CN111064395A - 无传感器电机控制 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及无传感器电机控制。例如，一种用于无刷直流(BLDC)电机的控制器电路可被配置为估计BLDC电机的转子位置，并且使用估计的转子位置向BLDC电机的定子绕组施加恒定启动电压，直到定子绕组处的电流对应于局部最小电流。控制器电路可进一步被配置为：响应于定子绕组处的电流对应于局部最小电流，允许定子绕组处的电流的换流，响应于允许定子绕组处的电流的换流计算转子位置，并且使用计算的转子位置对定子绕组处的电流进行换流。

Description

无传感器电机控制
技术领域
本公开涉及电动机，并且更具体地，涉及与单相无刷直流(BLDC)电机控制相关联的技术和电路。
背景技术
无刷直流(BLDC)电机的操作可通过控制器执行。控制器基于转子相对于BLDC电机的定子绕组的位置来控制BLDC电机的转子旋转。在一些示例中，控制器可推断转子相对于定子线圈的位置，而不依赖于诸如霍尔效应传感器的旋转传感器。在这些示例中，不依赖霍尔效应传感器的控制器可以被称为“无传感器”控制器。
发明内容
本公开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，其估计转子位置而不是依赖霍尔效应传感器来直接测量转子位置。例如，控制器电路可使用逆电动势(以下称为“反电动势”)电压来确定BLDC电机的转子位置。然而，在一些情况下，反电动势电压可能很难测量，直到BLDC机的转子旋转超过最小速度。
在一些示例中，开环电压过频(V/f)控制和/或开环电流过频(I/f)控制可用于启动BLDC电机而不依赖反电动势电压。然而，通过这种开环控制，在加速BLDC电机以实现适用于检测BLDC电机的未驱动线圈的反电动势电压的最小速度方面会存在相对较高的故障风险。
根据本公开的一个或多个方面，不依赖于开环控制来用于启动，控制器电路装置可估计BLDC电机的转子位置，并使用BLDC电机的估计转子位置向BLDC电机的定子绕组施加恒定的启动电压。因此，可以使BLDC电机的启动状态期间的BLDC电机和/或控制器电路装置的故障风险最小化，同时与在施加恒定启动电压时不使用估计转子位置的系统相比，使复杂性和成本最小化。
与三相电机相反，在单相BLDC控制器在BLDC电机的定子绕组处对电流进行换流时，反电动势电压是不可测量的。如此，为了测量定子绕组两端的反电动势电压，一些BLDC电机控制器可应用消隐周期，定子绕组处的电流在此期间被完全消散，以测量定子绕组的欧姆电阻两端的反电动势电压。然而，这种消隐周期阻碍了BLDC电机控制器驱动BLDC电机，来产生最大的扭矩和速度。
根据本公开的一个或多个方面，不依赖消隐周期来测量反电动势电压，控制器电路装置可使用BLDC电机的定子绕组处的电流来估计反电动势电压。因此，在不中断BLDC电机的正常操作的情况下可以连续地推断反电动势电压，这可以允许BLDC控制器将BLDC电机驱动到最大扭矩并且比BLDC控制器使用消隐周期测量反电动势更快的速度。
一些BLDC电机控制器可使用磁链观测器控制，其使用BLDC电机的定子绕组中的永磁体的磁通量来估计BLDC电机的转子位置。为了解释斜坡漂移和直流(DC)偏移，一些BLDC控制器使用总磁通量作为比例积分(PI)控制器的输入。然而，PI控制器没有足够快到对动态场景(诸如BLDC电机的加速)期间可能发生的快速变化频率作出响应。
根据本公开的一个或多个方面，不依赖于BLDC电机的总磁通量来确定对斜坡漂移和DC偏移的补偿，控制器电路装置可使用BLDC电机的定子绕组中的永磁体的最小和最大磁通量来确定对用于估计BLDC电机的转子位置的漂移的补偿。因此，与依赖于BLDC电机处的总磁通量的BLDC电机控制器相比，可以改进的精度来估计BLDC电机的转子位置，具体是在诸如BLDC电机的加速的动态场景期间。
在一些示例中，本公开的目的在于提供一种用于BLDC电机的控制器电路，该控制器电路被配置为：估计BLDC电机的转子位置；使用估计的转子位置向BLDC电机的定子绕组施加恒定启动电压，直到定子绕组处的电流对应于局部最小电流；响应于定子绕组处的电流对应于局部最小电流，允许定子绕组处的电流的换流；响应于允许定子绕组处的电流的换流，计算转子位置；以及使用计算的转子位置来对定子绕组处的电流进行换流。
在一些示例中，本公开的目的在于提供一种用于控制BLDC电机的方法，该方法包括：通过控制器电路估计BLDC电机的转子位置；通过控制器电路，使用估计的转子位置向BLDC电机的定子绕组施加恒定启动电压，直到定子绕组处的电流对应于局部最小电流；响应于定子绕组处的电流对应于局部最小电流，通过控制器电路允许定子绕组处电流的换流；响应于允许定子绕组处电流的换流，通过控制器电路计算转子位置；以及通过控制器电路，使用计算的转子位置对定子绕组处的电流进行换流。
在一些示例中，本公开的目的在于提供一种系统，包括：单相BLDC电机；电流传感器，被配置为在BLDC电机的定子绕组处生成电流的测量值；电源，包括电源节点和参考节点；第一开关模块，被配置为选择性地将定子绕组的第一节点耦合至电源节点或参考节点；第二开关模块，被配置为选择性地将定子绕组的第二节点耦合至电源节点或参考节点；驱动器，被配置为在第一状态和第二状态下工作，其中在第一状态期间，驱动器被配置为驱动第一开关模块以将定子绕组的第一节点耦合至电源节点以及驱动第二开关模块以将定子绕组的第二节点耦合至参考节点，并且在第二状态期间，驱动器被配置为驱动第一开关模块以将定子绕组的第一节点耦合至参考节点以及驱动第二开关模块以将定子绕组的第二节点耦合至电源节点；以及控制器电路，被配置为：通过驱动器估计BLDC电机的转子位置，通过驱动器，使用估计的转子位置向定子绕组施加恒定启动电压，直到定子绕组处的电流的测量值对应于局部最小电流；响应于定子绕组处的电流的测量值对应于局部最小电流，允许定子绕组处的电流的换流；响应于允许定子绕组处的电流的换流，计算转子位置，以及使用计算的转子位置，利用驱动器对定子绕组处的电流进行换流。
在附图和下面的描述中阐述一个或多个示例的细节。本公开的其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求中显而易见。
附图说明
图1是示出根据本公开的一种或多种技术的被配置用于无传感器电机控制的示例系统的框图。
图2是示出根据本公开的一种或多种技术的通过各种操作范围的连续电机控制的框图。
图3是根据本公开的一种或多种技术的定子绕组电感和电角的示图。
图4是根据本公开的一种或多种技术的响应于电压脉冲的定子绕组处的电流的示图。
图5是根据本公开的一种或多种技术的第一旋转期间的反电动势电压和相电流的示图。
图6是示出根据本公开的一种或多种技术的磁链观测器控制的示例实施方式的框图。
图7是示出根据本公开的一种或多种技术的磁通漂移补偿的示例实施方式的框图。
图8是示出根据本公开的一种或多种技术的基于磁通量的角度估计的示例实施方式的框图。
图9是根据本公开的一种或多种技术的在3500转/分(rpm)的转速下计算的磁通量和延迟π/2的磁通量以及提取的转子角度的示图。
图10是根据本公开的一种或多种技术的用于估计转子位置以及使用估计的转子位置向BLDC电机的定子绕组施加恒定启动电压的流程图。
图11是根据本公开的一种或多种技术的用于使用估计的反电动势对BLDC电机的定子绕组处的电流进行换流的流程图。
图12是根据本公开的一种或多种技术的用于使用基于最小和最大磁通量的漂移补偿对BLDC电机的定子绕组处的电流进行换流的流程图。
图13是根据本公开的一种或多种技术的各种控制和位置估计技术的示图。
具体实施方式
图1是示出根据本公开的一种或多种技术的被配置用于无传感器电机控制的示例系统100的框图。如上所述，无传感器电机控制可以表示不依赖于来自任何旋转传感器(诸如霍尔效应传感器)的信息的电机控制。根据本公开，控制器可使用电机的位置估计，而不是来自霍尔效应传感器的位置测量。
图1示出了系统100具有独立且不同的组件，示为电源102、集成电路(IC)104、无刷直流(BLDC)电机106和电流传感器108。虽然IC 104被示为包括控制器电路110、驱动器112、第一开关模块114和第二开关模块116，但IC 104可包括附加的或更少的组件。例如，电源102和/或电流传感器108可包括在IC 104中。在一些示例中，控制器电路110可以是独立的并且不同于驱动器112、第一开关模块114和第二开关模块116中的一个或多个。
电源102可被配置为向BLDC电机106提供电能。例如，电源102可包括电网、发电机、变压器、外部电池、外部太阳能电池板、风车、水电或风力发电机中的一个或多个，或者是能够向系统100提供电能的任何其他形式的设备。如图所示，电源102可包括电压节点(Vcc)和参考节点(例如，接地或本地接地)，用于向系统100的组件(例如，BLDC电机106)提供电压。
BLDC电机106可包括永磁同步电机(PMSM)。例如，PMSM电机可包括轴、转子、定子和永磁体。永磁体可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、插入转子中或者埋在转子中。在一些示例中，永磁体可以是内部磁体。永磁体可包括稀土元素，诸如钕-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，永磁体可包括保护涂层，诸如金(Au)、镍(Ni)、锌(Zn)等的层。在一些示例中，BLDC电机106可以是单相的。例如，转子可响应于定子绕组处的电流而相对于定子旋转。
第一开关模块114可被配置为选择性地将BLDC电机106的定子绕组的第一节点耦合至电源102的电源节点或电源102的参考节点。第一开关模块114可包括一个或多个开关元件。例如，第一开关模块114可包括：第一开关元件(例如，高压侧开关元件)，以将BLDC电机106的定子绕组的第一节点耦合至电源102的电源节点；以及第二开关元件(例如，低压侧开关元件)，用于将BLDC电机106的定子绕组的第一节点耦合至电源102的参考节点。开关元件的示例可以包括但不限于可控硅整流器(SCR)、场效应晶体管(FET)和双极结晶体管(BJT)。FET的示例可包括但不限于结场效应晶体管(JFET)、金属氧化物半导体FET(MOSFET)、双栅极MOSFET、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、任何其他类型的FET或它们的任何组合。MOSFET的示例可包括但不限于PMOS、NMOS、DMOS或任何其他类型的MOSFET或者它们的任何组合。BJT的示例可包括但不限于PNP、NPN、异质结或任何其他类型的BJT或它们的任何组合。在许多示例中，开关元件包括高侧开关和/或低侧开关。此外，开关元件可以是电压控制和/或电流控制的。电流控制开关元件的示例可以包括但不限于氮化镓(GaN)MOSFET、BJT或其他电流控制元件。
第二开关模块116可被配置为选择性地将BLDC电机106的定子绕组的第二节点耦合至电源102的电源节点或电源102的参考节点。第二开关模块116可包括一个或多个开关元件。例如，第二开关模块116可包括：第一开关元件(例如，高压侧开关元件)，以将BLDC电机106的定子绕组的第二节点耦合至电源102的电源节点；以及第二开关元件(例如，低压侧开关元件)，以将BLDC电机106的定子绕组的第二节点耦合至电源102的参考节点。
驱动器112可被配置为基于由控制器电路110输出的控制信号生成用于驱动第一开关模块114和/或第二开关模块116的输出。例如，驱动器112可包括一个或多个开关元件，被配置为放大来自控制器电路110的控制信号以驱动第一开关模块114和/或第二开关模块116。更具体地，例如，驱动器112可被配置为基于由控制器电路110输出的控制信号在第一状态和第二状态下操作。例如，在第一状态期间，驱动器112可被配置为驱动第一开关模块114以将BLDC电机106的定子绕组的第一节点耦合至电源102的电源节点并且驱动第二开关模块116以将BLDC电机106的定子绕组的第二节点耦合至电源102的参考节点。在一些示例中，在第二状态期间，驱动器112被配置为驱动第一开关模块114以将BLDC电机106的定子绕组的第一节点耦合至电源102的参考节点并且驱动第二开关模块116以将BLDC电机106的定子绕组的第二节点耦合至电源102的电源节点。
电流传感器108可被配置为在BLDC电机106的定子绕组处生成电流测量值。电流传感器108可包括与BLDC电机106的定子绕组串联耦合的电阻器，其输出指示定子绕组处的电流测量值的电压。在一些示例中，电流传感器108可包括霍尔效应传感器(例如，仅用于电流测量)、变压钳位计或另一电流传感器中的一个或多个。虽然电流传感器108被示为检测第一开关模块114和BLDC电机(例如，高侧)之间的电流，但在一些示例中，电流传感器108可检测第二开关模块116和BLDC电机(例如，低侧)之间的电流。
控制器电路110可被配置为控制BLDC电机106处的旋转。例如，当BLDC电机106的转子位置在0度到180度之间时(例如，0-π)，控制器电路110可以将第一极性的电流施加给BLDC电机106的定子绕组，并且当BLDC电机106的转子位置在180度到360度之间时(例如，π-2π)，将与第一极性相反的第二极性的电流施加给BLDC电机106的定子绕组。在一些示例中，控制器电路110可偏移换流角度(例如，在180-x度和360-x度处换流)。以这种方式，随着转子位置相对于定子改变时，控制器电路110可在单方向上(例如，前向)驱动BLDC电机106。控制器电路110可以是包含处理器核、存储器、输入和输出的单个集成电路上的微控制器。例如，控制器电路110可包括一个或多个处理器，包括一个或多个微处理器、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离散逻辑电路装置以及这些组件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路装置”通常是指单独或与其他逻辑电路装置组合的任何前述逻辑电路装置或者任何其他等效电路装置。在一些示例中，控制器电路110可以是一个或多个模拟组件和一个或多个数字组件的组合。
例如，利用电流传感器108，控制器电路110估计BLDC电机106的转子位置。利用驱动器112，控制器电路110使用估计的转子位置向BLDC电机106的定子绕组施加恒定的启动电压，直到定子绕组处的电流对应于局部最小电流。响应于定子绕组处的电流对应于局部最小电流，控制器电路110允许定子绕组处的电流的换流。控制器电路110响应于允许定子绕组处的电流的换流来计算转子位置，并且利用驱动器112，使用计算的转子位置对定子绕组处的电流进行换流。
图2是示出根据本公开的一种或多种技术的通过各种操作范围的连续电机控制的框图。在本公开中可以采用三种不同的技术，以允许在所有可能的操作范围内进行连续的电机控制。在图2的示例中，控制器电路110可应用启动控制222、反电动势观测器控制206和磁链观测器控制208，以允许在所有可能操作范围内的连续电机控制。如图所示，反电动势观测器控制206和磁链观测器控制208在本文可统称为“主动换流224”或简称为“换流224”，其可通过控制器电路110选择性地被允许。
然而，启动控制222、反电动势观测器控制206和磁链观测器控制208可能不提供冗余，并且每种技术对于特定的操作模式都有缺点。起初，转子处于静止状态(例如，无/轻微机械运动)，由此绕组中没有电流可供分析来推断反电动势电压或磁通量。如此，反电动势观测器控制206和磁链观测器控制208可以是不起作用的，并且可以应用启动控制222。
更具体地，例如，控制器电路110可估计转子位置202。例如，如参照图3和图4进一步详细描述的，控制器电路110可应用电感变化技术来检测初始转子位置。然后，施加初始电流和相应扭矩，并且转子开始运动(例如，机械运动)。例如，控制器电路110可使用估计的转子位置204向BLDC电机106的定子绕组施加恒定的启动电压。
在机械运动之后，控制器电路110可测量BLDC电机106的定子处的电流，并计算反电动势电压和磁通量。然而，在转子开始加速后不久，转子的速度就很小了。由于反电动势是取决于速度的，所以反电动势电压幅值也可能太小而无法被准确估计和评估。接近第一换流周期结束时，反电动势可显示出与零的显著偏差，适合于检测过零事件。
为了防止在反电动势电压幅度太小并且随后的错误计算导致过零抖动时对反电动势电压的误解，可以在接近第一个实际过零事件时激活反电动势观测器控制206。如参照图5进一步描述的，控制器电路110可使用局部最小电流来确定何时允许换流224。在图2的示例中，控制器电路110可以在局部最小电流之前使用启动控制222来控制BLDC电机106，并且在局部最小电流之后对BLDC电机106的定子绕组处的电流进行换流224。更具体地，例如，控制器电路110可以在局部最小电流之后以及在磁通量估计稳定之前使用反电动势观测器控制206来驱动BLDC电机106。在该示例中，控制器电路110可以在局部最小电流之后以及在磁通量估计稳定之后使用磁链观测器控制208来驱动BLDC电机106。
图3是根据本公开的一种或多种技术的定子绕组电感和电角的示图。图3的横坐标轴是以度为单位的电角，以及图3的纵坐标轴是以豪亨(mH)为单位的电感302。根据转子位置，大电流可使得定子电感变得饱和。
当转子的磁场与定子磁场对准并重合时，磁通量增加，并导致定子磁场的饱和。如果转子位置抵消由定子产生磁场，则电感不饱和。因此，如果电流反向流动，则在相同转子角度下，电感之间的偏差是可测量的。如此，控制器电路110可以向BLDC电机106施加两个电压脉冲，以将短电流尖峰注入BLDC电机106的定子绕组。根据BLDC电机106的转子对准，一个电流尖峰的绝对振幅高于另一个。由此，可以确定电感的变化和分布。
图4是根据本公开的一种或多种技术的响应于电压脉冲的定子绕组处的电流的示图。图4的横坐标轴是施加给BLDC电机106的定子绕组的电压脉冲的样本，以及图4的纵坐标轴是第一电流412和第二电流414。
向BLDC电机106施加振幅和持续时间相等但符号不同的电压脉冲产生不同的电感，并且进一步如图4所示产生不同的电流斜率(例如，第一电流412和第二电流414)。在电压脉冲的设定持续时间之后，斜率差必然会导致不同的电流值。通过比较它们的绝对值，推导出每个方向上的电感。
生成在脉冲持续时间的末尾处较高的第二电流414(I2)的电压脉冲与较低的电感相关。转子的磁场增强该电流方向上的定子磁通量。随后，定子和转子磁场具有相同的定向并对准。利用该技术允许在3/2π→1/2π或1/2π→3/2π的范围内定位转子角度的方向。在正电压脉冲之后对准磁场的情况下，θel任何时候都在1/2π和3/2π之间，π为对准位置。
换句话说，例如，控制器电路110可被配置为使用定子绕组处的电流来估计转子位置。更具体地，例如，控制器电路110可被配置为响应于在定子绕组处施加第一电压脉冲而在定子绕组处测量第一电流样本422，以及响应于在定子绕组处施加第二电压脉冲而在定子绕组处测量第二电流样本424。在一些示例中，第一电压脉冲和第二电压脉冲可具有相同的持续时间。在一些示例中，第二电压脉冲具有与第一电压脉冲相反的极性。虽然上述示例是指第一电压脉冲，但在一些示例中，第一电压脉冲可以是用于测量一个或多个第一电流样本的多个第一电压脉冲中的单个电压脉冲。类似地，在一些示例中，第二电压脉冲可以是用于测量一个或多个第二电流样本的多个第二电压脉冲中的单个电压脉冲。
控制器电路110可基于第一电流样本422和第二电流样本424估计转子角度。例如，当第一电流样本422大于第二电流样本424时，控制器电路110可以确定转子角度在0到180电度之间(例如，0→π)，并且当第一电流样本422不大于第二电流样本424时确定转子角度在180到360电度之间(例如，π→2π)。
控制器电路110可使用第一电流样本422和第二电流样本424来确定恒定启动电压的极性。例如，控制器电路110可被配置为当第一电流样本422大于第二电流样本424时施加具有第一极性的恒定启动电压，并且当第一电流样本422不大于第二电流样本424时施加具有第二极性的恒定启动电压。在该示例中，第一极性与第二极性相反。
控制器电路110可使用电流阈值来确定恒定启动电压的极性。例如，控制器电路110可被配置为当第一电流样本422和/或第二电流样本424大于电流阈值时施加具有第一极性的恒定启动电压，并且当第一电流样本422和/或第二电流样本424不大于电流阈值时施加具有第二极性的恒定启动电压。
图5是根据本公开的一种或多种技术的在第一旋转期间的反电动势电压和相电流的示图。图5的横坐标轴是以毫秒为单位的时间，以及图5的纵坐标轴是BLDC电机106的定子绕组处的反电动势电压502、BLDC电机106的定子绕组处的电流504(例如，相电流)和BLDC电机106的转子的转速506。
在第一换流周期期间，利用驱动器112，控制器电路110可向BLDC电机106施加恒定电压。因此，如转速506所示，BLDC电机106的转子加速并拾取速度。反电动势电压502在对准位置处过零，并且在旋转期间具有不同于零的值。随后，反电动势电压502在开始和到达对准位置之间达到最大值。电流504跟随部分由反电动势电压502、定子电感和定子电阻确定的形状。分析所述形状，使得观测到电流504在反电动势电压502的峰值之后不久以及在反电动势电压502达到零紧前具有局部最小值。图5仿真并示出了在启动和第一换流期间的这种特性行为。检测电流最小值是一种实用的定时技术，以能够在不依赖于反电动势电压502的直接测量的情况下使反电动势电压502观测用于换流控制。在电流504的局部最小时，电流504接近反电动势电压502的峰值或者足够高到使控制器电路110用于计算BLDC电机106的电角。
电流504的随后最小电流被示为在反电动势电压502的峰值和过零点之间。在以下分析中，电机(例如，BLDC电机106)的定子电感、感应电压和动态行为被理想化。电机的定子绕组的电感是恒定的。反电动势电压的形状被认为是具有无限陡峭侧面的等速梯形(例如，矩形)。此外，假设转子加速度是恒定的。因此，在第一换流周期期间，感应电压的形状被给出如下定义的锯齿电压。
Figure BDA0002236842080000121
其中，Vemf,max是反电动势电压502的峰值的振幅，Δt是达到峰值所需的时间，以及t是通过时间。基本上，Vbemf,max/Δt是电机的加速度的测量值。当施加电压时，电阻器-电感器(RL)电路中的电流形状如下给出。
Figure BDA0002236842080000122
其中，I0是电流504的最大值，并且τ是RL电路的时间常数，即τ＝L/R。在该示例中，最大电流I0是时变的。最大电流I0由最大DC链路电压、反电动势电压和绕组电阻如下定义。
Figure BDA0002236842080000123
在等式2中插入I0(t)可得到以下结果。
Figure BDA0002236842080000124
为了找到第一换流周期期间的电流504的电流最大值的位置和反电动势电压502的初始增加，形成并评估等式4的导数，其中置换Vemf,max/Δt＝kα如下所用。
Figure BDA0002236842080000131
对t的等式5进行数值求解，给出第一换流周期期间的电流504的局部最大电流的位置。随着系数kα对于非常小的加速度接近无穷大时，时间t接近无穷大。
Figure BDA0002236842080000132
由于感应电压的增加，电流504在局部电流达到最大值后减小，这在单相BLDC电机的状态方程中也如此构成，在重新布置之后如下。
Figure BDA0002236842080000133
电流504继续下降，至少直到达到反电动势电压502的最大值为止。在反电动势电压502的峰值之后，在感应电压达到零之前期望电流最小。为此，在电流504的局部最小值和电感两端的电压将为零时，进一步变换状态方程式。随后，反电动势电压502如下。
V-RSi＝Vemf. 等式8
如果当Vemf过零时出现最小电流，则绕组电阻两端的电压等于相电压。这将需要最大的可能电流504，这在旋转期间且具有非零反电动势电压以及预先减小电流的情况下是难以置信的。另外，最小电流504不能在感应电压过零之后。负的Vemf将在最小值期间具有大于V/Rs的电流，这是系统中可能出现的最大电流。这种情况也是不合理的。因此，最小电流的可能位置在反电动势电压502的峰值和过零之间。数字仿真进一步在所有可应用的负载情况和相电压中验证了这一概念。
因此，不是直接测量反电动势电压502，而是控制器电路110可以使用电流504的局部最小电流来估计反电动势电压502的峰值和反电动势电压502的过零之间的窗口510。以这种方式，控制器电路110可以在局部最小电流之前使用启动控制222来控制BLDC电机106，并且在局部最小电流之后对BLDC电机106的定子绕组处的电流504进行换流。具体地，例如，控制器电路110可被配置为当定子绕组处的电流504的时间导数对应于零时，确定BLDC电机106的定子绕组处的电流504对应于局部最小电流。
控制器电路110可以使能换流控制，因为第一次观察到相电流的局部最小值。换言之，例如，控制器电路110可以在局部最小电流之后对BLDC电机106的定子绕组处的电流进行换流。同样，对于连续操作，磁链观测器控制(例如，磁链观测器控制208)可连续地估计转子角度，其可用于改变换流角度。然而，磁链观测器控制可依赖于漂移补偿来充分精确地作用。用于补偿漂移的滤波器可使用多个旋转来解决并开始支持磁通量估计器。在此期间，可以通过反电动势观测器控制(例如，反电动势观测器控制206)来控制换流，然后在精确补偿漂移之后切换到磁链观测器控制。
对准的转子位置可与反电动势电压502的过零点重合。即使当对准的转子位置不直接用于确定连续的转子角度时，反电动势电压502也有助于将转子定位在180度扇区中。这是用于限定换流点的反电动势电压502的充足信息。尤其是对于起动，检测对准位置就足够了，并且提供了控制换流的鲁棒手段。
与三相电机相反，在同时施加扭矩时，感应电压可能无法测量。为了测量穿过定子绕组的反电动势电压502，电流504可以完全耗散，否则欧姆电阻两端的电压和潜在的电感可能会使测量失真。在一段消隐时间内中断换流模式并且测量相电压并不是特别有效，并阻碍了电机发展其最大扭矩和速度。因此，反电动势电压502代替地被连续推导，而不中断机器的正常操作。重新布置单相BLDC电机的状态方程式产生如下结果。
Figure BDA0002236842080000151
等式9给出了反电动势电压502，其作为电机参数Rs、Ls、相电压V和可测量电流i的函数，如下所示。
Figure BDA0002236842080000152
可以根据等式10计算反电动势电压502，因为所有必要的数据和信息都是可用的。例如，控制器电路110可以使用计算的转子位置对BLDC电机106的定子绕组处的电流进行换流。具体地，例如，控制器电路110可被配置为使用定子绕组处的电流来估计反电动势电压。
电流传感器108可用于检测BLDC电机106的定子绕组中的瞬时电流。相电压可通过投射电流/扭矩控制器的电压输出的、(控制器电路110的)脉宽调制(PWM)发生器来确定。使用PWM发生器的输出消除了直接测量电压的附加传感器的需要。然而，在一些示例中，控制器电路110可以从电压传感器接收BLDC电机106的定子绕组处的测量电压。定子绕组的绕组电阻可以是已知的电机常数。精确建模电感可使用转子角度和电流作为输入。反电动势观测器控制可能无法生成角度估计本身。因此，当没有转子位置可用时，电感可近似为平均值。从而，与磁链观测器控制相比，电感的这种近似会降低计算的精度。尽管如此，不利影响是可容忍的，因为当电机在正常操作条件下运行时，电感的变化不是非常大。由可应用电流引起的饱和效应远未达到极限，因此总电感仍接近平均值。
较小的计算或测量误差(特别是接近于零的值)可能偶尔会导致反电动势电压在假定更大值之前在零附近抖动。因此，为了防止反电动势观测器控制将其检测为多于一个过零，控制器电路110可实施滤波器。如果检测到过零，则滤波器在预定数量的循环内不允许具有先前符号的值。当这种情况发生时，错误的值将替换为先前的值。
控制器电路110可以将转子角度指定为0→π或π→2π的范围。如果转子位于第一范围内，则反电动势电压为正；如果转子位于后一范围内，则反电动势电压为负。在该步骤之后，反电动势观测器控制提供足够的信息来正确地对电机进行换流，并建立有效的控制。例如，控制器电路110可使用估计的反电动势电压来计算BLDC电机106的转子位置(例如，0→π或π→2π)。在该示例中，控制器电路110可被配置为使用计算的转子位置来选择定子绕组处的电流的第一极性或第二极性。在一些示例中，第一极性与第二极性相反。例如，第一极性可以为正而第二极性可以为负，或者第一极性可以为负而第二极性可以为正。
然而，控制器电路110可以外推过零事件之间的电机角度。当转子处于静止状态且不加速时，这种外推可以是获得连续角度的有效且精确的技术。只要转速受限于有限的方差，控制器电路110可以利用最近两个过零事件之间的持续时间来更新转子角度。首先，控制器电路110如下计算用于计算时间步长TS的角度增量θinc。
Figure BDA0002236842080000161
其中，tZCP1是第一过零点的时间，并且tZCP2是第一过零点后立即发生的第二过零点的时间。
随后，控制器电路110可在每次执行计算时相加该增量，从而得到连续转子角度的线性外推近似值。反电动势电压的过零可将该估计重置为可靠的角度估计。在电机正在加速的情况下，外推可能偏离实际转子角度。两个过零事件之间的时间可与除该周期的平均速度外的任何常数都不相关。如果旋转加速，所确定的速度可能无法提供关于以下间隔的信息。为了判定外推何时有效，控制器电路110可将两个间隔之间的时间差与预设阈值进行比较。如果超过阈值，则控制器电路110可以丢弃外推。
以这种方式，控制器电路110可使用反电动势观测器控制来计算转子位置。例如，为了计算转子位置，控制器电路110可被配置为当反电动势电压具有第一极性时，响应于反电动势电压过零来确定计算的转子位置对应于180度的电角。在该示例中，控制器电路110可被配置为当反电动势电压具有第二极性时，响应于反电动势电压过零来确定计算的转子位置对应于0度的电角。在该示例中，为了对定子绕组处的电流进行换流，控制器电路110可被配置为响应于确定计算的转子位置对应于0度的电角而为定子绕组处的电流选择第一极性，以及响应于确定计算的转子位置对应于180度的电角而为定子绕组处的电流选择第二极性。
基于反电动势电压估计来计算转子位置，这允许控制器电路110通过确定转子的对准位置来控制换流。此外，在接近恒定速度时，连续角度是可扣除的，并且可用于换流角度控制或定子电感的建模。
图6是示出根据本公开的一种或多种技术的磁链观测器控制的示例实施方式的框图。为了在单相BLDC电机中应用，磁链观测器技术可如下使用。计算出的磁通量(2π周期函数)会经受特定的斜坡漂移和DC偏移。由于这种影响，额外步骤可用于允许磁链观测器被用于角度估计。为了进一步分析数据，这些值可集中在零线上，最大值和最小值示出相等的绝对振幅。因此，控制器电路110可包括补偿控制器，其输出Vcomp被直接相加，这导致以下结果。
ΨPM＝∫0 t(V-RS·i+Vcomp)dt-LS·i. 等式12
如图6所示，可以实施该补偿控制器。例如，模块602生成定子电感(Ls)。模块604将定子电感和定子电流相乘。模块606生成∫0 t(V-RS·i+Vcomp)dt。在该示例中，模块608从模块606的输出中减去模块604的输出。模块610使用模块606的输出生成移动平均值(Ψpm)。
图7是示出根据本公开的一种或多种技术的磁通量漂移补偿的示例实施方式的框图。一些系统使用漂移补偿作为标准比例积分(PI)控制器，其输入为总磁通量。这种系统会不断地尝试把磁通量控制为零，由此均衡曲线下的面积。然而，这种技术在动态场景中是不利的，例如在加速期间。控制器可能不够快，从而无法应付快速变化的频率。即使这种系统可以在恒定速度下工作到特定程度，但这种系统不太适合于估计磁通量到令人满意的精度。此外，这种系统可能会使所计算磁通量的形状失真，从而稍后在确定转子角度时产生计算误差。
为了补偿连续PI控制器的缺点，控制器电路110可配置有如图7所示扩展和离散的补偿。
图7的补偿可被配置为利用最小值和最大值相对于零线对称分布的结果来偏移计算的磁通量。例如，模块702可生成相对于零线对称分布的最小值(例如，第一磁通量样本)和最大值(例如，第二磁通量样本)。由此，图7的漂移补偿可采用两个随后峰值之和作为触发PI控制器704的输入。除以2，这恰好是最小值和最大值分别为零的绝对偏移。
控制器电路110可通过观察反电动势电压来检测最小值和最大值。在对准位置，永磁体的磁通量最大。因此，当检测到反电动势电压的过零事件时，控制器电路110可对磁通量值进行采样。补偿控制器可随后被触发并且每半个循环执行一次。此外，模块706通过转速来缩放控制器输出，因为斜坡漂移显著地依赖于速度。
例如，为了计算转子位置，控制器电路110可被配置为响应于计算出的对应于0度的电角的转子位置生成第一磁通量样本，响应于计算出的对应于180度的电角的转子位置生成第二磁通量样本，并且使用第一磁通量样本和第二磁通量样本生成补偿电压。
更具体地，例如，为了计算转子位置，控制器电路110可被配置为使用定子绕组处的电流来估计反电动势电压。在该示例中，当反电动势电压具有第一极性时，控制器电路110可以响应于反电动势电压过零来确定计算的转子位置对应于180度的电角。在该示例中，当反电动势电压具有第二极性时，控制器电路110可响应于反电动势电压过零确定计算的转子位置对应于0度的电角，其中第一极性与第二极性相反。
以这种方式，为了生成补偿电压，控制器电路110可被配置为确定第一磁通量样本和第二磁通量样本的平均值作为比例积分控制器的输入，并且通过BLDC电机的转速缩放比例积分控制器的输出。
在成功估计转子磁通量之后，下一步骤是建立磁通量和延迟90度的磁通量的正交系统，生成磁通量相量的虚数部分。这可以通过记录计算的磁通量数据并在可变数量的计算时间步长NTS之后重新使用它来实现。延迟周期的数量可以取决于频率，从而取决于转速。延迟周期的数量可以与转子完成π/2的角度所需的时间相对应。采样周期的数量可以如下。
Figure BDA0002236842080000191
通过估算的永磁体磁通量和延迟的磁通量，使用atan2函数计算转子角度，转子角度如下。
Figure BDA0002236842080000192
虽然在一些示例中，反电动势电压可用于确定磁通量最小值和最大值(例如，第一磁通量样本、第二磁通量样本等)，但在一些示例中，控制器电路110可使用计算的转子角度来确定磁通量最小值和最大值。例如，为了计算转子位置，控制器电路110可被配置为使用补偿电压连续地估计BLDC电机的磁通量，并且使用磁通量连续地计算转子位置。在该示例中，控制器电路110可响应于对应于0度电角的连续估计的转子位置而生成第一磁通量样本，并且可以响应于对应于180度的电角的连续估计的转子位置而生成第二磁通量样本。以这种方式，控制器电路110可以响应于对应于0度的电角的连续估计的转子位置而生成第一磁通量样本，并且可以响应于对应于180度的电角的连续估计的转子位置而生成第二磁通量样本。
图8是示出根据本公开的一种或多种技术的基于磁通量的角度估计的示例实施方式的框图。总的来说，转子位置估计可包括如图8所示的3个步骤，尽管在其它示例中可使用附加步骤。第一步骤802包括经由触发子系统的磁通量计算和补偿。第二步骤804包括通过与速度相关的采样周期数来延迟磁通量。第三步骤806包括使用atan2函数计算转子角度。
图9是根据本公开的一种或多种技术的在3500转/分(rpm)的转速下计算的磁通量和延迟π/2的磁通量以及提取的转子角度的示图。图9的横坐标轴是以秒为单位的时间，以及图9的纵坐标轴是BLDC电机106的瞬时磁通量902、BLDC电机106的延迟磁通量904、估计的转子角度906和实际的转子角度(其基本上与估计的转子角度906重叠)。如图9所示，一旦稳定，基于构造的正交磁通量的角度计算(例如，磁链观测器控制)就可以可靠地使用并且产生小于2％的平均误差。
图10是根据本公开的一种或多种技术的用于估计转子位置并且使用估计的转子位置来将恒定启动电压施加到BLDC电机的定子绕组的流程图。仅为了说明的目的，下面在图1-图9的上下文中描述示例操作。
根据图10的技术，控制器电路110在BLDC电机106的定子绕组处施加第一电压脉冲(1002)。控制器电路110测量定子绕组处的第一电流样本(1004)。控制器电路110在定子绕组处施加第二电压脉冲(1006)。控制器电路110测量定子绕组处的第二电流样本(1008)。
控制器电路110确定第一电流样本是否大于第二电流样本(1010)。响应于确定第一电流样本大于第二电流样本(步骤1010中为“是”)，控制器电路110生成具有第一极性的恒定启动电压(1012)。然而，响应于确定第一电流样本不大于第二电流样本(步骤1010中为“否”)，控制器电路110生成具有第二极性的恒定启动电压(1014)。在一些示例中，第一极性与第二极性相反。
图11是根据本公开的一种或多种技术的用于使用估计的反电动势对BLDC电机的定子绕组处的电流进行换流的流程图。仅为了说明的目的，下面在图1-图9的上下文中描述示例操作。
如图11所示，控制器电路110在BLDC电机106的定子绕组处接收电流(1102)。控制器电路110确定BLDC电机106的系统参数(1104)。例如，控制器电路110确定系统参数，例如但不限于定子电阻、定子电感或其他系统参数。控制器电路110使用定子绕组处的电流和系统参数估计反电势电压(1106)。例如，控制器电路110根据等式10估计反电动势电压。控制器电路110使用反电动势电压估计BLDC电机106的转子位置(1108)。例如，控制器电路110根据等式11估计BLDC电机106的转子位置。控制器电路110确定转子位置是否在0-π的范围内(例如，0-180度)(1110)。响应于确定转子位置在0-π内(步骤1110中为“是”)，控制器电路110选择第一极性(1112)。响应于确定转子位置不在0-π内(步骤1110中为“否”)，控制器电路110选择第二极性(1114)。在一些示例中，第一极性与第二极性相反。
图12是根据本公开的一种或多种技术的用于使用基于最小和最大磁通量的漂移补偿对BLDC电机的定子绕组处的电流进行换流的流程图。仅为了说明的目的，下面在图1-图9的上下文中描述示例操作。
如图12所示，控制器电路110计算BLDC电机106的转子位置对应于0度的电角(1202)。例如，当反电动势电压具有第二极性时，控制器电路110响应于反电动势电压过零来计算转子位置(对应于0度的电角)。在一些示例中，控制器电路110响应于对应于0度电角的连续估计的转子位置来计算转子位置(对应于0度的电角)。在任何情况下，控制器电路110使用BLDC电机106的定子绕组处的电压、定子绕组处的电流和系统参数来生成第一磁通量样本(1204)。例如，控制器电路110响应于计算的对应于0度电角的转子位置、根据等式12来生成第一磁通量样本。
控制器电路110计算BLDC电机106的转子位置对应于180度的电角(1206)。例如，当反电动势电压具有第一极性时，控制器电路110响应于反电动势电压过零计算转子位置(对应于180度的电角)。第一极性可与第二极性相反。在一些示例中，控制器电路110响应于连续估计的转子位置对应于180度的电角来计算转子位置(对应于180度的电角)。在任何情况下，控制器电路110使用定子绕组处的电压、定子绕组处的电流和系统参数来生成第二磁通量样本(1208)。例如，控制器电路110响应于计算的转子位置对应于180度的电角、根据等式12来生成第一磁通量样本。
控制器电路110确定第一磁通量样本和第二磁通量样本的平均值(例如，均值、中值等)(1210)。控制器电路110向第一和第二磁通量样本的平均值施加PI控制器(1212)。例如，控制器电路110可以使用第一和第二磁通量样本的平均值作为PI控制器的输入。控制器电路110使用BLDC电机106的转子的转速来缩放PI控制器的输出，以生成补偿电压(1214)。
控制器电路110使用补偿电压、定子绕组处的电压、定子绕组处的电流和系统参数来连续地估计BLDC电机106的磁通量(1216)。例如，控制器电路110根据等式12连续地估计BLDC电机106的磁通量。控制器电路110使用磁通量连续地估计BLDC电机106的转子位置(1218)。例如，控制器电路110根据等式14连续地估计BLDC电机106的转子位置。控制器电路110使用转子位置选择第一极性或第二极性(1220)。例如，控制器电路110响应于确定转子位置在0-π内而选择第一极性，并且响应于确定转子位置不在0-π内而选择第二极性。在一些示例中，第一极性与第二极性相反。
图13是根据本公开的一种或多种技术的各种控制和位置估计技术的示图。仅为了说明的目的，下面在图1-图12的上下文中描述示例操作。图13的横坐标轴是以秒(s)为单位的时间，以及图13的纵坐标轴是以伏特为单位的相电压1302(例如，定子绕组处的电压)、以安培为单位的相电流1304(例如，定子绕组处的电流)、以弧度为单位的实际转子位置1306以及以弧度为单位的估计转子位置1308。
图13示出了无传感器位置检测(例如，启动控制222、反电动势观测器控制206、磁链观测器控制208)转换的三个示例性组件的示例。无传感器位置检测的各种组件可使用如本文所述的不同控制和位置估计技术。在控制器电路110检测到初始转子角度(“init”)之后，控制器电路110施加恒定启动电压作为相电压1302。在前五个换流期间，施加的相电压1302保持恒定(“恒定电压”)，然后进一步使用电流和速度控制器(“速度控制”)。最后，一旦磁链观测器控制准备就绪，磁链观测器控制被激活(“磁通量”)。尽管图13示出了在启动控制期间的多个换流，但在一些示例中，启动控制可以仅包括一个换流。
以下示例可示出本公开的一个或多个方面。
示例1.一种用于无刷直流(BLDC)电机的控制器电路，该控制器电路被配置为：估计BLDC电机的转子位置；使用估计的转子位置向BLDC电机的定子绕组施加恒定启动电压，直到定子绕组处的电流对应于局部最小电流；响应于定子绕组处的电流对应于局部最小电流，允许定子绕组处的电流的换流；响应于允许定子绕组处的电流的换流，计算转子位置；以及使用计算的转子位置对定子绕组处的电流进行换流。
示例2.根据示例1的控制器电路，其中控制器电路被配置为：当定子绕组处的电流的时间导数对应于零时，确定定子绕组处的电流对应于局部最小电流。
示例3.根据示例1-2的任何组合的控制器电路，其中，为了估计转子位置，控制器电路被配置为使用定子绕组处的电流估计转子位置。
示例4.根据示例1-3的任何组合的控制器电路，其中，为了估计转子位置，控制器电路被配置为：响应于在定子绕组处施加第一电压脉冲，在定子绕组处测量第一电流样本；以及响应于在定子绕组处施加第二电压脉冲，在定子绕组处测量第二电流样本，其中第二电压脉冲具有与第一电压脉冲相反的极性。
示例5.根据示例1-4的任何组合的控制器电路，其中，为了施加恒定启动电压，控制器电路被配置为：当第一电流样本大于第二电流样本时，施加具有第一极性的恒定启动电压，以及当第一电流样本不大于第二电流样本时，施加具有第二极性的恒定启动电压，其中，第一极性与第二极性相反。
示例6.根据示例1-5的任何组合的控制器电路，其中，为了计算转子位置，控制器电路被配置为：使用定子绕组处的电流估计逆电动势(反电动势)电压；以及使用反电动势电压计算转子位置，其中，为了对定子绕组处的电流进行换流，控制器电路被配置为使用计算的转子位置为定子绕组处的电流选择第一极性或第二极性，其中第一极性与第二极性相反。
示例7.根据示例1-6的任何组合的控制器电路，其中，为了计算转子位置，控制器电路被配置为：当反电动势电压具有第一极性时，响应于反电动势电压过零，确定计算的转子位置对应于180度的电角；以及当反电动势电压具有第二极性时，响应于反电动势电压过零，确定计算的转子位置对应于0度的电角；其中，为了对定子绕组处的电流进行换流，控制器电路被配置为：响应于确定计算的转子位置对应于0度的电角，为定子绕组处的电流选择第一极性；以及响应于确定计算的转子位置对应于180度的电角，为定子绕组处的电流选择第二极性。
示例8.根据示例1-7的任何组合的控制器电路，其中，为了计算转子位置，控制器电路被配置为：响应于计算的转子位置对应于0度的电角，生成第一磁通量样本；响应于计算的转子位置对应于180度的电角，生成第二磁通量样本；以及使用第一磁通量样本和第二磁通量样本生成补偿电压。
示例9.根据示例1-8的任何组合的控制器电路，其中，为了生成补偿电压，控制器电路被配置为：确定第一磁通量样本和第二磁通量样本的平均值作为比例积分控制器的输入；以及通过BLDC电机的转速缩放比例积分控制器的输出。
示例10.根据示例1-9的任何组合的控制器电路，其中，为了计算转子位置，控制器电路被配置为：使用定子绕组处的电流估计逆电动势(反电动势)电压；当反电动势电压具有第一极性时，响应于反电动势电压过零，确定计算的转子位置对应于180度的电角；以及当反电动势电压具有第二极性时，响应于反电动势电压过零，确定计算的转子位置对应于0度的电角，其中第一极性与第二极性相反。
示例11.根据示例1-10的任何组合的控制器电路，其中，为了计算转子位置，控制器电路被配置为：使用补偿电压连续地估计BLDC电机的磁通量；以及使用磁通量连续地计算转子位置，其中，生成第一磁通量样本响应于对应于0度的电角的连续地估计的转子位置，并且其中生成第二磁通量样本响应于对应于180度的电角的连续地估计的转子位置。
示例12.根据示例1-11的任何组合的控制器电路，其中，控制器电路被配置为：从电流传感器接收定子绕组处的电流的测量值。
示例13.根据示例1-12的任何组合的控制器电路，进一步包括：第一开关模块，被配置为选择性地将定子绕组的第一节点耦合至电源的电源节点或电源的参考节点；第二开关模块，被配置为选择性地将定子绕组的第二节点耦合至电源节点或参考节点；以及驱动器，被配置为基于控制器电路输出的控制信号在第一状态和第二状态下工作，其中，在第一状态期间，驱动器被配置为驱动第一开关模块以将定子绕组的第一节点耦合至电源节点以及驱动第二开关模块以将定子绕组的第二节点耦合至参考节点，并且在第二状态期间，驱动器被配置为驱动第一开关模块以将定子绕组的第一节点耦合至参考节点以及驱动第二开关模块以将定子绕组的第二节点耦合至电源节点。
示例14.一种用于控制无刷直流(BLDC)电机的方法，该方法包括：通过控制器电路估计BLDC电机的转子位置；通过控制器电路，使用估计的转子位置向BLDC电机的定子绕组施加恒定启动电压，直到定子绕组处的电流对应于局部最小电流；响应于定子绕组处的电流对应于局部最小电流，通过控制器电路允许定子绕组处的电流的换流；响应于允许定子绕组处的电流的换流，通过控制器电路计算转子位置；以及通过控制器电路，使用计算的转子位置对定子绕组处的电流进行换流。
示例15.根据示例14的方法，还包括：当定子绕组处的电流的时间导数对应于零时，通过控制器电路确定定子绕组处的电流对应于局部最小电流。
示例16.根据示例14-15的任何组合的方法，其中，估计转子位置包括：使用定子绕组处的电流估计转子位置。
示例17.根据示例14-16的任何组合的方法，其中，估计转子位置包括：响应于在定子绕组处施加第一电压脉冲，在定子绕组处测量第一电流样本；以及响应于在定子绕组处施加第二电压脉冲，在定子绕组处测量第二电流样本，其中第二电压脉冲具有与第一电压脉冲相反的极性。
示例18.根据示例14-17的任何组合的方法，其中，施加恒定启动电压包括：当第一电流样本大于第二电流样本时，施加具有第一极性的恒定启动电压；以及当第一电流样本不大于第二电流样本时，施加具有第二极性的恒定启动电压，并且其中，第一极性与第二极性相反。
示例19.根据示例14-18的任何组合的方法，其中，计算转子位置包括：使用定子绕组处的电流估计逆电动势(反电动势)电压；以及使用反电动势电压计算转子位置；并且其中，对定子绕组处的电流进行换流包括：使用计算的转子位置为定子绕组处的电流选择第一极性或第二极性，其中，第一极性与第二极性相反。
示例20.一种系统包括：单相无刷直流(BLDC)电机；电流传感器，被配置为在BLDC电机的定子绕组处生成电流的测量值；电源，包括电源节点和参考节点；第一开关模块，被配置为选择性地将定子绕组的第一节点耦合至电源节点或参考节点；第二开关模块，被配置为选择性地将定子绕组的第二节点耦合至电源节点或参考节点；驱动器，被配置为在第一状态和第二状态下工作，其中，在第一状态期间，驱动器被配置为驱动第一开关模块以将定子绕组的第一节点耦合至电源节点以及驱动第二开关模块以将定子绕组的第二节点耦合至参考节点，并且在第二状态期间，驱动器被配置为驱动第一开关模块以将定子绕组的第一节点耦合至参考节点以及驱动第二开关模块以将定子绕组的第二节点耦合至电源节点；以及控制器电路，被配置为：利用驱动器估计BLDC电机的转子位置；利用驱动器，使用估计的转子位置向定子绕组施加恒定启动电压，直到定子绕组处的电流的测量值对应于局部最小电流；响应于定子绕组处的电流的测量值对应于局部最小电流，允许定子绕组处的电流的换流；响应于允许定子绕组处的电流的换流，计算转子位置；以及使用计算的转子位置，利用驱动器对定子绕组处的电流进行换流。
本公开描述了各个方面。这些和其他方面包括在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于无刷直流(BLDC)电机的控制器电路，所述控制器电路被配置为：
估计所述BLDC电机的转子位置；
使用估计的所述转子位置，向所述BLDC电机的定子绕组施加恒定启动电压，直到所述定子绕组处的电流对应于局部最小电流；
响应于所述定子绕组处的电流对应于所述局部最小电流，允许所述定子绕组处的电流的换流；
响应于允许所述定子绕组处的电流的换流，计算所述转子位置；以及
使用计算的所述转子位置对所述定子绕组处的电流进行换流。
2.根据权利要求1所述的控制器电路，其中所述控制器电路被配置为：
当所述定子绕组处的电流的时间导数对应于零时，确定所述定子绕组处的电流对应于所述局部最小电流。
3.根据权利要求1所述的控制器电路，其中为了估计所述转子位置，所述控制器电路被配置为使用所述定子绕组处的电流估计所述转子位置。
4.根据权利要求1所述的控制器电路，其中为了估计所述转子位置，所述控制器电路被配置为：
响应于在所述定子绕组处施加第一电压脉冲，在所述定子绕组处测量第一电流样本；以及
响应于在所述定子绕组处施加第二电压脉冲，在所述定子绕组处测量第二电流样本，
其中所述第二电压脉冲具有与所述第一电压脉冲相反的极性。
5.根据权利要求4所述的控制器电路，
其中为了施加所述恒定启动电压，所述控制器电路被配置为：当所述第一电流样本大于所述第二电流样本时，施加具有第一极性的所述恒定启动电压，以及当所述第一电流样本不大于所述第二电流样本时，施加具有第二极性的所述恒定启动电压，并且
其中所述第一极性与所述第二极性相反。
6.根据权利要求1所述的控制器电路，
其中为了计算所述转子位置，所述控制器电路被配置为：
使用所述定子绕组处的电流估计反电动势(反emf)电压；以及
使用所述反电动势电压计算所述转子位置；并且
其中为了对所述定子绕组处的电流进行换流，所述控制器电路被配置为使用计算的所述转子位置为所述定子绕组处的电流选择第一极性或第二极性，其中所述第一极性与所述第二极性相反。
7.根据权利要求6所述的控制器电路，
其中为了计算所述转子位置，所述控制器电路被配置为：
当所述反电动势电压具有所述第一极性时，响应于所述反电动势电压过零，确定计算的所述转子位置对应于180度的电角；以及
当所述反电动势电压具有所述第二极性时，响应于所述反电动势电压过零，确定计算的所述转子位置对应于0度的电角；并且
其中为了对所述定子绕组处的电流进行换流，所述控制器电路被配置为：
响应于确定计算的所述转子位置对应于0度的电角，为所述定子绕组处的电流选择所述第一极性；以及
响应于确定计算的所述转子位置对应于180度的电角，为所述定子绕组处的电流选择所述第二极性。
8.根据权利要求1所述的控制器电路，其中为了计算所述转子位置，所述控制器电路被配置为：
响应于计算的所述转子位置对应于0度的电角，生成第一磁通量样本；
响应于计算的所述转子位置对应于180度的电角，生成第二磁通量样本；以及
使用所述第一磁通量样本和所述第二磁通量样本生成补偿电压。
9.根据权利要求8所述的控制器电路，其中为了生成所述补偿电压，所述控制器电路被配置为：
确定所述第一磁通量样本和所述第二磁通量样本的平均值作为比例积分控制器的输入；以及
通过所述BLDC电机的转速缩放所述比例积分控制器的输出。
10.根据权利要求8所述的控制器电路，其中为了计算所述转子位置，所述控制器电路被配置为：
使用所述定子绕组处的电流估计反电动势(反emf)电压；
当所述反电动势电压具有第一极性时，响应于所述反电动势电压过零，确定计算的所述转子位置对应于180度的电角；以及
当所述反电动势电压具有第二极性时，响应于所述反电动势电压过零，确定计算的所述转子位置对应于0度的电角，其中所述第一极性与所述第二极性相反。
11.根据权利要求8所述的控制器电路，其中为了计算所述转子位置，所述控制器电路被配置为：
使用所述补偿电压连续地估计所述BLDC电机的磁通量；以及
使用所述磁通量连续地计算所述转子位置，其中生成所述第一磁通量样本响应于对应于0度的电角的连续地估计的所述转子位置，并且其中生成所述第二磁通量样本响应于对应于180度的电角的连续地估计的所述转子位置。
12.根据权利要求1所述的控制器电路，其中所述控制器电路被配置为：
从电流传感器接收所述定子绕组处的电流的测量值。
13.根据权利要求1所述的控制器电路，还包括：
第一开关模块，被配置为选择性地将所述定子绕组的第一节点耦合至电源的电源节点或所述电源的参考节点；
第二开关模块，被配置为选择性地将所述定子绕组的第二节点耦合至所述电源节点或所述参考节点；以及
驱动器，被配置为基于所述控制器电路输出的控制信号在第一状态和第二状态下工作，其中在所述第一状态期间，所述驱动器被配置为驱动所述第一开关模块以将所述定子绕组的所述第一节点耦合至所述电源节点以及驱动所述第二开关模块以将所述定子绕组的所述第二节点耦合至所述参考节点，并且其中在所述第二状态期间，所述驱动器被配置为驱动所述第一开关模块以将所述定子绕组的所述第一节点耦合至所述参考节点以及驱动所述第二开关模块以将所述定子绕组的所述第二节点耦合至所述电源节点。
14.一种用于控制无刷直流(BLDC)电机的方法，所述方法包括：
通过控制器电路，估计所述BLDC电机的转子位置；
通过所述控制器电路，使用估计的所述转子位置向所述BLDC电机的定子绕组施加恒定启动电压，直到所述定子绕组处的电流对应于局部最小电流；
响应于所述定子绕组处的电流对应于所述局部最小电流，通过所述控制器电路允许所述定子绕组处的电流的换流；
响应于允许所述定子绕组处的电流的换流，通过所述控制器电路计算所述转子位置；以及
通过所述控制器电路，使用计算的所述转子位置对所述定子绕组处的电流进行换流。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
当所述定子绕组处的电流的时间导数对应于零时，通过所述控制器电路确定所述定子绕组处的电流对应于所述局部最小电流。
16.根据权利要求14所述的方法，其中估计所述转子位置包括：使用所述定子绕组处的电流估计所述转子位置。
17.根据权利要求14所述的方法，其中估计所述转子位置包括：
响应于在所述定子绕组处施加第一电压脉冲，在所述定子绕组处测量第一电流样本；以及
响应于在所述定子绕组处施加第二电压脉冲，在所述定子绕组处测量第二电流样本，
其中所述第二电压脉冲具有与所述第一电压脉冲相反的极性。
18.根据权利要求17所述的方法，其中施加所述恒定启动电压包括：当所述第一电流样本大于所述第二电流样本时，施加具有第一极性的所述恒定启动电压；以及当所述第一电流样本不大于所述第二电流样本时，施加具有第二极性的所述恒定启动电压，并且其中所述第一极性与所述第二极性相反。
19.根据权利要求14所述的方法，
其中计算所述转子位置包括：
使用所述定子绕组处的电流估计反电动势(反emf)电压；以及
使用所述反电动势电压计算所述转子位置；并且
其中对所述定子绕组处的电流进行换流包括：使用计算的所述转子位置为所述定子绕组处的电流选择第一极性或第二极性，其中所述第一极性与所述第二极性相反。
20.一种系统，包括：
单相无刷直流(BLDC)电机；
电流传感器，被配置为在所述BLDC电机的定子绕组处生成电流的测量值；
电源，包括电源节点和参考节点；
第一开关模块，被配置为选择性地将所述定子绕组的第一节点耦合至所述电源节点或所述参考节点；
第二开关模块，被配置为选择性地将所述定子绕组的第二节点耦合至所述电源节点或所述参考节点；
驱动器，被配置为在第一状态和第二状态下工作，其中在所述第一状态期间，所述驱动器被配置为驱动所述第一开关模块以将所述定子绕组的所述第一节点耦合至所述电源节点以及驱动所述第二开关模块以将所述定子绕组的所述第二节点耦合至所述参考节点，并且其中在所述第二状态期间，所述驱动器被配置为驱动所述第一开关模块以将所述定子绕组的所述第一节点耦合至所述参考节点以及驱动所述第二开关模块以将所述定子绕组的所述第二节点耦合至所述电源节点；以及
控制器电路，被配置为：
利用所述驱动器估计所述BLDC电机的转子位置；
利用所述驱动器，使用估计的所述转子位置向所述定子绕组施加恒定启动电压，直到所述定子绕组处的电流的测量值对应于局部最小电流；
响应于所述定子绕组处的电流的测量值对应于所述局部最小电流，允许所述定子绕组处的电流的换流；
响应于允许所述定子绕组处的电流的换流，计算所述转子位置；以及
使用计算的所述转子位置，利用所述驱动器对所述定子绕组处的电流进行换流。
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