RU2200871C2

RU2200871C2 - Starter-generator control device with unit forming pressure values of field current and stator current vector component in longitudinal and cross axes

Info

Publication number: RU2200871C2
Application number: RU2000128234/06A
Authority: RU
Inventors: В.В. Кашканов
Original assignee: Открытое акционерное общество "АВТОВАЗ"
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2003-03-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: invention relates to control systems of stator-generator sets of vehicles powered by internal combustion engines. Operation of said starter-generator control device is based on introduction of new control variable by means of which preset values of field currents and components of vector of stator current in frequency-current control system are formed. Invention provides operation of synchronous electromagnetic excitation machine at minimum losses both, when machine operates as starter and as generator, maximum use of power of electric machine and installed power of switch elements of power converter. EFFECT: enhanced reliability of operation. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления стартер-генераторными устройствами транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. The invention relates to electrical engineering, and in particular to control systems for starter-generator devices of vehicles with internal combustion engines.

Известно устройство (Вершигора В. А. , Игнатов А.П. и др. "Автомобиль ВАЗ-2108. - М, : ДОСААФ, 1986, стр.194), в котором для поддержания в заряженном состоянии бортовой аккумуляторной батареи автомобиля используется синхронная машина с электромагнитным возбуждением. A device is known (Vershigora V.A., Ignatov A.P. et al. "Automobile VAZ-2108. - M,: DOSAAF, 1986, p. 194), in which a synchronous machine is used to maintain the vehicle’s onboard battery in charge with electromagnetic excitation.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с помощью этой синхронной машины. The disadvantage of this device is the inability to start the internal combustion engine (ICE) using this synchronous machine.

Известно также устройство (европейский патент 0406182 В1, кл. F 02 N 11/04, 1992 г. ), в котором синхронная машина с постоянными магнитами используется и для запуска ДВС, и для заряда бортовой аккумуляторной батареи, т.е. она выполняет функции стартера и генератора. A device is also known (European patent 0406182 B1, class F 02 N 11/04, 1992), in which a synchronous machine with permanent magnets is used both to start the internal combustion engine and to charge the onboard battery, i.e. It serves as a starter and generator.

Недостатком этого устройства является отсутствие электромагнитного возбуждения и блока оптимизации режимов работы синхронной машины в условиях ограничения по току и напряжению питания для оптимального использования габаритной мощности синхронной машины и установленной мощности силового преобразователя. The disadvantage of this device is the lack of electromagnetic excitation and the optimization unit of the synchronous machine operating modes under conditions of current and voltage limitations for the optimal use of the overall power of the synchronous machine and the installed power of the power converter.

Наиболее близким техническим решением является устройство (см. [1], стр. 104), в котором синхронная машина с электромагнитным возбуждением работает в частотно-токовой системе автоматического регулирования с номинальным потокосцеплением статора и коэффициентом мощности, равным или близким к единице во всем диапазоне изменения нагрузок и регулирования скорости за исключением второй зоны (режим ослабления поля). The closest technical solution is a device (see [1], p. 104), in which a synchronous machine with electromagnetic excitation operates in a frequency-current automatic control system with a nominal stator flux linkage and a power factor equal to or close to unity in the entire range of variation loads and speed control except for the second zone (field weakening mode).

Недостатком этого устройства является работа с неизменным потокосцеплением статора, что не позволяет полностью использовать синхронную машину по мощности и максимально допустимому току и напряжению во всем диапазоне скоростей и нагрузок. Кроме того, не обеспечивается режим минимизации потерь, когда текущие значения скоростей и нагрузок могут быть реализованы не при предельных значениях тока и напряжения. The disadvantage of this device is the work with constant stator flux linkage, which does not allow the synchronous machine to be fully used in terms of power and maximum allowable current and voltage in the entire range of speeds and loads. In addition, the mode of minimizing losses is not provided when the current values of speeds and loads can be realized not at the limiting values of current and voltage.

Кроме того, известно устройство (патент России 2092967, кл. Н 02 Р 21/00, опублик. 10.10.1997), в котором решается задача повышения динамики регулирования частоты вращения при минимизации реактивной мощности в динамических процессах за счет обеспечения равного быстродействия каналов управления составляющими вектора тока машины независимо от начальных условий. In addition, a device is known (Russian patent 2092967, class N 02 P 21/00, published. 10.10.1997), which solves the problem of increasing the dynamics of speed control while minimizing reactive power in dynamic processes by ensuring equal speed control components machine current vectors regardless of the initial conditions.

Недостатком этого устройства также является отсутствие режима минимизации потерь, когда текущие значения скоростей и нагрузок могут быть реализованы не при предельных значениях тока и напряжения. The disadvantage of this device is the lack of a mode of minimizing losses, when the current values of speeds and loads can be realized not at the limiting values of current and voltage.

Решение технической задачи направлено на оптимизацию использования габаритной мощности электрической машины и установленной мощности ключевых элементов силового преобразователя. The solution to the technical problem is aimed at optimizing the use of the overall power of the electric machine and the installed capacity of the key elements of the power converter.

Для решения поставленной технической задачи в известное устройство управления стартер-генератором на базе синхронной машины с электромагнитным возбуждением, содержащее блок формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, подключенный через регулятор тока возбуждения к обмотке возбуждения, а через последовательно включенные блок преобразования координат силовой преобразователь с частотно-токовой системой управления и датчики фазного тока к фазным обмоткам; формирователь гармонических функций, механически связанный с ротором синхронной машины и подключенный своими выходами ко вторым входам блока преобразования координат; датчик скорости, выход которого подключен ко второму входу первого блока сравнения, а первый вход этого блока подключен к выходу задатчика интенсивности; введены второй блок сравнения, подключенный первым входом к уставке напряжения бортовой аккумуляторной батареи, а вторым входом к датчику напряжения бортовой аккумуляторной батареи, подключенной к соответствующим входам питания регулятора тока возбуждения и силового преобразователя, при этом выходы первого и второго блоков сравнения подключены соответственно к первому и второму входам блока коммутации, выход которого подключен к первому входу блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, причем второй вход этого блока подключен к выходу датчика скорости, третьи входы подключены к выходам датчиков фазного напряжения, четвертые входы подключены к выходам датчиков фазного тока, пятый и шестой входы подключены к выходам формирователя гармонических функций, а управляющий вход блока коммутации подключен к выходу логического элемента "И", первый вход которого через первый компаратор подключен к выходу датчика скорости, а второй вход через второй компаратор подключен к датчику нажатого состояния педали акселератора автомобиля, причем выход второго компаратора, подключен также ко входу задатчика интенсивности. To solve the technical problem in a known control device for a starter-generator based on a synchronous machine with electromagnetic excitation, containing a unit for generating set values of the excitation current and components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes, connected via an excitation current regulator to the excitation winding, and sequentially the included coordinate conversion unit is a power converter with a frequency-current control system and phase current sensors to phase windings; a generator of harmonic functions mechanically connected to the rotor of the synchronous machine and connected with its outputs to the second inputs of the coordinate transformation unit; a speed sensor, the output of which is connected to the second input of the first comparison unit, and the first input of this block is connected to the output of the intensity adjuster; introduced a second comparison unit connected by the first input to the voltage setting of the onboard battery, and the second input to the voltage sensor of the onboard battery connected to the corresponding power inputs of the excitation current controller and power converter, while the outputs of the first and second comparison blocks are connected respectively to the first and the second inputs of the switching unit, the output of which is connected to the first input of the unit for generating the set values of the excitation current and the stator current vector components along the longitudinal and transverse axes, and the second input of this unit is connected to the output of the speed sensor, the third inputs are connected to the outputs of the phase voltage sensors, the fourth inputs are connected to the outputs of the phase current sensors, the fifth and sixth inputs are connected to the outputs of the harmonic generator, and the control input of the unit switching is connected to the output of the logical element "AND", the first input of which is connected to the output of the speed sensor through the first comparator, and the second input is connected to the sensor of the pressed state through the second comparator the accelerator pedal of the car, and the output of the second comparator is also connected to the input of the intensity adjuster.

Блок формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям в составе описанного устройства является оригинальным техническим решением, так как содержит блок вычисления модуля вектора тока статора; два блока суммирования; блоки деления и умножения; пропорциональный регулятор, кроме того, в него введены блоки вычисления входной мощности и модуля вектора напряжения статора; блок вычисления поперечной составляющей вектора тока статора; блок ограничения коэффициента связи; третий блок суммирования; три блока сравнения; второй и третий пропорциональные регуляторы; три блока масштабирования; блок задания постоянных сигналов; блок вычисления модуля; блок ограничения минимального значения, при этом выход блока вычисления входной мощности через первый блок сравнения и первый пропорциональный регулятор соединен с первым входом первого блока суммирования, второй вход которого является первым входом блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям и подключен к выходу блока коммутации, а его выход подключен к одному из вторых входов блока преобразования координат, выходы датчиков фазных напряжений статора через последовательно включенные блок вычисления модуля вектора напряжения, второй блок сравнения и второй пропорциональный регулятор подключены к первому входу второго блока суммирования, второй вход которого подключен к блоку задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор, третий блок сравнения и блок вычисления модуля вектора тока статора связан с соответствующими выходами формирователя гармонических функций, выходами датчиков фазного тока статора и входами блока вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, выход которого через блок вычисления модуля подключен к первым входам блоков деления и умножения, вторые входы которых через блок ограничения коэффициента связи подключены к выходу второго блока суммирования, причем второй вход блока ограничения коэффициента связи подключен к выходу датчика скорости, а выход блока деления через первый блок масштабирования подключен к одному из вторых входов блока преобразования координат, а через второй блок масштабирования - к первому входу третьего блока суммирования, второй вход которого через третий блок масштабирования соединен с выходом блока умножения, а выход третьего блока суммирования через блок ограничения минимального значения подключен ко входу регулятора тока возбуждения, при этом выходы блока задания постоянных сигналов подключены к соответствующим входам блоков сравнения, а входы блока вычисления входной мощности подключены к выходам блоков вычисления модулей векторов напряжения и тока статора. The unit for generating the set values of the excitation current and the components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes as part of the described device is an original technical solution, since it contains a unit for calculating the stator current vector module; two blocks of summation; blocks of division and multiplication; a proportional controller, in addition, blocks for calculating the input power and the stator voltage vector module are introduced into it; a unit for calculating the transverse component of the stator current vector; communication coefficient limiting unit; third block summation; three blocks of comparison; second and third proportional controls; three scaling units; constant signal setting unit; module calculation unit; a minimum value limiting unit, wherein the output of the input power calculation unit through the first comparison unit and the first proportional controller is connected to the first input of the first summing unit, the second input of which is the first input of the unit for generating the set values of the excitation current and components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes and connected to the output of the switching unit, and its output is connected to one of the second inputs of the coordinate conversion unit, the outputs of the phase voltage sensors of the stator through the series-connected voltage vector module calculation unit, the second comparison unit and the second proportional controller are connected to the first input of the second summing unit, the second input of which is connected to the constant signal setting unit, and the third input through the third proportional controller, the third comparison unit and the module calculation unit connected in series the stator current vector is connected with the corresponding outputs of the harmonic function generator, the outputs of the stator phase current sensors and the inputs of the calculator the transverse component of the stator current vector, the output of which through the module calculation unit is connected to the first inputs of the division and multiplication units, the second inputs of which are connected to the output of the second summing unit through the coupling coefficient limiting unit, the second input of the coupling coefficient limiting unit connected to the output of the speed sensor, and the output of the division unit through the first scaling unit is connected to one of the second inputs of the coordinate conversion unit, and through the second scaling unit to the first input of the third a summing unit, the second input of which through the third scaling unit is connected to the output of the multiplication unit, and the output of the third summing unit through the minimum value limiting unit is connected to the input of the excitation current regulator, while the outputs of the constant signal setting unit are connected to the corresponding inputs of the comparison units, and the inputs of the unit input power calculations are connected to the outputs of the blocks for calculating the stator voltage and current vector modules.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства управления стартер-генератором на базе синхронной машины с электромагнитным возбуждением; на фиг. 2 - структурная схема блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям; на фиг.3 - предельные механические характеристики в стартерном режиме. In FIG. 1 shows a block diagram of a control device for a starter-generator based on a synchronous machine with electromagnetic excitation; in FIG. 2 is a block diagram of a unit for generating predetermined field current values and stator current vector components along the longitudinal and transverse axes; figure 3 - ultimate mechanical characteristics in the starter mode.

Структурная схема устройства управления стартер-генератором на базе синхронной машины 1 с электромагнитным возбуждением содержит блок 2 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, подключенный через регулятор 3 тока возбуждения к обмотке возбуждения, а через последовательно включенные блок 4 преобразования координат силовой преобразователь 5 с частотно-токовой системой управления и датчики 6 фазного тока к фазным обмоткам; формирователь 7 гармонических функций, механически связанный ротором синхронной машины 1 и подключенный своими выходами ко вторым входам блока 4 преобразования координат; датчик 8 скорости, выход которого подключен ко второму входу первого блока 9 сравнения, а первый вход этого блока подключен к выходу задатчика 10 интенсивности; второй блок 11 сравнения, подключенный первым входом к уставке 12 напряжения бортовой аккумуляторной батареи, а вторым входом к датчику 13 напряжения бортовой аккумуляторной батареи, подключенной к соответствующим входам питания регулятора 3 тока возбуждения и силового преобразователя 5, при этом выходы первого 9 и второго 11 блоков сравнения подключены соответственно к первому и второму входам блока 14 коммутации, выход которого подключен к первому входу блока 2 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, причем второй вход этого блока подключен к выходу датчика 8 скорости, третьи входы подключены к выходам датчиков 15 фазного напряжения, четвертые входы подключены к выходам датчиков 6 фазного тока, пятый и шестой входы подключены к выходам формирователя 7 гармонических функций, а управляющий вход блока 14 коммутации подключен к выходу логического элемента И16, первый вход которого через первый компаратор 17 подключен к выходу датчика 8 скорости, а второй вход через второй компаратор 18 подключен к датчику 19 нажатого состояния педали акселератора автомобиля, причем выход второго компаратора 18 подключен также ко входу задатчика 10 интенсивности. The block diagram of the control device for the starter-generator based on a synchronous machine 1 with electromagnetic excitation contains a block 2 for generating the set values of the excitation current and the components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes, connected through the regulator 3 of the excitation current to the excitation winding, and through series-connected block 4 coordinate conversion power converter 5 with a frequency-current control system and phase current sensors 6 to phase windings; a shaper 7 of harmonic functions mechanically connected by the rotor of the synchronous machine 1 and connected by its outputs to the second inputs of the coordinate transformation unit 4; a speed sensor 8, the output of which is connected to the second input of the first comparison unit 9, and the first input of this block is connected to the output of the intensity adjuster 10; the second comparison unit 11, connected by the first input to the on-board battery voltage setting 12, and by the second input to the on-board battery voltage sensor 13, connected to the corresponding power inputs of the excitation current controller 3 and the power converter 5, while the outputs of the first 9 and second 11 blocks comparisons are connected respectively to the first and second inputs of the switching unit 14, the output of which is connected to the first input of the unit 2 for generating the set values of the excitation current and the components of the current vector st torus along the longitudinal and transverse axes, the second input of this unit is connected to the output of the speed sensor 8, the third inputs are connected to the outputs of the sensors 15 phase voltage, the fourth inputs are connected to the outputs of the sensors 6 phase current, the fifth and sixth inputs are connected to the outputs of the generator 7 harmonic functions and the control input of the switching unit 14 is connected to the output of the logical element And16, the first input of which through the first comparator 17 is connected to the output of the speed sensor 8, and the second input through the second comparator 18 is connected to the sensor 19 the pressed state of the accelerator pedal of the car, and the output of the second comparator 18 is also connected to the input of the intensity adjuster 10.

Блок 2 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, первый выход которого подключен ко входу регулятора 3 тока возбуждения, а вторые выходы подключены к первым входам блока 4 преобразования координат, содержит блоки вычисления входной мощности 20, модуля вектора напряжения 21 и тока статора 22, блок 23 вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, блок 24 ограничения коэффициента связи, три блока 25, 26 и 27 суммирования, три блока 28, 29 и 30 сравнения, три пропорциональных регулятора 31, 32 и 33, три блока 34, 35 и 36 масштабирования, блок 37 задания постоянных сигналов, блок 38 вычисления модуля, блок 39 ограничения минимального значения, блоки деления 40 и умножения 41, при этом выход блока 20 вычисления входной мощности через первый блок 28 сравнения и первый пропорциональный регулятор 31 соединен с первым входом первого блока 25 суммирования, второй вход которого является первым входом блока 2 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям и подключен к выходу блока 14 коммутации, а его выход подключен к одному из вторых входов блока 4 преобразования координат, выходы датчиков 15 фазных напряжений статора через последовательно включенные блок 21 вычисления модуля вектора напряжения, второй блок 29 сравнения и второй пропорциональный регулятор 32 подключены к первому входу второго блока 26 суммирования, второй вход которого подключен к блоку 37 задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор 33, третий блок 30 сравнения и блок 22 вычисления модуля вектора тока статора связан с соответствующими выходами формирователя 7 гармонических функций, выходами датчиков 6 фазного тока статора и входами блока 23 вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, выход которого через блок 38 вычисления модуля подключен к первым входам блоков деления 40 и умножения 41, вторые входы которых через блок 24 ограничения коэффициента связи подключены к выходу второго блока 26 суммирования, причем второй вход блока 24 ограничения коэффициента связи подключен к выходу датчика 8 скорости, а выход блока 40 деления через первый блок 34 масштабирования подключен к одному из вторых входов блока 4 преобразования координат, а через второй блок 35 масштабирования - к первому входу третьего блока 27 суммирования, второй вход которого через третий блок 36 масштабирования подключен к выходу блока 41 умножения, а выход третьего блока 27 суммирования через блок 39 ограничения минимального значения подключен ко входу регулятора 3 тока возбуждения, при этом выходы блока 37 задания постоянных сигналов подключены к соответствующим входам блоков 28, 29 и 30 сравнения, а входы блока 20 вычисления входной мощности подключены к выходам блоков 21, 22 вычисления модулей векторов напряжения и тока статора. The unit 2 for generating the set values of the excitation current and the components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes, the first output of which is connected to the input of the excitation current controller 3, and the second outputs are connected to the first inputs of the coordinate transformation unit 4, contains blocks for calculating the input power 20, vector module voltage 21 and stator current 22, block 23 for calculating the transverse component of the stator current vector, block 24 for coupling coefficient limitation, three summing blocks 25, 26 and 27, three comparison blocks 28, 29 and 30, three proportional controllers 31, 32 and 33, three scaling blocks 34, 35 and 36, constant signal setting block 37, module calculation block 38, minimum value limiting block 39, division blocks 40 and multiplication 41, while the output of the input power calculation block 20 through the first comparison unit 28 and the first proportional controller 31 are connected to the first input of the first summing unit 25, the second input of which is the first input of the unit 2 for generating the set values of the excitation current and components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes and connected It is connected to the output of the switching unit 14, and its output is connected to one of the second inputs of the coordinate conversion unit 4, the outputs of the sensors 15 of the stator phase voltages through the series-connected voltage vector module calculation unit 21, the second comparison unit 29 and the second proportional controller 32 are connected to the first input the second summing unit 26, the second input of which is connected to the constant signal setting unit 37, and the third input through the third proportional regulator 33, the third comparison unit 30 and block 2, connected in series 2, the calculation of the stator current vector module is connected with the corresponding outputs of the harmonic function generator 7, the outputs of the stator phase current sensors 6 and the inputs of the transverse component of the stator current vector calculation unit 23, the output of which through the module calculation unit 38 is connected to the first inputs of the division blocks 40 and multiplication 41, the second inputs of which through the coupling coefficient limiting unit 24 are connected to the output of the second summing unit 26, the second input of the coupling coefficient limiting unit 24 being connected to the output of the sensor 8 soon , and the output of the division unit 40 through the first scaling unit 34 is connected to one of the second inputs of the coordinate conversion unit 4, and through the second scaling unit 35 to the first input of the third summing unit 27, the second input of which is connected to the output of the unit through the third scaling unit 36 41 multiplications, and the output of the third summing unit 27 through the minimum value limiting unit 39 is connected to the input of the excitation current controller 3, while the outputs of the constant signal setting unit 37 are connected to the corresponding inputs of the unit Comparison ovs 28, 29 and 30, and the inputs of the input power calculation unit 20 are connected to the outputs of the calculation modules 21, 22 of the stator voltage and current vector modules.

Работа устройства осуществляется следующим образом. The operation of the device is as follows.

При нажатии водителем на педаль акселератора датчик 19 выдает сигнал и компаратор 18 переключается, выдавая единичное напряжение на первый вход логического элемента И 16 и на вход задатчика 10 интенсивности. Напряжение на выходе задатчика интенсивности начинает монотонно возрастать, поступая через блок 14 коммутации на первый вход блока 2 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора. Выходной сигнал с первого выхода этого блока поступает на вход регулятора 3 возбуждения, который формирует требуемые значения тока в обмотке возбуждения, а сигналы со второго и третьего выходов поступают на первые входы блока 4 преобразования координат. После умножения на гармонические функции углового положения ротора синхронной машины 1 и соответствующего суммирования они превращаются в заданные значения i_zα, i_zβ составляющих вектора тока статора в неподвижной системе координат α, β, ось α которой совпадает с направлением фазы А. Затем эти сигналы разделяются на заданные значения фазных токов i_zA, i_zB, i_zC и отслеживаются с помощью релейных регуляторов с гистерезисной характеристикой.When the driver presses the accelerator pedal, the sensor 19 generates a signal and the comparator 18 switches, giving a unit voltage to the first input of the logical element And 16 and to the input of the intensity adjuster 10. The voltage at the output of the intensity adjuster starts to increase monotonously, coming through the switching unit 14 to the first input of the unit 2 for generating the set values of the excitation current and components of the stator current vector. The output signal from the first output of this block is fed to the input of the excitation controller 3, which generates the required current values in the field winding, and the signals from the second and third outputs are fed to the first inputs of the coordinate transformation unit 4. After multiplying by the harmonic functions of the angular position of the rotor of the synchronous machine 1 and corresponding summation, they turn into the given values i _zα , i _zβ of the stator current vector components in the fixed coordinate system α, β, whose axis α coincides with the direction of phase A. Then these signals are divided into set values of phase currents i _zA , i _zB , i _zC and are monitored using relay controllers with a hysteresis characteristic.

Осуществление формирования заданных значений токов возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, обеспечивающих работу машины с коэффициентом мощности, равным единице, при минимальных потерях в меди машины, поясняется с помощью следующих известных соотношений (см. [2], стр.864)
Ψ_d =L_sdi_d+L_mdi_f;
Ψ_q =L_sqi_q;
Ψ_f =L_fi_f+L_mdi_d,
где Z_sd, L_sq - полная индуктивность статора соответственно по продольной и поперечной осям;
L_md - взаимная индуктивность обмоток статора и обмотки возбуждения по продольной оси;
L_f - полная индуктивность обмотки возбуждения;
i_d, i_q - составляющие вектора |I_s| тока статора по продольной и поперечной осям соответственно;
Ψ_d, Ψ_q - составляющие вектора потокосцепления статора по продольной и поперечной осям соответственно;
i_f, Ψ_f - ток и потокосцепление обмотки возбуждения.The implementation of the formation of specified values of the excitation currents and components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes, ensuring the operation of the machine with a power factor equal to unity, with minimal losses in the copper of the machine, is explained using the following known relations (see [2], p. 864 )
Ψ _d = L _sd i _d + L _md i _f ;
Ψ _q = L _sq i _q ;
Ψ _f = L _f i _f + L _md i _d ,
where Z _sd , L _sq is the total stator inductance along the longitudinal and transverse axes, respectively;
L _md is the mutual inductance of the stator windings and the field windings along the longitudinal axis;
L _f is the total inductance of the field winding;
i _d , i _q - components of the vector | I _s | stator current along the longitudinal and transverse axes, respectively;
Ψ _d , Ψ _q are the components of the stator flux linkage vector along the longitudinal and transverse axes, respectively;
i _f , Ψ _f - current and flux linkage of the field winding.

В соответствии с предлагаемым способом управления вводим новую переменную K= Ψ_d/(L_sd•i_q), называемую в дальнейшем коэффициентом связи, тогда с учетом (1) и условием равенства единице коэффициента мощности получаем

Развиваемый машиной момент М равен
M = Ψ_di_q-Ψ_qi_d = L_sdK|I_s|². (4)
Так как Ψ_d при переходе из двигательного режима машины в генераторный и наоборот не должно изменять свой знак, то, следовательно, sign К=signi_q и составляющая i_d всегда отрицательна, а ток в обмотке возбуждения i_f всегда положительный.In accordance with the proposed control method, we introduce a new variable K = Ψ _d / (L _sd • i _q ), hereinafter referred to as the coupling coefficient, then, taking into account (1) and the equality condition for the power factor, we obtain

The moment M developed by the machine is
M = Ψ _d i _q -Ψ _q i _d = L _sd K | I _s | ² . (4)
Since Ψ _d must not change its sign during the transition from the motor mode of the machine to the generator one and vice versa, therefore, sign К = signi _q and component i _{d are} always negative, and the current in the field winding i _{f is} always positive.

Потери P_м в меди машины при фиксированном значении момента имеют вид

где R_s и R_f - активные сопротивления обмоток статора и обмотки возбуждения соответственно.The loss P _m in the copper of the machine at a fixed value of the moment have the form

where R _s and R _f are the active resistances of the stator windings and the field windings, respectively.

Из уравнения (5) видно, что существует такое значение коэффициента связи (будем называть его К_опт), при котором потери в меди минимальны.From equation (5) it can be seen that there is such a value of the coupling coefficient (we will call it K _opt ) at which losses in copper are minimal.

Это значение коэффициента связи всегда можно получить из условия
dP_M/dK=0
Так как в реальных системах всегда существуют ограничения, налагаемые на величину напряжения и фазного тока силового преобразователя, то целесообразно получить зависимость ω =f(M), определяющую зону возможной работы машины с К=К_опт и с учетом налагаемых ограничений. Используя известные дифференциальные уравнения (см. [2], стр.865), нетрудно убедиться, что в статическом режиме работы, составляющие вектора напряжения статора, имеют вид:
U_d = R_si_d-ωΨ_q;
U_q = R_si_q+ωΨ_d. (6)
Из уравнений (1), (4) и (6) получаем

Знак "+" соответствует двигательному режиму работы, а "-" - генераторному.This value of the coupling coefficient can always be obtained from the condition
dP _M / dK = 0
Since in real systems there are always restrictions imposed on the magnitude of the voltage and phase current of the power converter, it is advisable to obtain the dependence ω = f (M), which determines the zone of possible operation of the machine with K = K _opt and taking into account the imposed restrictions. Using the known differential equations (see [2], p. 865), it is easy to verify that in the static mode of operation, the components of the stator voltage vector have the form:
U _d = R _s i _d -ωΨ _q ;
U _q = R _s i _q + ωΨ _d . (6)
From equations (1), (4) and (6) we obtain

The sign "+" corresponds to the motor mode of operation, and "-" to the generator.

Для расчета зоны возможной работы машины с минимумом потерь в меди можно построить кривую ω =f(M) при К=К_опт (фиг.3, кривая АБ). Эта зона ограничена сверху максимально допустимой скоростью ротора ω_max, а справа - максимальным моментом М₁, который определяется из уравнения (4) при К=К_опт и |I_s| = |I_s|_max. Но, как видно из уравнения (4), максимальный момент достигается не при К=К_опт, а при К>К_опт. Естественно, что при этом потери в меди возрастают, но тем не менее при том же токоограничении можно будет получить большие моменты, что немаловажно для пусковых режимов в зимних условиях. Максимальное значение коэффициента связи К_max можно вычислить из уравнения (3), выразив i_q через |I_s| при i_f=if_max и |I_s| = |I_s|_max. При этом значения К_max и заданном токоограничении |I_s|_max уравнение (4) дает максимальное значение момента, развиваемого машиной М_max (фиг.3).To calculate the zone of possible operation of the machine with a minimum of losses in copper, it is possible to construct a curve ω = f (M) at K = K _opt (Fig. 3, curve AB). This zone is bounded above by the maximum permissible rotor speed ω _max , and on the right by the maximum moment M ₁ , which is determined from equation (4) at K = K _opt and | I _s | = | I _s | _max But, as can be seen from equation (4), the maximum moment is achieved not at K = K _opt , but at K> K _opt . Naturally, in this case, losses in copper increase, but nevertheless, with the same current limitation, it will be possible to obtain large moments, which is important for starting conditions in winter conditions. The maximum value of the coupling coefficient K _max can be calculated from equation (3), expressing i _{q in} terms of | I _s | for i _f = if _max and | I _s | = | I _s | _max Moreover, the values of K _max and a given current limitation | I _s | _max equation (4) gives the maximum value of the moment developed by the machine M _max (figure 3).

Из уравнения (7) видно, что при фиксированном моменте и |U_s| = |U_s|_max дальнейшее возрастание скорости возможно только за счет уменьшения значений коэффициента связи К ниже К_опт, причем это также ведет к возрастанию потерь в меди машины. Очевидно, что минимальная величина коэффициента связи K_min определяется из уравнения (7) при |U_s| = |U_s|_max, |I_s| = |I_s|_max и ω = ω_max. Умножив уравнение (7) на М, можно сделать вывод, что предельное значение мощности Р_max, развиваемой машиной, не зависит от величины коэффициента связи, а определяется только величиной активного сопротивления обмоток статора и заданными ограничениями - |U_s|_max и |I_s|_max
P_max = -R_s|I_s| $\binom{2}{max}$ ±|U_s|_max|I_s|_max. (8)
Уравнению (8) соответствует гипербола СД на фиг 3. Значения коэффициента связи, соответствующие гиперболе 37 (будем обозначать их К_гр), обратно пропорциональны угловой скорости вращения ротора и определяются из (7) при |U_s| = |U_s|_max и |I_s| = |I_s|_max

Таким образом, из фиг. 3 видно, что в отношении величины коэффициента связи К имеются три зоны.From equation (7) it can be seen that for a fixed moment and | U _s | = | U _s | _{max a} further increase in speed is possible only by reducing the values of the coupling coefficient K below K _opt , and this also leads to an increase in losses in the copper of the machine. Obviously, the minimum value of the coupling coefficient K _min is determined from equation (7) for | U _s | = | U _s | _max , | I _s | = | I _s | _max and ω = ω _max . Multiplying equation (7) by M, we can conclude that the limit value of the power P _max developed by the machine does not depend on the magnitude of the coupling coefficient, but is determined only by the magnitude of the active resistance of the stator windings and the given constraints - | U _s | _max and | I _s | _max
P _max = -R _s | I _s |

\binom{2}{max}

± | U _s | _max | I _s | _max (8)
Equation (8) corresponds to the hyperbole of LEDs in Fig. 3. The values of the coupling coefficient corresponding to hyperbole 37 (we will denote them by _Kg ) are inversely proportional to the angular velocity of rotation of the rotor and are determined from (7) for | U _s | = | U _s | _max and | I _s | = | I _s | _max

Thus, from FIG. 3 shows that in relation to the magnitude of the coupling coefficient K, there are three zones.

Зона 1 ограничена осями ω, М, максимальной скоростью ω_max, кривой АБ и моментом М₁ (на фиг. 3 не заштрихована). Это зона, в которой при заданных ограничениях |U_s| = |U_s|_max и |I_s| = |I_s|_max возможно выполнение минимума потерь в меди машины. Величина К в этой зоне должна быть постоянная и равна К_опт.Zone 1 is limited by the axes ω, M, the maximum speed ω _max , the AB curve and the moment M ₁ (not shaded in Fig. 3). This is the zone in which, given the constraints | U _s | = | U _s | _max and | I _s | = | I _s | _max the minimum losses in the copper of the machine are possible. The value of K in this zone should be constant and equal to K _opt .

Зона 2 ограничена гиперболой СД, моментами М₁, М_max и осью М. В этой зоне при увеличении заданного момента коэффициент связи должен меняться от К=К_опт до К=К_max в функции поддержания тока статора на уровне |I_s|_max.
Зона 3 ограничена кривой АБ, гиперболой СД и максимальной скоростью ω_max. В этой зоне при увеличении заданной скорости или момента коэффициент связи должен изменяться от K=К_опт до К=K_min в функции поддержания вектора напряжения на уровне |U_s| = |U_s|_max.
Таким образом, при учете влияния ограничения тока ключевых элементов силового преобразователя необходимо увеличить значение коэффициента связи К, начиная от значения К_опт до тех пор, пока ток в статорных обмотках не уменьшится до допустимых значений. Эти функции осуществляются третьим блоком 30 сравнения, вторым блоком 26 суммирования и третьим пропорциональным регулятором 33, нижний уровень выходного сигнала которого равен нулю (фиг.2). Аналогичным образом следует поступать и при учете ограничения напряжения. Эти функции осуществляются вторым блоком 29 сравнения, вторым блоком 26 суммирования и вторым пропорциональным регулятором 32, верхний уровень выходного сигнала которого равен нулю. Блок 24 ограничения коэффициента связи имеет коэффициент передачи, равный единице. Он обеспечивает ограничение максимальной величины своего выходного сигнала (т.е. величины коэффициента связи К) в функции скорости на уровне, соответствующем К=К_гр, причем максимальное значение К_гр=К_max, а минимальное - К_min. Кроме того, величина выходного сигнала блока 24 в третьей зоне лежит в пределах от К_гр до К_опт, а во второй зоне - от К_опт до К_гр. Первый блок 34 масштабирования имеет коэффициент передачи, равный отношению L_sq к L_sd, причем сигнал на его выходе инвертируется, поэтому выходной сигнал блока 34 равен i_dz (в соответствии с уравнением (2)). Коэффициент передачи блока 35 масштабирования отношению равен L_sq к L_md, а коэффициент передачи блока 36 масштабирования - отношению L_sd к L_md, поэтому сигнал на выходе третьего блока 27 суммирования равен заданному значению тока i_zf в соответствии с уравнением (3). В то же время может оказаться, что предельная мощность синхронной машины с учетом ограничений |I_s| и |U_s|, превышает допустимое значение мощности бортовой аккумуляторной батареи. Это ограничение не должно вызывать изменения величины коэффициента связи К. Поэтому ограничение мощности, потребляемой от бортовой аккумуляторной батареи, осуществляется за счет уменьшения заданного значения составляющей i_q, т.е. за счет уменьшения развиваемого машиной момента. Эти функции осуществляются первым блоком 25 суммирования, первым пропорциональным регулятором 31, первым блоком 28 сравнения и блоком 20 вычисления входной мощности, на входы которого поступают сигналы I_H и U_H, пропорциональные току и напряжению бортовой аккумуляторной батареи (фиг.2).Zone 2 is limited by the hyperbole of SD, moments M ₁ , M _max and the M axis. In this zone, with an increase in the given moment, the coupling coefficient should change from K = K _opt to K = K _max in the function of maintaining the stator current at the level | I _s | _max
Zone 3 is limited by the AB curve, the hyperbole of diabetes and the maximum speed ω _max . In this zone, with an increase in a given speed or moment, the coupling coefficient should vary from K = K _opt to K = K _min in the function of maintaining the voltage vector at the level of | U _s | = | U _s | _max
Thus, when taking into account the influence of the current limitation of the key elements of the power converter, it is necessary to increase the value of the coupling coefficient K, starting from the value of K _opt until the current in the stator windings decreases to acceptable values. These functions are carried out by the third comparison unit 30, the second summing unit 26 and the third proportional controller 33, the lower level of the output signal of which is zero (Fig. 2). The same should be done when taking into account voltage limits. These functions are performed by the second comparison unit 29, the second summing unit 26 and the second proportional controller 32, the upper level of the output signal of which is equal to zero. The coupling coefficient limiting unit 24 has a transmission coefficient of one. It provides a limitation of the maximum value of its output signal (i.e., the magnitude of the coupling coefficient K) as a function of speed at a level corresponding to K = K _gr , with the maximum value of K _gr = K _max and the minimum K _min . In addition, the value of the output signal of block 24 in the third zone lies in the range from K _gr to K _opt , and in the second zone from K _opt to K _gr . The first scaling unit 34 has a transmission coefficient equal to the ratio of L _sq to L _sd , and the signal at its output is inverted, so the output signal of block 34 is i _dz (in accordance with equation (2)). The transmission coefficient of the scaling block 35 is equal to L _sq to L _md , and the transmission coefficient of the scaling block 36 is the ratio of L _sd to L _md , so the signal at the output of the third summing block 27 is equal to the specified current value i _zf in accordance with equation (3). At the same time, it may turn out that the ultimate power of the synchronous machine, taking into account the restrictions | I _s | and | U _s |, exceeds the allowable power value of the onboard battery. This restriction should not cause a change in the magnitude of the coupling coefficient K. Therefore, the limitation of the power consumed from the onboard battery is achieved by reducing the set value of the component i _q , i.e. by reducing the moment developed by the machine. These functions are carried out by the first summing unit 25, the first proportional regulator 31, the first comparison unit 28 and the input power calculation unit 20, the inputs of which receive signals I _H and U _H proportional to the current and voltage of the on-board battery (FIG. 2).

Таким образом, предлагаемое устройство управления стартер-генератором с блоком формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям позволяет предельно использовать синхронную машину с электромагнитным возбуждением как в стартерном, так и в генераторном режимах во всем диапазоне возможных скоростей и нагрузок с учетом реальных ограничений по току и напряжению. Существенно, что требуемые значения скоростей и моментов достигаются автоматически при минимально возможных в данной точке потерях в меди машины. Наибольший эффект дает использование предлагаемого изобретения там, где первостепенное значение имеют энергетические и массогабаритные показатели. Характерным примером этого являются стартер-генераторные устройства транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. Thus, the proposed control device for the starter-generator with the unit for generating the set values of the excitation current and the components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes allows the maximum use of a synchronous machine with electromagnetic excitation in both the starter and generator modes in the entire range of possible speeds and loads taking into account real current and voltage limitations. It is essential that the required values of speeds and moments are achieved automatically at the minimum possible losses at a given point in the copper of the machine. The greatest effect is obtained by the use of the present invention where energy and weight and size indicators are of paramount importance. A typical example of this are starter-generator devices of vehicles with internal combustion engines.

Источники информации
1. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями /О. В. Слежановский, Л.Х. Дацковский, И.С. Кузнецов и др. - М.: Энергоатомиздат, 1983, - 256 с. ил.Sources of information
1. Systems of subordinate regulation of AC electric drives with valve converters / О. V. Sledzhanovsky, L.Kh. Datskovsky, I.S. Kuznetsov et al. - M.: Energoatomizdat, 1983, - 256 p. silt

2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980, - 928 с., ил. 2. Ivanov-Smolensky A.V. Electric cars: Textbook for high schools. - M.: Energy, 1980, - 928 p., Ill.

Claims

1. The control device for the starter-generator based on a synchronous machine with electromagnetic excitation, comprising a unit for generating set values of the excitation current and components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes, connected via an excitation current regulator to the excitation winding, and through series-connected coordinates conversion unit, power converter with frequency-current control system and phase current sensors to phase windings, harmonic function generator, mechanically connected with the rotor of the synchronous machine and connected with its outputs to the second inputs of the coordinate conversion unit, a speed sensor, the output of which is connected to the second input of the first comparison unit, and the first input of this unit is connected to the output of the intensity adjuster, characterized in that a second comparison unit is introduced into it, connected by the first input to the voltage setting of the onboard battery, and the second input to the voltage sensor of the onboard battery connected to the corresponding power inputs of the current regulator during excitation and power converter, while the outputs of the first and second comparison units are connected respectively to the first and second inputs of the switching unit, the output of which is connected to the first input of the unit for generating set values of the excitation current and components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes, the second input of this unit is connected to the output of the speed sensor, the third inputs are connected to the outputs of the phase voltage sensors, the fourth inputs to the outputs of the phase current sensors, the fifth and sixth inputs to the outputs of the harmonic functions, and the control input of the switching unit is connected to the output of the logical element And, the first input of which through the first comparator is connected to the output of the speed sensor, and the second input through the second comparator is connected to the sensor of the pressed state of the accelerator pedal of the car, and the output of the second comparator is also connected to the input of the setpoint intensity.

2. The unit for generating the set values of the excitation current and components of the stator current vector along the longitudinal and transverse axes, the first output of which is connected to the input of the excitation current controller, and the second outputs - to the first inputs of the coordinate transformation unit, contains a block for calculating the stator current vector module, two blocks summation, division and multiplication blocks, a proportional controller, characterized in that it includes: blocks for calculating the input power and the stator voltage vector module, a block for calculating the transverse component stator current vector, coupling coefficient limiting block, third summing block, three comparison blocks, second and third proportional controllers, three scaling blocks, constant signal setting block, module calculation block, minimum value limiting block, while the output of the input power calculation block through the first comparison unit and the first proportional controller are connected to the first input of the first summing unit, the second input of which is the first input of the unit for generating the set values of the excitation current the stator current vector components along the longitudinal and transverse axes and is connected to the output of the switching unit, and its output is connected to one of the second inputs of the coordinate conversion unit, the outputs of the stator phase voltage sensors through series-connected voltage vector module calculation unit, the second comparison unit and the second the proportional controller is connected to the first input of the second summing unit, the second input of which is connected to the constant signal setting unit, and the third input is connected through series-connected the third proportional regulator, the third comparison unit and the calculation unit of the stator current vector module are connected to the corresponding outputs of the harmonic function generator, the outputs of the stator phase current sensors and the inputs of the transverse component of the stator current vector, the output of which is connected to the first inputs of the division blocks through the module calculation unit and multiplications, the second inputs of which are connected to the output of the second summing unit via the coupling coefficient limiting block, the second input of the coefficient limiting block the communication factor is connected to the output of the speed sensor, and the output of the division unit through the first scaling unit is connected to one of the second inputs of the coordinate conversion unit, and through the second scaling unit to the first input of the third summing unit, the second input of which is connected to the output of the unit through the third scaling unit multiplication, and the output of the third summing unit through the minimum value limiting unit is connected to the input of the excitation current regulator, while the outputs of the constant signal setting unit are connected to the corresponding inputs of the comparison units, and the inputs of the input power calculation unit are connected to the outputs of the calculation units of the stator voltage and current vector modules.