具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请技术方案中的电机指三相电机，该电机包括但不限于：无刷直流电机、永磁同步电机。上述电机主要包括定子和转子。转子上具有磁铁。转子极数指转子上的磁极数。磁极分N极和S极，一般把1个N极和1个S极称为一对磁极，也就是极数为1。定子上具有3的倍数的绕组。定子通电会产生电磁铁。定子的电磁铁与转子上的磁铁都具有同性相斥，异性相吸的特性。

参考图1，该图是本申请一实施例中磁导向控制FOC的框图。图1中，I_A、I_B、I_C分别表示流入电机定子中的三相绕组中A相、B相、C相的电流，电机定子中的绕组通电后，会生产电磁铁。电机转子上磁铁受上述电磁铁形成的电磁场的影响，会转动或保持不变。通常为准确控制转子转动的角度、速度、方向等，需要对I_A、I_B、I_C进行调节控制。可通过采样电阻获得I_A、I_B、I_C的值。先将I_A、I_B、I_C进行Clark变换。其中，Clark变换为坐标系变换。即从定子的三相ABC坐标系换算成静止坐标系αβ。I_A、I_B、I_C经Clark变换后，得到α轴的电流分量为i_α，β轴的电流分量为i_β。

然后，对i_α、i_β进行Park变换。其中，Park变换也是坐标系变换，即从坐标系αβ换算成坐标系q d。其中，坐标系q d是在转子上建立的一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，跟着转子一起旋转，取转子磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴。i_α、i_β经Park变换后得到到d轴的电流分量i_d，q轴的电流分量i_q。

为准确控制转子转动的速度、角度，分别对i_q、i_d进行PI控制。其中，I_{q_Ref}、I_{d_Ref}分别是期望的q轴交轴电流、d轴直轴电流。i_q经PI控制，输出q轴电压V_q，i_d经PI控制，输出d轴电压V_d。对V_q、V_d进行Park逆变换，得到坐标系αβ下α轴的电压V_α、β轴的电压V_β。因坐标系q d是建立在转子上的，所以在进行Park逆变换时，需要知道转子的位置，常采用位置传感器检测转子转动的角度，得到转子位置。其中，位置传感器包括但不限于：磁编码传感器、霍尔传感器、光电编码器。

之后，对V_α、V_β进行SVPWM(空间矢量脉宽调制,Space Vector Pulse WidthModulation)控制，得到三相ABC坐标系下A轴PWM信号的高电平电压值V_A、B轴PWM信号的高电平电压值V_B、C轴PWM信号的高电平电压值V_C。其中，SVPWM实际上是Clark逆变换。其中，SVPWM用6个非零矢量的相邻的两个矢量来控制合成矢量的方向，用零矢量来调整合成矢量的幅值。即采用6个非零矢量和2个零矢量作为基，形成矢量公式，生成指向任何方向的矢量。如此，SVPWM脱开这有限的6个方向，制造无限个连续的方向填充满360°的矢量，从而控制定子中电磁场的方向。

最后，根据上述矢量公式，控制三相逆变桥中六个逆变管的导通与截止，把直流电逆变成三相交流电，向电机的定子输出电流I_A、I_B、I_C。其中，三相逆变桥主要由六个逆变管组成。

继续参考图2，该图是本申请一实施例中电机用于机械换挡开关的方法的流程图。

步骤201，预先定义零电角度的位置为一档，转子的极数为M，每档对应的角度值为360/M。

参考图3，该图是本申请一实施例中零电角度的示意图。在本实施例中，坐标系q d中d轴正方向是转子磁极S指向N的方向，q轴在电角度上垂直于d轴。其中，d轴常被称为直轴，q轴常被成为交轴。如图3中，转子磁链与三相ABC坐标系中A轴重合时，电角度的值等于零。我们将该位置定义为一档。为便于示意说明，图3中仅示出一对磁极的转子，实际上，转子具有多对NS磁极，转子旋转一圈，转子上的每一对NS磁极的磁链都会与三相ABC坐标系的A轴重合，所以转子上有多少对NS磁极，就会有多少档。因转子NS磁极数又称转子极数。所以转子的极数为总档数。其中，转子的极数包括但不限于：6、7、8、9等。假设转子的总档数为M，转子旋转一圈为360度，则每一档对应的角度值为360/M。

步骤202，控制直轴电流取值为预设电流值，交轴电流取值为零，产生电磁场，采用磁导向控制FOC驱动转子转动到最近的一个零电角度的位置。

电机启动时，转子的初始位置是不确定的，为便于精确控制，通过图1的FOC磁导向控制转子转动到最近的一个零电角度处。即控制直轴电流取值为预设电流值，交轴电流取值为零，产生电磁铁，采用磁导向控制FOC驱动转子转动到最近的一个零电角度的位置。其中，直轴电流、交轴电流取值的公式推到过程如下：

I_A、I_B、I_C为通过采样电阻实时采集到的三相ABC坐标系下A相、B相、C相的电流，由基尔霍夫电流定律得：

I_A+I_B+I_C＝0

如图3，当转子磁链与A轴重合时：

I_A＝I_DC

其中，I_DC表示给定的直轴电流的取值，即控制直轴电流取值为预设电流值的预设电流值。

三相ABC坐标系与静止坐标系αβ间的变换即Clark变换，满足如下变换公式：

i_α＝I_A

其中，i_α为α轴的电流分量，i_β为β轴的电流分量。

将I_A＝I_DC、代入上述变换公式：

i_α＝I_A＝I_DC

因Park变换，需要满足如下变换公式：

i_d＝i_α*cosθ+i_β*sinθ

i_q＝-i_α*sinθ+i_β*cosθ

其中，θ表示电角度。因为当前电角度θ为零，所以将θ＝0，i_α＝I_A＝I_DC，i_β＝0代入上述Park变换公式，得到：

i_d＝I_DC

i_q＝0

通过上面的公式推到可知，只需要给直轴电流赋予一定的电流，给交轴电流赋值为零，定子在上述电流的作用下，生成一个电磁场，转子上的磁铁在上述电磁场的作用下，在磁极同性排斥、异性相吸的作用下，自行转动，一直转动到零电角度处。

在直轴电流取值不变、交轴电流保持为零的情况下，定子产生的电磁场不变，转子会稳定在该零电角度处。此时不管用户是顺时针扭动转子还是逆时针扭动转子，都会受到电磁场产生的磁力阻碍，用户体感上像扭动机械换挡开关。

因直轴电流的值越大，定子产生的电磁场越强，用户扭动转子所需的扭动力越大，所以可以通过调节预设电流值的大小，调节电磁场的强弱，进而调节扭动所述转子所需扭动力的大小。

在本实施例中，电机为外转子电机，在电机尺寸大小相同的情况下，外转子电机上转子的极数大于内转子电机上转子的极数，如此，外转子电机具有更多的总档数。在本实施例的其它可选的实现方式中，电机为内转子电机。

参考图4，该图是本申请一实施例中外转子的结构示意图。如图4所示，该外转子的极数为7，N1表示第一个磁铁的N极，S1表示第一个磁铁的S极，同理，N2、N3、N4、N5、N6、N7分别表示第二、三、四、五、六、七个磁铁的N极，S2、S3、S4、S5、S6、S7分别表示第二、三、四、五、六、七个磁铁的S极。

在本实施例中，假设在步骤202中，转子转动到图4中位置，即转动到最近的一个零电角度。图4中，41指示的箭头表示三相ABC坐标系的A轴。在向定子输入的直轴电流取值不变、交轴电流保持为零不变的情况下，定子形成的磁场方向是稳定不变的，转子自行转动到图4所示的位置即保持不变。此时，用户用力旋转扭动转子，转子在用户扭动力和定子电磁场磁力的共同作用下，会转动。假设用户扭动转子顺时针转动，在扭动转子的第七磁极顺时针转动到41指示的A轴即原第一磁极位置的过程中，因为存在电磁场的原因，用户感受到的阻力一开始比较大，之后阻力越来越少，最后阻力趋近于零。如果用户继续顺时针扭动转子。欲将第六磁极扭动到41指示的A轴处，同上面的过程，一开始需要较大的扭动力，慢慢需要的扭动力变小。

在本申请中需要特别说明的是，在步骤202、步骤203中，一直控制直轴电流取值为预设电流值，交轴电流取值为零，同时，一直采用磁导向控制FOC电机，所以在不受用户扭动力作用的情况下，零电角度的位置为一个稳定的位置。还是以图4为例。图4中，第一磁极的磁链与41指示的A轴重合，此时电角度为零。假设用户扭动旋转转子，从一个磁极的零电角度处扭动到相邻的另一个磁极的零电角度处的路程为1。用户顺时针扭动转子，假设将图4中第七磁极扭动到图4中第一磁极的位置处，即从第一磁极的零电角度扭动到第七磁极的零电角度的路程设为1，如果用户仅扭动了三分之一的路程处就松开了手，则转子在定子电磁场的作用下会逆时针转动到第一磁极的零电角度处，即逆向转回原来的位置。如果用户扭动转子在三分之二的路程处就松开了手，则转子在定子电磁场的作用下会自动继续顺时针转动到第七磁极的零电角度处。如果用户扭动转子在四分之五的位置处松手，则转子会回转四分之一，回到零点角度处。如果用户扭动转子在二分之一的位置处松手，则转子会随机的顺时针旋转或逆时针旋转，转动到零点角度处。总的来说，因为定子电磁场的存在，在不受外力的情况下，转子会自行转动到最近的一个零电角度处。因此才会将转子的每个磁极的零电角度定义为一档，转子的极数为总档数。

步骤203，检测上述转子的当前转动角度。

在本实施例中，采用磁编码器测量转子转动的角度。在步骤202控制直轴电流取值为预设电流值，交轴电流取值为零，产生电磁铁，采用磁导向控制FOC驱动转子转动到最近的一个零电角度的位置处，初始化磁编码为零。之后不管用户是否扭动转子转动，磁编码器一直处于工作的状态，用于检测转子的当前转动角度。

步骤204，根据上述当前转动角度、每档对应的角度值，计算转子转动的档数。

在本实施例中，转子的极数为M，转子上的M个磁铁是均匀分布的，如此，M个零电角度的位置在转子上也是均匀分布的，进而，电机模拟的机械开关的档也是均匀分布的。转子旋转一圈为360度，从某一档转到与其相邻的一档需要转动360/M度，即每档对应的角度值为360/M。第m档对应的转动角度为m*360/M，M个档对应的转动角度组成一个列表[0*360/M，1*360/M，2*360/M…(M-1)*360/M]。在此设定档位m的起始值为0，将在步骤202中转子转动到的最近的一个零电角度的位置定义0档。每次执行该技术方案，0档的位置是随机的，而非固定不变的。磁编码器实时或间隔性的不断检测转子的当前转动角度，将该当前转动角度依次与上述列表中的元素对比对，如果该当前转动角度等于上述列表中的元素，则该元素对应的索引为上述转子转动的档数。如果该当前转动角度不等于上述列表中的元素，则忽略本次比对结果。其中，因磁编码器未必每次都能百分百刚刚好在转子转动到零电角度的位置读取转子已经转动的角度，及磁编码器本身具有的误差等因素的原因，在上述比对的过程中允许误差的存在。例如，允许5度的误差，则第m档对应的转动角度为[(m-1)*360/M-5，(m-1)*360/M+5]。

在本实施例中，因磁编码器是实时或间隔性不断检测的转子的当前转动角度，从而将该当前转动角度与列表中元素比对也是间断性不断进行的。所以当用户的目标转动档位为5，在用户扭动转子转动到5档位的过程中，上述方案会依次计算得出转子转动的挡数0、1、2、3、4、5。如果将档数传输至有屏幕的装置上显示，可以供用户更直观实时的观察当前转动到哪个档了。当然，因用户在扭动转子换挡的过程中，每转动一档，用户会感觉到阻力从大到小、到零的过程，所以用户根据手部扭动力的变化，可以默数出转动的档数。

在本实施例的其它可选的实现方式中，可只输出用户最终转动的档数，不输出转子转动过程中经过了哪些档数，且允许用户在扭动转子的过程中有短暂的停顿。具体的：磁编码器检测预设间隔时间后上述转子的当前转动角度；如果上述预设间隔时间后的当前转动角度等于上一次检测的上述转子的当前转动角度，则用上述预设间隔时间后的当前转动角度除以360/M得到上述转子转动的档位，其中，360/M表示每一档对应转动角度。如果该当前转动角度正好是360/M的倍数，则该倍数为计算得出的转子档数。因工程上各种各样的原因，磁编码器测的当前转动角度会有误差。优化方案是允许部分误差的存在。例如，允许当前转动角度除以360/M，得到的数值小数点后面的数值在[0.9,1)或[0,0.1]区间内，然后进行四舍五入得到的整数为计算得到的档数，即允许磁编码器测的当前转动角度存在360/M×0.1＝36/M度的误差。即如果磁编码器测的当前转动角度在[(m-1)*360/M-36/M，(m-1)*360/M+36/M]区间内，则计算得到的档数为m。

上述预设间隔时间是允许用户在扭动转子过程中最小停顿时间。一旦在该预设间隔时间检测的转子前后两次的当前转动角度值相等，则默认在这预设间隔时间内，转子一直保持不动，默认用户已经转动到目标档数。例如，上述预设间隔时间为3秒，用户从0档转动到1档，稍微停顿了2秒，之后继续转动到4档，则通过上述方案计算得出的转子转动的档数为4。在其它实施例中，上述预设间隔时间包括但不限于：4秒、5秒、6秒。

步骤202、203是实时或不间断执行的，所以可以一直检测用户的操作，例如，可以先检测到用户转动到3档，之后，因用户往回转动了一档，引起磁编码器检测的是当前转动角度变小，该技术方案可计算得出用户又转动到2档。

综上，因预先定义零电角度的位置为一档，且结合一直控制直轴电流取值为预设电流值，交轴电流取值为零，采用磁导向控制FOC驱动转子，造成零电角度的位置为转子在不受外力作用下最稳定的位置，也造成用户扭动转子从某一档位转动至相邻的档位，所需的扭动力从大变小到变为零，用户可明显的感知自己转动了几档。而用户所感知的转动挡位数与根据当前转动角度、每档对应的角度值，计算得到的转子转动的档数相同。实现了用电机完美模拟机械开关。

在本申请中，存在电生磁的过程，也存在磁生电的过程。用户扭动转子转动时，作为闭合电路一部分的定子绕组做切割转子磁铁的磁感线运动，产生感应电流，从而影响电机的三相电流，造成直轴电流的取值不能稳定为预设电流值，交轴电流的取值不能稳定为零。为更好的调控直轴电流、交轴电流的取值，分别采用PID(proportional-integral-derivative，比例积分微分)控制直轴电流、交轴电流的取值。图1中仅采用PI(proportional-integral，比例积分)控制调节交轴电流和直轴电流，而不论是比例调节，还是积分调节都是建立在产生误差后才进行调节以消除误差，都是事后调节，因此这种调节对稳态来说是无差的，对动态来说肯定是有差的，因为对于负载变化所产生的扰动，必须等待产生误差以后，然后再来慢慢调节予以消除。如此不能快速的恢复到期望值，因微分调节是事前预防控制，即一发现电流值有变大或变小的趋势，马上就输出一个阻止其变化的控制信号，以防止出现过冲或超调等。在本实施例中，分别采用PID控制直轴电流、交轴电流的取值，直轴电流的PID控制参数与交轴电流的PID控制参数根据实际极数效果具体调整参数值，其中，PID控制参数包括但不限于：比例增益、积分时间、积分增益、微分时间、微分增益等。

在本实施例中，电机计算得到转子转动的档数后，需要将该档数传输给相关的装置去执行。该电机可以通过有线方式或无线方式进行传输。例如，通过内置于该电机内的无线通信模块将档数发送给其它装置。该无线通信模块包括但不限于：WIFI无线通信模块、4G无线通信模块、5G无线通信模块、蓝牙无线通信模块。

在本实施例的其它可选的实现方式中，电机内置蓝牙mesh模块。该电机为外转子电机，用于玩具车的轮毂，上述转子中间具有十字形孔，用于插接车轴。将上述轮毂电机配置用于玩具车的左前轮轮毂、右前轮轮毂。该玩具车的左后轮轮毂、右后轮轮毂为普通的机械轮毂。上述左右两个用于轮毂的电机组成蓝牙mesh网络。上述左右两个电机开机后，默认处于换挡模式下，任何一个电机都会实时计算转子转动的档数，如果该档数不为零，生成换挡指令，并将该换挡指令通过上述蓝牙mesh网络发送给另外一个用于轮毂的电机。然后，两个电机都退出换挡模式，执行上述换挡指令对应的程序。

本申请用于机械换挡开关的电机可以应用于各种场景，触发不同的操作，实现不同的功能。例如，控制风扇的速度、控制LED灯闪烁模式、控制灯的亮度、控制玩具车的速度等。

上述实施例默认转子旋转一圈，但本申请的技术方案支持转子转动超过一圈，相应的总档数不局限于转子的极数。例如，转子的极数为M，默认仅支持转子旋转一圈，则总档数为M。如果支持转子旋转n圈，则总档数为n×M。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。