CN101385232B - 配备有改进的控制设备的多相旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机，其包括转子、定子(12)、具有受控开关的控制桥(10)、以及向所述控制桥(10)提供控制信号(C)的控制设备(20、30)，其中，所述控制设备(20、30)包括用于向所述控制桥的至少一个开关施加控制信号的部件，所述控制信号相对于表示所述转子相对于所述定子的位置的信号具有相位超前。根据本发明，所述施加部件包括对于转子的给定旋转速度依据多个值来调节相位超前(δ)的部件。

Description

配备有改进的控制设备的多相旋转电机

技术领域

本发明涉及一种配备有控制设备的用于机动车的多相旋转电机、以及一种交流发电机起动器，如在交流发电机起动器的情况下，该旋转电机能够逆向运行。

背景技术

旋转电机传统上包括转子和定子。在这些元件之一中流过直流电流，并且因此产生相对于该元件固定取向的恒定磁场。另一元件包括多个在角度上隔开的不同的绕组，在每个绕组中流过在相位上相对于其它绕组的电流相位有偏移的电流，从而建立旋转磁场。第一元件的固定取向磁场与第二元件的旋转磁场的共存使得这些元件相对于彼此旋转，也就是说，转子相对于定子旋转。

通常通过由功率开关(通常，二极管与功率晶体管相关联地)形成的桥，将各个电流注入多相元件的绕组中。

通常，由电子模块控制该功率桥，该电子模块确定所述开关的断开和闭合时间，并且因此控制流过绕组的各个电流的相位。

为了确定开关控制时间，该电子模块通常使用表示转子相对于定子的位置的信号，例如有规则地分布在旋转电机的圆周上的位置传感器，每个位置传感器发出处于转子的旋转频率的周期信号，并且这些周期信号在相位上相对于彼此有偏移。

在旋转电机逆向运行的情况下，在电机以交流发电机模式工作期间，功率桥实现桥式整流器的作用。

在此背景下，文献FR2823030提出允许旋转电机工作为根据两种不同的特性模式的电动机，即所谓的“起动器”模式和所谓的“辅助电动机”模式，其中，“起动器”模式用于驱动机动车的热引擎(thermal engine)，“辅助电动机”模式用于驱动要求较低值转矩(torque)的电器。

为了允许根据这两种模式工作，文献FR2823030提出具体地利用从位置传感器发出的信号的置换(permutation)和反向(reversal)，来即时地偏移功率桥的控制信号。

然而，根据该解决方案，由模拟电路的组件根据速度来双向唯一性地确定相位偏移。因此，偏移-速度关系是固定的，并且因此不能具体地用于可能遇到的各种情况(起动、动态辅助等)。另外，由于根据所使用的电路元件确定该关系，所以该关系的选择欠缺灵活性。该设计还涉及使用具有针对希望制造的每种电机所固有的特性的模拟电路，其在产业级上使电机制造变得复杂。

发明内容

为了避免这些问题，并因此具体地在使用从传感器发出的信号的相位偏移方面允许更大的灵活性，本发明提出了一种配备有改进的控制设备的多相旋转电机。

用于机动车的该多相旋转电机包括转子、定子、具有受控开关的控制桥以及向该控制桥提供控制信号的控制设备，该控制设备包括用于向该控制桥的至少一个开关施加控制信号的部件，该控制信号相对于表示转子相对于定子的位置的信号具有相位超前。

根据本发明，所述用于施加控制信号的部件包括对于转子的给定旋转速度、依据多个值来调节相位超前的部件。

根据非限制性实施例，根据本发明的设备可以包括以下特性的一项或多项：

用于调节相位超前的部件例如，对于转子的给定旋转速度，能够在一定范围的值上调节相位超前。

为了允许电机具体地有效工作，可以如下定义该范围的值：对于每分钟转数低于1200转/分的给定旋转速度ω，所述范围的值例如使用度数等于

的角度作为其上限，并且/或者例如使用度数等于

的角度作为其下限；对于高于1200转/分的旋转速度，所述范围的值例如使用角度100°作为其上限。

根据一个可能的实施方式，可以提供用于根据与要产生的转矩有关的信息来确定给定旋转速度处的相位超前的部件。因此，利用所选择的偏移调节了电机产生的转矩。

还可以规定：确定给定旋转速度处的相位超前，使得电机效率最大，这在某些应用中是有利的。

根据另一可能的原创的实施方式，相位超前使得控制桥引起所述电机沿相反方向旋转。因此，利用相位偏移可以控制电机的旋转方向。

在此情况下，例如对于高于1200转/分的旋转速度，可以规定相位超前介于200°和270°之间；以及/或者对于每分钟转数低于1200转/分的给定旋转速度ω，可以规定相位超前在度数上低于

与270°和/或高于

这些相位偏移值具体很好地对应于沿相反方向的旋转。

本发明还提出配备有如上简要所述的多相旋转电机的交流发电机起动器。

附图说明

按照以下参照附图给出的描述，本发明的其它特点和优点将显现出来，在附图中：

图1示出包括相位超前单元的多相旋转电机的电路的元件；

图2示出包括混合电路的图1的相位超前单元的实施例；

图3和图4示出图2的混合电路的可能实施例；

图5示出混合电路的变型实施例；

图6和图7示出根据旋转电机的旋转速度ω对于相移值δ的可能选择的示例。

具体实施方式

图1示出了多相旋转电机(例如可逆的交流发电机起动器类型)的电路的主要元件。

此类电机包括功率桥10，该功率桥从在供电电池的两个端子B⁺、B^-之间产生的电压向三相定子12的三相供电。

功率桥10由开关(未示出)构成，开关由控制信号C控制，从而使得流过定子的各个绕组的信号在相位上彼此偏移120°。

控制信号C由电子控制模块基于从三个线性传感器14、16、18发出的信号U、V、W而产生，所述三个线性传感器14、16、18均匀地分布在旋转电机的圆周上。

准确地，从传感器发出的信号U、V、W由被称为相位超前单元30的控制设备处理，该相位超前单元30传递对应于传感器信号U、V、W且相对于传感器信号U、V、W相位超前δ的三个信号U’、V’、W’。

由相位超前单元30产生的信号U’、V’、W’被控制电路20用来形成功率桥10的控制信号C。

上述相位超前δ依赖于例如利用传感器信号U、V、W所测量的电机速度。在此情况下，可以如下所述地在相位超前单元30中实时确定相位超前δ。

在一变型中，可以规定控制电路20产生与相位超前值δ有关的信号，如由图1中的虚线所示的。为此，控制电路包括例如微控制器(包括微处理器)，其基于信号U’、V’、W’确定电机的旋转速度，并且由此推导出要使用的相位偏移δ，还可能是诸如运行相位的其它条件的函数。将与给定运行速度和条件相关联的偏移值δ例如以查找表的形式存储在微控制器中。

当电机工作在交流发电机模式时，功率桥10实现桥式整流器的作用，其将电机(具体地定子12)的能量传送到电池(端子B⁺、B^-)。

图2示出了可被设计用于相位超前单元30的实施例。

在此实施例中，将从传感器14、16、18发出的每个信号U、V、W分别施加到所谓的“混合”电路32、32’、32”的第一输入端，将在下文中给出其示例实施例。

每个混合电路32、32’、32”还在第二输入端接收从传感器发出的且相对于在其第一输入端接收的传感器信号U、V、W相位超前120°的信号V、W、U。

因此，每个混合电路32、32’、32”在其第一输入端接收传感器信号U、V、W之一，且在其第二输入端接收相对于在第一输入端接收的信号相位超前120°的传感器信号V、W、U。

每个混合电路32、32’、32”还接收由具有占空比α的脉冲形成的控制信号PWM_α。控制信号PWM_α如下所述地控制混合电路32、32’、32”的开关元件。

在图2所示的实施例中，将相同的控制信号PWM_α施加到全部的三个混合电路32、32’、32”。在一变型中，自然可以为每个混合电路提供专用的控制信号。

在所示的实施例中，在微处理器34的引脚上产生控制信号PWM_α，该微处理器34的部分35专用于产生该控制信号PWM_α(部分在这里意味着控制微处理器34的软件的一部分；在一变型中，可以设计以硬件逻辑实现相同功能)。

如可从图2看出的，微处理器34还通过第一滞环触发电路36接收从传感器14、16、18发出的信号U、V、W。如此接收的信号用于微处理器34的、专用于确定旋转电机的速度的部分33。

如此确定的旋转速度信息具体地被用于微处理器34中，以确定要由相位超前单元30实现的相位超前，根据该相位超前来确定要施加到混合电路32、32’、32”的信号PWM_α的占空比α。

速度确定部分33确定的速度与占空比α之间的关系(直接地或者借助于相位偏移δ地)例如以查找表的形式存储在与微处理器34相关联的存储器中。

所期望的相位偏移δ(以及因此所使用的占空比α)自然可取决于除旋转电机的旋转速度之外的其它参数，例如，旋转电机的运行模式。在此情况下，可以提供如上所述的几个查找表，每个表用于旋转电机的一特定操作模式。

在下文中依据混合电路32、32’、32”的示例实施例可以看出：取决于控制信号PWM_α是高电平还是低电平，混合电路32、32’、32”形成它们作为输入接收的信号的两种不同类型的组合。(这里，如果可用组合意味着其中两个信号之一具有零权重的组合，则也就是说仅传输另一信号)

在每个混合电路32、32’、32”的输出端交替发出两种类型的组合(信号K_u、K_v、K_w)，并且将两种类型的组合交替发送到低通滤波器，该低通滤波器的截止频率低于控制信号PWM_α的频率(也就是说，低于两种类型的组合的交替频率)，从而任何时刻的经过滤波的信号形成被每种类型的组合的持续时间加权的两种类型的组合的平均，其自然取决于控制信号PWM_α的占空比α。

然而，每个低通滤波器38、38’、38”的截止频率高于信号U、V、W的频率，从而允许该信息分量通过。依据旋转电机的常规旋转速度以及由此产生的传感器信号的频率(典型地介于0和600Hz之间)，例如使用10kHz的截止频率，这使得对于控制信号还可以使用例如130kHz的频率。

因此，由每个低通滤波器38、38’、38”发出的经过滤波的信号F_u、F_v、F_w是在对应混合电路32、32’、32”的输入端接收的传感器信号的组合，其中，在对应混合电路32、32’、32”的输入端接收的每个信号的影响取决于控制信号PWM_α的占空比α。这样，获得了其相位介于输入信号的相位之间并且可由控制信号PWM_α的占空比α的修改而调节的信号。

分别将经过滤波的信号F_u、F_v、F_w施加到第二对应滞环触发电路40、40’、40”的第一输入端，滞环触发电路40、40’、40”每一个在第二输入端接收由平均电路42以及由与前述低通滤波器38、38’、38”类型相同的低通滤波器43确定的传感器信号U、V、W的平均。通过使用滞环触发电路40、40’、40”，在混合电路32、32’、32”中产生的电压偏移被免除。

这样因此在滞环触发电路40、40’、40”的输出端获得具有相位超前的、分别对应于输入传感器信号U、V、W的信号U’、V’、W’，其中该相位超前依赖于控制信号PWM_α的占空比α。

图3示出可被设计来用于上述混合电路32、32’、32”的每一个的第一示例。该示例被表达为混合电路32的实施方式(其接收信号U以及相对于信号U相位超前120°的信号V作为输入)，但通过分别将信号V和W以及信号W和U用作输入，其同样应用于混合电路32’、32”。

在该示例实施例中，第一信号(这里，信号U)通过电阻器R1被施加到形成输出K_u的节点，而第二信号(这里，信号V)通过电阻器R2和开关K_o的串联连接被施加到该相同节点，其中开关K_o依据来自控制信号PWM_α的命令进行开关。

因此，获得信号K_u作为输出(也就是说在前述节点处)，在驱动开关K_o断开的控制信号PWM_α的相位期间，该信号K_u仅依赖于传感器信号U，而在使得开关K_o闭合的控制信号PWM_α的相位期间，该输出信号K_u依赖于信号U和V(还根据电阻器R1和R2加权的信号U和V)。该解决方案因此使得在低通滤波之后可以获得经过滤波的信号F_u。

因此可以清楚地看出：对于在0和1之间变化的占空比α的值，通过为R1和R2选择适当的值(R1相对于R2越大，对于α＝1而言，F_u的相位超前就越接近120°)，来获得其相位在信号U自身的相位(当α＝0时)和接近于信号V的相位(其自身相对于信号U相位超前120°)的相位(当α＝1时)之间变化的输出信号F_u。

图4示出了用于图2的混合电路32、32’、32”的第二示例实施例。

如之前的，所述示例应用于混合电路32，但也可同样应用于混合电路32’、32”。

在该第二示例中，通过电阻器R1和开关K₁的串联连接将传感器信号U传输到形成输出端的节点，而通过电阻器R2和开关K₀的串联连接将传感器信号V传输到形成输出端的节点。

开关K₀根据控制信号PWM_α进行开关，而开关K₁通过反相器接收相同控制信号PWM_α，从而开关K₁与开关K₀相反地进行开关。

在控制信号PWM_α使得开关K₀断开的相位情况下，该控制信号PWM_α使得开关K₁闭合，从而(在形成输出的节点处的)输出信号K_u仅取决于传感器信号U。

相反，当控制信号PWM_α使得开关K₀闭合时，其也使得开关K₁断开，从而输出信号K_u仅取决于传感器信号V。

该解决方案使得可以在低通滤波之后获得经过滤波的信号F_u。

如之前的，通过在0和1之间改变占空比α，获得信号F_u相对于信号U的、在0°(对于α＝0)和此时精确地120°(α＝1)之间可变的相位超前。

图5示出了混合电路的变型实施例，根据该变型实施例，混合电路接收三个传感器信号U、V、W作为输入。

通过电阻器R1将传感器信号U传输到形成输出端的节点。

通过电阻器R2和受第一控制信号PWM_α1控制的第一开关K₂的串联连接将传感器信号V(相对于信号U相位超前120°)传输到形成输出端的节点。

通过相同类型(即电阻器R3和受控制信号PWM_α2控制的第二开关K₃)的串联连接将该部分的传感器信号W传输到形成输出的节点。

因此，如之前所述的在低通滤波之后获得信号F_u。

因此，(通过选择电阻器R1、R2、R3的电阻值，使得当开关K₃闭合时在输出节点K’_u上可忽略信号U)输出端处的信号的相位超前可以在0°和稍小于240°的值之间变化。

图6表示在本发明的示例实施例中的电机偏移δ和电机旋转速度ω之间可能存在的关系。

在该示例中，低速下的机能(这里，对于低于1200转/分的旋转速度ω)区别于较高速度下的机能(这里，对于高于1200转/分的ω)。

在每种情况下，前述的技术方案使得对于旋转电机的旋转速度的给定值ω例如根据预期使用可以设计多种可能的相位偏移δ。

然而，为了获得整体的合适的机能，将所使用的相位偏移值δ局限于如图6中所示的范围。

因此，对于低于1200转/分的速度ω，设定由微处理器34发出的相位值δ保持在由直线 $\mathrm{\δ}=\frac{3}{80}(\mathrm{\ω}-400)$ 和 $\mathrm{\δ}=60+\frac{\mathrm{\ω}}{30}$ 界定的可接受区A中。

因此相位偏移值δ不会到达禁止区I1和I2，禁止区I1和I2分别对应于低于许可值和高于许可值的相位偏移值δ。

同样，对于较高速度(高于1200转/分的ω)，微处理器34传递小于100°的相位偏移值δ。

在可接受范围内(即，之前为低于1200转/分的旋转速度值ω定义的范围A、以及用于高于1200转/分的速度的由低于100°的值形成的范围)，在每个具体使用情况下，可以根据旋转速度ω来确定相位偏移值δ，例如已经提到的利用在与微处理器34相关联的存储器中存储的查找表。

例如，当寻求旋转电机产生最大转矩时，用于该使用的查找表存储由图6中的曲线C_max给定的旋转速度ω与相位偏移δ之间的匹配。

还可以使用旋转电机来将转矩调节到某个值。具体地，当如在交流发电机起动器的情况中该电机与热引擎相关联时，可以根据所寻求的转矩来确定相位偏移值δ，如在图6中所示的，其中每个曲线C₀、C₁、C₂给出使得可以获得该转矩值的旋转速度ω与相位偏移δ之间的关系。

在可以如此设置的转矩值中，具体地可以寻求实现效率最优的转矩，在该情况下，由图6中的曲线C_r给出旋转速度ω与相位偏移δ之间的关系。

作为旋转速度ω的函数以灵活方式确定相位偏移δ的可能性还使得可以设计这样的值，该值引起旋转电机沿与传统设计的方向相反的旋转方向旋转。

如图7中可见的，可以规定使相位偏移δ在值A的可接受范围中变化，该值A的可接受范围，在其较下部分中，由用于介于0和1200转/分之间的ω的方程 $\mathrm{\δ}=90+\frac{11}{120}\mathrm{\ω}$ 的直线和用于高于1200转/分的ω的方程δ＝200°的直线界定，并且在其较上部分中，由用于介于0和800转/分之间的ω的方程 $\mathrm{\δ}=230+\frac{\mathrm{\ω}}{20}$ 的直线和用于高于800转/分之间的ω的方程δ＝270°的直线界定。

图7还示出了给出在寻求使转矩最大化时旋转速度ω和相位偏移δ之间的关系的曲线C_max。如之前的，对于其它使用，可以将其它相位偏移值δ与速度ω相关联，而保持在之前定义的可接受值的范围A中。

上面示例仅表示本发明的可能实施例，但本发明不限于这些可能实施例。

Claims (12)

1.一种机动车的多相旋转电机，其包括转子和定子(12)、具有受控开关的控制桥(10)、以及向所述控制桥(10)提供控制信号(C)的控制设备(20、30)，所述控制设备(20、30)包括用于向所述控制桥(10)的至少一个所述开关施加所述控制信号(C)的部件(30)，所述控制信号(C)相对于表示所述转子相对于所述定子的位置的信号具有相位超前(δ)，其特征在于：

所述用于开关施加所述控制信号(C)的部件(30)包括对于转子的给定旋转速度(ω)依据多个值来调节相位超前(δ)的部件(32、38、34)以及

用于调节的部件(32、32’、32”；38、34)包括混合电路(32、32’、32”)和滤波电路(38)，所述混合电路(32、32’、32”)具有接收所述控制信号(C)的第一输入端、接收相对于在第一输入端接收的控制信号(C)相位超前120°的控制信号(C)的第二输入端、接收开关控制信号(PWM_α)的第三输入端，并传送所述滤波电路(38)滤波的输出信号以获得具有所述相位超前(δ)的控制信号(C)，所述开关控制信号(PWM_α)控制所述混合电路(32、32’、32”)的开关元件(K₀)，并且通过选择所述开关控制信号(PWM_α)的占空比(α)来调节所述相位超前(δ)。

2.如权利要求1所述的电机，其特征在于：对于转子的给定旋转速度，调节相位超前(δ)的部件能够在一定范围的值(A)上调节相位超前。

3.如权利要求2所述的电机，其特征在于：对于每分钟转数低于1200转/分的给定旋转速度ω，所述范围的值(A)使用度数等于

的角度作为其上限。

4.如权利要求2或3所述的电机，其特征在于：对于每分钟转数低于1200转/分的给定旋转速度ω，所述范围的值(A)使用度数等于

的角度作为其下限。

5.如权利要求2所述的电机，其特征在于：对于高于1200转/分的旋转速度，所述范围的值使用角度100°作为其上限。

6.如权利要求1所述的电机，其特征在于如下部件，该部件用于根据与要产生的转矩(C_max、C₀、C₁、C₂、C_r)有关的信息来确定给定旋转速度(ω)处的相位超前(δ)。

7.如权利要求1所述的电机，其特征在于如下部件，该部件用于确定给定旋转速度(ω)处的相位超前(δ)，从而使得电机效率最大。

8.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于：相位超前(δ)使得控制桥(10)引起所述电机沿相反方向旋转。

9.如权利要求8所述的电机，其特征在于：对于高于1200转/分的旋转速度，相位超前(δ)介于200°和270°之间。

10.如权利要求8或9所述的电机，其特征在于：对于每分钟转数低于1200转/分的给定旋转速度ω，相位超前(δ)低于

和270°。

11.如权利要求8至10之一所述的电机，其特征在于：对于每分钟转数低于1200转/分的给定旋转速度ω，相位超前(δ)的角度大于

12.一种机动车的交流发电机起动器，其特征在于：其配备有如之前权利要求之一所述的电机。

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