟之后激活换向序列中的下一个动作。在一些示例中，换向序列可以包括六个动作。在该示例中，换向序列中的下一个动作的激活可以包括使换流器106将先前未驱动的相耦合至电源107并且将先前激励的相与电源107解耦合。以这种方式，在back-emf控制256期间，BLDC电机108的换向序列可以根据back-emf的过零点检测被控制。
在一些示例中，控制器102可以被配置成确定在根据back-emf的过零点检测对BLDC电机108的每个相选择性激励中出故障。例如，用于back-emf控制256的过零点检测可以指示遗失的、额外的或无效的过零点。在该示例中，响应于确定在根据back-emf的过零点检测对BLDC电机108的每个相选择性激励中已经出故障(例如，back-emf控制256出故障)，控制器102可以使用自动同步控制254来控制BLDC电机108。例如，控制器102可以基于BLDC电机108正以相位延迟状态262还是相位提前状态264工作来选择性地激励BLDC电机108的每个相，并且抑制根据BLDC电机108的back-emf的过零点检测对BLDC电机108的每个相的选择性激励。
图3是根据本公开内容的一个或更多个技术的相位延迟期间的过零点检测的图示。以下仅出于说明的目的在图1的系统100和图2的技术200的背景下描述了示例性能。图3示出back-emf302和延迟的相电压304，延迟的相电压304是延迟了60度的back-emf302。如所示出的，在延迟的相电压304的上升时段312期间，back-emf302在阈值电压310以上。如所示出的，阈值电压310是VDC/2。在延迟的相电压304的下降时段314期间，back-emf302在阈值电压310以下。
控制器102可以被配置成在延迟的相电压304的上升时段312期间检测back-emf302在阈值电压310以上，并且在延迟的相电压304的下降时段314期间检测back-emf302在阈值电压310以下。在该示例中，控制器102可以响应于以下而确定BLDC电机108的一组相对地电压指示过零点：确定一组相对地电压中的相(例如，back-emf302)在BLDC电机108的延迟的相电压304的上升时段312期间超过阈值电压310，并且在延迟的相电压304的下降时段314期间小于阈值电压310。因此，尽管使用以上技术检测到的过零点可能对于根据过零点的back-emf控制而言不足够，然而在相位延迟期间可能检测到“假的”过零点。也就是说，控制器102可以响应于检测到“假的”过零点而确定BLDC电机108处于相位延迟状态262。
图4是根据本公开内容的一个或更多个技术的相位提前期间的过零点检测的图示。以下仅出于说明的目的在图1的系统100和图2的技术200的背景下描述了示例性能。图4示出back-emf402和提前的相电压404，提前的相电压404是提前了60度的back-emf402。如所示出的，在提前的相电压404的上升时段412期间，back-emf402在阈值电压410以下。如所示出的，阈值电压410是VDC/2。在提前的相电压404的下降时段414期间，back-emf402在阈值电压410以上。
控制器102可以被配置成：在提前的相电压404的上升时段412期间检测back-emf402未超过阈值电压410，并且在提前的相电压404的下降时段414期间检测back-emf402不小于阈值电压410。在该示例中，控制器102可以响应于以下而确定BLDC电机108的一组相对地电压未指示过零点：确定一组相对地电压中的相(例如，back-emf402)在BLDC电机108的提前的相电压404的上升时段412期间未超过阈值电压410，并且在提前的相电压404的下降时段414期间不小于阈值电压410。因此，由于不能在相位提前期间检测到过零点，因此控制器102可以响应于确定不能检测到过零点而确定BLDC电机108处于相位提前状态264。
图5是根据本公开内容的一个或更多个技术的相位延迟期间的DC分路电流的图示。以下仅出于说明的目的在图1的系统100和图2的技术200的背景下描述了示例性能。图5示出在脉冲宽度调制(PWM)接通状态520期间的DC分路电流和在PWM关断状态522期间的DC分路电流。如所示出的，在相位延迟期间，在换流器106的低边开关(例如MOSFET)关断之后，PWM关断状态522期间的DC分路电流在单向转动(free-wheeling)阶段为负。在一些示例中，PWM关断状态522期间的DC分路电流为负，这是因为关断阶段的电流太大并且通过分流器放电。因此，控制器102可以响应于确定PWM关断状态522期间的DC分路电流为负而确定BLDC电机108处于相位延迟状态262。
图6是根据本公开内容的一个或更多个技术的相位提前期间的DC分路电流的图示。以下仅出于说明的目的在图1的系统100和图2的技术200的背景下描述了示例性能。图6示出脉冲宽度调制(PWM)接通状态620期间的DC分路电流和PWM关断状态622期间的DC分路电流。如所示出的，在相位提前期间，PWM关断状态622期间的DC分路电流为零。如在本文中使用的，当零电流的峰值大小小于正电流的峰值大小的百分之十时，电流可以为零。因此，控制器102可以响应于确定PWM关断状态622期间的DC分路电流基本上为零和/或不为负而确定BLDC电机108处于相位提前状态264。
图7是根据本公开内容的一个或更多个技术的相位延迟期间的相电流和相电压的图示。以下仅出于说明的目的在图1的系统100和图2的技术200的背景下描述了示例性能。图7示出相对地电压732、第一相电流734以及第二相电流736。如所示出的，在时刻740，第一相电流734具有负的DC分路电流。类似地，在时间742，第二相电流736具有负的DC分路电流。
图8是根据本公开内容的一个或更多个技术的使用自动同步技术的示例性启动性能的图示。以下仅出于说明的目的在图1的系统100和图2的技术200的背景下描述了示例性能。图8示出在根据本文中描述的一个或更多个技术的启动期间的同步指数850、相电流852以及相电压854。如所示出的，在98毫秒(例如，3个电周期)的时间856之后，BLDC电机108的电机转子被同步。如所示出的，在时间856之前使用图2的自动同步控制254，而在时间856之后使用图2的back-emf控制256。如前所述，在启动时间必须较短的应用如TCU油泵中，98毫秒的示例性启动时间满足短的启动时间的要求。
图9是根据本公开内容的一个或更多个技术的使用自动同步技术的示例性低速性能的图示。以下仅出于说明的目的在图1的系统100和图2的技术200的背景下描述了示例性能。图9示出根据本文中描述的一个或更多个技术的同步指数960、过零点962以及相电压964。如所示出的，图2的自动同步控制254以14.8Hz的稳定速度操作来被使用，并且省略了图2的back-emf控制256。
图10是根据本公开内容的一个或更多个技术的使用自动同步技术的示例性高速性能的图示。以下仅出于说明的目的在图1的系统100和图2的技术200的背景下描述了示例性能。图10示出根据本文中描述的一个或更多个技术的同步指数1070、过零点1072以及相电压1074。如所示出的，图2的自动同步控制254以170Hz的稳定速度操作而被使用，并且省略了图2的back-emf控制256。如图9和图10所示出的，图2的自动同步控制254可以以大于10的速度比操作，其可以被认为支持宽速(wide speed)驱动系统。
图11是与可以通过根据本公开内容的电路来执行的技术一致的流程图。以下仅出于说明的目的在图1的系统100和图2的技术200的背景下描述了示例操作。
根据本公开内容的一个或更多个技术，控制器102响应于确定分路电流满足阈值而确定无刷DC电机正以相位延迟状态工作(1102)。例如，响应于控制器102确定在PWM关断状态期间分路电流为负，控制器102确定BLDC电机108正以相位延迟状态工作。在该示例中，响应于控制器102确定在PWM关断状态期间分路电流不为负，控制器102确定BLDC电机108没有以相位延迟状态工作。
控制器102响应于确定无刷DC电机的一组相对地电压未指示过零点而确定无刷DC电机正以相位提前状态工作(1104)。例如，响应于控制器102确定在BLDC电机108的back-emf的上升时段期间BLDC电机108的一组相对地电压中的每个相未超过VDC/2并且在BLDC电机108的back-emf的下降时段期间BLDC电机108的一组相对地电压中的每个相不小于VDC/2，控制器102确定BLDC电机108正以相位提前状态工作。在该示例中，响应于控制器102确定在BLDC电机108的back-emf的上升时段期间BLDC电机108的一组相对地电压中的相超过VDC/2并且在BLDC电机108的back-emf的下降时段期间BLDC电机108的一组相对地电压中的相小于VDC/2，控制器102确定BLDC电机108没有以相位提前状态工作或提前角在电学上小于30度。
控制器102基于无刷DC电机是正以相位延迟状态还是以相位提前状态工作来选择性地激励无刷DC电机的每个相(1106)。例如，控制器102可以被配置成：响应于确定BLDC电机108正以相位提前状态工作而增大BLDC电机108的换向周期，并且响应于确定BLDC电机108正以相位延迟状态工作而减小BLDC电机108的换向周期。
以下示例可以示出本公开内容的一个或更多个方面。
示例1.一种用于控制多相无刷直流(BLDC)电机的控制器，控制器被配置成：响应于确定多相无刷直流电机的分路电流的指示满足分路电流阈值，确定多相无刷直流电机正以相位延迟状态工作；响应于确定多相无刷直流电机的一组相对地电压未指示过零点，确定多相无刷直流电机正以相位提前状态工作；并且基于多相无刷直流电机正以相位延迟状态还是以相位提前状态工作来选择性地激励多相无刷直流电机的每个相。
示例2.根据示例1的控制器，其中，控制器还被配置成：响应于确定多相无刷直流电机正以相位延迟状态工作而将多相无刷直流电机的每个相选择性地激励成减小多相无刷直流电机的换向周期；并且响应于确定多相无刷直流电机正以相位提前状态工作而将多相无刷直流电机的每个相选择性地激励成增大多相无刷直流电机的换向周期。
示例3.根据示例1至2的任何组合的控制器，其中，控制器还被配置成：确定比多相无刷直流电机的预定的伏特每赫兹(V/f)比率大的修改的V/f比率；并且在强制多相无刷直流电机旋转并接收多相无刷直流电机的分路电流的指示之前，根据修改的V/f比率来选择性地激励多相无刷直流电机的每个相。
示例4.根据示例1至3的任何组合的控制器，其中，控制器还被配置成：在接收多相无刷直流电机的分路电流的指示之后，还基于预定的V/f比率来选择性地激励多相无刷直流电机的每个相。
示例5.根据示例1至4的任何组合的控制器，其中，控制器还被配置成：响应于确定一组相对地电压的相在多相无刷直流电机的反电动势的上升时段期间未超过阈值电压并且在反电动势的下降时段期间不小于阈值电压，确定多相无刷直流电机的一组相对地电压未指示过零点。
示例6.根据示例1至5的任何组合的控制器，其中，控制器还被配置成：响应于确定一组相对地电压的相在多相无刷直流电机的反电动势的上升时段期间超过阈值电压并且在反电动势的下降时段期间小于阈值电压，确定多相无刷直流电机的一组相对地电压指示过零点。
示例7.根据示例1至6的任何组合的控制器，其中，控制器还被配置成：确定多相无刷直流电机的分路电流的指示是否指示负的分路电流，其中，控制器被配置成响应于确定多相无刷直流电机的分路电流的指示指示负的分路电流而确定多相无刷直流电机的分路电流的指示满足分路电流阈值。
示例8.根据示例1至7的任何组合的控制器，其中，控制器还被配置成：响应于确定多相无刷直流电机的转子速度满足速度阈值，根据多相无刷直流电机的反电动势的过零点检测来选择性地激励多相无刷直流电机的每个相。
示例9.根据示例1至8的任何组合的控制器，其中，控制器还被配置成：响应于确定在根据多相无刷直流电机的反电动势的过零点检测对多相无刷直流电机的每个相选择性激励中出故障，基于多相无刷直流电机正以相位延迟状态还是以相位提前状态工作来选择性地激励多相无刷直流电机的每个相，并且抑制根据多相无刷直流电机的反电动势的过零点检测对多相无刷直流电机的每个相进行选择性激励。
示例10.一种用于控制多相无刷直流(BLDC)电机的方法，方法包括：响应于确定多相无刷直流电机的分路电流的指示满足分路电流阈值，确定多相无刷直流电机正以相位延迟状态工作；响应于确定多相无刷直流电机的一组相对地电压未指示过零点，确定多相无刷直流电机正以相位提前状态工作；并且基于多相无刷直流电机正以相位延迟状态还是以相位提前状态工作来选择性地激励多相无刷直流电机的每个相。
示例11.根据示例10的方法，还包括：响应于确定多相无刷直流电机正以相位延迟状态工作而将多相无刷直流电机的每个相选择性地激励成减小多相无刷直流电机的换向周期；并且响应于确定多相无刷直流电机正以相位提前状态工作而将多相无刷直流电机的每个相选择性地激励成增大多相无刷直流电机的换向周期。
示例12.根据示例10至11的任何组合的方法，还包括：确定比多相无刷直流电机的预定的伏特每赫兹(V/f)比率大的修改的V/f比率；并且在强制多相无刷直流电机旋转并接收多相无刷直流电机的分路电流的指示之前，根据修改的V/f比率来选择性地激励多相无刷直流电机的每个相。
示例13.根据示例10至12的任何组合的方法，还包括：在接收多相无刷直流电机的分路电流的指示之后，还基于预定的V/f比率来选择性地激励多相无刷直流电机的每个相。
示例14.根据示例10至13的任何组合的方法，还包括：响应于确定一组相对地电压的相在多相无刷直流电机的反电动势的上升时段期间未超过阈值电压并且在反电动势的下降时段期间不小于阈值电压，确定多相无刷直流电机的一组相对地电压未指示过零点。
示例15.根据示例10至14的任何组合的方法，还包括：响应于确定一组相对地电压的相在多相无刷直流电机的反电动势的上升时段期间超过阈值电压并且在反电动势的下降时段期间小于阈值电压，确定多相无刷直流电机的一组相对地电压指示过零点。
示例16.一种系统，包括：三相无刷直流(BLDC)电机；换流器，其被配置成：对于三相无刷直流电机的一组换向序列中的每个换向序列，解耦三相无刷直流电机的第一相，经由直流(DC)分路电阻元件将三相无刷直流电机的第二相耦合至地，并且将三相无刷直流电机的第三相耦合至电压轨；以及控制器，其被配置成：响应于确定DC分路电阻元件处的分路电流满足分路电流阈值，确定三相无刷直流电机正以相位延迟状态工作；响应于确定三相无刷直流电机的三相未指示过零点，确定三相无刷直流电机正以相位提前状态工作；并且基于三相无刷直流电机正以相位延迟状态还是相位提前状态工作来选择性地激励三相无刷直流电机的每个相。
示例17.根据示例16的系统，还包括：预驱动器，其被配置成基于来自控制器的输出来镜像并生成用于换流器的驱动器输出。
示例18.根据示例16至17的任何组合的系统，其中，预驱动器还被配置成检测DC分路电阻元件处的分路电流，其中，控制器还被配置成：响应于确定所检测的DC分路电阻元件处的分路电流指示从地流至三相无刷直流电机的相的电流，确定三相无刷直流电机正以相位延迟状态工作。
示例19.根据示例16至18的任何组合的系统，还包括：比较器，其被配置成：确定三相无刷直流电机的每个相的电压在三相无刷直流电机的反电动势的上升时段期间是否超过电压阈值，并且确定三相无刷直流电机的每个相的电压在反电动势的下降时段期间是否小于电压阈值，其中，控制器还被配置成：响应于确定三相无刷直流电机的每个相的电压在反电动势的上升时段期间未超过电压阈值并且确定三相无刷直流电机的每个相的电压在反电动势的下降时段期间不小于电压阈值，确定三相无刷直流电机的三个相未指示过零点。
示例20.根据示例17至19的任何组合的系统，还包括：模数转换器(ADC)模块，其被配置成：对三相无刷直流电机的每个相的电压进行采样，以确定在三相无刷直流电机的反电动势的上升时段期间的第一组电压和在反电动势的下降时段期间的第二组电压，其中，控制器还被配置成：确定第一组电压中的每个电压是否超过电压阈值并且确定第二组电压中的每个电压是否小于电压阈值，并且其中，控制器响应于确定第一组电压中的每个电压未超过电压阈值并且确定第二组电压中的每个电压不小于电压阈值，确定三相无刷直流电机的三个相未指示过零点。
在本公开内容中已经描述了各个方面。这些方面和其它方面在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于控制多相无刷直流BLDC电机的控制器，所述控制器被配置成：
响应于确定所述多相BLDC电机的分路电流的指示满足分路电流阈值，确定所述多相BLDC电机正以相位延迟状态工作；
响应于确定所述多相BLDC电机的一组相对地电压未指示过零点，确定所述多相BLDC电机正以相位提前状态工作；并且
基于所述多相BLDC电机正以所述相位延迟状态还是以所述相位提前状态工作，来选择性地激励所述多相BLDC电机的每个相。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：
响应于确定所述多相BLDC电机正以所述相位延迟状态工作而将所述多相BLDC电机的每个相选择性地激励成减小所述多相BLDC电机的换向周期；并且
响应于确定所述多相BLDC电机正以所述相位提前状态工作而将所述多相BLDC电机的每个相选择性地激励成增大所述多相BLDC电机的换向周期。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：
确定比所述多相BLDC电机的预定的伏特每赫兹V/f比率大的修改的V/f比率；并且
在强制所述多相BLDC电机旋转并接收所述多相BLDC电机的所述分路电流的指示之前，根据所述修改的V/f比率来选择性地激励所述多相BLDC电机的每个相。
4.根据权利要求3所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：
在接收所述多相无BLDC电机的所述分路电流的指示之后，还基于所述预定的V/f比率来选择性地激励所述多相BLDC电机的每个相。
5.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：
响应于确定所述一组相对地电压的相在所述多相BLDC电机的反电动势的上升时段期间未超过阈值电压并且在所述反电动势的下降时段期间不小于所述阈值电压，确定所述多相BLDC电机的所述一组相对地电压未指示所述过零点。
6.根据权利要求5所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：
响应于确定所述一组相对地电压的相在所述多相BLDC电机的反电动势的上升时段期间超过所述阈值电压并且在所述反电动势的下降时段期间小于所述阈值电压，确定所述多相BLDC电机的所述一组相对地电压指示所述过零点。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：
确定所述多相BLDC电机的所述分路电流的指示是否指示负的分路电流，
其中，所述控制器被配置成响应于确定所述多相BLDC电机的所述分路电流的指示指示负的分路电流而确定所述多相BLDC电机的所述分路电流的指示满足所述分路电流阈值。
8.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：
响应于确定所述多相BLDC电机的转子速度满足速度阈值，根据所述多相BLDC电机的反电动势的过零点检测来选择性地激励所述多相BLDC电机的每个相。
9.根据权利要求8所述的控制器，其中，所述控制器还被配置成：
响应于确定在根据所述多相BLDC电机的反电动势的过零点检测而对所述多相BLDC电机的每个相选择性激励中的故障，基于所述多相BLDC电机正以所述相位延迟状态还是以所述相位提前状态工作来选择性地激励所述多相BLDC电机的每个相，并且抑制根据所述多相BLDC电机的反电动势的过零点检测而对所述多相BLDC电机的每个相进行选择性激励。
10.一种用于控制多相无刷直流BLDC电机的方法，所述方法包括：
响应于确定所述多相BLDC电机的分路电流的指示满足分路电流阈值，确定所述多相BLDC电机正以相位延迟状态工作；
响应于确定所述多相BLDC电机的一组相对地电压未指示过零点，确定所述多相BLDC电机正以相位提前状态工作；并且
基于所述多相BLDC电机正以所述相位延迟状态还是以所述相位提前状态工作，来选择性地激励所述多相BLDC电机的每个相。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
响应于确定所述多相BLDC电机正以所述相位延迟状态工作而将所述多相BLDC电机的每个相选择性地激励成减小所述多相BLDC电机的换向周期；并且
响应于确定所述多相BLDC电机正以所述相位提前状态工作而将所述多相BLDC电机的每个相选择性地激励成增大所述多相BLDC电机的换向周期。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括：
确定比所述多相BLDC电机的预定的伏特每赫兹V/f比率大的修改的V/f比率；并且
在强制所述多相BLDC电机旋转并接收所述多相BLDC电机的所述分路电流的指示之前，根据所述修改的V/f比率来选择性地激励所述多相BLDC电机的每个相。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
在接收所述多相BLDC电机的所述分路电流的指示之后，还基于所述预定的V/f比率来选择性地激励所述多相BLDC电机的每个相。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括：
响应于确定所述一组相对地电压的相在所述多相BLDC电机的反电动势的上升时段期间未超过阈值电压并且在所述反电动势的下降时段期间不小于所述阈值电压，确定所述多相BLDC电机的所述一组相对地电压未指示所述过零点。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
响应于确定所述一组相对地电压的相在所述多相BLDC电机的反电动势的上升时段期间超过所述阈值电压并且在所述反电动势的下降时段期间小于所述阈值电压，确定所述多相BLDC电机的所述一组相对地电压指示所述过零点。
16.一种自动同步系统，包括：
三相无刷直流BLDC电机；
换流器，其被配置成：对于所述三相BLDC电机的一组换向序列中的每个换向序列，解耦所述三相BLDC电机的第一相，经由直流DC分路电阻元件将所述三相BLDC电机的第二相耦合至地，并且将所述三相BLDC电机的第三相耦合至电压轨；以及
控制器，其被配置成：
响应于确定所述DC分路电阻元件处的分路电流满足分路电流阈值，确定所述三相BLDC电机正以相位延迟状态工作；
响应于确定所述三相BLDC电机的三个相未指示过零点，确定所述三相BLDC电机正以相位提前状态工作；并且
基于所述三相BLDC电机正以所述相位延迟状态还是以所述相位提前状态工作，来选择性地激励所述三相BLDC电机的每个相。
17.根据权利要求16所述的自动同步系统，还包括：
预驱动器，其被配置成基于来自所述控制器的输出来镜像并生成用于所述换流器的驱动器输出。
18.根据权利要求17所述的自动同步系统，其中，所述预驱动器还被配置成检测所述DC分路电阻元件处的所述分路电流，
其中，所述控制器还被配置成：响应于确定在所述DC分路电阻元件处的所检测的分路电流指示从地流至所述三相BLDC电机的相的电流，确定所述三相BLDC电机正以所述相位延迟状态工作。
19.根据权利要求16所述的自动同步系统，还包括：
比较器，其被配置成：确定所述三相BLDC电机的每个相的电压在所述三相BLDC电机的反电动势的上升时段期间是否超过阈值电压，并且确定所述三相BLDC电机的每个相的电压在所述反电动势的下降时段期间是否小于所述阈值电压，
其中，所述控制器还被配置成：响应于确定所述三相BLDC电机的每个相的电压在所述反电动势的上升时段期间未超过所述阈值电压并且确定所述三相BLDC电机的每个相的电压在所述反电动势的下降时段期间不小于所述阈值电压，确定所述三相BLDC电机的三个相未指示所述过零点。
20.根据权利要求16所述的自动同步系统，还包括：
模数转换器模块，其被配置成：对所述三相BLDC电机的每个相的电压进行采样，以确定在所述三相BLDC电机的反电动势的上升时段期间的第一组电压和在所述反电动势的下降时段期间的第二组电压，
其中，所述控制器还被配置成：确定所述第一组电压中的每个电压是否超过阈值电压并且确定所述第二组电压中的每个电压是否小于所述阈值电压，并且
其中，所述控制器还被配置成：响应于确定所述第一组电压中的每个电压未超过所述阈值电压并且确定所述第二组电压中的每个电压不小于所述阈值电压，确定所述三相BLDC电机的三个相未指示所述过零点。
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