CN114123882A

CN114123882A - 单线圈bldc电机的制动

Info

Publication number: CN114123882A
Application number: CN202111010516.0A
Authority: CN
Inventors: D·勒曼; D·V·托多罗夫
Original assignee: Melexis Bulgaria EOOD
Current assignee: Melexis Bulgaria EOOD
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2041-08-31
Also published as: EP3961906A1; CN114123882B; US20220069749A1; US11770081B2

Abstract

本申请公开了单线圈BLDC电机的制动。一种用于制动单线圈BLDC电机的方法(100)，该方法(100)包括通过对以下一系列步骤进行多次迭代：持续制动周期的制动状态；以及持续冷却周期的高阻抗状态，其中在制动状态期间电流流过单线圈，并且在高阻抗状态期间没有电流流过单线圈；其中，当电机在发电机模式下运行时，完成从制动状态到高阻抗状态的转换(110)。

Description

单线圈BLDC电机的制动

技术领域

本发明涉及单线圈无刷直流(BLDC)电机领域。更具体地说，它涉及一种用于制动单线圈BLDC电机的方法和设备。

发明背景

在驱动BLDC电机后制动BLDC电机时，BLDC电机的感应能量和动能需要以安全的方式去除。在一些应用中，不允许或不可能将此能量推回BLDC电机的电源。

标准解决方案是停止驱动电机，并让其因自身负载(摩擦等)而停止。

在某些应用中，最好或有必要尽可能快地制动电机。典型应用是被热插拔以便维修的高速风扇。这种高速旋转风扇对维修工程师来说是危险的。其他应用是需要快速改变方向的风扇，这或者是由于风车状况，也可能是因为气流方向需要反转，诸如在家庭通风应用中。

当要解决多相BLDC电机(例如三相电机)的尽可能快地制动电机的问题时，通常利用这些线圈以星形或三角形配置互连的事实。

然而，这在单线圈电机中是不可能的，因为它们只有一个电机线圈。

对于低功率单线圈电机，通常将全桥切换为续流，以制动电机。对于低功率电机，最大续流相电流(Iphase，fw)不应超过最大电流(Iphase，max)：

在方程式中，V_BEMFmax是产生的最大反电动势电压，R_total是线圈电阻和驱动器电阻的总和。对于大功率电机，该总电阻较小，导致高制动电流，应限制该电流，以保护H桥驱动器免受过电流状况的影响

单线圈电机的第一个制动条件是，假设在开始制动之前，单线圈BLDC电机正由H桥输出驱动器主动驱动。在这种情况下，电机线圈带有感应能量，其与相电流的平方成正比E_inductive＝I_phase ².

第一种方法将H桥驱动器立即切换到如下状态，在该状态下，通过电机线圈的电流路径被中断，并且感应能量瞬间放电到电源中，这称为回扫脉冲。电流路径的中断可以通过几种方式实现，例如，打开两个导电晶体管中的一个。在任何一种情况下，电流都将持续流过相反晶体管的体二极管，该相反晶体管也可选择地被开启。

取决于电机的电感，回扫脉冲为几微秒到几毫秒，但动能通过感应到线圈中的BEMF电压转换为电流。从线圈释放回扫脉冲后，如果存在导电路径，则BEMF电压将感应出发电机模式电流。为了避免这种导电路径，所有四个晶体管必须保持关闭状态，使H桥处于高阻抗模式(HiZ)。

如果不允许回扫能量流回电源，则会提供去耦电容，该去耦电容会累积该回扫能量电荷，这意味着电源电压会升高。在一般情况下，几μF的典型去耦电容可能不足以防止超过最大允许工作电压。用于集成电机控制器的最先进的行业标准CMOS技术的特征尺寸范围为1.0μm到0.1μm及更小。这种小特征尺寸技术是标准可用的，其中，针对12V应用的最大工作电压高达16V或18V或20V，用于24V应的最大工作电压高达28V、32V和40V或50V，或汽车13.6V电池解决方案，或用于多达8个电池串联的锂离子电池解决方案，用于48V应用的电压高达60V。60V是法定的安全最大工作极限。如果工作电压可能高于此60V安全限值，则必须预见特殊预防措施以保护最终用户/消费者，这会使设计复杂化，因此应尽可能避免。替代地，直接在主电源(100Vac至240Vac)上运行的应用需要分别能够在高达200V和400V电压下工作的专用技术，并且需要专用隔离，以防出现短时间的较高电压尖峰。此外，这些技术具有有限的过电压水平。通常，过电压越高，作为可用技术的标准就越少，因此不是首选技术。限制过电压的第一个现有技术解决方案是增加去耦电容的大小。

为了避免如此高的过电压水平，可以增大去耦电容器的尺寸。然而，添加大量去耦电容器对于集成在内置于此类风扇/泵设计内部的有限空间的集成电路板上并不明显。

对于增加的电机功率，例如12V或24V下的2A电机，结合电机的增加的线圈电感(例如0.1mH、0.5mH或2mH、10mH或20mH)，感应能量(L*I²)/2正在增加。

随着感应能量的增加，优选的现有技术解决方案是应用电源钳位电路，以保护输出驱动器和电机线圈免受可能损坏驱动器或电容器或电机的过电压条件的影响。通常在驱动电路外部施加瞬态电压抑制器(TVS)。还要注意，随着钳位电压的增加，钳位器中的耗散能量(I_phase*V_clamp)也会增加，并且钳位结构变得更大以吸收该能量。这种外部TVS钳位器具有较宽的电压范围，这取决于例如其工序公差、结温和实际钳位电流。这种变化要求H桥驱动器在最大所需工作电压和H桥驱动器技术的击穿电压之间有额外的裕度。

在这种第一制动方法中，单线圈BLDC电机可能由于其外部负载和轴承中的摩擦而减速。虽然在高速时，负载对降低风扇/泵的速度非常重要，但在低速时，该负载可忽略不计。摩擦因而决定电机完全停止的时间。这时间在很大程度上取决于轴承的使用年限和轴承润滑剂的粘度。这种粘度随温度呈指数变化。因此，这种滑行方法的尾部时间可能变化很大，这在上述应用中可能是不可接受的。

当电机由外部负载驱动时，这称为风车状态。在某些情况下，启动前，外部负载可能会使电机反向旋转。要以正确的方向启动单线圈电机，电机必须在以其他方向启动前制动以完全停止。

因此，称为被动制动的第二制动方法(可选地与第一制动方法组合)包括在全桥中创建循环路径。这可以通过接通低侧晶体管(LS)或高侧晶体管来实现。在其他实现方案中，可以使用其中一个LS(HS)晶体管的体二极管，加上其他LS(HS)FET的激活来创建再循环路径。

在消耗之前主动驱动状态的任何剩余驱动电流后，由来自转子的旋转磁场感应到电机线圈中的BEMF电压(V_BEMF)会感应出定义如下的发电机模式电流：

对于具有高BEMF电压和小线圈电阻的应用，这种情况会导致超过最大工作条件的过大的线圈电流。

例如，在24V应用中，V_BEMF可高达20V或更高，对于标称电机电流为例如1A的应用，总回路电阻(R_coil+R_DRIVE)可小于1欧姆，导致相电流为20A或更高，在转子退磁或线圈绕组过热之前，可能超过最大工作电流，该最大工作电流通常在集成驱动器标称电机电流的1.5至5倍范围内，并且在电机线圈标称电流的3至10倍范围内。超过最大工作电流将导致过热，并最终损坏驱动电路和/或电机线圈。

在现有技术解决方案中，基于最坏情况下的风扇/泵特性，在EEPROM中配置上述两种制动方法。因此，在典型操作条件下，可以更快地停止风扇/泵。

此外，最坏情况角点条件的定义并不总是显而易见的，可能需要大量的表征工作和分析。

在更高级的解决方案中，电机控制器估计或测量实际电机速度，以评估BEMF电压。一旦V_BEMF降至某个阈值以下，电机控制器就会切换到再循环。

尽管如此，这仍需要仔细评估角点条件下的最大允许V_BEMF，例如环境温度，它可能会在冷(T_a＝-40℃)和热(T_a＝125℃)之间影响75％的总电阻。此外，负载可能随着温度的变化而变化，尤其对于例如泵应用的情况，而风扇的摩擦负载不可忽略。因此，对于每种新的风扇/泵设计，都需要专门的表征工作。此外，开发风扇的设计工程师可能不太熟悉集成半导体的性能。因此，为了简化表征，将应用额外的裕度。

最后，在上述风车条件下，风扇在启动前以错误的方向旋转，可能是风扇永久性地超过了该V_BEMF阈值，使得该制动方法无效。

因此，需要一种更智能的制动方法。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种用于单线圈BLDC电机制动的良好制动的方法和设备。

以上目的由根据本发明的方法和设备来实现。

在第一方面中，本发明的实施例涉及用于制动单线圈BLDC电机的方法。该方法包括通过以下序列迭代多次：

-持续制动周期的制动状态，

-以及持续冷却周期的高阻抗状态，

-其中，在制动状态下，电流流过单线圈，在高阻抗状态下，没有电流流过单线圈，

-其中，当电机在发电机模式下运行时，完成从制动状态到高阻抗状态的转换。

在本发明的实施例中，单线圈BLDC电机包括带有永磁体的转子。

其中多次执行制动状态和高阻抗状态的序列的这种方案允许防止电机过热，同时提供电机的有效制动。

在第二方面中，本发明的实施例的第二方面涉及用于驱动单线圈BLDC电机的电机驱动器，该电机驱动器包括：

控制器，

一种全桥输出驱动器，包括一对高侧晶体管和一对低侧晶体管，所述高侧晶体管和低侧晶体管与所述单个线圈连接，用于控制通过所述线圈的电流，

其中，控制器被配置为切换全桥驱动器的晶体管以制动电机，从而在持续制动周期的制动状态和持续冷却周期的高阻抗状态序列中迭代多次，其中，电流在制动状态期间流过单线圈，并且在高阻抗状态期间，没有电流流过单线圈，并且当电机在发电机模式下运行时，完成从制动状态到高阻抗状态的转换。

在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。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与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那样。

根据此后所描述的(多个)实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的，并且参考这些实施例阐明了本发明的这些方面和其他方面。

附图的简要说明

图1示出了根据本发明实施例的示例性电机驱动器的框图。

图2示出了根据本发明实施例的示例性电机驱动器的框图，其中限流器、钳位功能、控制器和输出驱动器集成在单个封装中。

图3示意性地示出了可应用于根据本发明实施例的方法中的全桥输出驱动器状态。

图4示出了用于单个能量脉冲的集成钳位器的安全操作区域的示例，其由取决于回扫脉冲宽度的最大允许峰值电流定义。

图5示出了用于集成钳位器的单个能量脉冲的安全操作区域的示例，其由取决于回扫脉冲宽度的最大允许功率定义。

图6示出了根据本发明的实施例的使用实现这种方法的方法或设备驱动单线圈无刷DC电机时获得的操作参数的轨迹。

图7示出了根据本发明实施例的使用实现这种方法的方法或设备驱动单线圈无刷DC电机时获得的操作参数的轨迹，其中，初始滑行时间大于后续冷却周期，且其中初始电流阈值的绝对值大于后续电流阈值的绝对值。

图8示出了根据本发明实施例的使用实现这种方法的方法或装置驱动单线圈无刷DC电机时获得的操作参数的轨迹，其中电流阈值是钳位结构温度的函数。

图9示出了根据本发明实施例的示例性方法的流程图。

图10示出了根据本发明实施例的示例性方法的流程图，其中，电流阈值是电机温度的函数，并且其中，当电源电压超过预定义阈值时，并联负载被激活。

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，相同的附图标记指代相同或相似的要素。

具体实现方式

将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性的且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，要素中的一些要素的尺寸可被放大且未按比例绘制。尺度和相对尺度不对应于对本发明的实现的实际减少。

说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似的要素之间进行区分，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以任何其他方式的顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的实施例能够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。

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，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。它意味着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是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所描述的特定的特征、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指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如通过本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性能以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，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，该公开方法不应被解释为反映要求保护的发明要求比每一项权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。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中。因此，具体实现方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实现方式中，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不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的那样，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能以任何组合来使用。

在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实现本发明的实施例。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。

在本发明的第一方面实施例中，涉及用于制动单线圈BLDC电机的方法100，该方法100包括通过以下序列迭代多次：

持续制动周期的制动状态，

-以及持续冷却周期的高阻抗状态，

其中，当电机在发电机模式下运行时，完成从制动状态到高阻抗状态的转换110。图9中示出了根据本发明实施例的示例性方法的流程图。

本发明实施例的优点是，在制动电机时多次执行制动状态和高阻抗状态的序列。这允许防止电机过热，同时提供电机的有效制动。当通过线圈的电流反向时，完成从制动状态到高阻抗的转换，从而电机在发电机模式下运行。例如，这可以在电流极限被跨越时完成。当从制动状态切换到高阻抗状态时，将产生回扫脉冲。在回扫脉冲后，没有电流流过线圈，电机将冷却。通过提供一系列制动状态和高阻抗状态，高效制动可直接跟随电机冷却。

在本发明的实施例中，当达到电流阈值(例如，ICLIMBrake)时，可以完成从制动状态到高阻抗状态的转换110。

根据本发明实施例的方法可包括吸收通过将从制动状态转换110到高阻抗状态而诱导的回扫脉冲，从而将电机的电源电压钳位到最大电压。这称为钳位功能。冷却周期和/或电流阈值可根据指示由钳位功能引起的工作温度的信号来调整。

在本发明的实施例中，回扫脉冲电流可由反极性函数和/或电感负载阻断。

在本发明的实施例中，可以避免电源中的电流推回。

有利的是，在不允许或能够限制电流流回电源的情况下，本发明描述了一种方法或设备，该方法或设备利用电源钳位和可配置的限流功能，以快速但受控且因此安全的方式使单线圈BLDC电机完全停止。

在本发明的实施例中，从高阻抗状态过渡到制动状态，使得冷却周期和制动周期的比率至少为5％。

在本发明的实施例中，冷却时间可随着设备变得更热而增大。

在本发明的第二方面实施例中，涉及用于驱动单线圈BLDC电机的电机驱动器200，电机驱动器200包括：

控制器210，

全桥输出驱动器220，包括一对高侧(HS)晶体管和一对低侧(LS)晶体管，它们与单个线圈连接，用于控制通过该线圈的电流，

其中，控制器被配置为切换全桥驱动器的晶体管以制动电机，从而在持续制动周期的制动状态和持续冷却周期的高阻抗状态序列中迭代多次，其中，电流在制动状态期间流过单线圈，并且在高阻抗状态期间，没有电流流过单线圈，并且其中当电机在发电机模式下运行时，完成从制动状态到高阻抗状态的转换。

在本发明的实施例中，控制器功能不一定需要在一个组件中实现。晶体管的控制例如可以在第一组件中实现，而诸如电流阈值和电压阈值的阈值的控制可以在单独的组件中实现。图1和图2示出了根据本发明实施例的电机驱动器的示意图。

在本发明的实施例中，控制器210可配置为通过以下方式将电机切换到制动状态：

接通两个高侧晶体管、两个低侧晶体管，或接通一个高侧晶体管或一个低侧晶体管，以便电流可以分别通过接通的晶体管和相对的高侧晶体管或相应的低侧晶体管的体二极管，或者

主动制动，在这种制动中，晶体管被切换，使得通过旋转电机的BEMF电压产生电流路径，从而使电机处于发电机模式。

在这种情况下，电流从地面流向电源。

在本发明的实施例中，电机驱动器可包括电流限制器230，其被配置用于在相电流达到电流阈值时触发控制器从制动状态切换到高阻抗状态。

在本发明的实施例中，电机驱动器200可包括钳位器240，钳位器240被配置用于通过对由从制动状态转换110到高阻抗状态所感应出的回扫脉冲引起的电流提供汲取路径来限制施加到全桥输出驱动器的最大电压。

该回扫脉冲由储存在单线圈电机线圈中的感应能量和/或存在于永磁转子以不等于零的速度旋转的单线圈电机中的BEMF电压感应出。

在本发明的实施例中，电源钳位器240、限流器230和全桥(H桥)输出驱动器可以实现为围绕控制器210的离散解决方案。控制器例如可以是状态机或基于微控制器的电机控制器。

在本发明的实施例中，电流限制功能与集成电源钳位结构相结合，以实现允许使单线圈BLDC电机完全停止的自适应制动功能。

本发明实施例的优点是，它们利用电流限制与电源钳位的组合，使单线圈BLDC电机完全停止。本发明实施例的优点是，这可以在多种情况下(操作区域或过程变化之内的不同操作条件)实现。

在根据本发明的进一步实现方案中，控制器可以与H桥输出驱动器和限流功能集成为单片解决方案，或者作为一个半导体封装(例如SOIC或QFN或TSSOP或TQFP等)内的多芯片解决方案，并与外部钳位器(例如TVS)相结合。

本发明的实施例对于钳位结构集成到全桥驱动器中的驱动器尤其感兴趣。应用可能是这样的应用：驱动器可以集成在单片解决方案中，将控制器以及全桥结合到单个集成电路(IC)中。例如，线圈电流的应用范围可高达2A或最大3A，电源电压的应用范围可高达5V、12V、24V甚至48V。例如，工作功率可高达50W，甚至高达100W及以上。后者可以通过在一个封装中结合不同的技术来实现，这些技术允许将功率范围增加到100W及以上。例如，将氮化镓场效应晶体管(GaN FET)与硅控制器组合成单个半导体封装。

该钳位器可以实现为基于齐纳击穿的钳位器。或者，钳位器也可以通过大量电容器实现，其电容非常高，以至于在制动过程中永远不会达到FET击穿电压。所需的总电容可在电机设计期间进行表征/验证。在后一种情况下，钳位器过热意味着电容器过热。电容器的发热明显小于齐纳击穿的钳位器的发热。

图1示出了根据本发明实施例的用于单线圈BLDC电机的示例性电机驱动器的框图。其显示了根据本发明实施例的单线圈260、H桥驱动器220、用于钳位的齐纳二极管240、用于制动的控制器210、限流功能230和钳位器温度传感器。

在本发明的实施例中，冷却周期可由控制器设置。控制器可以在一个组件或多个组件中实现。定时器例如可以在单独的组件中实现。

在本发明的实施例中，电机驱动器可以包括负载250，并且控制器220被配置为当电机的电源电压达到第一预定义电压电平时将负载250并联连接到电机，并且当电源电压降到第二预定义电压电平以下时断开负载250。

图2示出了根据本发明实施例的示例性电机驱动器的框图。在此示例中，电机驱动器具有实现钳位功能240的集成设备(在描述中，当描述为电机驱动器设备时，设备本身也被称为钳位功能240)、具有自适应制动控制的控制器210和可选的外部可切换负载250。在图2中，限流器230和钳位功能240与控制器210和H桥输出驱动器220集成在单个封装中。

在图2的实现中，控制器可以访问指示钳位功能的结温T_J的传感器信号。例如，如果钳位功能实现为线性控制器H桥驱动器FET，则IC结温可以用作指示钳位器温度的信号。

在图2所示的示例性实施例中，可选外部负载250可由控制器210控制。可以接通该外部负载以从去耦电容器中汲取能量。除钳位结构外，这还创建了一个平行汲取路径。这种外部负载将减少钳位结构中要耗散的能量，如果钳位器是集成的，这将特别有益。此外，负载可以将电压降低到钳位电平以下(例如，第一预定义的电压电平)，直到达到某个欠电压电平(例如，第二预定义的电压电平)。这些阈值在图2中由保护装置280示出。例如，这些可以存储在存储器中。外部负载可用于降低电压电平。例如，在12V应用并且在40V钳位的情况下，钳位器仅将电压限制在40V。电子设备的消耗是将电压从40V降低的唯一方法。使用此外部负载，电源电压可降低至略高于电源电压(如果这存在)，例如13V，或者在没有电源的热插拔情况下，可进一步降低至略高于电子设备的通电复位水平，例如5V。

此负载也可以集成。在这种情况下，热源仍在同一包装中，因此与外部负载相比，分离热量的好处可能更小。

这种负载对于根据图7的方法特别有意义，其中回扫脉冲的序列过快，以至于不能通过电子器件的自身消耗显著降低电源电压。关于如何实现此类负载的一些示例有：带开关的纯电阻负载或线性调节晶体管。

在本发明的实施例中，控制器被配置为切换全驱动器的晶体管，使得其从激活状态改变为迭代制动序列。存在通过持续制动周期的制动状态和持续冷却周期的高阻抗状态的序列进行多次迭代的情况。图3示意性地示出了可应用于根据本发明实施例的方法中的全桥输出驱动器状态。如这些示意图所示，当从制动状态(LS)过渡到高阻抗状态(HiZ)时，会产生回扫脉冲。

在优选实施例中，全桥输出驱动器220(H桥输出驱动器)的晶体管被重新使用以实现钳位功能。这允许减小电机驱动器的尺寸，从而简化系统集成。控制器可被配置用于控制全桥驱动器的晶体管，以使其被重新使用于钳位功能。这例如可以通过以下方式来实现：以线性模式调节至少两个晶体管以创建从电源到地的路径，从而耗散这些晶体管内的多余能量。或者半桥同一支路中的两个晶体管可以接通以避免电流流过线圈，或者一侧的HS晶体管可以与另一侧的LS晶体管组合(例如在激活配置中)以利用BEMF电压并降低晶体管上的电压降，从而限制了自发热。这种方法的缺点是电机会再次略微加速。在另一个实现中，两个支路都接通，这与单个支路相比是有益的，因为耗散分布在更多晶体管上，从而最小化局部过热的机会。

将钳位器集成到H桥驱动器中的一个好处是，钳位器公差可以设计成与H桥驱动器的工序公差成比例，因此，H桥驱动器技术的最大电源工作范围和击穿电压之间需要的裕度更小。另一方面，与可从广泛功率范围中自由选择的外部TVS应用相比，可吸收的回扫能量的最大量更为有限。

钳位器吸收回扫脉冲能量的能力由其安全工作区(SOA)定义，该安全工作区由最大能量吸收能力设置。超过SOA，尤其是钳位器过热会导致损坏。图4示出了用于单个能量脉冲的集成钳位器的SOA的示例，该SOA由作为回扫脉冲宽度的函数的最大允许峰值电流定义。短回扫脉冲的长度由存储在电机线圈中的感应能量的量、当前BEMF电压和回扫路径中的电阻负载确定。它的范围从最短的1μs到数ms。

例如：

对于高达10μs的单脉冲，可吸收3.0A的峰值电流，相当于约5mW。

对于高达100μs的单脉冲，可吸收高达1.0A的峰值电流，相当于约17mW，

对于高达3ms的单脉冲，可吸收高达0.4A的峰值电流，相当于约74mW。

在本发明的实施例中，控制器可以被配置为根据指示电机工作温度的信号调整冷却周期。例如，这可以是钳位设备的结温或使用温度传感器或指示电机温度的另一信号获得的温度。

在本发明的实施例中，控制器可被配置为根据指示电机工作温度的信号调整电流阈值。

在本发明的优选实施例中，控制器可以访问钳位器瞬时温度。由于钳位器的发热非常快，控制器和钳位器的集成有利于实现响应速度足够快的反馈回路，以避免过热。控制器如何能调整自适应制动功能以避免过热的方法示例有：例如，通过调整冷却温度，或通过调整ICLIM阈值(ICLIMbrake)。可选地，控制器可设计为最大程度制动以尽可能接近SOA，例如通过将ICLIM增加到最大电平(ICLIMmax)或减少冷却时间。

表示SOA的另一种方法是对最坏情况下的电阻和BEMF电压进行假设，例如选择Rcoil＝0Ohm，BEMF电压＝VDD。下表给出了这样一个示例，其中SOA是通过限制最大允许电感值来定义的，该值可针对给定的电流限制(ICLIM)和给定的最大电源电压进行组合。电流限制确保相位电流不会超过预定义的ICLIM阈值。

钳位器的安全操作区域由钳位器结构本身、其封装及其环境(如PCB和最终二次成型化合物)的热容量和电阻确定。实际上，钳位器结构的热容量可能足以缓冲其SOA边缘单个脉冲的大部分发热。这种脉冲将加热钳位结构，使其接近其绝对最高工作温度。单个脉冲被定义为，在单个脉冲之后，在接收下一个脉冲之前，施加足够的时间使钳位器通过其热阻路径再次基本冷却，从而在脉冲序列中不会累积热量。如果重复脉冲使得热量被积累，热容量将不足，因此SOA可能会显著降低。与单个回扫脉冲相比，一系列回扫脉冲的回扫脉冲能量可能低10倍、或100倍或更多。当提及由ICLIM值定义的SOA时，这意味着在应用重复的回扫脉冲序列时，必须对给定的电机线圈电感应用更低的电流限制，例如，与单个回扫脉冲的允许ICLIM值相比，最小间隔为20μs或50μs或100μs或500μs。

重复脉冲的ICLIMbrake值通常低于集成钳位器标称工作期间允许的最大ICLIMnom。例如，对于ICLIMnom＝2A的应用，ICLIMbrake可能小于500mA。因此，根据本发明的优选实施例意味着可根据正常工作和制动之间的工作模式进行调整的ICLIM功能。

图5示出了集成钳位器的单个能量脉冲的安全工作区(SOA)的示例，该安全工作区由最大允许功率定义为回扫脉冲宽度的功能。

图6示出了当应用根据本发明示例性实施例的方法时，BEMF电压、电源电压VDD、线圈电流和桥状态的轨迹。在本例中，电机在制动前被驱动，因此线圈电流在制动前存在于激活方向。

在这个实现中，首先应用续流状态。在这种续流状态下，相位电流最初衰减为零。一旦电流过零，BEMF电压开始感应发电机模式电流。当发电机模式电流达到ICLIMbrake时，H桥驱动器从续流状态切换到高阻抗状态HiZ。

时间tLS1是指H桥驱动器在达到ICLIMbrake之前续流的时间，由电机线圈中的ICLIMbrake值、线圈电阻和BEMF电压定义。

跟随开关至HiZ的回扫脉冲将对去耦电容器充电，并可选地触发钳位电路。

在时间t_z1期间，电源电压随着驱动电子设备在HiZ期间的正常电流消耗而耗尽。可选地，可在电源上接通专用负载，以加速对去耦电容上的电压的放电。在t_z1期间，钳位器可以冷却。因此，在本发明描述中，t_z1也被称为冷却时间。

在图6所示的实现中，ICLIMbrake对于所有回扫脉冲都是固定的。t_z1可由控制器设置为固定值或可变值，例如取决于指示钳位结构温度的信号，或作为去耦电容器上电源电压演变的函数。可以注意到，电源电压VDD在每个回扫脉冲处都被泵送。取决于t_LSn、t_zn、ICLIMbrake值和去耦电容大小，VDD可能被电源钳位，并且回扫脉冲在钳位器结构内消散。

可以注意到，t_LSn根据电机旋转瞬间的BEMF值而变化。当BEMF电压超过零时，感应电流也将超过零时，因此t_LSn将更长，利用了更长的续流周期，而没有实际的回扫脉冲。

图6显示了具有固定电流阈值的t_LSn和t_zn的不同组合。当超过该电流阈值时，控制器从制动状态切换到高阻抗状态。在该示例性实施例中，选择ICLIMbrake使得在回扫脉冲之间的最小间隔内实现SOA，换句话说，最小间隔确保所选ICLIMbrake的钳位功能不会过热。

根据本发明实施例的电机驱动器可被配置为根据指示钳位功能240的工作温度的信号来调整电流阈值，该钳位功能240钳位由回扫脉冲产生的电压。指示钳位温度的信号例如可以是：

在预定义时间范围内触发钳位的脉冲数，

基于电机状态信息的信号，如电机转速、BEMF峰值电压、相电流等。

指示钳位器温度的实际信号，例如，集成钳位器结温传感器，或指示电机线圈温度的信号。电机驱动器可以集成在集成电路(IC)中。温度传感器可以是电机驱动器的一部分。在本发明的实施例中，开关晶体管的体二极管还可以给出温度信息。由于开关晶体管的导通电阻随温度变化，因此开关晶体管的导通电阻也会指示IC的温度。电机线圈的欧姆电阻也可用作电机的温度指示，因为它随温度而变化。磁铁和BEMF也与温度有关。在进行这些测量之前，可在制造时进行校准步骤，以确定测量参数与温度之间的关系。

指示钳位器温度的信号可以与实际钳位器温度成比例缩放。

在本发明的实施例中，经过一系列制动状态和之后的高阻抗状态的迭代被确定度量(例如，制动时间、冷却时间、电流限制)，使得由制动电机引起的热耗散在钳位结构、电机和外部负载之间平衡。

在本发明的实施例中，可通过PWM控制器实现冷却周期。因此，部分控制器功能使用PWM控制器实现。可基于指示电机温度的信号中断PWM控制器的工作。这例如可以是指示钳位器温度的信号。

图7示出了使用根据本发明实施例的利用第一初始电流阈值和初始滑行时间的方法获得的信号轨迹，其中，初始滑行时间(t_z1＝tcoast)大于后续的冷却周期(t_zn)，且其中初始电流阈值(ICLIMbrake1st)的绝对值大于后续电流阈值(ICLIMbrake)的绝对值。当设计电机驱动器来实现此方法时，可使用PWM控制器来定义t_zn。

在根据本发明实施例的示例性方法中，可以应用定时器，其在PWM周期结束时重置高阻抗状态(HiZ)，这样冷却周期(t_zn)被限制为PWM周期tPWM。使t_LSn/t_zn比率最大化可使再循环时间最大化，从而使制动速度最大化。然而，这也意味着后续回扫脉冲之间的间隔时间缩短，因此电源钳位器的发热将增加。因此，与允许后续回扫脉冲之间的较长间隔的实现相比，电流限制水平可能必须进一步降低。对于具有集成电流限制和集成电源钳位器的实现，可根据用于单个回扫脉冲的钳位器的SOA将标称电流限制ICLIMnom设置为最大允许水平。因此，此类最大化制动速度的实现可能必须通过在不同ICLIM结构之间切换或通过改变ICLIM结构的阈值来应用不同ICLIM功能。

在示例性方法中，如图8中的图表所示，ICLIMbrake是钳位结构温度的函数。例如，对于集成设备，可以使用结温。例如，在具有集成钳位结构的集成驱动电路的情况下，可以基于集成结温传感器信息来调整电流限制电平。当设计电机驱动器来实现此方法时，可使用PWM控制器来定义t_zn。过热保护结构可以阻止PWM控制器将H桥输出驱动器从Z重置为续流，从而允许更长的冷却时间。

由于此类实现的自我调节结构，制动可立即启动，无需考虑任何滑行时间，且可在风车状况下应用，无需考虑最大速度限制。

需要注意的是，对于滑行，通过关闭所有FET和H桥输出Hi-Z来停止电机。如果BEMF电压小于电机电压，则电机实际上与驱动器断开。电机将通过摩擦力缓慢滑行至零速。如果BEMF电压大于电机电压，则由于H桥的体二极管导电，首先会发生再生制动，将最小的能量返回到电源。滑行不会导致总线过冲，但不会很快停止电机。

即使可以在不考虑任何滑行时间的情况下立即启动制动，也可以理解，本发明可以与这种滑行时间结合应用，如图7所示。由于在这种情况下，第一回扫脉冲可被视为单个脉冲，因此可应用根据单个脉冲SOA允许的最大ICLIMnom。

在根据本发明的实施例中，首先可应用续流周期tLS1以避免第一回扫脉冲，并在相位电流放电并转换为发电机模式电流以达到第一CLIM_brake电平时利用滑行效应。施加在第一回扫脉冲上的电流极限电平可高达ICLIMnom。但是，如果ICLIMnominal处于钳位器容量的边缘，则可以建议从约为x*ICLIMnom的ICLIMbrake开始，其中x可以在0.9和0.2之间(例如，x可以等于0.9或0.8或0.6或0.4或0.2)。

在根据本发明的实施例中，在续流(高制动扭矩)和HiZ(低制动扭矩)之间切换制动扭矩会在电机中引起振动。特别是对于高惯量电机，制动可能需要超过100ms，如果产生的开关频率在可听范围内，则可听噪声可能会很大。对于使用PWM控制器的实现，例如使用20kHz的PWM频率，产生的扭距波动可能具有10kHz或以下的频率。

在ICLIM上应用一些随机变化将有助于在t_LSn中引入更多变化，以便在更宽的频带上传播扭距波动能量。

在根据本发明实施例的方法中，可在BEMF电压相对较低时启动续流周期，以确保长续流周期和最小回扫脉冲。例如，续流周期(LS)可在BEMF即将过零点之前开始(见图6，其中续流周期在BEMF过零点之前开始，在BEMF过零点之后结束)，可根据风车检测电路或霍尔传感器位置信息，或者通过测量BEMF峰值电压进行预测。当发电机模式相电流达到ICLIMbrake阈值时，输出驱动器从续流切换到Z。

电流限制功能的典型消隐时间为几微秒，以避免在正常工作中由于电流或电压振铃而导致错误触发。对于40μs的示例PWM周期，通过这种方式可实现的高阻抗周期和续流周期(t_zn/t_LSn)之间的最小可能比率约为5％。

如果续流期间的电流上升时间会导致相位电流显著超过ICLIMbrake，则可能会超过SOA。因此，对于制动功能，可能会对其进行修改以消除消隐周期，或者应调整ICLIMbrake(T_J)功能以预测此类风险。替代地，在消隐时间到期之前达到ICLIM的情况下，可以应用额外的冷却周期，例如，通过在下一个PWM周期或多个周期中不切换到续流。

由于这种续流期间发电机模式电流感应非常快的状况通常发生在启动制动后的初始EHP期间的BEMF电压的峰值期间，因此在本发明的其他实施例中，控制器可监测感应的V_BEMF，并决定重新启动制动，直到BEMF降至某一电平以下，或在下一个BEMF ZC处重新启动。

图9示出了根据本发明实施例的示例性方法100的流程图。流程图说明了基于续流迭代直到达到ICLIMbrake、然后将桥式驱动器切换110到高阻抗状态HiZ从而产生被吸收的回扫脉冲的过程的制动方法。在冷却周期(tz)内保持高阻抗级，之后桥驱动器切换120回续流，直到电机停止旋转。在本发明的实施例中，流程也可以从高阻抗状态开始，即使这会产生一个额外的回扫脉冲。

根据本发明实施例的方法可包括当电机的电源电压达到第一预定义电压电平时将负载与电机并联连接，以及当电源电压降至第二预定义电压电平以下时断开负载。根据本发明实施例的电机装置可被配置用于执行这种方法。因此，它可能有用于测量电源电压的接口，以及用于控制开关以连接或断开负载的接口。

在本发明的实施例中，第一预定义电压电平和第二预定义电压电平可以相同。

在本发明的优选实施例中，第一和第二电压电平之间的范围被最大化，以便最大限度地受益于卸载效应。第一预定义电压电平可能受到H桥驱动器的最大击穿电压的限制。它可以是所应用的电源电压VDD和该击穿电压之间的任何电压电平。在电机被钳位到最大电压的本发明的实施例中，第一预定义电压电平应低于钳位电压电平。

在本发明的实施例中，第二电压电平可以高于标称电源电压，以避免并联负载从电源获取能量。在热插拔的情况下，没有连接电源，因此第二电压电平可能与欠压保护电平一样低，或者可能降至断电电平。

负载可以是电机本身。在这种情况下，电流会在适当的时候重新注入电机，以避免电流流入电源，使情况变得更糟。因此，电机将再次略微加速。

在本发明的实施例中，负载可以是带开关的电阻负载或线性调节开关。

图10示出了根据本发明实施例的示例性方法的流程图。流程图说明了一种扩展实现，其中电流阈值取决于电机T_J的温度。此外，在该实现中，当相位电流超过电流阈值时，全桥驱动器的晶体管切换110到高阻抗模式HiZ。当PWM周期tpwm结束时，全桥驱动器切换120至续流状态。在此示例中，如果指示电机温度的信号小于或等于预定义阈值，并且如果尚未达到最大电流阈值，则电流极限的绝对值增加。如果指示电机温度的信号大于预定义阈值，则电流阈值的绝对值将降低。在步骤130中进行当前阈值调整。

在图10的扩展实现中，当电源电压超过预定义阈值(VDD_br_min)时激活并联负载，当电源电压小于预定义阈值时停用并联负载。在该示例性实施例中，使用一个预定义电压阈值。然而，本发明不限于此。当电源电压超过第一预定义阈值时，可激活并联负载，当电源电压小于第二预定义阈值时，可停用并联负载，其中第二预定义阈值小于第一预定义阈值。

Claims

1.一种用于制动单线圈BLDC电机的方法(100)，所述方法(100)包括通过以下序列进行多次迭代：

持续制动周期的制动状态，以及

持续冷却周期的高阻抗状态，其中在所述制动状态期间电流流过所述单线圈，并且在所述高阻抗状态期间没有电流流过所述单线圈，

其中，当所述电机在发电机模式下工作时，完成从所述制动状态到所述高阻抗状态的转换(110)。

2.如权利要求1所述的方法(100)，其中当达到电流阈值时，完成从所述制动状态到所述高阻抗状态的转换(110)。

3.如权利要求1所述的方法(100)，所述方法包括钳位功能，用于吸收通过从所述制动状态转换(110)到所述高阻抗状态而产生的回扫脉冲，从而将所述电机的电源电压钳位到最大电压。

4.如权利要求1所述的方法(100)，其中，当所述冷却周期和所述制动周期的比率至少为5％时，完成从所述高阻抗状态到所述制动状态的转换(120)。

5.如权利要求1所述的方法(100)，其中所述冷却周期根据指示所述钳位功能引起的工作温度的信号来调整。

6.如权利要求2所述的方法(100)，其中所述电流阈值根据指示所述钳位功能引起的工作温度的信号来调整(130)。

7.如权利要求1所述的方法，所述方法包括当所述电机的电源电压达到第一预定义电压电平时将负载与所述电机并联连接，以及当所述电源电压降至第二预定义电压电平以下时断开所述负载。

8.一种用于驱动单线圈BLDC电机的电机驱动器(200)，所述电机驱动器(200)包括：

-控制器(210)，

-全桥输出驱动器(220)，包括与所述单线圈连接的一对高侧晶体管和一对低侧晶体管，用于控制通过所述线圈的电流，

-其中所述控制器(210)被配置用于切换全桥驱动器的晶体管以制动所述电机，从而在持续制动周期的制动状态和持续冷却周期的高阻抗状态的序列中迭代多次，其中在所述制动状态期间电流流过所述单线圈，并且在所述高阻抗状态期间没有电流流过所述单线圈，并且当所述电机在发电机模式下运行时，完成从所述制动状态到所述高阻抗状态的转换。

9.如权利要求8所述的电机驱动器(200)，其中所述控制器(210)被配置用于通过以下方式将所述电机切换至制动状态：

接通两个高侧晶体管、两个低侧晶体管，或者接通一个高侧晶体管或一个低侧晶体管，使得所述电流能够分别再循环通过接通的晶体管和相对的高侧晶体管和相应的低侧晶体管的体二极管，或通过以下方式：

-主动制动，其中所述晶体管被切换，使得通过所述旋转电机的BEMF电压产生电流路径，使得所述电机处于发电机模式。

10.如权利要求8所述的电机驱动器(200)，所述电机驱动器(200)包括限流器(230)，被配置用于在所述相电流达到电流阈值时触发所述控制器从所述制动状态切换到所述高阻抗状态。

11.如权利要求8所述的电机驱动器(200)，所述电机驱动器(200)包括钳位器(240)，其被配置用于通过对从所述制动状态转换(110)到所述高阻抗状态所产生的回扫脉冲引起的电流提供汲取路径来限制施加到所述全桥输出驱动器的最大电压。

12.如权利要求9所述的电机驱动器(200)，其中所述冷却周期由所述控制器设置。

13.如权利要求9所述的电机驱动器(200)，所述电机驱动器包括负载(250)，并且所述控制器(220)被配置用于当所述电机的电源电压达到第一预定义电压电平时，将所述负载与所述电机并联连接，并且当所述电源电压降到第二预定以电压电平以下时，断开所述负载。

14.如权利要求9所述的电机驱动器(200)，其中所述冷却周期的控制由PWM控制器实现。

15.如权利要求9所述的电机驱动器(200)，其中所述控制器(220)被配置用于根据指示所述钳位器(240)的工作温度的信号调整所述电流阈值。