CN109245630A - 无传感器bdlc控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制单线圈BLDC电机的方法(800)，该方法包括：在至少一个换向周期期间监测(810)指示通过该BLDC电机的线圈的相电流的时间导数的信号；确定(820)至少一个换向周期的第一时刻，使得在该第一时刻，相电流的时间导数的绝对值小于或等于斜率阈值；基于换向周期的第一时刻和/或基于至少一个较早的换向周期的第一时刻来确定(830)该换向周期中的驱动信号的上升沿，和/或基于至少一个较早的换向周期的第一时刻来确定(830)在该换向周期中的驱动信号的下降沿；使用驱动信号来驱动(840)该单线圈BLDC电机。

Description

无传感器BDLC控制
技术领域
本发明涉及用于控制单线圈无刷DC电机的方法和系统。更具体而言，它 涉及无刷DC电机的无传感器控制。
背景技术
无刷DC电机典型地包括磁转子和一个或多个定子线圈。为了通过向一个 或多个定子线圈施加适合的驱动电流波形来驱动转子，知晓相对于定子线圈的 转子位置是重要的。根据该位置，驱动器生成在特定方向上通过特定线圈的电 流以生成扭矩，从而使转子在期望的方向上转动。当转子已经转动超过某个位 置(换向点(commutation point))时，电流方向需要改变(换向)，使得 它再次处于适当的方向以在期望的方向上生成扭矩。
用于控制无刷DC电机的换向的方法和系统可以基于霍尔传感器。这些(多 个)霍尔传感器检测转子相对于定子线圈的位置，并且基于该位置控制通过(多 个)电机线圈的电流。
为了避免对霍尔传感器的需求，开发了无传感器换向方法。这种无传感器 方法可以例如监测用于估计转子的位置的BEMF电压。无传感器方法使电机结 构复杂度更低，因为霍尔传感器的位置对于基于霍尔的换向的操作是关键的。
在诸如低成本大容量风扇系统中，基于霍尔感测的单线圈风扇被应用，低 成本大容量风扇系统诸如，它们被用于CPU冷却、制冷机通风、功率转换器冷 却等。在这样的低成本系统中的情况下可以避免霍尔传感器，清楚的是，风扇 驱动器可以不再必须成靠近转子来应用，或者甚至不再必须在风扇的内部。在 当前的低成本系统中，远程控制器典型地使用PWM输入信号和FG/RD通信接 口引脚以控制集成到远程风扇中的风扇驱动器。在无传感器控制的情况下，通 过使风扇驱动器位于靠近控制器，或者甚至集成到远程控制器中，可以实现显 著的系统简化。
另一个问题在于，只有在线圈中没有电流流动时才能正确地测量BEMF电 压。为此目的，必须在驱动波形轮廓中创建在线圈中无电流的窗口。这可能在 由电机生成的扭矩中引入扭矩波动、可听到的或EMC噪声。
例如，美国专利申请公开2006/0214611中描述了单线圈无刷DC电机，并 且公开了用于控制测量绕组的反emf的无传感器单相DC电机的方法和电路。 在这种方法中，通过停止供电电流基于反emf来确定转子位置，并且在电流已 经衰减之后测量反emf。
在美国专利第9,515,588号中公开的替代设计中，控制无刷永磁体电机的 方法包括生成与绕组电压成比例的电压，并生成与第一信号有区别的第二信号 以生成第三信号，该第三信号与第一信号相比较以创建输出信号，该输出信号 具有对应于第一信号与第三信号之间的一致部分的边缘。
在三相无刷DC(BLDC)电机中，称为梯形控制的公知的第一换向策略是在 驱动第一和第二线圈的同时监测未被驱动的第三线圈中的BEMF电压过零。
在一个示例设计中，EP 1612925描述了一种同步加速控制方法，该方法包 括：当BLDC电机被同步地加速时，在相位换向时间点(t0)处执行相电流的 相位换向；当被供应到BLDC电机的相电流超过预定值(TH1)时，检测相电 流施加时间点(t1)；以及当基于在相位换向时间点(t0)与相电流施加时间 点(t1)之间的瞬态电流检测时间δt，相对于旋转体的旋转位置将电压施加至 定子绕组时，控制电压施加时间点，使得相电流不是过量地大。
美国专利第9,602,032号基于阻抗测量来检测转子位置，并且EP 2037567B1基于BEMF来检测转子位置。在被称为正弦波策略的更高级的三相 BLDC控制策略中，当所有三个线圈被驱动时定义换向。存在方法，其中在每 60度或60度的倍数的预定义的时刻，定义转子位置。在其他方法中，电流被 连续地监测。这些方法被称作为场定向控制(FOC)。
随着方法变得更复杂，所需的计算急剧地增加。对于FOC控制，8位、16 位甚至32位CPU被应用。这些方法的性能也强烈地取决于电机磁性设计，其 优选地通过施加恒定电流来递送恒定扭矩。否则，驱动必须补偿这种电机缺陷， 导致进一步的驱动复杂性。
在所有正弦波方法中，必要部分是以最小的扭矩波动将转矩矢量从一个线 圈平滑地传递到下一个线圈。在单线圈BLDC控制中，这种平滑的传递是不可 能的，因为扭矩在转子北极运送到南极的点处必须经过零点。
在单线圈电机中，因为没有未被驱动的线圈，因此梯形法不能被应用，并 且因为单线圈风扇扭矩每180电角度的强非线性性质，FOC方法也不明显。
因此，对于以无传感器方式来驱动单线圈无刷DC电机存在改进空间。
发明内容
本发明的实施例的目的在于提供用于驱动单线圈BLDC电机的良好的系统 和方法。
上述目标通过根据本发明的方法和设备来实现。
在第一方面，本发明的实施例涉及用于控制单线圈无刷DC电机的方法800， 该方法包括：
-在至少一个换向周期期间监测指示通过所述无刷DC电机的线圈的相电 流的时间导数的信号，
-确定所述至少一个换向周期的第一时刻，使得在所述第一时刻，所述相 电流的时间导数的绝对值小于或等于斜率阈值，
-基于换向周期的第一时刻和/或基于至少一个较早的换向周期的第一时 刻来确定所述换向周期中的驱动信号的上升沿，和/或基于至少一个较早的换向 周期的第一时刻来确定在所述换向周期中的驱动信号的下降沿，
-使用在所述确定步骤中定义的驱动信号来驱动所述单线圈无刷DC电机。
本发明实施例的优点在于，确定驱动信号的上升沿和/或下降沿而不需要基 于测量相电流的霍尔传感器(即，以所谓的无传感器方式)是可能的。
因此所使用的一个特定参数是换向周期的第一时刻。当相电流的时间导数 的绝对值小于或等于斜率阈值(diph/dt_th)时，检测并寄存该第一时刻。该斜 率阈值可以是可调整的。本发明的实施例的优点在于，该第一时刻(Tzc)指 示反EMF的过零。
在本发明的实施例中，当相电流的时间导数的绝对值正在减小时，监测指 示相电流的时间导数的信号。
在本发明的实施例中，换向周期中的驱动信号的上升沿至少基于在至少一 个较早的换向周期中的第一时刻来确定。
本发明的实施例的优点在于，它们允许基于指示先前换向的相电流的时间 导数的信号的测量来对驱动信号进行适配控制。
在本发明的实施例中，换向周期中的驱动信号的上升沿基于该换向周期中 的第一时刻，并且基于至少一个较早的换向周期中的第一时刻。
在本发明的实施例中，当相电流的绝对值减小到低于传感器阈值时，或者 当驱动信号在线圈上具有低于驱动阈值的平均电压差时，或者在下降沿的开始 之后或在下降沿的结束之后的预定义的时间或角位置处，开始监测指示通过无 刷DC电机的线圈的相电流的时间导数的信号。
本发明的实施例的优点在于，用于监测指示相电流的时间导数的信号的时 间窗口可以被减小到具有增加的信噪比的时段。在本发明的实施例中，预定义 的时间、角位置或相电流指示阈值可以例如基于相位或供应电流测量或占空比 值或速度信息、使用查找表或通过闭环或者开环调节或任何组合来调整。
在本发明的实施例中，当相电流的时间导数的绝对值下降到低于斜率阈值 时，或者在开始监测之后的预定义的超时值或角度值处，停止监测指示相电流 的时间导数的信号。
在本发明的实施例中，确定驱动信号的上升沿包括：确定上升沿的开始时 刻和/或上升沿的形状，并且其中，确定驱动信号的下降沿包括：确定下降沿的 开始时刻和/或下降沿的形状。
本发明实施例的优点在于，确定驱动信号的上升沿的开始时刻(换向点) 和/或驱动信号的下降沿的结束时刻而不需要基于测量相电流的霍尔传感器(即， 以所谓的无传感器方式)是可能的。本发明实施例的优点还在于，能以无传感 器的方式确定上升沿和/或下降沿的形状。
在本发明的实施例中，在换向周期中的驱动信号的下降沿被确定为使得相 电流的绝对值在第二时刻处降低到低于切换阈值，使得第二时刻在换向周期中 的驱动信号的上升沿之前和/或在换向周期的第一时刻之前。
本发明的实施例的优点在于，相电流的时间导数的信噪比被增加。
本发明的实施例的优点在于，当在跟随的电半周期中开始驱动单线圈 BLDC电机之前，电流的绝对值被降低到低于切换阈值。与当开始在换向周期 中的驱动信号的上升沿之前相电流的绝对值还不能降低到低于切换阈值时相 比，这实现单线圈BLDC电机的更平滑的操作。
在本发明的实施例中，在换向周期中的驱动信号的下降沿的开始时刻被确 定为使得相电流的绝对值在第二时刻处降低到低于切换阈值，使得第二时刻在 换向周期中的驱动信号的上升沿的开始时刻之前。
本发明的实施例的优点在于，通过基于来自先前换向周期的电流测量来调 整下降沿的开始时刻，减小驱动信号的平坦时段(未驱动时段)的长度是可能 的，并且由此使噪声最小化并避免扭矩的损失。
本发明的实施例的优点在于，驱动信号的下降沿被确定为使得相电流的绝 对值在第一时刻之前被降低到低于切换阈值，由于低相电流实现相电流的更准 确的确定。
在本发明的实施例中，用于下一个换向周期的驱动信号的上升沿基于至少 一个较早的换向周期的第一时刻和/或第二时刻来确定。
本发明实施例的优点在于，驱动信号的上升沿根据第二时刻来确定，在该 第二时刻，达到低相电流。这允许在低相电流下换向，由此降低单线圈BLDC 电机的噪声。
在本发明的实施例中，第二时刻被用于确定在下一个换向周期中的驱动信 号的上升沿的开始时刻。
在本发明的实施例中，当相电流的时间导数的绝对值正在减小时，监测该 相电流，并且其中，斜率阈值随着单线圈无刷DC电机的速度的增加和/或平均 相电流的绝对值的增加而增加。
本发明的实施例的优点在于，在驱动信号的上升沿上的提前角能以增加的 电机速度增加和/或增加的相电流来增加。
在第二方面，本发明的实施例涉及用于控制单线圈无刷DC电机的系统。 该系统包括
-电流传感器，被配置为在至少一个换向周期期间监测指示通过无刷DC 电机的线圈的相电流的时间导数的信号，
-比较器，被配置为当相电流的时间导数的绝对值小于或等于斜率阈值时， 确定至少一个换向周期的第一时刻，
-控制器，被配置为：基于换向周期的第一时刻和/或基于至少一个较早的 换向周期的第一时刻来确定在该换向周期中的驱动信号的上升沿；和/或基于至 少一个较早的换向周期的第一时刻来确定在换向周期中的所述驱动信号的下 降沿，其中，驱动信号适合用于驱动单线圈无刷DC电机，
-驱动器，被配置为使用由控制器确定的驱动信号来驱动单线圈无刷DC 电机。
在本发明的实施例中，驱动信号是脉宽调制信号或线性控制信号。该系统 可以适用于确定斜率阈值，使得该斜率阈值随着PWM输入信号的占空比的增 加而增加。
在本发明的实施例中，控制器被配置为至少基于在至少一个较早的换向周 期中的第一时刻来确定在换向周期中的驱动信号的上升沿。
在本发明的实施例中，电流传感器被配置为：当相电流的绝对值减小到低 于传感器阈值时，或者当驱动信号在线圈上具有低于驱动阈值的平均电压差时， 或者在下降沿的开始之后或在下降沿的结束之后的预定义的时间或角位置处， 监测指示通过无刷DC电机的线圈的相电流的时间导数的信号。
在本发明的实施例中，控制器被配置为确定在换向周期中的驱动信号的下 降沿，使得相电流的绝对值在第二时刻处降低到低于切换阈值，使得第二时刻 在驱动信号的上升沿之前和/或在换向周期的第一时刻之前。
在本发明的实施例中，控制器被配置为基于在至少一个较早的换向周期中 的第一时刻和/或第二时刻，确定用于下一个的换向周期的驱动信号的上升沿。
在第三方面，本发明的实施例涉及电机设备，该电极设备包括单线圈无刷 DC电机和根据本发明的实施例的用于驱动无刷DC电机的系统。
在第四方面，本发明的实施例涉及操作根据本发明的实施例的电机设备的 方法。该方法包括：提供电机设备；以及向该电机设备提供电功率以使单线圈 无刷DC电机旋转。
本发明的实施例的优点在于，足够向电机设备供电以使单线圈无刷DC电 机旋转。因此，原因在于电机设备包括根据本发明的实施例的用于控制单线圈 无刷DC电机的系统。
在第五方面，本发明的实施例涉及制造用于控制单线圈无刷DC电机的系 统的方法。该方法包括：提供电流传感器，该电流传感器被配置用于在至少一 个换向周期期间监测指示通过单线圈无刷DC电机的线圈的相电流的时间导数 的信号；提供比较器，该比较器被配置用于当相电流的时间导数的绝对值小于 或等于斜率阈值时，确定所述至少一个换向周期的第一时刻；提供控制器，该 控制器被配置用于：基于换向周期的第一时刻和/或基于至少一个较早的换向周 期的第一时刻来确定换向周期中的驱动信号的上升沿，和/或基于至少一个较早 的换向周期的第一时刻来确定在那个换向周期中的驱动信号的下降沿，其中， 驱动信号适合于驱动单线圈无刷DC电机；提供驱动器，该驱动器被配置为使 用由控制器确定的驱动信号来驱动单线圈无刷DC电机；以及将电流传感器电 连接到比较器，并将控制器电连接到驱动器。
在第六方面，本发明的实施例涉及制造电机设备的方法。该方法包括：提 供根据本发明的实施例的系统；提供单线圈无刷DC电机；以及将单线圈无刷 DC电机电连接到该系统。在本发明的实施例中，通过使用根据本发明的实施例 的方法制造系统来提供该系统。
在第七方面，本发明的实施例涉及机动化系统，该机动化系统包括根据本 发明的实施例的电机设备，其中，该电机设备包括具有轴的转子；并且其中， 机械负载被附接到该轴。这样的负载可以例如是风扇。
在第八方面，本发明的实施例涉及操作根据本发明的实施例的机动化系统 的方法。该方法包括：提供根据本发明的实施例的机动化系统；向电机设备提 供电功率以使得机械负载旋转。
在第九方面，本发明的实施例涉及制造根据本发明的实施例的机动化系统 的方法。该方法包括：提供根据本发明的实施例的电机设备，该电机设备包括 具有轴的转子；提供附接到轴的旋转机械负载；以及将该旋转机械负载附接到 所述轴。
本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。来自从属权 利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当 地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的。
本发明的这些以及其他方面从下文所描述的(多个)实施例中将变得显而 易见并且将参考这些实施例来进行阐明。
附图说明
图1示出用于驱动单线圈无刷DC电机的可能的驱动信号。
图2示出可以使用根据本发明的实施例的方法来控制的驱动信号及其参数 的轨迹。
图3示出驱动信号、基于霍尔传感器的换向信号和单线圈无刷DC电机的 驱动信号的绘图。
图4图示当根据本发明的实施例被驱动时单线圈无刷DC电机的换向周期 中的不同时刻。
图5示出根据时间的BEMF电压和相电流，并且图示根据本发明实施例的 斜率阈值的使用。
图6示出可按照根据本发明的实施例的方法的步骤驱动的单线圈BLDC电 机的示意图。
图7示意性地示出根据本发明的实施例的用于控制单线圈无刷DC电机的 系统的示例性实施例。
图8示出根据本发明的实施例的方法步骤的流程图。
图9示出在单线圈无刷DC电机的换向周期期间的不同信号的轨迹。
图10与图9相似，例外在于，驱动信号的下降沿更快地开始。
图11与图9相同，例外在于在第一端子上的驱动信号的下降沿的不同开 始时刻的曲线A、B、C。
图12、13、14示出其中基于霍尔传感器的换向信号与当相电流的时间导 数为零的时刻进行比较的示例。
图15示出根据本发明的实施例的三个示例，其中，使用相电流的比较器 交叉电平来获得指示相电流的时间导数的信号。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或相似的要素。
具体实施方式
将针对具体实施例并参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此且 仅由权利要求书来限定。所描述的附图只是示意性的，并且是非限制性的。在 附图中，出于说明性目的，可将要素中的一些要素的尺寸放大且不按比例绘制。 尺度和相对尺度不对应于本发明实践的实际缩减。
说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等被用于在相似的要素 之间进行区分，而不一定用于在时间上、空间上、排序上或以任何其它方式描 述序列。应当理解，如此使用的这些术语在合适情况下是可互换的，并且本文 中描述的本发明的实施例能够以除了本文中描述或说明的之外的其他序列来 操作。
要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的 装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语被解释为指定所陈述的特征、 整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件， 或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不 应当被限定于仅由部件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，该设备的仅 有的相关部件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描 述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短 语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不 一定全部引用同一实施例，而是可以引用同一实施例。此外，在一个或多个实 施例中，如从本公开中将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结 构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开 并辅助对各个发明性方面中的一者或多者的理解的目的，本发明的各个特征有 时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被 解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特 征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面存在于比单个前述公开 的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由 此被明确纳入该具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独 实施例。
此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特 征但没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落 在本发明的范围内，并且形成如将由本领域技术人员所理解的不同实施例。例 如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何 组合来使用。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这 些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、 结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。
在本发明的实施例中做出对驱动信号参考的情况下，参考的是生成通过单 线圈BLDC电机的电机线圈的电流的信号。该电流可以通过在由全桥输出驱动 器生成的电机线圈上的平均电压差来生成。驱动信号可以是脉宽调制(PWM) 信号或线性控制信号。
平均电压差仅是在单线圈BLDC电机中产生相电流的手段。
在具有电源VDD的实施例情况下，跨电机线圈的平均电压差可以在0V与 VDD之间的任何地方。电流相应地按比例增加。
在PWM驱动方法中，电压以时间中断的方式来提供，导致在线圈上的平 均电压差。当忽略在电桥驱动器和单线圈BLDC电机的电机线圈中的电阻损耗 时，当以供应电压VDD＝12V和DCout＝100％PWM驱动电机时，平均电压差 为12V。例如，当DCout＝50％PWM驱动信号时，线圈上的平均电压差为6V。 而且，当应用PWM驱动方法时，相电流相应地按比例增加，并且可以表示为I 相位＝(VDD*DCout-BEMF)/Z，其中Z是电桥驱动器和电机线圈的阻抗，并且其中BEMF是由转子上的旋转永磁体感应到线圈中的反电动势。
在线性驱动方法中，平均电压差通过调整电桥驱动器中的电阻损耗并通过 耗散电桥驱动器中的多余能量来实现。
线圈中的电流确定单线圈BLDC电机提供的扭矩。取决于电机的机械负载， 在开环控制系统中，扭矩将发展到给定速度。在闭环系统中，调节回路将调整 电机扭矩以便达到或维持目标速度。
与具有在线圈上的给定电压差和在线圈中所产生的电流的驱动信号无关， 在无刷DC电机中，电机必须取决于转子的位置来换向。在单线圈BLDC电机中， 在换向方法的使用下，单线圈中的电流方向必须改变其极性。
当使用驱动信号来驱动单线圈电机时，驱动信号可以被细分为电半周期(EHP)。在本发明的实施例中做出对电半周期参考时，参考的是180度电角 度的周期，该周期从驱动信号的上升斜坡的开始处开始，并且在下一个驱动信 号的上升斜坡的开始处结束。
在本发明的实施例中做出对一个换向周期参考时，参考的是在一个EHP的 下降斜坡的开始直到下一个EHP的上升斜坡的结束之间的时间段。
在本发明的实施例中做出对在换向周期中的驱动信号的下降沿参考时，参 考的是当驱动信号从生成通过线圈的电流的信号改变为不再生成通过线圈的 电流的信号的时段(例如，线圈上的电压或平均电压从正电压或负电压变为零 电压)。
在本发明的实施例中做出对在换向周期中的驱动信号的上升沿参考时，参 考的是当驱动信号从不生成通过线圈的电流的信号改变为生成通过线圈的电 流的信号的时段(例如，线圈上的电压或平均电压从零电压变为正电压或负电 压)。
在本发明的实施例中做出对BEMF ZC参考时，参考的是反EMF电压过零 点。
在第一方面，本发明的实施例涉及用于控制单线圈无刷DC电机的方法， 该单线圈无刷DC电机使用换向驱动信号来驱动。
在根据本发明的实施例的方法中，基于先前换向的电流测量来适配地控制 驱动信号。
因此，这种方法800包括用于在至少一个换向周期期间监测810指示通过 单线圈无刷DC电机的线圈的相电流的时间导数的信号的步骤。这例如可以在 当相电流的时间导数的绝对值正在减少时的时段中。监测指示通过线圈的电流 的时间导数diph/dt的信号可以例如通过进行后续的电流测量并且通过计算指示 来自这些后续的测量的时间导数的信号来实现。该信号可以是电流本身的时间 导数。替代方法可以是使用具有不同电平的至少比较器或等效电路，并且将在 多个后续的比较器的触发之间的时间用作时间导数的指示。在说明书中进一步 解释了用于监测指示相电流的时间导数的信号的替代方法。
此外，该方法包括用于确定820至少一个换向周期的第一时刻的步骤。在 该第一时刻，相电流的时间导数的绝对值小于或等于斜率阈值。
此外，该方法包括以下步骤：基于换向周期的第一时刻和/或基于至少一个 较早的换向周期的第一时刻来确定830该换向周期中的驱动信号的上升沿；和 /或基于至少一个较早的换向周期的第一时刻来确定830在该换向周期中的驱 动信号的下降沿。
在本发明的实施例中，这可以暗示确定之后的换向周期中的驱动信号的上 升沿的开始时刻和/或驱动信号的下降沿的开始时刻。这还可以暗示确定该驱动 信号的上升沿和下降沿的形状。
在本发明的实施例中，确定在换向周期中的驱动信号的上升沿可以基于在 至少一个较早的换向周期中的第一时刻。
在本发明的实施例中，驱动信号的上升沿的开始时刻也可以被称为上升时 刻(Tr)。类似地，驱动信号的下降沿的开始时刻可以被称为下降时刻(Tf)。 这是线圈上的电压开始下降的时刻。
此外，该方法包括用于使用在确定步骤830中定义的驱动信号来驱动840 单线圈BLDC电机的步骤。
使用这种方法，单线圈BLDC电机的驱动可以通过监测来自先前换向周期 的电流的时间导数被适配地控制。
图1示出用于驱动这种单线圈无刷DC电机的可能的驱动信号。以其最简 单的形式，输出电桥驱动器可以准确地在反EMF电压120的过零处使驱动信 号110(例如，电压波)换向，这被称为硬换向，并且在图1A中被示出。在那 种情况下，一个换向周期中的驱动信号的下降沿在与该换向周期中的驱动信号 的上升沿相同的时刻开始，其中与上升沿相比，下降沿具有相反的极性。
然而，由于响应于线圈中的电流的响应的延迟，并且因为BEMF电压也不 瞬时地改变其极性，所以这种简单的换向导致降低的效率、反向电流和增加的 噪声。实际上，如图1B中所示，在一个EHP中的下降沿的开始与下一个EHP 中的驱动信号110(例如，电压波)的上升沿的开始之间应用最小时间窗口113。
在本发明的实施例中，下降沿和上升沿可以具有不同的形状。驱动信号的 下降沿112和之后的上升沿114可以被实现为分别从DCout(所导致的在线圈 上施加的电压是DCout x VDD，其中VDD是来自电源的电压)到0％和从0％ 到DCout的输出占空比的瞬时的突变(在之间具有所谓的平坦时段113，其中DCout＝0％)。图1B中图示了它的示例。
在本发明的实施例中，下降沿或上升沿的形状可以是倾斜的形状，可能与 平坦时段相结合。通过以更渐变的方式实现驱动信号的转变，可以进一步改善 声学噪声。图1C示出所谓的斜坡-斜坡切换，其将2个斜坡形状116、118用 于后续的驱动信号的上升斜坡和下降斜坡。这种斜坡可以被调节为电半周期 (EHP)的1/16。
对于较高的电流电平和较高的电机速度，下降沿和/或上升沿的形状可以采 取更复杂的变体，并且可以包括附加的平坦部分113，该附加的平坦部分113 进一步允许线圈电流的时间衰减，如图1D中所示，实现了斜坡-平坦-斜坡 (116-113-118)切换。
然而，这种附加的平坦会在较低的速度和/或较低的电流电平下引起附加的 噪声。在本发明的实施例中，基于在先前换向期间的电流测量，通过适配控制 来将平坦部分113调整为恰足够长以允许在开始上升斜坡之前电流衰减到可接 受的电平。其优点是可以使扭矩最大化，并且通过使平坦部分的持续时间最小 化可以降低声学噪声。这种实现被示出在图1E中。
图2中示出了驱动信号的轨迹，在图2B中针对平坦驱动信号110(电压切 换波形)，在图2C中针对斜坡驱动信号，并且在图2E中针对适配斜坡驱动信 号110。图2B还示出BEMF电压120。一个电半周期的持续时间在图2E中被指 示，并且由tEHP来指示。在这个示例中，电压切换波形在+DCout与–DCout之 间变化。在图2C和图2E中，电压在时段trsl期间上升，并且电压在时段tfsl期 间下降。在本发明的实施例中，在其处开始驱动单线圈BLDC电机的开始时刻 和在其处停止驱动单线圈BLDC电机的停止时刻是可调节的。在图2E中，这由 时段t适配来表示。
在现有技术中已知，为了使通过线圈的电流最佳地对准反EMF电压形状， 驱动信号的上升沿的开始时刻应当与反EMF电压过零(ZC)对准。
在用霍尔传感器的转子位置感测的情况下，这暗示了霍尔传感器的准确定 位，使得霍尔传感器输出的换向与BEMF ZC对准，或者在时序输出上应用校 正以调整误差。然而，为了在BEMF ZC之前并且因此在霍尔传感器换向之前的 最佳点处开始下降沿，应当生成附加的智能。这能以预测性模拟方式来完成， 例如，使用模拟霍尔传感器输出的适配增益控制。
在本发明的实施例中，这可以通过预测性驱动来实现，在该预测性驱动中， 基于来自先前换向的时序信息来定义下降沿的开始和/或上升沿的开始。
在以下段落中解释用于适配地控制用于无刷DC电机的驱动信号的下降沿 和/或上升沿的这种方法的示例。在图6中示出包括全桥驱动器(T11、T12、T21、 T22)的这种电机的电气方案的示例。图6还示出电机线圈610。线圈的端子是 OUT1和OUT2。在该示例中，在一个换向周期期间的驱动信号被施加在OUT1上， 并且在之后的换向周期期间，它被施加在OUT2上。
图3示出在OUT1处的驱动信号110的轨迹、在OUT2处的驱动信号112 的轨迹、基于霍尔传感器的换向信号150(其与反EMF对准)的轨迹以及通过 线圈的电流130的轨迹。基于霍尔传感器的换向信号也被称为FG。如从该绘图 中可见，BEMF过零与相电流的导数(diph/dt)变为大约为零的时刻重合。对于 该绘图，刻意过早地开始驱动信号110、112的下降沿，并且刻意过晚地开始 驱动信号110、112的上升。当这两者均为零时，存在具有占空比DCout为0％ 的平坦时段，其对应于所施加的电压VDD x DCout＝0。
在本发明的实施例中，驱动信号的形状可以包括下降沿112、116、上升沿 114、118和平坦时段113。第一时刻被定义为当相电流的时间导数等于或者小 于预定义的阈值的时刻，并且可以通过监测相电流来确定。在本发明的实施例 中，换向时序可以基于至少两个连续的第一时刻来定义。
在图4中，示出了当根据本发明的实施例被驱动时单线圈无刷DC电机的 换向周期中的不同时刻。该图示出三个换向和两个电半周期(这两个电半周期 的持续时间为tEHP1和tEHP2)。该图示出了根据时间的驱动信号110、BEMF 电压120和相电流130。
在以下的列举中，讨论了第一电半周期的时刻和时段。这些可以外推为之 后的电半周期。在该简化的示例中，考虑了在3个阶段中的激励：
-第一电半周期的开始时刻由Tr1指示。它对应于驱动信号110正在上升 并开始驱动单线圈BLDC电机的时刻(即，上升沿的开始时刻)。
-在其期间驱动信号110(在该示例中是DCout，其为输出占空比)正在 增加的时段由trsl1表示。
-在其期间驱动信号110(DCout)被保持在恒定的最大值处的时段由tt1 指示。该时段也被称为扭矩时段。
-在其期间驱动信号110(DCout)正在下降的时段在Tf1处开始，并且由 tfsl1指示。该时段可以被未驱动时段跟随，在该未驱动时段期间没有施加驱动 信号(DCout＝0％)。下降时段和未驱动时段一起被称为放电时段tdch1(或 者驱动信号的下降沿)。该时段允许电流从线圈放电。
-第一电半周期的结束时刻对应于第二电半周期的开始Tr2。通常，每个 电半周期EHPx在Trx(驱动信号的上升斜坡的开始)处开始，并且在Tr(x+1) (下一个上升斜坡的开始)处结束。
在该图中，在前2个换向周期中，驱动信号的上升沿比由转子进入线圈导 致的感应BEMF电压为零(Tzc1和Tzc2)所在的时刻开始要晚，这称为滞后 角。第三换向显示非常接近BEMF ZC(Tzc3)的驱动信号的上升沿的更佳的开 始。该改进的操作通过应用根据本发明的实施例的方法来实现，在该方法中， 基于实际和/或先前的换向周期的电流测量来调整驱动信号的下降沿的开始时 刻和/或上升沿的开始时刻。
在本发明的实施例中，可以每电半周期(EHP)地，每多个EHP地或者甚 至在一个EHP内调整上升沿和/或下降沿，并且这基于先前的电流测量。
在本发明的实施例中，驱动信号的下降沿的开始时刻(Tfx)被确定为使得 相电流的绝对值在下一个电半周期的驱动信号的上升沿的开始时刻(Trx+1) 之前低于切换阈值(Ith)。相电流的绝对值变得低于切换阈值的时刻也被称为 换向周期的第二时刻。切换阈值例如可以是I峰的分数值(a fraction of Ipeak)， 其中峰电流I峰可以被定义为在该时刻或恰在发起下降沿之前的相电流，或者 被定义为在遍及最后的EHP所获得的峰电流。例如I峰/10或I峰/100，或者可以 被定义为I最大的分数值的固定值，其中I最大是通过线圈的最大值电流，例如I 最大/100。
只要BEMF电压>DCout*VDD，电流形状就将显著地受BEMF电压的影 响。在放电期间，电流从线圈放电。该时段起始于驱动信号110(DCout)正在 减小的时段。在时间中的某个时刻，驱动信号DCout(t)和放电电流Iph(t) 是如此小，使得在那个时间t的BEMF在很大程度上根据以下等式(Z是电机阻 抗)控制电流的形状：
Iph(t)＝(DCout(t)*VDD–BEMF(t))/Z
高于最小速度阈值，BEMF足够地大，使得线圈电流正在反映感应BEMF 电压的积分。因此，在足够小的电流和足够小的DCout以及足够大的速度的该 时刻，diph/dt＝0的时刻对应于BEMF的过零时刻(Tzcx)。
在本发明的实施例中，在先前换向周期的第一时刻或之后不久确定驱动信 号的上升沿的开始时刻。
这可以小于45电角度，或者小于30电角度，或者小于20电角度，或者 小于10电角度，或者小于5电角度，或者甚至之后小于1电角度。
在本发明的以下示例性实施例中，考虑电半周期的序列中的三个连续的电 半时段(1,2,3)。这些时刻的索引号与它们所属的电半周期相对应。换向周期 是一个EHP的下降斜坡的开始直到下一个EHP的上升斜坡的结束之间的时段 (例如，第二换向周期从第一EHP到第二EHP)。
在该示例中，第二换向周期的驱动信号的上升沿的开始时刻(Tr2)和驱动 信号的下降沿的开始时刻(Tf1)基于第一换向周期的第一时刻和第二时刻第一 换向周期，并且被用于预测第三换向周期中的驱动信号的上升沿的开始时间 (Tr3)。
第二换向周期的驱动信号的下降沿的开始时刻(Tf1)被确定为使得当在此 时刻停止驱动电机时，相电流的绝对值在第二换向周期中的驱动信号的开始时 刻(Tr2)之前被降低到低于切换阈值(Ith)。
第二换向周期中的上升沿的开始时刻(Tr2)可以对应于该换向周期的第一 时刻。然而，如果diph/dt已经经过零点，则当开始监测diph/dt时，开始时刻可 以是当检测到增加的时刻。
在本发明的实施例中，在电桥驱动器的续流(freewheeling)状态期间监测 指示相电流的时间导数的信号。这可以是在DCout＝0％(电机未驱动)的平 坦期间。
如前所述，第一时刻(Tzc)指示反EMF过零。在某些情况下，由于线圈 感应引起的感应效应可以导致与BEMF的实际过零时刻(Tzcx)相比的时刻dIph/dt ＝0的滞后。在本发明的实施例中，可以通过增加斜率阈值来补偿该滞后，如 将在下一段落中所描述。
在图5的图中示出根据时间的BEMF电压120和相电流130。仅示出被集中 在BEMF的过零时刻附近的那个时段。左图和右图还示出了在某个时刻处的相 电流的梯度140。左图示出当dIph/dt＝0时的梯度140，右图示出当dIph/dt的绝 对值小于或等于斜率阈值(dItr)时的梯度。在本发明的实施例中，当绝对值 dIph/dt变得小于或等于斜率阈值的时刻被选为第一时刻。
图6示出可按照根据本发明的实施例的方法的步骤驱动的单线圈BLDC电 机的示意图。通过线圈的电流可以使用包括晶体管T11、T12、T21、T22的电 桥驱动器来控制。该图还示出应用了反极性保护二极管和去耦电容器。图6中 所示的配置是单线圈BLDC电机及其驱动电路的一种可能的配置。然而，根据 本发明的实施例的方法不限于仅应用于该配置。在该示例中，再循环电流在未 驱动时段期间(DCout＝0％，续流)正在流动。在该示例中，T11为永久地开， 并且DCout被施加在OUTout上。注意到OUT2也可以为关，在这种情况下，电流将流过T21的体二极管。
在本发明的实施例中，例如可以通过在PWM的有效模式期间进行测量来 监测相电流(Iph)，在PWM的有效模式中，在线圈的相对侧上的高侧晶体管和 低侧晶体管为开。存在若干替代方案。相电流例如也可以在续流期间在低侧晶 体管上或在高侧晶体管上被监测，或者甚至在死时间(也称为互锁延迟)和续 流期间被监测。
相电流例如可以通过以下方式来测量：使用与线圈(620)串联的分流器； 或通过使用驱动晶体管的漏-源电阻作为分流器，作为感测FET；或者如果晶 体管没有被打开，则使用驱动晶体管的体二极管。在本发明的实施例中，可以 在其中DCout＝0％的相位期间监测相电流。其优点在于，在这种情况下，没 有切换会干扰相电流监测。这增加了相电流监测的准确性和分辨率。
在本发明的实施例中，驱动信号是包括开和关时段的脉宽调制信号。
指示相电流的时间导数的信号可以在脉宽调制信号的关时段期间被监测 810。由此，优点在于，在使用脉宽调制信号来驱动单线圈BLDC电机的同时监 测相电流是可能的。
在本发明的实施例中，在脉宽调制信号的开时段期间监测810指示相电流 的时间导数的信号。优选地，当在开时段期间监测相电流时，PWM占空比显 著低于最大的所施加的DCout(例如，至少低50％)。在本发明的实施例中， 监测可仅当线圈上的平均电压差低于驱动阈值时开始。在PWM驱动信号的情况 下，这可以当占空比低于占空比阈值时被实现。驱动信号例如可以被调制，使 得线圈上的平均电压差是在正在进行的EHP期间的最大电压的比率。例如，如 果在EHP期间的最大驱动电压为DCoutmax*VDD，则驱动阈值可以为 70％*DCoutmax*VDD，或者甚至40％*DCoutmax*VDD，或者甚至 10％*DCoutmax*VDD。
本发明的实施例的优点在于，它允许PWM控制电机速度。这能以固定的 PWM频率来完成，而没有扭矩的损失，同时保持稳定的控制。
在本发明的实施例中，使用线性控制来驱动840单线圈BLDC电机，并且 当以降低的驱动力驱动电机时，监测指示相电流的时间导数的信号。
在本发明的实施例中，斜率阈值随着PWM输入信号的占空比的增加而增 加。
在本发明的实施例中，线性地控制用于驱动线圈的电桥的FET(例如，图 6中的场效应晶体管T11、T12、T21、T22)。当驱动强度显著地小于在先前换 向期间的最大驱动强度(例如，小于50％)时，优选地完成在驱动器FET的线 性控制期间测量相电流。
在第二方面，本发明的实施例涉及用于控制单线圈无刷DC电机的系统。 图7示出这种系统的示例性实施例。
在本发明的实施例中，该系统包括电流传感器210，该电流传感器210被配 置为在至少一个换向周期期间监测指示通过无刷DC电机的线圈的相电流的时 间导数的信号。这例如可以在当相电流的时间导数的绝对值正在减少时的时段 中。电流传感器可以例如包括放大器212，该放大器212的输入端口被连接在 电桥驱动器的晶体管上。电流模块(Iph感测)可以被连接到该放大器的输出 端口。该电流模块可以对电流样本的序列进行采样，并将其传递给时间导数模 块(dIph/dt)。在这种情况下，时间导数模块被配置为用于基于传入电流样本 来计算dIph/dt。
在图7中所示的示例中，电流传感器被配置用于监测在低侧晶体管T21上 的电流。
1.在换向的任选的下降斜坡116期间，在续流期间(即，在占空比 的关期间)，相电流从源极流经T21到漏极，这导致到差分传感器212 的负电压输入，该差分传感器212可以是放大器或比较器。
2.在任选的平坦部分期间，所应用的占空比为0％，这暗示了关时 段等于完整的PWM时间段。
3.在后续的EHP的上升斜坡期间，T21是有源晶体管，暗示了它 永久地保持开。相电流正从漏极流经T21到源极，导致到差分传感器212 的正电压输入。
由此，本发明的实施例的优点在于，在换向期间的任何时间期间，并且对 于任何类型的换向(其示例在图1和图2中被示出)，可以完成相电流的监测。
可以理解，相同的方法可以被应用在晶体管T11上，并且也可以被应用在 晶体管T12和T22上，或者被应用于这些晶体管的任何组合，例如，在下降斜 坡和平坦部分期间使用T11，并且在上升斜坡期间使用T21。替代地，可以应 用专用分流器电阻器作为电流传感器。分流器电阻器的位置可以处于续流电流 路径(图4中的620)中，或者在电源与地之间的有源路径中。
在本发明的该示例性实施例中，电流传感器被配置用于基于测量到的相电 流来计算相电流的时间导数。然而，本发明不限于此。
时间的微分可以在模拟域或在时域中完成。
该系统200包括比较器220，该比较器220被配置为当相电流的时间导数 的绝对值小于或等于斜率阈值时，确定至少一个换向周期的第一时刻。这样的 比较器可以是模拟比较器或数字比较器。
在模拟域中，可以引入电容器来实现模拟延迟。具有2个输入的比较器然 后可以比较其中一个被延迟的电流电平。
在数字域中，电流传感器适用于提供数字信号。ADC可以正在对电流进行 采样，并且所获得的样本可以被处理。需要最少两个样本来获得电流斜率。然 而，更多的样本对消除噪声可以是有利的。
在本发明的实施例中，能以预定义的时间间隔(dt)来测量电流，或者替代 地以预定义的电流间隔(dI)来测量时间间隔(dt)。例如使用具有2个触发 电平的比较器，其允许捕获时间。
在本发明的优选实施例中，预定义时间或电流电平可以适用于实际峰电流 电平。例如，通过测量峰电流，或使用查找表，并将电平结合到给定的DCout。
在本发明的实施例中，例如可以通过使用具有至少一个比较器交叉电平的 比较器来获得指示相电流的时间导数的信号。该比较器交叉电平例如可以是峰 电流的函数和/或占空比等的函数。比较器交叉电平可以在2个点处切割抛物 线电流形状，这两个点的中间指示相电流中的峰或dIph/dt＝0点。在收敛模式 下，当使用两个比较器交叉电平时，这些阈值电平可以具有相同的符号。在电 流低于参考阈值的稳定操作模式中，比较器交叉电平可以具有相反的符号。在 本发明的实施例中，比较器交叉电平可以与可以被用于确定驱动信号的下降沿 的切换阈值相同。
图15示出三个示例，其中，使用相电流的比较器交叉电平来获得指示相 电流的时间导数的信号。竖直的虚线330图示BEMF过零的时刻。
在第一种情况下，当达到峰值(dIph/dt＝0)时，相电流不是足够低，因为 例如与转子位置相比，下降沿过晚地被发起。在这种情况下，BEMF ZC将在 “dIph/dt＝0”峰之前下降。比较器交叉电平Icomp1将被触发两次。在这些点之 间的时间可以通过计时器来捕获。计时器信息与比较器交叉电平一起提供必要 的输入，以预测在下一个过零处的BEMF ZC，并如此在后续的EHP中向下降沿 的更佳的开始点收敛。
在第二种情况下，当抛物线形状在相电流中可见时，相电流足够地低，使 得峰位置(dIph/dt＝0)指示BEMF ZC。例如，实际的BEMF ZC时序点可以被估 计为在由Icomp2限定的两个点之间的中间。
在第三种情况下，比较器交叉电平符号相反。尽管在先前的情况下，驱动 信号的上升沿例如可以仅在检测到第二比较器交叉之后被应用，但是在该第三 种情况下，例如基于BEMF ZC位置应当位于哪个时刻的预测行信息，在检测到 第二比较器交叉之前应用上升沿。在两个比较器交叉点之间的时序信息和所应 用的BEMF ZC提供用于预测下一个BEMFZC的信息。在其他实施例中，这两点 的比较器交叉电平不必具有相同的绝对值。可以应用导数感测的其他实施例或 组合，以及指示性信号。
该系统此外包括比较器220，该比较器220被配置为用于确定至少一个换 向周期的第一时刻，使得在该第一时刻，相电流的时间导数的绝对值小于或等 于斜率阈值。比较器也可以适用于将相电流与传感器阈值进行比较。在那种情 况下，该系统可以适用于仅当相电流的绝对值被降低到低于传感器阈值时或者 当驱动信号在线圈上具有低于驱动阈值的平均电压差时才开始监测相电流的 时间导数。在该实现示例中，比较器仅当相电流的绝对值低于传感器阈值时才 将相电流的时间导数(diph/dt)与斜率阈值进行比较。替代地，在驱动信号的 下降沿的开始之后，diph/dt比较还可以被预定义的时间和/或预定义数目的电角 度约束。
在本发明的实施例中，驱动信号是脉宽调制信号，并且该系统适用于确定 斜率阈值，使得该斜率阈值随着PWM输入信号的占空比的增加而增加。斜率 阈值与PWM输入信号的占空比之间的关系可以例如存储在包括占空比值和对应 的斜率阈值的表中，或者它可以例如是线性关系或任何其他种类的预定义的关 系。
该系统此外包括控制器230，该控制器230被配置用于：基于换向周期的 至少一个第一时刻和/或基于在至少一个较早的换向周期中的第一时刻来确定 在该换向周期中的驱动信号的上升沿(RE控制)和/或驱动信号的下降沿(FE 控制)，其中驱动信号适合用于驱动单线圈无刷DC电机。在本发明的实施例 中，驱动信号的形状可以由控制器来适配。这可以通过控制上升沿的形状和 开始、下降沿时间的形状和开始和/或驱动信号的(平均)幅度来完成。在本 发明的实施例中，驱动信号可以具有预定义的波形状。例如，上升沿和下降沿可以是电半周期的1/16。
在图7中所示的示例性实施例中，控制器被配置为使用换向周期的第一时 刻(即，当diph/dt下降到低于斜率阈值的时间)来估计BEMF ZC。后续的换 向周期的第一时刻可以用于计算转子速度。控制器可以基于先前换向周期的第 一时刻来预测下一个换向的BEMFZC。
在图7中图示的示例中，基于所预测的BEMF ZC来计算驱动信号的上升 沿的开始时间。此外，还可以基于速度信息和/或基于预设值来计算其他时序 参数，诸如，用于使上升沿前进的任选的提前角。
在本发明的实施例中，可以通过以下方式来定义换向周期的上升沿：
1)基于同一换向周期的第一时刻实时地定义；
2)基于先前的换向周期的第一时刻；
3)基于至少一个先前的第一时刻和实际的第一时刻的组合。
如果斜率阈值等于零，并且忽略对电流的任何相位滞后的影响，则第一时 刻是BEMF ZC的时刻，并且表示开始上升沿的理想时刻。
实践中，可能存在由电机线圈电感感应的某个相位滞后。特别是在通过施 加较高的占空比而实现的较高的速度下，较高的相电流正流过电机线圈。在这 种情况下，优选地使上升沿更早地开始。为此目的，斜率阈值可以被设置为大 于0。斜率阈值的增加量将影响所谓的提前角的量，该提前角可被应用在上升 沿上。对于以上情况2，可以应用提前角而不增加阈值。
斜率阈值能以与峰电流和上升时间成比例的量增加，并且按一阶被近似为 L线圈/R总，其中L线圈为线圈电感，并且R总＝R线圈+Rdson，并且其中R线圈为线 圈电阻，并且Rdson是半桥驱动器电阻。
在本发明的实施例中，上升时间可以被固定为EHP的1/8。然后可以通过 将其计算为[I峰/(EHP/8)]的一部分来以适配方式设置斜率阈值。其中峰电流 I峰可以被定义为在此时刻或者恰在发起下降沿之前的相电流，或者被定义为在 整个最后的EHP中所获得的峰电流。在本发明的实施例中，斜率阈值可以小于 [I峰/(EHP/8)]。FE控制可以适用于控制下降沿，使得在换向周期中的驱动 信号的上升沿之前，相电流的绝对值被下降到低于切换阈值。在本发明的这个 示例性实施例中，控制器包括适配算法，该适配算法用于控制驱动信号的下降 沿的时序，使得电流的绝对值恰在上升沿的所确定的开始时刻的开始之前下降到低于切换阈值。
此外，控制器可以包括用于控制驱动信号的形状的功率模块(DCout控制)。 该形状可以通过外部输入来控制，或者可源自内部调节回路(诸如，闭环速度 调节回路)。
该系统此外包括驱动器240，该驱动器240被配置为使用由控制器230确 定的驱动信号来驱动单线圈无刷DC电机。因此，驱动器240从控制器230的 控制单元获得其信息。控制单元自身从FE控制模块、RE控制模块和DCout控 制模块获得其输入。
图8示出根据本发明的实施例的方法步骤的可能的实现示例。这些方法步 骤例如可以在如图7中图示的系统上实现。
图8示出其中监测相电流的步骤810，随后是其中将相电流的时间导数与 斜率阈值进行比较以确定820第一时刻的步骤，对于该第一时刻，相电流的时 间导数的绝对值小于或等于斜率阈值。如果这还不是这种情况，并且如果(例 如，用户可定义的或在运行时可调整的)超时已经经过，则对新的相电流采样。 如果确定了第一时刻，则在下一个步骤中，确定830上升沿的开始和下降沿的 开始。该信息被用作用于驱动840单线圈BLDC电机的反馈信息。因此，根据 本发明实施例的方法实现对驱动信号的上升沿和下降沿的适配控制。
图9示出在单线圈DC电机的换向周期期间的不同信号的轨迹。曲线130 示出了相电流，曲线110示出在电机线圈的第一端子(OUT1)上的驱动信号， 曲线112示出在电机线圈的其他(第二)端子(OUT2)上的驱动信号，并且 曲线150示出指示基于霍尔传感器的换向点的FG输出。
根据本发明的实施例，在该示例中，在第二终端上的驱动信号112的上升 沿的开始之前，相电流的绝对值正下降到低于切换阈值。然而，驱动信号的上 升沿仍在相电流的时间导数的绝对值小于或等于斜率阈值之前开始。第二终端 上的驱动信号112的下降沿开始得过早，使得BEMF接管对电流的控制，并且 在第一端子上的驱动信号110的上升沿之前推动电流的绝对值显著增加。在图 9、图10和图11中，相电流的过零由水平虚线160指示。高于虚线，电流为 负，低于虚线，电流为正。
在图10中，驱动信号110的下降沿相对于(与图9相比的)相电流甚至 更早地开始，并且驱动信号112的上升沿相对于(与图9相比的)相电流甚至 更晚地开始。在该示例中，驱动信号的上升沿开始得如此晚，使得当相电流130 开始再次下降到零时，该相电流130的绝对值增加甚至更多至高达点3。在3 处的diph/dt的变化是由于已经改变极性的转子磁体，因此，所感应的BEMF电 压也改变极性。
图11与图9相同，例外在于，针对在第一端子上的驱动信号110的下降 沿的不同开始时刻的曲线A、B、C。曲线A与绘图的实际情况对应。第一端 子上的驱动信号110的下降沿过早地开始，并且电流将超越到显著的负(或正) 值。在第二端子上的驱动信号112的上升沿的开始时，diph/dt还不为零。
曲线B接近最佳条件。相电流的时间导数(diph/dt)在相电流近似为零的 时间附近近似为零。
曲线C是在驱动信号110的下降沿过晚地被发起并且相电流不具有充足时 间从线圈放电的情况下的外推。在其中相电流的绝对值将不会下降到低于切换 阈值并且上升沿将不会被发起的理论情况下，由于已经改变极性的BEMF，相电 流将再次增加。在这种情况下，或者在其中没有看到某个阈值(例如，由于噪 声，EMC)的类似的情况下，基于换向事件的计时器可迫使系统基于换向历史 进行换向。这是由于单线圈无刷DC电机的惯性而导致的可能的备用场景。因 为在相电流中仍然存在耗散成分和电感成分，所以测量到的相电流不是BEMF 电压随时间的完美积分。
图12、图13和图14示出其中将基于霍尔传感器的换向信号(称为FG) 与当dIph/dt＝0的时刻进行比较的示例。这些图示出随着形状幅度从20％增加到 40％到100％时，与(由虚线320指示的)FG换向相比较，(由虚线310指示 的)“dIph/dt＝0”时刻如何被延迟。在实践中，为了补偿被感应的相位滞后， 优选RE被提前(提前角)，而不是被延迟(滞后角)。因此，dIph/dt＝0不是对 于所有运行速度的最佳点。在低速和/或低占空比下它可以是可接受的，但是 优选实施例允许随着速度和/或输出占空比的增加而增加阈值。
在本发明的实施例中，驱动信号的下降沿被确定为使得在所预测的BEMF ZC时刻，相电流的绝对值处于(小于切换阈值的)目标电平，以确保能以稳 健且可靠的方式捕获在BEMF电压的过零附近的相电流的时间导数(diph/dt)。

Claims (25)

1.一种用于控制单线圈无刷DC电机的方法(800)，所述方法包括：
-在至少一个换向周期期间监测(810)指示通过所述无刷DC电机的线圈的相电流的时间导数的信号，
-确定(820)所述至少一个换向周期的第一时刻，使得在所述第一时刻，所述相电流的时间导数的绝对值小于或等于斜率阈值，
-基于换向周期的第一时刻和/或基于至少一个较早的换向周期的第一时刻来确定(830)所述换向周期中的驱动信号的上升沿，和/或基于至少一个较早的换向周期的第一时刻来确定(830)在所述换向周期中的驱动信号的下降沿，
-使用在所述确定步骤(830)中定义的驱动信号来驱动(840)所述单线圈无刷DC电机。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述驱动信号是脉宽调制信号或线性控制信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述驱动信号是脉宽调制信号，并且其中，所述斜率阈值随着PWM输入信号的占空比的增加而增加。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电流以预定义的时间间隔(dt)来测量，或者所述时间间隔(dt)以预定义的电流间隔(dI)来测量。
5.根据权利要求1所述的方法(800)，其中，当所述相电流的时间导数的绝对值正在减小时，监测(810)指示所述相电流的时间导数的信号。
6.根据权利要求1所述的方法(800)，其中，确定(830)在所述换向周期中的所述驱动信号的上升沿至少基于在至少一个较早的换向周期中的第一时刻。
7.根据权利要求1所述的方法(800)，其中，当所述相电流的绝对值减小到低于传感器阈值时，或者当所述驱动信号在线圈上具有低于驱动阈值的平均电压差时，或者在所述下降沿的开始之后或在所述下降沿的结束之后的预定义的时间或角位置处，开始监测(810)指示通过所述无刷DC电机的所述线圈的所述相电流的时间导数的信号。
8.根据权利要求1所述的方法(800)，其中，当所述相电流的时间导数的绝对值下降到低于所述斜率阈值时，或者在开始所述监测之后的预定义的超时值或角度值处，停止监测(810)指示所述相电流的时间导数的信号。
9.根据权利要求1所述的方法(800)，其中，确定驱动信号的上升沿包括：确定所述上升沿的开始时刻和/或所述上升沿的形状，并且其中，确定驱动信号的下降沿包括：确定所述下降沿的开始时刻和/或所述下降沿的形状。
10.根据权利要求1所述的方法(800)，其中，在换向周期中的所述驱动信号的下降沿被确定(830)为使得所述相电流的绝对值在第二时刻降低到低于切换阈值，使得所述第二时刻在所述换向周期中的所述驱动信号的上升沿之前和/或在所述换向周期的第一时刻之前。
11.根据权利要求10所述的方法(800)，其中，用于下一个换向周期的驱动信号的上升沿基于所述至少一个较早的换向周期的第一时刻和/或第二时刻来确定(830)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法(800)，其中，当所述相电流的时间导数的绝对值正在减小时，监测(810)所述相电流，并且其中，所述斜率阈值随着所述单线圈无刷DC电机的速度的增加和/或平均相电流的绝对值的增加而增加。
13.一种用于控制单线圈无刷DC电机的系统(200)，所述系统(200)包括：
-电流传感器(210)，被配置为在至少一个换向周期期间监测指示通过单线圈无刷DC电机的线圈的相电流的时间导数的信号，
-比较器(220)，被配置为当所述相电流的时间导数的绝对值小于或等于斜率阈值时，确定所述至少一个换向周期的第一时刻，
-控制器(230)，被配置为：基于换向周期的第一时刻和/或基于至少一个较早的换向周期的第一时刻来确定在换向周期中的驱动信号的上升沿；和/或基于至少一个较早的换向周期的第一时刻来确定(830)在所述换向周期中的驱动信号的下降沿，其中，所述驱动信号适合用于驱动所述单线圈无刷DC电机，
-驱动器(240)，被配置为使用由所述控制器(230)确定的所述驱动信号来驱动所述单线圈无刷DC电机。
14.根据权利要求13所述的系统(200)，其中，所述驱动信号是脉宽调制信号或线性控制信号。
15.根据权利要求14所述的系统(200)，其中，所述驱动信号是脉宽调制信号，并且其中，所述系统适用于确定所述斜率阈值，使得所述斜率阈值随着PWM输入信号的占空比的增加而增加。
16.根据权利要求13所述的系统(200)，其中，所述控制器(230)被配置为至少基于在至少一个较早的换向周期中的第一时刻，确定换向周期中的驱动信号的上升沿。
17.根据权利要求13所述的系统(200)，其中，所述电流传感器(210)被配置为：当所述相电流的绝对值减小到低于传感器阈值时，或者当所述驱动信号在线圈上具有低于驱动阈值的平均电压差时，或者在所述下降沿的开始之后或在所述下降沿的结束之后的预定义的时间或角位置处，监测指示通过所述无刷DC电机的所述线圈的所述相电流的时间导数的信号。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的系统(200)，其中，所述控制器(230)被配置为确定(830)在换向周期中的所述驱动信号的下降沿，使得所述相电流的绝对值在第二时刻降低到低于切换阈值，使得所述第二时刻在所述驱动信号的上升沿之前和/或在所述换向周期的第一时刻之前。
19.根据权利要求18所述的系统(200)，其中，所述控制器(230)被配置为：基于所述至少一个较早的换向周期的第一时刻和/或第二时刻，确定用于下一个换向周期的驱动信号的上升沿。
20.一种电机设备，包括单线圈无刷DC电机和根据权利要求13至19中任一项的用于驱动所述无刷DC电机的系统(200)。
21.一种操作根据权利要求20所述的电机设备的方法，所述方法包括：
-提供所述电机设备；以及
-向所述电机设备提供电功率以使所述单线圈无刷DC电机旋转。
22.一种制造电机设备的方法，所述方法包括：
-提供根据权利要求13至19中任一项所述的系统(200)；
-提供单线圈无刷DC电机；以及
-将所述单线圈无刷DC电机电连接到所述系统(200)。
23.一种机动化系统，包括：
-根据权利要求20所述的电机设备，所述电机设备包括具有轴的转子；以及
-附接到所述轴的机械负载。
24.一种操作根据权利要求23所述的机动化系统的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求23所述的机动化系统；
向所述电机设备提供电功率以使所述机械负载旋转。
25.一种制造机动化系统的方法，所述方法包括：
-提供根据权利要求20所述的电机设备，所述电机设备包括具有轴的转子；
-提供附接到所述轴的旋转机械负载；以及
-将所述旋转机械负载附接到所述轴。
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