一种双凸极直流励磁发电机起动发电控制器及其控制方法与流程

1.本发明涉及电机控制器领域，更具体的说，它涉及一种双凸极直流励磁发电机起动发电控制器及其控制方法。


背景技术：

2.双凸极直流电励磁发电机因其结构简单、可靠性高和成本低廉等特点常被应用于内燃机动力直流发电系统应用中。而且由于转子无永磁耐高温，双凸极直流电励磁发电机可以与内燃机直接耦合连接，具有很强的竞争优势。作为与内燃机直连的发电机，双凸极直流电励磁发电机能够为内燃机点火启动提供反拖扭矩，直接将发动机转速提高到点火转速，以省去常规内燃机外部单独安装的启动电机。
3.目前国内外所使用的双凸极直流励磁发电机控制器基本都是由单一二极管整流为主进行直流发电。中国专利cn114553076a，公开了一种全新结构双凸极发电机使用的控制器电路，其包括定子、无轴电压、无绕组和无永磁的转子、二极管整流电路和励磁电流控制器。该专利采用简单的二极管整流发电，无开关损耗且导通损耗低。但是如果需要双凸极直流电励磁发电机为内燃机启动提供反拖扭矩并直流发电，就需要为该专利外加一套独立的igbt启动控制电路，即igbt控制器，增加了内燃机启动的成本。
4.因此，本发明希望在简化双凸极发电机起动发电控制器的同时提高发电机在低转速区的发电能力，将其中的二极管整流电路优化为以igbt驱动电路和二极管全桥整流电路的耦合电路为主体的双凸极直流励磁发电机起动发电控制器，使双凸极直流励磁发电机为内燃机启动提供反拖扭矩并直流发电时，无需额外配置独立的igbt控制器。同时通过igbt驱动电路与二极管全桥整流电路协调配合，提高igbt的可靠性，降低内燃机启动的成本。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种双凸极直流励磁发电机起动发电控制器，其通过igbt驱动电路与二极管整流电路的耦合，使双凸极直流励磁发电机为内燃机启动提供反拖扭矩并直流发电时，大大提高发电机低转速发电工况下的发电能力，同时无需额外配置独立的igbt控制器，降低了内燃机启动的成本。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种双凸极直流励磁发电机起动发电控制器，其包括igbt驱动电路、二极管整流电路、励磁控制电路、转子定位传感器和mcu；所述二极管整流电路为六只二极管构成的全桥整流电路，所述igbt驱动电路为六只igbt构成的全桥驱动电路；igbt驱动电路与二极管整流电路耦合，即六只igbt分别与六只二极管并联；
7.所述转子定位传感器与所述mcu电连接，其用于采集转子的位置信息；
8.所述励磁控制电路与所述mcu电连接，其用于为发电机提供可调节的直流励磁电流；
9.所述mcu还与六只igbt电连接。
10.本发明进一步设置为：二极管整流电路中的二级管为igbt模块的内置续流二极管、整流二极管、肖特基二极管和碳化硅二极管之中的任意一种。
11.本发明进一步设置为：所述转子定位传感器为旋转变压器、磁编码器和霍尔传感器中的任意一种。
12.一种双凸极直流励磁发电机起动发电控制器控制方法，上述双凸极直流励磁发电机起动发电控制器，其mcu的控制方法如下：
13.发电机反拖启动发动机时，转子的位置信息控制igbt驱动电路进行换相开关，输出启动扭矩；发动机当前转速＞发动机启动转速，则反拖成功，转换为发电控制策略；
14.发电控制策略分为igbt主动整流发电或二极管整流发电；低转速发电工况，采用igbt主动整流发电，此时二极管整流电路中的二级管为igbt驱动电路提供续流；高转速发电工况，采用二极管整流发电，此时igbt驱动电路全桥关断，二极管整流电路独立整流发电。
15.本发明进一步设置为：igbt主动整流发电时，mcu控制励磁控制电路，使励磁电流保持恒定；通过mcu动态调节igbt驱动电路中的脉宽调制pwm信号占空比和开关的换相角度，可动态调控直流发电的电流大小或功率大小。
16.本发明进一步设置为：二极管整流发电时，通过mcu控制励磁控制电路以动态调节直流励磁电流大小，可动态调控直流发电的电流大小或功率大小。
17.本发明进一步设置为：发电机转速＞额定发电转速70％时，为高转速发电工况，采用二极管整流发电控制策略；发电机转速≤额定发电转速70％时，为低转速发电工况，采用igbt主动整流发电控制策略。
18.本发明进一步设置为：发电机反拖启动发动机时，mcu通过励磁控制电路控制励磁电流到最大允许电流。
19.本发明进一步设置为：mcu通过igbt驱动电路分别控制保持三个全桥下管的导通，对三个全桥上管进行pwm斩波控制。
20.本发明进一步设置为：mcu计算α电角控制进入转速，当发电机的转速高于α电角控制进入转速时，mcu将全桥上管的导通角度前移α电角度后，再分别控制保持三个全桥下管的导通，对三个全桥上管进行pwm斩波控制。
21.综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：
22.本发明通过igbt驱动电路与二极管整流电路的耦合，使双凸极直流励磁发电机为内燃机启动提供反拖扭矩并直流发电时，无需额外配置igbt控制器，降低了内燃机启动发电的成本，在内燃机直流发电系统产品领域具有广阔的应用前景，尤其在增程式电动车领域应用优势大，具有重要意义。
23.2、本发明提高了低转速发电工况双凸极直流励磁发电机的发电功率，以及发电效率。
24.3、本发明具有集成度高，体积小，重量轻，整流损耗低无需单独水冷。
附图说明
25.图1为实施例中一种双凸极直流励磁发电机起动发电控制器的结构示意图。
26.图中：1、第一igbt；2、第二igbt；3、第三igbt；4、第四igbt；5、第五igbt；6、第六
igbt；7、第一二极管；8、第二二极管；9、第三二极管；10、第四二极管；11、第五二极管；12、第六二极管；13、直流电；14、负载；15、三相电；16、直线励磁绕组；17、励磁控制电路；18、转子；19、转子定位传感器；20、mcu。
具体实施方式
27.下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，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，都属于发明的保护范围。
28.需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“水平”、“左”、“右”、“前”、“后”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.实施例
30.如图1所示，为本发明较佳实施例中的一种双凸极直流励磁发电机起动发电控制器，其包括igbt驱动电路、二极管整流电路、励磁控制电路17、转子定位传感器19和mcu20；所述二极管整流电路为六只二极管构成的全桥整流电路，所述igbt驱动电路为六只igbt构成的全桥驱动电路；igbt驱动电路与二极管整流电路耦合，即六只igbt分别与六只二极管并联。所述转子定位传感器19与所述mcu20电连接，其用于采集转子18的位置信息。所述励磁控制电路17与所述mcu20电连接，其用于为发电机提供可调节的直流励磁电流。所述mcu20还与六只igbt电连接。
31.具体的，所述二极管整流电路中的二级管为igbt模块的内置续流二极管、常规整流二极管、肖特基二极管和碳化硅二极管之中的任意一种。本实施例中二极管整流电路中的二级管采用常规igbt模块内置的续流二极管替代，该续流二极管为碳化硅二极管。
32.具体的，所述转子定位传感器19为旋转变压器、磁编码器和霍尔传感器中的任意一种。
33.下面为方便本领域人员理解，图1除了本实施例的结构外，还将直流电13、负载14、三相电15、直线励磁绕组16等本实施例使用环境中的基本结构与本实施例的连接关系一并体现。图1中igbt驱动电路中的三个全桥上管从左至右编号为第一igbt1、第二igbt2、第三igbt3，三个全桥下管从左至右编号为第四igbt4、第五igbt5、第六igbt6；图中第一igbt1、第二igbt2、第三igbt3、第四igbt4、第五igbt5、第六igbt6对应的二级管依次编号为第一二极管7、第二二极管8、第三二极管9、第四二极管10、第五二极管11、第六二极管12。
34.上述双凸极直流励磁发电机起动发电控制器中的mcu20，采用如下方法进行控制模式切换：
35.s1、判断转子定位传感器19是否故障：转子定位传感器19故障，则故障返回，停止进行后续步骤；转子定位传感器19正常，则进行s2。
36.s2、读取转子定位传感器19采集的转子18的位置信息，励磁控制电路17控制励磁电流到最大允许电流。本实施例中励磁控制电路17中调控励磁电流的元件为igbtind，即igbt电感器。
37.s3、根据转子18的位置信息，对igbt驱动电路中的igbt进行换相控制提供反拖扭
矩；发动机当前转速》发动机启动转速，则反拖成功，进行s4。
38.s4、转换为发电控制策略，发电控制策略分为igbt主动整流发电或二极管整流发电。igbt主动整流发电，此时二极管整流电路中的二级管为igbt驱动电路提供续流；二极管整流发电，此时igbt驱动电路全桥关断，二极管整流电路独立整流发电。将发电机当前转速与额定发电转速进行比较，根据比较结果调整发电控制策略。发电机转速＞额定发电转速70％时，为高转速发电工况，调整为二极管整流发电控制策略，降低损耗，提高发电效率；发电机转速≤额定发电转速70％时,为低转速发电工况，调整为igbt主动整流发电控制策略，提高低转速工况发电功率。
39.在s4中，本实施例在额定连续发电的高转速发电工况下，只需要使用二极管独立滤波整流输出直流电13，无需大功率高频igbt进行整流，控制器成本低、转换效率高，而且由于二极管无失效模式，使得本实施例的可靠性大大提高。在内燃机直流发电系统产品领域本实施例具有广阔的应用前景，尤其在增程式商用车领域应用优势大，具有重要意义。
40.具体的，igbt主动整流发电时，mcu20控制励磁控制电路17，使励磁电流保持恒定；通过mcu20动态调节igbt驱动电路中的脉宽调制pwm信号占空比和开关的换相角度，可动态调控直流发电的电流大小或功率大小。二极管整流发电时，通过mcu20控制励磁控制电路17以动态调节直流励磁电流大小，可动态调控直流发电的电流大小或功率大小。
41.s3中励磁电流达到最大允许电流后，采用如下步骤提供反拖扭矩：
42.s31、计算α电角控制进入转速，将发电机的当前转速与α电角控制进入转速进行比较。发电机的当前转速＜α电角控制进入转速，进入s32；发电机的当前转速≥α电角控制进入转速，进入s33；
43.s32、根据转子18的位置信息，控制三个全桥下管分别导通，三个全桥上管分别pwm斩波控制。具体如下：
44.s321、判断当前转子角度≤120
°
是否成立。成立，则第三igbt3进行pwm斩波控制，第四igbt4开通，igbt驱动电路中的其他igbt保持关断。不成立，则进行s322；
45.s322、判断当前转子角度≤240
°
是否成立。成立，则第二igbt2进行pwm斩波控制，第六igbt6开通，igbt驱动电路中的其他igbt保持关断。不成立，则第一igbt1进行pwm斩波控制，第五igbt5开通，igbt驱动电路中的其他igbt保持关断。
46.s33、三个全桥上管的导通角度前移α电角度后，根据转子18的位置信息，控制三个全桥下管分别导通，三个全桥上管分别pwm斩波控制。具体如下：
47.s331、判断当前转子角度≤120
°‑
α电角度是否成立。成立，则第三igbt3进行pwm斩波控制，第四igbt4开通，igbt驱动电路中的其他igbt保持关断。不成立，则进行s332；
48.s332、判断当前转子角度≤240
°‑
α电角度是否成立。成立，则第二igbt2进行pwm斩波控制，第六igbt6开通，igbt驱动电路中的其他igbt保持关断。不成立，则进行s333；
49.s333、判断当前转子角度≤360
°‑
α电角度是否成立。成立，则第一igbt1进行pwm斩波控制，第五igbt5开通，igbt驱动电路中的其他igbt保持关断。不成立，则第三igbt3进行pwm斩波控制，第四igbt4开通，igbt驱动电路中的其他igbt保持关断。
50.s4中igbt主动整流发电的控制步骤，具体如下：
51.s41、三个全桥上管(第一igbt1、第二igbt2、第三igbt3)全部关断，进入s42；
52.s42、判断当前转子角度≤120
°‑
α电角度是否成立。成立，则第六igbt6进行pwm斩
波控制；不成立，则进入s43；
53.s43、判断当前转子角度≤240
°‑
α电角度是否成立。成立，则第五igbt5进行pwm斩波控制；不成立，则进入s44；
54.s44、判断当前转子角度≤360
°‑
α电角度是否成立。成立，则第四igbt4进行pwm斩波控制；不成立，则第六igbt6进行pwm斩波控制。
55.在s3、s4中，第一igbt1、第二igbt2、第三igbt3、第四igbt4、第五igbt5、第六igbt6工作时，其对应的第一二极管7、第二二极管8、第三二极管9、第四二极管10、第五二极管11、第六二极管12分别作为第一igbt1、第二igbt2、第三igbt3、第四igbt4、第五igbt5、第六igbt6的续流二极管。
56.综上所述，本实施例通过igbt驱动电路与二极管整流电路的耦合，使双凸极直流励磁发电机为内燃机启动提供反拖扭矩并直流发电时，提高了发电机低转速发电工况的发电功率，同时确保了高转速发电工况下二极管整流发电的高效率，降低了内燃机启动的成本，在内燃机直流发电系统产品领域具有广阔的应用前景，尤其在增程式电动车领域应用优势大，具有重要意义。而且本实施例还提高了双凸极直流励磁发电机低转速发电工况的发电功率，以及高转速发电工况的发电效率。此外本实施例还具有集成度高，体积小，重量轻，整流损耗低无需单独水冷的优势。
57.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。