CN110391771A

CN110391771A - 半导体器件、电机驱动系统和电机控制程序

Info

Publication number: CN110391771A
Application number: CN201910244945.0A
Authority: CN
Inventors: 鸣海聪
Original assignee: Zushi Kyoko Co Ltd
Current assignee: Zushi Kyoko Co Ltd
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2019-10-29
Also published as: JP7016762B2; EP3553939B1; US11114962B2; JP2019187154A; EP3553939A1; US20190319562A1

Abstract

本申请涉及半导体器件、电机驱动系统和电机控制程序。本公开以稳定的方式启动三相电机。在无刷DC电机的启动操作期间，电机驱动系统在转子静止时检测特别合适的转子的位置，并根据检测到的转子的位置将驱动电流施加到两相。控制器根据在驱动电流施加期间由检测器检测的并且处于非导通相的反电动势的幅度来改变驱动电流施加的时间。

Description

半导体器件、电机驱动系统和电机控制程序

相关申请的交叉引用

2018年4月13日提交的日本专利申请No.2018-077627的公开内容，包括说明书、附图和摘要，通过引用整体并入于此。

技术领域

本公开涉及半导体器件、电机驱动系统和电机控制程序。例如，本公开适用于控制无传感器无刷DC电机(也称为永磁同步电机)。

背景技术

在无刷直流电机的无传感器控制中，当电机的转子旋转时，在非导通相中的定子绕组中产生反电动势(BEMF)，并且转子极对相对于定子绕组的相对位置通过检测反电动势穿过中点(虚拟中点)的过零点来估计。

当电机停止时，不产生反电动势。因此，电机不能通过基于该反电动势的上述过零点执行无传感器控制来启动。因此，例如，经常采用电感式感测或自感应电压检测方法来检测停止的转子的位置(例如，参见日本未审查专利申请公开No.2015-226450)。

当根据由电感式感测方法检测到的转子的初始位置将驱动电压以适当的相在一定时段内施加到定子绕组时，初始转矩被给予电机。在正常条件下，转子的初始位置的检测和初始转矩的施加被处理为一组操作并重复执行多次。随后，电机控制基于反电动势的过零点转变到无传感器控制。

发明内容

在通常的电机控制中，恒定负载转矩施加到电机。因此，在初始转矩施加到停止的电机的情况下，可以固定驱动电流(或驱动电压)的幅度和其施加的时间。然而，如果在施加到例如用在电动工具(也称为功率工具)中的电机的负载转矩不恒定的情况下固定驱动电流的施加时间，则电机可能无法以稳定的方式启动。

根据以下描述和附图，其他问题和新颖特征将变得显而易见。

根据本公开的一方面，提供了一种电机驱动系统。在为启动三相电机而执行的操作期间，电机驱动系统检测转子的位置，并根据所检测到的转子位置将驱动电流施加到三相中的两相。控制器根据在施加驱动电流时在非导通相中检测到的反电动势的幅度来改变驱动电流的施加时间。

根据本公开的上述方面，即使负载转矩不恒定，也可以以稳定的方式启动三相电机。

附图说明

图1是示出电机驱动系统的示例性配置的框图。

图2是说明120度导通方法中的六种电流模式的图。

图3是示出启动停止的电机的电机电流波形的图。

图4是示出将电机从启动操作切换为稳态操作的电机电流波形的图。

图5A和图5B是示出电机启动期间转子位置检测与电流驱动相之间的关系的图。

图6A和图6B是示出定子绕组的极和转子的极之间的位置关系的示意图(在高级电角度为120度或90度的情况下)。

图7A和图7B是示出定子绕组的极与转子的极之间的位置关系的示意图(在电角度为0度或-30度的情况下)。

图8是示出给予转子的转矩与非导通相中产生的反电动势之间的关系的图。

图9是示出在本公开的第一实施例中的无刷DC电机的示例性操作控制过程的流程图。

图10A和图10B是示出根据第一实施例的电机驱动系统中的无刷DC电机的启动操作期间的电机转矩的时间变化的图。

图11A和图11B是示出根据比较示例的电机驱动系统中的无刷DC电机的启动操作期间的电机转矩的时间变化的图。

图12是示出在图10A、图10B、图11A和图11B所示的情况下的启动操作期间的负载转矩与电角度之间的关系的图。

图13是示出在本发明的第二实施例中的无刷DC电机的示例性操作控制过程的流程图。

图14是示出在非导通相中产生的反电动势的时间变化的图。

图15是以表格形式示出在各种电流模式中非导通相的电压变化的图。

图16是更详细示出图13中的步骤S140A的更详细流程图。

具体实施方式

现在将参考附图详细描述本公开的实施例。相同或等同的元件由相同的附图标记表示，并且将不再冗余地描述。

第一实施例

[电机驱动系统的整体配置]

图1是示出电机驱动系统90的示例性配置的框图。参考图1，电机驱动系统90包括三相无刷DC电机130、逆变器电路120和半导体器件100。半导体器件100控制逆变器电路120。

(1.无刷DC电机)

无刷DC电机130包括Y耦合的定子绕组131U、131V、131W和具有一个或多个极对的转子(未示出)。转子与从逆变器电路120给予定子绕组131U、131V、131W的三相交流电流同步地可旋转驱动。定子绕组131U、131V、131W的节点称为中点132。

(2.逆变器电路)

逆变器电路120包括U相上臂MOS(金属氧化物半导体)晶体管UH、U相下臂MOS晶体管UL、V相上臂MOS晶体管VH、V相下臂MOS晶体管VL、W相上臂MOS晶体管WH和W相下臂MOS晶体管WL。上臂也称为高侧，下臂也称为低侧。

逆变器电路120还包括检测两相之间的电流的分流电阻器123。

现在将简要描述上述元件的耦合。MOS晶体管UH和MOS晶体管UL按指明的顺序串联耦合在第一电源节点121和低电位耦合节点124之间。第一电源节点121给出电源电压VM。分流电阻器123耦合在耦合节点124和第二电源节点122之间。输出节点NU是MOS晶体管UH和MOS晶体管UL之间的耦合点，并且耦合到U相定子绕组131U的一端。

类似地，MOS晶体管VH和MOS晶体管VL按指明的顺序串联耦合在第一电源节点121和耦合节点124之间。输出节点NV是MOS晶体管VH和MOS晶体管VL之间的耦合点，并且耦合到V相定子绕组131V的一端。

类似地，MOS晶体管WH和MOS晶体管WL按指明的顺序串联耦合在第一电源节点121和耦合节点124之间。输出节点NW是MOS晶体管WH和MOS晶体管WL之间的耦合点，并且耦合到W相定子绕组131W的一端。

MOS晶体管UH、UL、VH、VL、WH、WL均包括体二极管(未示出)。MOS晶体管的体二极管在反向偏压方向上并联耦合。因此，如果同相的上臂晶体管和下臂晶体管都截止，则可以通过体二极管形成的路径来再生电流。

图1示出所有MOS晶体管UH、UL、VH、VL、WH、WL由N沟道MOS晶体管形成。然而，备选地，上臂MOS晶体管UH、VH、WH或下臂MOS晶体管UL、VL、WL可以由NMOS晶体管形成，而其余的MOS晶体管由PMOS晶体管形成。作为另一备选方案，所有MOS晶体管UH、UL、VH、VL、WH、WL可以由P沟道MOS晶体管形成。

此外，代替用作逆变器电路120中包括的半导体开关元件的MOS晶体管，例如，可以使用不同类型的场效应晶体管、双极晶体管或IGBT(绝缘栅双极晶体管)。然而，当使用不同类型的晶体管时，飞轮二极管需要反向并联耦合到晶体管，以便在同相的上臂晶体管和下臂晶体管都截止的情况下允许电流流过再生路径。

(3.半导体器件)

半导体器件100包括开关电路150、虚拟中点产生电路160、差分放大器140、放大器170和微控制器单元(MCU)110。开关电路150和差分放大器140形成检测器115，检测器115检测逆变器电路120的非导通相输出节点电压。

开关电路150耦合到输出节点NU、NV、NW。根据从MCU 110输出的相选择信号SLU、SLV、SLW，开关电路150将检测节点151耦合到所选相的输出节点，即输出节点NU、NV或NW。

虚拟中点产生电路160给出虚拟中点162，虚拟中点162具有适于执行与无刷DC电机130的中点132相同作用的电压。更具体地，虚拟中点产生电路160包括耦合在虚拟中点162和输出节点NU之间的电阻元件161U、耦合在虚拟中点162和输出节点NV之间的电阻元件161V以及耦合在虚拟中点162和输出节点NW之间的电阻元件161W。电阻元件161U、161V、161W具有相同的电阻值。

差分放大器140放大参考电压Vref与检测节点151的电压Vd之间的差。中点132或虚拟中点162的电压被用作参考电压Vref。

放大器170放大在分流电阻器123中产生的电压。这使得可以检测U相、V相和W相之间的相间电机电流。

MCU 110是并入了计算机的集成电路，该计算机包括例如CPU(中央处理单元)和存储器。MCU 110通过执行存储在存储器中的程序来实现本说明书中描述的各种功能。

MCU 110还包括AD(模拟-数字)转换器111、112。AD转换器111将差分放大器140的输出转换为数字值。AD转换器112将放大器170的输出转换为数字值。

在无刷DC电机130的稳态操作期间，MCU 110根据例如由分流电阻器123检测到的电机电流值、基于来自差分放大器140的输出的经估计的转子位置、以及操作命令值113，来产生PWM信号GUH、GUL、GVH、GVL、GWH、GWL。MCU 110将所产生的PWM信号GUH、GUL、GVH、GVL、GWH、GWL分别输出到逆变器电路120中包括的MOS晶体管UH、UL、VH、VL、WH、WL的栅极。此外，基于所产生的PWM信号GUH、GUL、GVH、GVL、GWH、GWL，MCU 110产生相选择信号SLU、SLV、SLW，其切换开关电路150。

此外，MCU 110执行用于启动停止的无刷DC电机130的操作。将参考图3至图12详细描述启动操作。

[120度导通方法的电流模式]

在第一实施例中，MCU 110通过120度导通方法控制无刷DC电机130。120度导通方法使得电角度半周期的120度部分是导通时段，并且剩余的60度部分是非导通时段。在非导通时段期间产生反电动势。在三相无刷DC电机中，导通相每60度电角度改变一次。因此，产生六种电流模式。

即使在导通时段是电角度半周期的大于或等于120度且小于180度的部分的情况下，根据本公开的技术也可应用，只要可以测量在非导通时段期间产生的反电动势即可。

应该记住，上述120度导通方法的导通时段和非导通时段不同于PWM控制的导通时段和再生时段。在需要将120度导通方法的导通时段和非导通时段与PWM控制的导通时段和再生时段明确区分开的情况下，本说明书将120度导通方法的导通时段指定为接通(ON)时段，将120度导通方法的非导通时段指定为断开(OFF)时段。

图2是说明120度导通方法中的六种电流模式的图。图2描绘了电流a-f的六种电流模式。

(a)参见图2，当进行控制以将W相上臂MOS晶体管WH和V相下臂MOS晶体管VL置于ON状态并将其它晶体管置于OFF状态时，电机电流a从W相定子绕组131W流动到V相定子绕组131V。U相定子绕组131U处于非导通状态，从而产生反电动势。在以下描述中，该电流模式被称为电流模式a。

此外，在电流模式a中，U相被称为“非导通相”，W相被称为“上游导通相”，并且V相被称为“下游导通相”。电机电流在从上游导通相的定子绕组到下游导通相的定子绕组的方向上流动。其他模式以类似的方式定义。

(b)当执行控制以将W相上臂MOS晶体管WH和U相下臂MOS晶体管UL置于ON状态并将其它晶体管处于OFF状态时，电机电流b从W相定子绕组131W流动到U相定子绕组131U。V相定子绕组131V处于非导通状态，从而产生反电动势。在以下描述中，该电流模式被称为电流模式b。

(c)当执行控制以将V相上臂MOS晶体管VH和U相下臂MOS晶体管UL置于ON状态并将其它晶体管处于OFF状态时，电机电流c从V相定子绕组131V流动到U相定子绕组131U。W相定子绕组131W处于非导通状态，从而产生反电动势。在以下描述中，该电流模式被称为电流模式c。

(d)当进行控制以将V相上臂MOS晶体管VH和W相下臂MOS晶体管WL置于ON状态并将其它晶体管置于OFF状态时，电机电流d从V相定子绕组131V流动到W相定子绕组131W。U相定子绕组131U处于非导通状态，从而产生反电动势。在以下描述中，该电流模式被称为电流模式d。

(e)当执行控制以将U相上臂MOS晶体管UH和W相下臂MOS晶体管WL置于ON状态并将其它晶体管置于OFF状态时，电机电流e从U相定子绕组131U流动到W相定子绕组131W。V相定子绕组131V处于非导通状态，从而产生反电动势。在以下描述中，该电流模式被称为电流模式e。

(f)当执行控制以将U相上臂MOS晶体管UH和V相下臂MOS晶体管VL置于ON状态并将其它晶体管处于OFF状态时，电机电流f从U相定子绕组131U流动到V相定子绕组131V。W相定子绕组131W处于非导通状态，从而产生反电动势。在以下描述中，该电流模式被称为电流模式f。

当控制逆变器电路120使得电流按指明的顺序以上述电流模式a、b、c、d、e、f流到无刷DC电机130时，导通相依次变化并且无刷DC电机130的转子与产生的旋转电磁场同步旋转。为方便起见，本说明书将该旋转方向指定为前向方向。

同时，当控制逆变器电路120使得电流按与上述顺序相反的顺序、即以上述电流模式f、e、d、c、b、a流到无刷DC电机130时，导通相以与上述导通相变化的顺序相反的顺序依次变化。因此，无刷DC电机130的转子与产生的旋转电磁场同步旋转。为方便起见，本说明书将该旋转方向指定为反方向。

[为电机启动而执行的控制的概述]

图3是示出用于启动停止的电机的电机电流波形的图。图4是示出用于将电机从启动操作切换到稳态操作的电机电流波形的图。

在图3和图4中，与电机电流波形相关联地示出了参考图2描述的电流模式a-f。此外，图3和图4示出了FG(频率发生器)信号的波形。FG信号在电流模式改变的时间点处改变其逻辑电平(在高电平和低电平之间)。

在图3和图4中，水平轴的长度与实际时间不成比例。此外，指示时间间隔的示例性数值仅仅是为了便于理解而图示。时间间隔不限于这些数值。下面参照图1、图3和图4概述为启动无刷DC电机130而执行的控制。

在图3中的时间t20之前，电机停止。在时间t20和时间t30之间的间隔期间，MCU110例如通过电感式感测(I.S.)方法检测转子的位置。

更具体地，MCU 110控制逆变器电路120使得按照以参考图2描述的六个电流模式a-f的顺序将驱动电压施加到定子绕组131。在这种情况下，对施加到电机的电压和这种电压施加的时间进行限制，以防止转子旋转。

在转子位置检测(电感式感测)时段期间，MCU 110使用分流电阻器123来检测在相关联的定子绕组中产生的电机电流的幅度。半导体器件100能够根据电机电流检测的结果检测转子的位置。更具体地，如稍后参考图5A所示，当导通相中的定子绕组131的转子侧极和定位成与定子绕组131相对的转子极彼此吸引时，检测到的电机电流的值最大化。在图3的情况下，U相电流和W相电流的幅度(绝对值)在电流模式e中最大化。

转子位置检测(电感式感测)所需的时间在图3的示例中约为720μs，即相当短。因此，即使当电机以低速旋转时，上述方法也能够检测转子的位置。

可以使用替代方法来检测转子的位置。例如，可以通过施加驱动电压并且然后测量自感应电压来检测停止的转子的位置。

在时间t30和时间t40之间的后续间隔期间，MCU 110控制逆变器电路120，以便将启动转矩施加到无刷DC电机130(启动转矩的施加被称为“踢动(kick)”)。在这种情况下，基于通过电感式感测检测到的转子位置，MCU 110确定施加最大转矩的导通相(即，电流模式)。在图3和图4的示例中，驱动电流以电流模式a在导通相中被提供给定子绕组131，该电流模式a指示提前120度电角度的转子位置，而不是电流模式e(在这种情况下施加的转矩是大约0)。

这里，在施加启动转矩期间，电机驱动系统90中的MCU 110使用检测器115来检测在非导通相中产生的反电动势的幅度。更具体地，MCU 110仅在初始施加时间T0(例如，转子在无负载时不旋转的时间)施加驱动转矩，然后开始将反电动势的幅度与阈值进行比较，并且当超过阈值时停止驱动转矩的施加。提供初始施加时间T0是因为在转子停止时反电动势为0。

在图3和图4的示例中，非导通相是U相。然而，MCU 110不能检测幅度大于阈值的U相反电动势。也就是说，无刷DC电机130停止或几乎不旋转。因此，在比驱动电流施加开始的时间t30晚的时间t40，通过预定的最大施加时间Tmax，MCU 110停止向定子绕组131供应驱动电流。最大施加时间Tmax例如设定为30ms。最大施加时间Tmax的值足够地长于电感式感测执行时间并且对应于包括电感式感测时段的整个时段的97.7％。

在时间t40和时间t50之间的后续间隔期间，MCU 110再次检测转子的位置，即再次执行电感式感测操作。在时间t50和时间t52之间的后续间隔期间，MCU 110根据电感式感测操作的结果将启动转矩施加到无刷DC电机130。

由于第一次踢动几乎不使转子旋转，所以通过使用与启动转矩的先前施加相同的电流模式a将驱动电流施加到定子绕组131。在该启动转矩的施加期间，MCU 110使用检测器115来检测在作为非导通相的U相中产生的反电动势。结果，在时间t51，在作为非导通相的U相中检测到具有大于阈值的幅度的反电动势。因此，MCU 110停止提供驱动电流。驱动电流施加开始的时间t50与驱动电流施加停止的时刻之间的间隔例如是2ms。该间隔对应于包括电感式感测时段的整个时段的73.5％。

根据本实施例的电机驱动系统90重复上述电感式感测和踢动操作，直到开始驱动电流施加的时刻与反电动势超过阈值的时刻之间的时间长度(即，直到驱动器电流施加停止)不长于最小施加时间Tmin。随后，基于反电动势的过零检测，MCU 110执行无刷DC电机130的无传感器驱动。(在本说明书中，无传感器驱动也称为正常操作或稳态操作。)

在图3和图4的示例中，在时间t60和时间t61之间的驱动电流施加的时间长度不长于最小施加时间Tmin。因此，MCU 110随后在时间t70开始执行正常操作。更具体地，由于上次踢动期间的电流模式是电流模式c，MCU 110提供逆变器电路120的PWM(脉冲宽度调制)控制，使得在时间t70和时间t71之间的后续间隔期间驱动电流以电流模式d流到无刷DC电机130的定子绕组131。在这种情况下，MCU 110使用检测器115来检测在作为非导通相的U相中产生的反电动势的过零点。随后，按照指明的顺序在电流模式e、f、g、a、b、c......中施加驱动电流。

[转子位置检测与电流驱动相之间的关系]

现在将更详细地描述当无刷DC电机130启动时如上所述执行的无传感器控制。首先，将描述在电机启动期间转子位置检测与电流驱动相之间的关系。

图5A和图5B是示出在电机启动期间在转子位置检测和电流驱动相之间的关系的图。参考图5，转子135的N极用斜线阴影表示，S极用点阴影表示。在定子136的绕组芯中产生的N极用斜线阴影线表示，S极用点阴影表示。没有被阴影化的定子绕组的芯处于非导通相。

图5A示出了在电感式感测提供最大电机电流的情况下转子135的布置。更具体地，在电流模式e中，即，当电流从U相定子绕组131U流到W相定子绕组131W时，检测到具有最大幅度的电机电流。在这种情况下，U相定子绕组的转子侧极是N极，并且吸引与U相定子绕组相对定位的转子135的S极。W相定子绕组的转子侧极是S极，并且吸引与W相定子绕组相对定位的转子135的N极。在这种情况下，施加到转子135的转矩为0。

图5B示出了当根据图5A中所示的电感式感测的结果施加驱动电流时在定子绕组131中产生的极。驱动电流以电流模式a施加，其从图5A的电流模式e提前120度电角度。也就是说，驱动电流从W相定子绕组流到V相定子绕组。结果，在图5B中所示的旋转方向上的转矩被施加到转子135。当采用120度导通方法时，60度电角度是最小单位；因此，电角度设定只有在其为60度的整数倍时才能接受。

[定子绕组极与转子极之间的位置关系]

图6A、图6B、图7A和图7B是示出定子绕组的极与转子的极之间的位置关系的示意图。为简单起见，图6A、图6B、图7A和图7B假设转子135具有两个极。因此，电角度等于机械角度。其中通过电感式感测获得最大电机电流的电流模式被用作参考电角度(0度)。

更具体地，图6A示出了在提前电角度为120度的情况下定子绕组的极与转子的极之间的位置关系，图6B示出了在提前电角度为90度的情况下的位置关系。图6A示出了踢动开始的状态，而图6B示出了自踢动开始以来转子已经旋转30度电角度的状态。图7A示出了在电角度为0度的情况下定子绕组的极与转子的极之间的位置关系，图7B示出了电角度为-30度的情况下的位置关系。图7A示出了自踢动开始以来转子已经旋转120度电角度的状态，图7B示出了自踢动开始以来转子已经旋转150度电角度的状态。

定子绕组131的中点132关于图6A、图6B、图7A和图7B中转子135的位置与图5A和图5B中的位置相反，并且定子绕组131缠绕的方向也彼此相反。但是，由电机电流产生的转子侧极(N极或S极)是相同的。例如，当电机电流从W相定子绕组131W流到V相定子绕组131V时，W相定子绕组131W的转子侧极是N极，并且U相定子绕组131U的转子侧极是S极。

参考图6A，假设在电感式感测中，当使用电流模式e时(即，当电机电流从U相定子绕组131U流到W相定子绕组131W时)，电机电流的幅度被最大化。在这种状态下，施加到转子135的转矩为0。

为了在电感式感测结束之后将启动转矩施加到转子135，将电流模式a中的驱动电流给予定子绕组131，使得所得到的导通状态从电流模式e提前120度电角度。也就是说，电机电流从W相定子绕组131W流到V相定子绕组131V。结果，在图6A中所示的旋转方向上的转矩可以施加到转子135。此外，在作为非导通相的U相中产生正的反电动势。

参考图6B，假设在图6A所示的状态下经过了与30度电角度相对应的时间(即，提前的电角度是90度)。由于电角度等于图6A、图6B、图7A和图7B中的示例中的机械角度，转子135在图6A所示的状态下旋转30度的机械角度。在这种情况下，施加到转子135的转矩被最大化。同时，在作为非导通相的U相中产生大约为0的反电动势。

参考图7A，假设在图6B所示的状态下进一步经过了与90度电角度相对应的时间(即，电角度为0度)。转子135在图6B所示的状态下进一步旋转90度的机械角度。在这种情况下，施加到转子135的转矩为0，并且作为非导通相的U相中的反电动势具有负峰值。

参见图7B，假设在图7A所示的状态下进一步经过了与30度电角度相对应的时间(即，电角度为-30度)。转子135在图7A所示的状态下进一步旋转30度的机械角度。

[给予转子的转矩和反电动势之间的关系]

图8是示出给予转子的转矩与非导通相中产生的反电动势之间的关系的图。图8假设通过电感式感测获得最大电机电流的电流模式被用作参考电角度(0度)。如果转子极数为2×p，则电角度θ对应于θ/p的机械角度。因此，当电角度改变θ时，转子旋转θ/p。

此外，在非导通相中产生的反电动势的幅度随着转子的转速的增加而增加。图8示出了转速是ω1[每分钟转数(rpm)]或ω2的情况。假设ω2>ω1。

参见图1和图8，MCU 110控制逆变器电路120，使得以提前120度电角度的电流模式开始向定子绕组施加驱动电流。假设该踢动在时间t1开始。在时间t1，给出用于使转子在前向方向上旋转的正转矩，并且转矩随着时间的推移而增加。在这种情况下，在非导通相中的定子绕组131中产生的反电动势具有相对于中点132的电位(0V)的正值。时间t1对应于图6A。

在从时间t1经过了与30度电角度相对应的时间的时间t3，施加到转子的转矩具有正的最大值，并且在非导通相中产生的反电动势为0。时间t4对应于图6B。此外，在从时间t4经过与30度电角度对应的时间的时间t5，在非导通相中产生的反电动势为负。

在电角度对应于0度的参考值的时间t8，施加的转矩为0。在这种情况下，在非导通相中产生的反电动势具有负峰值。时间t8对应于图7A。此外，在从时间t8经过了与30度电角度对应的时间的时间t9(电角度：-30度)，施加到转子的转矩为负。也就是说，施加用于使转子沿相反方向旋转的转矩。时间t9对应于图7B。

在从时间t8经过了与90度电角度对应的时间的时间t10(电角度：-90度)，施加到转子的转矩具有负峰值。在这种情况下，在非导通相中产生的反电动势为0。

当在非导通相中产生的反电动势的幅度不小于阈值时，根据本实施例的电机驱动系统90中的MCU 110停止向转子施加启动转矩。反电动势的幅度与通过从图1中所示的检测器115的输出电压Vout的模数转换值中减去中心值而获得的值的绝对值成比例。中心值对应于中点132或虚拟中点162处的电压的模数转换值。在图8的示例中，选择20LSB(最低有效位)作为阈值。考虑到包括在检测器115的输出电压Vout中的噪声来确定该值。以上示例性值仅是说明性的而非限制性的。阈值不限于上述示例性值。

参考图8，当转子的转速是ω1时，检测到的反电动势的幅度在时间t6达到阈值。因此，在时间t1和时间t6之间的时间t的时段期间，驱动电流被施加到定子绕组131。时间t短于最大施加时间Tmax并且长于初始施加时间T0和最小施加时间Tmin。然而，应该注意，T0<Tmin<Tmax。

可存在这样的情况：最大施加时间Tmax被称为第一参考时间，最小施加时间Tmin被称为第二参考时间，并且初始施加时间T0被称为第三参考时间。

参考图8，当转子的转速为ω2(>ω1)时，在时间t2经过初始施加时间T0。在时间t4，反电动势超过阈值。开始施加启动转矩的时间t1与时间t4之间的间隔不长于最小施加时间Tmin。因此，驱动电流的施加在该时间点停止，然后无刷DC电机的操作模式根据反电动势的过零检测而改变为正常操作模式。

[无刷DC电机的操作控制过程]

图9是示出第一实施例中的无刷DC电机的示例性操作控制过程的流程图。现在将参考图1和图9概述前面的描述。假设无刷DC电机130最初是停止的。

在步骤S100中，为了检测转子的位置，MCU 110通过控制逆变器电路120来执行电感式感测。更具体地，MCU 110在图2中所示的每个电流模式a-f中向定子绕组131提供电流。在这种情况下，限制电流值以防止转子旋转。例如，基于获得最大电机电流的电流模式，MCU110估计定子绕组的位置。

接下来，在步骤S110中，基于电感式感测的结果，MCU 110确定从当前转子位置提前120度电角度的电流模式，并在确定的电流模式中确定逆变器电路120的输出电压(电流)。

接下来，在步骤S120中，MCU 110开始将驱动电流施加到定子绕组131。当从开始施加电流起经过初始施加时间T0时，MCU 110使用检测器115来开始检测反电动势(BEMF)(步骤S140)。驱动电流施加的开始对应于图8中的时间t1，并且经过初始施加时间T0的时间点对应于图8中的时间t2。

接下来，在步骤S140中，MCU 110将通过从检测器115的输出电压Vout的模数转换值减去中心值而获得的值的绝对值(即，反电动势的幅度)与阈值(即，余量MG1)进行比较。中心值对应于中点132或虚拟中点162处的电压的模数转换值。反电动势的幅度小于余量MG1的情况(步骤S140中的“是”)表示转子停止。同时，反电动势的幅度不小于余量MG1的情况(步骤S140中的“否”)表示转子正在旋转。

如果上述比较的结果表明反电动势的幅度小于余量MG1(步骤S140为“是”)，并且从开始施加驱动电流起的时间长度t不长于最大施加时间Tmax(步骤S150为“否”)，MCU110重复进行反电动势(步骤S130)的检测以及检测到的反电动势的幅度与余量MG1的比较(步骤S140)。

如果反电动势的幅度小于余量MG1(步骤S140为“是”)并且从开始施加驱动电流起的时间长度t长于最大施加时间Tmax(步骤S150为“是”)，则MCU 110停止施加驱动电流并重复检测转子位置的初始步骤(步骤S100)和每个上述后续步骤。超过最大施加时间Tmax的时间点对应于图8中的时间t7。

同时，如果上述比较的结果表明检测到的反电动势的幅度不小于余量MG1(步骤S140为“否”)，并且从开始施加驱动电流起的时间长度t不短于最小施加时间Tmin(步骤S160为“否”)，则MCU110停止施加驱动电流并重复检测转子位置的初始步骤(步骤S100)和每个上述后续步骤。该情况例如对应于图8中的时间t6。

如果检测到的反电动势的幅度不小于余量MG1(步骤S140为“否”)并且从开始施加驱动电流起的时间长度t短于最小施加时间Tmin(步骤S160为“是”)，则MCU 110完成无刷DC电机130的启动操作，并且然后基于反电动势的过零检测而切换到正常操作(步骤S170)。

如果转子的转速不低于预定值(例如，100rpm)(步骤S180为“否”)，则MCU 110继续正常操作。相反，如果转子的转速低于预定值(步骤S180为“是”)，则MCU 110断定转子由于负载增加而几乎停止，并且从检测转子位置的初始步骤(步骤S100)开始执行启动操作。

[第一实施例的优点]

现在将与比较示例进行比较来描述第一实施例的优点。

图10A和图10B是示出根据第一实施例的电机驱动系统中的无刷DC电机的启动操作期间的电机转矩的时间变化的图。图10A示出了负载转矩相对较高的情况，而图10B示出了负载转矩相对较低的情况。此外，由无刷DC电机产生的平均转矩AVTRQ由虚线表示，电机旋转所需的最小转矩MinTRQ由单点划线表示。

参考图10A，在时间t100和时间t101之间的间隔期间，对停止的无刷DC电机执行电感式感测(I.S.)。为了便于说明，电感式感测的指示时间比实际时间长。随后，从时间t101开始执行踢动。在转子基本上旋转之前(即，在反电动势的幅度达到阈值之前)的时间t102经过最大施加时间Tmax时，踢动结束。

在时间t102和时间t103之间的间隔期间再次执行电感式感测，并且在时间t103开始踢动。由于反电动势达到阈值，所以踢动在时间t104结束。当踢动的持续时间(时间t103和时间t104之间的间隔)长于最小施加时间Tmin时，从时间t104开始再次执行电感式感测，并且在时间t105结束。踢动在时间t105开始。

在时间t106，由于反电动势达到阈值，踢动结束。由于踢动的持续时间(时间t105和时间t106之间的间隔)长于最小施加时间Tmin，因此从时间t106开始再次执行电感式感测，并且在时间t107结束。踢动在时间t107开始。由于反电动势达到阈值，所以踢动在时间t108结束。由于踢动的持续时间(时间t107和时间t108之间的间隔)短于最小施加时间Tmin，无刷DC电机的启动操作结束，并且操作模式立即变为正常操作模式。如上所述，在本实施例中，踢动的持续时间随着转子的转速的增加而逐渐减小。

现在将描述负载转矩相当低的情况。参考图10B，在时间t110和时间t111之间的间隔期间对停止的无刷DC电机执行电感式感测(I.S.)，并且在时间t111开始执行踢动。在时间t112，由于反电动势达到阈值，踢动结束。当踢动的持续时间(时间t111和时间t112之间的间隔)短于最小施加时间Tmin时，无刷DC电机的启动操作结束，并且操作模式立即变为正常操作模式。

如上所述，根据本实施例的电机驱动系统根据反电动势的幅度确定在启动操作期间在踢动的开始和结束之间的时段。由于反电动势随着转子的转速的增加而增加，踢动的持续时间随着踢动的次数的增加而缩短。此外，还根据反电动势的幅度确定电感式感测和踢动的组合的重复次数。更具体地，当踢动开始的时刻与反电动势的幅度达到阈值的时刻之间的间隔短于最小施加时间Tmin时，启动操作结束，并且操作模式改变为正常操作模式。因此，在负载转矩低的情况下，当电感式感测操作和踢动都执行一次时，操作模式可以改变为正常操作模式，如图10B所示。

图11A和图11B是示出根据比较示例的电机驱动系统中的无刷DC电机的启动操作期间的电机转矩的时间变化的图。图11A和图11B示出了踢动的次数和时间是固定的情况。图11A示出了负载转矩相对较高的情况，而图11B示出了负载转矩相对低的情况。此外，由无刷DC电机产生的平均转矩AVTRQ由虚线表示，并且电机旋转所需的最小转矩MinTRQ由单点划线表示。

参考图11A，电感式感测和踢动的组合重复四次。每个踢动的开始和结束之间的间隔(时间t121和时间t122之间、时间t123和时间t124之间、时间t125和时间t126之间或者时间t127和时间t128之间的间隔)是固定的。因此，在时间t121和时间t122之间执行的第一踢动仅在旋转对应于10度的电角度时结束，即，在没有向电机施加足够的启动转矩之前结束。同时，尽管转速足够高并且高于最大转矩，但是在时间t127和时间t128之间执行的第四踢动被连续地执行。因此，与图10A所示的本实施例相比，施加过大的启动电流，使得启动需要额外的时间量。

现在将描述负载转矩相当低的情况。参考图11B，电感式感测和踢动的组合重复三次。每个踢动的开始和结束之间的间隔(时间t131和时间t132之间、时间t133和时间t134之间或者时间t135和时间t136之间的间隔)是固定的。因此，如第二踢动和第三踢动所示，即使从定子绕组向转子施加负电机转矩，也会重复执行踢动。结果，转子转速减小，使得足够的启动转矩没有施加到转子。

同时，根据本实施例的电机驱动系统根据反电动势的幅度确定踢动的开始和结束之间的时段。因此，即使负载转矩相当低，也可以在电机转矩变为负之前结束踢动。因此，可以有效地启动无刷DC电机。

图12是示出在图10A、图10B、图11A和图11B所示的情况下在启动操作期间负载转矩与电角度之间的关系的图。参考图12，施加驱动电流，使得电角度从负载转矩为0的情况提前120度。电角度随转子的旋转而变化。

图10A和图10B中的时间t101和时间t102之间的间隔对应于从提前120度的电角度到提前90度的电角度的间隔。图11A和图11B中的时间t121和时间t122之间的间隔对应于10度的电角度，并且表示没有足够的电机转矩施加到转子上。此外，图11A和图11B中的时间t133和时间t134之间的间隔对应于从提前120度的电角度到-60度的电角度的180度间隔，所以电流施加的时间延伸到负转矩区域。

如上所述，即使负载转矩在每次启动停止的无刷DC电机时变化或在启动期间变化，根据第一实施例的电机驱动系统也能够以少量电流产生高转矩。此外，根据第一实施例的电机驱动系统还能够减少从启动操作切换到正常操作所需的时间。

第二实施例

根据第一实施例的电机驱动系统根据反电动势的幅度确定踢动的结束。同时，根据第二实施例的电机驱动系统额外注意反电动势的符号，以便确定转子是否在反向方向上旋转。现在将参考附图给出详细描述。电机驱动系统的整体配置将不再冗余地描述，因为它与参考图1结合第一实施例所描述的相同。

[无刷DC电机的操作控制过程]

图13是示出第二实施例中的无刷DC电机的示例性操作控制过程的流程图。图13中所示的操作控制过程与图9中所示的操作控制过程的不同在于使用步骤S140A代替步骤S140。在步骤S140A中，MCU 110根据检测到的反电动势值(即，反电动势的幅度和符号)确定转子是正向旋转、反向旋转还是几乎停止。

如果在步骤S140A中确定转子正向旋转，则MCU 110进行到步骤S160并确定驱动电流施加的时间是否短于最小施加时间Tmin。如果在步骤S140A中确定转子停止，则MCU 110进行到步骤S150并且确定驱动电流施加的时间是否长于最大施加时间Tmax。如果在步骤S140A中确定转子正在反向旋转，则MCU 110进入步骤S100并再次执行电感式感测。在其他方面，图13与图9相同。因此，与图9中的步骤相同或等同的步骤用相同的附图标记表示，并且不再赘述。

[确定旋转方向是正向还是反向]

现在将参考图14和图15描述用于确定旋转方向是正向还是反向的过程。

图14是示出在非导通相中产生的反电动势的时间变化的图。图14描绘了在电感式感测期间对应于转子的初始位置的电流模式。当假设在电感式感测期间在电流模式e中获得最大电机电流值时，用于踢动的驱动电流从W相流向V相，从而检测到在作为非导通相的U相中产生的反电动势。

如果在这种情况下产生的反电动势是正的，则表示反电动势高于无刷DC电机130的中点132处的电压(或虚拟中点162处的电压)。相比之下，如果产生的反电动势是负的，则表示反电动势低于无刷DC电机130的中点132处的电压(或虚拟中点162处的电压)。

与图8的情况一样，U相中的反电动势在转子的初始位置处具有正值，但是在转子旋转时变为负值。因此，当与阈值(余量MG1)进行比较时反电动势为负。也就是说，反电动势的模数转换值小于中心值。因此，当通过从中心值减去反电动势的模数转换值而获得的值大于余量MG1时，产生大于阈值的反电动势(该实例对应于图16中的步骤S142)。中心值对应于无刷DC电机130的中点132处的电压或虚拟中点162处的电压。

同时，如果转子沿反向旋转，如图14中的虚线所示，U相中的反电动势在转子的初始位置处具有负值，但是在转子旋转时变为正值。因此，当与阈值(余量MG2)进行比较时，反电动势为正。也就是说，反电动势的模数转换值大于中心值。因此，当通过从反电动势的模数转换值减去中心值而获得的值大于余量MG2时，产生大于阈值的反电动势(该实例对应于图16中的步骤S143)。

确定旋转方向是否是反向的精度要求不是那么高。因此，余量MG2被设置为小于余量MG1的值。例如，如果余量MG1被设置为20LSB，则余量MG2被设置为大约5LSB。

图15是以表格形式示出在各种电流模式中的每一个电流模式中的非导通相中的电压变化的图。图15示出了对应于在电感式感测期间检测到的转子位置的电流模式、在踢动期间的驱动电流模式以及在非导通相中产生的反电动势的符号的变化方向。

如图15所示，如果用于踢动的驱动电流模式是a、c或e，则反电动势从正变为负。相比之下，如果用于踢动的驱动电流模式是b、d或f，则反电动势从负变为正。然而，应该记住，例如，如果转子的旋转方向或定子绕组131的缠绕方向改变，则反电动势的上述变化是相反的。

[图13中的步骤S140A的细节]

图16是示出图13中的步骤S140A的更详细的流程图。现在将参考图1和图16概述前面的描述。

MCU 110根据用于踢动的驱动电流模式而使用第一确定过程或第二确定过程(步骤S141)。

当驱动电流模式是a、c或e时使用第一确定过程(步骤S141为“是”)。在这种情况下，如果反电动势的模数转换值小于中心值减MG1(步骤S142为“是”)，则MCU 110确定转子正向旋转(步骤S148)。同时，如果反电动势的模数转换值大于中心值加MG2(步骤S143为“是”)，则MCU 110确定转子正在反向旋转(步骤S147)。如果上述两种情况都不适用(步骤S142为“否”且步骤S143为“否”)，则MCU 110确定转子停止(步骤S146)。

当驱动电流模式是b、d或f时使用第二确定过程(步骤S141为“否”)。在这种情况下，如果反电动势的模数转换值大于中心值加MG1(步骤S144为“是”)，则MCU 110确定转子正向旋转(步骤S148)。同时，如果反电动势的模数转换值小于中心值减去MG2(步骤S145为“是”)，则MCU 110确定转子正在反向旋转(步骤S147)。如果上述两种情况都不适用(步骤S144为“否”且步骤S145为“否”)，则MCU 110确定转子停止(步骤S146)。

需要记住的是，例如，如果转子的旋转方向、定子绕组131的缠绕方向或定子绕组131的布线方向(无论转子侧被视为中点132或视为终点)被反转，则需要交换步骤S141中的“是”和“否”。

[第二实施例的优点]

根据第二实施例的电机驱动系统不仅关注反电动势的幅度而且关注反电动势的符号，以便确定转子是在正向还是在反向旋转。因此，即使由于例如干扰而错误地执行电感式感测，并且稍后确定转子在反向方向上旋转，也可以立即再次执行电感式感测。结果，可以以更稳定的方式产生启动转矩。

虽然已经根据特定实施例详细描述了由发明人做出的本公开，但是本公开不限于前述实施例。本领域技术人员应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims

1.一种半导体器件，适于控制驱动三相电机的逆变器电路，所述半导体器件包括：

检测器，所述检测器耦合到适于输出电机电压的所述逆变器电路的各个相的输出节点，并且检测在所述各个相的输出节点中且处于非导通相的输出节点中产生的反电动势；和

控制所述逆变器电路的控制器；

其中，所述控制器在所述三相电机的启动操作期间检测所述三相电机中的转子的位置，并根据检测到的所述转子的位置来控制所述逆变器电路，以便将驱动电流施加到所述三相电机的三相中的两相；以及

其中，所述控制器根据所述转子的转速改变所述驱动电流的施加时间。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，

其中，所述控制器根据处于非导通相并由所述检测器检测的反电动势的幅度来改变所述驱动电流的施加时间。

3.根据权利要求2所述的半导体器件，

其中，所述控制器在所述三相电机的启动操作期间一次或多次执行以下组合：检测所述转子的位置和施加所述驱动电流，以及

其中，所述控制器根据由所述检测器检测到的所述反电动势的幅度改变所述组合的执行次数。

4.根据权利要求3所述的半导体器件，

其中，所述控制器控制所述逆变器电路以便当所述反电动势的幅度超过第一阈值时停止所述驱动电流的施加。

5.根据权利要求4所述的半导体器件，

其中，如果所述反电动势的幅度即使在开始施加所述驱动电流起经过第一参考时间时也不超过所述第一阈值，则所述控制器停止所述驱动电流的施加，再次检测所述三相电机中的所述转子的位置，并控制所述逆变器电路以便根据检测到的所述转子的位置将所述驱动电流再次施加到所述三相电机的三相中的两相。

6.根据权利要求5所述的半导体器件，

其中，如果开始施加所述驱动电流的时刻与所述反电动势的幅度超过所述第一阈值的时刻之间的间隔不长于第二参考时间，则所述控制器结束启动操作，并控制所述逆变器电路以便根据所述反电动势的过零点来操作所述三相电机。

7.根据权利要求6所述的半导体器件，

其中，如果开始施加所述驱动电流的时刻与所述反电动势的幅度超过所述第一阈值的时刻之间的所述间隔长于所述第二参考时间且短于所述第一参考时间，则所述控制器再次检测所述三相电机中的所述转子的位置，并控制所述逆变器电路以便根据检测到的所述转子的位置将所述驱动电流再次施加到所述三相电机的三相中的两相。

8.根据权利要求7所述的半导体器件，

其中，所述控制器在开始施加所述驱动电流起经过第三参考时间后，将所述反电动势的幅度与所述第一阈值进行比较，并且

其中，所述第三参考时间短于所述第二参考时间。

9.根据权利要求3所述的半导体器件，

其中，根据在所述反电动势与对应于所述三相电机的中点电压的参考电压之间是存在正差还是负差，所述控制器确定所述转子是在正向旋转还是在反向旋转。

10.根据权利要求9所述的半导体器件，

其中，如果确定所述转子反向旋转，则所述控制器停止所述驱动电流的施加，再次检测所述三相电机中的所述转子的位置，并控制所述逆变器电路，以便于根据检测到的所述转子的位置再次施加所述驱动电流到所述三相电机的三相中的两相。

11.根据权利要求9所述的半导体器件，

其中，所述控制器将所述反电动势和所述参考电压之间的差与所述第一阈值进行比较，以确定所述转子是否在正向旋转，并将所述反电动势与所述参考电压之间的差与所述第二阈值进行比较以确定所述转子是否在反向旋转，所述第二阈值小于所述第一阈值。

12.一种电机驱动系统，包括：

三相电机；

驱动所述三相电机的逆变器电路；和

控制所述逆变器电路的半导体器件；

其中所述半导体器件包括：

检测器，所述检测器耦合到适于输出电机电压的所述逆变器电路的各个相的输出节点，并且检测在所述各个相的输出节点中且在处于非导通相的输出节点中产生的反电动势；和

控制所述逆变器电路的控制器；

13.根据权利要求12所述的电机驱动系统，

其中，所述控制器根据处于非导通相并由所述检测器检测的所述反电动势的幅度来改变所述驱动电流的施加时间。

14.根据权利要求13所述的电机驱动系统，

15.一种电机控制的计算机可读存储介质，其使计算机执行以下步骤：

通过在三相电机的启动操作期间执行电感式感测来检测三相电机中的转子的位置；

在所述三相电机的启动操作期间，根据检测到的所述转子的位置，通过逆变器电路开始向所述三相电机的三相中的两相施加驱动电流；以及

根据所述转子的转速停止所述逆变器电路的所述驱动电流的施加。

16.根据权利要求15所述的电机控制的计算机可读存储介质，

其中，根据在所述驱动电流的施加期间检测到的并且处于非导通相的反电动势的幅度来停止所述逆变器电路的所述驱动电流的施加步骤。

17.根据权利要求16所述的电机控制的计算机可读存储介质，

其中，停止所述驱动电流的施加步骤包括以下步骤：

当所述非导通相中的反电动势的幅度超过第一阈值时，使所述逆变器电路停止所述驱动电流的施加，以及

如果所述非导通相中的反电动势的幅度即使在经过第一参考时间时也不超过所述第一阈值，则停止所述驱动电流的施加。

18.根据权利要求17所述的电机控制的计算机可读存储介质，其使所述计算机进一步执行以下步骤：

如果开始施加所述驱动电流的时刻与所述反电动势的幅度超过所述第一阈值的时刻之间的间隔不长于第二参考时间，则结束所述启动操作，并使所述逆变器电路根据所述反电动势的过零点来操作所述三相电机。

19.根据权利要求18所述的电机控制的计算机可读存储介质，其中，如果开始施加所述驱动电流的时刻与所述反电动势的幅度超过所述第一阈值的时刻之间的间隔长于所述第二参考时间且短于所述第一参考时间，则使所述计算机重新执行以下步骤：

检测所述转子的位置；以及

开始施加所述驱动电流。