CN108063571B - 电流相位控制式调压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流相位控制式调压器，包括单片机MCU、MOS管、电池电压采样电路、输出电流采样电路和相线电流采样电路、以及霍尔位置传感器；单片机MCU通过MOS驱动器与MOS管相连，以对磁电机的输出相线通电和换相；输出电流采样电路和相线电流采样电路分别用于对三相全桥整流电路的输出电流和磁电机的相电流电流进行采样，电池电压采样电路用于采集蓄电池电压，所述霍尔位置传感器为三个，霍尔位置传感器检测到的霍尔信号经电平变换电路后与单片机MCU相连。本发明能够有效降低发热、油耗、以及噪声，提高效率，同时能够提高输出电压控制精度，并且有非常高的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及发动机启动控制器技术领域，尤其涉及一种电流相位控制式调压器。
背景技术
现有摩托车发电系统为永磁电机+调压器，摩托车调压器分为短路式和开关式，短路式消耗功率大，损耗发动机输出功率，影响提速性能，增加油耗。而开关式存在噪声大、摩擦力矩大的问题，并且容易出现失控，减短电瓶寿命甚至烧毁车身负载；且两者均使用晶闸管为功率器件，发热高，效率低。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有调压器发热高、效率低，油耗高，噪声大，并且输出电压控制精度差，可靠性低的问题，提供一种电流相位控制式调压器，能够有效降低发热、油耗、以及噪声，提高效率，同时能够提高输出电压控制精度，并且有非常高的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种电流相位控制式调压器，其特征在于：包括单片机MCU、MOS管、电池电压采样电路、输出电流采样电路和相线电流采样电路、以及霍尔位置传感器；其中：
所述MOS管为6个，组成三相全桥整流电路；单片机MCU通过MOS驱动器与MOS管相连，以对磁电机的输出相线通电和换相；
输出电流采样电路和相线电流采样电路分别用于对三相全桥整流电路的输出电流和磁电机的相电流电流进行采样，然后将电流信号传送至与单片机MCU；电池电压采样电路用于采集蓄电池电压，然后将电流信号传送至与单片机MCU；
所述霍尔位置传感器为三个，设置于磁电机定子上并绕定子圆周均匀分布，相邻两霍尔位置传感器之间的弧度为120°；霍尔位置传感器检测到的霍尔信号经电平变换电路后与单片机MCU相连。
进一步地，所述单片机MCU的调压过程如下：
1)启动后进行初始化；
2)读取霍尔信号：三个霍尔传感器在每个电周期内将产生六个不同的逻辑状态，通过三个霍尔传感器的信号组合，确定转子的位置；
3)计算转子位置和转速：通过定时器采集两次霍尔信号跳变的时间差，计算得到转子的转速；
4)读取电池电压；
5)计算移相角：
对于三相星形连结磁电机，期望转矩：
式中：Te为期望转矩，P为磁电机级数，Vm为输入相电压峰值，Ld、Lq分别为永磁电机绕组的d轴和q轴电感量，λaf为永磁体磁链；
根据上式计算出移相角α为转子速度ωr与期望转矩Te的二维函数：
α＝K(Te，ωr)；
当磁电机工作在发电状态时，期望转矩与所发电功率的关系表示为：
式中：U为输出电压，I为输出电流；
6)换相控制：
根据步骤5)得到的移相角，换算得到通电持续时间t：
t＝α·ωr；
该通电持续时间结束时，触发用于控制三相全桥整流电路的MOS驱动器进行换相。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、降低调压器发热，延长功率器件寿命：传统调压器功率器件为可控硅，工作压降1.2V左右，按20A电流，连续工作计算，热损耗达到24W；本方案使用MOS管，单颗MOS管内阻约10mΩ，按20A电流连续工作计算，热损耗4W,远低于可控硅。
2、提高能源利用效率：因为工作在电流相位控制方式下的磁电机相当于通过超前相位的电流对磁电机进行了驱动，使得发动机带动此状态下的磁电机运转比带动相线悬空下的磁电机工作需要更少的能量。
3、降低发磁电机噪音：此点主要针对开关式调压器，因为开关式调压器存在人耳可听见频率的开关，而本方案则不存在噪音。
4、提高可靠性和输出电压精度：使用MCU控制，有高精度的采样电路和精准的控制环路，以及完善的错误检测机制；
5、相同永磁电机，可在低速获得更高输出功率：对于可控硅作为功率器件的调压器，要减去1.2V压降，若是组成全桥，则需要减去2.4V左右的压降，在低速时，磁电机输出电压不高，本方案在低速时输出功率非常可观。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图；
图2为调压流程图。
图3为霍尔信号与控制波形的对应关系图。
图4为霍尔波形与反电动势及控制电压波形图，其中正弦波为反电动势，灰色方波为控制电压。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1、图2，在本发明中，以输出电压为控制目标，根据输出电压的情况实时调相位超前角。简单来说，当电压过高时则增大相位超前角，电压偏低则减小相位超前角，以达到输出电压恒定的效果。具体方案如下：
一种电流相位控制式调压器，包括单片机MCU、MOS管、电池电压采样电路、输出电流采样电路和相线电流采样电路、以及霍尔位置传感器。其中：
所述MOS管为6个，组成三相全桥整流电路；单片机MCU通过MOS驱动器与MOS管相连，以对磁电机的输出相线通电和换相(例如从A相通电的状态换到B相通电的状态)。
输出电流采样电路和相线电流采样电路分别用于对三相全桥整流电路的输出电流和磁电机的相电流电流进行采样(其中，输出电流是指调压器对外输出的电流，也就是提供给蓄电池及车身负载的电流；相电流指流过磁电机相线的电流)，然后将电流信号传送至与单片机MCU。电池电压采样电路用于采集蓄电池电压，然后将电流信号传送至与单片机MCU。
所述霍尔位置传感器为三个，设置于磁电机定子上并绕定子圆周均匀分布，相邻两霍尔位置传感器之间的弧度为120°；霍尔位置传感器检测到的霍尔信号经电平变换电路后与单片机MCU相连。
所述单片机MCU的调压过程如下：
1)启动后进行初始化。
2)读取霍尔信号：三个霍尔传感器在每个电周期内将产生六个不同的逻辑状态，通过三个霍尔传感器的信号组合，确定转子的位置。
3)计算转子位置和转速：通过定时器采集两次霍尔信号跳变的时间差，计算得到转子的转速。
4)读取电池电压；MCU根据读取到的实际电压进行闭环控制。
5)计算移相角：
对于三相星形连结磁电机，期望转矩：
式中：Te为期望转矩，P为磁电机级数，Vm为输入相电压峰值，Ld、Lq分别为永磁电机绕组的d轴和q轴电感量，λaf为永磁体磁链；
根据上式计算出移相角α为转子速度ωr与期望转矩Te的二维函数：
α＝K(Te，ωr)； (2)
其中：K代表经(式1)变换后等式中复杂的常量部分；
当磁电机工作在发电状态时，期望转矩与所发电功率的关系表示为：
式中：U为输出电压，I为输出电流。
6)换相控制：
根据步骤5)得到的移相角，换算得到通电持续时间t：
t＝α·ωr； (4)
该通电持续时间结束时，触发用于控制三相全桥整流电路的MOS驱动器进行换相。
本发明根据电瓶电压计算移相角度，并且限定移相角最大最小值(其中，0即是最小值，若小于0，则意味着移相角超前了转子一步；根据步骤6)得到的时间，与每次霍尔状态的时间长度比较，最大不超过单次霍尔状态时间，也就是移相角的最大值，如附图3所示，A相电压左移至黑色箭头位置即移相角最小值，红色箭头所示位置为最大值)；从而对磁电机进行精确控制调压。
电路框图如附图1所示，实例中采用三相永磁电机，安装了互差120°的霍尔位置传感器。霍尔信号上升边沿与磁电机反电动势由负向正的过零点对齐。
附图4中的PhaseABC为控制波形，即通过三相全桥加在磁电机相线上的电压波形。图4中所示的偏移角为40°。此实例中使用单片机控制，通过单片机片上ADC检测电池电压，与目标电压值比较，进行偏移角度调节，可实现稳压输出。配合PI控制器，输出电压精度可维持在±0.1V，负载变动时的最大电压变化不超过±0.5V。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种电流相位控制式调压器，其特征在于：包括单片机MCU、MOS管、电池电压采样电路、输出电流采样电路和相线电流采样电路、以及霍尔位置传感器；其中：
所述MOS管为6个，组成三相全桥整流电路；单片机MCU通过MOS驱动器与MOS管相连，以对磁电机的输出相线通电和换相；
输出电流采样电路和相线电流采样电路分别用于对三相全桥整流电路的输出电流和磁电机的相电流电流进行采样，然后将电流信号传送至与单片机MCU；电池电压采样电路用于采集蓄电池电压，然后将电流信号传送至与单片机MCU；
所述霍尔位置传感器为三个，设置于磁电机定子上并绕定子圆周均匀分布，相邻两霍尔位置传感器之间的弧度为120°；霍尔位置传感器检测到的霍尔信号经电平变换电路后与单片机MCU相连；
所述单片机MCU的调压过程如下：
1)启动后进行初始化；
2)读取霍尔信号：三个霍尔传感器在每个电周期内将产生六个不同的逻辑状态，通过三个霍尔传感器的信号组合，确定转子的位置；
3)计算转子位置和转速：通过定时器采集两次霍尔信号跳变的时间差，计算得到转子的转速；
4)读取电池电压；
5)计算移相角：
对于三相星形连结磁电机，期望转矩：
式中：Te为期望转矩，P为磁电机级数，Vm为输入相电压峰值，Ld、Lq分别为永磁电机绕组的d轴和q轴电感量，λaf为永磁体磁链；
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| CN101110559A (zh) * | 2006-07-20 | 2008-01-23 | 比亚迪股份有限公司 | 一种混合动力车用永磁同步发电机的控制系统 |
| CN102111102A (zh) * | 2009-12-24 | 2011-06-29 | 株式会社电装 | 具有改进的相电流的相位可控性的发电机 |
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