一种模块化大电流可并联起发一体控制器及控制方法与流程

1.本发明涉及起发一体控制器领域，更具体地说，涉及一种模块化大电流可并联起发一体控制器及控制方法。


背景技术：

2.本起发一体控制器主要应用于飞机平台、车辆平台和船舰平台，配合无刷永磁同步电机用于起动发动机和给机载设备、车载设备或舰载设备供电。
3.在传统的发动机起动和发电系统中，发动机起动由独立的起动电机完成，发电也是由独立的发电机和发电控制器完成；这种起动电机通常是有刷直流电机，通过减速机构带动发动机动力输出轴转动，起动过程的用时和起动目标转速固定，不能灵活设置，而且在低温和起动电池电压过低的时候使发动机起动不了到点火转速，而且起动时间变长；这种起动电机加配套的机械部件很多而且结构复杂，重量较重。有刷直流电机不需要控制器供电由起动电池供电，但有刷直流电机相较于直流无刷电机的寿命低；传统的发动机发电系统中，发电是由单独的发电机加发电控制器完成的，发电机的输出功率通常只有几百瓦，用于给蓄电池充电，设备供电；但随着用电设备的增加，用电设备负荷越来越大，传统发动机所带发电机功率达不到要求；而且通常的发电机是励磁电机，发电控制器只是整流单元，输出纹波较大，发电控制器的输出端要加很多滤波电容；传统的起动控制器和发电控制器是分开的，对应独立的起动电机和发电电机，配套零部件较多，整个系统的重量较重，功率密度低。


技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种模块化大电流可并联起发一体控制器，起动发电控制器将发动机起动控制器和发电机发电控制器有机集成到一起，共用部分功率器件和控制逻辑减轻重量和体积，实现起动发电无缝连接。
6.2.技术方案
7.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
8.一种模块化大电流可并联起发一体控制器，包括起动控制模块，若干发电模块和功能模块，可以实现大电流发电输出，大电流电机驱动输出，所有模块全数字控制使得控制灵活、扩展方便、功率密度高；
9.所述起动控制模块作为主模块通过串口总线与其余模块通信，读取数据和发送命令，采用大电流，高电压信号与小信号分开布局，减少相互之间干扰；
10.所述起动控制模块作为主模块可通过rs422、can和rs485等与其它设备通信；其它设备可以获取起发一体控制器中起动模块、所有发电模块和功能模块的数据和状态信息，控制起发一体控制器进行相应的操作，可以实现发电离网、发电并网、发电复位、起动开始、起动停止等功能。
11.进一步的，所述起动控制模块集成了对外的di、do接口，可以控制起动接触器、发电接触器和告警等，读取接触器的输出状态、起动信号和其他控制信号等。
12.进一步的，所述发电模块从起动模块ac/dc变换得到的直流电取电，经dc/dc变换(隔离或不隔离)，稳压得到所需输出电源，可以实现恒流恒压对外输出，发电模块间实现并联输出。
13.进一步的，所述起动模块通过串口总线与所述发电模块周期通信获取发电模块的发电数据(输出电压、输出采集电压、输出电流、输出功率、输入电压、功率板温度、控制板温度等信息)和发电状态。
14.进一步的，所述发电模块实现全数字过程控制，通过通信可以实现发电模块的均流输出，使整个系统稳定可靠的运行，因为输出大电流时因为线压降使输出电压降低，每个发电模块都具有输出采集点输出电压修正能力，使输出电压实现高精度稳定输出。
15.进一步的，所述功能模块包含对起动电池充电功能和备用电池充电功能，从发电模块的输出取电，经dc/dc(隔离或不隔离)变换实现对电池的恒压恒流充电，所述起动模块可以控制充电功能开始和停止。
16.进一步的，所述功能模块还包含对ecu供电的功能，通常ecu供电电压dc12v，优先从发电模块输出取电，其次从备用电池取电经dc/dc变换给ecu供电。
17.进一步的，所述功能模块还包含其他di、do、ai、ao、通信模块满足系统其它需求。
18.进一步的，所有的模块都具有独立控制芯片mcu，实现全数字控制；每个所述发电模块都具有防倒灌功能，当一个发电模块输出故障不会引起整个发电模块的工作异常，实现热备份功能。
19.一种模块化大电流可并联起发一体控制方法，包括有以下步骤：
20.s1：在发动机还没有起动之前，通过起动电池给起发一体控制器供电，其它控制系统可以通过can2.0b、rs422或rs485获取起发一体控制器的状态，各种电参数数据，如起动电池电压、起动模块功率板温度、起动模块控制板温度、发电模块的温度、输入电压，备用电池电压等；
21.s2：在起动过程中，起发一体控制器接收到起动命令，该命令可为i/o命令或者串口命令，而且满足起动条件，起动模块从起动电池或超级电容获取能量，驱动电机转动，带动发动机达到点火转速，当发动机点火成功或出现故障起动过程结束；
22.在起动过程中当接收到外部停止命令(为i/o命令或者串口命令)，停止启动过程；根据电机(bldc、pmsm或者异步电机)的种类不同实施不同的控制方法，如方波控制、正弦波控制、矢量控制或vf控制等；
23.s3：在发电过程中，当发动机转速达到发电转速，起动模块负责进行ac/dc变换，将电机发出的交流电变换为直流电，以下称为直流母线；发电模块从直流母线获得能量，进行dc/dc变换，得到所需电压，发电模块并联输出；发电模块在发电过程中周期进行数据交互，实现发电模块间均流输出；
24.在发电过程中发电模块实时采集采集点的电压进行输出电压修正实现高精度电压输出；发电模块发电过程控制策略采用电流内环电压外环的控制方法，提高输出响应速度，可以实现恒流恒压输出；
25.发电模块在发电过程中实时响应起动模块的命令，可以实现单个发电模块离网、
发电并网、发电复位等功能，实时上传发电模块的发电数据和状态信息；
26.s4：功能模块相对独立运行，当在起动过程中负责给ecu供电，通过从备用电池取电经dc/dc变化输出给ecu供电，当正常发电时从发电输出取电经dc/dc变化给ecu供电；
27.在正常发电输出根据起动电池和备用电池的状态和起动模块命令对电池进行充电管理，起动电池和备用电池充电管理采用全数字控制，可以实现恒流恒压、浮充等操作；
28.s5：起发一体控制器在起动过程和发电过程中，实时检测电机状态，控制器的状态进行相应的保护，实现可靠运行；
29.起发一体控制器在起动过程具有堵转保护、起动超时保护、过流保护、位置信号异常保护、硬件过流保护、有效值过流保护、起动欠压保护、起动过压保护、超速保护、控制器过热保护等；
30.在发电过程具有输入欠压保护、输入过压保护、输出过压保护、输出过流保护、电机过热保护、控制器过热保护等。
31.3.有益效果
32.相比于现有技术，本发明的优点在于：
33.(1)本方案将起动控制器和发电控制器合二为一，共用部分功率器件和控制器件，减少大电流线路走线，而且模块化配置，可以减轻控制器的重量，实现更高的功率密度，采用模块化使配置更加灵活，发电输出可以实现更大的功率输出。
34.(2)本方案起动过程中、发电过程和过程保护全数字控制，控制更加灵活，适用于更加复杂环境的起发控制，且能实时上传起发一体控制器的状态；因为发电模块具有并联和防倒灌功能，当有发电模块因故障不能正常输出时，可以快速与其它模块隔离不影响其它发电模块的正常工作，使发电系统更可靠运行，保障用电设备的正常工作。
35.(3)本方案起发一体控制器具有超长的运行数据记录功能和故障数据记录功能，当系统需要进行维护时，可以分析更长时间的历史数据，对系统的优化和用电设备的状态进行更好的分析。
36.(4)本方案起发一体控制器还集成了对起动电池和备用电池的充电管理功能，而且独立运行，省掉电池的充电模块；还具有给发动机ecu供电能力，因整个系统的散热(风冷、水冷或油冷)和布线统一考虑，将进而减少供电系统的重量。对于需要起动和发电的设备，该模块化大电流可并联起发一体控制器几乎能满足所有需求，具有普适性。
附图说明
37.图1为本发明的模块化起发一体控制器原理示意图；
38.图2为本发明的起动模块起动过程逻辑图；
39.图3为本发明的发电模块的流程图；
40.图4为本发明的功能模块流程图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
42.实施例：
43.请参阅图1-2，一种模块化大电流可并联起发一体控制器，由一个起动模块、三个发电模块和一个功能模块组成，整个控制器采用强制风冷，起动电池为锂电池额定电压为26vdc，备用电池为锂电池额定电压为26vdc，起发一体控制器的发电输出电压为28vdc；
44.起动模块三相输入通过大电流端子与壳体航插相连，采用有霍尔的矢量控制，霍尔信号通过航插线束连接到起动模块，起动模块对外通过rs422、can2.0b、rs485通信，具有8路di和4路do输出，通过can2.0b与发电模块和功能模块通信获取数据和发送命令，起动模块在起动过程中最大输出电流可达600apeak，配合pmsm电机可以达到120nm。
45.参阅图2、图3，当发动机转速达到2500rpm时开始发电，起动模块在发电过程中通过ac/dc变换输出高压直流电压，发电模块从直流电压取电经隔离dc/dc变换到28vdc；
46.每个发电模块的输出电流可以达到100a，三个模块并联最大输出可达300a，通过实时均流，均流误差可以控制器在2％以内，输出采样点处在空载到满载输出电压精度控制在
±
0.3v以内。
47.参阅图4，功能模块通过从发电模块和备用电池取电经dc/dc变换给ecu供电，输出电压为dc12v；
48.通过can2.0b与起动模块通信，通过dc/dc变化给起动电池和备用电池分别充电，可以灵活的根据发电状态，电池状态和起动模块的命令对电池进行充电管理。
49.一种模块化大电流可并联起发一体控制方法，包括有以下步骤：
50.s1：在发动机还没有起动之前，通过起动电池给起发一体控制器供电，其它控制系统可以通过can2.0b、rs422或rs485获取起发一体控制器的状态，各种电参数数据，如起动电池电压、起动模块功率板温度、起动模块控制板温度、发电模块的温度、输入电压，备用电池电压等；
51.s2：当起动模块获得起动命令，在满足起动条件的基础上，根据pmsm电机的位置进行矢量控制，输出扭矩峰值可达120nm，驱动电机带动发动机转动到点火转速并持续一段时间后当发动机点火成功后进入怠速状态；
52.在发动机起动过程中功能模块一直给ecu供电使发动机控制能正常工作；
53.s3：在发电过程中，当发动机转速达到发电转速，起动模块通过ac/dc变换，发电模块通过隔离dc/dc变换输出额定28vdc；
54.发电模块采用电流内环电压外环的移相全桥控制策略，实时中断进行处理并控制pwm输出使输出快速响应负载变化，稳定输出；
55.通过实时快速采集采样点电压进行输出电压修正是采样点电压高精确输出；
56.发电模块在正常工作的情况下实时响应起动模块的命令，上传发电状态和发电数据的等；
57.s4：功能模块相对独立运行，功能模块在起动过程中负责给ecu提供稳定的电源，当在发电时从发电模块输出取电经dc/dc变换给给ecu供电，保证供电的可靠性；
58.在发电过程中，功能模块根据起动模块命令开始充电或停止充电，对电池进行充电管理；
59.s5：起发一体控制器在起动过程和发电过程中，实时检测电机状态，控制器的状态
进行相应的保护，实现可靠运行；
60.起发一体控制器在起动过程具有堵转保护、起动超时保护、过流保护、位置信号异常保护、硬件过流保护、有效值过流保护、起动欠压保护、起动过压保护、超速保护、控制器过热保护等；
61.在发电过程具有输入欠压保护、输入过压保护、输出过压保护、输出过流保护、电机过热保护、控制器过热保护等。
62.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。