CN103078590B - 用于马达－发电机的控制装置 - Google Patents

Abstract

一种用于马达－发电机的控制装置，包括：包括多相线圈的定子、转子、多相逆变器以及电源，该多相逆变器的每个臂包括开关元件和续流元件，该电源连接在该线圈的中性点与该逆变器的负极之间。当该开关元件被矩形波驱动时，在高侧开关元件关断的情况下，连接到高侧开关元件的低侧开关元件受PWM开关控制。当将高侧开关元件被关断的时间点定义为基点时，如果α定义为低侧开关元件的PWM开关控制开始的时间点，而β定义为PWM开关控制结束的时间点，则β－α为120度或更大的电角度，α大于0度，且β小于180度。

Description

用于马达－发电机的控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于马达－发电机的控制装置，该装置通过在作为发电机的电能产生模式与作为马达的机械能产生模式之间改变马达－发电机的操作模式来进行使用。

背景技术

作为一种用于无刷马达的简单的增速方法，例如，已知在JP-A-2008-306914中公开了一种使用电路的驱动方法。该示例需要正弦PWM控制的逆变器以广泛地获得稳定的旋转速度。因此，需要昂贵的磁极位置传感器。此外，因为全部元件需要进行开关，所以增大了开关损耗，因而降低了系统效率，该逆变器需要大的冷却单元，并且需要防止开关噪声。因此，尽管该驱动方法可以用于昂贵的装置，但是从成本的角度来看，该方法尤其不适合用于轻型汽车和摩托车的电子部件。

发明内容

实施例提供了一种用于马达－发电机的控制装置。在该装置中，提供了一种简化的磁极位置传感器。即使减少开关的次数，也能够获得良好的旋转速度特性。因此，还可以使冷却以及噪声防止简化。

作为本实施例的一方面，提供了一种用于马达－发电机的控制装置，该装置包括：定子，包括连接以形成星形的多相线圈；转子，与定子同轴并且以所述转子和所述定子之间的预定间隙径向地布置；多相逆变器，多相逆变器的每个臂包括开关元件和续流元件；以及直流电源，连接在多相线圈的中性点与多相逆变器的直流负电极之间。当逆变器的开关元件由矩形波图形信号驱动时，在高侧(highside)的开关元件处于关断状态的情况下，串联连接到高侧的开关元件的低侧(lowside)的开关元件受PWM开关控制。当将高侧的开关元件关断的时间点定义为基点时，如果α被定义为低侧的开关元件的PWM开关控制开始的时间点，且β被定义为PWM开关控制结束的时间点，则β－α为120度或者更大的电角度，α大于0度，且β小于180度。其中，当与高侧的开关元件对应的相的电角度小于α时并且在基点之后，利用矩形波进行低侧的开关元件的控制；当与高侧的开关元件对应的相的电角度在α和β之间时，利用PWM波进行低侧的开关元件的控制；以及当与高侧的开关元件对应的相的电角度大于β时并且在高侧的开关元件导通之前，利用矩形波进行低侧的开关元件的控制。

作为本实施例的另一方面，提供了一种用于马达－发电机的控制装置，包括：定子，包括连接以形成星形的多相线圈；转子，与定子同轴并且以转子和定子之间的预定间隙径向地布置；多相逆变器，多相逆变器的每个臂包括开关元件和续流元件；以及直流电源，连接在多相线圈的中性点与多相逆变器的直流正电极之间，其中当逆变器的开关单元被矩形波图形信号驱动时，在低侧的开关元件处于关断状态的情况下，与低侧的开关元件串联连接的高侧的开关元件受PWM开关控制，当将低侧的开关元件被关断的时间点定义为基点时，如果α被定义为高侧的开关元件的PWM开关控制开始的时间点，而β被定义为PWM开关控制结束的时间点，则β-α为120度或者更大的电角度，α大于0度，且β小于180度，当与高侧的开关元件对应的相的电角度小于α时并且在基点之后，利用矩形波进行低侧的开关元件的控制，当与高侧的开关元件对应的相的电角度在α和β之间时，利用PWM波进行低侧的开关元件的控制，以及当与高侧的开关元件对应的相的电角度大于β时并且在高侧的开关元件导通之前，利用矩形波进行低侧的开关元件的控制。

附图说明

在附图中：

图1是示出第一实施例的配置的图；

图2是根据第一实施例的开关元件的控制图形的图；

图3A至图3D是用于说明第一实施例的操作的图；

图4是示出第二实施例的配置的图；

图5是根据第二实施例的开关元件的控制图形的图；

图6是用于说明第一实施例和第二实施例的优点的图；

图7是示出第一实施例的修改的配置的图；

图8是示出第二实施例的修改的配置的图；

图9是示出另一实施例的图；

图10是用于说明各实施例的优点的图；

图11是用于说明各实施例的优点的图；

图12是示出各实施例所应用到的系统的配置的图。

具体实施方式

下文中将参照附图描述本发明的实施例。

(第一实施例)

图1示出第一实施例的配置。马达－发电机1包括定子11和转子12。转子12可以是永磁体式感应器、绕线－场式(wound-fieldtype)感应器或笼式感应器。转子12可以具有无线圈且无磁体的磁凸极式磁阻结构。

定子11设置有连接以形成星形的三相线圈。三相线圈的端部连接于中性点13处。三相线圈的另一端连接至逆变器2。

在逆变器2中，开关元件21和续流(freewheeling)元件22形成一个臂。相同的两个臂构成被串联连接。串联连接中的三个被并联布置。

如果开关元件21和续流元件22由MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和寄生于该MOSFET的寄生二极管来配置，则能够使用大量生产的通用器件。然而，开关元件21和续流元件22不局限于这种配置。在开关元件21由IGBT(绝缘栅双极晶体管)或双极晶体管来配置，并且续流二极管被用作续流元件22的情况下，仍能够获得同样的功能。

高侧的三个开关元件21连接至直流正电极端子23。低侧的三个开关元件21连接至直流负电极端子24。在逆变器2的正端子与负端子之间连接有电容器25。电容器25可以是电解质电容器、薄膜电容器或者双电层电容器。

开关元件21由控制器26来驱动，控制器26生成连续图形信号(patternsignal)27并且经由传输线(未示出)将信号27发送至开关元件21。

直流电源3的正电极连接至星形连接的中性点13。直流电源3的负电极连接至逆变器2的直流负电极端子24。任何类型的二次电池，诸如铅酸电池、锂离子电池以及镍氢电池，可以用作直流电源3。

接下来，将参照图2来说明元件的连续图形。

基本的连续图形为所谓的三相180度矩形波图形，其中，高侧和低侧每180度排他地重复导通(ON)和关断(OFF)。相位被控制为相对于彼此移位120度(电角度)。在这种情况下，低侧元件在高侧元件处于关断状态下的时段期间(即，由图2中的星号表示的180度的期间)受PWM开关控制。在高侧元件被关断的时间点被定义为基点的状态下，如果α被定义为低侧的开关开始的时间，而β被定义为低侧的开关结束的时间，则β－α被设定为120度(电角度)或更大。需要注意的是：保持α＞0度且β＜180度。例如，如果β为150度且α为30度，则β－α为120度。

接下来，将参照图3A至图3D说明进行开关的时段期间执行的操作。在图3A至图3D中，当开关处于导通状态时有效的元件示出为晶体管，而当开关处于关断状态时有效的元件示出为二极管。

如图3A所示，当V相的高侧处于关断状态，且V相的低侧处于导通状态时，直流电源经由V相线圈短路。因此，大电流流经线圈，由此在该线圈中储存磁能。如果低侧在下一瞬时被关断，所储存的磁能经由V相的高侧续流二极管被充电到电容器25中。由于这种操作，电容器25两端的电压增加至直流电压的大致两倍。在β－α时段期间继续这种操作以对电容器25充电。因而，如图6所示，电容器25两端的电压继续保持在电源电压的大约两倍。

同时，其它相的高侧晶体管被导通。因此，如图3C和图3D所示，电流从U相和W相提供并被能量转换为电扭矩。

执行整个操作，同时依据转子12的位置、按照V相→W相→U相的顺序以120度来改变相位。

上述控制能够实现电源电压增加功能和扭矩产生功能，这能够消除专用的升压转换器。另外，能够抑制由于停止高侧的开关引起的开关损耗所产生的效率降低和温度上升以及噪声电流增加。图11示出本实施例的开关损耗相对于传统控制的开关损耗被降低的事实。本实施例的开关损耗为传统控制的开关损耗的大约1/3。

另外，因为上述控制基于180度矩形波传导(信号)，因此无需精确地检测磁极位置。因此，能够应用简单的位置检测器或者已知的无传感器控制，从而进一步提高简化性。

要指出的是：基本的矩形波传导不局限于180度。传导时段能够在120度到180度的范围内任意地确定。

(第二实施例)

在第二实施例中，直流电源3的正电极连接至逆变器2的直流正电极端子23。直流电源3的负电极连接至星形连接的中性点13。

如图5中所示，根据控制图形，高侧开关在低侧开关处于关断状态时段期间受PWM控制。指定低侧开关的关断时间点作为起始点，α和β被定义为满足“β－α≥120度”、“α>0度”且“β＜180度”。

第二实施例的操作与图3A至图3D中示出的操作类似，其中，电容器25被经由低侧续流二极管充电。

如图10中所示，即使无需专用的逆变器，上面的实施例的控制能够将驱动旋转速度增加至不增加电压的传统控制的驱动旋转速度的大约两倍。

(变型)

可以理解，本发明不局限于上述配置，本领域普通技术人员可以做出的任意和所有的变型、变化或等同物应当视为落入本发明的范围内。

在图7中，在中性点13与逆变器2的直流正电极端子23之间连接有电容器25。根据该配置，电容器25两端的电压的变化宽度变得更小，这能够降低电容器25的电容量。在这种情况下，应用图2中所示的控制图形。

如图8中所示，即使当直流电源3和电容器25被互换，也能够获得上述的这些相同的优点。在这种情况下，应用如图5所示的控制图形。

另外，如图9中所示，PWM的占空比可以与旋转速度一起增加。如果操作被转换为电能产生模式，当旋转速度为预定的旋转速度或更高的旋转速度时，占空比变为100％，则能够降低在操作从机械能产生模式变换为电能产生模式时引起的冲击。应当指出：旋转速度为0时的占空比能够被任意设定。随着旋转速度的上升而增加的占空比的增加率也无需为常数，而是可以按照所需进行设定。

此外，如图12中所示，上述实施例的控制应用到的马达－发电机1可以安装在汽车或摩托车的内燃机4中。在这种情况下，当内燃机4被起动时可以应用升压电动驱动。因此，马达－发电机1的旋转速度能够被增加，同时用于起动内燃机4所花费的时间能够被显著地缩短。因而，能够消除驾驶者在怠速停止后重启内燃机4时的焦虑感。

下文中，将概括上述实施例的方面。

作为实施例的一个方面，提供了一种用于马达－发电机的控制装置，该装置包括：定子，包括连接以形成星形的多相线圈；转子，与定子同轴并且以所述转子和所述定子之间的预定间隙径向地布置；多相逆变器，多相逆变器的每个臂包括开关元件和续流元件；以及直流电源，连接在多相线圈的中性点与多相逆变器的直流负电极之间。当逆变器的开关元件由矩形波图形信号驱动时，在高侧的开关元件处于关断状态的同时，串联连接到高侧的开关元件的低侧的开关元件受PWM开关控制。当将高侧的开关元件被关断的时间点定义为基点时，如果α被定义为低侧的开关元件的开关开始的时间点，且β被定义为开关结束的时间点，则β－α为120度或者更大的电角度，α大于0度，且β小于180度。

作为该实施例的另一方面，提供了一种用于马达－发电机的控制装置，该装置包括：定子，包括连接以形成星形的多相线圈；转子，与定子同轴并且以所述转子和所述定子之间的预定间隙径向地布置；多相逆变器，多相逆变器的每个臂包括开关元件和续流元件；以及直流电源，连接在多相线圈的中性点与多相逆变器的直流正电极之间。当逆变器的开关单元被矩形波图形信号驱动时，在低侧的开关元件处于关断状态的同时，串联连接到低侧的开关元件的高侧的开关元件受PWM开关控制。当将低侧的开关元件被关断的时间点定义为基点时，如果α被定义为高侧的开关元件的开关开始的时间点，而β被定义为开关结束的时间点，则β-α为120度或者更大的电角度，α大于0度，且β小于180度。

根据该装置，能够降低该元件的开关的次数。因而，能够抑制由于开关损耗所造成的效率降低、温度升高以及噪声增加。

另外，因为无需诸如正弦脉冲宽度调制(PWM)控制的高级操作，因而能够使用低档的CPU。

在该装置中，在开关元件不受PWM开关控制侧的开关元件的导通期间为180度或更小的电角度。根据该装置，无需精确地检测磁极位置。因此，位置检测器能够被简化或者排除掉，这是更加经济的。

在该装置中，PWM开关控制的占空比随着马达－发电机的旋转速度的上升而增加。根据该装置，即使旋转速度被改变，仍能够提供极佳的升压功能。

在该装置中，该马达－发电机用在作为发电机的电能产生模式和作为马达的机械能产生模式中的任一模式下，并且在机械能产生模式下应用该PWM开关控制。根据该装置，能够在产生电能时消除不必要的损耗。另外，通过设定如图9中所示的占空比，能够降低由当操作从机械能产生模式变换为电能产生模式时所造成的冲击。

在该装置中，马达－发电机在机械能产生模式下起动内燃机，并且在内燃机被起动之后，马达－发电机在电能产生模式下被驱动。根据该装置，马达－发电机既能够用作内燃机的起动器也能够用作发电机，这是更加经济的。

在该装置中，在直流电源的未连接至逆变器的直流端子的端子与逆变器的直流端子中的未连接至直流电源的一个直流端子之间连接有电容器。根据该装置，该电容器两端的电压的波动幅度变得更小，这能够降低电容器的电容，并且这是更加经济的。

在该装置中，该逆变器的每个臂配置有MOSFET，该开关元件配置有MOSFET，并且该续流元件配置有寄生于该开关元件的MOSFET的二极管。根据该装置，能够使用大量生产的通用装置，这是更加经济的，并且这提供了极佳的安装性和控制性。

Claims (16)

1.一种用于马达－发电机的控制装置，包括：

定子，包括连接以形成星形的多相线圈；

转子，与所述定子同轴并且以所述转子和所述定子之间的预定间隙径向地布置；

多相逆变器，所述多相逆变器的每个臂包括开关元件和续流元件；以及

直流电源，连接在所述多相线圈的中性点与所述多相逆变器的直流负电极之间，其中

当所述逆变器的所述开关元件由矩形波图形信号驱动时，在高侧的开关元件处于关断状态的情况下，与高侧的开关元件串联连接的低侧的开关元件受脉冲宽度调制开关控制，

当将所述高侧的所述开关元件被关断的时间点定义为基点时，如果α被定义为所述低侧的所述开关元件的所述脉冲宽度调制开关控制开始的时间点，且β被定义为所述脉冲宽度调制开关控制结束的时间点，则β－α为120度或者更大的电角度，α大于0度，且β小于180度，

当与所述高侧的开关元件对应的相的电角度小于α时并且在所述基点之后，利用矩形波进行所述低侧的开关元件的控制，

当与所述高侧的开关元件对应的相的电角度在α和β之间时，利用脉冲宽度调制波进行所述低侧的开关元件的控制，以及

当与所述高侧的开关元件对应的相的电角度大于β时并且在所述高侧的开关元件导通之前，利用所述矩形波进行所述低侧的开关元件的控制。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述开关元件不受脉冲宽度调制开关控制侧的所述开关元件的导通时段为180度或者更小的电角度。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述脉冲宽度调制开关控制的占空比随着所述马达－发电机的旋转速度的上升而增加。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述马达－发电机在作为发电机的电能产生模式和作为马达的机械能产生模式中的任一模式下使用，并且

在机械能产生模式下应用所述脉冲宽度调制开关控制。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其中，

所述马达－发电机在机械能产生模式下起动内燃机，以及

在所述内燃机被起动之后，所述马达－发电机被以电能产生模式驱动。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其中，在所述中性点与所述逆变器的未连接至所述直流电源的端子之间连接有电容器。

7.根据权利要求1所述的控制装置，其中，

所述逆变器的每个臂被用金属氧化物半导体场效应晶体管配置，

所述开关元件被用金属氧化物半导体场效应晶体管配置，并且

所述续流元件被用寄生于所述开关元件的金属氧化物半导体场效应晶体管的二极管配置。

8.根据权利要求5所述的控制装置，其中，所述马达－发电机为摩托车或汽车的发电机或起动器。

9.一种用于马达－发电机的控制装置，包括：

定子，包括连接以形成星形的多相线圈；

转子，与所述定子同轴并且以所述转子和所述定子之间的预定间隙径向地布置；

多相逆变器，所述多相逆变器的每个臂包括开关元件和续流元件；以及

直流电源，连接在所述多相线圈的中性点与所述多相逆变器的直流正电极之间，其中

当所述逆变器的所述开关单元被矩形波图形信号驱动时，在低侧的开关元件处于关断状态的情况下，与低侧的所述开关元件串联连接的高侧的所述开关元件受脉冲宽度调制开关控制，

当将所述低侧的所述开关元件被关断的时间点定义为基点时，如果α被定义为所述高侧的所述开关元件的所述脉冲宽度调制开关控制开始的时间点，而β被定义为所述所述脉冲宽度调制开关控制结束的时间点，则β-α为120度或者更大的电角度，α大于0度，且β小于180度，

当与所述高侧的开关元件对应的相的电角度小于α时并且在所述基点之后，利用矩形波进行所述低侧的开关元件的控制，

当与所述高侧的开关元件对应的相的电角度在α和β之间时，利用脉冲宽度调制波进行所述低侧的开关元件的控制，以及

当与所述高侧的开关元件对应的相的电角度大于β时并且在所述高侧的开关元件导通之前，利用所述矩形波进行所述低侧的开关元件的控制。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其中，所述开关元件不受脉冲宽度调制开关控制侧的所述开关元件的导通时段为180度或者更小的电角度。

11.根据权利要求9所述的控制装置，其中，所述脉冲宽度调制开关控制的占空比随着所述马达－发电机的旋转速度的上升而增加。

12.根据权利要求9所述的控制装置，其中，

所述马达－发电机在作为发电机的电能产生模式和作为马达的机械能产生模式中的任一模式下使用，并且

在机械能产生模式下应用所述脉冲宽度调制开关控制。

13.根据权利要求12所述的控制装置，其中，

所述马达－发电机在机械能产生模式下起动内燃机，并且

在所述内燃机被起动之后，所述马达－发电机被以电能产生模式驱动。

14.根据权利要求9所述的控制装置，其中，在所述中性点与所述逆变器的未连接至所述直流电源的端子之间连接有电容器。

15.根据权利要求9所述的控制装置，其中，

所述逆变器的每个臂被用金属氧化物半导体场效应晶体管配置，

所述开关元件被用金属氧化物半导体场效应晶体管配置，并且

所述续流元件被用寄生于所述开关元件的金属氧化物半导体场效应晶体管的二极管配置。

16.根据权利要求13所述的控制装置，其中，所述马达－发电机为摩托车或汽车的发电机或起动器。