CN109072854B - 起动内燃发动机的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于起动内燃发动机的方法和系统。本发明涉及一种用于起动内燃发动机的方法。该方法包括以下步骤：(a)接收起动信号；(b)确定转子相对于定子相绕组的初始位置；(c)向与转子的所确定的初始位置对应的定子绕组施加脉宽调制(PWM)信号；(d)确定定子电流变化的阈值；(e)响应于所施加的脉宽调制信号而测量定子绕组的电流，以确定电流变化；(f)如果电流变化大于所述阈值，则确定更新后的转子位置，向与更新后的转子位置对应的定子绕组施加脉宽调制信号，并且重复步骤(d)‑(f)；以及(g)如果电流变化小于所述阈值，则向与最后更新后的转子位置对应的定子绕组施加脉宽调制信号并且重复步骤(d)‑(g)。

Description

起动内燃发动机的方法和系统
技术领域
本发明涉及起动内燃发动机，并且更具体地，涉及用于起动与永磁电机联接的内燃发动机的方法和系统。
背景技术
通常，出于起动内燃(IC)发动机和产生电力的目的，使用集成起动机-发电机(ISG)系统。通常，ISG系统具有与车辆曲轴连接的单个电机。为了起动IC发动机，使电机旋转，进而使曲轴旋转。在自持燃烧过程可在IC发动机内开始之前，此旋转应该处于足够高的速度。在发电操作期间，曲轴使电机旋转，以产生为电池充电并且为车辆的其他电负载供电所需的电力。
在传统的ISG系统中，电子控制单元(ECU)放置在电池和车辆的电机之间，其中，ECU调节电池和电机之间的电力的双向流动。在发动机起动操作期间，ECU从电池汲取电力，并且供给电力以驱动电机，而在发电操作期间，它调节来自电机的电力流动，以为电池充电并且还向其他电负载供电。
大多数ISG系统使用永磁无刷电机(BLDC机器)。这些机器由多相绕组所制成的定子和永磁体所制成的转子组成。为了ISG系统进行最佳操作，ECU需要相对于电机转子位置以特定顺序激励定子绕组。就这方面，通常使用多个基于霍尔效应的传感器来感测转子位置。这些传感器放置在定子绕组内，或者使用单独的磁环来触发基于霍尔效应的传感器。在任一种情况下，都需要将传感器放置在IC发动机的壳体内。基于霍尔效应的传感器的替代是使用曲轴的绝对角度传感器。然而，这些传感器也需要放置在发动机壳体内。
由于这些传感器放置在发动机壳体内，因此它们经受诸如高温和振动的严苛操作条件，这使得它们往往会失效。另外，安装传感器需要特殊的布置，这使成本增加并且占据了发动机壳体内的空间。此外，需要使用导线将传感器连接到ECU，以便将来自传感器的信号提供给ECU。出于此目的，还需要提供从传感器到ECU的导线布线。另外，对导线的任何损坏都会有损ISG系统的操作。
鉴于以上，本领域中需要至少解决以上提到的问题。
发明内容
因此，在一方面，本发明提供了一种用于起动与永磁电机联接的内燃发动机的方法。该永磁电机包括：转子，其具有多个永磁体磁极；以及定子，其具有设置在定子上的多个相绕组，每个相绕组都包括多个线圈。该方法包括以下步骤：(a)接收起动信号；(b)确定所述转子相对于定子相绕组的初始位置；(c)向与转子的所确定的初始位置对应的定子绕组施加脉宽调制信号；(d)确定定子电流变化的阈值；(e)响应于所施加的脉宽调制信号而测量所述定子绕组的电流，以确定电流变化；(f)如果所述电流变化大于所述阈值，则确定更新后的转子位置，向与更新后的转子位置对应的所述定子绕组施加脉宽调制信号；并且重复步骤(d)-(f)；以及(g)如果所述电流变化小于所述阈值，则向与最后更新后的转子位置对应的所述定子绕组施加脉宽调制信号并且重复步骤(d)-(g)。
在另一方面，本发明提供了一种用于起动与永磁电机联接的内燃发动机的系统。该永磁电机包括：转子，其具有多个永磁体磁极；以及定子，其具有设置在定子上的多个相绕组，每个相绕组都包括多个线圈。该系统包括：控制单元，其与所述永磁电机联接；以及电源，其连接到所述控制单元。所述控制单元被配置成：(a)接收起动信号；(b)确定所述转子相对于定子相绕组的初始位置；(c)向与转子的所确定的初始位置对应的定子绕组施加脉宽调制信号；(d)确定所述定子电流变化的阈值；(e)响应于所施加的脉宽调制信号而测量所述定子绕组的电流，以确定电流变化；(f)如果所述电流变化大于所述阈值，则确定更新后的转子位置，向与更新后的转子位置对应的所述定子绕组施加脉宽调制信号，并且重复步骤(d)-(f)；以及(g)如果所述电流变化小于所述阈值，则向与最后更新后的转子位置对应的所述定子绕组施加脉宽调制信号并且重复步骤(d)-(g)。
附图说明
将参照本发明的实施方式，在附图中会例示这些实施方式的示例。这些图旨在是例示性的，而非限制性的。虽然总体上在这些实施方式的背景下描述了本发明，但是应该理解，并不旨在将本发明的范围限于这些特定实施方式。
图1例示了根据本发明的实施方式的用于起动内燃发动机的系统的示意图。
图2例示了根据本发明的实施方式的控制单元的架构。
图3示出了根据本发明的实施方式的用于起动内燃发动机所采取的步骤的流程图。
图4示出如从电机的有源端子看到的电机的等效电路。
图5示出电机的电感和转子的位置之间的关系。
图6是根据本发明的实施方式的在确定转子初始位置的同时获得的结果的图形表示。
图7是根据本发明的实施方式的电流变化和基于电流变化的换向的图形表示。
图8示出电流纹波和确定换向的改变的时间之间的关系。
具体实施方式
本发明涉及用于起动与永磁电机联接的内燃发动机的方法和系统。
图1例示了根据本发明的实施方式的用于控制电机130以实现内燃发动机的期望的起动的系统100的示意图。永磁电机包括：转子，其具有多个永磁体磁极；以及定子，其具有设置在定子上的多个相绕组，每个相绕组都包括多个线圈。
如所示出的，控制单元110连接到电源120和电动机130。在这方面，控制单元可以是车辆的专用的或车载的电子控制单元(ECU)。电源可以是车辆的电池。
基于ECU所接收的电动机的电压、电流、速度等形式的各种输入，ECU确定转子的位置，并且还提供基于转子位置激励相关定子绕组必备的信号。
图2例示了根据本发明的实施方式的控制单元的架构。ECU包括用于选择性地将电池端子与电机端子连接的一组电源开关220。由控制电路或电源开关驱动电路240驱动电源开关。电流感测电路230以可被中央处理单元(CPU)240读取的形式转换流过电机或流过电池的电流。
基于从电流感测电路接收的输入和其它参数，CPU确定转子的位置并且向控制电路发送命令，控制电路致动适当的电源开关，以将电机的选定端子连接到电池端子。
图3示出了根据本发明的实施方式的控制集成式起动机-发电机所采取的步骤的流程图。在步骤3A，CPU检查是否接收到起动命令。如果没有收到起动命令，则CPU保持在步骤3A。如果接收到起动命令，则在步骤3B，CPU确定转子相对于定子相绕组的初始位置。
为了确定转子相对于定子相绕组的初始位置，CPU选择一对定子相绕组，并且在选定的一对定子相绕组上施加电压信号达预定的时间。针对选定绕组中的每个执行电流测量。基于所测得电流最大的一对定子相绕组来确定转子的初始位置。在步骤3C，CPU向与所确定的转子初始位置对应的定子绕组施加脉宽调制(PWM)信号。
参照图4，其描绘了当施加特定定子激励时从有源电机端子看到的电机的等效电路。当施加特定定子激励时，在定子内建立磁场。对于用给定量的定子电流进行的给定定子激励，从有源电机端子看到的电机的电感随转子位置的变化而变化，如图5中所示。当转子磁场与定子激励磁场对准时，定子材料进入磁饱和。由于电感与BH曲线的斜率成正比，因此从有源电机端子看到的电感减小。利用这种随转子位置的变化而变化并且随定子激励的变化而变化的电感改变来检测初始转子位置并且当转子在电机运行期间移动时更新定子激励。
图6是根据本发明的实施方式的在确定转子初始位置的同时获得的结果的图形表示。它示出了典型初始位置估计过程的结果，该结果表明了由电流测量电路针对两个不同转子位置的一组命令检测到的电流。如从图中看出的，电流测量电路针对所有命令检测到的电流不是相同的。对应于一条命令检测到的电流显著大于其他命令。对于不同的转子位置，与更大电流对应的命令是不同的。
因此，通过观察检测到的电流最大的命令，可以确定转子位置。
在步骤3D中，CPU确定定子电流变化的阈值。在这方面，测量瞬时或平均的电池电压连同瞬时或平均的发动机速度。此后，基本上在PWM周期开始时并且基本上在PWM周期结束时测量定子电流。基于这些测量，确定阈值。
在步骤3E，CPU响应于所施加的PWM信号而测量定子绕组的电流，以确定电流变化。在步骤3F，将电流变化与在步骤3D中确定的阈值进行比较。在电流变化大于阈值的情况下，在步骤3G确定更新后的转子位置，并且向与更新后的转子位置对应的定子绕组施加PWM信号。在电流变化小于阈值的情况下，在步骤3H，向与转子的最后更新后的位置对应的定子绕组施加PWM信号，并且测量响应于所施加PWM信号的定子绕组的电流，以确定电流变化。
图7是根据本发明的实施方式的电流变化和基于电流变化的换向的图形表示。PWM控制序列由所选择的电机端子连接到电池端子的开时间(on-time)和允许电机端子中的电流循环通过电源开关的关时间(off-time)组成。如图中所示，在PWM控制的开时间期间，电流测量电路的输出上升，而在关时间期间，电流测量电路的输出由于电机绕组电阻中和电源开关中的能量损失而下降。PWM操作期间上升和下降的程度随电机电感的变化而变化。电感越高，导致对电流变化的抵抗越高，从而导致上升和下降程度更低，而电感越低，导致对电流变化的抵抗越低，从而导致上升和下降程度更高。此外，如之前所述，电机的电感随转子位置的变化而变化。因此，当电机运行时，其转子位置进而电感周期性改变。电感的这种改变导致电流上升和下降的程度改变。因此，通过观察电流的这种上升和下降的程度，可以确定激励序列何时需要改变。在这方面，图8示出了电流纹波和确定换向改变的时间之间的关系。当波纹电流超过阈值时，换向发生改变。
在本发明的实施方式中，在步骤3G或3H之后，CPU确定发动机的速度。在确定发动机的速度大于阈值的情况下，该方法终止。然而，在确定发动机的速度小于阈值的情况下，确定定子绕组中的电流变化，以更新定子绕组的激励。
有利地，使用上文中描述的ECU架构，可以在没有任何传感器的情况下执行内燃发动机的起动。
虽然已经相对于特定实施方式描述了本发明，但是本领域的技术人员应该清楚，在不脱离随附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可进行各种改变和修改。

Claims (4)

1.一种用于起动内燃发动机的方法，所述发动机与永磁电机联接，所述永磁电机包括转子以及定子，该转子具有多个永磁体磁极，该定子具有设置在该定子上的多个相绕组，每个相绕组包括多个线圈，该方法包括以下步骤：
（a）接收起动信号；
（b）确定所述转子相对于定子相绕组的初始位置；
（c）向与所述转子的所确定的初始位置对应的定子绕组施加脉宽调制信号；
（d）确定定子电流变化的阈值；
（e）响应于所施加的脉宽调制信号而测量所述定子绕组的电流，以确定电流变化；
（f）如果电流变化大于所述阈值，则确定更新后的转子位置，向与更新后的转子位置对应的所述定子绕组施加脉宽调制信号，并且重复步骤（d）-（f）；以及
（g）如果电流变化小于所述阈值，则向与最后更新后的转子位置对应的所述定子绕组施加脉宽调制信号并且重复步骤（d）-（g）。
2.根据权利要求1所述的用于起动内燃发动机的方法，其中，确定所述定子电流变化的阈值的步骤包括：
测量瞬时或平均电池电压；
测量瞬时或平均发动机速度；
基本上在脉宽调制周期开始时以及基本上在脉宽调制周期结束时测量定子电流；以及
基于所测量的电池电压、发动机速度和定子电流来确定所述阈值。
3.根据权利要求1或2所述的用于起动内燃发动机的方法，其中，确定所述转子相对于定子相绕组的初始位置的步骤包括：
（a）选择一对定子相绕组；
（b）在选择的一对定子相绕组上施加电压信号达预定的时间；
（c）测量流过选择的绕组的电流；
（d）针对新选择的一对定子相绕组重复步骤（a）-（c）；以及
（e）基于所测量的电流最大的一对定子相绕组来确定所述转子的位置。
4.一种用于起动内燃发动机的系统，所述发动机与永磁电机联接，所述永磁电机包括转子以及定子，该转子具有多个永磁体磁极，该定子具有设置在该定子上的多个相绕组，每个相绕组包括多个线圈，该系统包括：
控制单元，其与永磁电机联接并且被配置成：
（a）接收起动信号；
（b）确定所述转子相对于定子相绕组的初始位置；
（c）向与所述转子的所确定的初始位置对应的定子绕组施加脉宽调制信号；
（d）确定所述定子电流变化的阈值；
（e）响应于所施加的脉宽调制信号而测量所述定子绕组的电流，以确定电流变化；
（f）如果电流变化大于所述阈值，则确定更新后的转子位置，向与更新后的转子位置对应的所述定子绕组施加脉宽调制信号，并且重复步骤（d）-（f）；以及
（g）如果电流变化小于所述阈值，则向与最后更新后的转子位置对应的所述定子绕组施加脉宽调制信号并且重复步骤（d）-（g）；以及
电源，其连接到所述控制单元。
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