[发明专利]一种方波复合励磁起动/发电机控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种起动/发电机控制方法，特别是方波复合励磁起动/发电机控制方法，可应用于汽车发动机起动/发电领域。

背景技术

混合动力汽车兼有电动车的低排放优点与内燃机汽车的高比能量优点而越来越受到关注。一体化起动/发电机是混合动力汽车的关键部件，可实现发动机的怠速停机和快速起动功能，从而达到节省油耗和降低排放的目的。

现有汽车一体化起动/发电机采用了多种电机类型，各有优势及不足。如：爪极电励磁交流电机机械强度较好、结构简单，但有效磁通受爪极间气隙的影响，低速时出力不足，发电效率低；异步（感应）电机机械强度好、成本低，但其功率密度低；永磁同步电机无需励磁绕组，具有结构简单、运行可靠、效率高等优点，但是气隙磁场不易调节，当负载或者转速大范围变化时，保持电压恒定比较困难。

复合励磁电机具有永磁体和电励磁绕组，利用二者组合励磁，对气隙磁场进行控制，可较好地解决电励磁电机效率低及永磁电机励磁调节困难的问题。目前的复合励磁电机多为正弦波电动势电机，在起动转矩、系统成本等方面仍有改善空间。

如果把复合励磁电机的电枢绕组电动势设计成梯形波（称之为方波复合励磁电机），就可以考虑采用方波电流进行控制，从而实现大起动转矩、低成本、高效发电等综合性能，在汽车发动机一体化起动/发电应用上具有很好的前景。

发明内容

本发明的目的是提供方波复合励磁起动/发电机的控制方法，实现汽车发动机怠速停机、快速起动以及宽转速范围发电功能，以改善汽车发动机的能耗和排放。

为实现上述目的，本发明提供的车用方波复合励磁电机系统硬件结构如图1所示，包括：方波复合励磁电机（1）、励磁调节单元（2）、逆变器（3）、储能装置（4）、单片机控制单元（5）五部分构成。方波复合励磁电机（1）其反电动势波形为梯形波，绕组由三相对称电枢绕组及励磁绕组组成，由永磁励磁和电励磁两种励磁源相互作用，共同实现电磁能量转换。励磁调节单元（2）是由四个全控型开关元件T7-T10组成的H桥，其输入为储能装置（4），输出接方波复合励磁电机（1）的励磁绕组。逆变器（3）是由六个全控型开关元件T1-T6组成的三相全桥，逆变器（3）的交流侧与方波复合励磁电机（1）的三相对称电枢绕组相连，直流侧与储能装置（4）连接。储能装置（4）是蓄电池或者超级电容或者蓄电池与超级电容的组合。单片机控制单元（5）包括单片机处理器、母线电压检测单元、电枢电流检测及选择单元、励磁电流检测单元、转子位置检测单元及驱动电路组成。

根据混合动力汽车运行工况的要求，电机主要工作在以下几个模式：起动模式、起动/发电切换模式、发电模式和关闭模式。

起动模式由速度闭环或者转矩控制，此时方波复合励磁电机（1）作为电动机工作，电机在任何时间都是两相线圈导通，且一个电角度周期内有六种状态。以A、B、C三相定子绕组及6个全控型开关元件T1-T6为例，假定电机转动方向为正，每个电角度周期内三相绕组导通顺序为A+B-→A+C-→B+C-→B+A-→C+A-→C+B-,对应全控型开关元件的开通顺序T1T4→T1T6→T3T6→T3T2→T5T2→T5T4。起动时，将励磁电流给定设置为最大值，通过励磁调节单元（2）加载励磁电流，保证电机以最大转矩快速起动。当采用速度控制时，具体方法为：给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度调节后产生电枢电流参考量，它与电枢电流反馈量的偏差经过电枢电流调节后形成PWM占空比的控制量，通过驱动电路控制逆变器（3）的全控型器件T1-T6的导通顺序，实现方波复合励磁电机（1）的速度控制；当采用转矩控制时，具体方法为：将电枢电流给定值设为最大值，它与电枢电流反馈量的偏差经过电枢电流调节后形成PWM占空比的控制量，通过驱动电路控制逆变器（3）的全控型开关元件T1-T6的导通顺序，实现方波复合励磁电机（1）的快速起动。当发动机转速达到起动转速时，发动机开始供油。当方波复合励磁电机（1）加速到需求转速时，将保持在这个速度下，且不会产生负转矩，当转速高于需求转速时，自动关闭PWM驱动。

起动/发电切换模式是处在起动模式和发电模式之间的一个过渡过程。该过程很短暂，此时关闭逆变器（2）的PWM驱动及励磁电流，方波复合励磁电机不产生转矩。