CN113228499A - 控制作为发电机运行的旋转电机的方法和在切断情况下降低网络中的电压的相应控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制多相电机的方法，该多相电机的定子由控制桥控制，该控制桥包括多个开关臂，由车辆的车载电网供电并通过中心点连接到电机定子的一相。当电机作为发电机运行并且电网的电压(V*)超过预定第一值(VS1)时，例如在负载突降的情况下，该方法包括短路定子的至少一个相绕组的步骤(E400)，用于确定电流强度是否为正的测量步骤(E500)，并且如果是，则将电流从电网注入到先前短路的绕组中，以便降低电网中的电压。
Description
技术领域
本发明涉及用于在负载突降的情况下控制连接到电网特别是机动车辆的车载网络的多相旋转电机的方法以及适于实施该方法的控制系统。
本发明还涉及包括该控制系统的电气系统和由该控制系统控制的多相旋转电机。
背景技术
在机动车辆中，车载网络用于为安装在车辆上的各种电气设备供电。电力由至少一个电池供应。这是通过旋转电机再充电，基于车辆热力发动机的旋转供应的能量。旋转电机通常被理解为用于产生供应车载网络的直接输出电流的任何多相旋转电机。特别是，它可以包括交流发电机，甚至起动机-交流发电机。
如果电荷突然从车载网络、电池或两者断开，就会产生“负载突降”现象，导致车载网络过压。事实上，由于电机不会立即对负载突降做出反应，它会继续提供相同的输出电流，而车载电网的电流消耗已下降。因此，连接到车载网络的所有电容都会充电，车载网络上的直流电压会显著增加。
这种过电压不仅会损害或降低旋转电机本身的可靠性，还会损害或降低连接到车载网络的任何电器的可靠性。
因此，检测如此高幅度的过电压是值得的且如果适用还保护旋转电机。
为此，从现有技术已知用于控制多相旋转电机的方法，所述控制方法是涉及在负载突降情况下短路定子的至少一个相绕组的类型，所述方法包括当所述网络的电压超过第一预定值时短路定子的所述至少一个相绕组的步骤。
现有技术的这种简单方法允许通过保持定子的至少一相短路来降低车载网络上的电压，同时该电压没有返回到可接受水平。
然而，在车载网络上的电压恢复到可接受水平之前，可能要经过相当长的时间。
发明内容
本发明的目的是至少部分克服该缺点。
为此，根据第一方面，本发明涉及一种用于控制多相旋转电机的方法，该旋转电机的定子由控制桥控制，该控制桥包括多个并联安装的开关臂，每个臂包括在中心抽头处连接在一起的高侧开关和低侧开关，该中心抽头连接到所述旋转电机的相，所述旋转电机作为发电机运行并连接到电网，特别是机动车辆的车载网络，所述方法包括当所述网络的电压测量值超过第一预定值时短路定子的至少一个相绕组的步骤，
所述方法的进一步特征在于，其包括在短路步骤之后激活开关臂的步骤，该开关臂的中心抽头连接到所述至少一个短路相绕组，在该步骤期间：
1.测量短路绕组中的强度；
2.如果测量的强度为正，则所述激活的开关臂的高侧开关移动到闭合位置；
3.否则，所述激活的开关臂的高侧开关移动到断开位置。
应当注意，在本发明的意义内，当电流从连接到所述至少一个短路绕组的所述中心抽头流入或返回到所述至少一个短路绕组时，强度为正。
因此，根据本发明的控制方法是在负载突降的情况下涉及短路定子的至少一个相绕组的类型。
根据本发明的控制方法还可以具有一个或多个以下特征，单独考虑或根据所有技术上可能的组合来考虑。
该方法值得注意的是，当定子的至少一个相绕组短路时，控制定子的控制桥，以便将源自车载网络的电流引入先前短路的定子的相绕组，从而降低车载网络上的电压。
在本发明的特定实施例中，如果测量的强度为正，则所述激活的开关臂的低侧开关移动到断开位置。
在本发明的特定实施例中，如果测量的强度不为正，则所述激活的开关臂的低侧开关移动到闭合位置。
在本发明的特定实施例中，在短路定子的至少一个相绕组的步骤期间，所述激活的开关臂的高侧开关移动到断开位置。
在本发明的特定实施例中，在短路定子的至少一个相绕组的步骤期间，在所述激活的开关臂的低侧开关移动到闭合位置之前，所述激活的开关臂的高侧开关移动到断开位置。
在本发明的特定实施例中，在短路定子的至少一个相绕组的步骤期间，所述定子的所有相绕组被短路，并且所有开关臂的所有高侧开关移动到断开位置。
在本发明的特定实施例中，所述网络的电压测量是通过用预定时间常数过滤所述网络的电压来获得的。
在本发明的特定实施例中，至少重复激活步骤，直到由电压测量装置测量的电压小于第二预定值。
在本发明的特定实施例中，所述激活步骤重复预定时间段。
在本发明的特定实施例中，定子的所有相绕组在短路步骤期间被短路，并且在短路步骤之后，对所有开关臂执行激活步骤。
相应地，根据第二方面，本发明的目的是一种用于多相旋转电机的控制系统，所述旋转电机作为发电机运行并通过第一和第二电源端子连接到电网，所述电网尤其是机动车辆的车载网络，所述控制系统包括：
-控制桥，包括多个并联安装的开关臂，每个臂包括在中心抽头处连接在一起的高侧开关和低侧开关，该中心抽头连接到所述旋转电机的相绕组，所述控制桥能够向所述电网供应电压；
-能够断开或闭合控制桥的开关的控制电路；
-用于测量第一和第二电源端子之间的电压的装置；
该控制系统的特征在于，对于也连接到预定开关臂的至少一个预定相绕组，控制系统还包括用于测量通过预定相绕组的电流的装置，并且当由电压测量装置测量的电压超过第一值时：
-控制电路闭合预定开关臂的低侧开关；
-电流测量装置测量通过预定相的电流；
-如果测量的电流强度为正，控制电路闭合预定开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路断开预定开关臂的高侧开关。
在本发明的特定实施例中，如果测量的电流强度为正，则控制电路断开所述预定开关臂的低侧开关。
在本发明的特定实施例中，如果测量的电流强度不为正，则控制电路闭合所述预定开关臂的低侧开关。
在本发明的特定实施例中，控制电路闭合预定开关臂的低侧开关，并断开预定开关臂的高侧开关。
在本发明的特定实施例中，控制电路闭合预定开关臂的低侧开关，并短路定子的所述至少一个预定相绕组。
在本发明的特定实施例中，控制电路闭合预定开关臂的低侧开关，短路定子的所述至少一个预定相绕组，并且在所述预定开关臂的低侧开关移动到闭合位置之前，所述预定开关臂的高侧开关移动到断开位置。
在本发明的特定实施例中，控制电路闭合预定开关臂的低侧开关，短路定子的所有相绕组，并且在所有开关臂的所有低侧开关移动到闭合位置之前，控制桥的所有开关臂的所有高侧开关移动到断开位置。
在本发明的特定实施例中，在检测到指示由电压测量装置测量的电压超过第一预定值并且以迭代方式持续预定时间段这样做之后或只要由电压测量装置测量的电压超过第二预定值：
-控制电路闭合预定开关臂的低侧开关；
-电流测量装置测量通过预定相的电流；
-如果测量的电流强度为正，控制电路闭合预定开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路断开预定开关臂的高侧开关。
在本发明的特定实施例中，在检测到指示由电压测量装置测量的电压超过第一预定值之后并且在预定相绕组短路之后控制系统以迭代方式持续预定时间段或者只要由电压测量装置测量的电压超过第二预定值：
-电流测量装置测量通过预定相的电流；
-如果测量的电流强度为正，控制电路断开预定开关臂的低侧开关并闭合预定开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路断开预定开关臂的高侧开关并闭合预定开关臂的低侧开关。
在本发明的特定实施例中，在检测到指示由电压测量装置测量的电压超过第一预定值并且在预定时间段内重复这样做之后或者只要由电压测量装置测量的电压超过第二预定值：
-电流测量装置测量通过预定相的电流；
-如果测量电流的强度为正，控制电路断开预定开关臂的低侧开关并闭合预定开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路断开预定开关臂的高侧开关并闭合预定开关臂的低侧开关。
在本发明的特定实施例中，控制系统的特征在于，对于每一相，它还包括用于测量通过该相的电流的装置，并且对于每一相：
-控制电路闭合通过其中心抽头连接到该相的开关臂的低侧开关；
-电流测量装置测量通过该相的电流；
-如果在该相测量的电流强度为正，控制电路闭合通过其中心抽头连接到该相的开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路断开通过其中心抽头连接到该相的开关臂的高侧开关。
控制系统受益于与控制方法相同的前述优点。
根据第三方面，本发明的另一目的是一种电气系统，包括根据本发明第二方面的控制系统和由所述控制系统控制的多相盘绕转子旋转电机。
电气系统受益于与控制方法和控制系统相同的前述优点。
根据第四方面，本发明的另一目的是一种用于多相旋转电机的控制系统，该旋转电机作为发电机运行并且通过第一和第二电源端子连接到电网，所述电网特别是机动车辆上的车载网络，所述控制系统包括：
-控制桥，包括多个并联安装的开关臂，每个臂包括在中心抽头处连接在一起的高侧开关和低侧开关，该中心抽头连接到所述旋转电机的相绕组，所述控制桥能够向所述电网供应电压；
-能够断开或闭合控制桥的开关的控制电路；
-用于测量第一和第二电源端子之间的电压的装置；
该控制系统的特征在于，对于也连接到预定开关臂的至少一个预定相绕组，该控制系统还包括用于测量通过预定相绕组的电流的装置，并且当由电压测量装置测量的电压超过第一值时：
-控制电路断开预定开关臂的高侧开关，并短路所述至少一个预定相绕组；然后
-电流测量装置测量通过预定相的电流；
-如果测量电流的强度为正，控制电路断开预定开关臂的低侧开关并闭合预定开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路断开预定开关臂的高侧开关并闭合预定开关臂的低侧开关。
在本发明的特定实施例中，在所述至少一个预定相绕组的短路之后，并且在检测到指示由电压测量装置测量的电压超过第一预定值并且以迭代方式持续预定时间段这样做之后或者只要由电压测量装置测量的电压超过第二预定值：
-电流测量装置测量通过预定相的电流；
-如果测量电流的强度为正，控制电路闭合预定开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路断开预定开关臂的高侧开关。
在本发明的特定实施例中，在所述至少一个预定相绕组的短路之后，并且在检测到指示由电压测量装置测量的电压超过第一预定值并且以迭代方式持续预定时间段这样做之后或者只要由电压测量装置测量的电压超过第二预定值：
-电流测量装置测量通过预定相的电流；
-如果测量电流的强度为正，控制电路断开预定开关臂的低侧开关并闭合预定开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路断开预定开关臂的高侧开关并闭合预定开关臂的低侧开关。
根据第五方面，本发明的另一目的是一种电气系统，包括根据本发明第二方面的控制系统和由所述控制系统控制的多相盘绕转子旋转电机。
在其他实施例中，还可以设想，根据本发明的控制方法、控制系统和电气系统组合起来具有所有或一些上述特征。
附图说明
从参考附图提供的详细描述中，本发明的特定特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示出了根据本发明的电气系统的第一实施例；
图2作为流程图示出了根据本发明特定实施例的控制方法；
图3以曲线图的形式示出了在短路相中测量的电流和与该相相关的开关臂的高侧开关的状态之间的关系。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电气系统100的第一实施例。例如，该电气系统旨在用于机动车辆。
电气系统100连接到机动车辆的车载网络1，其包括至少一个直流电压源102。直流电压源102包括正极端子和负极端子，所述负极端子通常连接到电接地GND，例如机动车辆的底盘。直流电压源102设计成在这些端子之间提供直流输入电压E。
电气系统100首先包括多相旋转电机106。在本文描述的示例中，多相旋转电机106包括定子相U、V、W，其在所描述的示例中包括连接到中性点N的第一相应端。在所描述的示例中，电机106是三相电机。电机106例如是耦合到起动机-交流发电机皮带的同步电机，以便当作为电动机运行时驱动该皮带，并且当作为发电机运行时由皮带驱动。
电气系统100还包括根据本发明的控制系统101，该系统包括：
a)控制桥108，一方面连接到直流电压源102的端子，另一方面连接到电机106，以便从直流电压源102供应电机106的定子相U、V、W。因此，控制桥108包括高端子BHOS和低端子BBOS，它们分别连接到直流电压源102的正端子和负端子。控制桥108用于接收或供应来自高端BHOS的定子电流iE；
b)电子控制电路120；
c)用于测量高端子BHOS和低端子BBOS之间的电压的装置130；
d)测量装置140U，用于测量在定子相U中流通的电流Iu的强度；
e)测量装置140V，用于测量在定子相V中流通的电流Iv的强度；以及
f)测量装置140w，用于测量在定子相W中流通的电流Iw的强度
控制桥108还包括分别与定子相U、V、W相关的臂。每个臂包括连接到高端子BHOS的高侧开关和连接到低端子BBOS的低侧开关。高侧开关和低侧开关也在连接到相关定子相U、V、W的中心抽头(PU,PV,PW)处连接在一起。每个臂旨在被控制以在两种配置之间切换。在称为高侧配置的第一配置中，高侧开关闭合，低侧开关断开，使得输入电压E施加到相关定子相U、V、W的第二端。在称为低侧配置的第二配置中，高侧开关断开，低侧开关闭合，使得零电压施加到相关定子相U、V、W的第二端。控制桥108由电子控制电路120控制，以便在这两种配置之间切换每个臂，从而调节通过定子相U、V、W的电流。
在本文描述的实施例中，控制桥108的高侧和低侧开关是隔离栅场效应晶体管，更通常被称为MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。
用于测量电机106的定子相U中流通的电流的装置140U测量从中心抽头PU到中性点N流通的电流。根据惯例，当电流从中心抽头PU进入定子相U时，该电流为正，否则为负。
类似地，用于测量电机106的定子相V中流通的电流的装置140V测量从中心抽头PV到中性点N流通的电流。根据惯例，当电流从中心抽头PV进入定子相V时，该电流为正，否则为负。
类似地，用于测量电机106的定子相W中流通的电流的装置140W测量从中心抽头PW到中性点N流通的电流。根据惯例，当电流从中心抽头PW进入定子相W时，该电流为正，否则为负。
电气系统100还包括连接在控制桥108的端子BHOS,BBOS之间的电容器104。电容器104包括例如一个或多个电容器，例如化学电容器。
参考图2，现在将描述当旋转电机106处于其发电机运行模式时由控制系统101实施的根据本发明的控制方法的主要步骤。
最初(步骤D)，旋转电机106处于发电机模式。
在步骤E100期间，电子控制电路120以被称为同步整流器模式的操作模式交替控制控制桥108的低侧和高侧开关的断开和闭合。
同时，在步骤E200期间，电压测量装置130测量高端子BHOS和低端子BHOS之间的电压V*，并将该测量电压发送到控制电路120。例如，通过对高端子BHOS和低端子BHOS之间的电压进行过滤来获得电压V*，以避免整流产生的任何电流纹波，并避免负载损耗的错误检测。
在步骤E300期间，由控制电路120将测量电压V*与第一预定值VS1(例如58V)进行比较。
如果测量电压低于第一预定值VS1，则没有检测到负载损耗，并且控制系统重复并行步骤E100和E200。
如果测量电压V*高于第一预定值VS1，则检测到例如由于直流电压源102的断开而导致的车载网络1上的过电压，并且在步骤E400期间，电子控制电路120使旋转电机106的定子相U、V和W短路。
短路是通过命令控制桥108的开关臂的所有低侧开关闭合来实现的。换句话说，控制桥108的所有开关臂都处于它们的低配置。
然后，在步骤E500期间，测量装置140U测量定子相U中流通的电流Iu。
在步骤E600期间，控制电路120将测量电流Iu与零值进行比较。
如果电流Iu为正，在步骤E800期间，电子控制电路命令与定子相U相关的开关臂的高侧开关的闭合和低侧开关的断开
否则，(Iu为负或零)，在步骤E700期间，电子控制电路命令与定子相U相关的开关臂的高侧开关的断开和低侧开关的闭合。
在步骤E500、E600、E700、E800的同时，在本文描述的实施例中，该方法执行步骤E510、E610、E710、E810、E910。
在步骤E510期间，测量装置140V测量定子相V中流通的电流IV。
在步骤E610期间，控制电路120将测量电流IV与零值进行比较。
如果电流IV为正，在步骤E810期间，电子控制电路命令与定子相V相关的开关臂的高侧开关的闭合和低侧开关的断开。
否则，(IV为负或零)，在步骤E710期间，电子控制电路命令与定子相V相关的开关臂的高侧开关的断开和低侧开关的闭合。
在步骤E500、E600、E700、E800和E510、E610、E710、E810的同时，在本文描述的实施例中，该方法执行步骤E520、E620、E720、E820、E920。
在步骤E520期间，测量装置140W测量定子相W中流通的电流IW。
在步骤E620期间，控制电路120将测量电流IW与零值进行比较。
如果电流IW为正，在步骤E820期间，电子控制电路命令与定子相W相关的开关臂的高侧开关的闭合和低侧开关的断开。
否则，(IW为负或零)，在步骤E720期间，电子控制电路命令与定子相W相关的开关臂的高侧开关的断开和低侧开关的闭合。
在步骤E700、E710、E720或步骤E800、E810、E820之后，电压测量设备130在步骤E900期间测量高端子BHOS和低端子BHOS之间的电压V*，并将该测量电压发送到控制电路120。
在步骤E1000期间，由控制电路120将测量电压V*与第二预定值VS2(例如54V)进行比较。
如果测量电压V*高于第二预定值VS2，控制系统重复并行步骤E500-E800、E510-E810、E520-E820和E900。
如果测量电压低于第二预定值VS2，则控制方法停止(步骤F)。
图3示出了在相U的绕组中测量的电流Iu的曲线图，并且指定与定子相U相关的开关臂的高侧开关闭合的时间段。
在根据本发明的控制方法的前述实施例中，步骤E500-E800、E510-E810、E520-E820和E900周期性地执行，只要测量电压V*高于第二预定值VS2。在替代实施例中，步骤E500-E800、E510-E810、E520-E820和E900在预定时间间隔DT(例如40ms)期间周期性地执行。
在根据本发明的控制方法的前述实施例中，对定子的所有相同时执行步骤E500-E800、E510-E810、E520-E820。作为替代实施例，仅执行步骤E500-E800。换句话说，在该替代实施例中，控制方法仅考虑在相U的绕组中测量的电流Iu的强度。
当然，本发明不限于参照附图描述的实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想替代实施例。
例如，在前面描述的实施例中，晶体管都是所有MOSFET晶体管。作为替代实施例，这些晶体管可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
Claims (8)
1.一种用于控制多相旋转电机(106)的方法，该旋转电机的定子由控制桥(108)控制，该控制桥包括多个并联安装的开关臂，每个臂包括在中心抽头处连接在一起的高侧开关和低侧开关，该中心抽头连接到所述旋转电机的相(U,V,W)，所述旋转电机作为发电机运行并连接到电网(1)，特别是机动车辆的车载网络，所述方法包括当所述网络的电压测量值(V*)超过第一预定值(VS1)时短路定子的至少一个相绕组的步骤(E400)，所述方法的进一步特征在于，其包括在短路步骤(E400)之后激活开关臂的步骤(E500,E600,E700,E800)，该开关臂的中心抽头连接到所述至少一个短路相绕组，在该步骤期间：
-测量短路绕组中的强度；
-如果测量的强度为正，则所述激活的开关臂的高侧开关移动到闭合位置；
-否则，所述激活的开关臂的高侧开关移动到断开位置。
2.如前一权利要求所述的控制方法，其中，所述网络的电压的测量是通过用预定时间常数过滤所述网络的电压而获得的。
3.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，至少重复所述激活步骤，直到由电压测量装置测量的电压小于第二预定值(VS2)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的控制方法，其中，所述激活步骤重复预定时间段。
5.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，定子的所有相绕组在短路步骤期间被短路，并且其中，在短路步骤之后，对所有开关臂执行激活步骤。
6.一种用于多相旋转电机(106)的控制系统(101)，所述旋转电机作为发电机运行并通过第一和第二电源端子连接到电网(1)，所述电网(1)尤其是机动车辆的车载网络，所述控制系统(101)包括：
-控制桥(108)，包括多个并联安装的开关臂，每个臂包括在中心抽头处连接在一起的高侧开关和低侧开关，该中心抽头连接到所述旋转电机的相绕组，所述控制桥(108)能够向所述电网供应电压；
-能够断开或闭合控制桥(108)的开关的控制电路(120)；
-用于测量第一和第二电源端子之间的电压的装置(130)；
控制系统(101)的特征在于，对于也连接到预定开关臂的至少一个预定相绕组(U)，控制系统(101)还包括用于测量通过预定相绕组的电流的装置(140U)，并且当由电压测量装置测量的电压(V*)超过第一值(VS1)时：
-控制电路(120)闭合预定开关臂的低侧开关；
-电流测量装置(140U)测量通过预定相的电流；
-如果测量电流(IU)的强度为正，控制电路(120)闭合预定开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路(120)断开预定开关臂的高侧开关。
7.如前一权利要求所述的控制系统，其中，在检测到指示由所述电压测量装置测量的电压超过第一预定值并且以迭代方式持续预定时间段这样做之后或只要由电压测量装置测量的电压超过第二预定值：
-控制电路(120)闭合预定开关臂的低侧开关；
-电流测量装置(140U)测量通过预定相的电流；
-如果测量电流(IU)的强度为正，控制电路(120)闭合预定开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路(120)断开预定开关臂的高侧开关。
8.如权利要求6或7所述的控制系统，其特征在于，对于每相(U,V,W)，它还包括用于测量通过该相的电流的装置(140U,140V,140W)，并且对于每相：
-控制电路(120)闭合通过其中心抽头连接到该相的开关臂的低侧开关；
-电流测量装置(140U,140V,140W)测量通过该相(U,V,W)的电流；
-如果在该相中测量的电流(IU,IV,IW)的强度为正，控制电路(120)闭合通过其中心抽头连接到该相的开关臂的高侧开关；
-否则，控制电路(120)断开通过其中心抽头连接到该相的开关臂的高侧开关。
一种电气系统(100)，包括如权利要求6至8中任一项所述的控制系统(101)和由所述控制系统(101)控制的多相盘绕转子旋转电机(106)。
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