专利名称：一种永磁无刷直流起/发电机的控制发电系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及汽车电机的控制方法，特别涉及一种永磁无刷直流电机充当汽车发动 机的启动电机和发电机双重作用时的发电控制方法及控制系统。
背景技术：
目前，国内汽车大多把启动电动机和发电机分开设计，而发电主要使用硅整流发 电机。这种硅整流发电机使用的是电励磁来产生磁通，需要增加励磁线圈，并使用蓄电池来 提供励磁电流。由于使用了励磁线圈，易烧毁、断线、消耗电能多，减小了发电机的可靠性， 增加了汽车成本。而永磁无刷直流起/发电机系统让两种电机合一，减小了电机的体积，同 时，由于使用永磁电机，不需要增加励磁线圈，减少成本。永磁无刷直流电机具有在结构上 简单可靠，用作发电时，效率高，消耗的电能少等诸多优点。
目前永磁无刷直流起/发电机系统非常适用于普通汽车和混合动力车系统上。电 机的起动/发电功能最初就是应汽车、飞机等电源系统的发展要求而设计的，汽车、飞机等 系统的发动机在正常工作之前需要启动机来启动。一般使用电机来启动发动机，发动机启 动后再利用电机可以四象限运行的特点，把电机作为发电机让机械能转换为电能供给车载 用电设备使用，同时给蓄电池充电。但是，由于汽车工况复杂，永磁无刷直流起/发电机用 作发电机时，需要通过合适的控制策略来使系统在不同转速条件下获得理想的输出。发明内容
本发明的目的是提供一种永磁无刷直流电机充当起动电机和发电发电机时的控 制方法和控制系统。
首先，本发明提供一种永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统，其技术方案是 一种永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统，永磁无刷直流电机在外力带动下发电供给 负载，包括三相整流电桥、输出电压检测电路、输出电流检测电路、DSP控制器和霍尔传感 器；
所述的三相整流电桥设置在永磁无刷直流电机三相输出端，所述的三相整流电桥 的输出端接负载；
所述的输出电压检测电路和输出电流检测电路设置在所述的三相整流电桥的输 出端，所述的输出电压检测电路和输出电流检测电路的所产生的输出电流和电压信号分别 送入所述的DSP控制器中；
所述的霍尔传感器设置在所述的永磁无刷直流电机上，所产生的位置信号送入所 述的DSP控制器中；
所述的DSP控制器利用位置信号、输出电流和电压信号产生控制所述的三相整流 电桥的PWM信号接三相整流电桥。
进一步的，上述的永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统中所述的三相整流 电桥包括开关管V1、开关管V2、开关管V3、开关管V4、开关管V5和开关管V6 ；
所述的开关管Vl设置在所述的永磁无刷直流电机a相输出与三相整流电桥的输 出阳极之间，所述的开关管V4设置在所述的永磁无刷直流电机a相输出与三相整流电桥的 输出阴极之间；
所述的开关管V3设置在所述的永磁无刷直流电机b相输出与三相整流电桥的输 出阳极之间，所述的开关管V6设置在所述的永磁无刷直流电机b相输出与三相整流电桥的 输出阴极之间；
所述的开关管V5设置在所述的永磁无刷直流电机c相输出与三相整流电桥的输 出阳极之间，所述的开关管V2设置在所述的永磁无刷直流电机c相输出与三相整流电桥的 输出阴极之间；
在三相整流电桥的输出阴极和阳极之间设置有滤波电容Co。
进一步的，上述的永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统中所述的DSP控制器 包括基本I/o模块、第一比较器、第一 PI调节器、第二比较器、第二 PI调节器和PWM生成模 块；
所述的基本I/O模块输入参考电压(Uief)；
所述的第一比较器的输入端分别接入参考电压(UMf)和所述的输出电压检测电路 检测到的输出电压(ud。)，所述的第一比较器的输出端接所述的第一 PI调节器，所述的第一 PI调节器的输出生成参考电流(Iref)；
所述的第二比较器的输入端分别接入参考电流(IMf)和所述的输出电流检测电路 检测到的输出电流(Id。)，所述的第二比较器输出端接所述的第二 PI调节器，所述的第二 PI 调节器产生占空比信号输入到所述的PWM生成模块；
所述的PWM生成模块据所述的霍尔传感器所产生的位置信号生成PWM信号，分别 接通所述的三相整流电桥的六个开关管的栅极。
进一步的，上述的永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统中所述的控制器控 制所述的三相整流电桥的六个开关管的过程如下
当永磁无刷直流电机输出的三相交流中
A相正最大，B相负最大时，让开关管V3和V4同时做PWM控制，其他开关管关断；
A相正最大，C相负最大时让开关管V4和V5同时做PWM控制，其他开关管关断；
B相正最大，C相负最大时让开关管V5和V6同时做PWM控制，其他开关管关断；
B相正最大，A相负最大时让开关管V6和Vl同时做PWM控制，其他开关管关断；
C相正最大，A相负最大时让开关管Vl和V2同时做PWM控制，其他开关管关断；
C相正最大，B相负最大时让开关管V2和V3同时做PWM控制，其他开关管关断。
进一步的，上述的永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统中所述的负载为蓄 电池的充电电路。
其次，本申请还提供一种根据上述的永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统的 控制方法，由DSP控制器进行控制，包括以下步骤；
步骤1、获得参考电压(Uref)和输出电压(Ud。)的步骤；
步骤2、将参考电压(Uref)和输出电压(Ud。)比较的步骤；
步骤3、将参考电压(Uref)和输出电压(Ud。)比较的结果进行第一次PI调节控制生 成参考电流(Im)的步骤；
步骤4、将参考电流(Iref)与输出电流(Id。)进行比较步骤；
步骤5、将参考电流(Iref)与输出电流(Id。)进行比较结果进行第二次PI调节控制 生成占空比的步骤；
步骤6、利用占空比形成PWM信号的步骤；
步骤7、根据电机位置信号情况将PWM信号输出到控制三相整流电桥的开关管的 步骤。
进一步的，上述的控制方法中所述的步骤7中，控制三相整流电桥的开关管包括 如下方式
在永磁无刷直流电机输出的三相交流中
A相正最大，B相负最大时，让开关管V3和V4同时做PWM控制，其他开关管关断；
A相正最大，C相负最大时让开关管V4和V5同时做PWM控制,其他开关管关断；
B相正最大，C相负最大时让开关管V5和V6同时做PWM控制，其他开关管关断；
B相正最大，A相负最大时让开关管V6和Vl同时做PWM控制,其他开关管关断；
C相正最大，A相负最大时让开关管Vl和V2同时做PWM控制，其他开关管关断；
C相正最大，B相负最大时让开关管V2和V3同时做PWM控制,其他开关管关断。
本发明可以直接利用原有的硬件条件，无需对硬件电路进行改动，不需要额外投 入，可以实现可逆运行；采用两两导通方式，不需要额外增加死区时间，用以控制永磁直流 无刷电机发电，产生电压脉动小，只需很小的滤波就可以得到很稳定的电压输出；实现简单 可靠。
图1本发明永磁无刷直流起/发电机发电系统结构图。
图2本发明永磁无刷直流起/发电机发电主电路图。
图3本发明永磁无刷直流起/发电机发电系统双闭环控制原理图。
图4本发明永磁无刷直流起/发电机发电系统功率开关管控制信号。
具体实施方式
实施例1 :如图1所示，本发明提供了一种混合动力汽车中，作为起动电机和发电 机的永磁无刷直流电机的发电控制系统，永磁无刷直流电机在外力带动下发电供给负载， 包括三相整流电桥、输出电压检测电路、输出电流检测电路、DSP控制器和霍尔传感器；如 图1所示，
三相整流电桥设置在永磁无刷直流电机三相输出端，所述的三相整流电桥的输出 端接负载；本实施例中三相整流电桥如图2所示，包括六个开关管V1、V2、V3、V4、V5和W。
其中V1设置在永磁无刷直流电机a相输出与三相整流电桥的输出阳极之间，V4 设置在永磁无刷直流电机a相输出与三相整流电桥的输出阴极之间；
V3设置在永磁无刷直流电机b相输出与三相整流电桥的输出阳极之间,V6设置在 永磁无刷直流电机b相输出与三相整流电桥的输出阴极之间；
V5设置在永磁无刷直流电机c相输出与三相整流电桥的输出阳极之间,V2设置在 永磁无刷直流电机c相输出与三相整流电桥的输出阴极之间；
另外，在三相整流电桥的输出阴极和阳极之间设置有滤波电容Co。
本实施例的输出电压检测电路和输出电流检测电路设置在三相整流电桥的输出 端，测量电机的输出电流ud。和输出电压Id。。并将输出电流Ud。和输出电压Id。输入到DSP 控制器中。
霍尔传感器设置在所述的永磁无刷直流电机上，所产生的位置信号送入所述的 DSP控制器中；一般是三个霍尔传感器，分别产生三相的角度位置。DSP控制器利用位置信 号、输出电流和电压信号产生控制所述的三相整流电桥的PWM信号接三相整流电桥。
本实施例中，DSP控制器包括基本I/O模块、第一比较器、第一 PI调节器、第二比 较器、第二 PI调节器和PWM生成模块；
基本I/O模块输入参考电压Uref ；
第一比较器的输入端分别接入参考电压UMf和输出电压检测电路检测到的输出电 压Ud。，第一比较器的输出端接第一 PI调节器，第一 PI调节器的输出生成参考电流IMf ；
第二比较器的输入端分别接入参考电流IMf和输出电流检测电路检测到的输出电 流Id。，第二比较器输出端接第二 PI调节器，第二 PI调节器产生占空比信号输入到PWM生 成模块；
PWM生成模块根据霍尔传感器所产生的位置信号生成PWM信号，分别接通按下面 的顺序三相整流电桥的六个开关管的栅极
当永磁无刷直流电机输出的三相交流中
A相正最大，B相负最大时，让开关管V3和V4同时做PWM控制,其他开关管关断；
A相正最大，C相负最大时让开关管V4和V5同时做PWM控制,其他开关管关断；
B相正最大，C相负最大时让开关管V5和V6同时做PWM控制,其他开关管关断；
B相正最大，A相负最大时让开关管V6和Vl同时做PWM控制,其他开关管关断；
C相正最大，A相负最大时让开关管Vl和V2同时做PWM控制，其他开关管关断；
C相正最大，B相负最大时让开关管V2和V3同时做PWM控制,其他开关管关断。
另外，本实施例的负载一般是指蓄电池的充电电路，也可以是车上的其它电器。
在混合动力汽车中，永磁无刷直流电机是在混合动力控制中心HCU的控制下，DSP 控制器完成对发电控制的，控制过程如图3和图4所示
包括以下步骤；
步骤1、获得参考电压(Uref)和输出电压(Ud。)的步骤；
步骤2、将参考电压(Uref)和输出电压(Ud。)比较的步骤；
步骤3、将参考电压(Uref)和输出电压(Ud。)比较的结果进行第一次PI调节控制生 成参考电流(Im)的步骤；
步骤4、将参考电流(Iref)与输出电流(Id。)进行比较步骤；
步骤5、将参考电流(Iref)与输出电流(Id。)进行比较结果进行第二次PI调节控制 生成占空比的步骤；
步骤6、利用占空比形成PWM信号的步骤；
步骤7、根据电机位置信号情况将PWM信号输出到控制三相整流电桥的开关管的 步骤。
其中步骤7中，控制三相整流电桥的开关管包括如下方式
在永磁无刷直流电机输出的三相交流中
A相正最大，B相负最大时，让开关管V3和V4同时做PWM控制，其他开关管关断；
A相正最大，C相负最大时让开关管V4和V5同时做PWM控制，其他开关管关断；
B相正最大，C相负最大时让开关管V5和V6同时做PWM控制，其他开关管关断；
B相正最大，A相负最大时让开关管V6和Vl同时做PWM控制,其他开关管关断；
C相正最大，A相负最大时让开关管Vl和V2同时做PWM控制，其他开关管关断；
C相正最大，B相负最大时让开关管V2和V3同时做PWM控制，其他开关管关断。
本实施例的永磁无刷直流起/发电机发电系统的结构图如图1所示，由图可以看 出系统由永磁无刷直流电机、三相整流桥、输出电流检测、输出电压检测、DSP控制器及负载 等几部分组成。永磁无刷直流电机在原动机的拖动下内部感应出三相交流电动势Uab。，三相 交流电动势Uab。经过三相整流桥整流成直流供给负载。负载可以是蓄电池的充电电路或者 其它汽车电器，输出电压检测和输出电流检测电路检测出输出的电压与电流送给DSP控制 器，同时检测永磁无刷直流电机的霍尔位置信号Hab。送入DSP控制器，DSP控制器根据输出 电压Ud。、输出电流Id。及霍尔位置信号Hab。产生相应的6路PWM控制信号，控制三相整流桥 整出所需的直流供给负载。
图1中三相整流桥是由六个开关管构成的三相桥式电路，这种三相桥式电路既可 以用作逆变电路，也可以用作整流电路。如图2所示为有三相桥式电路组成的永磁无刷直 流起/发电机发电主电路图。
图3所示为永磁无刷直流起/发电机发电系统控制原理图，这是一个双闭环控制， 内环为电流环，外环为电压环。系统采样输出电压ud。，然后与给定参考电压Uref比较得到一 个差值，经过第一个PI调节器得出参考电流Iref;系统再检测出输出电流Id。，与调节出的参 考电流Iref比较，经过第二个PI调节器生产一个占空比送到PWM生成模块，PWM生成模块根 据这个占空比和永磁无刷直流电机的位置信号Hab。生成六路PWM控制信号，驱动三相整流 桥的六个开关管工作。
六路PWM驱动控制信号如图4所示。工作方式当电机输出的三相交流A相正最 大，B相负最大时，让开关管V3和V4同时做PWM控制，其他开关管关断；而A相正最大，C相 负最大时让开关管V4和V5同时做PWM控制，其他开关管关断；其他情况以此类推，可以得 出开关管的导通顺序为V1V2-V2V3-V3V4-V4V5-V5V6-V6V1。在此种工作方式下，同时只有两 个开关管做PWM控制，可以根据输出的电流电压来调节这个PWM控制信号的占空比，用以得 到理想的输出。
本实施例在永磁无刷直流电机控制的基础上提出了 一种新型控制策略，用以解决 永磁无刷直流电机发电运行时的控制需求。
永磁无刷直流电机发电控制系统的控制方式是采用电压电流双闭环控制方式，控 制三相整流桥两两导通，同时做PWM控制。采用本发明的控制方法对永磁无刷直流电机发 电进行控制，有以下几个优点
(I)该控制方式可以直接利用原有的硬件条件，无需对硬件电路进行改动，不需要 额外投入，可以实现可逆运行。
(2)该控制方式采用两两导通方式，这种控制方式不需要额外增加死区时间，用以 控制永磁直流无刷电机发电，产生电压脉动小，只需很小的滤波就可以得到很稳定的电压输出。
(3)该控制方式与 电动运行控制方式类似，实现简单可靠。
权利要求
1.一种永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统，永磁无刷直流电机在外力带动下发电供给负载，其特征在于包括三相整流电桥、输出电压检测电路、输出电流检测电路、DSP 控制器和霍尔传感器；所述的三相整流电桥设置在永磁无刷直流电机三相输出端，所述的三相整流电桥的输出端接负载；所述的输出电压检测电路和输出电流检测电路设置在所述的三相整流电桥的输出端， 所述的输出电压检测电路和输出电流检测电路的所产生的输出电流和电压信号分别送入所述的DSP控制器中；所述的霍尔传感器设置在所述的永磁无刷直流电机上，所产生的位置信号送入所述的 DSP控制器中；所述的DSP控制器利用位置信号、输出电流和电压信号产生控制所述的三相整流电桥的PWM信号接三相整流电桥。
2.根据权利要求1所述的永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统，其特征在于所述的三相整流电桥包括开关管V1、开关管V2、开关管V3、开关管V4、开关管V5和开关管V6 ；所述的开关管Vl设置在所述的永磁无刷直流电机a相输出与三相整流电桥的输出阳极之间，所述的开关管V4设置在所述的永磁无刷直流电机a相输出与三相整流电桥的输出阴极之间；所述的开关管V3设置在所述的永磁无刷直流电机b相输出与三相整流电桥的输出阳极之间，所述的开关管V6设置在所述的永磁无刷直流电机b相输出与三相整流电桥的输出阴极之间；所述的开关管V5设置在所述的永磁无刷直流电机c相输出与三相整流电桥的输出阳极之间，所述的开关管V2设置在所述的永磁无刷直流电机c相输出与三相整流电桥的输出阴极之间；在三相整流电桥的输出阴极和阳极之间设置有滤波电容Co。
3.根据权利要求2所述的永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统，其特征在于所述的DSP控制器包括基本I/O模块、第一比较器、第一 PI调节器、第二比较器、第二 PI调节器和PWM生成模块；所述的基本I/O模块输入参考电压(Uref)；所述的第一比较器的输入端分别接入参考电压(Uref)和所述的输出电压检测电路检测到的输出电压(Ud。)，所述的第一比较器的输出端接所述的第一PI调节器，所述的第一PI调节器的输出生成参考电流(Im);所述的第二比较器的输入端分别接入参考电流(Iref)和所述的输出电流检测电路检测到的输出电流(Id。)，所述的第二比较器输出端接所述的第二PI调节器，所述的第二PI调节器产生占空比信号输入到所述的PWM生成模块；所述的PWM生成模块根据所述的霍尔传感器所产生的位置信号生成PWM信号，分别接通所述的三相整流电桥的六个开关管的栅极。
4.根据权利要求3所述的永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统，其特征在于所述的控制器控制所述的三相整流电桥的六个开关管的过程如下当永磁无刷直流电机输出的三相交流中A相正最大，B相负最大时，让开关管V3和V4同时做PWM控制，其他开关管关断；A相正最大，C相负最大时让开关管V4和V5同时做PWM控制，其他开关管关断 B相正最大，C相负最大时让开关管V5和V6同时做PWM控制，其他开关管关断 B相正最大，A相负最大时让开关管V6和Vl同时做PWM控制，其他开关管关断 C相正最大，A相负最大时让开关管Vl和V2同时做PWM控制，其他开关管关断 C相正最大，B相负最大时让开关管V2和V3同时做PWM控制，其他开关管关断。
5.根据权利要求1至4中任一所述的永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统，其特征在于所述的负载为蓄电池的充电电路。
6.一种根据权利要求1所述的永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统的控制方法， 由DSP控制器进行控制，其特征在于，包括以下步骤；步骤1、获得参考电压(U和输出电压(Ud。)的步骤；步骤2、将参考电压(UMf)和输出电压(Ud。)比较的步骤；步骤3、将参考电压(UMf)和输出电压(Ud。)比较的结果进行第一次PI调节控制生成参考电流(Im)的步骤；步骤4、将参考电流(IMf)与输出电流(Id。)进行比较步骤；步骤5、将参考电流(IMf)与输出电流(Id。)进行比较结果进行第二次PI调节控制生成占空比的步骤；步骤6、利用占空比形成PWM信号的步骤；步骤7、根据电机位置信号情况将PWM信号输出到控制三相整流电桥的开关管的步骤。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于所述的步骤7中，控制三相整流电桥的开关管包括如下方式在永磁无刷直流电机输出的三相交流中A相正最大，B相负最大时，让开关管V3和V4同时做PWM控制，其他开关管关断；A相正最大，C相负最大时让开关管V4和V5同时做PWM控制，其他开关管关断 B相正最大，C相负最大时让开关管V5和V6同时做PWM控制，其他开关管关断 B相正最大，A相负最大时让开关管V6和Vl同时做PWM控制，其他开关管关断 C相正最大，A相负最大时让开关管Vl和V2同时做PWM控制，其他开关管关断 C相正最大，B相负最大时让开关管V2和V3同时做PWM控制，其他开关管关断。
全文摘要
本发明公开了一种永磁无刷直流起/发电机的发电控制系统和控制方法，其中控制系统控制永磁无刷直流电机在外力带动下发电供给负载，包括三相整流电桥、输出电压检测电路、输出电流检测电路、DSP控制器和霍尔传感器。控制方法提供了一种上面DSP控制器的控制过程。本发明可以直接利用原有的硬件条件，无需对硬件电路进行改动，不需要额外投入，可以实现可逆运行；采用两两导通方式，不需要额外增加死区时间，用以控制永磁直流无刷电机发电，产生电压脉动小，只需很小的滤波就可以得到很稳定的电压输出；实现简单可靠。
文档编号H02P9/48GK103066906SQ20121053574
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者蔡交明, 罗晓, 王瑛, 陈立冲, 王金磊, 黄彬 申请人:奇瑞汽车股份有限公司