用于自激电机的控制器的制作方法

本公开涉及多相机器，并且更具体地涉及与多相机器相关联的技术和电路。

背景技术：

多相电机的操作需要专用控制器。有时，电机可能在自激状态下运行使得电机不受控制器的控制。控制器可以尝试重新获得对电机的控制。然而，如果逆变器电压不匹配自激电机的转子位置和转子速度，则可能发生过电流故障、过电压故障、启动抖动或者启动故障。

技术实现要素：

本公开描述了用于改进多相机器的操作的技术和系统。

在一些示例中，本公开涉及一种用于控制多相电机的控制器。控制器可以被配置成在多相电机处于不受控状态下时测量多相电机的多个相电压。控制器还可以被配置成基于所测量的多个相电压确定多相电机的转子的位置。控制器还可以被配置成基于所测量的多个相电压确定转子的速度，其中转子的速度包括转子的速率和转子的方向。控制器可以被配置成响应于确定转子的方向为正向方向并且转子的速率满足闭环门限速度：基于转子的位置和转子的速度设置转子的至少一个初始控制条件；并且使用闭环控制并且基于至少一个初始控制条件来控制转子。

在一些示例中，本公开涉及一种控制多相机器的方法。方法可以包括在多相电机处于不受控状态下时测量多相电机的多个相电压。方法还可以包括基于所测量的多个相电压确定多相电机的转子的位置。方法还可以包括基于所测量的多个相电压确定转子的速度，其中转子的速度包括转子的速率和转子的方向。方法可以包括响应于确定转子的方向为正向方向并且转子的速率满足闭环门限速率：基于转子的位置和转子的速度设置转子的至少一个初始控制条件并且使用闭环控制并且基于至少一个初始控制条件来控制转子。

在一些示例中，本公开涉及一种包括多相机器和用于控制多相机器的控制器的系统。控制器可以被配置成在多相电机处于不受控状态下时测量多相电机的多个相电压。控制器还可以被配置成基于所测量的多个相电压确定多相电机的转子的位置。控制器还可以被配置成基于所测量的多个相电压确定转子的速度，其中转子的速度包括转子的速率和转子的方向。控制器可以被配置成响应于确定转子的方向为正向方向并且转子的速率满足闭环门限速度：基于转子的位置和转子的速度设置转子的至少一个初始控制条件；并且使用闭环控制并且基于至少一个初始控制条件来控制转子。

在一些示例中，本公开涉及一种用于控制多相电机的控制器。控制器可以被配置成在多相电机处于不受控状态时使用ADC测量多相电机的相电压。控制器还可以被配置成基于相电压确定多相电机的转子的速度。控制器还可以被配置成响应于确定转子的速率不满足闭环门限速率：制动转子直到转子停止旋转；在正向方向上重新启动转子；使用开环控制并且在转子的速率不满足闭环门限速率的同时控制转子；以及使用闭环控制并且在转子的速率满足闭环门限速率的同时控制转子。

以下在附图和描述中给出了一个或多个示例的细节。本公开的其他特征、目的和优点根据描述和附图并且根据权利要求将变得清楚。

附图说明

图1是图示根据本公开的一个或多个方面的用于操作多相机器的示例系统的框图；

图2是图示根据本公开的一个或多个方面的示例多相机器的框图；

图3是图示根据本公开的一个或多个方面的示例分压器的框图；

图4是图示根据本公开的一个或多个方面的示例栅极驱动器的框图；

图5是图示根据本公开的一个或多个方面的示例控制器的框图；

图6是图示根据本公开的一个或多个方面的示例控制器的框图；

图7是图示根据本公开的一个或多个方面的多个输入电压的示例波形图；

图8是图示根据本公开的一个或多个方面的输入电压的示例波形图；

图9是图示根据本公开的一个或多个方面的用于示例控制器的操作的示例方法的流程图；以及

图10是图示根据本公开的一个或多个方面的用于示例控制器的操作的示例方法的流程图。

具体实施方式

总体上，本公开涉及控制多相机器的技术。多相机器包括多相电机和用于控制多相电机的控制器。多相电机的转子在不受控状态(也称为自激状态)下可以自由绕转。自激电机的示例可以存在于几乎所有电动机应用(诸如包括在控制器失去动力时保持绕转的转子的电机)中。控制器可以在转子在不受控的自激状态下绕转的同时尝试获得对转子的控制。在一些示例中，控制器通过测量由自激多相电机的旋转产生的多个电压来获取在自激状态下运行的多相电机的控制。控制器确定转子的反电动势(BEMF)空间矢量、转子速度(包括转子速率和方向)以及转子位置。通过确定BEMF空间矢量、转子速度和转子位置，控制器可以设置初始控制条件(例如逆变器输出电压、多个电机相电流、多个正交电压[V_d和V_q]以及用以控制多相电机的任何其他条件)来匹配现有条件以便从不受控的自激状态平滑地过渡到受控状态。

本公开描述可以通过使得控制器能够无缝地获取(或重新获取)多相电机的控制来改善多相机器的操作的技术。控制器可以重新获取多相电机的控制而没有向多相电机施加外部电压并且没有将多相电机的相位短路。控制器可以设置初始控制条件来匹配自激电机的现有条件。因此，本公开中描述的技术可以降低由于过电流故障、过电压故障、启动抖动或启动故障而破坏多相电机和/或控制器的风险。控制器可以获取多相电机的控制而不依赖于定子传感器或转子传感器，这可以实现无传感器的多相电机的控制。如果多相机器包括定子或转子传感器，则控制器可以在传感器发生故障的情况下提供冗余控制。

图1是图示根据本公开的一个或多个方面的用于操作多相机器102的示例系统100的框图。图1将系统100示出为具有被示出为功率源101和多相机器102的单独的并且不同的部件，然而系统100可以包括额外的或者更少的部件。比如，功率源101、控制器104、逆变器106和电机108可以是4个单独的部件，或者可以表示提供本文中描述的系统100的功能的一个或多个部件的组合。

在图1的示例中，系统100包括向电机108提供电功率的功率源101。例如，如果功率源101包括发电机、变压器、电池、太阳能板或再生制动系统，则系统100可以包含功率源101。在其他示例中，系统100可以与功率源101分离。例如，如果功率源101包括电力网、发电机、变压器、外部电池、外部太阳能板、风力机、水力发电机或风能发电机、或者能够向系统100提供电功率的任何其他形式的设备，则系统100可以与功率源101分离。如以上描述的，存在功率源101的各种示例，并且这些示例可以包括但不限于电力网、发电机、变压器、电池、太阳能板、风力机、再生制动系统、水力发电机或风能发电机、或者能够向系统100提供电功率的任何其他形式的设备。

多相机器102可以指代具有三个或更多相位的任何机器。例如，多相机器102可以包括3个相位、4个相位、5个相位、6个相位、或者有可能任意多个相位。通常，多相机器102包括N个相位，其中N是大于2的任何正整数。N相电机108中的每个相位从其他相位偏移或平移，以产生旋转场。通常，每个相位偏移度或弧度。然而，各个相位之间的偏移在每个相位之间可以不相等。

在图1的示例中，多相机器102包括控制器104、逆变器106和多相电机108。在一些示例中，多相机器102包括电动车辆或混合动力车辆。电动车辆或混合动力车辆包括客运车辆、商用车辆、全地形车辆、船只、飞行器、或者任何其他类型的车辆。然而，多相机器102不限于车辆，而是可以包括具有多相电机108的任何机器。

逆变器106包括N相逆变器，其中N是与N相逆变器102的相位相同的数目。逆变器106包括由控制器104根据一个或多个调制技术来控制的一个或多个开关(例如基于MOS晶体管的开关、基于氮化镓(GaN)的开关、或者任何其他类型的开关设备)。控制器104包括一个或多个栅极驱动器以及用以使用调制技术来控制(例如接通和断开)一个或多个开关的控制逻辑。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)或者另一合适的调制技术来操作。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，脉冲的相对密度对应于模拟信号的幅度。在PFM中，以采样间隔基于调制信号的瞬时幅度来改变脉冲序列的频率。通过使用调制技术控制逆变器106的开关，控制器104调节多相电机108的操作。

在一些示例中，多相电机108包括轴、转子、定子和永磁体。多相电机108可以包括永磁体同步电机(PMSM)、无刷DC(BLDC)电机、多极对电机、或其他类型的多相电机。在一些示例中，多相电机108包括无传感器多相电机。例如，无传感器多相电机108不包括用以监测定子电流或者转子的速率、方向或位置的传感器。

控制器104控制多相电机108的操作。在一些示例中，控制器104使用开环和/或闭环控制(例如场定向控制(FOC)、最大效率跟踪(MET)、直接转矩控制(DTC)、或者其他控制技术)来控制多相电机108。控制器104确定多相电机108是否处于自激状态(即转子绕转，但是不受控制器104的控制)。控制器104确定多相电机108的操作值，诸如多相电机108的BEMF矢量、转子速度(包括转子速率和方向)和转子位置。

控制器104可以通过基于所确定的操作值调制逆变器106的开关来获取多相电机108的控制。例如，如果控制器104确定转子在正向方向(即正常操作方向，也称为正确的方向)上旋转并且转子速率满足闭环控制的门限速率，则控制器104可以设置闭环初始控制条件(例如逆变器输出电压、多个电机相电流、多个正交电压[V_d和V_q]、以及用以控制多相电机的任何其他条件)来匹配现有条件以从不受控的自激状态平滑地过渡到受控状态。如果控制器104确定转子在反向方向(即正常操作方向的反方向，也称为错误的方向)上旋转并且转子速率满足闭环控制的门限速率，则控制器104可以设置闭环初始控制条件来匹配现有条件并且斜坡降低转子速率。如果控制器104确定初始速率不满足闭环控制的门限速率，则控制器104可以制动转子至停止，并且根据正常启动条件来重新启动电机。

本公开中描述的技术可以使得控制器104能够确定多相电机108是否处于自激状态，并且获取自激的多相电机108的控制。控制器104可以比其他控制器更快地获取多相电机108的控制。例如，如果多相电机108自激，则本公开中描述的技术可以使得控制器104能够平滑地获取多相电机108的控制而不首先停止多相电机108。本公开中描述的技术可以使得控制器104能够设置初始控制条件来匹配自激电机的现有条件。因此，所公开的技术可以减小或消除过电流、过电压、启动抖动或启动故障的风险。

在一些示例中，多相电机108包括监测多相电机108的操作值的传感器。控制器104可以被配置成在传感器中的一个或多个传感器发生故障的情况下利用本公开中描述的技术控制多相电机108。以这一方式，控制器104可以提供控制多相电机108的冗余方法。本公开中描述的技术可以使得控制器104能够控制多相电机108的操作而无需传感器。因此，多相机器102可以包括更少的部件，这可以降低多相机器102的成本。

图2是图示根据本公开的一个或多个方面的示例多相机器102的框图。在图2的示例中，多相机器102包括控制器104、逆变器106和多相电机108。如在图2中进一步图示的，在一些示例中，多相机器102包括DC链路电压V_DC、DC链路总线电容器器C_VDC、电流感测设备110和分压器112。

仅出于说明的目的，多相电机108包括3个相位(U、V和W)。然而，通常，多相电机108可以包括更多相位。

逆变器106包括用以控制多相电机108的操作的开关设备。如图2中所示，多相机器102包括针对多相电机108的每个相位的半桥。每个半桥包括高侧开关(例如S₁、S₃和S₅)和低侧开关(例如S₂、S₄和S₆)。开关可以包括MOSFET开关、IGBT开关、或类似的开关设备。在一些示例中，如在图4中更详细地图示的，逆变器106包括针对每个开关的栅极驱动器。

多相机器102可以包括电流感测设备110。如图2中图示的，在一些示例中，电流感测设备110包括分流电阻器R_shunt和放大器111。分流电阻器R_shunt感测DC链路电流I_DCLink，并且3相电流重构用于获取与多相电机108的每个相位的电流有关的信息。放大器111放大电阻器电压降，电阻器电压降与DC链路电流I_DCLink成比例。在一些示例中，电流感测设备110包括针对逆变器106的每个腿而被插置的分流电阻器。在一些示例中，电流感测设备110包括针对逆变器106的腿中的一些而非全部腿的分流电阻器。例如，在多相电机108是三相电机的情况下，电流感测设备110可以包括用以确定2个相位的相电流的两个分流电阻器。由于相电流之和等于零(I_u+I_v+I_w＝0)，所以控制器104可以基于其他两个相电流来计算第三相电流。在一些示例中，电流感测设备110包括霍尔传感器、变流器、或其他电流传感器。

在一些示例中，多相机器102包括针对多相电机108的每个相位的分压器112。如图3中更详细地示出的，在一些示例中，每个分压器112包括寄生二极管和电容器。每个分压器112输出与多相电机108的相电压(分别为V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND})成比例的电压信号(V_{U_ADC_U}、V_{V_ADC}和V_{W_ADC})。因此，控制器104测量由分压器112输出的电压(V_{U_ADC_U}、V_{V_ADC}和V_{W_ADC})以获得与多相电机108的相电压(分别为V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND})有关的信息。虽然多相机器102被示出为具有分压器112，但是多相机器102可以包括适合测量电机相电压的任何其他电路装置。

在一些示例中，控制器104包括电压计算模块150、转子计算模块160和脉冲调制器170。电压计算模块150接收由分压器112输出的电压并且确定针对多相电机108的一个或多个相位的相电压。转子计算模块160基于由电压计算模块150计算的相电压来确定多相电机108的BEMF矢量、转子速度和转子位置。基于BEMF矢量、转子速度和转子方向，脉冲调制器170调制逆变器106的开关S₁-S₆的占空比。因此，控制器104可以获取不受控的自激多相电机108的控制。

图3是图示根据本公开的一个或多个方面的示例分压器的电路图。分压器114对应于图2的分压器112。分压器114包括电阻器R1、R2。每个分压器112的操作带宽的比率由以下公式给出：

$\frac{V_{Out}}{V_{In}}=\frac{R_1}{R_1+R_2}---\left(1\right)$

在一些示例中，多相机器102中的每个分压器114的电压比率相同。然而，在一些示例中，多相机器102中的分压器114中的至少一个分压器的电压比率不同于多相机器102中的另一分压器114的电压比率。在一些示例中，分压器114中的至少一个分压器的电压比率可变，这可以使得控制器104能够针对不同范围的相电压来确定高分辨率的ADC结果。分压器114可以包括二极管D1和电容器C1。二极管D1可以防止到ADC输入的过电压。电容器C1可以去除高频噪声。

图4是图示根据本公开的一个或多个方面的示例栅极驱动器的电路图。在一些示例中，多相机器102包括针对逆变器106的每个半桥(即每组高侧和低侧开关)的栅极驱动器116。例如，如图4中所图示的，半桥115包括开关S₁、S₂和自举栅极驱动器116。自举栅极驱动器116包括限流电阻器R_Lim和自举二极管D_BS。控制器104通过接通低侧开关S₂(或者对于逆变器106的其他两个半桥的S₄和S₆)来对自举电容器C_BS充电。一旦自举电容器C_BS被充电，则自举电容器C_BS向高侧开关S₁供应大于V_CC电压的电压，以引起高侧开关S₁接通。

在一些示例中，控制器104同时或者几乎同时接通针对相应半桥的每个低侧开关(例如S₂、S₄和S₆)，以对相应自举电容器C_BS充电。然而，如果所有的低侧开关同时接通，则多相电机108的相应相位短路，这制动多相电机108并且改变转子的行为(例如速率)。

在一些示例中，控制器104依次接通针对相应半桥的每个低侧开关以对每个相应自举电容器C_BS充电。例如，一旦高侧开关S₁的自举电容器C_BS被充电，则低侧开关S₂断开并且低侧开关S₄接通。同样，一旦高侧开关S₃的自举电容器C_BS被充电，则低侧开关S₄断开并且低侧开关S₆接通。因此，相位U、V、W的自举电容器一个接一个地接通使得相位不被短路。由于控制器104依次接通每个高侧开关，所以对于多相电机108的行为影响最小。另外，依次对每个自举电容器C_BS充电减小了相应自举电容器C_BS处的电流，这可以减小相应自举电容器C_BS上的应变并且提高电路的寿命。

图5是图示根据本公开的一个或多个方面的示例控制器200的框图。在一些示例中，控制器200包括电压计算模块210、转子计算模块220和脉冲调制器230。控制器200经由模块210、220和230来控制逆变器106。因此，控制器200控制多相电机108。仅为了方便说明，控制器200被描述为控制三相电机108。然而，控制器200可以控制具有不同数目的相位的多相电机。

在一些示例中，电压计算模块210包括多个ADC 212以及多个子模块，多个子模块包括3相电压计算模块214、Clarke变换模块216和坐标变换模块218。

电压计算模块210包括多个输入和输出。在一些示例中，到电压计算模块210的输入包括相对于接地的电机相电压。例如，电压计算模块210可以从所有三个相位接收电压：V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND}。然而，在一些示例中，电压计算模块210可以从多相电机108接收这些电压的子集。例如，电压计算模块210可以针对三个相位中的两个相位接收电压并且基于所接收的两个电压确定第三电压而不使用ADC测量电压。在一些示例中，电压计算模块210输出BEMF空间矢量，包括幅度|Vref|和角度θ。由于BEMF空间矢量可以与初始定子电压空间矢量相同，所以控制器104可以设置电机的闭环初始控制条件并且获取自激电机的控制。输入与输出之间的关系参考相应子模块更详细地描述。

电压计算模块210针对多相电机108的每个相位确定电机相电压。在一些示例中，电压计算模块210使用相应ADC 212针对多相电机108的每个相位监测电机相电压。例如，电压计算模块212可以包括3个ADC，使得每个ADC 212接收参考公共接地(GND)的相应电机相电压(V_{u_GND}、V_{v_GND}和V_{w_GND})。每个ADC同时地或者以非常接近的间隔测量相应电机相电压。在一些示例中，可选的ADC触发也可以用于以精确的定时来实现瞬时电压测量。每个ADC 212测量相应电机相电压并且输出表示相应电机相位V_{u_GND}、V_{v_GND}和V_{w_GND}的电压幅度的数字值。

在一些示例中，电压计算模块210使用相应ADC监测针对多相电机108的相位的子集的电机相电压。电压计算模块210基于所监测的电压而非通过使用ADC测量电压来确定未被监测电压的电压。电压计算模块212可以包括两个ADC，使得每个ADC 212接收针对多相电机108的相应相位的电压。例如，电压计算模块210可以使用相应ADC 212监测电机相电压V_{U_GND}和V_{V_GND}。相应ADC 212测量相应电机相电压并且输出表示相应电机相位的电压幅度的数字值。电压计算模块210可以基于第一监测电压V_{U_GND}和第二监测电压V_{V_GND}来确定第三电压V_{W_GND}。例如，如图7中进一步图示的，在任何给定时间点，三个相电压中的两个相电压大于零伏并且第三相电压为零或者接近零伏。因此，在已知所监测的相电压V_{U_GND}和V_{V_GND}大于零伏时，控制器104可以确定V_{W_GND}为零或者接近零伏。在一些示例中，电压计算模块210可以监测电机相电压的不同子集(例如V_{V_GND}和V_{W_GND}或者V_{U_GND}和V_{W_GND})并且基于所监测的电压计算未被监测电压(分别为V_{U_GND}或V_{V_GND})。

不管电压计算模块210使用相应ADC监测每个电机相电压，还是使用相应ADC监测电机相电压的子集并且计算针对未被监测相位电压，电压计算模块210针对所有三个电机相位V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND}确定相对于接地的电压。相对于接地的三个电机相位用被示出为[V_{U_GND},V_{V_GND},V_{W_GND}]的3相BEMF空间矢量来表示。电压计算模块210输出3相BEMF空间矢量。

3相电压计算模块214接收3相BEMF空间矢量并且确定电机定子绕组关于电机中性点的电压(也称为相位到中性点电压)。3相电压计算模块214使用3相电压计算来确定相位到中性点电压V_U、V_V和V_W。相位到中性点电压V_U、V_V和V_W中的每个可以被计算如下：

V_U＝K₁·(2V_{U_GND}-V_{V_GND}-V_{W_GND}) (2)

V_V＝K₁·(-V_{U_GND}+2V_{V_GND}-V_{W_GND}) (3)

V_W＝K₁·(-V_{U_GND}-V_{V_GND}+2V_{W_GND}) (4)

其中为了简化，缩放因子K₁可以与其他缩放因子组合，使得K₁可以被设置为等于1(K₁＝1)并且被忽略。在3相电压计算模块214计算相位到中性点电压V_U、V_V和V_W之后，电压计算模块214输出表示相位到中性点电压V_U、V_V和V_W的值。

Clarke变换模块216对表示相位到中性点电压V_U、V_V和V_W的值执行Clarke变换以获得在静止的α-βCartesian坐标系中的等同的2相正弦电压V_α和V_β。电压V_α和V_β可以如下来计算：

V_α＝K₂·[2V_u-(V_v+V_w)]/3 (5)

$V_{\mathrm{\β}}=K_2\·(V_v-V_w)/\sqrt{3}---\left(6\right)$

其中为了简化，缩放因子K₂可以与其他缩放因子组合，使得K₂可以被设置为等于1(K₂＝1)并且被忽略。

在任何时刻，将相位到中性点电压V_U、V_V和V_W相加在一起(即相位到中性点电压的标量之和)产生零电压，如以下等式所示：

V_U+V_V+V_W＝0 (7)

因此，等式5和6可以简化并且电压V_α和V_β可以使用以下等式来计算：

V_α＝K₂·V_u (8)

$V_{\mathrm{\β}}=K_2\·(V_u+2V_v)/\sqrt{3}---\left(9\right)$

其中K₂为了简化再次被设置为等于1。在计算2相电压V_α和V_β之后，Clarke变换模块216输出表示2相电压V_α和V_β的值。

坐标变换模块218接收表示电压V_α和V_β的值并且将表示电压V_α和V_β的这些值从静态坐标变换成极坐标中的旋转BEMF矢量。极坐标的BEMF矢量的幅度用|V_ref|表示并且极坐标的BEMF矢量的角度用θ表示。坐标变换模块218可以使用以下变换等式将电压V_α和V_β从Cartesian坐标变换成极坐标：

$\left|V_{ref}\right|=\sqrt{V_{\mathrm{\α}}^2+V_{\mathrm{\β}}^2}---\left(10\right)$

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{V_{\mathrm{\β}}}{V_{\mathrm{\α}}}\right)---\left(11\right)$

坐标变换模块218输出旋转BEMF空间矢量。

转子计算模块220基于旋转BEMF空间矢量确定转子角速度ω_r(下文中称为“角速度”)和转子位置转子计算模块220包括转子位置计算模块222和转子速度计算模块224。

转子速度计算模块224基于旋转BEMF空间矢量确定转子速度ω_r。转子速度ω_r可以通过计算BEMF电压角度θ的时间导数、转子位置的时间导数来确定，或者在转子通量Ψ_r已知的情况下通过计算BEMF矢量的幅度|V_ref|除以转子通量的幅度|Ψ_r|来确定。转子速度ω_r可以使用以下等式中的任何等式来计算：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{d\mathrm{\θ}}{dt}---\left(12\right)$

$\left|{\mathrm{\ω}}_r\right|=\frac{\left|V_{ref}\right|}{\left|{\mathrm{\Ψ}}_r\right|}---\left(14\right)$

转子位置计算模块222基于旋转BEMF空间矢量确定转子位置如果转子速度ω_r为非零，则转子位置从BEMF电压角度θ偏移(超前或滞后)弧度。转子的旋转方向确定转子位置超前还是滞后BEMF电压角度θ。转子位置可以被计算为：

转子计算模块220确定转子速度ω_r和转子位置并且输出表示转子速度ω_r和转子位置的值。

控制器200控制脉冲调制器230来控制多相电机108。脉冲调制器230基于转子速度ω_r和转子位置来调制逆变器106的开关S₁-S₆的占空比。例如，如果控制器200确定转子在正向(或正确的)方向上绕转并且转子速率满足闭环控制的门限速率(例如转子速率大于门限速率)，则脉冲调制器230调制开关S₁-S₆的占空比以便根据闭环控制来控制转子。如果控制器200确定转子在反向(或错误的)方向上绕转并且转子速率满足闭环控制的门限速率，则脉冲调制器230调制开关S₁-S₆的占空比以便根据闭环控制来控制转子，放慢转子至停止，以及根据正常启动过程在正向方向上重新启动转子。如果控制器200确定转子速率不满足闭环控制的门限速率(不管转子方向)，则脉冲调制器230调制开关S₁-S₆的占空比以便放慢转子至停止，并且根据正常启动过程在正向方向上重新启动转子。

控制器200可以使用旋转BEMF空间矢量、转子速度ω_r和转子位置用于其他应用。在一些示例中，控制器200可以确定BEMF电压常数。例如，控制器200可以确定BEMF矢量的幅度|V_ref|、转子速度ω_r，并且然后使用以下公式确定BEMF电压常数：

$\left|{\mathrm{\Ψ}}_r\right|=\frac{\left|V_{ref}\right|}{\left|{\mathrm{\ω}}_r\right|}---\left(16\right)$

在一些示例中，控制器200可以估计转子位置以校准转子传感器(例如旋转编码器、分解器或霍尔传感器)的位置偏移。控制器200可以将所估计的转子位置与来自一个或多个转子传感器的转子位置相比较以获取电机的零度位置与转子传感器的零度位置之间的偏移。

图6是图示根据本公开的一个或多个方面的示例控制器300的框图。在一些示例中，控制器300包括电压计算模块310、转子计算模块320和脉冲调制器330。控制器300经由模块310、320和330来控制逆变器106，这使得控制器300能够控制多相电机108。仅为了方便说明，控制器300被描述为控制三相电机108。然而，控制器300可以控制具有不同数目的相位的多相电机。

在一些示例中，电压计算模块310包括多个ADC 312以及多个子模块，多个子模块包括2相电压计算模块314和坐标变换模块318。

电压计算模块310包括基本上与参考图5的电压计算模块210描述的输入和输出类似的多个输入和输出。例如，电压计算模块310可以从所有三个相位接收电压(V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND})或者从三个相位接收电压的子集。在一些示例中，电压计算模块310输出BEMF空间矢量，包括幅度|Vref|和角度θ。由于BEMF空间矢量可以与初始定子电压空间矢量相同，所以控制器104可以设置电机的闭环初始控制条件并且获取自激电机的控制。

电压计算模块310按照基本上类似于图5的电压计算模块210的方式针对多相电机108的每个相位确定电机相电压。电压计算模块310可以使用相应ADC监测所有三个相电压，或者电压计算模块310可以使用相应ADC监测相电压的子集并且基于所监测的相电压确定第三相电压。每个ADC 312测量相应电机相电压并且输出表示相应电机相位的电压幅度的数字值。

2相电压计算模块314接收表示电压V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND}的值并且确定在静止的α-βCartesian坐标系中的等同的2相正弦电压V_α和V_β。2相电压计算模块314可以根据相对于接地的相电压(V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND})来确定电压V_α和V_β而不确定电机相位到中性点电压(V_U、V_V和V_W)并且不执行Clarke变换。因此，控制器300可以需要更少的CPU时间并且可以比其他控制器更快地确定自激电机的速率和方向。电压V_α和V_β可以如下来计算：

V_α＝K₃·(2V_{u_GND}-V_{v_GND}-V_{w_GND}) (17)

$V_{\mathrm{\β}}=K_3\·\sqrt{3}\·(V_{v_{GND}}-V_{w_{GND}})---\left(18\right)$

其中为了简化，缩放因子K₃可以与其他缩放因子组合，使得K₃可以被设置为等于1(K₃＝1)并且被忽略。在2相电压计算模块314输出表示电压V_α和V_β的值。

按照基本上类似于坐标变换模块218的方式，坐标变换模块318接收表示电压V_α和V_β的值并且确定旋转BEMF空间矢量，旋转BEMF空间矢量包括幅度|V_ref|和角度θ。坐标变换模块318输出旋转BEMF空间矢量。转子计算模块320接收旋转BEMF空间矢量。按照基本上类似于转子计算模块220的方式，转子计算模块320基于旋转BEMF空间矢量确定转子角速度ω_r和转子位置

控制器300控制脉冲调制器330来控制多相电机108。脉冲调制器330基于转子速度ω_r和转子位置来调制逆变器106的开关S₁-S₆的占空比。脉冲调制器330按照基本上类似于图5中的脉冲调制器230的方式来调制占空比。

控制器300可以使用旋转BEMF空间矢量、转子速度和转子位置用于其他应用，诸如针对图5中的控制器200给出的示例。例如，控制器300可以确定BEMF电压常数，或者校准转子传感器的位置偏移。

图7是图示根据本公开的一个或多个方面的多个输入电压的示例波形的曲线图。图7图示自激多相电机108的电压V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND}的典型波形。周期T_2π表示弧度的电角度。电压V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND}是接近周期性的并且所示的周期T_2π在自激电机变慢时将变得越来越长。在每个周期T_2π中，电压V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND}基本上在大致的连续时间期间维持最低电压。换言之，每个电压在大致周期T_2π的三分之一的时间期间保持在最小电压。例如，在周期702的间隔A期间，电压V_{U_GND}和V_{V_GND}在零伏以上，并且V_{W_GND}保持在最小电压(大致是正向电压的负数(-V_F)，其大致为零伏)。同样，在周期702的间隔B期间，电压V_{V_GND}和V_{W_GND}在零伏特以上，并且V_{U_GND}保持在最小电压。另外，在周期702的间隔C期间，电压V_{U_GND}和V_{W_GND}在零伏特以上，并且V_{V_GND}保持在最小电压。如果三个电压V_{U_GND}、V_{V_GND}和V_{W_GND}中的任何两个或全部三个的ADC值连续地保持低于门限电压，则控制器104可以确定电机处于低速或静止并且可以被安全地制动。例如，如果其中至少两个电压在至少10秒钟期间保持低于对应于20转每分钟(RPM)的电压，则控制器104可以确定转子缓慢地绕转并且可以被安全地制动。

图8是图示根据本公开的一个或多个方面的输入电压的示例波形的曲线图。在一些示例中，控制器104仅包括一个ADC并且使用ADC测量单个电机相电压。例如，控制器104可以测量电机相电压V_{U_GND}并且确定V_{U_GND}上升(或下降)到电压门限V_th所需要的时间t₀。虽然图8示出了相电压V_{U_GND}的测量，但是控制器104可以测量多相电机108的任何相电压。控制器104可以使用以下公式基于V_{U_GND}上升(或下降)到电压门限V_th所需要的时间t₀来确定转子速率：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{2\mathrm{\π}}{t_0}---\left(19\right)$

如图8中所图示的，控制器104可以在V_{U_GND}上升到V_th的时间808开始计时器并且在V_{U_GND}再次上升到V_th的时间810停止计时器。控制器104可以确定在808到810之间逝去的时间t₀。

在另一示例中，控制器104可以测量电机相电压V_{U_GND}并且确定V_{U_GND}保持在零伏处或大致零伏处的时间t₁。例如，在每个时间段802、804、806期间，V_{U_GND}在电周期(2π/3)(用每个周期的间隔A示出)的三分之一(假定三相)的时间期间保持在零伏或大致零伏处。控制器104可以使用以下公式基于V_{U_GND}保持在零伏处或大致零伏处的时间t₁来确定转子速率：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{2\mathrm{\π}/3}{t_1}---\left(20\right)$

控制器104可以将转子速率与闭环控制的门限速率相比较以确定转子速率是否满足闭环控制的门限速率。例如，控制器104可以确定转子速率为20RPM，与30RPM的闭环控制的门限速率相比较，并且确定转子速率不满足闭环控制的门限速率，控制器104可以确定转子缓慢绕转并且可以被安全地制动。如果控制器104确定转子速率不满足闭环控制的门限速率，则控制器104可以制动电机使得转子停止旋转，并且重新启动转子。

图9是图示根据本公开的一个或多个方面的用于示例控制器的操作的示例方法的流程图。仅出于说明的目的参考图2的控制器104来描述示例方法。在一些示例中，控制器104可以包括第一超时周期(例如100毫秒)。在第一超时周期期间，控制器104可以被配置成针对逆变器106的栅极驱动器对自举电容器预充电(902)。对自举电容器预充电可以提供充分高的电压以驱动逆变器106的高侧开关(例如S₁、S₃和S₅)。在自举电容器被充电之后，控制器104可以结束第一超时周期(904)。第一超时周期在其他示例中可以长于或短于100毫秒。例如，第一超时周期可以在50毫秒到150毫秒之间。在一些示例中，多相机器102可能不包括自举电容器，这样控制器104可以跳过步骤(902)和(904)。

控制器104可以进入逆变器106的所有开关均断开的第二超时周期(例如0.50毫秒)。在第二超时周期期间，控制器104可以估计转子速度和转子位置(906)。例如，控制器104可以确定来自多相电机108的多个电机相电压并且基于多个电机相电压确定转子速度和转子位置。控制器104可以在第二超时周期期间多次估计转子速度和转子位置。例如，控制器104可以每50毫秒估计转子速度和转子位置一次。在确定转子速度和转子位置之后，控制器104可以结束第二超时周期(908)。第二超时周期在其他示例中可以长于或短于0.50毫秒。例如，第二超时周期可以在0.25毫秒到1.50毫秒之间。

控制器104可以将转子速率与闭环控制的门限速率相比较。在一些示例中，闭环控制的门限速率可以取决于转子的方向而不同。例如，闭环控制的门限速率在转子在正向方向上旋转的情况下为正速率，并且闭环控制的门限速率在转子在反向方向上旋转的情况下为负速率。在一些示例中，闭环控制的门限速率可以是20RPM。然而，闭环控制的门限速率不限于单个速率，而是取决于电机和应用。

控制器104可以确定转子是否在正向方向上旋转并且确定转子速率是否满足闭环控制的门限速率(910)。在一些示例中，正速率表示转子在正向(或者正确的)方向上旋转。例如，如果控制器104确定转子速率为正并且转子在正向方向上旋转，则控制器104在转子速率大于闭环控制的正门限速率的情况下可以确定转子速率满足闭环控制的门限速率。

如果控制器104确定转子在正向方向上旋转并且转子速率满足闭环控制的门限速率，则控制器104可以使用闭环控制来控制多相电机108(912)。例如，控制器104可以设置初始控制条件(例如逆变器输出电压、多个电机相电流、多个正交电压[V_d和V_q]、以及用以控制多相电机的任何其他条件)来匹配现有条件。闭环控制技术可以包括场定向控制或最大效率跟踪。在一些示例中，控制器104可以使用多个闭环技术来控制多相电机108。例如，控制器104可以使用最大效率跟踪来开始多相电机108的闭环控制并且转变到场定向控制。

在一些示例中，控制器104可以确定转子是否在反向方向上旋转并且确定转子速率是否满足闭环控制的门限速率(914)。在一些示例中，负速率表示转子在反向(或者错误的)方向上旋转。例如，如果控制器104确定转子速率为负并且转子在反向方向上旋转，则控制器104在转子速率小于闭环控制的负门限速率的情况下可以确定转子速率满足闭环控制的门限速率。

如果控制器104确定转子在反向方向上旋转并且转子速率满足闭环控制的门限速率，则控制器104可以使用闭环控制来控制多相电机108(916)。例如，控制器104可以设置初始控制条件来匹配现有条件。一旦控制器104已经使用闭环控制获取了多相电机108的控制(并且转子仍然在反向方向上旋转)，则控制器104可以重新确定转子速率是否仍然满足闭环控制的门限速率(918)。响应于确定转子速率仍然满足闭环控制的门限速率，控制器104可以使用闭环控制放慢多相电机108的速率(920)。控制器可以继续步骤(918)和(920)直到控制器104确定转子速率不满足闭环控制的门限速率。

在一些示例中，控制器104可以确定转子速率不满足闭环控制的门限速率。例如，控制器104可以确定转子在正向方向上旋转但是转子速率小于闭环控制的正门限速率。因此，控制器104可以确定转子速率不满足闭环控制的门限速率。在另一示例中，控制器104可以确定转子在反向方向上旋转并且转子速率大于负的门限。因此，控制器104可以确定转子速率不满足闭环控制的门限速率。在又一示例中，控制器104可以确定转子没有旋转，使得转子速率不满足闭环控制的门限速率。

如果控制器104确定转子速率不满足闭环控制的门限速率，则控制器104可以通过使用短的电机相位或者施加具有零矢量或伪零矢量的电压来制动转子(922)。一旦转子不再旋转，控制器104可以使用正常电机启动来启动电机(924)使得转子在正向方向上旋转。例如，控制器104可以使用开环控制启动多相电机108直到转子速率满足闭环控制的门限速率。一旦转子速率满足闭环控制的门限速率，控制器104可以过渡到闭环控制。

一旦控制器使用闭环控制再次获取对多相电机108的控制，则控制器104可以使用无传感器场定向控制来保持多相电机108在正向方向上运行(926)。

图10是图示根据本公开的一个或多个方面的用于示例控制器的操作的示例方法的流程图。仅出于说明的目的参考图2的控制器104来描述示例方法。在一些示例中，控制器104可以估计转子速率(1002)。例如，控制器104可以基于V_{U_GND}上升(或下降)到电压门限V_th的时间t₀来确定转子速率。在另一示例中，控制器104可以基于V_{U_GND}保持在零伏或大致零伏处的时间t₁来确定转子速率。

在一些示例中，控制器104可以将转子速率与闭环控制的门限速率相比较以确定转子速率是否满足闭环控制的门限速率(例如大于闭环控制的门限速率)(1004)。如果控制器104确定转子速率满足闭环控制的门限速率，则控制器104可以返回步骤(1002)。然而，如果控制器104确定转子速率不满足闭环控制的门限速率(例如转子速率小于闭环控制的门限速率)，则控制器104可以制动电机(1006)。控制器104可以通过使用短的电机相位或者施加具有零矢量或伪零矢量的电压来制动电机。一旦电机不再旋转，控制器104可以使用正常电机启动来启动电机(1008)使得转子在正向方向上旋转。例如，控制器104可以使用开环控制来启动多相电机108并且然后过渡到闭环控制。

一旦控制器通过闭环控制重新获取多相电机108的控制，则控制器104可以使用无传感器场定向控制保持多相电机108在正向方向上运行(1010)。

以下示例可以说明本公开的一个或多个方面。

示例1.一种用于控制多相电机的控制器，其中所述控制器被配置成：在所述多相电机处于不受控状态时测量所述多相电机的多个相电压；基于所测量的多个相电压确定所述多相电机的转子的位置；基于所测量的多个相电压确定所述转子的速度，其中所述转子的速度包括所述转子的速率和所述转子的方向；以及响应于确定所述转子的方向是正向方向并且所述转子的速率满足闭环门限速率：基于所述转子的位置和所述转子的速度设置所述转子的至少一个初始控制条件，以及使用闭环控制并且基于所述至少一个初始控制条件控制所述转子。

示例2.根据示例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转子的方向是反向方向并且所述转子的速率满足第二闭环门限速率：基于所述转子的位置和所述转子的速度设置所述转子的所述至少一个初始控制条件；以及使用闭环控制并且基于所述至少一个初始控制条件放慢所述转子直到所述转子的速率不满足所述第二闭环门限速率。

示例3.根据示例1-2的任意组合所述的控制器，其中所述控制器还被配置成响应于确定所述转子的速率不满足所述闭环门限速率：制动所述转子直到所述转子停止旋转；在所述正向方向上重新启动所述转子；使用开环控制并且在所述转子的速率不满足所述闭环门限速率的同时控制所述转子；以及使用闭环控制并且在所述转子的速率满足所述闭环门限速率的同时控制所述转子。

示例4.根据示例1-3的任意组合所述的控制器，其中所述控制器还被配置成施加具有零矢量的电压以便制动所述电机直到所述电机停止旋转。

示例5.根据示例1-4的任意组合所述的控制器，其中所述控制器被配置成通过使用相应ADC测量所述多相电机的每个相电压来测量所述多相电机的多个相电压。

示例6.根据示例1-5的任意组合所述的控制器，其中所述控制器被配置成通过测量所述多相电机的相电压的子集来测量所述多相电机的多个相电压，其中所述控制器还被配置成：使用相应ADC测量所述多相电机的所述相电压的子集中的每个相电压；以及基于所述相电压的子集确定所述多相电机的至少一个额外的相电压而不测量所述至少一个额外的相电压。

示例7.根据示例1-6的任意组合所述的控制器，其中所述控制器还被配置成：基于所测量的多个电压确定2相正弦电压V_α和V_β；基于所述2相正弦电压V_α和V_β确定旋转BEMF空间矢量，其中确定所述转子的位置还基于所述旋转BEMF矢量，其中确定所述转子的速度还基于所述旋转BEMF矢量。

示例8.根据示例1-7的任意组合所述的控制器，其中设置所述转子的所述至少一个初始控制条件包括以下各项中的一项或多项：设置初始逆变器输出电压，设置多个初始电机相电流，或者设置多个初始正交电压。

示例9.一种用于控制多相电机的方法，所述方法包括：在多相电机处于不受控状态时测量所述多相电机的多个相电压；基于所测量的多个相电压确定所述多相电机的转子的位置；基于所测量的多个相电压确定所述转子的速度，其中所述转子的速度包括所述转子的速率和所述转子的方向；以及响应于确定所述转子的方向是正向方向并且所述转子的速率满足闭环门限速率：基于所述转子的位置和所述转子的速度设置所述转子的至少一个初始控制条件，以及使用闭环控制并且基于所述至少一个初始控制条件控制所述转子。

示例10.根据示例9所述的方法，还包括响应于确定所述转子的方向是反向方向并且所述转子的速率满足第二闭环门限速率：基于所述转子的位置和所述转子的速度设置所述转子的所述至少一个初始控制条件；以及使用闭环控制并且基于所述至少一个初始控制条件放慢所述转子直到所述转子的速率不满足所述第二闭环门限速率。

示例11.根据示例9-10的任意组合所述的方法，还包括响应于确定所述转子的速率不满足所述闭环门限速率：制动所述转子直到所述转子停止旋转；在所述正向方向上重新启动所述转子；使用开环控制并且在所述转子的速率不满足所述闭环门限速率的同时控制所述转子；以及使用闭环控制并且在所述转子的速率满足所述闭环门限速率的同时控制所述转子。

示例12.根据示例9-11的任意组合所述的方法，其中制动所述转子直到所述转子停止旋转包括施加具有零矢量的电压。

示例13.根据示例9-12的任意组合所述的方法，其中测量所述多相电机的多个相电压包括使用相应ADC测量所述多相电机的每个相电压。

示例14.根据示例9-13的任意组合所述的方法，其中测量所述多相电机的多个相电压包括测量所述多相电机的相电压的子集，所述方法还包括：使用相应ADC测量所述多相电机的所述相电压的子集中的每个相电压；以及基于所述相电压的子集确定所述多相电机的至少一个额外的相电压而不测量所述至少一个额外的相电压。

示例15.根据示例9-14的任意组合所述的方法，还包括：基于所测量的多个电压确定2相正弦电压V_α和V_β；基于所述2相正弦电压V_α和V_β确定旋转BEMF空间矢量，其中确定所述转子的位置还基于所述旋转BEMF矢量，其中确定所述转子的速度还基于所述旋转BEMF矢量。

示例16.根据示例9-15的任意组合所述的方法，其中设置所述转子的所述至少一个初始控制条件包括以下各项中的一项或多项：设置初始逆变器输出电压，设置多个初始电机相电流，或者设置多个初始正交电压。

示例17.一种用于控制多相电机的系统，所述系统包括：多相电机；以及用于控制所述多相电机的控制器，其中所述控制器被配置成：在多相电机处于不受控状态时测量所述多相电机的多个相电压；基于所测量的多个相电压确定所述多相电机的转子的位置；基于所测量的多个相电压确定所述转子的速度，其中所述转子的速度包括所述转子的速率和所述转子的方向；以及响应于确定所述转子的方向是正向方向并且所述转子的速率满足闭环门限速率：基于所述转子的位置和所述转子的速度设置所述转子的至少一个初始控制条件，以及使用闭环控制并且基于所述至少一个初始控制条件控制所述转子。

示例18.根据示例17所述的系统，其中所述控制器还被配置成响应于确定所述转子的方向是反向方向并且所述转子的速率满足第二闭环门限速率：基于所述转子的位置和所述转子的速度设置所述转子的所述至少一个初始控制条件；以及使用闭环控制并且基于所述至少一个初始控制条件放慢所述转子直到所述转子的速率不满足所述第二闭环门限速率。

示例19.根据示例17-18的任意组合所述的系统，其中所述控制器还被配置成响应于确定所述转子的速率不满足所述闭环门限速率：制动所述转子直到所述转子停止旋转；在所述正向方向上重新启动所述转子；使用开环控制并且在所述转子的速率不满足所述闭环门限速率的同时控制所述转子；以及使用闭环控制并且在所述转子的速率满足所述闭环门限速率的同时控制所述转子。

示例20.一种用于控制多相电机的控制器，其中所述控制器被配置成：在多相电机处于不受控状态时使用ADC测量所述多相电机的相电压；基于所述相电压确定所述多相电机的转子的速度；响应于确定所述转子的速率不满足闭环门限速率：制动所述转子直到所述转子停止旋转，在所述正向方向上重新启动所述转子，使用开环控制并且在所述转子的速率不满足所述闭环门限速率的同时控制所述转子，以及使用闭环控制并且在所述转子的速率满足所述闭环门限速率的同时控制所述转子。

以上提及的示例用于示出适用于本文中描述的技术和电路的示例或应用。在一个或多个示例中，描述的功能可以用硬件、软件、固件或者其任意组合来实现。例如，本文中描述的控制器中的一个或多个用硬件、软件、固件或者其任意组合来实现。如果用软件实现，则这些功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或者在计算机可读介质上传输并且由基于硬件的处理单元来执行。计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质(其对应于有形介质，诸如数据存储介质)或者通信介质(包括例如根据通信协议促进计算机程序从一个地方到另一地方的传送的任何介质)。以这一方式，计算机可读介质通常可以对应于(1)非暂态的有形计算机可读存储介质或者通信介质，诸如信号或载波。数据存储介质可以是能够被一个或多个计算机或者一个或多个处理器访问以检索指令、代码和/或数据结构用于本公开中描述的技术的实现的任何可用介质。计算机程序产品可以包括计算机可读介质。

作为示例而非限制，这样的计算机可读存储介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储装置、磁盘存储装置、或者其他磁性存储设备、闪存存储器、或者能够用以存储指令或数据结构形式的期望程序代码并且能够被计算机访问的任何其他介质。另外，任何连接适当地被称为计算机可读介质。例如，如果指令使用同轴线缆、光纤线缆、双绞线、数字用户线(DSL)、或者无线技术(诸如红外、无线电和微波)从网站、服务器或其他远程源被传输，则同轴线缆、光纤线缆、双绞线、数字用户线(DSL)、或者无线技术(诸如红外、无线电和微波)被包括在介质的定义中。然而，应当理解，计算机可读存储介质和数据存储介质不包括连接、载波、信号或其他暂态介质，但是涉及非暂态、有形存储介质。

指令可以由一个或多个处理器来执行，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或者其他等同的或离散的逻辑电路系统。因此，本文中所使用的术语“处理器”可以指代以上结构或者适合用于本文中描述的技术的实现的任何其他结构中的任何一项。另外，在一些方面，本文中描述的功能可以在专用硬件和/或软件模块内提供。另外，这些技术可以完全用一个或多个电路或逻辑元件来实现。

本公开的技术可以用各种设备或装置来实现，包括交流发电机、集成电路(IC)或者IC的集合(例如芯片集)。本公开中描述了各种用于强调被配置成执行所公开的技术的设备的功能方面的部件、模块或单元，但不一定要去用不同硬件单元来实现。相反，如以上描述的，各种单元可以在硬件单元中组合或者由协作的硬件单元的集合(包括以上描述的一个或多个处理器)结合合适的软件和/或固件来提供。

已经描述了各种示例，这些和其他示例在以下权利要求的范围内。