CN112953124A - 集成控制装置、起发一体电机系统及其集成控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种用于起发一体电机的集成控制装置、起发一体电机系统及其集成控制方法。所述集成控制装置，包括：磁电编码器模块，用于接收来自磁电编码器的采集信号并转换为电机角度信号输出；电机控制模块，用于接收磁电编码器模块输出的电机角度信号并转换为转速信号输出；发动机控制模块，用于接收电机控制模块的转速信号，向发动机输出控制信号；电机接口，用于电机控制模块和电机之间的信号传输；电机元件接口，用于磁电编码器模块与磁电编码器之间的信号传输；发动机控制接口，用于发动机控制模块与发动机之间的信号传输。通过将发动机控制、电机控制、磁电编码器控制集成为一体，大幅提高控制的实时性，与起发一体电机相匹配。

Description

集成控制装置、起发一体电机系统及其集成控制方法

技术领域

本申请属于电机技术领域，具体涉及一种用于起发一体电机的集成控制装置、起发一体电机系统及其集成控制方法。

背景技术

一般的动力装置中包括有起动电机系统和发电机系统。传统的飞机以及车载发动机是通过专门的起动装置如：液压、燃气涡轮起动机或电起动机进行起动。其中，电起动采用专门的电机、变速齿轮箱拖动发动机，起动完成之后，该起动装置就不再工作，占用了飞机、车辆系统等有限的空间，增加了体积、重量。

在现有结构中，以上起动电机系统和发电系统是两个完全独立的系统，不仅占用大量空间，且结构复杂，同时因起动电机系统在发动机起动结束后就不再使用，利用率很低，并存在起动效率低，故障率高，维修不便的缺点，一直以来人们都在寻找一种更高效、更简洁的起动方案。

将起动发动机功能与发电功能融合于一台电机上，构成起动发电机，不仅可以简化结构、降低成本、减少空间占用，还可保证在起动状态下电机具有较大的扭矩和功率输出。作为起动机构时，电机通入电源电流，电机定子电枢绕组产生旋转磁场，旋转磁场同静止的转子之间有了相对运动，则旋转磁场的磁力线将切割转子导体，转子导体产生感应电流，此感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，并对转轴形成电磁力矩，使转子转动起来，转子带动发动机轴旋转，对发动机进行起动。在发动机起动成功后，电机作为发电机对蓄电池进行充电，对车载系统进行供电。

发明内容

本申请提出了一种起发一体电机的集成控制装置，采用集成控制替代功能单一的普通控制，将发动机控制装置、电机控制装置、磁电编码器控制装置进行集成，大幅提高控制系统的实时性，与起发一体电机系统相匹配，实现起动和发电功能的实时转换和控制

根据本申请的一方面，提供一种用于起发一体电机的集成控制装置，包括：磁电编码器模块，用于接收来自磁电编码器的采集信号并转换为电机角度信号输出。电机控制模块，用于接收磁电编码器模块输出的电机角度信号并转换为转速信号并输出。发动机控制模块，用于接收电机控制模块的转速信号，向发动机输出控制信号。电机接口，用于电机控制模块和电机之间的信号传输。电机元件接口，用于磁电编码器模块与磁电编码器之间的信号传输。发动机控制接口，用于发动机控制模块与发动机之间的信号传输。

将编码器模块、电机控制模块和发动机控制模块集成为一体，提升控制系统的实时性，从而适应起发一体电机的控制需求。

根据本申请的示例实施例，所述电机控制模块通过转速信号判断电机的起动状态，并输出控制信号。

进一步地，所述电机控制模块还包括逆变子模块，用于接收所述电机控制模块的控制信号，将直流电与三相交流电流进行互相转换。当判断电机仍处于起动状态时，电机控制模块输出的逆变控制信号将直流电转换为三相交流电流为电机供电；当判断电机仍处于发电状态时，电机控制模块输出的逆变控制信号将电机产生的三相交流电流转换为直流电并调节电压，为系统电源充电。

根据本申请的示例实施例，所述发动机模块根据电机控制模块输入的转速信号，判断转速达到设定值后，输出点火控制信号。

根据本申请的示例实施例，其特征在于，还包括电源接口模块，用于电机控制模块和系统电源之间的信号传输。

在上述集成控制装置中，所述电机控制模块判断电机转速达到设定值后，输出切断电源信号，通过电源接口模块切断电机电源。

根据本申请的示例实施例，还包括反馈接口模块，用于发动机与发动机控制模块之间的反馈信号传输。

在上述集成控制装置中，所述发动机控制模块通过所述反馈接口模块接收发动机的工况信号，判断发动机的运转情况，并发出喷油控制信号，修正喷油器的喷油量。

根据本申请的二方面，提供一种起发一体电机系统，包括起发一体电机、磁电编码器和上述集成控制装置。磁电编码器与起发一体电机同轴设置，与所述集成控制装置电连接。所述集成控制装置，接收来自所述磁电编码器的信号，并控制所述起发一体电机的运行。

根据本申请的示例实施例，所述起发一体电机为永磁同步电机。

根据本申请的示例实施例，所述磁电编码器为多对极组合磁电编码器，与所述起发一体电机同轴设置。包括同轴环形设置的第一多对极磁体以及第二多对极磁体和电路板。所述第一多对极磁体包括m对磁极，所述第二多对极磁体包括n对磁极，m和n为大于2的自然数且彼此互质。

在上述起发一体电机系统中，所述第一多对极磁体位于外环，所述第二多对极磁体位于内环，m大于n。

进一步地，m和n为质数。

根据本申请的示例实施例，所述第一多对极磁体设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。

此外，所述第二多对极磁体设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。

在上述起发一体电机系统中，所述电路板上包括第一组磁电传感器，与第一多对极磁极相对设置。所述电路板上包括第二组磁电传感器，与第二多对极磁极相对设置。还包括第三组磁电传感器，与第一或第二多对极磁极相对设置。

在上述起发一体电机系统中，所述第一组磁电传感器的数量p等于或大于n，所述第二组磁电传感器的数量q等于或大于m。

此外，所述第一组磁电传感器和所述第二组磁电传感器在一端对齐。

所述第一组磁电传感器以360/2mp的间隔角度设置，所述第二组磁电传感器以360/2nq的间隔角度设置。

根据本申请的示例实施例，所述起发一体电机系统还包括电源模块。当所述起发一体电机系统处于起动状态时，电源为电机供电。当所述起发一体电机系统处于发电状态时，所述起发一体电机系统对电源充电。

根据本申请的示例实施例，所述起发一体电机系统，还包括发动机。

根据本申请的三方面，提供一种起发一体电机系统集成控制方法，其特征在于，包括：采集并传输电机转子位置；分析电机工作状态，开启起动机工作模式；采集并传输电机角度信号；分析电机角度信号，发动机点火，开启发电机工作模式；采集并传输发动机工况信号；判断发动机的运转工况，输出喷油量控制信号。

附图说明

下面结合附图详细说明本申请。通过结合以下附图所作的详细描述，本申请的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：

图1示出根据本申请示例实施例的起发一体电机的集成控制原理图。

图2示出根据本申请示例实施例的用于起发一体电机的集成控制装置组成框图。

图3示出根据本申请示例实施例的起发一体电机系统组成框图。

图4示出根据本申请示例实施例的起发一体电机结构示意图。

图5示出根据本申请示例实施例的用于起发一体电机的磁电编码器结构示意图。

图6A示出根据本申请示例实施例的磁电编码器磁体结构平面图。

图6B示出根据本申请示例实施例的磁电编码器磁体结构立体图。

图7示出根据本申请示例实施例的起发一体电机系统工作过程示意图。

图8示出根据本申请示例实施例的起发一体电机系统集成控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本申请的具体实施方式。

在此记载的具体实施方式/实施例为本申请的特定的具体实施方式，用于说明本申请的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本申请实施方式及本申请范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本申请的保护范围之内。

本申请选用永磁同步电机代替起动用有刷直流电机和发电系统电机，将现有的起动系统和发电系统有机结合为一体。在发动机起动时作为起动系统使用，而在发动机起动后作为发电系统使用。不仅简化了结构，降低了成本，减少了空间占用，保证在起动电机使用时具有较大的扭矩和功率输出。在作为发电系统使用时，由发动机带动电机运转产生电能，并作为动力，节省燃油，减少废气的排放，从而达到节能减排的效果。

本申请主要提供一种用于起发一体电机的集成控制装置，将发动机控制、电机控制、磁电编码器控制进行集成，大幅提高控制系统的实时性，与起动发电一体机相匹配，实现起动和发电功能的实时转换和控制。

图1示出根据本申请示例实施例的起发一体电机的集成控制原理图。

如图1所示，起发一体电机的集成控制基本原理为：电机转子的角度信号通过磁电编码器实时传递给集成控制系统。集成控制系统根据接收到的电机转子角度信号将其转换为转速信号，进而判定起动状态或发电状态。当判定为起动状态时，集成控制系统发出逆变控制信号，使蓄电池的电流经集成控制系统内逆变电路整形放大后输出接近三相正弦交流电流，用于所述电机的起动运转。当判断转子转速达到设定值之后，集成控制系统切断蓄电池为电机供电，而转子随发动机轴继续转动将在定子部分产生感应电流。集成控制系统再次发出逆变控制信号，通过逆变电路将定子部分产生的感应电流转换为直流电并调节其电压，用于蓄电池的充电和为整个车载系统的工作供电。

图2示出根据本申请示例实施例的用于起发一体电机的集成控制装置组成框图。

如图2所示，所述集成控制装置1000包括磁电编码器模块100、电机控制模块200、发动机控制模块300、电机接口400、电机元件接口500以及发动机控制接口600。磁电编码器模块100接收来自磁电编码器的采集信号并转换为电机角度信号输出。电机控制模块200接收磁电编码器模块100输出的电机角度信号并转换为转速信号并输出。发动机控制模块300接收电机控制模块200的转速信号，向发动机输出控制信号。电机接口400用于电机控制模块200和电机之间的信号传输。电机元件接口500用于磁电编码器模块100与磁电编码器之间的信号传输。发动机控制接口600用于发动机控制模块300与发动机之间的信号传输。

在上述集成控制装置中，所述电机控制模块200通过转速信号判断电机的起动状态，并输出控制信号。电机控制模块200输出的控制信号包括逆变控制信号和切断电源控制信号。

如图2所示，所述电机控制模块200还包括逆变子模块210，用于接收所述电机控制模块200的逆变控制信号。当电机控制模块200通过转速信号，判断电机仍处于起动状态时，输出的逆变信号通过逆变子模块210将直流电转换为三相交流电流为电机进行供电。当电机控制模块200通过转速信号，判断电机仍处于发电状态时，输出的逆变信号通过逆变子模块210将电机产生的三相交流电流转换为直流电并经过调压对起发一体电机的电源进行供电。例如，起发一体电机的电源可以是蓄电池。

在上述集成控制装置中，所述发动机控制模块300根据电机控制模块输出的转速信号，判断转速达到设定的点火速度值后，输出点火控制信号，发动机点火线圈点火，发动机起动。

如图2所示，所述集成控制装置还可包括电源接口模块700，用于电机控制模块200和系统电源之间的信号传输。发动机点火后，当电机控制模块200判断电机转速达到设定值后，输出切断电源控制信号，通过电源接口700模块切断电机电源。

参加图2，所述集成控制装置还包括反馈接口模块800，用于发动机与发动机控制模块300之间的反馈信号传输。发动机控制模块300通过所述反馈接口模块800接收发动机的工况信号，判断发动机的运转情况，并发出喷油控制信号，修正喷油器的喷油量。

图3示出根据本申请示例实施例的起发一体电机系统组成框图。

如图3所示，所述起发一体电机系统包括：起发一体电机2000、磁电编码器3000以及上述集成控制装置1000。

磁电编码器3000，与起发一体电机2000同轴设置，与所述集成控制装置1000电连接。

所述集成控制装置1000接收来自所述磁电编码器3000的信号，并控制所述起发一体电机2000的运行。

参见图3，所述起发一体电机系统还包括电源模块4000和发动机5000。电源模块4000可以是蓄电池，但不限于此。所述发动机5000还包括发动机轴5001、点火线圈5002及喷油器5003。

图4示出根据本申请示例实施例的起发一体电机结构示意图。

如图4所示，所述起发一体电机2000起发一体电机为永磁同步电机，包括定子2001、转子2002以及轴套2003。转子2002包括转子外壳，转子外壳内壁设有永磁体磁极，转子外壳与轴套固定连接；定子2001包括定子铁芯和定子线圈，定子线圈缠绕在定子铁芯上，轴套2003与发动机轴5001固定连接，定子线圈的引线连接电源模块4000。

图5示出根据本申请示例实施例的磁电编码器结构示意图。

如图5所示，所述磁电编码器3000为多对极组合磁电编码器，其包括同轴环形设置的第一多对极磁体3001以及第二多对极磁体3002和电路板3003。第一多对极磁体3001、第二多对极磁体3002和电路板3004同时工作。第一多对极磁体3001、第二多对极磁体3002随同起发一体电机2000的转轴一同旋转。

所述磁电编码器3000通过一系列连接件与起发一体电机2000相连，例如，第一钢套1、第一轴承2、转轴3、第二轴承7和第二钢套8。

所述磁电编码器3000通过第一钢套1、第一轴承2、第二轴承7和第二钢套8安装在电机转轴上，用于检测电机轴的位置信息，并将检测到的电机轴位置信号以电压信号的形式传送到集成控制系统，集成控制系统根据所接受的位置信号对电机和发动机运行状况进行精确反馈。第一多对极磁钢3001与第二多对极磁钢3002设置在电机轴上，电路板3003安装在电机架上。

在利用编码器磁体进行编码时，可以根据编码结果对电机转子进行定位。但是，如果编码存在重复情况，则无法有效进行定位。为了消除或减少重复情况，本申请采用互质多对极磁体结构，结合磁电传感器可以消除重复编码情况，提高检测精度。

图6A、6B示出根据本申请示例实施例的磁电编码器磁体结构平面图和立体图。

如图6A、6B所示，第一多对极磁体3001与第二多对极磁体3002在第一空间平面内同轴环形设置。所述第一多对极磁体3001包括m对磁极，所述第二多对极磁体3002包括n对磁极，m和n为大于2的自然数且彼此互质。例如，根据一些实施例，m和n为质数。如图6A、6B所示，本实施例中，m为5，n为3，但本申请不限于此。

进一步地，所述第一多对极磁体3001位于外环，所述第二多对极磁体3002位于内环，所述第一多对极磁体的对极数目m大于第二多对极磁体的对极数目n。这是因为外环的直径要大于内环直径，为了使磁体尺寸均匀，外环磁体的数目要大于内环磁体的数目。

根据一些实施例，所述第一多对极磁体3001可以设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。图6A、6B所示的实施例中，第一多对极磁体3001的磁化方向设置为轴向。所述第二多对极磁体3002也可设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。图6A、6B所示的实施例中，第二多对极磁体3002的磁化方向设置为轴向。磁化方向不限于此，也可以将第一多对极磁体的磁化方向设置为径向、第二多对极磁体的磁化方向设置为轴向，或者将第一多对极磁体、第二多对极磁体的磁化方向均设置为径向。

在图6A、6B所示的编码器磁体结构中，第一多对极磁体3001、第二多对极磁体3002均可由多个磁对极粘连形成，但不限于此。根据本申请的磁体可以采用钕铁硼永磁材料制成，多个磁体可贴附基板上，或直接贴附在例如转轴端部。根据一些实施例，多个磁体可设置在支撑板上。支撑板可为环形结构，沿其内孔圆周法向方向可设置第二多对极磁体3002。所述第一多对极磁体3001固定在支撑板的环形表面。固定方式可以为胶接。

在上述磁电编码器3000中，所述电路板3003上还包括第一组磁电传感器，与第一多对极磁极3001相对设置；包括第二组磁电传感器，与第二多对极磁极3002相对设置；包括第三组磁电传感器，与第一多对极磁极3001或第二多对极磁极3002相对设置。

所述第一组磁电传感器的数量p等于或大于n，所述第二组磁电传感器的数量q等于或大于m。所述第一组磁电传感器和所述第二组磁电传感器在一端对齐。所述第一组磁电传感器以360/2mp的间隔角度设置，所述第二组磁电传感器以360/2nq的间隔角度设置。

所述磁电编码器3000在工作过程中，通过磁电传感器采集所述第一多对极磁体3001和第二多对极磁体3002的位置信号，输出电机转轴的角度信息。

图7示出根据本申请示例实施例的起发一体电机系统工作过程示意图。

进入起动状态时，通过磁电编码器3000测得的电机转子位置信号传入集成控制装置1000中。经过判断为起动状态后，控制电源4000开关，通过内部电路转为三相交流电流为电机供电，起发一体电机2000带动发动机轴5001转动。当起发一体电机2000带动发动机轴5001运转到一定转速后，通过磁电编码器3000将电机角度信号传送到集成控制装置1000中。经处理判断，集成控制装置1000输出点火信号给点火线圈5002，使点火系统正常工作。转速达到设定值后，集成控制装置1000切断电源模块4000，停止为起发一体电机2000供电。电机转子随发动机轴5001继续转动，在电机定子部分产生感应电流为电源模块4000充电，用以车载的供电。

此外，在起发一体电机系统工作过程中，所述集成控制装置1000对发动机5000的歧管压力、节气门开度、发动机燃烧后排气中氧气的含量进行实时监控，从而判断发动机5000的运转工况，并发出控制信号来修正喷油器5003的喷油量。

如图7所示，歧管压力传感器5004检测歧管内真空度变化，对歧管压力进行反馈。节气门位置传感器5005将节气门的开度变化转为电压信号，将节气门开度反馈到所述集成控制装置1000中。氧传感器5006通过测定发动机燃烧后排气中氧气含量，对发动机燃烧后排气量进行检测反馈，并将其转换为电压信号传递到所述集成控制装置1000中。

图8示出根据一示例实施例的起发一体电机系统集成控制方法流程图。

如图8所示，所述起发一体电机系统的集成控制方法，包括：

S1：采集并传输电机转子位置；

S2：分析电机工作状态，开启起动机工作模式；

S3：采集并传输电机角度信号；

S4：分析电机角度信号，发动机点火，开启发电机工作模式；

S5：采集并传输发动机工况信号；

S6：判断发动机的运转工况，输出喷油量控制信号。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明，而非限制本发明的范围。本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (22)

1.一种用于起发一体电机的集成控制装置，所述起发一体电机包括电机和发动机，其特征在于，所述集成控制装置，包括：

磁电编码器模块，用于接收来自磁电编码器的采集信号并转换为电机角度信号输出；

电机控制模块，用于接收磁电编码器模块输出的电机角度信号并转换为转速信号输出；

发动机控制模块，用于接收电机控制模块的转速信号，向发动机输出控制信号；

电机接口，用于电机控制模块和电机之间的信号传输；

电机元件接口，用于磁电编码器模块与磁电编码器之间的信号传输；

发动机控制接口，用于发动机控制模块与发动机之间的信号传输。

2.根据权利要求1所述的集成控制装置，其特征在于，所述电机控制模块通过转速信号判断电机的起动状态，并输出控制信号。

3.根据权利要求2所述的集成控制装置，其特征在于，所述电机控制模块还包括逆变子模块，用于接收所述电机控制模块的控制信号，将直流电与三相交流电流进行互相转换。

4.根据权利要求1所述的集成控制装置，其特征在于，所述发动机控制模块根据电机控制模块输入的转速信号，判断转速达到设定值后，输出点火控制信号。

5.根据权利要求1所述的集成控制装置，其特征在于，还包括电源接口模块，用于电机控制模块和系统电源之间的信号传输。

6.根据权利要求5所述的集成控制装置，其特征在于，所述电机控制模块判断电机转速达到设定值后，输出切断电源信号，通过电源接口模块切断电机电源。

7.根据权利要求1所述的集成控制装置，其特征在于，还包括反馈接口模块，用于发动机与发动机控制模块之间的反馈信号传输。

8.根据权利要求7所述的集成控制装置，其特征在于，所述发动机控制模块通过所述反馈接口模块接收发动机的工况信号，判断发动机的运转情况，并发出喷油控制信号，修正喷油器的喷油量。

9.一种起发一体电机系统，其特征在于，包括：

起发一体电机；

磁电编码器，与起发一体电机同轴设置，与所述集成控制装置电连接；

根据权利要求1-8任一项所述的集成控制装置，接收来自所述磁电编码器的信号，并控制所述起发一体电机的运行。

10.根据权利要求9所述的起发一体电机系统，其特征在于，所述起发一体电机为永磁同步电机。

11.根据权利要求9所述的起发一体电机系统，其特征在于，所述磁电编码器为多对极组合磁电编码器，与所述起发一体电机同轴设置，包括同轴环形设置的第一多对极磁体以及第二多对极磁体和电路板，所述第一多对极磁体包括m对磁极，所述第二多对极磁体包括n对磁极，m和n为大于2的自然数且彼此互质。

12.根据权利要求11所述的起发一体电机系统，其特征在于，所述第一多对极磁体位于外环，所述第二多对极磁体位于内环，m大于n。

13.根据权利要求11所述的起发一体电机系统，其特征在于，m和n为质数。

14.根据权利要求11所述的起发一体电机系统，其特征在于，所述第一多对极磁体设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。

15.根据权利要求11所述的起发一体电机系统，其特征在于，所述第二多对极磁体设置为磁化方向与环的径向或轴向一致。

16.根据权利要求11所述的起发一体电机系统，其特征在于，所述电路板上包括第一组磁电传感器，与第一多对极磁极相对设置；所述电路板上包括第二组磁电传感器，与第二多对极磁极相对设置；包括第三组磁电传感器，与第一或第二多对极磁极相对设置。

17.根据权利要求16所述的起发一体电机系统，其特征在于，所述第一组磁电传感器的数量p等于或大于n，所述第二组磁电传感器的数量q等于或大于m。

18.根据权利要求17所述的起发一体电机系统，其特征在于，所述第一组磁电传感器和所述第二组磁电传感器在一端对齐。

19.根据权利要求17所述的起发一体电机系统，其特征在于，所述第一组磁电传感器以360/2mp的间隔角度设置，所述第二组磁电传感器以360/2nq的间隔角度设置。

20.根据权利要求9所述的起发一体电机系统，其特征在于，还包括电源模块。

21.根据权利要求9所述的起发一体电机系统，其特征在于，还包括发动机。

22.一种起发一体电机系统的集成控制方法，其特征在于，包括：

采集并传输电机转子位置；

分析电机工作状态，开启起动机工作模式；

采集并传输电机角度信号；

分析电机角度信号，发动机点火，开启发电机工作模式；

采集并传输发动机工况信号；

判断发动机的运转工况，输出喷油量控制信号。

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