CN103280923A - 一种多功能三相永磁电机集成系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能三相永磁电机集成系统及其控制方法，该系统将三相永磁交流电机的转子与发动机输出轴直接连接，与控制模块结合组成一体，同时实现启动、点火、发电、测速等功能。该系统及其控制方法通过控制模块，主要基于对三相电流信号的采样和分析并进行控制，实现各个单元之间的协调配合。本发明与现有技术相比机械结构简单，无需任何传感器设备，特别适用于轻型两轮或三轮插电式混合动力车。
Description
技术领域
本发明涉及发动机发电机领域，具体地说涉及一种多功能三相永磁电机集成系统及其控制方法，特别适用于轻型两轮或三轮插电式混合动力车。
背景技术
现有的燃油发动机的启动，除了手拉启动外，都需要通过专门的启动电机带动发动机运转，再通过活塞做功，点火装置点火，实现发动机的工作。而启动马达在启动不当或长时间使用下极容易损坏，给使用带来诸多不便。
虽然目前本领域有技术人员尝试利用发电机代替启动电机，开发出混合动力系统，但所采用实现启动功能的电机，与发动机的连接零件结构复杂，多含有传动齿轮等结构，实际应用可靠性受到质疑，每一套装置都需要有其对应的控制系统，零部件复杂，控制系统的设计需要考虑的因素就非常多，因此现有的利用电机启动发动机技术很多还停留在试验阶段，无法正常用于批量生产。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于控制系统有效简化结构，配合发动机使用可实现启动、点火、发电、测发动机转速等多功能；本发明的另一个目的是提供上述系统协调并有效实现启动、点火、发电及测速的控制方法。
技术方案：为了实现上述目的，本发明一种多功能三相永磁电机集成系统，包括互相连接的发动机和电机，以及控制模块，所述电机为三相永磁交流电机，电机转子与所述发动机输出轴连接，所述电机转子外周壁设有一个触发块，对应该触发块设有一个与控制模块相连的触发信号发生器，该系统还包括分别与控制模块通讯连接的点火装置、以及蓄电池；
所述控制模块包括：
启动单元，用于接收启动信号，使蓄电池向电机的转子供电；
启动控制单元，用于检测电机三相绕组的输出电流相位及电流大小并决定电机转子是否维持转动；
点火控制单元，用于接收触发信号发生器发送的点火控制脉冲信号，并传递到点火装置实施对发动机点火；
测速单元，用于检测三相绕组的交变电流，根据其周期性变化参数计算出当前发动机转速；
发电控制单元，通过检测三相电流的输出连续性及增量大小和方向，决定是否向负 载或蓄电池发电。
本发明所述的发电控制单元与所述启动控制单元共同实现启动向发电模式的切换。启动控制单元通过控制，实现蓄电池向电机转子供电的终止；发电控制单元通过检测三相电流的输出连续性及增量大小和方向，判别和决定是否向负载含蓄电池发电。其主要是通过检测三相电流的输出连续性，用于确定控制。
通过在设置的时间T内，测量线电流I的变化率-di/dt，判断负载工作的状态。由于启动阶段是通过控制单元中的直流转交流电路，将直流电逆变为交流电提供给电机，因此启动阶段负载相对恒定，三相绕组的线电流I变化率较小。在启动成功后，随着发动机活塞和曲轴运动，电机转子转速发生变化，对应三相绕组的线电流I明显发生变化，发电控制单元通过判断三相电流的输出连续性及增量大小，判别启动是否成功。如启动成功，则发动机带动电机连续做功，通过电机的转子的旋转磁场切割定子中绕组产生发电，通过控制单元中的交流转直流电路，将交流电逆变为直流电开始向蓄电池或负载输电。进一步的，持续输电后，控制器检测蓄电池组的额定电量或电压，判断蓄电池是否充满，当蓄电池电量达到额定值时，终止电机发电，否则维持电机发电状态。
本发明三相绕组可采用Y形联接，也可采用三角形联接。Y形联接适用于低频小负载，而三角形联接则适用于高频大负载。
本发明的电机内没有添加多余的复杂机构或零件，所述电机转子内设有永磁体，所述电机定子由三相绕组和铁芯组成，三相绕组的输出端连接到控制模块。当电机转子被启动控制单元控制转动时，转子中磁体产生旋转磁场切割三相绕组，在三相绕组中分别产生具有一定相位差的电流，首先定义其中任一个相电流，通过测量和计算出其它两个相电流与被定义相电流的之间的时间关系，即可精确的计算出三相绕组中电流的相互关系。控制模块可根据三相绕组的电流变量检测并计算出三相电流值，由此可判别三相绕组工作过程是启动还是发电，并控制电机进行启动或发电。启动和发电过程中的异常状态被控制模块检测到后，经过真假判别后，如是真则会中断正在进行的启动和发电过程。
作为本发明的进一步优化，所述启动控制单元设有启动保护模块，通过设置定时器控制启动过程电机转子的转动时间和停止时间。该模块的运行是：设置一个定时器，在连续启动使电机转子运行T1秒后即停止，经T2时间后方可进行再次启动的过程，所述T1为3～8秒，所述T2为15～30秒。优选地，所述T1为5秒，所述T2为20秒。启动保护模块的设定有效地保护了发电机和发动机，防止蓄电池因频繁启动过度放电。须说明的是，由于本发明发电机转子与发动机是直接连接的，因此点火成功发动机开始转动时即终止启动保护模块。
本发明所述的触发块为凸台形状的永磁体。所述的触发块形状包括但不限于矩形、 圆形、椭圆形的任意一种。本发明所述的触发信号发生器设有电感线圈，当触发块经过触发信号发生器时，会产生一个触发脉冲传递到点火单元。
一种多功能三相永磁电机集成系统的控制方法包括如下：
启动阶段时，启动单元接受启动信号，使蓄电池通过控制单元中逆变电路向电机定子供电使电机转子转动，直接带动发动机曲轴转动完成活塞压缩混合气体、点火做功，与此同时启动控制单元监测三相绕组输出电流的输出电流相位及电流大小并决定电机转子是否维持转动；
在电机转子转动时，所述触发块经过触发信号发生器产生点火控制脉冲，输入到点火单元控制点火装置点火；发动机连续点火做功后，其输出轴带动电机转子转动，产生交变电流，再通过控制单元将交流电逆变为直流电实现发电，发电供给的对象包括负载和蓄电池；
发电控制单元通过判定三相电流的输出连续性及增量大小和方向，决定是否向负载包括蓄电池供电。
所述启动控制单元监测电机三相绕组输出电流是在设定时间t内检测当前电机定子输出的三相电流IS是否在启动电流范围(I1,I2)内，如果IS∈(I1,I2)则维持蓄电池供电，否则中断供电。所述启动电流的下限I1=a，上限I2=b，a和b值的大小根据实际系统状态设定，以适应各种实际负载工况要求。
所述发电单元还通过检测负载或蓄电池的用电状态，根据用电变量的大小自适应发电供负载使用或提供给蓄电池充电。
所述电机转子运行T1时间后，停止T2时间，所述T1为3～8秒时间后，所述T2为15～30秒。
作为本发明技术功能的进一步拓展和优化，该系统还包括与控制模块连接的信息数据显示器，所述测速单元通过检测三相电流的相位波形周期，计算出当前发动机转速以及启动过程信息、发电电流等参数用于显示到所述的信息数据显示器。
有益效果：本发明的一种多功能三相永磁电机集成系统结构并不复杂，通过控制装置中的几个功能模块实现了发动机的启动、点火、转速测量，以及发电机的发电功能。本发明的一种多功能三相永磁电机集成系统的控制方法，将启动/发电根据当前三相电流的信号进行控制，启动控制时，控制单元将蓄电池电通过逆变器转为交流电供电机工作，以带动发动机点火做功，一旦发动机正常点火做功后，反拖电机，使电机发电，同时通过启动控制单元和发电控制单元的配合实现启动向发电的转换，且可直接根据三相电流检测当前转速，无需任何传感器设备。
附图说明
图1是本发明三相永磁电机集成系统的框架示意图；
图2是本发明控制模块的时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
请参考图1所示，一种多功能三相永磁电机集成系统，包括互相连接的发动机1和三相永磁交流电机，以及控制模块2。电机转子3与发动机1输出轴连接，电机转子3内设有永磁体，电机定子8由三相绕组和铁芯组成，三相绕组的输出端连接到控制模块2。本发明三相绕组可采用Y形联接，也可采用三角形联接。Y形联接适用于低频小负载，而三角形联接适用于高频大负载。
电机转子3外周壁设有一个触发块4，对应该触发块4设有一个与控制模块相连的触发信号发生器5，该系统还包括分别与控制模块2通讯连接的点火装置6、蓄电池7、信息数据显示器8、开关按钮9。
本发明的触发块4为凸台形状的永磁体。触发块4形状包括但不限于矩形、圆形、椭圆形的任意一种。本发明的触发信号发生器5设有电感线圈，当触发块4经过触发信号发生器5时，会产生一个触发脉冲传递到点火单元。
当电机转子被启动控制单元控制转动时，转子中磁体产生旋转磁场切割三相绕组，在三相绕组中分别产生具有一定相位差的电流，首先定义其中任一个相电流，通过测量和计算出其它两个相电流与被定义相电流的之间的时间关系，即可精确的计算出三相绕组中电流的相互关系。控制模块可根据三相绕组的电流变量检测并计算出三相电流值，由此可判别三相绕组工作过程是启动还是发电，并控制电机进行启动或发电。启动和发电过程中的异常状态被控制模块检测到后，经过真假判别后，如是真则会中断正在进行的启动和发电过程。
请结合图1、图2所示，本发明的控制模块2包括：
启动单元R1，用于接收启动信号，使蓄电池经逆变电路将直流电变为交流电，向电机的转子供电；
启动保护模块R2，通过设置定时器控制电机转子的转动时间和停止时间。具体地说，启动保护模块R2通过设置定时器控制电机转子的转动时间和停止时间。该模块的运行是：设置一个定时器，使电机转子运行T1秒后即停止，经T2时间后恢复转动，T1为3～8秒时间后，T2为15～30秒。优选地，T1为5秒，T2为20秒。启动保护模块的设定有效地保护了发电机和发动机，防止蓄电池因频繁启动过度放电。
启动控制单元R3，用于检测电机三相绕组的输出电流相位及电流大小并决定电机 转子是否维持转动；
点火单元R4，用于接收触发信号发生器发送的点火控制脉冲信号，并传递到点火装置；
测速单元R5，用于检测三相绕组的交变电流，根据其周期性变化参数计算出当前发动机转速。具体地说，测速单元通过检测三相电流的相位波形周期，计算出当前发动机转速以及启动过程信息、发电电流等参数用于显示到的信息数据显示器。
发电控制单元R6，通过检测三相电流的输出连续性及增量大小和方向，决定是否向负载或蓄电池发电。具体地说，通过在设置的时间T内，测量线电流I的变化率-di/dt，判断负载工作的状态。由于启动阶段蓄电池供电是从恒直流电逆变，因此启动阶段三相绕组的线电流I变化率非常小。但启动成功时，随着发动机活塞和曲轴运动，电机转子转速发生变化，对应三相绕组的线电流I发生变化。发电控制单元通过判断三相电流的输出连续性及增量，确定启动成功，并开始向蓄电池或负载输电。进一步的，持续输电后，控制器检测蓄电池组的而定电量或额定电压，判断蓄电池是否充满，当蓄电池电量达到额定值时，终止电机发电，否则维持电机发电状态。
一种多功能三相永磁电机集成系统的控制方法包括如下：
启动阶段时，启动单元接受启动信号，使蓄电池经逆变电路向电机转子供电使电机转子转动，直接带动发动机曲轴转动完成活塞压缩混合气体、点火做功，与此同时启动控制单元监测三相绕组输出电流的输出电流相位及电流大小并决定电机转子是否维持转动；在电机转子转动时，触发块经过触发信号发生器产生点火控制脉冲，输入到点火单元控制点火装置点火；发动机连续点火做功后，其输出轴带动电机转子转动，产生交变电流，再通过控制单元将交流电逆变为直流电实现发电，发电供给的对象包括负载和蓄电池；发电控制单元通过判定三相电流的输出连续性及增量大小和方向，决定是否向负载包括蓄电池供电，具体地说，发电单元还通过检测负载或蓄电池的用电状态，根据用电变量的大小自适应发电供负载使用或提供给蓄电池充电。
其中，启动控制单元监测电机三相绕组输出电流是在设定时间t内检测当前电机定子输出的三相电流IS是否在启动电流范围(I1,I2)内，如果IS∈(I1,I2)则维持蓄电池供电，否则中断供电。启动电流的下限I1=a，上限I2=b，a和b值的大小根据实际系统状态设定，本实施例中，针对轻型两轮插电式混合动力车而言，a=6A，b=12A。
为了为发电机和发动机提供保护，防止在启动阶段因重复启动使蓄电池过渡放电，电机转子运行T1时间后，停止T2时间，T1为3～8秒时间后，T2为15～30秒。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种多功能三相永磁电机集成系统，包括互相连接的发动机（1）和电机，以及控制模块（2），其特征在于：
所述电机为三相永磁交流电机，电机转子（3）与所述发动机（1）输出轴连接，所述电机转子（3）外周壁设有一个触发块（4），对应该触发块（4）设有一个与控制模块（2）相连的触发信号发生器（5），该系统还包括分别与控制模块（2）通讯连接的点火装置（6）、以及蓄电池（7）；
所述控制模块包括：
启动单元，用于接收启动信号，使蓄电池向电机的转子供电；
启动控制单元，用于检测电机三相绕组的输出电流相位及电流大小并决定电机转子是否维持转动；
点火控制单元，用于接收触发信号发生器发送的点火控制脉冲信号，并传递到点火装置实施对发动机点火；
测速单元，用于检测三相绕组的交变电流，根据其周期性变化参数计算出当前发动机转速；
发电控制单元，通过检测三相电流的输出连续性及增量大小和方向，决定是否向负载或蓄电池发电。
2.根据权利要求1所述的一种多功能三相永磁电机集成系统，其特征在于：所述电机转子内设有永磁体，所述电机定子（8）由三相绕组和铁芯组成，三相绕组的输出端连接到控制模块。
3.根据权利要求1所述的一种多功能三相永磁电机集成系统，其特征在于：所述的启动控制单元设有启动保护模块，通过设置定时器控制启动过程电机转子的转动时间和停止时间。
4.如权利要求1所述一种多功能三相永磁电机集成系统的控制方法，其特征在于：
启动阶段时，启动单元接受启动信号，使蓄电池经逆变电路向电机转子供电使电机转子转动，直接带动发动机曲轴转动完成活塞压缩混合气体、点火做功，与此同时启动控制单元监测三相绕组输出电流的相位及电流大小并决定电机转子是否维持转动；
在电机转子转动时，所述触发块经过触发信号发生器产生点火控制脉冲，输入到点火单元控制点火装置点火；发动机连续点火做功后，其输出轴带动电机转子转动，产生交变电流，再通过控制单元将交流电逆变为直流电实现发电，发电供给的对象包括负载和蓄电池；
发电控制单元通过判定三相电流的输出连续性及增量大小和方向，决定是否向负载包括蓄电池供电。
5.根据权利要求4所述一种多功能三相永磁电机集成系统的控制方法，其特征在于：所述启动控制单元监测电机三相绕组输出电流是在设定时间t内检测当前电机定子输出的三相电流IS是否在启动电流范围(I1,I2)内，如果IS∈(I1,I2)则维持蓄电池供电，否则中断供电。
6.根据权利要求5所述一种多功能三相永磁电机集成系统的控制方法，其特征在于：所述启动电流的下限I1=a，上限I2=b，a和b值的大小根据实际系统状态设定。
7.根据权利要求4所述的一种多功能三相永磁电机集成系统的控制方法，其特征在于：所述发电单元还通过检测负载或蓄电池的用电状态，根据用电变量的大小自适应发电供负载使用或提供给蓄电池充电。
8.根据权利要求4所述的一种多功能三相永磁电机集成系统的控制方法，其特征在于：所述电机转子运行T1时间后，停止T2时间，所述T1为3～8秒时间后，所述T2为15～30秒。
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