CN106253761B - 具有灵活保护模式的电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于电机系统中的电机控制器包括模式选择电路、故障检测电路、保护逻辑电路和电机控制电路。所述模式选择电路将所述电机控制器设置在内部保护模式和外部保护模式中的一者下。所述故障检测电路检测所述电机系统是在正常操作状态还是故障状态下操作。如果所述电机系统在所述故障状态下操作，则所述保护逻辑电路在所述内部保护模式下输出保护信号，并且在所述外部保护模式下使所述保护信号保持非激活的状态，同时激活外部诊断信号。所述电机控制电路在所述保护信号非激活时响应于速度控制信号，并且在所述保护信号激活时响应于所述保护信号，来控制所述电机系统的电机。

Description

具有灵活保护模式的电机控制器

本专利申请要求提交于2015年6月12日、由Masashi Tanabe发明、名称为“MotorController with Flexible Protection Modes”(具有灵活保护模式的电机控制器)的美国临时专利申请No.62/174,768的优先权。

技术领域

本公开整体涉及电机电路，并且更具体地讲，涉及用于电机诸如具有故障保护能力的无刷直流电机的控制器。

背景技术

电动机用于多种消费品和工业产品中，产品范围从小的低成本产品到高端产品。低成本产品需要廉价的并且仅需要少数外部部件的电动机控制器。另一方面，高端产品需要更复杂的电机控制算法。复杂的电机控制算法可通过上部控制单元实施，该上部控制单元将命令提供给集成电路(IC)电机控制器。上部控制单元通常由微控制器(MCU)实施，该微控制器具有包含软件的片上存储器以引导IC电机控制器执行精确的电机速度和换向动作。

在汽车环境中，电动机用于若干不同应用，包括散热器风扇、燃油泵、水泵和油泵。在这些环境中，重要的是提供若干保护机制以防止可导致安全危害的故障状况。然而，一直以来特别难以设计出一种可用于这些不同应用中的大部分或全部的单一IC电机控制器。

附图说明

本领域技术人员参照附图阅读本说明书，可以更好地理解本发明，也可以显而易见地认识到本发明的多种特征和优点，在附图中：

图1以框图形式示出了根据本发明的一个实施例的独立电机系统；

图2以框图形式示出了根据本发明的另一个实施例的基于微控制器的电机系统；

图3以框图形式示出了可用作图1和图2的电机控制器的电机控制器；以及

图4以局部框图形式和局部示意图形式示出了可用于实施图3的电机控制器300的IC电机控制器的例子。

在不同附图中使用相同的参考符号来指示相同或类似的元件。除非另有说明，否则词语“耦合”及其相关动词形式包括直接连接以及通过本领域已知的方式的间接电连接两者；而且除非另有说明，否则对直接连接的任一描述暗示采用适宜间接电连接形式的替代实施方式。

具体实施方式

图1以框图形式示出了根据本发明的一个实施例的独立电机系统100。电机系统100一般包括无传感器电机控制器110、电机驱动器120以及3相无刷直流(BLDC)电机130。电机控制器110具有用于接收标记为“SPEED CONTROL SIGNAL(速度控制信号)”的控制信号的第一输入、用于接收标记为“TEMPERATURE(温度)”的温度信号的第二输入、用于接收标记为“VOLTAGE AND CURRENT FEEDBACK(电压及电流反馈)”的反馈信号的第三输入，以及用于提供标记为“GATE DRIVER SIGNAL(门驱动器信号)”的一组六个控制信号的输出。电机驱动器120具有用于接收GATE DRIVER SIGNAL(门驱动器信号)的输入、用于提供VOLTAGE ANDCURRENT FEEDBACK(电压及电流反馈)信号的第一组输出，以及用于将标记为“UOUT”、“VOUT”和“WOUT”的三个电机相位驱动信号提供给电机130的三个相位中的对应每一者的第二组输出。

在操作中，电机控制器110将六个门驱动器信号提供给电机驱动器120以控制电机130的每个相位的源驱动和吸收驱动。电机控制器110将电机130的速度控制为通过SPEEDCONTROL SIGNAL设置的速度。在一个实施例中，SPEED CONTROL SIGNAL为脉冲序列，其脉冲宽度指示电机130的所需旋转速度。在电机系统100中，SPEED CONTROL SIGNAL由图1中未示出的离散时钟脉冲源生成。电机控制器110没有传感器，因为其不使用传感器诸如电刷传感器和霍尔效应传感器测量转子位置以确定何时使相位换向。相反，它通过感测在其非激活时间期间每个电机相位驱动信号的反电动势(EMF)来确定何时使相位换向。

电机驱动器120包括与三个相位的源驱动部分和吸收驱动部分相对应的六个开关。在一种形式中，开关为N-沟道功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，它们能够驱动每个电机相位的大负载电感。在其他实施例中，可使用其他合适晶体管类型。电机控制器110作为单片IC实施，并且电机驱动器120在该IC外部。因此电机控制器110可用不同晶体管操作，其尺寸设定成适于其相应的目标电机。在一个实施例中，通过具有离散传感电阻器和保护电阻器的离散MOSFET实施电机驱动器120，但是在其他实施例中，可采用混合封装的各种组合将这些部件组合。

电机控制器110被设计为在汽车环境中操作，并且包括各种保护机制，该机制保护电机控制器110和电机系统100不受可能出现的各种故障状况的影响。这些故障状况包括各种情况，诸如过流、欠压、过压、电机驱动器短路、超温、锁定转子和控制输入错误。根据故障类型，电机控制器110可编程为采取针对不同应用而将不同的适当动作。

具体地讲，电机控制器110包括电路，该电路响应于故障状况执行适当动作并且针对独立系统(如电机系统100)和具有上部控制单元的系统均提供可编程操作。如将在下文更多的细节所见，响应于故障状况，该电路通过选择性地和可编程地允许上部控制单元决定适当动作或允许电机控制器110自身确定动作来执行这种操作。

图2以框图形式示出了根据本发明的另一个实施例的基于微控制器的电机系统200。电机系统200包括与此前相对于图1所示相同的电机控制器110、电机驱动器120和3相BLDC电机130。然而电机系统200还包括MCU 210，它作为上部控制单元操作来控制电机控制器110以及提供SPEED CONTROL SIGNAL。

另外，电机系统200示出了电机系统100中未使用的电机控制器110的两个附加接口。首先，电机控制器110以可编程方式将标记为“DIAG(诊断)”的诊断输出信号提供给MCU210以指示发生故障状况。响应于DIAG(诊断)信号，MCU 210可使用由软件控制的复杂电机控制算法，响应于具体故障来采取其认为适当的动作。

第二，电机控制器110具有串行接口，该串行接口允许MCU 210与电机控制器110通信并且控制电机控制器110。在一个具体实施例中，串行接口符合工业标准串行外围接口(SPI)协议。根据该协议，MCU 210作为主SPI操作，并且电机控制器110作为从属SPI操作。具有该接口的控制器提供与故障保护有关的两种能力。首先，它允许MCU 210将各种设置编程到电机控制器110中，包括在具体故障状况发生时管理电机控制器110所采取的动作的设置。其次，它允许MCU 210读取电机控制器110内部的诊断寄存器，以使得MCU 210可重新编程某些设置或基于实际故障确定SPEED CONTROL SIGNAL的新值。

图3以框图形式示出了可用作图1和图2的电机控制器110的电机控制器300。电机控制器300一般包括模式选择电路310、保护逻辑电路320、电机控制电路330和故障检测电路340。

模式选择电路310包括SPI接口312、一次性可编程(OTP)存储器314和一组系统寄存器316。SPI接口312具有第一双向端口和第二双向端口，第一双向端口用于连接到外部主SPI诸如MCU 210。OTP 314连接到SPI接口312的第二双向端口，并且具有输出。系统寄存器316连接到SPI接口312的第二双向端口，并且具有连接到OTP 314的输出的输入以及用于提供标记为“PROTECT/DIAG SETTING(保护/诊断设置)”的信号的输出。

保护逻辑电路320具有用于接收PROTECT/DIAG SETTING(保护/诊断设置)信号的输入、用于接收标记为“FAULT DETECTION SIGNAL(故障检测信号)”的故障信号的一组输入、用于提供标记为“PROTECTION SIGNAL(保护信号)”的第一输出，以及用于提供DIAG(诊断)信号的第二输出。

故障检测电路340提供FAULT DETECTION SIGNAL(故障检测信号)，其指示电机系统在正常操作状态还是在故障状态下操作。

电机控制电路330具有用于接收SPEED CONTROL SIGNAL的第一输入、用于接收PROTECTION SIGNAL(保护信号)的第二输入、用于接收电机相位信号UOUT、VOUT和WOUT的第三输入，以及用于提供GATE DRIVER SIGNAL(门驱动器信号)的输出。

在操作中，电机控制电路330驱动外部晶体管的门，门继而将电机相位信号提供给电机130的每个相位。在BLDC电机控制中，驱动一个电机相位信号作为源极，驱动一个电机相位信号作为吸收极，并且不以熟知的交替图案驱动一个相位信号以引起电机旋转。转子每旋转120°，电机控制电路330就使电机换向。电机控制电路330通过重复感测未驱动相位上的反电动势来确定电机130的相位。

在启动时，电机控制电路330使电机速度以可编程速率倾斜上升，并且电机最终达到所需速度。电机控制电路330具有两种在启用速度控制时设置目标速度的方式。首先对于独立系统而言，低频PWM可提供具有占空比的SPEED CONTROL SIGNAL，其选择一组速度选择寄存器中的对应一者。随后通过编程到所选速度选择寄存器中的值来确定目标速度。第二，对于具有上部控制单元的系统而言，上部控制单元可提供具有固定占空比的SPEEDCONTROL SIGNAL以选择速度选择寄存器中的一者，并且上部控制单元随后还可经由SPI接口312将目标速度直接写入对应的速度选择寄存器中。

模式选择电路310提供各种可编程模式和设置信号来控制保护逻辑电路320和电机控制电路330的操作。模式选择电路310包括SPI接口312以允许其接收用于编程到OTP314或系统寄存器316中的外部生成数据。例如，如果电机控制器300将用于独立应用程序中，则SPI接口312可连接到编程器或VLSI测试仪并且接收要存储在OTP 314中的数据。如果电机控制器300将与上部控制单元一起使用，则OTP 314中的设置可如在独立模式中一样由编程器或VLSI测试仪编程，或者它们可在连接到上部控制单元之后在系统内编程。然而，由于OTP 314无法擦除和重编程序，因此重要的是用户不对任何设置编程，直至确定设置为永久性的。此外，OTP 314具有可被设置成防止任何进一步写入的保护寄存器，从而使得所有设置为永久性的。

当电机控制器300复位或以其他方式启动时，诸如在睡眠到待机状态转变期间，编程到OTP 314的寄存器中的各种值被传送到系统寄存器316的对应寄存器中。因此OTP 314包含系统寄存器316的许多值的图像。这些值包括典型的电机配置设置，诸如速度和电压范围选择、电机方向(正向或反向)、软启动模式、停滞时间选择等等。由于这些设置是常规的，因此将不再进一步讨论。应注意，虽然系统寄存器316中的大多数可在待机模式下重写，但系统寄存器316中的一些也可在电机控制器300处于正常模式下时重写，从而允许上部控制单元在电机操作期间改变设置。

OTP 314也包括与现在将描述的灵活保护模式有关的设置。对于一种或多种类型的故障而言，这些包括电机控制器300将在内部保护模式还是外部保护模式下操作。在内部保护模式下，当检测到对应的故障状况时，OTP 314以及因此系统寄存器316中的设置确定电机控制电路330将如何操作。在外部保护模式下，保护逻辑电路320激活DIAG(诊断)信号，并且依赖上部控制单元改变SPEED CONTROL SIGNAL以及系统寄存器316中的可能其他设置，以确定电机控制电路330将如何操作。

保护逻辑电路320还包括逻辑以识别FAULT DETECTION SIGNAL(故障检测信号)中任何一者的激活，以及确定作为响应要采取的动作。根据电机控制器300处于内部保护模式还是外部保护模式下，这些动作有所不同。一般来讲，针对所有系统错误以及针对大多数警告，保护逻辑电路320输出具有可编程极性的DIAG(诊断)信号。

由于系统错误为严重状况，因此它们始终导致DIAG(诊断)信号的激活。然而，保护逻辑电路320可针对每个系统错误以逐个错误为基础选择性地掩蔽PROTECTION SIGNAL(保护信号)。相对于每个可掩蔽错误，未掩蔽错误对应于内部保护模式，并且被掩蔽错误对应于外部保护模式。保护逻辑电路320还具有锁存某些错误的能力，在这种情况下电机停止，或者具有进入自恢复状态，这种能力在故障结束时允许恢复操作。用于掩蔽和锁存的能力以及电机控制器300的自恢复状态的细节示于下表I中，它对应于称为MRDIAG0的可读诊断寄存器：

表I-错误寄存器：MRDIAG0

如表I所示，电机控制器300支持三种类型的系统错误。第一种类型的系统错误既不可掩蔽也不可锁存。这些系统错误包括VSLVPO、CHPLVPO、VGLLVPO错误。这些系统错误始终导致保护逻辑电路320激活PROTECTION SIGNAL(保护信号)并且导致电机控制电路330执行自恢复操作。

第二种类型的系统错误可掩蔽但不可锁存。这些系统错误包括VSOVPO和THPO错误。如果系统错误被掩蔽，则保护逻辑电路320通过使PROTECTION SIGNAL(保护信号)保持非激活来选择外部保护模式，相反依赖上部控制单元检查错误并且确定校正步骤，如果有的话。如果系统错误未被掩蔽，则保护逻辑电路320通过激活PROTECTION SIGNAL(保护信号)选择内部保护模式并且电机控制电路330进入自恢复状态。

第三种类型的系统错误可掩蔽并且任选地锁存。这些系统错误包括OCPO、FSPO和CPO错误。如果系统错误被掩蔽，则保护逻辑电路320通过使PROTECTION SIGNAL(保护信号)保持非激活来选择外部保护模式，相反依赖上部控制单元检查错误并且确定校正步骤，如果有的话。如果系统错误未被掩蔽，则保护逻辑电路320通过激活PROTECTION SIGNAL(保护信号)选择内部保护模式。在内部保护模式下，如果系统错误未被锁存，则保护逻辑电路320执行自动恢复操作。然而，如果系统错误被锁存，则保护逻辑电路320导致电机控制电路330停止操作。

在其他实施例中，单个控制比特可针对所有错误或针对错误的子组选择内部保护模式或外部保护模式。

警告是不太严重的状况，可导致DIAG(诊断)信号的激活并且可导致系统动作。针对不同类型警告和电机控制器300做出响应所采取的校正动作的能力示于下表II中，它对应于称为MRDIAG1的可读诊断寄存器：

表II-警告寄存器：MRDIAG1

在电机控制器300的一个实施例中，有三种类型的警告。第一种类型的警告不导致DIAG(诊断)信号的输出。这些警告包括STUPO和SPCO警告。第二种类型的警告导致DIAG(诊断)信号被输出，除非其是空白的。这些警告包括THWPO、WDTPO和VCLPO警告。这种类型的警告在内部保护模式下应当为不被掩蔽的以允许默认自恢复操作。第三种类型的警告始终导致DIAG(诊断)信号的输出。这些警告包括THSPO和PWMPO警告。

因此，通过实现可选择的内部保护模式或外部保护模式，电机控制器300适合在不具有上部控制单元的低成本应用程序或具有上部控制单元的高端应用程序中使用。此外，在具有上部控制单元的系统中，针对一些类型的错误仍可选择内部保护模式。内部保护模式提供介于预定自恢复操作与将电机闭锁之间的选择。外部保护模式提供用于上部控制单元检查错误源以及作为响应采取各种可编程动作的能力。在电机控制器300中，针对一些系统错误，以逐个错误为基础的保护模式的类型是单独可选择的，但在另一个实施例中，针对多个系统错误，以全局为基础的保护类型可以是可选择的。

一般来讲，系统寄存器316包括配置寄存器以将模式设置为内部保护模式或外部保护模式。这些寄存器在待机模式下可被读取或写入，但在正常模式下仅可被读取。OTP存储器314包括影子寄存器，它们包含这些寄存器的默认状态。模式选择电路310在启动时将这些OTP寄存器的内容传送到系统寄存器316的对应寄存器中。

例如，称为“MRCONF10”寄存器的模式寄存器启用或禁用各种错误和警告，如表III所示：

表III-MRCONF10

因此，保护逻辑电路320具有一组FAULT(故障)输入来接收由故障检测电路340生成的各种FAULT DETECTION SIGNAL(故障检测信号)以及基于MRCONF10寄存器对其选择性地掩蔽。如果被掩蔽，则它们不导致PROTECTION SIGNAL(保护信号)的断言。

相似地，称为“MRCONF11”的模式寄存器包括确定具体错误被锁存还是导致自动恢复操作的比特。MRCONF11寄存器的相关比特示于下表IV中：

表IV-MRCONF11

如果电机系统在故障状态下操作，则保护逻辑电路320在内部保护模式下激活PROTECTION SIGNAL(保护信号)，并且在外部保护模式下激活DIAG(诊断)信号，同时使PROTECTION SIGNAL(保护信号)保持非激活的状态。PROTECTION SIGNAL(保护信号)包括一个或多个信号，它们的激活指示故障并且限定电机控制电路330响应于故障的行为。例如，响应于内部保护模式下的故障，PROTECTION SIGNAL(保护信号)可指示电机控制电路330将使电机停止但进入自动恢复状态。

因此，电机控制器300提供灵活保护模式，以使得其可在独立模式下使用，诸如针对低成本电机系统，或在具有上部控制单元的模式下使用，诸如高精度电机。此外，它允许对响应于使其合适的故障状况所采取的动作进行可编程控制，例如针对多种汽车应用程序。例如，响应于超温状况，可能重要的是在用作汽车燃油泵时停止操作，而在用于风扇电机中时继续操作。

现在将结合两个具体例子描述电机控制器300的操作，其中一个例子对应于独立电机系统，并且其中另一个例子对应于其中MCU充当上部控制单元的基于MCU的电机系统。

实例1-独立操作

实例1对应于独立系统，该系统是不具有上部控制单元的系统，诸如图1的电机系统100。针对各种故障状况可采取的动作的例子示于下表V中：

表V-独立实例

电机在正常操作状态期间的速度基于外部供应的SPEED CONTROL SIGNAL，但对各种故障状况的响应由编程到OTP 314中的值确定。响应于所选故障状况，保护逻辑电路320激活DIAG(诊断)信号并且选择性地激活PROTECTION SIGNAL(保护信号)。然而，DIAG(诊断)信号无关紧要，因为没有上部控制单元接收该信号。

过压是其中继续操作可导致电机损坏的故障。对于该故障而言，OTP 314中的寄存器被编程为通过将MRCONF10[2]设置为0来激活PROTECTION SIGNAL(保护信号)。过压故障指示应当停止电机，但电机控制电路330应当进入自动恢复状态。在自动恢复状态下，当导致过压故障的电压下降到滞后电压量以下时电机控制电路330重新启动电机的操作，并且保护逻辑电路320将PROTECTION SIGNAL(保护信号)去激活。

在该例子中，超温为其中继续操作可导致电机或系统中的其他部件损坏的故障。对于该故障而言，OTP 314中的寄存器被编程为通过将MRCONF10[4]设置为0来激活PROTECTION SIGNAL(保护信号)。超温故障指示应当停止电机，但电机控制电路330应当进入自动恢复状态。在自动恢复状态下，当导致超温故障的温度下降到滞后温度量以下时，电机控制电路330重新启动电机的操作。在其他例子诸如风扇电机中，可能重要的是继续操作，因为停止风扇电机的操作将使过热恶化并且因此PROTECTION SIGNAL(保护信号)为可掩蔽的。

过流是可指示电机负载中的错误的故障。例如，电机驱动器120可能需要过多电流才能够提供足够转矩，以在特定负载下以所需速度旋转。对于该故障而言，继续操作可导致电机驱动器120或系统中其他部件损坏。OTP 314中的寄存器被编程为通过将MRCONF10[1]设置为0来激活PROTECTION SIGNAL(保护信号)。过流故障指示应当停止电机，并且电机控制电路330应当进入自动恢复状态。在自动恢复状态下，电机控制电路330在关闭时间之后重新启动电机的操作。

输入错误是其中SPEED CONTROL SIGNAL固定在特定逻辑状态并且因此不再指示所需速度的故障。例如，SPEED CONTROL SIGNAL可短接到高压或短接到低压。该故障不反映IC操作或电机驱动器操作的安全问题，而是反映外部时钟生成器和电机控制器之间的信号线的安全问题。在该例子中，电机的继续操作可能是可接受并且甚至是所期望的，但基于使用另外的配置寄存器将SPEED CONTROL SIGNAL高位固定还是低位固定，在逐个基础上的响应是可编程的。如果将SPEED CONTROL SIGNAL高位固定，则OTP 314中的寄存器可被编程为使电机停止或者以25％、50％、75％或100％的可编程占空比来驱动电机。如果将SPEEDCONTROL SIGNAL低位固定，则OTP 314中的寄存器可被编程为使电机停止或者以25％、50％、75％或100％的可编程占空比来驱动电机，这与用于高位固定状况的设置无关。

实例2-具有上部控制单元的操作

实例2对应于具有上部控制单元的系统，诸如图2的电机系统200。针对各种故障状况可采取的动作的例子示于下表VI中：

表VI-上部控制单元实例

电机在正常操作状态期间的速度同样基于外部供应的SPEED CONTROL SIGNAL，但对各种故障状况的响应针对某些所选故障由MCU 210确定并且针对其他故障由编程到OTP314中的值确定。响应于所选故障状况，保护逻辑电路320激活DIAG(诊断)信号。在一个实施例中，将DIAG(诊断)信号提供给MCU 210的中断输入。响应于采用中断，MCU 210使用SPI接口312读取系统寄存器316中的MRDIAG0和MRDIAG1寄存器，以确定错误的源以及作为响应要采取的动作。

就过压故障而言，保护逻辑电路320激活DIAG(诊断)信号。OTP 314中的寄存器被编程为通过将MRCONF10[2]设置为0来激活PROTECTION SIGNAL(保护信号)。过压故障指示应当停止电机，但电机控制电路330应当进入自动恢复状态，并且自动恢复操作继续，如上所述。响应于DIAG(诊断)信号的激活，MCU 210确定故障由过压状况引起，但不采取任何进一步动作，因为其无法影响电源电压本身。因此，即使MCU 210作为上部控制单元操作，也使用电机控制器300从过压故障中恢复。

就超温故障而言，保护逻辑电路320激活DIAG(诊断)信号。OTP 314中的寄存器被编程为通过将MRCONF10[4]设置为1而使PROTECTION SIGNAL(保护信号)失活。响应于通过看到MRDIAG0[6]被设置为1而确定超温故障引起中断，MCU 210重写内部PWM占空比寄存器来改变SPEED CONTROL SIGNAL的占空比，以根据需要通过诸如放慢或提升速度来改变电机的速度。

就过流故障而言，保护逻辑电路320激活DIAG(诊断)信号。OTP 314中的寄存器被编程为通过将MRCONF10[1]设置为0而激活PROTECTION SIGNAL(保护信号)以及通过将MRCONF11[1]设置为1而将电机闭锁。过流状况非常危险，但如果MCU 210可确定错误的源并且采取适当校正动作，则其可简单地重置电机并且重新启动操作。否则，它可指示永久性停止状态。

就控制输入错误而言，保护逻辑电路320激活DIAG(诊断)信号。保护逻辑电路320可使电机停止或者以上述方式在预先选择的占空比下继续操作，其中预先选择的占空比可根据线高位固定(100％占空比)还是低位固定(0％占空比)而有所不同。独立地，MCU 210可确定错误并且采取校正动作。例如，它可确定指令流中的错误错误地引起其PWM输出连续的逻辑高或连续的逻辑低。如果MCU 210确定该状态可能由于随机软件错误引起，则其可通过校正其PWM寄存器重新启动电机。然而，无论由MCU 210采取的动作如何，输出DIAG(诊断)信号均通过允许MCU 210采取各种校正动作而提供更灵活操作。

图4以局部框图形式和局部示意图形式示出了IC电机控制器400的例子，该电机控制器可用于实施图3的电机控制器300。IC电机控制器400包括系统寄存器316和保护逻辑电路320，如此前所述，而且还包括一组接合焊盘410和故障检测电路440。接合焊盘410包括下表IV中列出的一组接合焊盘：

表IV

故障检测电路440包括电压监控器442、热关闭逻辑电路444、比较器446、漏极至源极电压(VDS)监控器448和电流感测电路450。电压监控器442具有用于接收标记为“VS”的电压的第一输入、用于接收标记为“CHP”的电压的第二输入、用于接收标记为“VGL”的电压的第三输入，以及用于提供电压故障信号的输出。当这些电压中的任何一者超出范围时，即欠压或超压，电压监控器442提供其故障信号。VS由用于启动片上电路的电源引脚提供。CHP为用于高侧功率MOSFET门驱动的电源引脚。VGL为用于低侧功率MOSFET门驱动的电源引脚。

热关闭逻辑电路444为片上温度监控器，其估计结点温度以防止超温损坏。响应于超出第一温度阈值，其提供热警告指示，该指示允许上部控制单元采取校正动作。响应于超出第二更高温度阈值，其提供热保护故障信号，以指示导致热关闭的超温状况。

通过热敏电阻器测量，比较器446具有连接到接合焊盘428的非反相输入、用于接收标记为“V_REFTH”的基准电压的反相输入，以及用于提供指示外部温度故障的故障信号的输出。

VDS监控器448具有连接到接合焊盘412-422的输入、用于接收电压VS的输入，以及用于提供FET短路故障信号的输出。VDS监控器448测量电机驱动器120中的每个晶体管的漏极至源极电压，并且在任何漏极至源极电压低于阈值时提供FET短路故障信号。电压VS为高侧驱动晶体管中的全部三者的漏极电压，并且UOUT、VOUT和WOUT分别为用于U相、V相和W相的高侧驱动晶体管的源极电压。UOUT、VOUT和WOUT也是用于U相、V相和W相的低侧驱动晶体管的相应漏极电压，并且SUL、SVL和SWL分别为用于U相、V相和W相的低侧驱动晶体管的源极电压。

电流感测电路450包括比较器452和454以及电压源456和458。比较器452具有连接到接合焊盘424的非反相输入、反向输入以及用于提供第一过流信号的输出。比较器454具有连接到接合焊盘424的非反相输入、反向输入以及用于提供第二过流信号的输出。电压源456具有连接到比较器452的反向输入的正端子，以及连接到接合焊盘426的负端子，并且相对于RFSENS提供标记为“V_RF1”的电压。电压源458具有连接到比较器454的反向输入的正端子，以及连接到接合焊盘426的负端子，并且相对于RFSENS提供标记为“V_RF2”的电压。在本实施例中，V_RF2比V_RF1高。保护逻辑电路320使用第一过流信号检测目前PWM周期的极限。如果RF和RFSENS之间的电压超出V_RF1，则有功功率MOSFEST被关闭，直至下一个PWM周期。如果RF和RFSENS之间的电压超出V_RF2，则比较器454针对保护逻辑电路320激活第二电流极限信号作为故障信号，并且如果MRCONF11[1]为0，则电机控制器110通过对所有门驱动器驱动低压将功率MOSFET置于高阻抗状态而进入过流关闭状态中。

应当显而易见的是，故障检测电路440可检测其他类型的故障，并且由IC电机控制器400实现的故障仅仅是示例性的。此外，对各种类型故障的响应在不同电机控制器之间可有所不同。例如，IC电机控制器400特别适于汽车环境，其中据推测某些类型的故障很严重，使得将采取立即动作，而其他类型的故障是可以容忍的。

因此，本文所述的电机控制器包括多种保护模式，以允许其在各种应用中使用，特别是在汽车环境中。其通常包括模式选择电路、保护逻辑电路和电机控制电路。模式选择电路提供模式信号指示内部保护模式或外部保护模式，并且在一种形式中可使用一次性可编程存储器实现，其建立模式并且允许电机控制器更容易地用于独立应用中。保护逻辑电路检测电机系统在正常操作还是处于故障状态下。如果电机系统在故障状态下操作，则保护逻辑电路在内部保护模式下输出保护信号，并且在外部保护模式下输出外部诊断信号，同时使保护信号保持非激活的状态。电机控制电路在保护信号非激活时响应于速度控制信号，并且响应于保护信号的激活对保护信号本身做出响应，来控制电机，诸如3相BLDC电机。

上文所公开的主题应被视为示例性的而非限制性的，并且所附权利要求旨在涵盖落在权利要求真实范围内的所有此类修改、改进和其他实施例。例如，在各种实施例中，电机控制器可识别其环境特有的各种类型故障。例如，在汽车环境中，过流、欠压、过压、电机驱动器短路、超温、锁定转子和控制输入错误可能很重要。此外，模式选择电路也可包括各种接口以允许片上OTP存储器被容易地编程。片上OTP可使用多种技术实现，包括熔丝、反熔丝和浮栅存储器。

在一种形式中，用于电机系统中的电机控制器包括模式选择电路、故障检测电路、保护逻辑电路和电机控制电路。模式选择电路将电机控制器设置在内部保护模式和外部保护模式中的一者下。故障检测电路检测电机系统是在正常操作状态还是故障状态下操作。如果电机系统在故障状态下操作，则保护逻辑电路在内部保护模式下输出保护信号，并且在外部保护模式下使保护信号保持非激活的状态，同时激活外部诊断信号。电机控制电路在保护信号非激活时响应于速度控制信号，并且在保护信号激活时响应于保护信号，来控制电机系统的电机。

根据电机控制器的一个方面，模式选择电路还包括串行接口电路，该串行接口电路具有输入和输出，该输入用于接收外部数据，该输出用于提供外部数据，该输出被耦合至OTP存储器以及耦合至系统寄存器，以用于对OTP存储器和系统寄存器编程。

根据另一方面，串行接口电路为从属串行外围接口(SPI)。

根据又一方面，将模式选择电路、保护逻辑电路和电机控制电路组合在单片集成电路上。

在另一种形式中，电机系统包括具有正常操作状态和故障状态的电机控制器。在正常操作状态下，电机控制器响应于速度控制信号和至少一个反馈信号提供多个门驱动器信号。在故障状态下，电机控制器在内部保护模式和外部保护模式中的选定一者下操作，其中在内部保护模式下电机控制器采取预定动作，并且在外部保护模式下，电机控制器激活诊断信号而不采取预定动作。

根据电机系统的一个方面，故障检测电路检测到电机系统响应于多个故障状况处于故障状态下。

根据另一方面，模式选择电路包括至少一个系统寄存器，该系统寄存器用于针对多个故障状况中的每一者设置内部保护模式和外部保护模式中的一者。

根据又一方面，模式选择电路包括具有一个比特的系统寄存器，其用于针对多个故障状况中的全部将电机控制器设置到内部保护模式和外部保护模式中的一者下。

根据再一方面，模式选择电路还包括用于指定响应于故障状态要采取的动作的至少一个比特，其中至少一个比特选择自动恢复状态和闭锁状态中的一者。

在又一种形式中，供电机系统中使用的方法包括：响应于至少一个控制输入信号控制电机的操作，并且检测电机系统的故障状况。响应于检测故障状况，该方法还包括：确定电机系统是处于内部保护模式还是外部保护模式下，在内部保护模式下采取预定动作，以及在外部保护模式下激活诊断信号而不采取预定动作。

根据方法的一个方面，在内部保护模式下采取预定动作包括：确定电机系统是否处于锁存模式下，如果电机系统未处于锁存模式下则执行自动恢复操作，以及如果电机系统处于所述锁存模式下则将电机系统闭锁。

根据另一方面，检测电机系统的故障状况包括检测多个故障状况。

根据又一方面，确定电机系统处于内部保护模式下还是外部保护模式下包括：针对多个故障状况中的每一者，确定电机系统处于对应的内部保护模式还是对应的外部保护模式下。

根据再一方面，确定电机系统处于内部保护模式还是外部保护模式下包括：针对多个故障状况中的全部，确定电机系统处于内部保护模式还是外部保护模式下。

因而，在法律允许的最大程度上，本发明的范围应该由以下权利要求书及其等价内容所容许的最宽泛解释所确定，并且不应受到前述详细说明的约束或限制。

Claims (10)

1.一种用于电机系统(100/200)中的电机控制器(300)，包括：

用于将所述电机控制器(300)设置在内部保护模式和外部保护模式中的一者下的模式选择电路(310)；

用于检测所述电机系统(100/200)在正常操作状态还是故障状态下操作的故障检测电路(340)；

耦合到所述模式选择电路(320)和所述故障检测电路(340)的保护逻辑电路(320)，其中如果所述电机系统(100/200)在所述故障状态下操作，则所述保护逻辑电路(320)在所述内部保护模式下输出保护信号，并且在所述外部保护模式下使所述保护信号保持非激活，同时激活外部诊断信号；以及

电机控制电路(330)，所述电机控制电路(330)用于在所述保护信号非激活时响应于速度控制信号，并且在所述保护信号激活时响应于所述保护信号，来控制所述电机系统(100/200)的电机(130)。

2.根据权利要求1所述的电机控制器(300)，其中所述故障状态包括多个故障状况，并且所述故障检测电路提供多个故障检测信号，所述多个故障检测信号各自对应于所述多个故障状况中的一者，并且其中所述模式选择电路(310)包括至少一个系统寄存器(316)，用于针对所述多个故障状况中的每一者，独立地设置所述内部保护模式和所述外部保护模式中的所述一者。

3.根据权利要求1所述的电机控制器(300)，其中所述故障状态包括多个故障状况，并且所述故障检测电路提供多个故障检测信号，所述多个故障检测信号各自对应于所述多个故障状况中的一者，并且其中所述模式选择电路(310)包括具有一个比特的系统寄存器(316)，用于针对所述多个故障状况中的全部，将所述电机控制器(300)设置到所述内部保护模式和所述外部保护模式中的所述一者下。

4.根据权利要求1所述的电机控制器(300)，其中所述模式选择电路(310)包括：

用于存储模式信号的初始值的一次性可编程OTP存储器(314)，

其中所述模式信号指示所述内部保护模式或所述外部保护模式；以及

系统寄存器(316)，所述系统寄存器(316)用于响应于复位操作加载所述模式信号的所述初始值，并且之后将其输出提供给所述保护逻辑电路(320)。

5.根据权利要求1所述的电机控制器(300)，其中所述模式选择电路(310)还包括用于响应于所述故障状态指定要采取的动作的至少一个比特，并且所述保护信号包括所述至少一个比特，并且其中所述至少一个比特选择自恢复状态和闭锁状态中的一者。

6.一种电机系统(100/200)，包括：

具有正常操作状态和故障状态的电机控制器(110/300)，其中：

在所述正常操作状态下，所述电机控制器(110/300)响应于速度控制信号提供多个门驱动器信号，以及提供至少一个反馈信号，并且

在所述故障状态下，所述电机控制器(110/300)在内部保护模式和外部保护模式中的选定一者下操作，其中在所述内部保护模式下所述电机控制器采取预定动作，并且在所述外部保护模式下，所述电机控制器激活诊断信号而不采取所述预定动作。

7.根据权利要求6所述的电机系统(100/200)，还包括：

响应所述多个门驱动器信号的电机驱动器(120)，用于响应于所述多个门驱动器信号提供多个电机相位驱动信号，以及用于提供所述至少一个反馈信号；以及

用于响应于所述多个门驱动器信号进行旋转的电机(130)。

8.根据权利要求6所述的电机系统(100/200)，其中所述预定动作包括自动恢复操作和闭锁操作中的选定一者。

9.根据权利要求6所述的电机系统(100/200)，其中所述电机控制器(300)包括：

用于将所述电机控制器(300)设置在所述内部保护模式和所述外部保护模式中的一者下的模式选择电路(310)；

用于检测所述电机系统(100/200)在所述正常操作状态还是所述故障状态下操作的故障检测电路(340)；

耦合到所述模式选择电路(320)和所述故障检测电路(340)的保护逻辑电路(320)，其中如果所述电机系统(100/200)在所述故障状态下操作，则所述保护逻辑电路(320)在所述内部保护模式下输出保护信号，并且在所述外部保护模式下使所述保护信号保持非激活，同时激活外部诊断信号；以及

电机控制电路(330)，所述电机控制电路(330)用于在所述保护信号非激活时响应于速度控制信号，并且在所述保护信号激活时响应于所述保护信号，来控制所述电机系统(100/200)的电机(130)。

10.根据权利要求6所述的电机系统(100/200)，还包括：

上部控制单元(210)，所述上部控制单元(210)具有输入和输出，所述输入用于接收所述诊断信号，所述输出被耦合至所述电机控制器(110/300)以用于提供所述速度控制信号。

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