CN115566945A

CN115566945A - 用于旋转电机的电压转换器

Info

Publication number: CN115566945A
Application number: CN202210781505.0A
Authority: CN
Inventors: P.查萨德; F.X.伯纳德
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2023-01-03
Also published as: EP4113823A1; FR3124909A1

Abstract

本发明提出了一种电压转换器(1)，包括适于传送控制信号(20)的控制模块(2)和适于接收控制信号(20)并控制绕组的相的功率模块(3)、用于连接到车辆电池的电力供应端子(11)，电压转换器(1)还包括适于确定跨所述电压转换器的电力供应端子(11)的端子的供应电流(Idc)的器件(4)，控制模块(2)包括适于根据扭矩设定点(Torque*)建立电流设定点(Idc*)的计算模块(5)，控制模块(2)还包括适于根据供应电流(Idc)和电流设定点(Idc*)产生功率模块的控制信号(20)的定子调节模块(6)。

Description

用于旋转电机的电压转换器

技术领域

本发明涉及电压转换器，尤其有利地适用于旋转电机领域，例如交流发电机、起动器-交流发电机或可逆电机或电马达。可逆机器是旋转电机，其能够可逆地操作，一方面当用作交流发电机时作为发电机，另一方面作为电马达，例如用于起动诸如机动车辆的车辆的内燃机。

背景技术

旋转电机包括可绕轴线旋转的转子和固定的定子。在交流发电机模式下，当转子旋转时，它会在定子处感应出磁场，该磁场会将该磁场转化为电流，从而为车辆的用电设备供电并为蓄电池充电。在马达模式下，定子被供电并感应出驱动转子旋转的磁场，例如为了起动内燃机。

通常，机器包括控制模块，该控制模块可产生用于控制转子和定子的设定点，以控制机器输送的功率和/或扭矩。该机器还包括功率模块，该功率模块特别适合于根据定子控制设定点将电功率信号传送到绕组的电气相。这些控制量中的每一个一方面根据参考参数来确定，这些参考参数特别是由车辆的主计算机给出的，并且指示机器的期望操作水平，另一方面根据机器的瞬时操作参数来确定。

瞬时参数例如为向定子供电的相电流，由分别位于绕组的输入端的三个相中的每一相的三个电流传感器检测，如[图1]所示的现有技术。然而，三个传感器的定位必须考虑到绕组输入端的尺寸问题。

为了减小尺寸和限制成本，可使用位于功率模块中的三个传感器有利地确定瞬时参数，以便检测各相的电流。然而，特别是在全波模式下操作期间，这种传感器不可能同时测量三个相的电流以便执行Park变换来确定瞬时参数。因此，有必要提出一种在全波模式下确定瞬时参数的解决方案。

发明内容

本发明提出一种电压转换器，包括适于传送控制信号的控制模块和适于接收控制信号并控制绕组的相的功率模块、用于连接至车辆电池的电力供应端子，该电压转换器还包括适于确定所述电压转换器的电力供应端子的端子两端的供应电流的器件，该控制模块包括适于根据扭矩设定点建立电流设定点的计算模块，该控制模块还包括适于根据供应电流和电流设定点产生用于控制功率模块的信号的定子调节模块。

因此，本发明提出在电压转换器的输入端使用电流检测器件。定子调节模块根据检测到的电流以及由功率预算产生的设定点电流值来调节定子控制，而不管机器的操作模式如何，尤其是在全波模式下。这种解决方案减小了电压转换器的尺寸和成本，同时适合全波模式。

根据一个实施例，转换器包括适于确定供应电流Idc的单一器件。

根据一个实施例，该器件包括置于所述电压转换器的电力供应端子和功率模块的电力供应端子之间的电流传感器。

根据一个实施例，电流传感器为霍尔效应电流传感器或电阻器或磁阻电流传感器。

根据一个实施例，计算模块适用于根据参考电功率和参考机械功率之间的功率预算建立电流设定点，参考电功率通过将设定点电流乘以跨电压转换器的电力供应端子的端子测量的供应电压而给出，参考机械功率通过将扭矩设定点乘以转子的机械角转速Pmech*＝T*×w而给出。

根据一个实施例，角转速大于4000rpm。

根据一个实施例，定子调节模块包括低通滤波器，其适用于过滤测量的供应电流。

根据一个实施例，调节模块包括比较器，该比较器适用于传送与供应电流和电流设定点之间的差相对应的误差信号。

根据一个实施例，定子调节模块包括适于以全波模式操作的整形模块。

本发明的另一个主题是用于机动车辆的旋转电机，包括定子和电压转换器，定子包括形成至少一相的绕组。

附图说明

[图1]示出了根据现有技术的机器的框图。

[图2]示出了根据本发明的机器的框图。

[图3]详细说明了根据本发明的机器的各种框图的部件。

具体实施方式

从一幅图到另一幅图，相同、相似或类似的元件保留相同的附图标记。此外，下面描述的示例性实施例决不是限制性的。特别有可设想本发明的变体仅包括下面描述的特征的选择，其与所描述的其他特征相分离。

旋转电机10，尤其用于机动车或无人机等交通工具，在交流发电机模式下将机械能转化为电能，并可在电马达模式下运行，以将电能转化为机械能。该旋转电机10例如是交流发电机、起动器-交流发电机、可逆机器或电马达。旋转电机包括能够绕轴线旋转的转子和固定的定子。

定子9包括本体，例如由设有槽的叠片的堆叠形成，且定子包括安装在本体中的电绕组。电绕组由包括至少一个电导体的一个或多个相形成。每个相包括形成相输出端的端部，该端部电连接到功率模块3。功率模块3使得可以从绕组的电气相接收电功率信号或将电功率信号传送到绕组的电气相。功率模块3形成桥式电压整流器，用于将由定子的相产生的AC电压转换成DC电压，和/或相反地，用于将DC电压转换成要提供给定子的相的AC电压。在与车辆的外部主控制计算机的接口处，控制模块2向功率模块3传送控制信号20，用于根据机器的需要调节定子的电压。

转子8为爪极转子，在该实例中包括两个爪极和缠绕在爪极铁芯周围的线圈。例如，电机包括安装在转子上的换向器，并且包括通过有线链路连接到线圈的滑环和电刷架，电刷架布置成使得电刷摩擦抵靠滑环，以便向转子的线圈提供电力。电刷架的电刷与控制模块2电连接。控制模块2还可以根据机器的需要控制转子的电力供应。

包括控制模块2的控制级和包括功率模块3的功率级的组件构成了电压转换器1，如图2所示。该机器可以包括容纳转子和定子的外壳，并且该电压转换器1可以安装在该外壳上。电压转换器还包括连接到车辆电池的电力供应端子11。

电压转换器1还包括置于电压转换器的电力供应端子11和功率模块的电力供应端子12之间的电流传感器4。电流传感器4检测跨功率转换器的端子的供应电流Idc。

图3中详述的功率模块3包括用于每个绕组相的至少一个开关臂30。因此，对于三相系统，电压转换器通常包括三个开关臂。每个开关臂包括电连接到电网的电接地端子GND的接地端子31、电连接到电网的正极端子B+的电力供应端子32、第一和第二功率部件33、34、布置在第一功率部件33和第二功率部件34之间并电连接到电气相的相端子。第一功率部件33布置在电力供应端子和相端子之间，第二功率部件34布置在接地端子和所述相端子之间。每个功率部件作为开关操作，该开关被设置成在断开状态和接通状态之间切换。在断开状态下，开关断开，电流不流过部件。在接通状态下，开关闭合，电流流过部件。每个功率部件33、34包括控制端子，该控制端子连接到功率部件的控制模块，并且使得可以在接通状态和断开状态之间控制所述部件。在这个例子中，每个功率部件33、34是晶体管，特别是MOSFET类型的晶体管。

使得可以控制功率模块的控制模块2包括定子调节模块6和计算模块5。

计算模块根据车辆的主计算机的参考设定点，例如机器所需的扭矩Torque*，建立电流设定点Idc*。电流设定点Idc*被发送到定子调节模块6。

定子调节模块6还接收检测到的供应电流Idc作为输入，并根据电流Idc和Idc*产生用于控制功率模块的信号20。

更具体而言，在定子调节模块6中，在由定子调节模块6的比较器61与电流设定点Idc*进行比较之前，检测到的供电电流Idc的输送值可选地由低通滤波器60进行滤波，例如进行平均。比较器61产生对应于供应电流Idc和电流设定点Idc*之间的差的误差信号62。然后，误差信号被调节模块的校正器63转换成误差电压。误差电压被发送到调节模块的转换模块64。变换模块64执行Park变换。

变换模块64包括第一部件641，其能够根据误差电压计算提前角δ。变换模块还包括第二部件642，其也使用转子位置作为输入数据。第二部件642能够根据转子位置和提前角δ计算跨定子的相的端施加的信号的占空比。转换模块64适于在全波模式下操作。

转换模块64为功率模块的每个开关臂30提供控制信号20作为输出，占空比分别为U、V、W。控制信号20例如是矩形电压的形式，该矩形电压被施加到桥臂30的晶体管，以便控制它，从而控制绕组的相。

更具体而言，控制模块的计算模块5包括计算机50，其适于执行以下之间的功率预算：

-与扭矩设定点(Torque*)相对应的参考机械功率(Pmech*)，通过将扭矩设定点(Torque*)乘以转子的机械角转速(w)(单位为rad/s)给出：

Pmech*＝Torque*×w

-对应于电流设定点(Idc*)的参考电功率(Pelec*)，通过将设定点电流(Idc*)乘以跨电压转换器的电力供应端子的端子测量的供应电压(Vdc)(单位为伏特)给出:

Pelec*＝Idc*×Vdc

-电气损耗，即：

定子处的焦耳损耗Pstator，

转子处的焦耳损耗Protor，

转换器处的焦耳损耗Pconverter，

摩擦产生的机械扭矩损耗，由摩擦产生的扭矩损耗Tlost乘以转子的机械角转速w给出：Plost＝Tlost×w

功率预算由下式给出：

Pelec*＝Pmech*-Plost+Pstator+Pconverter+Protor

Idc*×Vdc＝(Torque*-Tlost)×w+Pstator+Pconverter+Protor

第二部件642使用的转子位置环路也传输转子的转速。

控制模块2还包括转子调节模块7。转子调节模块7根据转子激励电流Ir_meas的测量值和电机所需的参考转子激励电流Ir*产生用于控制转子激励的设定点2。放置在转子调节模块和转子之间的电流传感器70使得可以检测转子的激励电流Ir_meas。参考激励电流Ir*由计算模块50针对车辆的特定操作需求来计算。转子调节模块包括用于建立设定点电流Ir*和测量电流Ir之间的误差信号的比较器71、用于将误差电流转换成电压的校正器72和调制器73。因此，电压形式的命令作为调节模块的输出被发送到转子，以便调节转子的激励电流。

转子的机械角转速w有利地大于4000rpm，特别是在4000rpm和6000rpm之间，这对应于过渡到“全波”模式。全波模式可以向定子施加最大电压，以便可以从电机获得最大功率。注意，以rad/s为单位的角速度可以转换成每分钟的转数，于是表示为N的转子转速(以rpm为单位)被引用：N＝w*60/(2*pi)。

在一种变型中，电流传感器4为与磁性集中器相关联的霍尔效应电流传感器。在一种变型中，电流传感器是分流电阻器类型的，与用于测量分流电压的差分放大器相关联，分流电压代表测量的电流。在一种变型中，电流传感器是磁阻电流传感器。

Claims

1.一种电压转换器(1)，包括：

控制模块(2)，适于传送控制信号(20)，

功率模块(3)，适于接收所述控制信号(20)并控制绕组的相，

电力供应端子(11)，用于连接到车辆的电池，

所述电压转换器(1)还包括适于确定跨所述电压转换器的电力供应端子(11)的端子的供应电流(Idc)的器件(4)，

所述控制模块(2)包括适于根据扭矩设定点(Torque*)建立电流设定点(Idc*)的计算模块(5)，

所述控制模块(2)还包括定子调节模块(6)，所述定子调节模块适于根据所述供应电流(Idc)和所述电流设定点(Idc*)产生用于控制所述功率模块的信号(20)。

2.根据权利要求1所述的电压转换器(1)，包括适于确定所述供应电流(Idc)的单个器件(4)。

3.根据权利要求1或2所述的电压转换器(1)，所述器件(4)包括置于所述电压转换器的电力供应端子(11)和所述功率模块的电力供应端子(12)之间的电流传感器。

4.根据权利要求3所述的电压转换器(1)，其中，所述电流传感器(4)是霍尔效应电流传感器或电阻器或磁阻电流传感器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电压转换器(1)，其中，所述计算模块(5)适于根据以下之间的功率预算来建立所述电流设定点(Idc*)：

-参考电功率(Pelec*)，由所述设定点电流(Idc*)乘以跨所述电压转换器的电力供应端子的端子测量的所述供应电压(Vdc)得出：

Pelec*＝Vdc×Idc*，

-参考机械功率(Pmech*)，由所述扭矩设定点(Torque*)乘以转子的机械角转速(w)得出：

Pmech*＝T*×w。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电压转换器，其中，角转速(w)大于4000rpm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电压转换器，其中，所述定子调节模块(6)包括低通滤波器(60)，所述低通滤波器适于对测量的供应电流(Idc)进行滤波。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电压转换器，其中，所述调节模块包括比较器(61)，所述比较器适于发送对应于所述供应电流(Idc)和所述电流设定点(Idc*)之间的差的误差信号(62)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电压转换器，其中，所述定子调节模块(6)包括适于以全波模式操作的整形模块(64)。

10.一种用于机动车辆的旋转电机，包括定子(12)和根据权利要求1至9中任一项所述的电压转换器(1)，所述定子包括形成至少一个相的绕组。