專利名稱：一種永磁無刷直流起/發電機的控制發電系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及汽車電機的控制方法，特別涉及一種永磁無刷直流電機充當汽車發動 機的啟動電機和發電機雙重作用時的發電控制方法及控制系統。
背景技術：
目前，國內汽車大多把啟動電動機和發電機分開設計，而發電主要使用硅整流發 電機。這種硅整流發電機使用的是電勵磁來產生磁通，需要增加勵磁線圈，并使用蓄電池來 提供勵磁電流。由于使用了勵磁線圈，易燒毀、斷線、消耗電能多，減小了發電機的可靠性， 增加了汽車成本。而永磁無刷直流起/發電機系統讓兩種電機合一，減小了電機的體積，同 時，由于使用永磁電機，不需要增加勵磁線圈，減少成本。永磁無刷直流電機具有在結構上 簡單可靠，用作發電時，效率高，消耗的電能少等諸多優點。
目前永磁無刷直流起/發電機系統非常適用于普通汽車和混合動力車系統上。電 機的起動/發電功能最初就是應汽車、飛機等電源系統的發展要求而設計的，汽車、飛機等 系統的發動機在正常工作之前需要啟動機來啟動。一般使用電機來啟動發動機，發動機啟 動后再利用電機可以四象限運行的特點，把電機作為發電機讓機械能轉換為電能供給車載 用電設備使用，同時給蓄電池充電。但是，由于汽車工況復雜，永磁無刷直流起/發電機用 作發電機時，需要通過合適的控制策略來使系統在不同轉速條件下獲得理想的輸出。發明內容
本發明的目的是提供一種永磁無刷直流電機充當起動電機和發電發電機時的控 制方法和控制系統。
首先，本發明提供一種永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統，其技術方案是 一種永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統，永磁無刷直流電機在外力帶動下發電供給 負載，包括三相整流電橋、輸出電壓檢測電路、輸出電流檢測電路、DSP控制器和霍爾傳感 器；
所述的三相整流電橋設置在永磁無刷直流電機三相輸出端，所述的三相整流電橋 的輸出端接負載；
所述的輸出電壓檢測電路和輸出電流檢測電路設置在所述的三相整流電橋的輸 出端，所述的輸出電壓檢測電路和輸出電流檢測電路的所產生的輸出電流和電壓信號分別 送入所述的DSP控制器中；
所述的霍爾傳感器設置在所述的永磁無刷直流電機上，所產生的位置信號送入所 述的DSP控制器中；
所述的DSP控制器利用位置信號、輸出電流和電壓信號產生控制所述的三相整流 電橋的PWM信號接三相整流電橋。
進一步的，上述的永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統中所述的三相整流 電橋包括開關管V1、開關管V2、開關管V3、開關管V4、開關管V5和開關管V6 ；
所述的開關管Vl設置在所述的永磁無刷直流電機a相輸出與三相整流電橋的輸 出陽極之間，所述的開關管V4設置在所述的永磁無刷直流電機a相輸出與三相整流電橋的 輸出陰極之間；
所述的開關管V3設置在所述的永磁無刷直流電機b相輸出與三相整流電橋的輸 出陽極之間，所述的開關管V6設置在所述的永磁無刷直流電機b相輸出與三相整流電橋的 輸出陰極之間；
所述的開關管V5設置在所述的永磁無刷直流電機c相輸出與三相整流電橋的輸 出陽極之間，所述的開關管V2設置在所述的永磁無刷直流電機c相輸出與三相整流電橋的 輸出陰極之間；
在三相整流電橋的輸出陰極和陽極之間設置有濾波電容Co。
進一步的，上述的永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統中所述的DSP控制器 包括基本I/o模塊、第一比較器、第一 PI調節器、第二比較器、第二 PI調節器和PWM生成模 塊；
所述的基本I/O模塊輸入參考電壓(Uief)；
所述的第一比較器的輸入端分別接入參考電壓(UMf)和所述的輸出電壓檢測電路 檢測到的輸出電壓(ud。)，所述的第一比較器的輸出端接所述的第一 PI調節器，所述的第一 PI調節器的輸出生成參考電流(Iref)；
所述的第二比較器的輸入端分別接入參考電流(IMf)和所述的輸出電流檢測電路 檢測到的輸出電流(Id。)，所述的第二比較器輸出端接所述的第二 PI調節器，所述的第二 PI 調節器產生占空比信號輸入到所述的PWM生成模塊；
所述的PWM生成模塊據所述的霍爾傳感器所產生的位置信號生成PWM信號，分別 接通所述的三相整流電橋的六個開關管的柵極。
進一步的，上述的永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統中所述的控制器控 制所述的三相整流電橋的六個開關管的過程如下
當永磁無刷直流電機輸出的三相交流中
A相正最大，B相負最大時，讓開關管V3和V4同時做PWM控制，其他開關管關斷；
A相正最大，C相負最大時讓開關管V4和V5同時做PWM控制，其他開關管關斷；
B相正最大，C相負最大時讓開關管V5和V6同時做PWM控制，其他開關管關斷；
B相正最大，A相負最大時讓開關管V6和Vl同時做PWM控制，其他開關管關斷；
C相正最大，A相負最大時讓開關管Vl和V2同時做PWM控制，其他開關管關斷；
C相正最大，B相負最大時讓開關管V2和V3同時做PWM控制，其他開關管關斷。
進一步的，上述的永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統中所述的負載為蓄 電池的充電電路。
其次，本申請還提供一種根據上述的永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統的 控制方法，由DSP控制器進行控制，包括以下步驟；
步驟1、獲得參考電壓(Uref)和輸出電壓(Ud。)的步驟；
步驟2、將參考電壓(Uref)和輸出電壓(Ud。)比較的步驟；
步驟3、將參考電壓(Uref)和輸出電壓(Ud。)比較的結果進行第一次PI調節控制生 成參考電流(Im)的步驟；
步驟4、將參考電流(Iref)與輸出電流(Id。)進行比較步驟；
步驟5、將參考電流(Iref)與輸出電流(Id。)進行比較結果進行第二次PI調節控制 生成占空比的步驟；
步驟6、利用占空比形成PWM信號的步驟；
步驟7、根據電機位置信號情況將PWM信號輸出到控制三相整流電橋的開關管的 步驟。
進一步的，上述的控制方法中所述的步驟7中，控制三相整流電橋的開關管包括 如下方式
在永磁無刷直流電機輸出的三相交流中
A相正最大，B相負最大時，讓開關管V3和V4同時做PWM控制，其他開關管關斷；
A相正最大，C相負最大時讓開關管V4和V5同時做PWM控制,其他開關管關斷；
B相正最大，C相負最大時讓開關管V5和V6同時做PWM控制，其他開關管關斷；
B相正最大，A相負最大時讓開關管V6和Vl同時做PWM控制,其他開關管關斷；
C相正最大，A相負最大時讓開關管Vl和V2同時做PWM控制，其他開關管關斷；
C相正最大，B相負最大時讓開關管V2和V3同時做PWM控制,其他開關管關斷。
本發明可以直接利用原有的硬件條件，無需對硬件電路進行改動，不需要額外投 入，可以實現可逆運行；采用兩兩導通方式，不需要額外增加死區時間，用以控制永磁直流 無刷電機發電，產生電壓脈動小，只需很小的濾波就可以得到很穩定的電壓輸出；實現簡單 可靠。
圖1本發明永磁無刷直流起/發電機發電系統結構圖。
圖2本發明永磁無刷直流起/發電機發電主電路圖。
圖3本發明永磁無刷直流起/發電機發電系統雙閉環控制原理圖。
圖4本發明永磁無刷直流起/發電機發電系統功率開關管控制信號。
具體實施方式
實施例1 :如圖1所示，本發明提供了一種混合動力汽車中，作為起動電機和發電 機的永磁無刷直流電機的發電控制系統，永磁無刷直流電機在外力帶動下發電供給負載， 包括三相整流電橋、輸出電壓檢測電路、輸出電流檢測電路、DSP控制器和霍爾傳感器；如 圖1所示，
三相整流電橋設置在永磁無刷直流電機三相輸出端，所述的三相整流電橋的輸出 端接負載；本實施例中三相整流電橋如圖2所示，包括六個開關管V1、V2、V3、V4、V5和W。
其中V1設置在永磁無刷直流電機a相輸出與三相整流電橋的輸出陽極之間，V4 設置在永磁無刷直流電機a相輸出與三相整流電橋的輸出陰極之間；
V3設置在永磁無刷直流電機b相輸出與三相整流電橋的輸出陽極之間,V6設置在 永磁無刷直流電機b相輸出與三相整流電橋的輸出陰極之間；
V5設置在永磁無刷直流電機c相輸出與三相整流電橋的輸出陽極之間,V2設置在 永磁無刷直流電機c相輸出與三相整流電橋的輸出陰極之間；
另外，在三相整流電橋的輸出陰極和陽極之間設置有濾波電容Co。
本實施例的輸出電壓檢測電路和輸出電流檢測電路設置在三相整流電橋的輸出 端，測量電機的輸出電流ud。和輸出電壓Id。。并將輸出電流Ud。和輸出電壓Id。輸入到DSP 控制器中。
霍爾傳感器設置在所述的永磁無刷直流電機上，所產生的位置信號送入所述的 DSP控制器中；一般是三個霍爾傳感器，分別產生三相的角度位置。DSP控制器利用位置信 號、輸出電流和電壓信號產生控制所述的三相整流電橋的PWM信號接三相整流電橋。
本實施例中，DSP控制器包括基本I/O模塊、第一比較器、第一 PI調節器、第二比 較器、第二 PI調節器和PWM生成模塊；
基本I/O模塊輸入參考電壓Uref ；
第一比較器的輸入端分別接入參考電壓UMf和輸出電壓檢測電路檢測到的輸出電 壓Ud。，第一比較器的輸出端接第一 PI調節器，第一 PI調節器的輸出生成參考電流IMf ；
第二比較器的輸入端分別接入參考電流IMf和輸出電流檢測電路檢測到的輸出電 流Id。，第二比較器輸出端接第二 PI調節器，第二 PI調節器產生占空比信號輸入到PWM生 成模塊；
PWM生成模塊根據霍爾傳感器所產生的位置信號生成PWM信號，分別接通按下面 的順序三相整流電橋的六個開關管的柵極
當永磁無刷直流電機輸出的三相交流中
A相正最大，B相負最大時，讓開關管V3和V4同時做PWM控制,其他開關管關斷；
A相正最大，C相負最大時讓開關管V4和V5同時做PWM控制,其他開關管關斷；
B相正最大，C相負最大時讓開關管V5和V6同時做PWM控制,其他開關管關斷；
B相正最大，A相負最大時讓開關管V6和Vl同時做PWM控制,其他開關管關斷；
C相正最大，A相負最大時讓開關管Vl和V2同時做PWM控制，其他開關管關斷；
C相正最大，B相負最大時讓開關管V2和V3同時做PWM控制,其他開關管關斷。
另外，本實施例的負載一般是指蓄電池的充電電路，也可以是車上的其它電器。
在混合動力汽車中，永磁無刷直流電機是在混合動力控制中心HCU的控制下，DSP 控制器完成對發電控制的，控制過程如圖3和圖4所示
包括以下步驟；
步驟1、獲得參考電壓(Uref)和輸出電壓(Ud。)的步驟；
步驟2、將參考電壓(Uref)和輸出電壓(Ud。)比較的步驟；
步驟3、將參考電壓(Uref)和輸出電壓(Ud。)比較的結果進行第一次PI調節控制生 成參考電流(Im)的步驟；
步驟4、將參考電流(Iref)與輸出電流(Id。)進行比較步驟；
步驟5、將參考電流(Iref)與輸出電流(Id。)進行比較結果進行第二次PI調節控制 生成占空比的步驟；
步驟6、利用占空比形成PWM信號的步驟；
步驟7、根據電機位置信號情況將PWM信號輸出到控制三相整流電橋的開關管的 步驟。
其中步驟7中，控制三相整流電橋的開關管包括如下方式
在永磁無刷直流電機輸出的三相交流中
A相正最大，B相負最大時，讓開關管V3和V4同時做PWM控制，其他開關管關斷；
A相正最大，C相負最大時讓開關管V4和V5同時做PWM控制，其他開關管關斷；
B相正最大，C相負最大時讓開關管V5和V6同時做PWM控制，其他開關管關斷；
B相正最大，A相負最大時讓開關管V6和Vl同時做PWM控制,其他開關管關斷；
C相正最大，A相負最大時讓開關管Vl和V2同時做PWM控制，其他開關管關斷；
C相正最大，B相負最大時讓開關管V2和V3同時做PWM控制，其他開關管關斷。
本實施例的永磁無刷直流起/發電機發電系統的結構圖如圖1所示，由圖可以看 出系統由永磁無刷直流電機、三相整流橋、輸出電流檢測、輸出電壓檢測、DSP控制器及負載 等幾部分組成。永磁無刷直流電機在原動機的拖動下內部感應出三相交流電動勢Uab。，三相 交流電動勢Uab。經過三相整流橋整流成直流供給負載。負載可以是蓄電池的充電電路或者 其它汽車電器，輸出電壓檢測和輸出電流檢測電路檢測出輸出的電壓與電流送給DSP控制 器，同時檢測永磁無刷直流電機的霍爾位置信號Hab。送入DSP控制器，DSP控制器根據輸出 電壓Ud。、輸出電流Id。及霍爾位置信號Hab。產生相應的6路PWM控制信號，控制三相整流橋 整出所需的直流供給負載。
圖1中三相整流橋是由六個開關管構成的三相橋式電路，這種三相橋式電路既可 以用作逆變電路，也可以用作整流電路。如圖2所示為有三相橋式電路組成的永磁無刷直 流起/發電機發電主電路圖。
圖3所示為永磁無刷直流起/發電機發電系統控制原理圖，這是一個雙閉環控制， 內環為電流環，外環為電壓環。系統采樣輸出電壓ud。，然后與給定參考電壓Uref比較得到一 個差值，經過第一個PI調節器得出參考電流Iref;系統再檢測出輸出電流Id。，與調節出的參 考電流Iref比較，經過第二個PI調節器生產一個占空比送到PWM生成模塊，PWM生成模塊根 據這個占空比和永磁無刷直流電機的位置信號Hab。生成六路PWM控制信號，驅動三相整流 橋的六個開關管工作。
六路PWM驅動控制信號如圖4所示。工作方式當電機輸出的三相交流A相正最 大，B相負最大時，讓開關管V3和V4同時做PWM控制，其他開關管關斷；而A相正最大，C相 負最大時讓開關管V4和V5同時做PWM控制，其他開關管關斷；其他情況以此類推，可以得 出開關管的導通順序為V1V2-V2V3-V3V4-V4V5-V5V6-V6V1。在此種工作方式下，同時只有兩 個開關管做PWM控制，可以根據輸出的電流電壓來調節這個PWM控制信號的占空比，用以得 到理想的輸出。
本實施例在永磁無刷直流電機控制的基礎上提出了 一種新型控制策略，用以解決 永磁無刷直流電機發電運行時的控制需求。
永磁無刷直流電機發電控制系統的控制方式是采用電壓電流雙閉環控制方式，控 制三相整流橋兩兩導通，同時做PWM控制。采用本發明的控制方法對永磁無刷直流電機發 電進行控制，有以下幾個優點
(I)該控制方式可以直接利用原有的硬件條件，無需對硬件電路進行改動，不需要 額外投入，可以實現可逆運行。
(2)該控制方式采用兩兩導通方式，這種控制方式不需要額外增加死區時間，用以 控制永磁直流無刷電機發電，產生電壓脈動小，只需很小的濾波就可以得到很穩定的電壓輸出。
(3)該控制方式與 電動運行控制方式類似，實現簡單可靠。
權利要求
1.一種永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統，永磁無刷直流電機在外力帶動下發電供給負載，其特征在于包括三相整流電橋、輸出電壓檢測電路、輸出電流檢測電路、DSP 控制器和霍爾傳感器；所述的三相整流電橋設置在永磁無刷直流電機三相輸出端，所述的三相整流電橋的輸出端接負載；所述的輸出電壓檢測電路和輸出電流檢測電路設置在所述的三相整流電橋的輸出端， 所述的輸出電壓檢測電路和輸出電流檢測電路的所產生的輸出電流和電壓信號分別送入所述的DSP控制器中；所述的霍爾傳感器設置在所述的永磁無刷直流電機上，所產生的位置信號送入所述的 DSP控制器中；所述的DSP控制器利用位置信號、輸出電流和電壓信號產生控制所述的三相整流電橋的PWM信號接三相整流電橋。
2.根據權利要求1所述的永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統，其特征在于所述的三相整流電橋包括開關管V1、開關管V2、開關管V3、開關管V4、開關管V5和開關管V6 ；所述的開關管Vl設置在所述的永磁無刷直流電機a相輸出與三相整流電橋的輸出陽極之間，所述的開關管V4設置在所述的永磁無刷直流電機a相輸出與三相整流電橋的輸出陰極之間；所述的開關管V3設置在所述的永磁無刷直流電機b相輸出與三相整流電橋的輸出陽極之間，所述的開關管V6設置在所述的永磁無刷直流電機b相輸出與三相整流電橋的輸出陰極之間；所述的開關管V5設置在所述的永磁無刷直流電機c相輸出與三相整流電橋的輸出陽極之間，所述的開關管V2設置在所述的永磁無刷直流電機c相輸出與三相整流電橋的輸出陰極之間；在三相整流電橋的輸出陰極和陽極之間設置有濾波電容Co。
3.根據權利要求2所述的永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統，其特征在于所述的DSP控制器包括基本I/O模塊、第一比較器、第一 PI調節器、第二比較器、第二 PI調節器和PWM生成模塊；所述的基本I/O模塊輸入參考電壓(Uref)；所述的第一比較器的輸入端分別接入參考電壓(Uref)和所述的輸出電壓檢測電路檢測到的輸出電壓(Ud。)，所述的第一比較器的輸出端接所述的第一PI調節器，所述的第一PI調節器的輸出生成參考電流(Im);所述的第二比較器的輸入端分別接入參考電流(Iref)和所述的輸出電流檢測電路檢測到的輸出電流(Id。)，所述的第二比較器輸出端接所述的第二PI調節器，所述的第二PI調節器產生占空比信號輸入到所述的PWM生成模塊；所述的PWM生成模塊根據所述的霍爾傳感器所產生的位置信號生成PWM信號，分別接通所述的三相整流電橋的六個開關管的柵極。
4.根據權利要求3所述的永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統，其特征在于所述的控制器控制所述的三相整流電橋的六個開關管的過程如下當永磁無刷直流電機輸出的三相交流中A相正最大，B相負最大時，讓開關管V3和V4同時做PWM控制，其他開關管關斷；A相正最大，C相負最大時讓開關管V4和V5同時做PWM控制，其他開關管關斷 B相正最大，C相負最大時讓開關管V5和V6同時做PWM控制，其他開關管關斷 B相正最大，A相負最大時讓開關管V6和Vl同時做PWM控制，其他開關管關斷 C相正最大，A相負最大時讓開關管Vl和V2同時做PWM控制，其他開關管關斷 C相正最大，B相負最大時讓開關管V2和V3同時做PWM控制，其他開關管關斷。
5.根據權利要求1至4中任一所述的永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統，其特征在于所述的負載為蓄電池的充電電路。
6.一種根據權利要求1所述的永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統的控制方法， 由DSP控制器進行控制，其特征在于，包括以下步驟；步驟1、獲得參考電壓(U和輸出電壓(Ud。)的步驟；步驟2、將參考電壓(UMf)和輸出電壓(Ud。)比較的步驟；步驟3、將參考電壓(UMf)和輸出電壓(Ud。)比較的結果進行第一次PI調節控制生成參考電流(Im)的步驟；步驟4、將參考電流(IMf)與輸出電流(Id。)進行比較步驟；步驟5、將參考電流(IMf)與輸出電流(Id。)進行比較結果進行第二次PI調節控制生成占空比的步驟；步驟6、利用占空比形成PWM信號的步驟；步驟7、根據電機位置信號情況將PWM信號輸出到控制三相整流電橋的開關管的步驟。
7.根據權利要求6所述的控制方法，其特征在于所述的步驟7中，控制三相整流電橋的開關管包括如下方式在永磁無刷直流電機輸出的三相交流中A相正最大，B相負最大時，讓開關管V3和V4同時做PWM控制，其他開關管關斷；A相正最大，C相負最大時讓開關管V4和V5同時做PWM控制，其他開關管關斷 B相正最大，C相負最大時讓開關管V5和V6同時做PWM控制，其他開關管關斷 B相正最大，A相負最大時讓開關管V6和Vl同時做PWM控制，其他開關管關斷 C相正最大，A相負最大時讓開關管Vl和V2同時做PWM控制，其他開關管關斷 C相正最大，B相負最大時讓開關管V2和V3同時做PWM控制，其他開關管關斷。
全文摘要
本發明公開了一種永磁無刷直流起/發電機的發電控制系統和控制方法，其中控制系統控制永磁無刷直流電機在外力帶動下發電供給負載，包括三相整流電橋、輸出電壓檢測電路、輸出電流檢測電路、DSP控制器和霍爾傳感器。控制方法提供了一種上面DSP控制器的控制過程。本發明可以直接利用原有的硬件條件，無需對硬件電路進行改動，不需要額外投入，可以實現可逆運行；采用兩兩導通方式，不需要額外增加死區時間，用以控制永磁直流無刷電機發電，產生電壓脈動小，只需很小的濾波就可以得到很穩定的電壓輸出；實現簡單可靠。
文檔編號H02P9/48GK103066906SQ20121053574
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月12日 優先權日2012年12月12日
發明者蔡交明, 羅曉, 王瑛, 陳立沖, 王金磊, 黃彬 申請人:奇瑞汽車股份有限公司