CN109779808A - 用于操作内燃发动机的起动器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃发动机的起动器包括多相无刷电动马达、控制器和逆变器。一种用于控制起动器的方法包括响应于激活命令确定用于操作电动马达的初始电流命令。监测提供给电动马达的电流和电动马达的输出构件的旋转位置。在没有中间电流预测步骤的情况下直接监测电流。基于初始电流命令和监测的电流确定中间电压命令，并且通过使中间电压命令经受电压限制来确定最终电压命令。基于电动马达的旋转位置和转速确定旋转位置补偿项，并且基于最终电压命令和旋转位置补偿项来控制逆变器的操作以控制电动马达。

Description

用于操作内燃发动机的起动器的方法和装置

引言

内燃发动机采用电动起动器，其能够旋转发动机曲轴作为发动机起动过程的一部分。

发明内容

描述了一种用于内燃发动机的起动器，其包括多相无刷电动马达、控制器和逆变器。一种用于控制起动器的方法包括响应于激活命令确定用于操作电动马达的初始电流命令。监测提供给电动马达的电流和电动马达的输出构件的旋转位置。在没有中间电流预测步骤的情况下直接监测电流。基于初始电流命令和监测的电流确定中间电压命令，并且通过使中间电压命令经受电压限制来确定最终电压命令。基于电动马达的旋转位置和转速确定旋转位置补偿项，并且基于最终电压命令和旋转位置补偿项来控制逆变器的操作以控制电动马达。

本公开的一个方面包括响应于起动内燃发动机的激活命令确定用于操作电动马达的初始电流命令。

本公开的另一方面包括经由解耦电流控制器元件基于初始电流命令和反馈电流确定中间电压命令。

本公开的另一方面包括中间电压命令基于初始电流命令和反馈电流采用比例/积分器控制例程，其中积分器经受动态积分器钳位元件。

本公开的另一方面包括中间电压命令是空间矢量电压命令，包括d轴中间电压命令和q轴中间电压命令，其中动态积分器钳位元件包括d标度电压限制和q标度电压限制。基于中间d轴电压命令和系统电压确定d标度电压限制，并且基于中间q轴电压命令和系统电压确定q标度电压限制。d轴中间电压命令动态地经受d标度电压限制，q轴中间电压命令动态地经受q标度电压限制。

本公开的另一方面包括经由传感器监测传递到电动马达的电流和小齿轮的旋转位置。

结合附图，通过以下对一些最佳模式的详细描述和用于实现如所附权利要求中限定的本教导的其他实施例，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点中是非常清楚的。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述一个或多个实施例，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的可设置在内燃发动机上的起动器；

图2和图3示意性地示出了根据本发明的用于控制参考图1描述的起动器的实施例的操作以实现发动机起动的控制例程的细节；以及

图4以图形方式示出了根据本公开的与采用参考图2和图3描述的控制例程的起动器的实施例的操作相关联的参数。

应当理解，附图不一定按比例绘制，并且呈现如本文所公开的本公开的各种优选特征的略微简化的表示，包括例如具体的尺寸、方向、位置和形状。与这些特征相关联的细节将部分地由特定的预期应用和使用环境确定。

具体实施方式

如本文所描述和示出的，所公开的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下详细描述并非旨在限制所要求保护的本公开的范围，而是仅代表其可能的实施例。另外，尽管在以下描述中阐述了许多具体细节以便提供对本文公开的实施例的透彻理解，但是可以在没有这些细节中的一些的情况下实践一些实施例。此外，为了清楚起见，没有详细描述相关领域中已理解的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。此外，附图是简化的形式，并不是精确的比例。此外，如本文所示和所述的本公开内容可以在缺少本文未具体公开的要素的情况下实施。

参考附图，其中相同的附图标记在若干附图中对应于相同或相似的部件，图1与本文公开的实施例一致，示出了可以设置在作为在车辆上使用的动力传动系统元件的内燃发动机10上的起动器20。车辆可以包括但不限于商用车辆、工业车辆、农用车辆、乘用车辆、飞机、船只、火车、全地形车辆、个人移动装置、机器人等形式的移动平台，以实现本公开的目的。

起动器20包括耦合到小齿轮36的多相永磁无刷电动机(电动马达)30、逆变器28和控制器26。设置DC电源50(和相关联的电气接地52)以向逆变器28提供电力，逆变器28经由多个电缆42电连接到电动马达30或者直接与电动马达30集成，并且控制器26设置成控制到逆变器28的电力流动。

在一个实施例中，电动马达30包括转子构件32，转子构件32经由齿轮机构34耦合到小齿轮36。小齿轮36是可滑动设备，在一个实施例中包括单向离合器机构。小齿轮控制电磁阀22耦合到小齿轮控制杠杆臂24，以响应小齿轮命令信号12激活小齿轮36。小齿轮36可被激活以啮合内燃发动机10的飞轮以在发动机起动过程中快速旋转其曲轴。转子构件32的旋转位置由旋转位置传感器40监测，旋转位置传感器40向控制器26提供信号输入。

逆变器28包括多个成对的开关元件，其经由电缆42或经由机器端子线电连接到电动马达30。在一个实施例中，成对的开关元件可以是功率晶体管，例如MOSFET或IGBT。逆变器28包括多个电流传感器(未示出)，其被设置用于监测提供给电动马达30的电流，这些信息被传送到控制器26。

控制器26包括处理器、存储器设备和与逆变器28的功率晶体管通信的多个栅极驱动器。控制器26与马达控制信号14和通信链路16通信。逆变器28的操作由控制器26控制。

术语“控制器”和诸如控制模块、模块、控制、控制单元、处理器和类似术语的相关术语是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如，存储器和存储设备(只读、可编程只读、随机访问、硬盘驱动器等)形式的微处理器和相关的非暂时性存储器组件)的一种或多种组合。非暂时性存储器组件能够存储一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、信号调节和缓冲电路和可以由一个或多个处理器访问以提供所描述的功能的其他组件的形式的机器可读指令。输入/输出电路和设备包括模拟/数字转换器和监测来自传感器的输入的相关设备，以预设的采样频率或响应于触发事件监测这些输入。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语表示包括校准和查找表的控制器可执行指令集。每个控制器执行控制例程以提供期望的功能。例程可以以规则的间隔执行，例如在正在进行的操作期间每50微秒执行一次。或者，可以响应于触发事件的发生来执行例程。控制器之间的通信以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线点对点链路、网络通信总线链路、无线链路或其他合适的通信链路来实现。通信包括以合适的形式交换数据信号，包括例如经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等。数据信号可包括表示来自传感器的输入、致动器命令和控制器之间的通信的离散、模拟或数字化模拟信号。

术语“信号”指的是传达信息的物理上可辨别的指示符，并且可以是能够穿过介的质合适的波形(例如，电、光、磁、机械或电磁)，例如DC、AC、正弦波、三角形-波浪、方波、振动等。

术语“动态”和“动态地”描述了实时执行的步骤或过程，其特征在于在例程的执行期间或在例程的执行迭代之间监测或以其他方式确定参数的状态并且定期或周期性地更新参数的状态。

术语“校准”、“校准了”和相关术语是指将与设备相关联的实际或标准测量与感知或观察到的测量或命令位置进行比较的结果或过程。如本文所述的校准可以简化为可存储的参数表、多个可执行的方程或另一种合适的形式。参数被定义为可测量的量，其表示使用一个或多个传感器和/或物理模型可辨别的设备或其他元件的物理特性。参数可以具有离散值，例如“1”或“0”，或者可以是无限可变的值。

图2和图3示意性地示出了用于在发动机起动事件期间控制参考图1描述的起动机20的实施例的操作的控制例程200的细节。控制例程200在控制器26中执行，以响应马达控制信号14操作电动马达30，马达控制信号14可被激活以快速旋转内燃发动机10来实现发动机起动。应当理解，快速旋转内燃发动机10是发动机起动事件的一部分，其还可以包括用于控制发动机加油、火花正时和其他控制参数的例程。马达控制信号14可以通过来自车辆操作者的接通命令，或者通过可以与自主车辆操作例程相关联的自动起动命令，或者通过混合动力系统控制例程，或者通过另一个发动机起动事件发起例程来发起。本文描述的概念适用于与控制本文所述的电动马达30的实施例相关联的所有控制例程，以实现从中快速增加速度和转矩输出。

控制例程200产生多个脉冲宽度调制(PWM)命令281-286，其被输入到逆变器28的开关元件，以经由多个电缆42向电动马达30提供PWM电力。到控制例程200的信号输入源自马达控制信号14并且包括转速命令201和马达转矩命令202。监测参数包括来自电流传感器的输入，电流传感器设置成监测提供给电动马达30的电流，包括经由一个电缆42输入到电动马达30的第一电流203和经由另一个电缆42输入到电动马达30的第二电流204。其他输入包括电动马达30的旋转位置205，如旋转位置传感器40所示，以及供电电压206，其基于DC电源50的电压水平。

控制例程200包括电流命令产生元件210、电流变换元件220、解耦电流控制器元件230、电压限制器250、位置补偿元件260、电压变换元件270和PWM命令产生元件280以产生PWM命令281-286。

在空间矢量域中描述和分析电流命令产生元件210、电流变换元件220、解耦电流控制器元件230和电压限制器250的输出，以及到电压变换元件270的输入。并且，在时域中描述、分析和执行电压变换元件270和PWM命令产生元件280的输出。空间矢量域和时域之间的关系参考Park的变换和由其的推导来详细说明。在直轴(d轴)和正交轴(q轴)以及相关的d、q项的上下文中描述空间矢量域。

电流命令产生元件210基于转速命令201或马达转矩命令202确定初始电流命令iq_cmd 212和id_cmd 214。在一个实施例中，转速命令201和马达转矩命令202是经由步进输入所命令的电动马达30的最大额定值。或者，转速命令201和马达转矩命令202可以是缓慢进入值或另一个控制命令。初始电流命令iq_cmd 212和id_cmd 214是使用Park变换导出的空间矢量命令。

电流变换元件220基于第一监测电流203和第二监测电流204和电动马达30的旋转位置205确定反馈电流命令iq_fb 222和id_fb 224。电流变换元件220基于第一监测电流203和第二监测电流204的直接测量确定反馈电流命令iq_fb 222和id_fb 224，并且无确定第一和第二电流的介入预测步骤(这将引入测量等待时间)。

解耦电流控制器元件230基于初始电流命令iq_cmd 212，id_cmd 214和反馈电流命令iq_fb 222、id_fb 224确定中间电压命令Vq_ctrl 239、Vd_ctrl 249，采用具有缩放积分器饱和项Vd_scale 218和Vd_scale 216的积分器元件。参考图3提供解耦电流控制器元件230的细节。

电压限制器250使中间电压命令Vq_ctrl 239、Vd_ctrl 249受到限制，以分别确定输出电压命令Vq_out 252、Vd_out 254。电压限制器250采用增益元件208，增益元件208基于已经从时域变换到空间矢量域的DC电源电压206确定，并且经由元件207等于电压Vs 206除以3的平方根。在空间矢量域中确定输出电压命令Vq_out 252、Vd_out 254。如果Vd_ctrl249小于其最大值Vd_max，则d轴输出电压命令Vd_out 254等于Vd_ctrl 249，并且如果Vd_ctrl 249大于Vd_max，则d轴输出电压命令Vd_out 254等于Vd_max。Vd_max项是特定于应用的预设值，其基于由DC电源50提供的电压的幅值并且使用机器参数和d轴电压方程计算的最大Vd电压，并且优选地相对于峰值相电压确定。如果Vq_ctrl 239小于其最大值Vq_max则q轴输出电压命令Vq_out 252等于Vq_ctrl 239并且如果Vq_ctrl 239大于Vq_max则q轴输出电压命令Vq_out 252等于Vq_max。Vq_max可以确定如下：

其中：

V_s是最大机器终端，其等于电压Vs 206除以3的平方根，即元件208，

V_{q_max}是最大q轴输出电压命令，以及

V_{d_max}是最大d轴输出电压命令。

位置补偿元件260基于旋转位置205和转速201确定补偿的旋转位置262。位置补偿元件260在起动事件期间考虑电动马达30的旋转的动态特性。位置补偿元件260可以如下确定：

Com_Position＝k_校准*速度*延迟角度

其中：

Com_Position是位置补偿元件260，

k_校准的值大于1.5，用于补偿采样延迟并校正电流反馈，

速度(speed)是电动马达30的转速201，以及

延迟角度(delayed angle)是由于电动马达30的旋转位置205的采样引起的理论位置延迟。

考虑到补偿旋转位置262，最终电压命令Vq_out 252、Vd_out 254经由电压变换元件270从空间矢量域变换到时域。时域电压命令包括Vas 272、Vbs 274和Vcs 276，它们输入到PWM命令产生元件280以产生用于控制逆变器28的各个开关的PWM命令281-286。

解耦电流控制器元件230是电流调节元件，其包括比例和积分元件以确定中间电压命令Vq_ctrl 239、Vd_ctrl 249，如下操作。确定初始电流命令iq_cmd 212、id_cmd 214和相应的反馈电流命令iq_fb 222、id_fb 224之间的差异，并输入到相应的q、d增益运算器231、241和增益饱和限制器232、242。初始电流命令iq_cmd 212、id_cmd 214和相应的反馈电流命令iq_fb 222、id_fb 224也被输入到相应的第一和第二积分器233、243，以及第一和第二动态积分器钳位元件234、244。第一动态积分器钳位234采用q标度电压限制，即Vq_scale 216，其对第一积分器233的输出施加最大值。类似地，第二动态积分器钳位244采用d标度电压限制，即Vd_scale 218，其对第二积分器243的输出施加最大值。积分器钳位234的输出受到增益因子235和来自第二增益饱和限制器242的来自抗饱和元件246的输入的影响，并且经由求和元件238与来自第一增益饱和限制器232的输出以及恒定项237组合以确定第一中间电压命令Vq_ctrl 239。类似地，第二动态积分器钳位的输出244受到增益因子245和来自第一动态积分器钳位234的抗饱和元件236的输入的影响，并与来自第二增益饱和限制器242的输出组合以确定第二中间电压命令Vd_ctrl 249。第一和第二动态积分器钳位元件234、244的目的是用于限制动态操作期间的电压过冲，从而限制在启动事件期间所伴随的饱和和/或振荡的可能性。

在每个起始事件的执行期间动态地确定q标度电压限制，即Vq_scale 216和d标度电压限制，即Vd_scale 218，如下所述。当d轴中间电压命令Vd_ctrl 249大于机器端电压Vs时，可以如下确定d标度电压限制：

其中：

V_{d_ctrl}是d轴中间电压命令Vd_ctrl 249，并且

V_{d_scale}是d标度电压限制，即Vd_scale 218。

当q轴中间电压命令Vq_ctrl 239大于机器端电压Vs 206时，q标度电压限制Vq_scale 216可以如下确定：

其中：

V_{q_scale}是q标度电压限制Vq_scale 216，并且

V_{q_ctrl}是q轴中间电压命令Vq_ctrl 239。

否则，q标度电压限制，即Vq_scale 216和d标度电压限制，即Vd_scale 218被设置为等于1.0。

解耦电流控制器元件230提供简化的控制算法，其在动态操作期间限制电压过冲而不采用电流预测例程。

图4以图形方式示出了与采用本文所述的控制例程200的起动器20的实施例的操作相关联的参数，包括输出电压命令Vq_out 252和Vd_out 254、参考电流Id_ref 406和Iq_ref 408、以及转速201，所有这些都是在起始事件期间相对于水平轴上的经过时间绘制的。在时间点401处，起动事件开始，参考电流具有初始变化，即Id_ref 406和Iq_ref 408以及输出电压命令Vq_out 252的相关联增加和输出电压命令Vd_out 254的减小，直到时间点402，实现对应的最大值和最小值时。转速201增加，并且输出电压命令Vq_out 252响应于控制例程200开始减小。在时间点403处，电压命令Vq_out 252达到停滞点，并且转速201继续增加，尽管施加了控制在输出电压命令Vq_out 252和Vd_out 254以及参考电流，即Id_ref406和Iq_ref 408上也是如此。在时间点404处，转速201达到峰值。然而，在动态操作期间限制电压过冲而不采用电流预测例程。

控制例程200提供用于控制电动马达30的实施例的快速且稳健的响应，在一个实施例中，其可以包括在小于200ms内的25000rpm(1.67kHz频率)的速度增加，其在整个操作范围内具有相关联的最大转矩/功率，以在一系列发动机和环境操作条件下实现稳健的发动机起动性能。控制例程200在没有与电流预测相关的电流预测步骤或电流调整的情况下操作。

控制例程200包括电流控制算法，该算法在非常短的操作时间段内使输出功率和转矩最大化，并且实现一致且可靠的起动性能。参考图3描述的电压限制例程有利于在宽速度范围内的稳定性能，并且包括考虑电流和位置两者的样本延迟的位置补偿。

根据本公开的实施例可以体现为装置、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)的形式，或者组合软件和硬件方面的实施例，其在本文中通常可称为“模块”或“系统”。此外，本公开可以采取体现在有形表达介质中的计算机程序产品的形式，该介质具有包含在介质中的计算机可用程序代码。

流程图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示代码的模块、片段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行特定功能或动作的基于专用硬件的系统或专用硬件和计算机指令的组合来实现。这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以指示控制器或其他可编程数据处理装置以特定方式起作用，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括指令的制品，以实现流程图和/或框图一个或多个框中指定的功能/动作。

详细描述和附图或图是对本教导的支持和描述，但是本教导的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行本教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于控制设置在内燃发动机上的起动器的方法，所述起动器包括多相电动马达、控制器和逆变器，所述方法包括：

响应激活命令确定用于操作所述电动马达的初始电流命令；

确定传递给所述电动马达的电流和所述电动马达的输出构件的旋转位置，其中直接确定电流而没有中间电流预测步骤；

基于传递到所述电动马达的电流和所述旋转位置确定来自所述电动马达的反馈电流；

基于所述初始电流命令和所述反馈电流确定中间电压命令；

使所述中间电压命令经受电压限制以确定最终电压命令；以及

经由所述控制器基于所述最终电压命令控制所述逆变器的操作以控制所述电动马达。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所述电动马达的所述旋转位置和转速确定旋转位置补偿项；以及经由所述控制器基于所述最终电压命令和所述旋转位置补偿项来控制所述逆变器的操作以控制所述电动马达。

3.根据权利要求1所述的方法，其中响应于起动所述内燃发动机的激活命令，确定用于操作所述电动马达的所述初始电流命令。

4.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述初始电流命令和所述反馈电流确定所述中间电压命令包括经由解耦电流控制器元件基于所述初始电流命令和所述反馈电流确定所述中间电压命令。

5.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述初始电流命令和所述反馈电流确定所述中间电压命令还包括采用比例/积分器控制例程，其中所述积分器经受动态积分器钳位元件。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

其中所述中间电压命令包括空间矢量电压命令，包括d轴中间电压命令和q轴中间电压命令，

其中所述动态积分器钳位元件包括d标度电压限制和q标度电压限制，以及

其中基于所述中间d轴电压命令和系统电压确定所述d标度电压限制；

其中基于所述中间q轴电压命令和所述系统电压确定所述q标度电压限制；

其中所述d轴中间电压命令动态地经受所述d标度电压限制；以及

其中所述q轴中间电压命令动态地经受所述q标度电压限制。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：经由传感器监测传递到所述电动马达的电流和所述电动马达的输出构件的旋转位置。

8.一种用于控制设置在内燃发动机上的起动器的方法，所述起动器包括耦合到可旋转小齿轮的多相无刷电动马达、控制器和逆变器，所述方法包括：

响应激活命令确定用于操作所述电动马达的初始电流命令；

经由电流传感器监测传递给所述电动马达的电流，其中直接监测电流而没有中间电流预测步骤；

经由旋转位置传感器监测所述小齿轮的旋转位置；

基于传递到所述电动马达的电流和所述小齿轮的旋转位置确定来自所述电动马达的反馈电流；

基于所述初始电流命令和所述反馈电流确定中间电压命令；

使所述中间电压命令经受电压限制以确定最终电压命令；

基于所述小齿轮的旋转位置和所述电动马达的转速确定旋转位置补偿项；以及

经由所述控制器基于所述最终电压命令和所述旋转位置补偿项来控制所述逆变器的操作以控制所述电动马达。

9.根据权利要求8所述的方法，其中响应于起动所述内燃发动机的起动命令，确定用于操作所述电动马达的所述初始电流命令。

10.一种设置在内燃发动机上的起动器，包括：

耦合到可旋转小齿轮的多相无刷电动马达、控制器和逆变器，所述控制器可操作地连接到所述逆变器，所述控制器包括指令集，所述指令集可执行以：

响应激活命令确定用于操作所述电动马达的初始电流命令；

监测传递给所述电动马达的电流和所述小齿轮的旋转位置；

基于传递到所述电动马达的电流和所述小齿轮的旋转位置确定所述电动马达的反馈电流命令；

基于所述初始电流命令和所述反馈电流确定中间电压命令；

使所述中间电压命令经受电压限制以确定最终电压命令；

基于所述小齿轮的旋转位置和所述电动马达的转速确定旋转位置补偿项；以及

基于所述最终电压命令和所述旋转位置补偿项来控制所述逆变器的操作以控制所述电动马达。