模块化混合励磁爪极电机控制器及混合励磁爪极电机与控制方法与流程

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1.本发明涉及模块化混合励磁爪极电机控制器及混合励磁爪极电机与控制方法。


背景技术：

2.车载启动发电一体机(简称isg电机)，广泛应用在车辆上，它直接集成在汽车发动机主轴上，替代传统的启动电机,isg电机在起步阶段短时替代发动机驱动汽车,并同时起到启动发动机的作用,减少发动机的怠速损耗和污染,正常行使时,汽车发动机驱动车辆,该isg电机断开与汽车发动机主轴的连接，或者起到发电机的作用,刹车时,该汽车发动机主轴还可以起到再生能源的作用。
3.现有的isg电机多采用混合励磁爪极电机，见美国专利us20060267344a1，或者中国同族专利cn100517922(c)的介绍，其结构如图1、图2和图3所示：
4.图1所示为本发明实施形态1有关的车辆用起动发电一体机的纵向剖视图，图2所示为本发明实施形态1有关的车辆用起动发电电机的转子立体图，图3所示为本发明实施形态1有关的车辆用起动发电装置的概念图。在图1及图2中，作为车辆用旋转电机的车辆用起动发电电机1,具有由分别是近似碗状的铝制前端盖2及后端盖3构成的机壳4、通过轴承5a及5b支持在该机壳4中并可自由旋转的轴6、固定在机壳4的前端侧伸出的轴6的一端上的皮带轮7、固定在该轴6上并配置在机壳4内可自由旋转的转子8、保持在机壳4的内壁面以包围该转子8的电枢9、固定在轴6的另一端部的一对滑环10、配置在滑环10的外周的刷握11、以及配置在刷握11内与各滑环10滑动接触的电刷12。电枢9(俗称定子)具有被前端盖2及后端盖3夹在当中并包围转子8而配置的电枢铁心13、以及在该电枢铁心13上卷绕的电枢绕组14(俗称线圈绕组)。转子8具有流过电流而产生磁通的励磁绕组15、以及覆盖该励磁绕组15而设置并利用该磁通形成磁极的爪极型(兰德尔型)转子铁心16。
5.该转子铁心16利用铁制的一对磁极铁心17及18构成，该一对磁极铁心17及18的各自的爪形磁极17a及18a在圆柱状的轴毂部分17b及18b的外周边缘部分沿圆周方向以等角间距突出设置。另外，各爪形磁极17a是从轴毂部分17b的轴向一端的外周边缘部分，向径向外侧延伸设置，然后向轴向另一端延伸设置而形成。另外，各爪形磁极18a是从轴毂部分18b的轴向另一端的外周边缘部分，向径向外侧延伸设置，然后向轴向一端延伸设置而形成。然后，一对磁极铁心17及18使轴毂部分17b的轴向另一端端面与轴毂部分18b的轴向一端端面面对面，使得爪形磁极17a与18a互相咬合，再将轴6压入轴毂17b及18b的轴心位置，并形成一体。另外，风扇19固定在转子8的轴向两端。再有，永磁体20分别沿圆周方向配置在相邻的爪形磁极17a,18a之间，各永磁体20例如用铁氧体永磁体制成，然后进行磁化，使得形成与相接的爪形磁极17a及18a的极性相同的极性，即在与n极磁极相接的一侧形成n极，在与s极磁极相接的一侧形成s极。另外，在线圈架21上卷绕励磁绕组15,装在被爪形磁极17a及18a、永磁体20及轴毂部分17b及18b包围的空间内。另外，旋转变压器22配置在轴承5b的轴向外侧。该旋转变压器22是检测转子8相对于电枢9的相对位置、好转子8的转速的装置。然后，将
旋转变压器22的检测信号作为旋转信号(f),向后述的控制装置28输出。
6.下面，参照图3说明采用这样构成的车辆用起动发电电机1的车辆用起动发电装置的构成。车辆用起动发生电机1的转子8,利用皮带(未图示)与发动机32的曲柄轴连接。这里，电枢绕组14是将三相绕组进行y连接而构成。逆变器单元23,具有由多个开关元件26及与各开关元件26并联连接的二极管27构成的逆变器组件24、以及与逆变器组件24并联连接的电容器25。该电容器25具有使得流过逆变器组件24的电流平滑的作用。逆变器组件24并联配置三个将两组并联连接的开关元件26及二极管27串联连接的电路，将这些元件26及27封入封装中，形成一体而构成。然后，电枢绕组14的y连接各端部分别与串联连接的开关元件26的中点连接。逆变器组件24的开关元件26的开关动作早用控制装置28进行控制。然后，对车辆用起动发电电机1供给功率，作为起动电动机动作，使发动机32起动。另外，车辆用起动发电电机1在发动机32起动后，利用发动机32进行旋转驱动，作为交流发电机动作，产生三相交流电压。车辆用起动发电电机1的驱动用电源即36v系统的第1电池29与逆变器组件24并联连接。该车辆用起动发电电机1利用第1电池29,以高电压(36v)运转。另外，由于车辆中安装的电气负载一般是以12v作为额定，因此安装有12v系统的第2电池30。因此，与逆变器单元24并联连接有dc/dc变换器31,使得能够对电气负载驱动用的第2电池30充电。即，在利用车辆用卢动发电电机1使发动机32起动时，必须加大车辆用起动发电电机1产生的转矩，即加大对电枢绕组14的通电电流量。而且，在利用对车辆中安装的电气负载进行驱动用的第2电池30进行运转中，布线损耗增大，进而为了减小布线电阻，而布线本身变大。因此，将电池电压升高，以降低馈电损耗。
7.下面，说明这样构成的车辆用起动发电装置的动作。
8.首先，控制装置28控制各开关元件26进行导通或关断，利用第1电池29的直流功率来产生三相交流功率。该三相交流功率供给电枢绕组14,对转子8的励磁绕组15提供旋转磁场，驱动转子8旋转。然后，转子8的旋转力通过皮带轮7及皮带(未图示)，向发动机32传递，驱动发动机32旋转、即起动。然后，若发动机32起动，则发动机32的旋转力通过皮带及皮带轮，向车辆用起动发电电机1传递。通过这样，驱动转子8旋转，在电枢绕组14中感应出三相交流电压。因此，控制装置28使各开关元件26关断，利用交流发电模式使车辆用起动发电电机1发电。在这种发电状态下，逆变器单元24变成三相全波整流电路，它是将串联连接的一组两个二极管27并联连接三组而形成的，在电枢绕组14中感应的三相交流电压利用逆变器单元23进行整流，形成直流。然后，然后，利用由逆变器单元23整流的直流功率，对第1电池29充电。另外，由逆变器单元23整流的直流功率利用dc/dc变换器31变换为12v。
9.具体描述可以详细阅读美国专利us20060267344a1，或者中国同族专利cn100517922(c)的专利说明书，在此不再叙述。
10.以上采用混合励磁爪极电机仍存在如下的问题或缺陷：
11.1)传统励磁电流控制为电压控制方式，即以直流侧电压作为控制量，通过电压反馈间接控制励磁电流，所以控制稳态精度差、动态响应速度慢；
12.2)控制器的励磁控制电路为单向励磁，控制方式单一，不能很好适应汽车实际的运行工况；
13.3))控制器逆变器在启动期间由开关器件按pwm方式工作，在发电期间开关器件不工作，仅由并联在逆变器组件的开关器件旁边的二极管实现整流，不能提高系统输出电流、
电压控制精度，也不能减小输出电流以及电机电流波动，不能较好延长系统工作寿命。


技术实现要素：

14.本发明的一个目的是提供一种模块化混合励磁爪极电机控制器及混合励磁爪极电机与控制方法，解决现有技术中混合励磁爪极电机励磁电流控制为电压控制方式，控制稳态精度差、动态响应速度慢的技术问题。
15.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
16.一种模块化混合励磁爪极电机控制器，包括isg电机控制器，isg电机控制器包括桥式逆变电路和逆变器控制器，爪极电机的定子中的线圈绕组通过桥式逆变电路与外部的电池电连接，逆变器控制器根据具体工作状况控制桥式逆变电路工作，使爪极电机处于发电状态或者启动状态，其特征在于：它还包括励磁电流控制模块，励磁电流控制模块包括励磁控制器、单相桥式电路和励磁电流采样电路，电池与爪极电机的转子中的励磁线圈之间通过单相桥式电路电连接，励磁控制器输出信号控制单相桥式电路工作，励磁电流采样电路检测通过转子中的励磁线圈的反馈电流信号传递到励磁控制器，逆变器控制器与励磁控制器之间用通信线实现信息传递。
17.上述的单相桥式电路包括开关管q7、开关管q8、开关管q9和开关管q10，开关管q7、开关管q8组成一个桥臂并连接在电池两端，开关管q9和开关管q10组成另一个桥臂并连接在电池两端，开关管q7与开关管q8之间连接励磁线圈的一端，开关管q9与开关管q10之间连接励磁线圈的另一端，励磁控制器输出四路信号分别控制开关管q7、开关管q8、开关管q9和开关管q10。
18.上述的励磁控制器通过控制开关管q7、开关管q10按照pwm方式导通和关断，控制开关管q8和开关管q9关闭，实现励磁线圈一个方向的电流控制；励磁控制器通过控制开关管q7、开关管q10关闭，控制开关管q8和开关管q9按照pwm方式导通和关断，实现励磁线圈另一个方向的电流控制；这样可以实现流过励磁线圈的双向电流控制。
19.上述的isg电机控制器集成在第一块线路板上，励磁电流控制模块集成在第二块线路板上，第一块线路板与第二块线路板通过接插件对插进行连接通信。
20.上述的逆变器控制器与励磁控制器均采样具有数字信号处理能力的单片机或者数字信号处理器。
21.上述在爪极电机处于启动状态下，逆变器控制器控制桥式逆变电路工作使电池提供的直流电变换成交流电供给爪极电机的定子中的线圈绕组；在爪极电机处于发电状态下，逆变器控制器控制桥式逆变电路工作使定子中的线圈绕组产生的交流电转换成直流电存储在外部电池里面，这样实现桥式逆变电路在全区间都处于工作状态。
22.上述在桥式逆变电路与外部的电池之间还连接dc-dc转换电路。
23.一种混合励磁爪极电机，包括电机本体和电机控制器，所述的电机本体包括定子、转子和机壳，定子包括定子铁芯和卷绕在定子铁芯上的线圈绕组，转子包括励磁线圈、转子铁芯和永磁体，其特征在于：电机控制器采用上述所述的模块化混合励磁爪极电机控制器。
24.一种混合励磁爪极电机的控制方法，所述的混合励磁爪极电机采用上述所述的一种混合励磁爪极电机，其特征在于：逆变器控制器向励磁控制器发送电流指令i，励磁电流采样电路检测通过转子中的励磁线圈的反馈电流信号if送到励磁控制器，励磁控制器将电
流指令i和反馈电流信号if进行比较，得到励磁电流控制误差，该误差经过励磁控制器里面设置的pi调节器处理后生成pwm信号，利用pwm信号控制单相桥式电路调节励磁线圈的输出励磁电流，从而实现通过励磁线圈的电流的闭环控制。
25.上述当爪极电机处于启动状态，逆变器控制器向励磁控制器发送电流指令，控制励磁线圈的励磁电流达到控制励磁线圈的励磁电流达到90％-100％的最大电流imax，以增大启动转矩；启动完成进入发电阶段后，随着转速升高减小励磁线圈的励磁电流，在增加恒转矩范围的同时，增加最大输出功率，最大电流imax是允许通过励磁线圈的最大电流。
26.上述当发生甩负载等极端工况时，逆变器控制器向励磁控制器发送电流指令，控制励磁线圈的励磁电流反向，通过弱磁控制减小电压突升的幅值，保证系统安全。
27.上述当爪极电机处于启动状态，逆变器控制器控制桥式逆变电路工作使电池提供的直流电变换成交流电供给爪极电机的定子中的线圈绕组；在爪极电机处于发电状态下，逆变器控制器控制桥式逆变电路工作使线圈绕组产生的交流电转换成直流电存储在外部电池里面，这样实现桥式逆变电路在全区间都处于工作状态。
28.本发明与现有技术相比，具有如下效果：
29.1)本发明励通过增加磁电流控制模块，励磁电流控制模块包括励磁控制器、单相桥式电路和励磁电流采样电路，电池与爪极电机的转子中的励磁线圈之间通过单相桥式电路电连接，励磁控制器输出信号控制单相桥式电路工作，励磁电流采样电路检测通过转子中的励磁线圈的反馈电流信号传递到励磁控制器，逆变器控制器与励磁控制器之间用通信线实现信息传递。励磁电流控制采用电流控制方式，即通过采集实际励磁电流构成电流闭环，直接对电流进行控制，比传统的电压控制方式控制精度高、动态响应快。
30.2)本发明的其它优点在实施例部分展开详细描述。
附图说明：
31.图1是现有技术中车辆用起动发电一体机的纵向剖视图；
32.图2是现有技术中车辆用起动发电一体机的转子立体图；
33.图3是现有技术中车辆用起动发电一体机的控制器的原理方框图；
34.图4是本发明的实施例一的模块化混合励磁爪极电机控制器原理方框图；
35.图5是图4的局部电路展开图；
36.图6是本发明的实施例一的isg电机控制器与励磁电流控制模块的装配图；
37.图7是本发明实施例二的控制信号流程图。
具体实施方式：
38.下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
39.实施例一：
40.本发明的一种混合励磁爪极电机，包括电机本体和电机控制器两个部分，所述的电机本体包括定子、转子和机壳，定子包括定子铁芯和卷绕在定子铁芯上的线圈绕组，转子包括励磁线圈、转子铁芯和永磁体，电机本体的机械结构与图1和图2现有的技术中所示的起动发电一体机结构相同，本发明的发明点是在电机控制器部分进行改良，具体见图4、图5所示。
41.如图4、图5所示，一种模块化混合励磁爪极电机控制器，包括isg电机控制器，isg电机控制器包括桥式逆变电路和逆变器控制器，爪极电机的定子中的线圈绕组通过桥式逆变电路与外部的电池41电连接，逆变器控制器根据具体工作状况控制桥式逆变电路工作，使爪极电机处于发电状态或者启动状态，其特征在于：它还包括励磁电流控制模块，励磁电流控制模块包括励磁控制器、单相桥式电路和励磁电流采样电路，电池与爪极电机的转子中的励磁线圈之间通过单相桥式电路电连接，励磁控制器输出信号控制单相桥式电路工作，励磁电流采样电路检测通过转子中的励磁线圈的反馈电流信号传递到励磁控制器，逆变器控制器与励磁控制器之间用通信线实现信息传递。
42.图4中用m表示电机本体，用l表示电机本体转子中的励磁线圈，图5中我们画出了电机本体m采用3相电机，用u、v、w标示定子中的3相线圈绕组，桥式逆变电路也是采用3相的形式，即采用6个开关管，开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、开关管q5和开关管q6，开关管q1和开关管q2组成第一个桥臂，开关管q3和开关管q4组成第二个桥臂，开关管q5和开关管q6组成第三个桥臂，逆变器控制器输出6路信号来分别控制开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、开关管q5和开关管q6的断开或者导通。当然电机的相数只是一种举例，并不作限定，例如也可以采用6相的混合励磁爪极电机等，在此不再一一介绍。
43.上述的逆变器控制器与励磁控制器均采样具有数字信号处理能力的单片机mcu或者数字信号处理器dsp。
44.上述的单相桥式电路包括开关管q7、开关管q8、开关管q9和开关管q10，开关管q7、开关管q8组成一个桥臂并连接在电池两端，开关管q9和开关管q10组成另一个桥臂并连接在电池两端，开关管q7与开关管q8之间连接励磁线圈的一端，开关管q9与开关管q10之间连接励磁线圈的另一端，励磁控制器输出四路信号分别控制开关管q7、开关管q8、开关管q9和开关管q10的导通或者关断，开关管q7、开关管q8、开关管q9和开关管q10采用mos管或者普通三极管。
45.上述的励磁控制器通过控制开关管q7、开关管q10按照pwm方式导通和关断，控制开关管q8和开关管q9关闭，实现励磁线圈一个方向的电流控制；励磁控制器通过控制开关管q7、开关管q10关闭，控制开关管q8和开关管q9按照pwm方式导通和关断，实现励磁线圈另一个方向的电流控制；这样可以实现流过励磁线圈的双向电流控制。
46.如图6所示，isg电机控制器集成在第一块线路板42上，励磁电流控制模块集成在第二块线路板43上，第一块线路板42与第二块线路板43通过接插件44对插进行连接通信。
47.上述在爪极电机处于启动状态下，逆变器控制器控制桥式逆变电路工作使电池提供的直流电变换成交流电供给爪极电机的定子中的线圈绕组l；在爪极电机处于发电状态下，逆变器控制器控制桥式逆变电路工作使定子中的线圈绕组u、v、w产生的交流电转换成直流电存储在外部电池里面，这样实现桥式逆变电路在全区间都处于工作状态。
48.上述在桥式逆变电路与外部的电池之间还连接dc-dc转换电路，以使外部的电池41与模块化混合励磁爪极电机的发电状态的输出电压匹配。
49.通用isg控制器模块包括三相(六相)逆变桥式电路、直流电压检测、电机相电流采样(通过相电流检测电路来完成)、以及逆变器控制器。其基本工作原理是，逆变器控制器接收来自汽车整车控制器的电机转矩、功率、电流、或者直流电压指令，通过计算得出模块化混合励磁爪极电机的电流指令，然后通过采样电路采集实际的直流电压和交流电流，经过
计算，生成驱动信号控制三相(六相)桥式逆变电路按照pwm方式工作，进而控制直流电压和电机电流和参考命令。同时，逆变器控制器根据模块化混合励磁爪极电机的实际运行状态，计算励磁电流的指令值。励磁电流控制模块包括励磁控制器、单相桥式电路和励磁电流采样电路。其基本工作原理是，励磁控制器通过通信线接受逆变器控制器的励磁电流指令，通过励磁电流采样电路采集实际励磁电流，通过计算，生成驱动信号控制单相桥式电路按照pwm方式工作，进而控制实际励磁线圈的励磁电流和指令相等。
50.本发明具有的优点：
51.1)逆变器控制器向励磁控制器发送电流指令i，励磁电流采样电路检测通过转子中的励磁线圈l的反馈电流信号if送到励磁控制器，励磁控制器将电流指令i和反馈电流信号if进行比较，得到励磁电流控制误差，该误差经过励磁控制器里面设置的pi调节器处理后生成pwm信号，利用pwm信号控制单相桥式电路调节励磁线圈l的输出励磁电流，从而实现通过励磁线圈l的电流的闭环控制。直接对电流进行控制，比传统的电压控制方式控制精度高、动态响应快。
52.2)电机控制器模块化结构：在通用isg控制器基础上，以模块化形式增加励磁电流控制模块，该模块通过接擦件和通用isg控制器连接。如果插上励磁电流控制模块，即构成混合励磁爪极电机控制器，如果拔除该模块，即为通用isg控制器。使用简单，安装方便，灵活应用。isg电机控制器集成在第一块线路板42上，励磁电流控制模块集成在第二块线路板43上，第一块线路板42与第二块线路板43通过接插件44对插进行连接通信来实现模块化结构。
53.3)励磁电路采用单相桥式电路，单相桥式电路可以实现双向励磁电流控制，可以根据汽车的不同工况改变励磁线圈l的励磁电流的流动方向，从而可以方便实现弱磁控制，灵活多变，控制更加精确有效。
54.4)桥式逆变电路在全工作区工作，桥式逆变电路均工作在pwm方式下。在启动阶段，和传统控制方式相同，在发电阶段，由于同样工作在pwm控制之下，即逆变器控制器同样输出pwm信号控制桥式逆变电路进行整流，所以能够提高系统输出电流、电压控制精度，同时减小输出电流以及电机电流波动，延长系统工作寿命。
55.实施例二：
56.如图7所示，一种混合励磁爪极电机的控制方法，所述的混合励磁爪极电机采用实施例一所述的一种混合励磁爪极电机，其特征在于：逆变器控制器向励磁控制器发送电流指令i，励磁电流采样电路检测通过转子中的励磁线圈l的反馈电流信号if送到励磁控制器，励磁控制器将电流指令i和反馈电流信号if进行比较，得到励磁电流控制误差，该误差经过励磁控制器里面设置的pi调节器处理后生成pwm信号，利用pwm信号控制单相桥式电路调节励磁线圈的输出励磁电流，从而实现通过励磁线圈的励磁电流的闭环控制。
57.通过励磁线圈l的励磁电流采用闭环控制器，且励磁电流控制采用电流控制方式。而传统通用isg电机控制器的励磁电流控制为电压控制方式，即以直流侧电压作为控制量，通过电压反馈间接控制励磁线圈l的励磁电流，所以控制稳态精度差、动态响应速度慢。为克服这一缺点，本发明采用电流闭环制方式，即通过采集实际励磁线圈l的励磁电流构成电流闭环，直接对电流进行控制，比传统的电压控制方式控制精度高、动态响应快，另外它克服传统通用isg电机控制器的励磁控制电路只能单向励磁的缺点，本设计采用了单相桥式
电路，电路本身具备双向电流流通能力，灵活多变，适应性强。
58.励磁控制器里面设置的pi调节器是通过软件模块来实现，图7中的pwm生成器也是通过软件模块来实现，pwm生成器和pi调节器设置在励磁控制器里面面，励磁控制器是单片机mcu，便于编程实现pwm生成器和pi调节器，励磁电流控制误差经过pi调节器处理后送到pwm生成器，pwm生成器生成pwm信号，利用pwm信号控制单相桥式电路调节励磁线圈的输出励磁电流。
59.上述当爪极电机处于启动状态，逆变器控制器向励磁控制器发送电流指令，控制励磁线圈的励磁电流达到90％-100％的最大电流imax，以增大启动转矩；启动完成进入发电阶段后，随着转速升高减小励磁线圈的励磁电流，在增加恒转矩范围的同时，增加最大输出功率，最大电流imax是允许通过励磁线圈的最大电流，这样可以保证启动的可靠性，减少能耗。
60.上述当发生甩负载等极端工况时，逆变器控制器向励磁控制器发送电流指令，控制励磁线圈的励磁电流反向，通过弱磁控制减小电压突升的幅值，保证系统安全。
61.上述当爪极电机处于启动状态，逆变器控制器控制桥式逆变电路工作使电池提供的直流电变换成交流电供给爪极电机的定子中的线圈绕组；在爪极电机处于发电状态下，逆变器控制器控制桥式逆变电路工作使线圈绕组产生的交流电转换成直流电存储在外部电池里面，这样实现桥式逆变电路在全区间都处于工作状态。能够提高系统输出电流、电压控制精度，同时减小输出电流以及电机电流波动，延长系统工作寿命。
62.以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。