CN1303322C - 发动机起动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发动机起动装置，防止起动后发动机对起动电机的带动旋转。在起动后当电机的转速超过起动转数时，速度判断部36判断为发生了带动旋转而输出信号s1。通电停止部38响应信号s1，指示对电机3a停止通电。通电停止后，转速下降到接近起动旋转数时，速度判断部36输出信号s2。根据信号s2，解除通电停止部38发出的通电停止指示。电机的转速检测在着火后也持续，如果达到更高的速度，根据信号s4，转速检测也被停止。如果转速达到表示完全着火的值，从速度判断部36输出信号s3，继电器控制部39就把继电器19，26切换至发电机一侧。

Description

发动机起动装置

技术领域

本发明涉及一种发动机起动装置，具体涉及适合抑制发动机着火开始后随着发动机转数的上升，起动电机被发动机的驱动力带动旋转的发动机起动装置。

背景技术

发动机起动装置中用于起动发动机的起动电机被控制成转数收敛于基本恒定的目标转数以内的状态，为了使发动机着火而对发动机进行驱动。因此，着火开始后，由于随着发动机转数的上升，上述目标转数相对地变为比发动机转数低，如果起动电机处于连接发动机的状态，就会发生起动电机获得发动机的驱动力而旋转的所谓的带动旋转现象。其结果，起动电机变成负荷而妨碍发动机的旋转。

为防止此种带动旋转，着火开始后，脱开连接起动电机和发动机的齿轮的啮合，或断开起动电机和发动机之间的离合器。但是在使用起动后将起动电机作为由发动机驱动的发电机来使用的所谓发电电动机的系统中，即使着火开始后也无法机械分离发动机和起动电机即发电机。因此，如特开平3-3969号公报所公开的，在着火开始后的适当时期内停止起动电机的激磁电流的供给。

但是，能够判断发动机已转移到确实独立运转的转数比起动转数要高得多。因此在发动机着火开始后的转数刚上升过程中的早期停止起动电机的激磁的情况下，由于没有达到完全着火(完爆)状态而最终导致起动失败。一旦起动失败，在发动机转数降低而停止旋转之前都无法进行下次的起动操作。

有时使用没有转子位置检测传感器的无刷电机作为起动电机。在该情况下，通常根据定子绕组中所感应的电压和位置信号等来推定转子的位置，因此一旦通电停止，之后就无法检测转速及旋转位置。因此一旦起动失败，在转速下降发动机停止之前，无法进行下次的起动操作，因此存在重新起动花费时间较长的问题。

发明内容

本发明提供一种发动机起动装置，在发动机着火开始后，使起动电机不会成为发动机旋转的负荷，能够迅速且顺利起动。

本发明的第1特征在于，该装置具备：起动发动机的无刷电机；速度检测装置，其根据所述电机的定子绕组中所感应的电压来检测该电机的转速；通电停止装置，其在所述转速超过作为所述发动机的起动标准而预先设定的第1速度时，停止对所述电机的通电；检测停止装置，其在所述转速超过比所述第1速度高的第2速度时，停止所述速度检测装置进行的检测动作。

根据第1特征，在发动机起动时，当电机的转速超过第1速度时，判断为发动机已被起动，停止电机。但是考虑到随后失速的情况，电机的速度检测动作持续到超过更快的第2速度为止。

另外，本发明的第2特征在于，具备下述装置，该装置在使用所述通电停止装置停止通电后，在所述转速下降到作为熄火标准而预先设定的第3速度以下时，解除所述通电停止装置进行的通电停止，恢复对所述电机的通电。

根据第2特征，起动失败时，从电机的转速下降到熄火标准值以下的情况可认识到失速，可迅速转移到再起动动作。

另外，本发明的第3特征在于：所述第3速度值比第1速度值低。根据第3特征，可以确认已失速的状态。

再则，本发明的第4特征在于：在所述电机对3相定子绕组中的2相进行了驱动用通电时，根据未通电的绕组中所感应的电压信号，形成转子的旋转位置信号及转速信号，所述速度检测装置根据所述转速信号，检测电机的转速。

根据第4特征，根据绕组的感应电压检测电机的转速，不使用电机及发动机的转速传感器，就可准确地检测出通电定时而进行再起动。

附图说明

图1为本发明的实施方式的起动装置的主要部分即电机断开控制的功能方框图。

图2为把无刷电机作为起动电机使用的发动机发电装置的侧视图。

图3为图2的V-V剖面图。

图4为发动机发电装置的系统构成图。

图5为表示无传感器驱动部的主要部分功能的方框图。

图6为表示发动机发电装置的起动控制的全体动作的时序图。

图7为发动机发电装置的起动控制的流程图(其一)。

图8为发动机发电装置的起动控制的流程图(其二)。

图9为起动控制的主要部分时序图。

图10为发动机起动时起动定位控制的功能方框图。

图11为电机断开控制的时序图。

图12为电机断开控制的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明一实施方式进行详细说明。图2是表示使用无刷电机作为起动电机的发动机起动装置的侧视图，图3是图2的V-V剖面图。发动机发电装置1具有四冲程内燃发动机2和磁铁式多极发电机3。发电机3是发电电动机，如后所述还作为电动机进行动作。发动机2的曲轴4以被设置在曲轴箱5的侧壁5a上的轴承6支撑的状态被引出到发动机2的外部。在包围曲轴4的曲轴箱5的侧壁5a周缘凸起部上由螺栓80固定环状星形铁心7。铁心7由环状的磁轭部7a和从其放射状地突出的27个凸极部7b构成。通过在所述凸极部7b上依次交替地缠绕3相的绕组，从而构成定子8。

在曲轴4的前端嵌装有铸造件轮毂9，在该轮毂9上结合有兼用作转子支架的飞轮10。飞轮10由将高张力钢板冲压成杯状而形成的圆盘部10a和圆筒部10b构成。圆盘部10a被固定在轮毂9上，而圆筒部10b罩住铁心7的凸极部7b外侧。

通过在飞轮10的圆筒部10b的内周面上，跨越整个圆周固定18个具有强磁力的钕类磁铁11，构成外转子型磁铁转子12。这样的转子12通过把磁铁11密集铺设在圆筒部10b的内周面上，可确保足够的质量，从而可起到作为飞轮的作用。

在飞轮10的圆盘部10a上安装有冷却扇13。冷却扇13在圆环状的基板13a的一个侧面上沿着圆周方向立向设置了多个扇叶，基板13a被固定在飞轮10的圆盘部10a的外表面上。罩住冷却扇13的风扇罩14形成从飞轮10的侧方至发动机2的冷却风的导风路14a。

图4是发动机发电装置1的系统构成图。发电机3在发动机2的驱动下产生3相交流电。从发电机3输出的交流电由桥式连接半导体整流元件的整流电路构成的变流器15全波整流，而转换为直流。从变流器15输出的直流在经过电容平滑电路16被平滑后，被输入到逆变器17，由构成逆变器17的FET桥式电路转换成规定频率的交流。从逆变器17输出的交流被输入到解调滤波器18，只允许低频成分(例如是商用频率)通过。通过解调滤波器18的交流，经过继电器19及保险丝20连接到输出端子21。继电器19在发动机2起动时呈“开”的状态，当发动机2达到规定的旋转状态后，成为“闭”状态。

发动机发电装置1的发电机3是如上所述的发电电动机，可以作为用于起动发动机2的起动电机使用。以下，对将发电机3作为起动电机3a使用的情况进行说明。设置有用于起动电机3a的起动驱动器22。为了向起动驱动器22提供用于起动发动机2的电流，设置了整流电路23和平滑电路24。在整流电路23中，设置有高频滤波器231及变流器232。高频滤波器231连接到输出端子21。

发电机3的输出侧例如与交流200V的单相电源25连接，在发动机起动时，由该电源25供给交流电。该交流被输入到高频滤波器231，除去高频波，通过变流器232转换成直流，然后进一步通过平滑电路24作为控制用电源被供给到起动驱动器22。

起动驱动器22的输出侧通过继电器26与发电机3的3相绕组的各相连接。继电器26在发动机2起动时呈“闭”状态，当发动机2达到规定的旋转状态后，成为“开”状态。为了起动发动机2，按照预定的顺序依次向发电机3的3相绕组的各相供给电流。设置有为了向各相的绕组依次供给电流的由开关元件(FET)构成的逆变器221、CPU222、和用于检测转子12的位置但不使用传感器的无传感器驱动部(由IC构成)223。

图5是表示无传感器驱动部223的主要部分功能方框图。感应电压检测部27用于检测在由逆变电路221向定子8的2相间通电使转子旋转时的剩余的1相与中点之间所产生的感应电压信号的波形。位置检测部28用于根据被检测出的电压波形判别定子8的各相与转子12的各个磁铁的位置关系，也就是旋转位置。驱动运算电路29根据定子8的各相与转子12的各个磁铁的位置关系，计算出逆变器221的驱动各个开关元件的驱动周期。驱动部30根据在驱动运算电路29计算出的周期，向逆变电路221供给通电信号。

图6是表示发动机发电装置1的起动控制的整体动作的时序图。在时刻t1响应发动机起动指令，控制装置(ECU)的开始信号成为ON。在经过待机时间(例如为1秒)后，在时刻t2将继电器19、26切换为起动电机3a控制用，使起动电机3a进行正向旋转。在判断为到达了高负荷区域的时刻t3，使起动电机3a进行反向旋转。在该正向旋转及反向旋转中，用比正常运转时所供给的电流低的初始激磁电流对起动电机3a进行驱动。通过由这样的小初始激磁电流来控制转速，在正向旋转及反向旋转时可容易使起动电机3a停止在高负荷位置，即，在翻转时可获得足够的起动扭矩的位置，并且可抑制不能越过高负荷位置时的反作用力(转速越大，反作用力也越大)。

通过使起动电机3a进行正反向旋转而将曲轴4定位在可获得足够的起动扭矩的位置时，即，在时刻t4开始向正向旋转方向加速。在该正向旋转中，向起动电机3a供给比初始激磁电流高的电流。

在时刻t5，当起动电机3a达到起动的目标转速时，在起动中维持该转速。在点火时刻t6，发动机被点火进行初次着火(初爆)，然后发动机的转数开始上升，在时刻t7，关闭继电器19，打开继电器26，切换成发电机3的控制。虽然直至时刻t8(例如从时刻t1到t8)一直维持ECU的开始信号，但是在直到时刻t8还未达到规定转数(例如是1500rpm)的情况下，判断为在初次着火后起动失败，在间隔预定的时间(例如10秒)后再次使开始信号成为ON。

使用于将起动电机3a移动到能够获得上述足够的起动扭矩的位置的正向旋转及反向旋转停止的位置，是通过起动电机3a的转速变为预定值以下来判断的。起动电机3a的转速例如可根据上述感应电压波形的周期来计算。

图7、图8是发动机发电装置1的起动控制流程图，图9是起动控制的时序图。在图7中的步骤S1中，判断有无发动机起动指令。当输入了发动机起动指令后进入步骤S2，使起动电机3a进行正向旋转，向正向旋转方向驱动发动机2。在步骤S3，判断从步骤S2的正向旋转开始是否经过了第1时间即时间T1(例如0.3秒)。时间T1是判断是否继续向正向旋转方向驱动起动电机3a的时间。在步骤S4，根据起动电机3a的转速是否在第1速度即起动完毕速度(例如是33rpm)以上，判断起动电机3a是否开始了旋转。当在经过时间T1之前转速未达到起动完毕速度时，停止向正向旋转方向驱动起动电机3a，然后进入步骤S11，使起动电机3a开始进行反向旋转(图9①)。

当起动电机3a在起动完毕速度以上时，在步骤S4中判断为肯定，然后进入步骤S5，在使起动电机3a进行正向旋转的同时控制速度使其收敛到用于定位的正向旋转目标速度(例如是230rpm)。在步骤S6，判断从正向旋转开始是否经过了第2时间即时间T2(例如是0.5秒)。时间T2是判断转移到定位和反向旋转动作的必要性的时间。在经过了时间T2后进入步骤S7。

在步骤S7中，判断起动电机3a的转速是否下降到第2速度即翻转判定速度(例如是至此为止的最高速度的75％)。由此可判断出曲轴角在上死点前的高负荷位置附近是否减速了。在经过时间T2之前转速未下降(步骤S7中的否定)的情况下(步骤S6中的肯定)，判断为发动机是在上死点之后的轻负荷区域，可以直接进行加速。因此，此时不必转移到起动电机3a的反向旋转，而进入进行加速正向旋转的步骤S23(图8)(图9②)。

如果转速下降到翻转判定速度，则在步骤S7中为肯定，然后进入步骤S8，通过制动控制，停止起动电机3a的正向旋转。当经过了用于停止判断的时间T3(例如是0.2秒)(步骤S9中的肯定)，或下降到被认为是旋转停止的第3速度(例如是23rpm(图9④))以下(步骤S10中的肯定)时，判断为起动电机3a不再进行正向旋转，然后进行步骤S11。

在步骤S11中，使起动电机3a进行反向旋转，驱动发动机2进行反向旋转。在步骤S12中，判断从步骤S11的起动电机反向旋转开始是否经过了时间T4(例如是0.3秒)。时间T4是用于随着速度控制而转移到反向旋转动作的判断时间。在经过时间T4之前达到起动完毕速度(例如是33rpm)的情况下，在步骤S13中为肯定，然后进入步骤S14。在即使经过了时间T4但仍未达到起动完毕速度以上的情况下，进入步骤S20(图9③)。

在步骤S14中，进行在速度控制下的起动电机3a的反向旋转。在步骤S15中，判断从步骤S14的反向旋转开始是否经过了时间T5(例如是0.5秒)。时间T5是为了判断是否使起动电机3a的反向旋转停止的时间。在未经过时间T5时，进入步骤S16。在步骤S16中，判断起动电机3a的转速是否下降到第3速度即翻转判定速度(例如是至此为止的最高速度的75％)。由此，可判断出是否是发动机负荷增大、曲轴角达到上死点前(与正向旋转方向的上死点后对应)的高负荷位置。

在经过了时间T5的情况下(步骤S15中的肯定)或者是起动电机3a的转速下降到规定速度以下的情况下(步骤S16中的肯定)，进入步骤S17通过制动控制停止起动电机3a的反向旋转。在经过了用于判断停止的时间T6(例如0.2秒)后(步骤S18中的肯定)或者是在被认为是旋转停止的速度(例如是23rpm(图9⑤))(步骤S19中的肯定)以下时，为了使起动电机3a进行加速正向旋转，进入步骤S20(图8)。

在图8的步骤S20中，进行加速正向旋转。在定位后的正向旋转中，首先，不进行速度控制，以恒定的电流值使其进行正向旋转。当起动电机3a的转速达到控制开始速度(例如198rpm(图9⑥))时，切换到在速度控制下的正向旋转。初始控制目标值例如定为331rpm。而且使该控制目标值以预定的加速度(例如是3300rpm/sec)改变。

即，在步骤S21中，判断是否经过了以恒定电流进行加速的限制时间T7。在步骤S22中，判断是否在控制开始速度以上。当经过了时间T6或起动电机3a的转速为控制开始速度以上时，进入步骤S23，根据控制目标值进行速度控制。由于控制目标值逐渐增大，所以实际的转速也随之增大。在步骤S24中，判断转速是否达到进行起动的速度(例如800rpm)。如果是转速增大、在步骤S24中为肯定，则为了把转速维持为起动速度，将控制目标值维持为与起动转数对应的值，然后结束起动的程序。

图10是起动开始控制的主要部分功能方框图。由感应电压检测部27检测出的感应电压的波形被输入到电机转速计算部31。电机转速计算部31根据感应电压的周期计算出起动电机3a的转速。最大速度记忆部32锁存起动控制中至此所检测出的起动电机3a的最大速度。当旋转方向改变时最大速度被清除。速度判定部33将当前的起动电机3a的转速与预定的翻转判定速度(例如是上述最大速度的75％)进行比较，如果当前的转速在翻转判定速度以下，则把速度下降检测信号输出到正反向旋转控制部34。

正反向旋转控制部34响应该速度下降检测信号，停止起动电机3a的旋转，并向驱动部30供给翻转指示。正反向旋转控制34将所述翻转指示与在正向旋转及反向旋转时的控制目标值一同输入到驱动运算电路29中，驱动运算电路29计算出用于驱动为了将起动电机的速度控制为该控制目标值的开关元件221的驱动周期。控制起动电机3a以由开关元件221的驱动周期所决定的速度进行旋转。电流供给部35在定位时及其后的加速正向旋转时，分别向起动电机3a供给初始激磁电流及起动电流。

根据本实施方式，最初正向旋转到发动机负荷变大的位置，然后，进行反向旋转，在再次旋转到发动机负荷变大的位置停止。然后从该位置一口气加速到能够进行起动的速度。这样，通过使其停止在发动机负荷变大的位置上，在接下来的翻转时成为轻负荷，所以容易进行加速。因此，在通过正反向旋转被定位后供给起动电流，可使用惯性力，容易地越过压缩行程进行起动动作。

接着对起动开始后的起动电机的断开控制进行说明。发动机转速达到起动速度后，转移到结束起动电机3a对发动机的驱动的控制，即起动电机的断开控制。图11为起动电机断开控制的时序图。在图11中，在起动电机3a的转速达到目标速度(800rpm)后的时间t5，将控制目标值维持在800rpm开始起动。在时间t6，一旦发动机被点火，发动机转数逐渐增大，与此同时起动电机的转速也增大。如果继续此种控制，从发动机转数超过控制目标值的时刻起，起动电机3a变成发动机的负荷。因此，在起动电机3a的转速达到与第一速度对应的控制开放目标值(1000rpm)时刻(t6)，停止对起动电机3a的通电。在时间t7，一旦起动电机3a的转速达到继电器切换目标值(1000rpm)，就把继电器19，26切换为发电机控制。而且在起动电机3a的转速达到了被判断为已完全起动的作为第2速度的起动完毕速度(1500rpm)，时间t8，停止电机转速的检测，将ECU开始信号置为关闭(OFF)。

另一方面，在时间t6a，停止对起动电机3a的通电后，发动机2失速而转速逐渐下降时，恢复速度控制来继续起动。即在转速下降到对应熄火判断速度(900rpm)的时间t9，恢复将控制目标值设定为起动速度(800rpm)的速度控制下的起动。

参照图12的流程图来说明上述断开控制。在步骤30，维持控制目标值来进行起动。在步骤31，判断是否过了错误判断的时间T8。在步骤S32中判断起动电机3a的转速是否达到作为发动机2的起动标准而设定的第1速度的初次着火开始速度(控制开放目标值)以上。如果达到初次着火速度以上就进入步骤33。即使经过时间T8，起动电机3a的转速仍达不到初次着火开始速度以上时，从步骤S31进入步骤S38，停止ECU开始信号。

在步骤S33，停止对起动电机3a的通电。即，停止起动电机3a的PWM控制。起动电机3a的转速检测继续进行。在步骤S34中判断是否经过了错误判断时间T9。在步骤S35，根据起动电机3a的转速是否下降到发动机2的熄火判断速度(第3速度)以下，判断有无熄火。

如果没有熄火就进入步骤S36，判断起动电机3a的转速是否达到发动机2的完全着火速度以上。如果达到完全着火速度以上，就进入步骤S37，停止起动电机3a的转速检测的同时将继电器19，26切换至发电电路一侧。

在步骤S34，经过时间T9后进入步骤S38，停止ECU开始信号。如果在步骤S35判断为熄火，就进入步骤S39恢复对起动电机3a的通电。一旦通电恢复，就进入步骤S30恢复起动。

在步骤S37，如果已切换到发电电路一侧，就进入步骤S38，停止起动电机3a的驱动，结束此断开控制。

图1为表示起动电机断开控制的主要部分的方框图，与图10相同的符号表示相同或同等部分。速度判断部36监视由电机转速计算部31计算出的起动电机的转速，判断电机转速是否在控制开放值以上、是否下降到熄火判断速度以下，是否在继电器切换速度以上、以及是否是不需要起动电机的转速检测区域等。而且速度判定部36根据各判断结果，输出控制开放信号s1、熄火信号s2、继电器切换信号s3及速度测定停止信号s4。驱动计算电路29计算开关元件221的驱动周期，使起动电机3a的实际转速减少到控制目标值设定部37所设定的控制目标值。

起动速度作为控制目标值存储在控制目标设定部37中，速度控制中(时间t5～t6之间)把该控制目标值输出到驱动计算电路29。通电停止部38响应控制开放信号s1，向驱动部30输出通电停止指示。一旦输入通电停止指示，驱动部30就停止对开关元件即逆变器电路221的周期信号的供应。因此，逆变器电路221停止动作，起动电机3a不被驱动。

另外发动机旋转数上升到没有速度控制的速度区域时，使用包括在速度判断部36内的检测停止功能，输出速度检测停止信号。向电机转速计算部31输入信号s4，电机转速计算部31响应此信号s4，停止起动电机3a的转速检测。

另一方面，通电停止部38一旦输入表示起动失败的熄火信号s2，就停止通电停止指示的输出。根据通电停止指示的输出停止，解除起动电机3a的加电禁止，为了再次起动，将控制目标值设定部37的控制目标值返回到起动速度。继电器控制部39响应继电器切换信号s3，将继电器19连接到发电机一侧，断开继电器26。

从上述说明可知，根据本发明的第1～4特征，在发动机起动后还继续将无刷电机连接到发动机的系统中，由于发动机起动后停止对该电机的通电，因此可以抑制其对发动机旋转的制动作用。另一方面，起动后达到更高的速度之前，持续电机转速的检测动作，可监视发动机的旋转状态。

根据本发明的第2特征，可在检测失速后立即再起动。根据本发明的第3特征，可准确判断发动机的失速。

根据本发明的第4特征，不使用转子的位置检测用传感器，即使根据绕组的感应电压进行电机控制，也可准确地把握通电定时进行发动机的再起动。

Claims (4)

1.一种发动机起动装置，该装置具备：

起动发动机的无刷电机；

速度检测装置，其根据所述电机的定子绕组中所感应的电压来检测该电机的转速；

通电停止装置，其在所述转速超过作为所述发动机的起动标准而预先设定的第1速度时，停止对所述电机的通电；

检测停止装置，其在所述转速超过比所述第1速度高的第2速度时，停止所述速度检测装置进行的检测动作。

2.如权利要求1所述的发动机起动装置，其特征在于：具备下述装置，该装置在使用所述通电停止装置停止通电后，在所述转速下降到作为熄火标准而预先设定的第3速度以下时，解除所述通电停止装置进行的通电停止，恢复对所述电机的通电。

3.如权利要求2所述的发动机起动装置，其特征在于：所述第3速度值低于第1速度值。

4.如权利要求1～3中任何一项所述的发动机起动装置，其特征在于：

在所述电机对3相定子绕组中的2相进行了驱动用通电时，根据未通电的绕组中所感应的电压信号，形成转子的旋转位置信号及转速信号，

所述速度检测装置根据所述转速信号，检测电机的转速。

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