CN114070132A - 一种辅助动力装置电机控制电路及电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助动力装置电机控制电路及电机控制系统。控制模块、时间限制模块和信号调节模块；所述时间限制模块用于在所述电机启动时计时至预设时间后，向所述控制模块发送停止信号；所述控制模块用于根据所述停止信号控制所述电机进入发电状态；所述信号调节模块用于根据所述输出母线的母线电压调节母线电压输出至负载的时间，以使所述电机输出的电能在预设范围内波动。本发明提供的技术方案，降低发电转速的控制条件，降低电机的控制成本。

Description

一种辅助动力装置电机控制电路及电机控制系统

技术领域

本发明实施例涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种辅助动力装置电机控制电路及电机控制系统。

背景技术

在辅助动力装置中起动发电机系统是利用电机的可逆原理，让起动发电机系统在作为起动电动机用的同时兼作发电机使用。在起发电机系统在起动时作为电动机运行，电机将电能转换为机械能，带动发动机运转；当转速达到某一值后发动机喷油点火，使发动机进入自行工作状态，这一过程称之为启动过程。起动结束后，发动机转为原动机，拖动起发电机，此时起发电机也相应转为发电机运行，将机械能转换为电能输出，通过整流和调节得到直流电，可向系统提供电能。

启动过程的时间通常采用软件控制的方法，而软件控制的配套设备无疑增加了电机控制成本，另外，由于发电过程属于连续工作状态，因此电机的发电电压随转速变化而变化，为满足系统供电电压需要控制转速在较窄的范围内，而进一步增加了电机控制成本，增加控制复杂度。

发明内容

本发明提供一种辅助动力装置电机控制电路及电机控制系统，降低发电转速的控制条件，降低电机的控制成本。

第一方面，本发明实施例提供了一种电机控制电路，包括：控制模块、时间限制模块和信号调节模块；

所述时间限制模块与所述控制模块连接；所述时间限制模块用于在所述电机启动时计时至预设时间后，向所述控制模块发送停止信号；所述控制模块用于根据所述停止信号控制所述电机进入发电状态；

所述信号调节模块与所述控制模块连接；所述信号调节模块的第一输入端通过所述电机的输出母线与所述电机连接；所述信号调节模块的第二输入端接入第一参考电压；其中，所述第一参考电压在阈值范围内连续变化；所述信号调节模块的输出端连接负载；所述信号调节模块用于根据所述输出母线的母线电压调节母线电压输出至负载的时间，以使所述电机输出的电能在预设范围内波动。

可选的，所述信号调节单元包括第一比较单元和电压控制单元；

所述第一比较单元的第一输入端与所述输出母线连接；所述第一比较单元的第二输入端接入所述第一参考电压；所述第一比较单元的输出端与所述电压控制单元的输入端连接；所述第一比较单元用于将所述母线电压与所述第一参考电压进行对比并输出调节信号；所述电压控制单元用于根据所述调节信号调节母线电压输出至负载的时间。

可选的，所述第一比较单元包括分压子单元、第一比较器和数据转换子单元；

所述分压子单元的输入端与所述输出母线连接，所述分压子单元的输出端与所述第一比较器的第一输入端连接；所述第一比较器的第二输入端接入所述第一参考电压；所述第一比较器的输出端与所述数据转换子单元的输入端连接；所述分压子单元用于将所述母线电压进行分压后输入至所述第一比较器；所述第一比较器用于将分压后的所述母线电压与所述第一参考电压进行比较并输出电平信号；所述数据转换子单元用于根据所述电平信号生成所述调节信号。

可选的，所述分压单元包括第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻；

所述第一分压电阻、所述第二分压电阻、所述第三分压电阻和所述第四分压电阻依次串联；所述第一分压电阻的第一端与所述输出母线连接；所述第三分压电阻与第二分压电阻连接后与所述第一比较器的第一输入端连接；所述第四分压电阻的第二端接地。

可选的，所述电压控制模单元包括第一输出端、第二输出端、隔离单元和开关管；所述开关管的控制端与所述信号调节模块的输出端连接；所述开关管的第一端接地；所述开关管的第二端与所述隔离单元的第一端连接；所述隔离单元的第一端与所述第二输出端连接；所述隔离单元的第二端与所述第一输出端连接；所述第一输出端与所述输出母线连接；所述第一输出端与所述第二输出端之间连接负载；所述开关管用于根据所述调节信号导通或截止所述输出母线的输电回路；所述隔离单元用于隔离所述第一输出端与所述第二输出端之间电流信号。

可选的，所述隔离单元包括第一二极管和第二二极管；

所述第一二极管的正极与所述第二二极管的正极连接后与所述第二输出端连接；所述第一二极管的负极与所述第二二极管的负极连接后与所述第一输出端连接。

可选的，所述时间限制模块包括延时单元和第二比较器；

所述延时单元的输入端接入电源，所述延时单元的输出端与所述第二比较器的第二端连接；所述第二比较器的第一端接入第二参考电压；所述第二比较器的输出端与所述控制模块连接；所述延时单元用于根据所述预设时间，生成延时信号；所述第二比较器用于将所述第二参考电压与所述延时信号进行比较并输出所述停止信号。

可选的，所述延时单元包括限流电阻、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；

所述第一电容的第一极通过限流电阻接入电源，所述第一电容的第一极接地；所述第二电容、所述第三电容和所述第四电容均与所述第一电容并联；所述第一电容的第一极与所述第二比较器的第二端连接。

可选的，所述时间限制模块还包括第三二极管，所述第三二极管的正极与所述第二比较器的输出端连接；所述第三二极管的负极与所述控制模块连接；所述第三二极管用于信号单向导通，截止反向电流信号。

第二方面，本发明实施例提供了一种电机控制系统，包括本发明实施例任意所述的电机控制电路。

本发明提供的技术方案，通过时间限制模块进行延时控制，实现电机在预设时间完成启动，完全实现硬件控制，无需软件介入，降低电机的控制成本。电机进入发电状态后，电机的发电的输出的母线电压随转速而变化，信号调节模块可以根据第一参考电压限制电机的输出的母线电压的范围，并调节所述电机的输出时间，当输出的母线电压高时，输出时间短，当输出的母线电压低时，输出时间长。在供电负载对电源品质要求不高情况下，通过控制输出时间控制电机的电能输出的稳定性，相比于通过控制转速来控制输出电压，降低了对发电过程中对转速的控制要求，降低了发电转速的控制要求，进一步降低了电机的控制成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电机控制电路的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种信号调节单元的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的一种比较单元的的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的一种信号比较的示意图。

图5为本发明实施例提供的一种电压控制模单元的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的一种时间限制模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种电机控制电路的结构示意图，参见图1，包括：控制模块110、时间限制模块120和信号调节模块130。

时间限制模块120与控制模块110连接。时间限制模块120用于在电机140启动时计时至预设时间后，向控制模块110发送停止信号。控制模块110用于根据停止信号控制电机140进入发电状态。

信号调节模块130与控制模块110连接。信号调节模块130的第一输入端通过电机140的输出母线与电机140连接。信号调节模块130的第二输入端接入第一参考电压Vref1。其中，第一参考电压Vref1在阈值范围内连续变化。信号调节模块130的输出端连接负载150。信号调节模块130用于根据输出母线的母线电压调节母线电压输出至负载150的时间，以使电机140的输出的电能在预设范围内波动。

具体的，电机是指起动发电电机，其中，起动发电电机是起动机与发电机结合的一体机。在启动状态电机作为电动机进行工作，工作时间极短，通常在几秒内完成，其作用是将电机的转子拖动到点火转速，待电机点火后电机启动状态完成，然后电机将工作在发电状态。

时间限制模块120在电机140启动时，根据电机140的启动时间，可以进行设置相应的预设时间。示例性的电机140包括UC2625EP直流无刷电机，该电机的启动时间为10S，因此利用时间限制模块120将预设时间设置为10S。当达到电机启动的启动时间，时间限制模块120向控制模块110发送停止信号，控制模块110接收到停止信号控制电机启动状态停止进入发电状态。在发电状态，信号调节模块130根据第一参考电压Vref1将输出至负载的母线电压限制在一定范围内。示例性的，第一参考电压Vref1包括锯齿波和三角波等，第一参考电压Vref1是可以在阈值范围内连续变化的电压信号。信号调节模块130根据电机140的输出母线的母线电压Vin和第一参考电压Vref1关系限制输出至负载的母线电压范围，若母线电压Vin大于第一参考电压Vref1的上限，则该母线电压不能输出至负载。母线电压Vin处于第一参考电压Vref之间时可以调节母线电压输出至负载的输出时间，例如，设置初始母线电压处于第一参考电压Vref之间，若输出的母线电压Vin大于设置的初始母线电压，母线电压Vin输出至负载的输出时间短，当输出的母线电压Vin小于设置的初始母线电压低时，母线电压Vin输出至负载的输出时间长。通过母线电压Vin的输出至负载的时间来控制电机140的输出电能在预设范围内波动。

本发明提供的技术方案，通过时间限制模块进行延时控制，实现电机在预设时间完成启动，完全实现硬件控制，无需软件介入，降低电机的控制成本。电机进入发电状态后，电机的发电的输出的母线电压随转速而变化，信号调节模块可以根据第一参考电压限制电机的输出的母线电压的范围，并调节电机的输出时间，当输出的母线电压高时，输出时间短，当输出的母线电压低时，输出时间长。通过控制输出时间控制电机的电能输出的稳定性，相比于通过控制转速来控制输出电压，降低了对发电过程中对转速的控制要求，降低了发电转速的控制要求，进一步降低了电机的控制成本。

基于上述实施例，图2为本发明实施例提供的一种信号调节单元的结构示意图，参见图2，信号调节单元包括第一比较单元210和电压控制单元220。

第一比较单元210的第一输入端与输出母线连接。第一比较单元210的第二输入端接入第一参考电压Vref1。第一比较单元210的输出端与电压控制单元220的输入端连接；第一比较单元210用于将母线电压Vin与第一参考电压Vref1进行对比并输出调节信号。电压控制单元220用于根据调节信号调节母线电压Vin输出至负载的时间。

示例性，调节信号包括第一调节信号和第二调节信号，第一比较单元210将母线电压Vin和第一参考电压Vref1进行比较，当母线电压Vin持续大于第一参考电压Vref1时，则第一比较单元210持续输出第一调节信号，当母线电压Vin持续小于第一参考电压Vref1时，则第一比较单元210持续输出第二调节信号。将母线电压Vin接入电压控制模块220，电压控制单元220根据第一调节信号截止母线电压Vin输出至负载150，电压控制单元220根据第二调节信号导通母线电压Vin输出至负载150。因此根据母线电压Vin与第一参考电压Vref1的关系，可以确定得到母线电压Vin输出至负载150的导通或截止时间。通过调节电机的输出时间，控制电机的电能输出的稳定性，相比于通过控制转速来控制电机输出电压来稳定输出功率，可以提供更宽的发电转速的控制范围，降低了电机的控制成本。

基于上述实施例，图3为本发明实施例提供的一种比较单元的的结构示意图，参见图3，第一比较单元包括分压子单元310、第一比较器U5和数据转换子单元U6。

分压子单元310的输入端与输出母线连接，分压子单元310的输出端与第一比较器U5的第一输入端连接。第一比较器U5的第二输入端接入第一参考电压Vref1。第一比较器U5的输出端与数据转换子单元U6的输入端连接。分压子单元310用于将母线电压Vin进行分压后输入至第一比较器U5。第一比较器U5用于将分压后的母线电压Vin与第一参考电压Vref1进行比较并输出电平信号。数据转换子单元用于根据电平信号生成调节信号。

具体的，将母线电压Vin经过分压子单元310分压后得到母线分压，将母线分压输入至第一比较器U5的反相端，通过将母线电压Vin进行分压得到母线分压，避免输入至第一比较器U5的电压过高，从而保证测试硬件及人员安全。将第一参考电压Vref1接入第一比较器U5的正相端，当第一参考电压Vref1大于母线分压时，第一比较器U5输出高电平，当第一参考电压Vref1小于母线分压时，第一比较器U5输出低电平。其中，第一比较器U5是开漏输出，因此通过上拉电阻R11提高输出的稳定性，由于第一比较器U5输出的电平信号不能直接驱动电压控制单元220，因此可以通过数据转换子单元U6将电平信号转换为相应的调节信号，其中，数据转换子单元U6可以采用驱动芯片IRF2010S。示例性的，第一参考信号采用锯齿波信号，图4为本发明实施例提供的一种信号比较的示意图，参见图4，第一比较器U5的正相输入端输入锯齿波参考信号(锯齿波A表示)，第一比较器U5的正相输入端输入经过分压后的母线分压，则当母线分压(虚线B1表示)相比于初始的母线分压(虚线B表示)增大时，数据转换子单元输出的调节信号的方波占空比减小，当母线分压(虚线B2表示)相比于初始的母线分压(虚线B表示)减小时，数据转换子单元输出的调节信号的方波占空比增大。相应的，数据转换子单元根据电平信号输出相应的调节信号。当第一参考电压Vref1大于母线分压时，数据转换子单元输出第二调节信号即方波的高电平部分，当第一参考电压Vref1小于母线分压时，数据转换子单元输出第一调节信号即方波的低电平部分。

基于上述实施例，继续参见图3，分压单元310包括第一分压电阻R7、第二分压电阻R02、第三分压电阻R9和第四分压电阻R12。

第一分压电阻R7、第二分压电阻R02、第三分压电阻R9和第四分压电阻R12依次串联。第一分压电阻R7的第一端与输出母线连接。第三分压电阻R9与第二分压电阻R02连接后与第一比较器U5的第一输入端连接。第四分压电阻R12的第二端接地。

具体的，母线电压Vin经过分压后输入至第一比较器U5的反相输入端，通过分压计算可以得到反相输入端的输入电压。通过调整第一分压电阻R7、第二分压电阻R02、第三分压电阻R9和第四分压电阻R12各个电阻的阻值配比，调整输入至第一比较器U5的母线分压的大小，来满足第一比较器U5的硬件输入要求。

基于上述实施例，图5为本发明实施例提供的一种电压控制模单元的结构示意图，参见图5，电压控制模单元包括第一输出端510、第二输出端520、隔离单元530和开关管Q1。开关管Q1的控制端与信号调节模块130的输出端连接。开关管Q1的第一端接地。开关管Q1的第二端与隔离单元530的第一端连接。隔离单元530的第一端与第二输出端520连接。隔离单元530的第二端与第一输出端510连接；第一输出端510与输出母线连接；第一输出端510与第二输出端520之间连接负载；开关管Q1用于根据调节信号导通或截止输出母线的输电回路；隔离单元530用于隔离第一输出端与第二输出端之间电流信号。。

具体的，第一比较单元输出端通过信号接口P11与电压控制模单元的开关管Q1的控制端连接。其中，开关管Q1包括mos开关管，结合上述实施例，示例性的，开关管Q1可以采用Nmos管，当开关管Q1的控制端接入第一调节信号即低电平，开关管Q1截止，第一输出端510输出的母线电压Vin不能经负载后通过开关管Q1返回接地，因此相当于截止母线电压Vin输出至负载。当开关管Q1的控制端接入第二调节信号即高电平，开关管Q1导通，第一输出端510输出母线电压Vin经负载后通过开关管Q1接地，形成供电回路，因此相当于导通母线电压Vin输出至负载。由于第一参考信号采用锯齿波信号，因此通过母线分压与初始的母线分压的关系，可以调节第一比较单元210输出的调节信号的方波的占空比。其中，发电属于连续工作，该工作形式对电机电枢匝数的选择十分重要，对发电机来说，匝数多可以降低空载降压转速，但感抗会增大，会影响发电机的最大输出，一般发电机的最高转速与最低转速之比为2:1，因此希望在最低转速时调节信号的方波占空比为0.9左右，而在最高转速时为调节信号的方波0.5左右，这样效率较高。由此设计的电机匝数将减小，从而提高启动状态的转速提示，减小启动状态的弱磁扩速的范围。隔离单元530连接在第一输出端510和第二输出端520之间，隔离单元530目的是单向导通电流，截止反向电流冲击，造成器件损坏。

继续参见图5，隔离单元530包括第一二极管D1和第二二极管D2。

第一二极管D1正极与第二二极管D2正极连接后与第二输出端520连接。第一二极管D1负极与第二二极管D2负极连接后与第一输出端510连接。

具体的，利用第一二极管和第二二极管的单向导通性，避免第一输出端510和第二输出端520的信号串扰，起到隔离作用，避免器件损坏。

图6为本发明实施例提供的一种时间限制模块的结构示意图，参见图6，时间限制模块包括延时单元610和第二比较器U12。

延时单元的输入端接入电源+5V，延时单元610的输出端与第二比较器U12的第二端连接。第二比较器U12的第一端接入第二参考电压Vref2。第二比较器U12的输出端与控制模块110连接。延时单元610用于根据预设时间，生成延时信号。第二比较器U12用于将第二参考电压Vref2与延时信号进行比较并输出停止信号。

示例性的，第二比较器U12采用LM158DT运放，第二比较器U12的反相输入端接入第二参考电压Vref2，其中，第二参考电压Vref2为恒定电压，第二比较器U12的正相输入端接入与延时单元610的输出端连接。延时单元610经过预设时间后输出延时信号，第二比较器U12将延时信号与第二参考电压Vref2进行比较，若延时信号大于第二参考电压Vref2，第二比较器U12输出停止信号即高电平至控制模块110，控制模块110根据停止信号控制电机进入发电状态。

可选的，延时单元610包括限流电阻R14、第一电容C17、第二电容C10、第三电容C11和第四电容C12。

第一电容C17的第一极通过限流电阻R14接入电源+5V，第一电容C17的第一极接地。第二电容C10、第三电容C11和第四电容C12均与第一电容C17并联。第一电容C17的第一极与第二比较器U12的第二端连接。

具体的，将第一电容C17、第二电容C10、第三电容C11和第四电容C12并联后与第二比较器U12的正相输入端连接，通过组合各个电容的容值关系，从而调整电容的充电时间提供延时时间，其中，限流电阻用于限制充电过程电流，避免充电电流过大。示例性的，UC2625EP型号的电机的启动时间约10S，第二比较器U12反相输入端的第二参考电压Vref2经分压后的电压为3.53V。则电容的充电时间根据电容数据可以计算。经计算理论电容充电到6.53V的时间T为9.69S，当正相输入端的电压高于反相端电压3.53V时，第二比较器U12输出高电平给电机的控制模块110。即工作时间约为10S。可以仅通过硬件即可解决定时控制问题，节约控制成本。

继续参见图6，时间限制模块还包括第三二极管D14，第三二极管D14的正极与第二比较器U12的输出端连接。第三二极管D14的负极与控制模块110连接。第三二极管D14用于信号单向导通，截止反向电流信号。

本发明实施例提供了一种电机控制系统，包括本发明实施例任意的电机控制电路。本发明实施例提供的电机控制系统与本发明任意实施例提供的电机控制电路属于相同的发明构思，具有相应的有益效果，未在本实施例详尽的技术细节详见本发明任意实施例提供的电机控制电路。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电机控制电路，其特征在于，包括：控制模块、时间限制模块和信号调节模块；

所述时间限制模块与所述控制模块连接；所述时间限制模块用于在所述电机启动时计时至预设时间后，向所述控制模块发送停止信号；所述控制模块用于根据所述停止信号控制所述电机进入发电状态；

所述信号调节模块与所述控制模块连接；所述信号调节模块的第一输入端通过所述电机的输出母线与所述电机连接；所述信号调节模块的第二输入端接入第一参考电压；其中，所述第一参考电压在阈值范围内连续变化；所述信号调节模块的输出端连接负载；所述信号调节模块用于根据所述输出母线的母线电压调节母线电压输出至负载的时间，以使所述电机输出的电能在预设范围内波动。

2.根据权利要求1所述的电机控制电路，其特征在于，所述信号调节单元包括第一比较单元和电压控制单元；

所述第一比较单元的第一输入端与所述输出母线连接；所述第一比较单元的第二输入端接入所述第一参考电压；所述第一比较单元的输出端与所述电压控制单元的输入端连接；所述第一比较单元用于将所述母线电压与所述第一参考电压进行对比并输出调节信号；所述电压控制单元用于根据所述调节信号调节母线电压输出至负载的时间。

3.根据权利要求2所述的电机控制电路，其特征在于，所述第一比较单元包括分压子单元、第一比较器和数据转换子单元；

所述分压子单元的输入端与所述输出母线连接，所述分压子单元的输出端与所述第一比较器的第一输入端连接；所述第一比较器的第二输入端接入所述第一参考电压；所述第一比较器的输出端与所述数据转换子单元的输入端连接；所述分压子单元用于将所述母线电压进行分压后输入至所述第一比较器；所述第一比较器用于将分压后的所述母线电压与所述第一参考电压进行比较并输出电平信号；所述数据转换子单元用于根据所述电平信号生成所述调节信号。

4.根据权利要求3所述的电机控制电路，其特征在于，所述分压单元包括第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻；

所述第一分压电阻、所述第二分压电阻、所述第三分压电阻和所述第四分压电阻依次串联；所述第一分压电阻的第一端与所述输出母线连接；所述第三分压电阻与第二分压电阻连接后与所述第一比较器的第一输入端连接；所述第四分压电阻的第二端接地。

5.根据权利要求2所述的电机控制电路，其特征在于，所述电压控制模单元包括第一输出端、第二输出端、隔离单元和开关管；所述开关管的控制端与所述信号调节模块的输出端连接；所述开关管的第一端接地；所述开关管的第二端与所述隔离单元的第一端连接；所述隔离单元的第一端与所述第二输出端连接；所述隔离单元的第二端与所述第一输出端连接；所述第一输出端与所述输出母线连接；所述第一输出端与所述第二输出端之间连接负载；所述开关管用于根据所述调节信号导通或截止所述输出母线的输电回路；所述隔离单元用于隔离所述第一输出端与所述第二输出端之间电流信号。

6.根据权利要求5所述的电机控制电路，其特征在于，所述隔离单元包括第一二极管和第二二极管；

所述第一二极管的正极与所述第二二极管的正极连接后与所述第二输出端连接；所述第一二极管的负极与所述第二二极管的负极连接后与所述第一输出端连接。

7.根据权利要求1所述的电机控制电路，其特征在于，所述时间限制模块包括延时单元和第二比较器；

所述延时单元的输入端接入电源，所述延时单元的输出端与所述第二比较器的第二端连接；所述第二比较器的第一端接入第二参考电压；所述第二比较器的输出端与所述控制模块连接；所述延时单元用于根据所述预设时间，生成延时信号；所述第二比较器用于将所述第二参考电压与所述延时信号进行比较并输出所述停止信号。

8.根据权利要求7所述的电机控制电路，其特征在于，所述延时单元包括限流电阻、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；

所述第一电容的第一极通过限流电阻接入电源，所述第一电容的第一极接地；所述第二电容、所述第三电容和所述第四电容均与所述第一电容并联；所述第一电容的第一极与所述第二比较器的第二端连接。

9.根据权利要求7所述的电机控制电路，其特征在于，所述时间限制模块还包括第三二极管，所述第三二极管的正极与所述第二比较器的输出端连接；所述第三二极管的负极与所述控制模块连接；所述第三二极管用于信号单向导通，截止反向电流信号。

10.一种电机控制系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的电机控制电路。

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