CN103684127A - 一种复合式无刷直流起动发电机系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合式无刷直流起动发电机系统，属于起动发电技术领域。本发明中的无刷直流起动发电机包括同轴连接的电励磁双凸极电机、永磁电机，电励磁双凸极电机电枢绕组与桥式整流电路连接，作为起动发电系统的发电输出端，永磁电机电枢绕组与双向桥式功率变换电路、不对称半桥电路连接，励磁绕组与不对称半桥电路桥臂中点连接，起动时永磁电机带动发动机起动，起动成功后永磁电机作为电励磁双凸极电机励磁机，为励磁绕组提供励磁电流。本发明还公开了上述起动发电机系统的控制方法。本发明起动转矩平稳，发电控制简单，解决了起动电源电压和发电输出电压不平衡的题，实现了起动和发电功能解耦控制,使起动发电之间切换控制简单可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种起动发电机系统，尤其涉及一种复合式无刷直流起动发电机系统及其控制方法，属于起动发电技术领域。
背景技术
电励磁双凸极电机结构简单，转子上无绕组，适合高速运行，提高电机功率密度，做发电运行时，不需要位置传感器，控制灵活方便。电励磁双凸极电机无论是电动还是发电运行需要独立直流励磁源，设置励磁机可以解决其可靠励磁问题。
起动发电一体化可以减小系统体积，使结构紧凑，特别是在汽车、飞机上的独立电源系统领域。电励磁双凸极电机作为起动发电机一体化运行时，起动转矩脉动较大，并且起动电流大，以提供较大的起动转矩，过大的起动电流会造成较大的线路损耗及线路压降，影响接在同一母线上部分直流负载的正常运行；另一方面，起动时转速低，起动电源电压通常为低压，而发电时为了提高发电系统效率，发电输出电压通常为高压，因此导致起动电源电压与发电输出电压之间的不平衡。
永磁电机功率密度高，做电动运行时，转矩脉动小，输出转矩高，并且可以采用无位置传感器控制策略，而发电运行时，由于无法调节永磁磁势，需要功率变换单元，调节输出功率,并且发电输出电压高，使功率开关管成本高，作为起动发电一体化设计时，同样面临起动电源电压与发电输出电压之间不平衡的问题。
目前起动发电技术方案主要应用在混合动力汽车起动发电一体化（ISG）技术方面，并且采用永磁电机作为起动发电机系统的方案较多，例如发明专利CN101814814A公开了一种起动发电机，该起动发电机为永磁外转子结构，内部的霍尔位置传感器检测转子内周面磁场，从而检测出转子位置，该发明结构紧凑，检测精度高。然而，由于无法调节永磁励磁磁势，发电时需要外部功率变换单元，可靠性低，成本高，永磁电机发电运行为大功率负载提供能量，使永磁体用量较多，同样提高了成本。飞机无刷直流起动发电机系统中，开关磁阻起动发电机系统得到成功应用，例如美国专利US005489810A公开了一种开关磁阻起动发电机方案，该起动发电机转子内圆与定子外圆安装冷却套管，采用空心电枢导线，该开关磁阻起动发电机适应高温高速环境下运行，从而提高功率密度，然而开关磁阻电机发电过程需要位置传感器以及全功率变换器，降低了系统可靠性，起动时相电流非正弦，电流尖峰大，导致起动转矩脉动大，噪音大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服克服现有技术所存在的起动电源电压与发电输出电压之间不平衡的问题，提供一种结构简单、可靠性高，成本低、控制灵活的复合式无刷直流起动发电机系统及其控制方法。
本发明的复合式无刷直流起动发电机系统，包括：无刷直流起动发电机、桥式不控整流电路、切换开关、双向桥式功率变换电路、不对称半桥电路、检测单元、蓄电池、起动切换控制单元以及发电控制单元；所述无刷直流起动发电机包括转子同轴连接的电励磁双凸极电机和永磁电机；电励磁双凸极电机电枢绕组输出端与桥式不控整流电路的桥臂中点连接，桥式不控整流电路的输出端构成复合式无刷起动发电机系统的发电输出端；永磁电机电枢绕组与双向桥式功率变换电路的桥臂中点连接；双向桥式功率变换电路的负输出端与不对称半桥电路的一个输出端、蓄电池的负极共同连接；所述切换开关包括静触点和第一动触点、第二动触点，静触点与双向桥式功率变换电路的正输出端连接，第一动触点与蓄电池的正极连接，第二动触点与不对称半桥电路的另一个输出端连接；不对称半桥电路的两个桥臂中点分别与电励磁双凸极电机的励磁绕组两端连接；所述起动切换控制单元分别与双向桥式功率变换电路的控制端、切换开关的控制端连接；所述发电控制单元与不对称半桥电路的控制端连接；所述检测单元用于对永磁电机电枢绕组相电流及电压、电励磁双凸极电机励磁电流、复合式无刷起动发电机系统发电输出端的输出电流及电压进行检测，并将永磁电机电枢绕组相电流及电压的检测信息传输至起动切换控制单元，将电励磁双凸极电机励磁电流、复合式无刷起动发电机系统发电输出端的输出电流及电压的检测信息传输至发电控制单元。
优选地，所述双向桥式功率变换电路为直流输出端带有滤波电容的双向桥式功率变换电路。
优选地，所述桥式不控整流电路为输出端带有滤波电容的桥式不控整流电路。
进一步地，永磁电机电枢绕组与双向桥式功率变换电路的桥臂中点通过一可控开关装置连接，该可控开关装置的控制端分别与起动切换控制单元、发电控制单元连接。该可控开关装置在起动过程及发电过程中始终闭合，仅当起动发电系统出现异常时由起动切换控制单元或发电控制单元控制其断开，从而可提高系统的安全性。
所述永磁电机可以采用转子永磁型永磁电机或定子永磁型永磁电机。
所述起动切换控制单元和发电控制单元可以使用各自独立的电源供电，然而考虑到航空航天等对系统可靠性要求更高的应用环境，为了给这两个控制单元提供稳定的高质量的电能，进一步地，所述复合式无刷直流起动发电机系统还包括一内部辅助电源；蓄电池正极和切换开关静触点分别通过一个二极管与内部辅助电源的输入正端连接，内部辅助电源的输入负端与蓄电池负极相连；所述起动切换控制单元和发电控制单元均由所述内部辅助电源供电。
如上所述所述复合式无刷直流起动发电机系统的控制方法，起动过程中，起动切换控制单元首先通过控制切换开关的静触点与第一动触点闭合，使蓄电池接入所述双向桥式功率变换电路的直流输入端；然后起动切换控制单元控制双向桥式功率变换电路驱动所述永磁电机，同时通过检测单元所检测的永磁电机电枢绕组相电压的频率，判断起动是否完成，如是，则起动切换控制单元控制切换开关的静触点与第二动触点闭合，并且断开双向桥式功率变换电路中的功率开关管，此时永磁电机进入发电状态；发电控制单元根据检测单元所检测的复合式无刷直流起动发电系统的输出电压与输出电流，通过控制所述不对称半桥电路来调节电励磁双凸极电机励磁电流，达到控制发电输出的目的。
优选地，起动切换控制单元控制双向桥式功率变换电路驱动所述永磁电机时，使用无位置反馈的控制方法，或者位置信号反馈的无刷直流方波控制方法，或者位置信号反馈的永磁同步电机正弦波控制方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的无刷直流起动发电机系统起动时，利用永磁电机部分进行起动，起动转矩大，起动转矩平稳，采用无位置传感器控制策略，使结构简单可靠。
2、本发明的无刷直流起动发电机系统发电运行时，永磁电机作为励磁源，为电励磁双凸极电机提供励磁电流，不需要位置传感器及大功率功率开关器件，降低了成本，提高了系统可靠性，控制灵活。
3、本发明的无刷直流起动发电机系统，起动时输入的直流电压母线与发电的输出电压母线之间独立，解决了起动电源电压和发电输出电压不平衡的问题，同时实现了起动和发电功能的解耦控制，起动、发电及起动发电之间的切换控制简单可靠。
附图说明
图1为本发明的复合式无刷直流起动发电机系统框图；
图2为复合式无刷直流起动发电机系统控制器结构图；
图3为复合式无刷直流起动发电机系统起动发电控制方法流程图；
图4为复合式无刷直流起动发电机系统起动运行能量流图；
图5为复合式无刷直流起动发电机系统发电运行能量流图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
图1显示了本发明的起动发电机系统的一个优选实施例的结构图，如图所示，该无刷直流起动发电机包括电励磁双凸极电机及永磁电机，永磁电机转子与电励磁双凸极电机转子同轴连接，电励磁双凸极电机三相电枢绕组采用星形连接方式，三相电枢绕组输出端分别与一带滤波电容的桥式不控整流电路（如图所示，包括二极管D7～D12及滤波电容C1）的桥臂中点连接，该桥式不控整流电路的输出正端构成起动发电机系统的发电输出正端，该桥式不控整流电路的输出负端构成起动发电机系统的发电输出负端。永磁电机三相电枢绕组采用星形连接方式，电枢绕组输出端经过顺次串接的励磁继电器GCR，与双向桥式功率变换电路（如图所示，包括晶闸管T1～T6,二极管D1～D6，以及滤波电容C2）的桥臂中点连接，双向桥式功率变换电路输出正端与切换开关S1的静触点及二极管D15阳极共同连接，切换开关S1的动触点2连接不对称半桥电路（如图所示，包括功率开关管T7、T8及二极管D13、D14）一端，不对称半桥电路另一端与双向桥式功率变换电路输出负端、蓄电池阴极及内部辅助电源负输入端共同连接，切换开关S1的动触点1与蓄电池正极、二极管D16阳极共同连接，二极管D15阴极与二极管D16阴极连接后，共同接入内部辅助电源正输入端，发电状态下，双向功率变换电路输出电压与蓄电池电压较大值者连接的二极管（如图所示，二极管D15或者二极管D16）导通，相应地，双向功率变换电路输出的电能接入内部辅助电源输入端（若二极管D15导通）或者蓄电池电能接入内部辅助电源输入端（若二极管D16导通），确保系统可靠性，内部辅助电源的输出端分别连接起动切换控制单元及发电控制单元，为这两个控制单元提供稳定的高质量的电能。电励磁双凸极电机的励磁绕组Lf两端分别连接不对称半桥电路的两个桥臂中点，电流传感器Hia,Hib检测永磁电机电枢绕组相电流ia,ib，该相电流信号与利用分压采样电阻检测到的永磁电机电枢绕组端电压ua,ub,uc信号传输至起动切换控制单元，电流传感器Hif,Hidc检测励磁电流if与起动发电机系统发电输出端输出电流idc，该电流信号与利用分压采样电阻检测到的起动发电系统发电输出端输出电压信号udc传输至发电控制单元。起动切换控制单元输出双向桥式功率开关管控制信号PWMT1～T6，控制功率开关管T1～T6，使无刷直流起动发电机带动发动机起动，起动切换控制单元输出切换控制信号S1signal，控制切换开关S1，切换起动与发电模式，发电控制单元输出励磁控制信号PWMT7,T8，控制不对称半桥电路中的功率开关管T7、T8。
图2为上述复合式无刷直流起动发电机系统的控制器结构图，如图所示，起动切换控制单元采用无位置反馈的控制方法，通过检测状态量ia,ib,ua,ub,uc，判断永磁电机转子区间位置，生成信号PWMT1～T6，控制开关管T1～T6，使无刷直流起动发电机系统中的永磁电机转矩与转速跟踪给定，带动发动机起动，同时根据状态量ua,ub,uc频率，计算发动机转速w，由此判断起动是否完成，起动完成后输出切换开关控制信号S1signal，使切换开关S1由起动模式（切换开关S1的静触点与动触点1闭合）切换至发电模式（切换开关S1的静触点与动触点2闭合），当状态量异常时，起动切换控制单元切断励磁继电器GCR，使永磁电机电枢电流降为零，永磁电机输出转矩为零，保护复合式无刷直流起动发电机系统。发电控制单元根据状态量udc,idc,if，生成信号PWMT7,T8，控制开关管T7,T8，使无刷直流起动发电机系统发电输出电压或电流跟踪给定值，当状态量异常时，发电控制单元切断励磁继电器GCR，使励磁电流降为零，系统输出电压输出电流降为零，保护复合式无刷直流起动发电机系统。其中，永磁电机无位置反馈控制方法为现有技术，详细内容可参考中国发明专利《无刷直流电机的基波法无位置传感器直接转矩控制系统》（申请号为200410065332.4，公开号为CN1614869A）。当然，起动切换控制单元也可采用现有的位置反馈的永磁电机控制方法，例如，位置信号反馈的无刷直流方波控制方法，或者位置信号反馈的永磁同步电机正弦波控制方法。
图3为上述复合式无刷直流起动发电机系统的起动发电控制方法流程图。如图所示，无刷直流起动发电机系统接收起动信号SC，起动切换控制单元将切换开关S1切换至动触点1，并将开关管T7，T8断开，根据检测反馈的起动状态量，生成PWMT1～T6信号，使起动发电机起动运行，此时无刷直流起动发电机系统起动运行能量流图如图4所示，蓄电池能量经过双向桥式功率变换电路提供给永磁电机，永磁电机产生转矩带动发动机起动。经过起动时间t1，通过检测反馈的状态量，判断发动机转速w是否到达自持转速w1，若没有达到自持转速，表明起动失败，撤销起动信号SC，再经过预设时间t2，无刷直流起动发电系统再次接收起动信号SC，若发动机达到自持转速，表明起动成功，撤销起动信号SC，起动切换控制单元将切换开关S1切换至动触点2，并将开关管T1～T6断开，此时永磁电机发电运行，为电励磁双凸极电机提供励磁源，发电控制单元根据检测反馈的发电状态量，生成PWMT7,T8信号，控制不对称半桥电路斩波，调节励磁电流，使无刷直流起动发电系统发电输出跟踪给定。图5显示了无刷直流起动发电机系统发电运行能量流图，发动机输出的能量带动无刷直流起动发电机转动，无刷直流起动发电机内部的永磁电机输出的三相交流电经双向桥式功率变换电路整流后生成直流电，再经不对称半桥电路斩波控制，为无刷直流起动发电机内部电励磁双凸极电机励磁绕组提供励磁功率，发动机曲轴传递的功率与励磁功率共同提供给电励磁双凸极电机，电励磁双凸极电机由此产生三相交流电，并经过不控整流电路进行整流，为直流负载提供能量。
Claims (8)
1.一种复合式无刷直流起动发电机系统，其特征在于，包括：无刷直流起动发电机、桥式不控整流电路、切换开关、双向桥式功率变换电路、不对称半桥电路、检测单元、蓄电池、起动切换控制单元以及发电控制单元；所述无刷直流起动发电机包括转子同轴连接的电励磁双凸极电机和永磁电机；电励磁双凸极电机电枢绕组输出端与桥式不控整流电路的桥臂中点连接，桥式不控整流电路的输出端构成复合式无刷起动发电机系统的发电输出端；永磁电机电枢绕组与双向桥式功率变换电路的桥臂中点连接；双向桥式功率变换电路的负输出端与不对称半桥电路的一个输出端、蓄电池的负极共同连接；所述切换开关包括静触点和第一动触点、第二动触点，静触点与双向桥式功率变换电路的正输出端连接，第一动触点与蓄电池的正极连接，第二动触点与不对称半桥电路的另一个输出端连接；不对称半桥电路的两个桥臂中点分别与电励磁双凸极电机的励磁绕组两端连接；所述起动切换控制单元分别与双向桥式功率变换电路的控制端、切换开关的控制端连接；所述发电控制单元与不对称半桥电路的控制端连接；所述检测单元用于对永磁电机电枢绕组相电流及电压、电励磁双凸极电机励磁电流、复合式无刷起动发电机系统发电输出端的输出电流及电压进行检测，并将永磁电机电枢绕组相电流及电压的检测信息传输至起动切换控制单元，将电励磁双凸极电机励磁电流、复合式无刷起动发电机系统发电输出端的输出电流及电压的检测信息传输至发电控制单元。
2.如权利要求1所述复合式无刷直流起动发电机系统，其特征在于，所述双向桥式功率变换电路为直流输出端带有滤波电容的双向桥式功率变换电路。
3.如权利要求1所述复合式无刷直流起动发电机系统，其特征在于，所述桥式不控整流电路为输出端带有滤波电容的桥式不控整流电路。
4.如权利要求1所述复合式无刷直流起动发电机系统，其特征在于，永磁电机电枢绕组与双向桥式功率变换电路的桥臂中点通过一可控开关装置连接，该可控开关装置的控制端分别与起动切换控制单元、发电控制单元连接。
5.如权利要求1所述复合式无刷直流起动发电机系统，其特征在于，所述永磁电机为转子永磁型永磁电机或定子永磁型永磁电机。
6.如权利要求1所述复合式无刷直流起动发电机系统，其特征在于，还包括一内部辅助电源；蓄电池正极和切换开关静触点分别通过一个二极管与内部辅助电源的输入正端连接，内部辅助电源的输入负端与蓄电池负极相连；所述起动切换控制单元和发电控制单元均由所述内部辅助电源供电。
7.如权利要求1至6任一项所述复合式无刷直流起动发电机系统的控制方法，其特征在于，起动过程中，起动切换控制单元首先通过控制切换开关的静触点与第一动触点闭合，使蓄电池接入所述双向桥式功率变换电路的直流输入端；然后起动切换控制单元控制双向桥式功率变换电路驱动所述永磁电机，同时通过检测单元所检测的永磁电机电枢绕组相电压的频率，判断起动是否完成，如是，则起动切换控制单元控制切换开关的静触点与第二动触点闭合，并且断开双向桥式功率变换电路中的功率开关管，此时永磁电机进入发电状态；发电控制单元根据检测单元所检测的复合式无刷直流起动发电系统的输出电压与输出电流，通过控制所述不对称半桥电路来调节电励磁双凸极电机励磁电流，达到控制发电输出的目的。
8.如权利要求7所述复合式无刷直流起动发电机系统的控制方法，其特征在于，起动切换控制单元控制双向桥式功率变换电路驱动所述永磁电机时，使用无位置反馈的控制方法，或者位置信号反馈的无刷直流方波控制方法，或者位置信号反馈的永磁同步电机正弦波控制方法。
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