CN103840688A - 一种无刷直流发电机可控整流方法 - Google Patents

一种无刷直流发电机可控整流方法 Download PDF

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Abstract

一种无刷直流发电机可控整流方法。无刷直流发电机控制系统包括：电机、整流器和控制器三部分。整流器是由六个全控型开关元件组成的三相桥，其中每支全控型开关元件分别反并联一支二极管，三相桥的直流侧并联电容和负载，交流侧与电机的三相绕组连接；控制器由相电流选择单元、直流电压调节器、相电流调节器和PWM发生器组成；控制器根据三路输入信号，获取当前转子位置、直流电压和相电流信息，输出六路控制信号，控制整流器的六个全控型开关元件的导通与关断，控制电机绕组内部电感储存能量与释放能量以稳定直流电压。与二极管整流方式相比，本发明可拓展无刷直流发电机低速发电能力，扩展发电机速度运行范围与提升发电机输出功率能力。

Description

一种无刷直流发电机可控整流方法
技术领域
本发明涉及一种无刷直流发电机的控制方法，尤其是无刷直流发电机的可控整流方法，较传统二极管不控整流方式，可提高发电能力。本发明适用于车辆，可以拓展无刷直流发电机为车载用电设备和储能元件供电的转速范围。
背景技术
车用发电机在发电运行时，为车载用电设备和储能单元供电。在《QC/T729-2005》中详细规定了汽车用交流发电机技术标准，如：从1000至10000r/min的宽转速发电范围；稳态直流电压波动范围在0.3V以内等指标。
传统爪极发电机具有结构简单、成本低廉等特点，因而常被选为车用发电机，然而其低发电效率的缺点也很明显。与传统爪极发电机相比，永磁无刷直流发电机具有高发电效率、高功率密度、宽转速范围发电、低维护和高可靠性的优异特性，是一种有前景的车用发电机。
对于车用无刷直流发电机，若按照低转速即可输出规定的直流电压标准设计，则需要更多的永磁材料，这增加了发电机的制作成本，此外，高转速的弱磁控制也更加困难。相应地，按照高转速输出规定的直流电压标准设计，可以减少永磁材料的用量，降低成本，因此这种设计方法更为合理。然而，这种方法会引起发电机反电势更低，若采用传统二极管整流方式，会使得低转速发电的容量降低。
发明内容
本发明的目的是：提供一种拓展无刷直流发电机低速发电能力的可控整流方法。该无刷直流发电机控制系统由如下装置组成，包括：电机1、整流器2、控制器3三部分；
电机1是一种永磁无刷直流发电机；
整流器2是由六个全控型开关元件S1-S6（11-16）组成的三相桥，其中每支全控型开关元件分别反并联一支二极管D1-D6（41-46），三相桥的直流侧并联电气负载18，交流侧与电机1的三相绕组连接；
储能元件17是电池或电容，并联在整流器2的直流侧；
控制器3是一种微处理器；
控制器3的输入包含整流器2的直流侧电压UDC，整流器2的直流侧安装一个电压检测元件，电压检测元件的输出连接控制器3的一个输入引脚；
控制器3的输入包含电机1的三相电流，电机1的三相绕组安装上电流检测元件，电流检测元件的输出连接控制器3的输入引脚；
控制器3的输入包含电机1的转子位置信息θg，位置检测元件安装于电机1中，位置检测元件的输出连接控制器3的一个输入引脚或通过计算获取转子位置信息θg；
控制器3通过一组输出引脚与整流器2的六支全控型开关元件S1-S6（11-16）的控制端相连，分别对应输出的控制信号G1-G6。
其中，整流器2的六支全控型开关元件是实现控制目标的执行单元，受六路控制信号G1-G6控制其导通和关断。控制逻辑通过对控制器3进行软件编程实现。
无刷直流发电机可控整流方法是：
根据电机1转子位置信息θg，将反电势的每一个电角度周期分为六个扇区（Ⅰ-Ⅵ），每个扇区占60°电角度。在每个扇区中，三相反电势有一相处于正向峰值+E，另有一相反电势处于反向峰值-E状态，根据电机1转子位置信息θg，确定当前60°电角度扇区内反电势为正向峰值和负向峰值的两相绕组为导通相绕组；控制器3输出PWM形式的控制信号G1-G6，控制整流器2的六支开关元件S1-S6（11-16）的导通和关断状态，使得电流建立于导通相绕组中，另一相绕组内不建立电流。
在PWM处于导通状态时，导通相绕组电感储存能量，直流电气负载18由储能元件17供电；在PWM处于关断状态时，导通相绕组电感释放能量，并与电机1反电势提供的能量共同为储能元件17和直流电气负载18供电；直流电压因此得到提升，并因储能元件17的滤波作用而变得平直。
其中，控制上述导通相绕组电感储存能量的方式有两种：
（1）反电势为正向峰值的绕组与所连接整流器2的对应桥臂中，组成下桥臂的开关元件受PWM信号控制，在导通和关断状态间切换，整流器2的另外五支开关元件均受对应控制信号控制，处于关断状态。在PWM处于导通状态时，电感储存的能量来自于电机1反电势提供的电能；
（2）反电势为正向峰值的绕组与所连接整流器2的对应桥臂中，组成下桥臂的开关元件，以及反电势为负向峰值的绕组与所连接整流器2的对应桥臂中，组成上桥臂的开关元件均受PWM信号控制，在导通和关断状态间切换，整流器2的另外四支开关元件均受对应控制信号控制，处于关断状态。在PWM处于导通状态时，电感储存的能量来自于电机1反电势提供的电能以及储能元件17。
根据上述控制方法，控制器3的控制结构由：直流电压调节器31、相电流选择单元32、相电流调节器33和PWM发生器34四部分组成。其中，直流电压调节器31和相电流调节器33组成整流器2的直流电压UDC/相电流Iph双闭环结构，以控制使UDC稳定于设定值，并限制相电流Iph幅值，防止装置和元件因过流而损坏；相电流选择单元32则根据电机1转子位置信息θg确定当前相电流不为0的两相绕组，并将这两相绕组的电流幅值Iph作为反馈值送入相电流调节器33；PWM发生器34将相电流调节器33的输出控制量转化为PWM信号，并根据电机1的转子位置信息θg确定整流器2中需要受PWM控制的开关元件，并通过控制器3相应的输出引脚输出该PWM信号，控制器3其余的输出引脚均输出关断信号，使整流器2中对应开关元件均处于关断状态。
与传统二极管整流方法相比，本发明具有如下优势：
1、本发明可以拓展无刷直流发电机低速发电能力，输出同样功率的前提下，可降低约30%的发电运行转速，提升了发电机输出功率能力。
2、由于提高了无刷直流发电机的低速发电能力，发电机的运行速度范围得到了拓展。
3、本发明可以减少无刷直流发电机的永磁体用量，降低电机成本，同时保持其高效率、高功率密度、输出直流电压稳定可控等特点。
附图说明
图1是无刷直流发电机可控整流系统结构框图
图2是稳态时PWM信号和相电流对照图
图3是反电势与PWM信号时序逻辑图
具体实施方式
图1所示为无刷直流发电机可控整流系统结构框图，由电机1、整流器2和控制器3三部分组成。其中：
电机1是永磁无刷直流发电机，按照高转速输出规定的直流电压标准设计。
整流器2是一种由六个全控型开关元件11-16（S1-S6）组成的三相桥，该三相桥共由三条相互并联的支路组成，该三条支路中的每一条支路又由两支串联的全控型开关元件组成，其中，第一条支路中开关元件11（S1）与开关元件12（S2）串联、第二条支路中开关元件13（S3）与开关元件14（S4）串联、第三条支路中开关元件15（S5）与开关元件16（S6）串联。其中，由三条支路中的两个并联节点分别引出一条连接线构成直流母线。直流母线作为整流器2的输出端，与储能元件17相连，再与电气负载18相接。整流器2的每一条支路中，相串联的两个开关元件连接中点，作为整流器2的输入端，分别对应连接电机1的相绕组。此外，在每支开关元件11-16（S1-S6）两端分别反并联一支二极管41-46（D1-D6），为续流提供回路。其中，储能元件17是电池或电容；全控型开关元件S1-S6（11-16）优先选择N沟道型MOSFET。
控制器3是微处理器，共包含三路输入引脚和六路输出引脚。控制器3的输入包含整流器2的直流侧电压UDC，整流器2的直流侧安装一个电压检测元件，电压检测元件的输出连接控制器3的一个输入引脚；控制器3的输入包含电机1的三相电流，电机1的三相绕组安装上电流检测元件，电流检测元件的输出连接控制器1的一个输入引脚；控制器3的输入包含电机1的转子位置信息θg，位置检测元件安装于电机1中，位置检测元件的输出连接控制器3的一个输入引脚或通过计算获得转子位置信息θg；控制器3通过一组输出引脚与整流器2的六支全控型开关元件的控制端相连，分别对应输出的控制信号G1-G6。
控制逻辑通过对控制器3进行软件编程实现。
无刷直流发电机可控整流方法是：
根据电机1转子位置信息θg，将反电势的每一个电角度周期分为六个扇区（Ⅰ-Ⅵ），每个扇区占60°电角度。在每个扇区中，三相反电势有一相处于正向峰值+E，另有一相反电势处于反向峰值-E状态，根据电机1转子位置信息θg，确定当前60°电角度扇区内反电势为正向峰值和负向峰值的两相绕组为导通相绕组；控制器3输出PWM形式的控制信号G1-G6，控制整流器2的六支开关元件S1-S6（11-16）的导通和关断状态，使得电流建立于导通相绕组中，另一相绕组内不建立电流。在PWM处于导通状态时，导通相绕组电感储存能量，直流电气负载18由储能元件17供电；在PWM处于关断状态时，导通相绕组电感释放能量，并与电机1反电势提供的能量共同为储能元件17和直流电气负载18供电；直流电压因此得到提升，并因储能元件17的滤波作用而变得平直。
其中，控制上述两相绕组内电感储存能量的方式有两种：
（1）反电势为正向峰值的绕组与所连接整流器2的对应桥臂中，组成下桥臂的开关元件受PWM信号控制，在导通和关断状态间切换，整流器2的另外五支开关元件均受对应控制信号控制，处于关断状态。在PWM处于导通状态时，电感储存的能量来自于电机1反电势提供的电能；
（2）反电势为正向峰值的绕组与所连接整流器2的对应桥臂中，组成下桥臂的开关元件，以及反电势为负向峰值的绕组与所连接整流器2的对应桥臂中，组成上桥臂的开关元件均受PWM信号控制，在导通和关断状态间切换，整流器2的另外四支开关元件均受对应控制信号控制，处于关断状态。在PWM处于导通状态时，电感储存的能量来自于电机1反电势提供的电能以及储能元件17。
根据上述控制方法，控制器3的控制结构如图1所示，由：直流电压调节器31、相电流选择单元32、相电流调节器33和PWM发生器34四部分组成。其中，直流电压调节器31和相电流调节器33组成整流器2的直流电压UDC/相电流Iph双闭环结构，以控制使UDC稳定于设定值，并限制相电流Iph幅值，防止装置和元件因过流而损坏；相电流选择单元32则根据输入的电机1转子位置信息θg的确定当前相电流不为0的两相绕组，并将这两相绕组的电流幅值Iph作为反馈值送入相电流调节器33；PWM发生器34将相电流调节器33的输出控制量转化为PWM信号，并根据电机1的转子位置信息θg确定整流器2中需要受PWM控制的开关元件，并通过控制器3相应的输出引脚输出该PWM信号，控制器3其余的输出引脚均输出关断信号，使整流器2中对应开关元件均处于关断状态。其中，直流电压调节器31和相电流调节器33均可以选择PI调节或滞环调节方式中的一种。
图3为上述第一种电感储能方式下对应的反电势与PWM信号时序逻辑图，示出扇区、电角度、反电势与PWM信号的关系。下面详细分析在第一种储能方式下，当转子位于第Ⅰ扇区内时，图1中各元件及信号的状态。
控制器3中，根据要求将给定值UDC *设定为需要稳定的电压值所对应的数字量，作为直流电压调节器31的给定输入，另一个输入量是通过电压传感器测量整流器2的直流侧电压UDC，并转化为数字量后，作为反馈值送入直流电压调节器31的。直流电压调节器经过PI调节，输出控制量Iph *,该Iph *作为相电流调节器33的给定输入量。相电流选择单元32根据霍尔信号，确定当前A相反电势ea=+Ea=+E，其中E为相反电势幅值，因而选择A相电流检测值IA作为该单元输出量Iph，并作为相电流调节器33的反馈输入量。经PI调节后，相电流PI调节器33输出控制量，并输入到PWM发生器34。PWM发生器34将该控制量转为PWM信号，并依据转子位置信息θg确定图1中需要受PWM信号控制的开关元件为12（S2），将该PWM信号送到G2对应的MCU输出引脚，其余G1与G3-G6对应的MCU输出引脚均为低电平。
在上述信号G1-G6控制下，整流器2中开关元件12（S2）受PWM信号控制在导通和关断状态间切换，开关元件11（S1）、开关元件13-16（S3-S6）均处于关断状态。在第Ⅰ扇区内，由转子位置信息θg可知，A相反电势ea=+Ea=+E，B相反电势eb=-Eb=-E，因而电流建立在A、B两相之间，C相电流为0。在PWM的导通阶段，开关元件12（S2）和二极管44（D4）导通，反电势ea和eb作为电源，电流在A、B两相绕组间自成回路，绕组电感La和Lb储能，其稳态相电流波形如图2中DTS阶段iph所示，而直流电气负载18由储能元件17供电；在PWM的关断阶段，开关元件12（S2）关断，二极管41（D1）和二极管44（D4）导通，反电势ea、eb以及La和Lb两端的感生电压共同作为电源，电流在A、B两相绕组、储能元件17以及直流电气负载18间形成回路，La和Lb释放能量，其稳态相电流波形如图2中（1-D）TS阶段iph所示，储能元件17充电。直流电压因此得到提升，并因储能元件17的滤波作用而变得平直。图中，D为PWM占空比，TS为一个PWM周期。
类似地，第二种电感储能方式下，当转子位于第Ⅰ扇区内时，图1中各元件及信号状态的分析与第一种电感储能方式下的相同。不同的是：
依据转子位置信息θg确定图1中需要受PWM信号控制的开关元件为12（S2）与13（S3），将该PWM信号送到G2与G3对应的MCU输出引脚，其余G1与G4-G6对应的MCU输出引脚均为低电平。在上述信号G1-G6控制下，整流器2中开关元件12（S2）与13（S3）受PWM信号控制在导通和关断状态间切换，开关元件11（S1）、开关元件14-16（S4-S6）均处于关断状态。在第Ⅰ扇区内，由转子位置信息θg可知，A相反电势ea=+Ea=+E，B相反电势eb=-Eb=-E，因而电流建立在A、B两相之间，C相电流为0。在PWM的导通阶段，开关元件12（S2）和13（S3）导通，储能元件17以及反电势ea和eb作为电源，电流在A、B两相绕组以及储能元件间形成回路，La和Lb储能。

Claims (3)

1.一种无刷直流发电机可控整流方法，无刷直流发电机控制系统包括电机（1）、整流器（2）、控制器（3）三部分；
电机（1）为永磁无刷直流发电机；
整流器（2）是由六个全控型开关元件S1-S6（11-16）组成的三相桥，其中每支全控型开关元件分别反并联一支二极管D1-D6（41-46），三相桥的直流侧并联储能元件负载，交流侧与电机（1）的三相绕组连接；
储能元件（17）是电池或电容，并联在整流器（2）的直流侧；
控制器（3）包含三路输入引脚和六路输出引脚；
控制器（3）的输入包含整流器（2）的直流侧电压UDC，整流器（2）的直流侧安装一个电压检测元件，电压检测元件的输出连接控制器（3）的一个输入引脚；
控制器（3）的输入包含电机（1）的三相电流，电机（1）的三相绕组安装上电流检测元件，电流检测元件的输出连接控制器（3）的一个输入引脚；
控制器（3）的输入包含电机（1）的转子位置信息θg，位置检测元件安装于电机（1）中，位置检测元件的输出连接控制器（3）的一个输入引脚或通过计算获得转子位置信息θg；
控制器（3）通过六路输出引脚与整流器（2）的六支全控型开关元件的控制端相连，分别对应输出的控制信号G1-G6；
控制器由直流电压调节器（31）、相电流选择单元（32）、相电流调节器（33）和PWM发生器（34）四部分组成；
其特征在于：将反电势的每一个电角度周期分为六个扇区（Ⅰ-Ⅵ），每个扇区占60°电角度。在每个扇区中，三相反电势有一相处于正向峰值+E，另有一相反电势处于反向峰值-E状态，根据电机1转子位置信息θg，确定当前60°电角度扇区内反电势为正向峰值和负向峰值的两相绕组为导通相绕组；控制器（3）输出PWM形式的控制信号G1-G6，控制整流器（2）的六支开关元件S1-S6（11-16）的导通和关断状态，使得电流建立于导通相绕组中，另一相绕组内不建立电流；
在PWM处于导通状态时，导通相绕组电感储存能量，直流电气负载（18）由储能元件（17）供电；在PWM处于关断状态时，导通相绕组电感释放能量，并与电机（1）反电势提供的能量共同为储能元件（17）和直流电气负载（18）供电。
2.根据权利要求1所述的无刷直流发电机可控整流方法，其特征在于，当电感储存的能量来自于电机（1）反电势提供的电能时，反电势为正向峰值的绕组与所连接整流器（2）的对应桥臂中，组成下桥臂的开关元件受PWM信号控制，在导通和关断状态间切换，整流器（2）的另外五支开关元件均受对应控制信号控制，处于关断状态；在PWM处于导通状态时，电感储存的能量来自于电机（1）反电势提供的电能。
3.根据权利要求1所述的无刷直流发电机可控整流方法，其特征在于，当电感储存的能量来自于电机（1）反电势提供的电能以及储能元件（17）时，反电势为正向峰值的绕组与所连接整流器（2）的对应桥臂中，组成下桥臂的开关元件，以及反电势为负向峰值的绕组与所连接整流器（2）的对应桥臂中，组成上桥臂的开关元件均受PWM信号控制，在导通和关断状态间切换，整流器（2）的另外四支开关元件均受对应控制信号控制，处于关断状态；在PWM处于导通状态时，电感储存的能量来自于电机（1）反电势提供的电能以及储能元件（17）。
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