CN101479922B - 三相旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相旋转电机，其包括：围绕电机的旋转轴均匀分布的三个线圈(2)；能够生成表示电机关于所述轴的位置的周期信号的至少第一传感器(4)；以及控制电路(8)，其能够在第一模式下基于第一传感器发出的周期信号(U)控制与所述三个线圈(2)中的至少一个线圈链接的开关(K_UH)的导通，使得该开关(K_UH)的导通相位具有一半的该信号周期(U)量级的持续时间。该控制电路能够根据第二模式控制该开关(K_UH)，在该第二模式下，该开关(K_UH)的导通相位具有三分之一的该信号周期(U)量级的持续时间。

Description

三相旋转电机

技术领域

本发明涉及一种交流发电机起动器类型的可逆三相旋转电机。

背景技术

在用作起动器的这种类型的电机中，为了生成使得驱动电机一部分(一般为转子)的旋转磁场，通过一组开关连续地给该电机的外周部分上(一般为定子)均匀隔开的各个线圈供电，从而使其该部分被连续供电。

例如，在定子的线圈(或各相)呈delta结构的情况下，利用一组开关给线圈供电，从而使公用于两个线圈的每个节点要么是第一电压(例如，正)要么是第二电压(例如，零)。对开关的适当控制因此使得在电机的旋转阶段期间可以使流过每个线圈的电流反向，并且因此生成上述旋转磁场。

根据通常被称为“全波控制”的技术，为了生成旨在获得如此控制的开关控制信号，一个实际解决方案包括：围绕旋转电机放置均匀分布的传感器(由于是三相电机的情况，这里为三个传感器)、并且利用由这些传感器生成的信号来控制所述开关(对施加第一电压的开关直接利用该信号，而对于施加第二电压的开关利用该信号的反向信号)。

然而，根据该解决方案，从传感器发出的信号包括两个半波(一个为正，另一个为负)，每个半波在一半的该信号周期上(也就是说，从相位方面来讲，在180°上)展开，在每个时刻获得以下结构：位于delta结构的两个线圈之间的每个节点连接到一个电压源(这是因为，在每个时刻，与该节点相关联的开关之一闭合)，且三个节点之中的两个节点因此连接到同一电压源，因此将使这两个节点分开的线圈短路。

因此，旋转电机的等效阻抗仅等于线圈阻抗的一半，这在某些运行情况下可能造成问题。

这是例如对于以下旋转电机的情况：在热引擎加速阶段用于辅助该热引擎，并且为了在高速下提供高机械功率，定制该旋转电机的线圈尺寸使其具有较小的定子阻抗。可以证明：对于诸如例如以高电压起动热引擎的其它运行环境下的电子设备而言，与低阻抗有关的电流是破坏性的。

上述问题已经在具有delta线圈结构的定子的具体情况中出现了。然而应该注意：这些问题也存在于星形结构的情况下。

发明内容

本发明提出了交流发电机起动器类型的三相旋转电机，其包括：围绕电机的旋转轴均匀分布的三个绕组；能够发出表示电机关于所述轴的位置的周期信号的至少第一传感器；以及控制电路，其能够在第一模式下(被称为180°控制)基于第一传感器发出的周期信号控制与所述三个线圈中的至少一个线圈相关联的开关的导通，使得该开关的导通相位具有大约一半的该信号周期的持续时间。该开关形成三臂开关桥的一部分，每个臂对应于一相且包括至少两个开关。

依据本发明，控制电路能够根据第二模式(被称为120°控制)控制该开关，在第二模式下，该开关的导通相位具有大约三分之一的该信号周期的持续时间。

在电机线圈的delta结构的情况下，第一模式为允许低定子阻抗的模式，第二模式为允许增加的定子阻抗的模式。在电机线圈的星形结构的情况下，第二模式为允许低定子阻抗的模式，而第一模式为允许增加的定子阻抗的模式。

如下文中将清楚显现的，根据电机线圈的delta或星形结构，改变为合适控制模式允许增加旋转电机的阻抗，由此降低电流，在如上所述的某些情况下是有利的。

控制电路可以包括用于选择性地激活第一模式或第二模式的选择部件。因此，可以根据运行情况选择控制模式。

选择部件可以根据第一可能性、根据关于电机旋转速度的信息激活第一模式或第二模式，例如，当所述速度信息指示旋转速度低于第一阈值时。

这样，避免了在低旋转速度下出现的前述问题。

选择部件可以根据第二可能性(可能与第一可能性组合)、根据给电机供电的电池电压激活第一模式或第二模式，例如，当电池电压低于第二阈值时。这样，通过上述的电流降低来重新建立电池电压，所述电流降低限制在某些运行相位下遇到的电压下降。

实践上，控制电路包括在第二模式下生成用于开关的控制信号的部件，该控制信号至少在第一传感器发出的信号和第二传感器发出的信号的组合的基础上形成。

例如，所述生成控制信号的部件包括能够在第一传感器发出的信号和第二传感器发出的信号之间执行异或(exclusive OR)运算的第一逻辑电路。这样，利用相对容易实现的部件获得了120°模式下的控制。

为了获得开关的控制信号，所述生成控制信号的部件可以包括能够在第一传感器发出的信号和异或运算的结果之间执行逻辑与(AND)运算的第二逻辑电路。

所述生成控制信号的部件还可以包括将施加到第一逻辑电路的信号的相位超前30°的部件，其使得可以生成由居于出现在从第一传感器发出的信号中的180°脉冲中央的120°脉冲形成的控制信号。

附图说明

本发明的其它特点和优点将在参考附图给出的以下描述中显现出来，在附图中：

图1示出了根据本发明教导的旋转电机的示例实施例；

图2示出了图1中的信号生成电路的可能示例实施例；

图3示出了图2中的电路G1的可能示例实施例；

图4a到图4e是例示图3中涉及的各个信号的行为的时序图；

图5示出了图1中的信号生成电路的另一可能示例实施例的第一部分；

图6示出了图5中的电路的第二部分。

具体实施方式

参考图1到图6，现在基本上以具有delta线圈结构的三相旋转电机类型的形式来描述本发明。然而，对于本领域技术人员而言，显然本发明涉及两种传统类型的三相电机，即：delta电机和星形电机。

图1呈现了安装有根据本发明教导的三相旋转电机的全局电气图。

为了简化，仅在图1中示出了旋转电机的定子2；该旋转电机还包括下述的由该定子2形成的旋转磁场驱动的转子。

定子2由在旋转电机圆周上均匀布置的且因此每个相距120°的三个绕组(或线圈)形成。

各线圈以delta形式连接。该电路中的将两个绕组隔开的每个节点都连接到一对开关：第一开关K_UH，K_VH，K_WH，能够将相关节点连接到电池6的正电压V_BAT；第二开关K_UB，K_VB，K_WB，能够将相关节点连接到地。

由信号发生器8生成的控制信号控制各开关，在下文中详细描述该信号发生器8的功能。下文中，与开关K_XI相关联的控制信号被表示为C_XI(也就是说，例如C_UH是用于开关K_UH的控制信号)。

在旋转电机圆周上分布的位置传感器4提供与转子位置有关的、并且因此如下面详细描述的被信号发生器8用来构建开关的控制信号的信息U、V、W。

根据如下解释的设想的实施例，传感器可以是二态型的或线性的。

根据两个主运行模式，信号发生器能够将控制信号C_UH，C_UB，C_VH，C_VB，C_WH，C_WB传递到开关：

-一运行模式：从传感器发出的信号U、V、W被作为控制信号(而不进行反向)传输到各开关，其使得每个开关断开和闭合各半周期(180°控制)；

-一运行模式：从传感器发出的信号被处理，使得信号发生器8生成的控制信号使每个开关仅在三分之一周期期间导通(120°控制)。

在所有情况下，控制信号还使得与同一节点相关联的两个开关(诸如开关K_UH和K_UB)从不同时闭合。另一方面，应注意：在“120°控制”运行模式下，与同一节点相关联的两个开关在一定相位中同时断开。

根据系统的运行情况，例如根据现在描述的特征，在每个时刻选择运行模式(180°控制或120°控制)。

在此描述的实施例中，用于测量电机旋转速度的电路10(这里由接收位置信息U、V、W的微处理器实现)根据所测量的旋转速度N将控制信号C_N传输到信号发生器8。

信号发生器8根据从测量电路10接收的控制信号C_N在上述两种运行模式之间切换其运行模式。

根据适配于例如不仅用于起动热引擎而且还在更快旋转期间用于辅助的旋转电机的实施例，假设：当所测量的旋转速度比阈值N₀高时，测量电路10生成施行“180°控制”模式下的运行的控制信号C_N，而当所测量的旋转速度N比阈值N₀低时，该控制信号C_N施行“120°控制”模式下的机能。实践中，例如，采用N₀＝600rev/min(转/分)。

因此，优点如下：在辅助热引擎阶段中(高速旋转)，180°控制允许高转矩，而在低速旋转阶段中(诸如例如起动热引擎)，利用120°控制限制电流。这是因为：在120°控制期间，使定子2的一节点在每个时刻处都空闲(也就是说未连接)，从而定子的等效电阻等于线圈电阻的三分之二，与在引言中描述的180°控制的情况相比，这允许将电流最多降低近似30％。自然，电流降低取决于在电路中呈现的阻抗，并且具体地取决于电池的阻抗。

为了向信号发生器8发送控制信号C_V，在此描述的实施例中还提供有电池6的电压V_BAT的电平的检测器12，当电压V_BAT降到低于电压阈值时(例如，对于供应12V电压的电池而言，为10.5V)，该控制信号C_V使信号发生器8处于“120°控制”类型的运行模式。

如上所述，切换到120°控制模式允许降低电流，因此允许降低电池处的电压降。

检测器12测量的电压降一般是由不希望的现象引起的，为了获得足够快的运行模式切换(大约100μs)，优选地，检测器12将以硬件形式产生(而不是软件)。

图2示出了图1的信号发生器8的示例实施例。

在该示例中，信号发生器包括第一部分，其用于生成用于180°控制类型的运行模式的控制信号A_UH、A_UB、A_VH、A_VB、A_WH、A_WB。

从传感器直接发出的这些信号U、V、W作为用于连接到电池正电压V_BAT的开关K_UH、K_VH、K_WH的信号A_UH、A_VH、A_WH，而通过传感器信号U、V、W的简单反向形成的信号作为用于连接到地的其它部分的开关K_UB，K_VB，K_WB的控制信号A_UB，A_VB，A_WB。

在变型中，为了获得用于180°控制的控制信号，自然可以提供对传感器信号U、V、W的处理，例如，当传感器是线性类型时，为了将从传感器发出的信号转换成二态信号而进行阈值检测。

图2中示出的信号发生器还包括能够从同样的传感器信号U、V、W生成用于120°控制的控制信号B_UH、B_UB、B_VH、B_VB、B_WH、B_WB的部分。为此，使用电路G₁、G₂、G₃，下文中将给出其示例，并且其使得可以从来自至少两个传感器(例如U和V)的信号生成控制信号(例如B_UH)，该控制信号能够使得相关联的开关(这里K_UH)仅在三分之一周期期间(120°控制)导通，并且用于与同一节点相关联的开关(这里K_UB)的控制信号这里也具有等于三分之一周期的导通周期。

将上述所有控制信号(即，一方面，信号A_XI；以及另一方面，信号B_XI)传输到开关S的输入端，该开关S能够选择用于180°控制的对应信号A_XI或者用于120°控制的对应信号B_XI作为用于开关K_XI的控制信号C_XI。

如已经指出的，基于上述控制信号C_N和C_V作出由开关S执行的切换选择。例如，如果这些信号的每个信号的值1涉及120°控制，则通过逻辑或(OR)运算来组合这些信号C_N和C_V，以便当满足切换到120°控制模式的上述条件之一时就切换到120°控制模式。

现在将说明处理电路G₁、G₂、G₃的示例实施例。然而，仅说明电路G₁的结构，其余两个电路的结构由此可以容易导出。

图3示出了图2中的电路G₁的第一示例实施例。

在该示例中，电路G₁包括XOR电路，其接收从传感器接收的信号U和V作为输入，且生成这两个值之间的异或逻辑运算的结果作为输出。该结果表示为

XOR电路的输出首先被施加到AND门的输入端，该AND门还接收传感器信号U作为输入，并因此发出用于开关K_UH的120°控制的控制信号B_UH作为输出。

XOR电路发出的信号还被施加到另一AND门的输入端，该另一AND门还接收信号U作为其另一输入，因此该另一AND门使得可以形成用于开关K_UB的120°控制的控制信号B_UB。

图4a到图4e示出了在图3a的电路中出现的各个信号在一周期(在X轴上示出的相位Φ)期间的动作。

图4a和图4b分别示出了对应传感器发出的信号，由于传感器的布置，信号V相对于信号U具有120°的相位超前。

图4c示出了利用XOR电路形成的信号

由于使用异或逻辑，信号

的非零部分对应于仅当信号U和V之一不为零的时间，这使得可以(从都由具有180°宽度的脉冲形成的信号U和V中)生成具有120°宽度的脉冲。

图4d和4e分别示出了通过图3的电路获得的控制信号B_UH和B_UB：在图4c中可看到的信号

的脉冲交替地存在于控制信号B_UH和B_UB之一中，其中该控制信号B_UH和B_UB是通过信号

分别与信号U和信号U进行AND操作而得到的。

现在将参考图5和图6来描述图1中的信号发生器8的第二实施例。

在该示例实施例中，形成与从对应传感器接收的180°信号同相的控制信号以用于120°控制运行模式。

这里描述的示例使用线性传感器(有时被称为“伪正弦pseudo-sine”)。

下文中，详细描述能够生成用于开关K_UH和K_UB的控制信号C_UH和C_UB的生成电路部分，而用于形成其它控制电路的其它部分则通过类似于此的方式而由此导出。

如在图5中可看到的，通过电阻器R1将从传感器发出的信号U应用于比较器AO1的正输入端。以传统方式由电压V₁(这里V₁＝15V)给运算放大器供电。

比较器AO1在其负输入端通过电阻器(这里也是值R₁)接收信号W。

还应注意：在比较器AO1的每个输入端，还通过电阻器R2施加三个传感器信号U、V、W的组合，该组合是使每个传感器信号通过电阻器R3施加到共同节点而获得的。实践中，R2＝120kΩ，R3＝8.2kΩ。应用所述三个信号的组合使得总可以以正信号工作。

比较器AO1的输出端通过电阻器R4(这里R4＝4.7kΩ)连接到电压源V₀(这里V₀＝5V)。因此，利用从比较器AO1使用的信号U中减去信号W，并且利用由于所使用的传感器而产生的信号的线性，在放大器的输出端获得相对于信号U相位超前30°的周期信号U₊₃₀。

如在图5中可看到的，为了在输出端获得相对于信号V相位超前30°的周期信号V₊₃₀，以相同方式，分别将信号V和U施加到比较器AO2的正输入端和负输入端。

同样，为了获得相对于信号W相位超前30°的周期信号W₊₃₀作为输出，以相同方式，分别将信号W和V施加到比较器AO3的正输入端和负输入端。然而，该信号W₊₃₀不用于这里描述的控制信号C_UH和C_UB，这在下文中不再提及。实践中，根据与现在描述的技术相似的技术，其自然地用于其它控制信号的构建。

为了获得被表示为

的信号，分别将相位超前30°的信号U₊₃₀和V₊₃₀施加到执行异或运算的逻辑电路的两个输入端。

根据这里描述的实施例，使用信号

来形成如在图6中图示的且在下面描述的控制信号C_UH和C_UB。

根据可以设想的一变型，该信号

可被用来替代图3实施例中的信号

这样，将获得与图4d和图4e中图示的脉冲相同类型的、但由于30°相位超前而居于图4a中的脉冲(180°长度)中央的脉冲。在该情况下，应用逻辑组合

返回第二实施例，现在描述的第二实施例的部分图示在图6中，将观察到对信号

连续应用以下处理：

-利用反向电路I的反向；

-由高频脉冲组成的信号MLI的可能相加，根据从信号MLI-ON接收的、例如由微处理器10根据运行情况而发出的命令来使得进行或不进行该加法。应注意到：信号MLI的相加可以有利地使得可以降低关键阶段(criticalphases)的平均电流。

这样，获得能够如下所述地在120°控制运行模式阶段调制信号U的信号MODUL。

这是因为：为此目的，由指示控制模式(180°模式或120°模式)的信号MODE控制的晶体管T能够向两个多路器M1、M2(例如74HC153类型的)的控制输入端传送(晶体管截止)或不传送(晶体管导通，这使得信号MODUL接地)信号MODUL。该信号MODE例如是如在第一实施例中所指示的通过利用信号C_N和C_V的OR运算的逻辑组合而获得的。

可以注意到：晶体管T因此参与两种运行模式之间的切换(在第一实施例中由开关S执行的功能)。

多路器M1在其第一输入端也被提供有传感器信号U，而其第二输入端接地。

因此，当信号MODE指示180°控制模式时，控制信号一直为零，使得多路器M1发出与在其第一输入端接收的信号U相同的信号C_UH作为输出。

另一方面，当信号MODE指示120°控制模式时，该控制信号为之前构造的信号MODUL(主要通过将反向)，从而当信号MODUL为高时(也就是说，主要指当信号

为低时)将多路器M1的输出C_UH强制为零(M1的第二输入端的值)，而在其余时间多路器M1的输出C_UH跟随信号U。

这样，获得控制开关K_UH的导通的信号C_UH，其相位分布在120°上，且相对于信号U的长周期(high periods)居中。

同样，如图6所示地通过将信号U施加到多路器M2的第一输入端并将其第二输入端置于高电势V₀、并且利用反相器电路I’将其输出反向来获得信号C_UB。

Claims (8)

1.一种交流发电机起动器类型的三相旋转电机，其包括：围绕电机的旋转轴均匀分布的三个线圈；能够发出表示电机关于所述轴的位置的周期信号的至少第一传感器；以及控制电路，其能够在第一模式下基于第一传感器发出的周期信号控制与所述三个线圈中的至少一个线圈相关联的开关的导通，使得该开关的导通相位具有大约一半的该信号周期的持续时间，所述开关形成具有三个臂的开关桥的一部分，每个所述臂对应于一相且包括至少两个开关，

其特征在于：该控制电路能够根据第二模式控制该开关，在该第二模式下，该开关的导通相位具有大约三分之一的该信号周期的持续时间；

其中，该控制电路包括选择性地激活第一模式或第二模式的选择部件，该选择部件能够根据关于电机旋转速度的信息激活第一模式或第二模式。

2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：当所述速度信息指示旋转速度低于第一阈值时，该选择部件能够激活第二模式。

3.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：该选择部件能够根据给电机供电的电池电压激活第一模式或第二模式。

4.如权利要求3所述的旋转电机，其特征在于：当该电池电压低于第二阈值时，该选择部件能够激活第二模式。

5.如权利要求1至4之一所述的旋转电机，其特征在于：该控制电路包括在第二模式下生成用于开关的控制信号的部件，该控制信号至少在第一传感器发出的信号和第二传感器发出的信号的组合的基础上形成。

6.如权利要求5所述的旋转电机，其特征在于：所述生成控制信号的部件包括能够在第一传感器发出的信号和第二传感器发出的信号之间执行异或运算的第一逻辑电路。

7.如权利要求6所述的旋转电机，其特征在于：所述生成控制信号的部件包括能够在第一传感器发出的信号和所述异或运算的结果之间执行与运算的第二逻辑电路。

8.如权利要求6所述的旋转电机，其特征在于：所述生成控制信号的部件包括将施加到所述第一逻辑电路的信号的相位超前30°的部件。

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