CN100566125C

CN100566125C - 车辆发电电动机控制装置

Info

Publication number: CN100566125C
Application number: CNB2007100038901A
Authority: CN
Inventors: 藤田畅彦; 浅尾淑人
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2027-01-11
Also published as: JP4256392B2; CN101001066A; FR2896106A1; FR2896106B1; JP2007189808A; DE102007001678A1; US7723933B2; US20070182349A1

Abstract

一种车辆发电电动机控制装置，其中车用绕组励磁型凸极发电电动机(1)(图1中)的导电受DC-AC转换器(2)的控制，其特征在于通过在相对于定子位置移动了一预定角度的定子(1A)的各相位的导电起始角度δ处的矩形波电压使车辆绕组励磁型凸极发电电动机(1)的定子(1A)导电，并且各相位的传导起始角度δ依据DC-AC转换器(2)的输入电压和发电电动机(2)的旋转速度连续地变化。

Description

车辆发电电动机控制装置

技术领域

本发明涉及其中电流通过DC-AC转换器被输入车辆发电电动机并从中输出的车辆发电电动机控制装置。

背景技术

例如，JP-T-2004-519184(图2和图3，以及其中的解释)采用了一种用于控制可逆多相旋转电气设备的方法。该方法的特征在于当将同时用作发电机和电动机两者的发电电动机发动作为电动机来开动的情况下，根据对应于不同速度/转矩特性曲线的两种模式来驱动该电气设备，这两种模式即被称为“起动机模式”且其中汽车的热发动机可以被驱动从而以低速并用大转矩起动汽车的第一模式，以及被称为“辅助电动机模式”且其中能够以比第一模式更高的速度并用更小的转矩仅起动电气设备、至少一个功耗单元或该热发动机的第二模式。此外，通常在执行PWM正弦波控制的情况下，通过矢量控制使得相位与旋转速度相一致地连续变化。

采用现有技术的方法，电流在两种模式的转换处会变得不连续，而电压也相应地变得不连续。因此，转矩变得不连续，并且旋转速度无法变平滑。

由于不连续的电流，电磁噪声在两种模式转换处突然放大，因此导致不舒服的感觉。

在接近两种模式的转换处的区域中，转矩降低，并且无法达到最大转矩。因此，无法在最大程度上利用电动机的能力。

因为PWM控制是通过开/关电压执行的，所以形成了不使用任何电压的部分，从而电压利用因数较低。尤其是车用电池的电压通常为12V，而当电池利用因数较低时，转矩会大幅下降。

在转子具有非凸极的情况下，即使通过改变定子电流的相位也不会产生磁阻转矩，并且相位变化的效率更低。

发明内容

本发明鉴于上述情况而作出，并且目的是增强转矩。

根据本发明的车辆发电电动机控制装置是其中车用绕组励磁型凸极发电电动机的导电受DC-AC转换器控制的车辆发电电动机控制装置。在该控制装置中，在相对于转子位置移动一预定角度的定子的各相位的传导开始角度处由矩形波电压使车辆绕组励磁型凸极发电电动机的定子导电。此外，各相位的导电开始角度依据DC-AC转换器的输入电压和发电电动机的旋转速度基本连续地改变。于是，该控制装置具有增强转矩的优点。

本发明的前述和其他目的、特征、方面和优点将从随后参考了附图的详细描述中变得更为显而易见。

附图说明

图1是示出本发明的实施例1中的绕组励磁型凸极发电电动机和DC-AC转换器的排列的示例的电路图；

图2是示出本发明的实施例1中的转子位置和180°矩形波导电的电压波形的示例的示意图；

图3是示出本发明的实施例1中的转子位置和120°矩形波导电的电压波形的示例的示意图；

图4是示出本发明的实施例1中的对于DC-AC转换器的每个输入电压，导电起始相角(180°矩形波导电)的设定值与旋转速度之间的关系的示例的示意图；

图5是示出本发明的实施例1中的PWM正弦波导电和矩形波导电的波形的电压利用因数的示例的示意图；

图6是示出本发明的实施例1中的在导电起始角度被固定并连续改变的情况下180°导电起始角度的转矩特性的示例的示意图；

图7是示出本发明的实施例1中的U相导电起始角度和转矩之间的关系的示例的示意图；

图8是示出本发明的实施例1中的凸极机器和非凸极机器的转矩特性与电流相角之间的关系的示例的示意图；

图9是示出本发明的实施例2中的依赖发电电动机的定子线圈温度的U相导电起始角度的设定值变化的示例的示意图；

图10是示出本发明的实施例3中的励磁电流检测装置(使用分流电阻的电路)的示例的示意图；

图11是示出本发明的实施例4中的励磁电流弱化效应的示例的示意图；

图12是示出本发明的实施例5中的PWM正弦波驱动和矩形波驱动的转矩特性的比较的示例的示意图；

图13是示出本发明的实施例6中的在旋转速度近零时基于Hall IC开关的位置传感器波形和各相位的矩形波电压波形的示例的示意图；

图14是示出本发明的实施例6中的在旋转速度上升时基于Hall IC开关的位置传感器波形和各相位的矩形波电压波形的示例的示意图；

图15是示出本发明的实施例7中的绕组励磁型凸极发电电动机和DC-AC转换器的示例的电路图；

图16是示出本发明的实施例7中的用于确定励磁电流和相电流导电起始角度的方法的示例的示意图。

具体实施方式

实施例1

现将参考图1至图8描述本发明的实施例1。附带地，各附图中相同的标号和符号指示相同的部分。

图1示出了绕组励磁型凸极发电电动机1、向发电电动机1输入电流并从其输出电流的DC-AC转换器2、诸如电池等DC电源3和平滑电容器4的电路图。

绕组励磁型凸极发电电动机1包括带有Y型连接的绕组的定子(通常是电枢)1A、带有绕组的转子(通常是励磁磁铁)、以及转子位置传感器1RPS。

DC-AC转换器2包括算术单元21、三相门驱动器22、励磁门驱动器23、以及转子位置检测电路24。

算术单元21通过使用作为DC-AC转换器2的输入电压的P-N电压以及从转子位置检测电路24的信号中算出的发电电动机1的旋转速度来计算定子1A的每个相位的导电起始角度，并且该算术单元21把信号发送给三相门驱动器22。三相门驱动器22在三个相位内开/关上臂和下臂的开关元件(这里是MOSFET)，从而将电压加至UVW端子，并使得三相电流流动。

图2示出了180°矩形波导电内的转子位置(ωt)，以及DC-AC转换器相电压(定子1A的相电压)Vuo、Vvo和Vwo以及线电压Vuv、Vvw和Vwu的示例。在这里，符号δ表示U相导电起始角度，它是对定子位置的相对角度。

图3示出了120°矩形波导电内的转子位置(ωt)，以及DC-AC转换器相电压(定子1A的相电压)Vuo、Vvo和Vwo以及线电压Vuv、Vvw和Vwu的示例。在这里，符号δ表示U相导电起始角度，它是对定子位置的相对角度。

图4示出了对DC-AC转换器的每个输入电压，导电起始相角(180°矩形波导电)的设定值与旋转速度之间的关系的示例。在这里，符号δ表示U相导电起始角度(对定子位置的相对角度)。

图5示出了PWM正弦波导电和矩形波导电的波形以及电压利用因数。因为矩形波导电与PWM正弦波导电相比增强了电压利用因数，所以它能够增大电流并增强转矩。此外，当使用矩形波导电代替PWM时，用于降低开关模式内的电流时间常数的电源以及用于如PWM情况下所需地降低浪涌电压的大电容平滑电容器4能够用小电容的电容器来代替。在矩形波驱动的情况下，无需提升开关速度。于是就能通过降低开关速度来降低浪涌电压，并且使用小电容的电容器来满足降噪要求。因此，成本和尺寸都能有所下降。此外，由于矩形波导电代替了PWM开关，因此开关损耗有所降低。例如，假设在10kHz的载波频率上执行PWM，则在100μs内的开和关处实现两次开关操作，即50μs内有一次。另一方面，在矩形波驱动的旋转速度是1000转/分并且转子1F带有8个极对的情况下，矩形波电压的波形的一个周期是6500μs。在此情况下，在一个周期内的开和关处实现两次开关操作，即3250μs内有一次。与PWM相比，矩形波导电将开关次数降低到原来的1/65，并且能够显著降低开关损耗。因此能提高DC-AC转换器的效率并增强转矩。此外，因为损耗的降低，所以能够抑制开关元件的热产生，并提高其可靠性。

图6示出了在导电起始角度是两个移动了60°的固定角的情况下以及导电起始角度连续改变的情况下180°矩形波导电的转矩特性。当角度连续变化时，转矩就增强得更多，并且转矩特性也比角度固定的情况下更为平滑。

图7示出了U相导电起始角度和转矩之间的关系。当设置提供最大转矩的导电起始角度时，转矩变得最大，而当设置提供任何期望转矩(在此例中，为最大转矩的80％)的导电起始角度时，能获得期望的转矩。

图8示出了凸极机器和非凸极机器的转矩特性与电流相位角之间的关系。凸极机器在相位角更大时具有最大转矩值，而呈现出最大转矩的相位依据电流而有所不同。相反地，非凸极机器在零电流相位处具有峰值，并且该事实不依赖电流值而有所不同。因为在定子内生成的电枢反应电压随着旋转速度而变得更大，所以定子的电流值随着旋转速度变得更快而变得更小。因此在凸极机器中，转矩变为最大处的电流相位依据旋转速度而有所不同。因为可通过改变电压的导电起始角度来移动电流相位，所以能在被控制在最佳相位处时增加转矩。

实施例2

现将参考图9描述本发明的实施例2。图9示出了依据发电电动机的定子线圈温度的U相导电起始角度的设定值的变化。由此，能在每一温度下将转矩控制在最大转矩或目标转矩上。定子线圈的温度可以很好地由DC-AC转换器的温度取代。此外，在低温起动第一发动机的时候，发电电动机、DC-AC转换器和发动机的温度都基本相等，因此能根据发动机的水温或油温很好地设置导电起始角度。

实施例3

现将参考图10描述本发明的实施例3。在图10中，对与图1同等或等效的部分分配与图1一样的标号和符号。图10示出了使用分流电阻6作为励磁电流检测装置的电路。发电电动机的定子励磁绕组的电阻R_t1依温度变化，如以下公式(公式1)所示：

R_t1＝(235+t1)/(235+t0)·R_t0 (公式1)

其中t1：实际服务温度

t0：测量R_t0时的基准温度

R_t0：基准温度时的电阻。

此外，励磁电流I_f由电源电压V_PN、励磁开关元件5的开工作(“Duty”)、励磁绕组电阻R_t1的压降等确定，如下：

I_f＝(V_PN·Duty-V_drop)/R_t0 (公式2)

其中V_drop：电刷的压降。

第二实施例中的温度影响励磁电流。因此，当通过检测到的励磁电流而非温度来改变导电起始角度时，能在每一温度下将转矩控制到最大转矩或目标转矩。

实施例4

现将参考图11来描述本发明的实施例4。图11示出了励磁电流相对于旋转速度改变的转矩特性。从图11中可见，在较高速度旋转时，通过进一步降低励磁电流使得转矩变得更大。

实施例5

现将参考图12来描述本发明的实施例5。图12示出了PWM正弦波导电、120°矩形波导电和180°矩形波导电的转矩特性。从图12中可见，当与PWM正弦波导电的转矩相比时，120°矩形波导电的转矩较大，而180°矩形波导电的转矩更大。PWM正弦波导电、120°矩形波导电和180°矩形波导电的转矩特性是如图5所示U相导电起始角度连续改变的情况下的特性。

实施例6

现将参考图13和图14来描述本发明的实施例6。图13示出了权利要求13的示例。在旋转速度接近零处，各相位的矩形波电压定时由基于Hall IC开关的位置传感器的电压矩形波确定。在高速旋转处，如图14所示，通过从传感器输出的上升沿或下降沿评估周期来估计转子的位置，从而改变U相导电起始角度。

实施例7

现将参考图15和16来描述本发明的实施例7。图15示出了权利要求3的示例的电路图。算术单元通过作为励磁电流检测工具的分流电阻来感测励磁电流，它感测作为DC-AC转换器的输入电压的P-N端子电压，并且它还根据励磁栅极驱动器的开/关控制的开时间比率来检测工作的数据。励磁电阻R_f根据励磁电流I_f和电压V_f算出，而电压V_f则根据P-N端子电压V_PN和励磁开工作“Duty”的乘积算出，其中的公式如下：

R_{f} = \frac{V_{f}}{I_{f}} = \frac{V_{PN} \cdot Duty - V_{brush}}{I_{f}}

(公式3)

此外，励磁线圈的温度T_f由如下公式计算，其中励磁线圈在20℃时的电阻由R₂₀表示：

T_{f} = 255 \times \frac{R_{f}}{R_{20}} - 235

(公式4)

如图16所示，通过参考基于上述数据的映射确定相电流导电起始角度和励磁电流。此外，可以使用励磁电阻R_f来很好地代替励磁线圈的温度T_f。

以上阐述了在实施例1至实施例7中提及的要点，如下将阐述未在实施例1至实施例7中提及的要点。

1.一种其中车用绕组励磁型凸极发电电动机服从DC-AC转换器的导电控制的车辆发电电动机控制装置，包括用于在相对于转子位置移动了一预定角度的定子的各相位的那些导电起始角度处用矩形波电压激励车辆绕组励磁型凸极发电电动机的定子的装置，其中各相位的导电起始角度依据DC-AC转换器的输入电压和发电电动机的旋转速度基本连续地改变。此外，一种其中电流被输入到车用绕组励磁型凸极发电电动机并从中输出的DC-AC转换器，其中相电压由预定角宽度的矩形波电压导电控制，而定子各相位的导电起始角度被控制(确定)以相对于由转子位置检测装置测得的转子位置移动一预定角度，并且各相位的导电起始角度控制以便依据DC-AC转换器的输入电压和发电电动机的旋转速度基本连续地变化。于是带来如下优点：

(1)由于矩形波导电不同于PWM正弦波导电，因而就能最大限度地利用输入电压，并能增强转矩。

(2)导电起始相位相对于转子位置被移动一预定角度，并且参考旋转速度和输入电压连续改变，从而能够控制转矩以使其在每一输入电压和每一旋转速度下变为预定值。

(3)同样，能够控制导电起始角度从而使电动机效率最大化。

(4)因为未使用PWM开关，所以能够减小用来抑制输入线的浪涌电压的平滑电容器的电容，并且能够降低DC-AC转换器的大小和成本。

(5)因为未使用PWM开关，所以能够降低DC-AC转换器的开关损耗，并且能够提升其效率。

(6)由于凸极发电电动机，因此能通过相对于转子位置移动定子的各相位的导电起始角度来生成磁阻转距，并能增强该转矩。

2.如上述项目1所定义的车辆发电电动机控制装置，其中各相位的导电起始角度依赖检测到的温度而变化。如上述项目1所定义的车辆发电电动机控制装置，其中DC-AC转换器包括温度检测装置，并且各相位的导电起始角度依赖温度而变化。于是就可带来如下优点：

(1)因为最佳导电起始角度依赖温度变化，所以通过依据检测到的温度来改变导电起始相位就能增强转矩。

3.如上述项目1所定义的车辆发电电动机控制装置，其中各相位的导电起始角度依赖DC-AC转换器的输入电压、励磁电流、以及励磁断路器的工作而变化。此外，如上述项目1所定义的车辆发电电动机控制装置，其中DC-AC转换器包括励磁电流检测装置，并且各相位的导电起始角度依赖DC-AC转换器的输入电压、励磁电流、以及励磁断路器的工作而变化。于是就可带来如下优点：

(1)因为最佳导电起始角度依赖温度变化，而励磁电流依赖DC-AC转换器的输入电压、工作和温度变化，所以通过依赖这些量来改变导电起始相位就能增强转矩。

4.如上述项目1至3中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中励磁弱化通过依据DC-AC转换器的输入电压和发电电动机的旋转速度改变绕组励磁的电流来执行。

(1)励磁弱化由励磁电流执行，因而能抑制定子的反应电压并增加定子电流，从而能够增强转矩。

(2)此外，通过降低励磁电流可以减少励磁断路器损耗，从而比起基于定子电流的励磁弱化更能增加效率。

(3)进一步，因为定子电流和转子的励磁电流受到控制，所以通用性增加，且允许更高的运行效率。

5.如上述项目1至4中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中定子的各相位的相电压的导电宽度是180°。于是就带来如下优点：

(1)由于180°矩形波导电，所以能够最大程度地利用各电压，并且能够增强各转矩。

6.如上述项目1至4中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中定子的各相位的相电压的导电宽度是120°。于是就带来如下优点：

(1)在使用180°矩形波导电时电流过大的情况下，可通过120°矩形波导电来抑制电流，并且能够防止DC-AC转换器的温度升高以及功率元件的劣化。

7.如上述项目1至6中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中各相位的导电起始角度改变使得每个旋转数下被确定的转矩最大。如上述项目1至6中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中各相位的导电起始角度被控制，使得每个旋转数下的转矩最大。于是就带来如下优点：

(1)因为导电起始角度被控制使得转矩最大，所以就能在最大程度上利用电动机的能力，并可将电动机快速旋转至高速旋转。

8.如上述项目1至7中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中相电压的基波和相电流的基波被控制以使功率因数变为基本为1。如上述项目1至7中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中相电压的基波和相电流的基波被控制以使功率因数可变为大致为1。于是就带来如下优点：

(1)因为转矩在功率因数为1时变得基本上最大，所以就能利用这个为1的功率因数作为确定定子的矩形波电压相位的手段，因此通过相同的算法就能控制电压相位，而无需考虑DC-AC转换器的输入电压以及发电电动机的旋转速度。

(2)因为定子相电压的相位可由定子的电流相位确定，所以能够控制该定子相电压的相位而无需考虑发电电动机的绕组规格，并且能够妥善处理各发电电动机的规格和状态。

9.如上述项目1至7中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中在减小整个系统损耗的方向上执行控制。如上述项目1至7中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中执行控制从而能够最小化整个系统的损耗。于是就带来如下优点：

(1)在不要求转矩达到最大的情况下，考虑到电池温度等以及配线、DC-AC转换器、发电电动机等而最小化损耗，从而无浪费地消耗能量，并提高效率。

10.如上述项目1至9中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中转子位置由公知的解算装置来检测。如上述项目1至9中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中转子位置检测转子是公知的解算装置。于是就带来如下优点：

(1)解算装置能够以高精度检测位置，从而能够增强导电起始角度的分辨率，并能够精细地控制相位，从而增强特性。

(2)因为控制装置使用绕组和磁路并且结构简单，所以即使在高温下也可使用。该装置相当便宜并且牢固。

11.如上述项目1至9中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中转子位置由已知的编码器检测。如上述项目1至9中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中转子位置检测装置是编码器。于是就带来如下优点：

(1)编码器能够以比解算装置更高的精度的检测位置，从而能够增强导电起始角度的分辨率以增强转矩和效率。

12.如上述项目1至9中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中用于转子位置的检测装置从检测到的转子位置的矩形波形状的信号波形的周期中计算旋转速度，并且为从多个矩形波的组合中获取的转子位置信息项执行转子位置内插，从而使用分辨率增强的转子位置。如上述项目1至9中任一项目所定义的车辆发电电动机控制装置，其中转子位置检测装置从由诸如Hall IC开关等元件所检测到的转子位置的矩形波形状的信号波形的周期中计算旋转速度，并且为从多个矩形波的组合中获取的转子位置信息项执行转子位置内插，从而使用分辨率增强的转子位置。于是就带来如下优点：

(1)Hall开关比解算装置便宜。

(2)由于转子位置内插，因此就能提高转子位置精度，从而能够增强转矩和效率。

13.如上述项目12所定义的车辆发电电动机控制装置，其中在转子的旋转速度为零的情况下，定子电压服从与矩形波形状的信号波形的上升沿或下降沿同步的矩形波控制而无需执行转子位置的角内插，并且用于转子位置的检测装置被调整以使得在此场合下的转矩最大。如上述项目12所定义的车辆发电电动机控制装置，其中关于由诸如Hall IC开关等元件所检测到的转子位置的矩形波形状的信号波形，在转子的旋转速度为零的情况下，定子电压服从与矩形波形状的信号波形的上升沿或下降沿同步的矩形波控制而无需执行转子位置的角内插，并且该旋转检测工具被调整以使得在此场合下的转矩最大。于是就带来如下优点：

(1)在旋转速度为0时不可能进行转子位置的角内插，但是可能在没有角内插的情况下进行驱动。

(2)当旋转速度为0时，检测工具被设置成提供最大转矩而无需执行角内插，从而能够在最大程度上利用电动机的能力。

本发明的各种修改和变化对本领域普通技术人员将是显而易见的而不背离本发明范围和精神，并且应该理解，本发明的范围不限于在此阐述的说明性实施例。

Claims

1.一种车辆发电电动机控制装置，其中车用绕组励磁型凸极发电电动机的导电受DC-AC转换器的控制，包括通过相对于转子位置移动了一预定角度的定子的各相位的导电起始角度处的矩形波电压使所述车辆绕组励磁型凸极发电电动机的定子导电的装置，其中所述各相位的导电起始角度依据所述DC-AC转换器的输入电压和所述发电电动机的旋转速度连续地变化。

2.如权利要求1所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，所述各相位的导电起始角度依赖由DC-AC转换器所包括的温度检测器检测到的温度而变化。

3.如权利要求1所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，所述各相位的导电起始角度依赖所述DC-AC转换器的输入电压、励磁电流、以及励磁断路器的工作而变化。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，励磁弱化通过依据所述DC-AC转换器的输入电压和所述发电电动机的旋转速度而改变绕组励磁的电流来执行。

5.如权利要求1至3中的任一项所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，所述定子的各相位的相电压的导电宽度是180°。

6.如权利要求1至3中的任一项所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，所述定子的各相位的相电压的导电宽度是120°。

7.如权利要求1至3中的任一项所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，所述各相位的导电起始角度改变使得每个旋转速度下确定的转矩最大。

8.如权利要求1至3中的任一项所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，定子相电压的基波和定子相电流的基波被控制以使功率因数变为基本为1。

9.如权利要求1至3中的任一项所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，在减小整个系统损耗的方向上执行控制。

10.如权利要求1至3中的任一项所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，所述转子位置由解算装置检测。

11.如权利要求1至3中的任一项所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，所述转子位置由编码器检测。

12.如权利要求1至3中的任一项所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，用于所述转子位置的检测装置从检测到的转子位置的矩形波形状的信号波形的周期中计算所述旋转速度，并且为从多个矩形波的组合中获取的转子位置信息项执行所述转子位置的内插，从而使用分辨率增强的所述转子位置。

13.如权利要求12所述的车辆发电电动机控制装置，其特征在于，在转子的旋转速度为零的情况下，定子电压服从与所述矩形波形状的信号波形的上升沿或下降沿同步的矩形波控制而无需执行转子位置的角内插，并且用于所述转子位置的检测装置被调整以使得在此场合下的转矩最大。