CN108702112B

CN108702112B - 具有激励的多相同步旋转电力机器的方法和控制设备及相应车辆发电-起动器

Info

Publication number: CN108702112B
Application number: CN201680072877.9A
Authority: CN
Inventors: L.科比兰斯基
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: EP3369168B1; US10355633B2; FR3042927A1; CN108702112A; WO2017072440A1; FR3042927B1; US20180323739A1; EP3369168A1

Abstract

本发明的方法是包括用于驱动机器(12)的模式操作的控制阶段的类型，其中机器的定子(10)的相绕组(u、v、w)中的相的电流，其被连接到由提供预定标称电压(Ubat)的电池(2)供电的车载电力系统，被“全波”控制。根据本发明，在控制阶段之前是开路的定子的预磁化阶段，其中基本上等于标称电压的相之间的电动势峰值由机器的转子(8)的转子励磁电流(Ir)产生。

Description

具有激励的多相同步旋转电力机器的方法和控制设备及相应车辆发电-起动器

技术领域

本发明涉及具有激励的多相同步旋转电力机器的方法和控制设备。

本发明还涉及包括这种设备的车辆发电-起动器(alterno-starter)。

背景技术

考虑到节能和减少污染，特别是在城市环境中，导致汽车制造商为他们的模型配备了自动启动/停止系统，例如盎格鲁-撒克逊语中的“停走(stop and go)”术语。

典型的“停走”情况是在红灯处停车。当车辆停在交通灯处时，热力发动机自动关闭，然后，当交通灯变为绿灯时，通过发电-起动器再次启动发动机，在系统检测到驾驶员踩下离合器踏板后或将驾驶员的意图解释为重新启动他或她的车辆的任何其他行动。

VALEO ELECTRONIQUE在法国专利申请FR2745445中描述了能够用作起动器的三相交流发电机，也就是说作为电动机。

交流发电机电枢输出端上的整流桥也用作电桥来控制电动机的相位，所述桥的臂的功率晶体管由控制单元发出的方波信号序列控制。

“全有或全无”类型的这种全波控制对于本领域技术人员来说是公知的，并且实现起来非常简单。

在最新的发电-起动器中，多相同步旋转电力机器连接到可逆交流/直流转换器或逆变器，其驱动模式下由主电池供电，并在发电模式下由电力机器提供。

数字技术的发展使逆变器能够通过调制脉宽进行控制，通常称为MLI或PWM(英文中的“脉宽调制”)逆变器，以获得对于每个特定操作条件的电力机器的精确控制。

由运行程序的微处理器产生的MLI命令的例子在名为VALEO EQUIPMENTSELECTRIQUES MOTEURS的法国专利申请FR2895597中被描述。

然而，本发明实体面临的问题是限制具有快速旋转的、大量每相极数的电力机器上的逆变器的换向频率。

事实上，导致发出MLI命令的循环报告的软件处理需要MLI信号的频率远高于与机器的转数相对应的电频率(通常大于一个数量级)。

由于限制了逆变器的换向频率，如果每相的极对数很大(电脉冲等于转数乘以每相的极对数)，则很难实现这些比率。

在这些情况下通常使用的解决方案是使用传统方法来控制全波模式中的相位，也就是说，通过基于预定数量的标称旋转在机器的电频率处产生方波。

此外，对于机器工作还需要一种工作模式，在该模式下机器不能以主动方式控制，也不再与电网相互作用。这种模式在发生故障时作为后备模式尤为必要。在没有缺陷的情况下，在机器不需要提供或消耗电能的情况下，也可以使用该模式。

具有绕线励磁的机器的使用使得通过取消转子励磁电流并打开控制开关，以便将机器的相位与车载电力系统隔离，从而可以使用这个模式。这种模式的另一个实施例在于取消转子励磁电流并闭合某些控制开关以使机器的相短路。

然而，本发明实体发现，该被动模式和全波命令之间的突变会产生高峰值电流。

发明内容

因此本发明旨在限制该电流峰值。

更确切地说，本发明涉及一种控制多相同步旋转电力机器的方法，该电力机器具有包括控制阶段的那种类型的激励，其中机器的定子的相绕组中的相位的电流以全波模式被控制。

该机器连接到由电池供电的车载电力系统，该电池提供预定标称电压用于机器以驱动模式操作时。

在本发明的方法中，在全波模式中的这个控制阶段之前是开路的定子的预磁化阶段，其中基本上等于标称电压的相之间的电动势峰值由机器的转子的励磁电流产生。

根据本发明，该预磁化阶段包括根据机器的电脉冲确定转子励磁电流的参考值。

在本发明的方法中，相电流由逆变器控制，在特定实施例中所述逆变器臂，所述臂一方面由通过称为“自举”电容器的换向触发电容器供电的控制电路调节、并将相绕组连接到车载电力系统的正端子的第一功率开关；另一方面由将相绕组连接到该车载电力系统的接地端子的第二电力开关组成，预磁化阶段还包括对这些“自举”电容器施加电荷的序列。

“自举”电容器被理解为意味着被动电源浮动电容器被带到相位的电位。

根据本发明，在这个序列期间，根据转子的电气位置来控制第二电力开关，使得只有具有相之间最低电动势的机器的一个相被换向到接地端子。

再次根据本发明，当转子励磁电流已经达到参考值并且当“自举”电容器被充电时，预磁化阶段被传递到全波控制阶段。

在控制具有激励的本发明的多相同步旋转电力机器的方法中，转子励磁电流由通过由“自举”电容器供电的控制电路调节的换向元件来控制，该“自举”电容器在预磁化阶段之前被充电。

本发明还涉及一种包括电子控制单元的那种的类型的、用于能够实现上述方法的具有激励的多相同步旋转电力机器的控制设备，控制：

-逆变器，其连接到由电池供电的车载电力系统，并且旨在连接到该机器的定子的相绕组；

-控制电路，其连接到车载电力系统并且旨在连接到机器的转子的励磁绕组。

根据本发明，该电子控制单元包括：

-获得机器转数的装置；

-生成控制逆变器的第一信号的第一外围设备；

-将转数与许多预定标称转数进行比较的装置；

-生成控制所述控制电路的第二信号的第二外围设备；

-中央处理单元。

该处理单元执行：

-第一子例程或第二子例程，借助于第一外围设备生成第一信号，以根据比较的装置的状态分别产生第一相位脉宽调制电压或第二全波相电压；

-在第二子例程之前，第三子例程，以根据转数确定转子励磁电流，并借助于第二外围设备生成第二信号，以便在定子中产生磁预磁化通量，以及第四子例程，通过第一外围设备生成第一信号以保持定子开路；

使用所述装置来记住这些第一、第二、第三和第四子例程。

在根据本发明的设备的特定实施例中，逆变器包括由以下形成的臂：

-由“自举”电容器供电的控制电路调节、并将相绕组连接到车载电力系统的正端子的第一电力开关；

-将相绕组连接到车载电力系统的接地端子的第二电力开关；

而第四个子例程还对这些“自举”电容充电。

在根据本发明的设备的另一特定实施例中，控制电路由“自举”电容器供电，并且第三子例程也对该“自举”电容器充电。

将从车辆发电-起动器获得益处，根据本发明该车辆发电-起动器包括具有上述特征的控制设备。

与本领域技术人员显而易见的背景技术相比，这些少数基本说明将具有本发明提供的优点。

下面结合附图给出本发明的详细说明。应该注意的是，这些附图仅旨在说明说明书的文字，而不以任何方式构成对本发明范围的限制。

附图说明

图1是本发明所涉及的类型的具有激励的多相同步旋转电力机器的简化电路图。

图2是由本发明的控制设备控制的三相同步旋转电力机器的简化电路图。

图3是为图2所示的三相同步旋转电力机器供电的逆变器的一个实施例的总体图，该逆变器包括“自举”电容器。

图4示出了相电压、“自举”电容器的端子处的充电电压和图3所示的控制逆变器的第一信号的时序图。

图5a和5b分别取决于电角度，示出了图2所示的三相同步旋转电力机器的各相之间的电动势和在本发明的控制方法的预磁化阶段中的图3所示的控制逆变器的第一信号。

图6是借助于双逆变器由另一发明的控制设备控制的双三相同步电力机器的简化电路图。

图7a和7b分别取决于电角度，示出了图6所示的三相同步旋转电力机器的各相之间的电动势以及在本发明的控制方法的预磁化阶段中控制双逆变器的第一信号。

具体实施方式

本发明的优选实施例对应于从电池2向具有激励的多相旋转电力机器1供电的逆变器。

一般而言，它涉及具有连接到具有半导体的功率桥3的臂B₁、B₂、B_i、B_n的臂的中点的n个相绕组的机器1，如图1所示。

根据已知的布置，功率桥3具有臂B₁、B₂、B_i、B_n，每个臂包括可控半导体开关4，一方面将相绕组连接至电池2的正极B⁺(“高侧”的上半导体开关HS₁、HS₂、HS_i、HS_n)，另一方面，连接到电池2的负极B^-(“低侧”上的下半导体开关LS₁、LS₂、LS_i、LS_n)。

电子控制单元5(或ECU，英文术语“电子控制单元”的首字母缩写词)根据逆变器3的公知操作通过控制信号ComV₁、ComV₂、ComV_i、ComV_n交替地打开和关闭“高侧”和“低侧”开关4，以控制相电压V₁、V₂、V_i、V_n。

所使用的半导体开关4优选为MOSFET型功率晶体管，其本征二极管6提供双向电流特征。

可选地，半导体开关4由诸如双极型功率晶体管7和续流二极管6之类的换向元件7组成。

在此它涉及具有激励的机器1，也就是说其转子8包括转子励磁电流Ir在其流过的励磁绕组，该励磁绕组也根据转数Ω和所需的扭矩通过控制电路9由电子控制单元5调节。

如前文所示，由于半导体开关4的换向频率受到限制，有必要根据机器1的类型，基于4500至5000rpm范围内的标称转数来从逆变器3的MLI控制模式转变为全波控制模式。

该转换可以在不使用本发明的控制方法的情况下在定子10中产生数百安培的电流峰值。

为了减轻这个缺点，本发明的一般原理因此在于，在转换到全波模式之前通过转子励磁电流Ir对开路状态的定子10进行预磁化，使得相之间的电动势峰值基本等于到逆变器3的供电电压Ubat。

转子励磁电流Ir在该预磁化阶段中经受的参考值是机器1的电脉冲的函数，并由以下等式给出：

其中：

ωE是电脉冲，其等于机器1的转数Ω乘以机器1的预定数量的极对；

K_e是转子8和定子10之间的互感；

Φ0是剩余磁通；

V_DC是车载电力系统的标称电压，即电源电压Ubat；

和K等于

现在将通过举例结合图2中所示的具有激励的三相旋转电力机器12的控制设备11或者如图6所示具有激励的双三相旋转电力机器14的另一控制设备13来详细说明本发明的方法。

在图2所示的三相机器12中，逆变器3从车载电力系统向定子10的三相绕组u、v、w供电。

该逆变器3包括由将这些相绕组u、v、w连接到车载电力系统的正端子B⁺的第一电力开关HS₁、HS₂、HS₃和将相绕组u、v、w连接到接地端子15的第二电力开关LS₁、LS₂、LS₃形成的三个臂B₁、B₂、B₃。

电子控制单元5借助第一外围设备16生成控制逆变器3的第一Com信号，并且借助第二外围设备17生成控制在转子的励磁绕组8中流动的转子励磁电流Ir的控制电路9的第二PWM信号。

电子控制单元5还包括用于获取转数Ω并将其与标称转数进行比较的装置18。

存储在存储装置19中的第一子例程或第二子例程由中央处理单元20执行通过第一外围设备16以生成第一Com信号，从而根据比较的装置的状态分别产生第一脉宽调制相电压U、V、W或第二全波相电压U、V、W。

作为第一信号ComUL、ComVL、ComWL的时序图，图4中的ComUH、ComVH、ComWH清楚地表明，当转数Ω大于标称转数时，对于t>t0的相电压U、V、W的全波控制模式FW之前是PreMag阶段，在该PreMag阶段中通过将第一电力开关HS₁、HS₂、HS₃断开(ComUH、ComVH、ComWH永久保持在零电平)而不对定子10供电。

在该PreMag阶段中，存储在存储装置19中并由中央处理单元20执行的第三子例程确定转子励磁电流Ir的参考值，并借助于第二外围设备17生成第二PWM信号，该第二PWM信号使得能够在定子10中产生磁预磁化通量。

结果是相电压U、V、W(即，相之间的电动势FEM，定子10处于开路状态)的有效值缓慢地增加以达到标称电压V_DC，如图4中的21清楚地示出。

如果控制电路9浮动并由“自举”电容器供电，则它由第三子例程充电。

该预磁化是通过执行存储在存储装置19中的第四子例程来实现的，其根据机器12的转子8的电气位置θ生成第一信号ComUL、ComVL、ComWL；ComUH、ComVH、ComWH，使得只有具有相之间的最低电动势FEM的相位u、v、w中的一个换向到接地端子15，如图5a和5b所示。

第二电力开关LS₁、LS₂、LS₃的换向范围未被第一信号ComUL、ComVL、ComWL覆盖，而第一电力开关HS₁、HS₂、HS₃通过第一对应信号ComUH、ComVH、ComWH永久于零电位而保持断开时，定子10处于开路。

在图3所示的逆变器3的特定实施例中，第一和第二电力开关HS₁、HS₂、HS₃、LS₁、LS₂、LS₃由从辅助电压源Vcc供电的控制电路Dr_UH、Dr_VH、Dr_WH、Dr_UL、Dr_VL、Dr_WL调节。

第一浮动开关HS₁、HS₂、HS₃的控制电路Dr_UH、Dr_VH、Dr_WH由“自举”电容器C_UH、C_VH、C_WH供电，并由连接到辅助电压源Vcc的二极管22充电。

在该配置中，当第二电力开关LS₁、LS₂、LS₃处于转变状态时，第四子例程向“自举”电容器C_UH、C_VH、C_WH施加电荷23，这将通过参考图4清楚地理解，(其中Vcapa是“自举”电容器C_UH、C_VH、C_WH的充电电压)，这些“自举”电容器C_UH、C_VH、C_WH一方面连接到接地端子15，另一方面由每个二极管22连接到辅助电压源Vcc。

上述用于三相机器12的本发明的控制方法以类似的方式应用于图6所示的双三相机器14。

这种类型的机器14由两个三相系统构成，其包括两组三相绕组u1、v1、w1；u2、v2、w2，在同一定子10中以预定角度α偏移，最经常地为30°。

每组相绕组u1、v1、w1；u2、v2、w2由逆变器3供电，逆变器3由电子控制单元5的第一外围设备16生成的第一信号Com1、Com2控制。

具有第二外围设备17的该电子控制单元5还生成第二PWM信号，其调节控制转子8中的转子励磁电流Ir的控制电路9。

取决于转数Ω，在第一信号Com1、Com2进入全波控制模式之前，电子控制单元5的中央处理单元20针对每个三相系统执行第三和第四子例程，以确保开路的定子10的预磁化并且如果需要对“自举”电容器C_UH、C_VH、C_WH(如果这些电容器包含在逆变器3中)以及控制电路9的“自举”电容器(如果后者是浮动的)进行充电。

参照图7a和图7b，将清楚地理解，为了通过选择与用于控制三相机器的逆变器3的那些相同的第一信号ComU1L、ComV1L、ComW1L、ComU2L、ComV2L、ComW2L来控制两个逆变器3的第一和第二电力开关HS₁、HS₂、HS₃、LS₁、LS₂、LS₃，定子10保持开路，同时如果需要的话，可以对逆变器3的“自举”电容器C_UH、C_VH、C_WH进行充电。

电子控制单元5优选地被配置为微控制器或微处理器，其固件包括代表本发明方法的指令。

包括逆变器3或两个逆变器3、电子控制单元5和控制电路9的本发明的控制设备11、13有利地集成在车辆发电-起动器的后轴承上。

它涉及现代发电-起动器，其经由集成在微控制器或微处理器5中的LIN型接地网络的接口24与车辆的发动机控制单元通信。

随着电流峰值降低，半导体换向元件4不需要过大。

改进非常明显：由本发明实体在标准发电-起动器上进行的测试使得能够注意到，在转子励磁电流Ir为2A的参考值的情况下，在达到4750rpm的全波控制时，没有预磁化的300Aeff的定子强度被降低到50Aeff。

这导致成本削减，这使得本发明的发电-起动器具有无可置疑的竞争优势。

不用说，本发明不限于上述的唯一优选实施例。

相电压U、V、W；U1、V1、W1；U2、V2、W2的时序图仅作为示例被给出用于三相机器12和双三相机器14；类似的时序图可以说明涉及具有更多阶段的机器1的描述。

用于标称转数的数字值范围是由申请人已经销售的一种类型的发电-起动器给出的，本发明的方法和设备旨在对其进行改善。

其他数字值将根据其他类型或型号的机电特性预先确定。

因此，本发明包括将保留在由以下权利要求限定的框架内的所有可能的替代实施例。

Claims

1.一种控制具有激励的多相同步旋转电力机器(1、12、14)的方法，其中所述机器的定子(10)的相绕组连接到逆变器(3)，在所述逆变器(3)从脉宽调制模式切换到全波控制模式的情况下，所述方法包括控制阶段，在所述控制阶段中，当所述机器(1、12、14)以驱动模式操作时，连接到由提供预定标称电压(Ubat)的电池(2)供电的车载电力系统的所述机器(1、12、14)的定子(10)的相绕组(u、v、w；u1、v1、w1；u2、v2、w2)中的相的电流被全波(FW)控制，其特征在于，所述控制阶段之前是开路状态的所述定子(10)的预磁化(PreMag)阶段，在所述预磁化阶段中，基本上等于所述标称电压(Ubat)的、相之间的电动势峰值由所述机器(1、12、14)的转子(8)的转子励磁电流(Ir)产生。

2.根据权利要求1所述的控制具有激励的多相同步旋转电力机器(1、12、14)的方法，其特征在于，所述预磁化阶段包括根据所述机器(1、12、14)的电脉冲，确定所述转子励磁电流(Ir)的参考值。

3.根据权利要求2所述的控制具有激励的多相同步旋转电力机器(1、12、14)的方法，其特征在于，所述参考值由以下等式给出：

其中：

ωE是所述电脉冲，等于所述机器(1、12、14)的转数(Ω)乘以所述机器(1、12、14)的预定数目的极对；

K_e是所述转子(8)和所述定子(10)之间的互感；

Φ0是剩余磁通；

V_DC是所述标称电压(Ubat)；

以及K等于

4.根据权利要求3所述的控制具有激励的多相同步旋转电力机器(1、12、14)的方法，其特征在于，相电流由包括臂(B₁、B₂、B₃)的逆变器(3)控制，所述臂一方面由通过“自举”电容器(C_UH、C_VH、C_WH)供电的控制电路(Dr_UH、Dr_VH、Dr_WH)控制、并将所述相绕组(u、v、w；u1、v1、w1；u2、v2、w2)连接到车载电力系统的正端子(B⁺)的第一电力开关(HS₁、HS₂、HS₃)组成；以及另一方面由将所述相绕组(u、v、w；u1、v1、w1；u2、v2、w2)连接到所述车载电力系统的接地端子(15)的第二电力开关(LS₁、LS₂、LS₃)组成，所述预磁化阶段还包括对所述“自举”电容器(C_UH、C_VH、C_WH)施加电荷(23)的序列。

5.根据权利要求4所述的控制具有激励的多相同步旋转电力机器(1、12、14)的方法，其特征在于，在所述序列期间，根据所述转子(8)的电气位置(θ)控制所述第二电力开关(LS₁、LS₂、LS₃)，使得只有具有相之间的最低电动势(FEM)的、所述机器(1、12、14)的每组相绕组(u、v、w；u1、v1、w1；u2、v2、w2)中的一个相绕组被连接到所述接地端子(15)。

6.根据权利要求5所述的控制具有激励的多相同步旋转电力机器(1、12、14)的方法，其特征在于，当所述转子励磁电流(Ir)达到所述参考值并且当所述“自举”电容器(C_UH、C_VH、C_WH)被充电时，所述预磁化(PreMag)阶段被传递到所述控制阶段。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制具有激励的多相同步旋转电力机器(1、12、14)的方法，其特征在于，所述转子励磁电流(Ir)由通过由“自举”电容器供电的控制电路(9)调节的换向元件控制，所述“自举”电容器在所述预磁化(PreMag)阶段之前被充电。

8.一种能够实现根据权利要求1至7中任一项所述的方法的具有激励的多相同步旋转电力机器(1、12、14)的控制设备(11、13)，包括电子控制单元(5)，一方面控制逆变器(3)，其中所述逆变器(3)连接到由电池(2)供电的车载电力系统并且连接到所述机器(1、12、14)的定子(10)的相绕组(u、v、w；u1、v1、w1；u2、v2、w2)，并且另一方面控制控制电路(9)，其中所述控制电路(9)连接到所述车载电力系统并且连接到所述机器(1、12、14)的转子(8)的励磁绕组，其特征在于，所述电子控制单元(5)包括：

-用于获取所述机器(1、12、14)的转数(Ω)的装置(18)；

-第一外围设备(16)，用于生成控制所述逆变器(3)的第一信号(Com、Com1、Com2)；

-将所述转数(Ω)与预定标称转数进行比较的装置；

-第二外围设备(17)，用于生成调节所述控制电路(9)的第二PWM信号；

-中央处理单元(20)，一方面通过所述第一外围设备(16)执行第一子例程或第二子例程以生成所述第一信号(Com、Com1、Com2)以便根据所述比较的装置的状态分别产生第一脉冲宽度调制相电压或第二全波相电压(U、V、W)，并且另一方面，在所述第二子例程之前，执行第三子例程以根据所述转数(Ω)确定转子励磁电流(Ir)并借助于所述第二外围设备(17)以生成所述第二PWM信号以便在所述定子(10)中产生磁性预磁化通量，以及执行第四子例程，借助于所述第一外围设备(16)以生成所述第一信号(Com、Com1、Com2)，以便保持所述定子(10)处于开路状态；

-存储所述第一、第二、第三和第四子例程的装置(19)。

9.根据权利要求8所述的具有激励的多相同步旋转电力机器(1、12、14)的控制设备(11、13)，其特征在于，所述逆变器(3)包括臂(B₁、B₂、B₃)，所述臂一方面由通过“自举”电容器(C_UH、C_VH、C_WH)供电的控制电路(Dr_UH、Dr_VH、Dr_WH)调节、并将所述相绕组(u、v、w；u1、v1、w1；u2、v2、w2)连接到车载电力系统的正端子(B⁺)的第一电力开关(HS₁、HS₂、HS₃)组成；以及另一方面由将所述相绕组(u、v、w；u1、v1、w1；u2、v2、w2)连接到所述车载电力系统的接地端子(15)的第二电力开关(LS₁、LS₂、LS₃)组成，所述第四子例程还对所述“自举”电容器(C_UH、C_VH、C_WH)施加电荷(23)。

10.根据权利要求8所述的具有激励的多相同步旋转电力机器(1、12、14)的控制设备(11、13)，其特征在于，所述控制电路(9)由“自举”电容器供电，所述第三子例程也向所述“自举”电容器施加电荷。

11.一种车辆发电-起动器，其特征在于，所述车辆发电-起动器包括根据权利要求8至10中任一项所述的控制设备(11、13)，用于以驱动模式操作时。