专利名称：三相双全控桥功率器件拓扑控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种三相双全控桥功率器件拓扑控制装置，特别是用于控制永磁电机双线圈在电机低速时采用串联的方法，以提高电机转矩的输出能力；在电机高速时将电机双线圈由串联方式改为并联方式，以降低线圈电感，增强电机高速时输出转矩的能力。
背景技术：
随着社会与技术的进步，人们对现代汽车的动力性、经济性、安全性、操纵性及舒适性提出了更高的要求，为此各种新的电气装置与电子装置在汽车中被广泛应用，使汽车的电气系统负荷大大增加。众所周知，在这些装置中执行器通常要输出较大的功率，而现有的电源系统很难提供如此大的功率。因此，在已经使用的各种电子装置中，通常以电磁阀操纵的液动或气动执行器较多。但是由于电能具有传输简便、转换容易、控制灵活等一系列优点，采用电磁或电动执行器取代液动或气动执行器将成为一种趋势，如采用电动助力的动力转向系统已投入使用，完全采用电磁制动器的ABS系统以及电动节气门等也已研制出来。从理论上讲，由42V电压驱动的系统，其效率比机械或液压式系统高，但对于整个系统的效率起决定性影响作用的是发电机。传统的汽车发电机平均效率约为50％，42V起动/发电一体机的效率可以达到80％以上。众所周知，发电机效率不同，汽车的油耗也不一样。为了得到更高的燃油效率，现有发动机直接驱动的设备将改为由电力驱动，如电动空调。同时，许多新增加的功能及改善旧有功能的装置也大量使用电器及电子设备，如电动门窗、电涡流缓速器等。
近年来，汽车电气设备的量以大约每年6％的速率增加，根据美国Visteon公司的统计和预测，今后几年内，车辆上电器及电子设备的用电功率将达到10kW。
以上这一切均要求电源系统提供较大的功率，但现有的12V或24V电器系统中的交流发电机在较为经济的条件下能够提供的最大输出功率约为3kW。同时，电功率的不断增加使导线截面及数量的增加不利于行车经济性及安全性。这样，提升汽车电器系统的电压就成为了必然趋势。经过研究分析，认为汽车电气系统的电压等级升高至42V最适宜，既安全又经济。
如果要实现42V汽车电器系统，起动/发电一体机(IntegratedStarter Generator简称ISG，下同)是核心技术。
ISG技术是当前汽车界公认的未来汽车先进技术之一，它以现代电机技术、先进的电力电子技术、检测技术和数字控制技术为基础，将汽车发动机的起动功能和发电功能有机组合，要求在低速时以尽可能小的电源输入达到尽量大的输出转矩，在高速时较高的发电效率。以下是几种现今ISG电机优缺点的对比(1)永磁无刷直流电机。单位体积输出功率高、体积小、起动转矩大。问题一转矩脉动，二是需要较贵的位置传感器，三是永磁材料成本高，且在短路、重载运行、高温或强振动的环境下会去磁。
(2)异步电机。优点是结构简单，维护方便，控制技术成熟。缺点是体积大、起动电流大，因而对电源系统和逆变器功率元件的要求高。
(3)开关磁阻电机。优点是高速性能优越，结构简单，可以缺相运行。缺点是噪音高，在起动阶段输出转矩小于永磁无刷直流电极。
与三相异步ISG、开关磁阻ISG相比，稀土永磁ISG突出的优点是起动转矩大，起动/发电效率高，但因稀土永磁ISG气隙磁场的不可调节性，起动和发电两种状态对系统设计提出相对矛盾的要求。在ISG低速时需要输出大转矩的场合，稀土永磁电机是较好的选择。但由于稀土永磁电机气隙磁场的不可调节性，在较高转速时，由于反电势高，在输入电压较低时，其输出转矩会大大降低，甚至无法输出转矩。车辆对ISG不仅在低速时要求输出高转矩，还要求其在高速时输出较高转矩。这就对稀土永磁ISG电机及控制器的设计提出了矛盾的要求若保证低速时高转矩输出，就难以保证高速时转矩的输出；若保证高速时转矩输出，就难以保证低速时的高转矩输出。
图1是常规稀土永磁电机及其三相全桥功率开关电路原理。
国内外研究概况国外ISG的研制以采用交流感应电机居多，不存在永磁电机气隙磁场不可调节的问题，同时电机功率较小，还没有低压永磁电机低速高转矩及高速输出较高转矩解决方案的报导。
国内现在主要在研究高压ISG的应用，部分42V永磁ISG的研制机构研究的是小功率电机的开发，同时研究的方向主要是解决电机高速时较高转矩的输出能力，还没有低压永磁电机低速高转矩及高速输出较高转矩解决方案的报导。
发明内容
本实用新型的目的是设计一种三相双全控桥功率器件拓扑控制装置，特别是用于双线圈永磁电机控制的装置，控制双线圈电机根据需要改变线圈电感。
本实用新型的技术方案本实用新型的三相双全控桥功率器件拓扑控制装置包括三相全控桥及其功率器件的控制器，其特征在于包括两个三相全控桥1和2，1的正极与直流电源的正极连接，2的负极与直流电源的负极连接，1的负极通过功率器件与2的正极连接，1的负极通过功率器件与2的负极连接，2的正极通过功率器件与1的正极连接，两个三相全控桥的桥臂作为两组三相输出端。
本实用新型的优点电机的线圈采用双线圈的设计方法，在电机低速需要输出高转矩时，电机线圈采用串联的方法，以提高电机转矩的输出能力；在电机高速需要输出较高转矩，而此时电机反电势较高，在输入电压低的情况下，无法保证输出较高转矩时，将电机线圈由串联方式改为并联方式，以降低线圈电感，增强电机高速时输出转矩的能力。
图1是常规稀土永磁电机及其三相全桥功率开关电路原理；图2稀土永磁无刷直流电机系统图；图3、图4是稀土永磁无刷直流电机工作原理图；图5三相双全控桥功率器件拓扑控制装置电路原理图；图6为电机双线圈采用串联控制时的原理图；图7为电机双线圈采用并联控制时的原理图。
具体实施方式
为解决稀土直流永磁电机低速及高速转矩输出的问题，通过设计双线圈电机及本实用新型的控制装置来改变线圈电感。电机的线圈采用双线圈的设计方法，在电机低速需要输出高转矩时，电机线圈采用串联的方法，以提高电机转矩的输出能力；在电机高速需要输出较高转矩，而此时电机反电势较高，在输入电压低的情况下，无法保证输出较高转矩时，将电机线圈由串联方式改为并联方式，以降低线圈电感，增强电机高速时输出转矩的能力。
图2为电机双线圈及双三相全桥功率开关电路原理图2中VF为功率变换器，REPMM为稀土永磁电机的本体，PS为与电机本体同轴联结的转子位置传感器，控制器对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动放大送至功率变换器各功率开关管V1～V6，从而控制电机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。
图3和图4是稀土永磁无刷直流电机工作原理图，下面以两相导通星形三相六状态无刷直流电机为例说明电动状态的工作原理。
当转子稀土永磁体位于图3所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动功率变换器，是功率开关管V1、V6导通，即绕组A、B通电，A进B出，此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为电源正极→V1→A相绕组→B相绕组→V6→电源负极。当转子转过60°电角度，到达图4中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管V6截止，V2导通，此时V1仍导通，绕组A、C通电，A进C出，此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为电源正极→V1→A相绕组→C相绕组→V2→电源负极。当转子继续沿顺时针每转过60°电角度时，功率开关管的导通逻辑为V3 V2→V3V4→V5 V4→V5 V6→V1 V6……，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并顺时针方向连续转动。
电机作发电机运行时，由发动机拖动，电枢导体在磁场中旋转切割磁力线，电枢绕组产生感应电动势。
图5为三相双全控桥功率器件拓扑控制装置电路原理图图中Q1～Q15为带续流二极管的功率开关器件，BATTERY为动力电池，CAPL为电容。
本实用新型包括两个三相全控桥及其功率器件的控制器。Q1～Q6组成三相全控桥1；Q7～Q12组成三相全控桥和2；1的正极与直流电源的正极连接；2的负极与直流电源的负极连接；1的负极通过功率器件Q14与2的正极连接；1的负极通过功率器件Q15与2的负极连接，2的正极通过功率器件Q13与1的正极连接，两个三相全控桥的桥臂作为两组三相输出端a1、b1、c1和a2、b2、c2。
图6为采用串联控制时的原理、图7为采用并联控制时的原理两组三相输出端连接电机的双线圈A1、B1、C1和A2、B2、C2，在电机转速较低时，电机反电势很小，为限制电机电流变化率过大损坏功率器件及造成强电磁干扰，同时输出高转矩，控制电机绕组处于串联工作方式Q13、Q15关断，Q14开通；在电机转速较高时，反电势较大，会降低电枢电流，为保证能产生足够的输出转矩，将电机绕组切换至并联状态运行Q13、Q15开通、Q14关断，以降低电枢的反电势，增强电机高速时输出转矩的能力。
图中Q1～Q15为带续流二极管的功率开关器件，A1、A2、B1、B2、C1、C2为电机的双三相线圈，BATTERY为直流动力电池，CAPL为电容。
图1是常规稀土永磁电机及其三相全桥功率开关电路原理，图中Q1～Q6为带续流二极管的功率开关器件，BATTERY为动力电池，CAPL为电容。
如图2稀土永磁直流电机的工作原理与电磁式和普通永磁式直流电机相同，无刷直流电机的基本构成包括电机本体、控制装置和转子位置传感器三个部分。稀土永磁电机的反电势主要同以下参数有关(1)电机转速(2)永磁体产生的磁场强度(3)线圈的电感在ISG的开发中，电机转速范围较大，在转速范围内要求低速有高转矩、高速较高转矩的输出能力。因此，转速范围不可改变。
永磁体产生的磁场强度同永磁体的材料，磁场气隙等有关。在保证低速高转矩输出时设计完成永磁体、磁场气隙以后，在高速时会产生较高的反电势，这些参数无法进行调节。
在以上三个参数中，只能通过改变线圈电感的参数来改变永磁电机的反电势。其工作原理以图3和图4为例说明
权利要求1.一种三相双全控桥功率器件拓扑控制装置，包括三相全控桥及其功率器件的控制器，其特征在于包括两个三相全控桥(1)和(2)，(1)的正极与直流电源的正极连接，(2)的负极与直流电源的负极连接，(1)的负极通过功率器件与(2)的正极连接，(1)的负极通过功率器件与(2)的负极连接，(2)的正极通过功率器件与(1)的正极连接，两个三相全控桥的桥臂作为两组三相输出端。
专利摘要本实用新型提供一种三相双全控桥功率器件拓扑控制装置，包括三相全控桥及其功率器件的控制器，其特征在于包括两个三相全控桥(1)和(2)，(1)的正极与直流电源的正极连接，(2)的负极与直流电源的负极连接，(1)的负极通过功率器件与(2)的正极连接，(1)的负极通过功率器件与(2)的负极连接，(2)的正极通过功率器件与(1)的正极连接，两个三相全控桥的桥臂作为两组三相输出端。
文档编号H02M7/5387GK2922268SQ20062009771
公开日2007年7月11日 申请日期2006年7月10日 优先权日2006年7月10日
发明者苏毅, 李声晋 申请人:东风汽车有限公司