專利名稱：一種車用混合勵磁起動/發(fā)電一體化電機功率變換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種車用混合勵磁起動/發(fā)電一體化電機功率變換器，屬于車用控制裝置范圍。
背景技術：
隨著汽車擁有量的快速增加，能源消耗和尾氣排放問題更加突出。目前汽車上廣泛采用的爪極式發(fā)電機效率較低，這使得油耗和排放較高；同時，直流起動電機轉矩較小，因而發(fā)動機起動慢，造成起動及怠速過程中更高的油耗和尾氣排放。起動/發(fā)電一體化電機是將發(fā)動機上原來獨立的起動機和發(fā)電機重新設計成一臺電機，在功率變換器的控制下，起動發(fā)動機時電機運行于電動狀態(tài)，在怠速轉速以上運行于發(fā)電狀態(tài)。·由于安裝空間受限并考慮節(jié)能環(huán)保要求，起動/發(fā)電一體化電機系統(tǒng)需要具有盡可能高的轉矩密度、功率密度及效率。在常見的電機類型中，異步電機和電勵磁電機的起動和發(fā)電功能易于實現(xiàn)，但存在著轉矩密度、功率密度及效率相對較低的問題。而永磁交流電機的轉矩密度、功率密度及效率雖然較高，但由于轉子磁鏈不可控，因此，同時保證電機的大起動轉矩和寬速度區(qū)間的發(fā)電輸出電壓穩(wěn)定等問題很難解決。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服了現(xiàn)有起動/發(fā)電一體化電機系統(tǒng)方案的不足，針對同時具備永磁體及電勵磁繞組的混合勵磁電機，提供了一種車用混合勵磁起動/發(fā)電一體化電機功率變換器，該變換器能夠獨立控制混合勵磁電機的三相繞組電壓、電流和勵磁繞組電流，易于獲得低速大轉矩負載起動和寬速度范圍的弱磁發(fā)電穩(wěn)壓特性。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術方案。本實用新型一種車用混合勵磁起動/發(fā)電一體化電機功率變換器，含有儲能部件，混合勵磁電機，三相整流/逆變器，H橋，信號處理電路以及微處理器系統(tǒng)。它們之間的位置連接關系是三相整流/逆變器和H橋相級聯(lián)，三相整流/逆變器的輸入、輸出分別與儲能部件、混合勵磁電機的三相繞組連接，H橋的輸出與混合勵磁電機的勵磁繞組相連。信號處理電路的輸入分別與母線電壓傳感器、母線電流傳感器、勵磁電流傳感器、電機轉子位置傳感器以及微處理器系統(tǒng)的PWM端口相連接；信號處理電路的輸出分別與三相整流/逆變器中全控型電力電子器件的信號驅動端口、H橋中全控型電力電子器件的信號驅動端口以及微處理器系統(tǒng)的模擬及數(shù)字輸入端口相連接。所述儲能部件是蓄電池或電容，或由二者共同組成；所述混合勵磁電機是交流電機，可分時工作于電動狀態(tài)或發(fā)電狀態(tài)； 所述三相整流/逆變器是由全控型電力電子器件構成的電能轉換及傳輸裝置，具備電能雙向傳輸功能，可將儲能部件提供的直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┙o電機，也可將電機發(fā)出的交流電整流為直流電供給儲能部件；所述H橋是由全控型電力電子器件構成的勵磁電流調節(jié)裝置出橋的輸出與混合勵磁電機的勵磁繞組相連，通過控制功率開關器件的通斷狀態(tài)，將儲能部件提供的直流電轉換為混合勵磁電機勵磁繞組所需大小及方向的勵磁電流，進而實現(xiàn)對混合勵磁電機內(nèi)氣隙磁通增強或減弱的作用。所述信號處理電路是由母線電壓信號處理電路、母線電流信號處理電路、功率驅動信號處理電路、勵磁驅動信號處理電路、勵磁電流信號處理電路、位置反饋信號處理電路等部分組成；它們之間是彼此獨立電路；該母線電壓信號處理電路的結構是由運放、電阻、電容和直流電源組成，其間關系是直流電源與運放的電源端口相連，電阻與運放的輸入、輸出信號端口連接，電容與運放的輸入信號端口連接；它是將輸入的較高母線電壓進行 隔離降壓及電平變換后轉換為微處理器系統(tǒng)可以識別的模擬信號該母線電流信號處理電路的結構是由運放、電阻、電容和直流電源組成，其間關系是直流電源與運放的電源端口相連，電阻與運放的輸入、輸出信號端口連接，電容與運放的輸入信號端口連接；它是將輸入的較大母線電流進行隔離降低及電平變換后轉換為微處理器系統(tǒng)可以識別的模擬信號；該功率驅動信號處理電路的結構是由光電耦合器、電阻及直流隔離電源組成，其間關系是直流隔離電源與電阻輸入端連接，電阻輸出端與光電耦合器信號輸入端口連接，微處理器輸出信號與光電耦合器的輸出端口連接；它是將來自微處理器系統(tǒng)的信號進行隔離放大后分別輸出至三相整流/逆變器中電力電子器件的驅動端口，用于控制其通斷；該勵磁驅動信號處理電路的結構是由光電耦合器、電阻及直流隔離電源組成，其間關系是直流隔離電源與電阻輸入端連接，電阻輸出端與光電耦合器信號輸入端口連接，微處理器輸出信號與光電耦合器的輸出端口連接；它是將來自微處理器系統(tǒng)的信號進行隔離放大后分別輸出至三相整流/逆變器中電力電子器件的驅動端口，用于控制其通斷；該勵磁電流信號處理電路的結構是由運放、電阻、電容和直流電源組成，其間關系是直流電源與運放的電源端口相連，電阻與運放的輸入、輸出信號端口連接，電容與運放的輸入信號端口連接；它是將輸入的較大的勵磁繞組電流進行隔離降低及電平變換后轉換為微處理器系統(tǒng)可以識別的模擬信號；該位置反饋信號處理電路的結構是由光電耦合器、電阻及直流隔離電源組成，其間關系是直流隔離電源與電阻輸入端連接，電阻輸出端與光電耦合器信號輸入端口連接，位置反饋信號與光電耦合器的輸出端口連接；它是將電機上安裝的轉子位置傳感器輸出信號進行電平變換后轉換為微處理器系統(tǒng)可以識別的輸入信號上述直流電源是指能夠提供直流15V、5V及3. 3V的電源；上述直流隔離電源是指具備電氣隔離的DC/DC變換器；上述運放的型號是0P27 ;上述光電耦合器的型號是HCPL4503。所述微處理器系統(tǒng)以同時具備模擬、數(shù)字輸入端口和8路PWM數(shù)字輸出端口的單片機或DSP為核心，該單片機或DSP是TI公司2000系列芯片或Infineon公司C166系列芯片；該微處理器系統(tǒng)與信號處理電路相連接，它能夠通過信號處理電路接收母線電壓、母線電流、勵磁電流及位置反饋信號，也能輸出8路PWM數(shù)字信號用于驅動三相整流/逆變器和H橋中全控型電力電子器件。當混合勵磁電機電動運行時，整流/逆變器將儲能部件提供的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姽┙o混合勵磁電機；當混合勵磁發(fā)電運行時，整流/逆變器將混合勵磁電機三相繞組發(fā)出的交流電整流后給儲能部件充電。[0016]通過控制H橋功率開關器件的通斷，將儲能部件提供的直流電轉換為混合勵磁電機勵磁繞組所需大小及方向的勵磁電流，進而實現(xiàn)對增強或減弱混合勵磁電機內(nèi)氣隙磁通的作用。由電壓和電流傳感器檢測的母線電壓、勵磁電流和母線電流輸出信號分別通過信號處理電路后送入微處理器系統(tǒng)；由位置傳感器檢測出的混合勵磁電機轉子位置信號，經(jīng)過位置反饋信號處理電路后送入微處理器系統(tǒng)用于確定混合勵磁電機轉子位置和轉速。在起動汽車發(fā)動機和發(fā)電過程中，微處理器系統(tǒng)根據(jù)母線電壓、電流和轉子位置信息輸出6路PWM信號，然后通過功率驅動信號處理電路后驅動三相整流/逆變器中主功率器件的通斷。同時，進一步根據(jù)勵磁電流信號，微處理器系統(tǒng)輸出另外2路PWM信號，經(jīng)勵磁驅動信號處理電路后驅動H橋中功率器件的通斷，通過控制PWM占空比控制勵磁繞組內(nèi)電流的大小和流向。根據(jù)電機的不同功率等級，三相整流/逆變器中主功率器件分別采用單個器件獨 立或多個器件并聯(lián)方式，使得本功率變換器具備低壓大電流工作能力。根據(jù)微處理器系統(tǒng)的不同指令，三相整流/逆變器分別工作在逆變、可控整流和不可控整流三種工作狀態(tài)下。本實用新型的有益效果在于，根據(jù)電機處于電動和發(fā)電的不同狀態(tài)，能夠獨立控制電機的三相繞組電流、電壓以及勵磁電流，使電機具備較高的功率密度、轉矩密度、低速大轉矩和良好的電壓調整特性，從而便捷實現(xiàn)汽車發(fā)動機的快速起動和高效率發(fā)電功能，有利于促進汽車的節(jié)能減排。

圖I是車用混合勵磁起動/發(fā)電一體化電機功率變換器結構圖圖中符號說明如下I儲能部件；2混合勵磁電機；3三相整流/逆變器；4H橋；5信號處理電路；6微處理器系統(tǒng)；Tl T6表示三相整流/逆變器中的全控型電力電子器件；T7 TlO表示H橋中的全控型電力電子器件。
具體實施方式
下面結合圖I對本實用新型作進一步說明本實施例包括有儲能部件I，混合勵磁電機2，三相整流/逆變器3，H橋4，信號處理電路5,微處理器系統(tǒng)6。其中三相整流/逆變器3和H橋4兩部分相級聯(lián)，儲能部件I直接與三相整流/逆變器3和H橋4的公共直流母線相連接。信號處理電路5的輸入分別與母線電壓傳感器、母線電流傳感器、勵磁電流傳感器、電機轉子位置傳感器以及微處理器系統(tǒng)6的PWM端口相連接；信號處理電路5的輸出分別與三相整流/逆變器3中全控型電力電子器件的信號驅動端口、H橋4中全控型電力電子器件的信號驅動端口以及微處理器系統(tǒng)6的模擬及數(shù)字輸入端口相連接。三相整流/逆變器3的輸入、輸出分別與儲能部件I、混合勵磁電機2的三相繞組連接。當混合勵磁電機2電動運行時，三相整流/逆變器3將儲能部件I提供的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姽┙o混合勵磁電機2 ;當混合勵磁電機2發(fā)電運行時，整流/逆變器3將混合勵磁電機2三相繞組發(fā)出的交流電進行可控整流后供給儲能部件I進行充電。所述儲能部件I是蓄電池或電容，也可以由二者共同組成；所述混合勵磁電機2是交流電機，可分時工作于電動狀態(tài)或發(fā)電狀態(tài)；所述三相整流/逆變器3是由全控型電力電子器件Tl T6構成的電能轉換及傳輸裝置，具備電能雙向傳輸功能，可將儲能部件I提供的直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┙o電機2，也可將電機2發(fā)出的交流電整流為直流電供給儲能部件I ;所述H橋4是由全控型電力電子器件T7 TlO構成的勵磁電流調節(jié)裝置；H橋4
的輸出與混合勵磁電機2的勵磁繞組相連，通過控制功率開關器件T7 TlO的通斷狀態(tài)，將儲能部件I提供的直流電轉換為混合勵磁電機勵磁繞組所需大小及方向的勵磁電流，進而實現(xiàn)對混合勵磁電機2內(nèi)氣隙磁通增強或減弱的作用。所述信號處理電路5是由母線電壓信號處理電路5-1、母線電流信號處理電路5-2、功率驅動信號處理電路5-3、勵磁驅動信號處理電路5-4、勵磁電流信號處理電路5-5、位置反饋信號處理電路5-6等部分組成；它們之間是彼此獨立電路；該母線電壓信號處理電路5-1的結構是由運放、電阻、電容和直流電源組成，其間關系是直流電源與運放的電源端口相連，電阻與運放的輸入、輸出信號端口連接，電容與運放的輸入信號端口連接；它是將輸入的較高母線電壓進行隔離降壓及電平變換后轉換為微處理器系統(tǒng)6可以識別的模擬信號該母線電流信號處理電路5-2的結構是由運放、電阻、電容和直流電源組成，其間關系是直流電源與運放的電源端口相連，電阻與運放的輸入、輸出信號端口連接，電容與運放的輸入信號端口連接；它是將輸入的較大母線電流進行隔離降低及電平變換后轉換為微處理器系統(tǒng)6可以識別的模擬信號；該功率驅動信號處理電路5-3的結構是由光電耦合器、電阻及直流隔離電源組成，其間關系是直流隔離電源與電阻輸入端連接，電阻輸出端與光電I禹合器信號輸入端口連接，微處理器輸出信號與光電I禹合器的輸出端口連接；它是將來自微處理器系統(tǒng)6的PWMl PWM6信號進行隔離放大后分別輸出至三相整流/逆變器3中電力電子器件Tl T6的驅動端口，用于控制其通斷；該勵磁驅動信號處理電路5-4的結構是由光電耦合器、電阻及直流隔離電源組成，其間關系是直流隔離電源與電阻輸入端連接，電阻輸出端與光電I禹合器信號輸入端口連接，微處理器輸出信號與光電率禹合器的輸出端口連接；它是將來自微處理器系統(tǒng)6的PWM7 PWM8信號進行隔離放大后分別輸出至三相整流/逆變器3中電力電子器件T7 TlO的驅動端口，用于控制其通斷；該勵磁電流信號處理電路5-5的結構是由運放、電阻、電容和直流電源組成，其間關系是直流電源與運放的電源端口相連，電阻與運放的輸入、輸出信號端口連接，電容與運放的輸入信號端口連接；它是將輸入的較大的勵磁繞組電流進行隔離降低及電平變換后轉換為微處理器系統(tǒng)6可以識別的模擬信號；該位置反饋信號處理電路5-6的結構是由光電耦合器、電阻及直流隔離電源組成，其間關系是直流隔離電源與電阻輸入端連接，電阻輸出端與光電耦合器信號輸入端口連接，位置反饋信號與光電耦合器的輸出端口連接；它是將混合勵磁電機2上安裝的轉子位置傳感器輸出信號進行電平變換后轉換為微處理器系統(tǒng)6可以識別的輸入信號上述直流電源是指能夠提供直流15V、5V及3. 3V的電源；上述直流隔離電源是指具備電氣隔離的DC/DC變換器；上述運放的型號是0P27 ;上述光電耦合器的型號是HCPL4503。所述微處理器系統(tǒng)6以同時具備模擬、數(shù)字輸入端口和8路PWM數(shù)字輸出端口的單片機或DSP為核心，該單片機或DSP是TI公司2000系列芯片或Infineon公司C166系列芯片；該微處理器系統(tǒng)與信號處理電路相連接，它能夠通過信號處理電路接收母線電壓、母線電流、勵磁電流及位置反饋信號，也能輸出8路PWM數(shù)字信號用于驅動三相整流/逆變器和H橋中全控型電力電子器件。由電壓和電流傳感器檢測的母線電壓、勵磁電流和母線電流輸出信號分別通過信號處理電路5-1、5-5、5_2后送入微處理器系統(tǒng)6 ;由位置傳感器檢測出的混合勵磁電機2轉子位置信號，經(jīng)過位置反饋信號處理電路5-6后送入微處理器系統(tǒng)6用于確定轉子位置和轉速。在起動汽車發(fā)動機和發(fā)電過程中，微處理器系統(tǒng)6根據(jù)母線電壓、電流和轉子位置信息確定輸出PWMl PWM6，然后通過功率驅動信號處理電路5-3后驅動三相整流/逆變器3中主功率器件Tl T6的通斷。同時，進一步根據(jù)勵磁電流信號，微處理器系統(tǒng)6輸 出的PWM7 PWM8通過勵磁驅動信號處理電路5-4驅動H橋4中功率器件T7 TlO的通斷。本實施例中的功率變換器，適用于三相交流電機起動/發(fā)電系統(tǒng)，尤其適用于混合勵磁電機起動/發(fā)電系統(tǒng)。
權利要求1.一種車用混合勵磁起動/發(fā)電一體化電機功率變換器，其特征在于它含有儲能部件，混合勵磁電機，三相整流/逆變器，H橋，信號處理電路以及微處理器系統(tǒng)；三相整流/逆變器和H橋相級聯(lián)，三相整流/逆變器的輸入、輸出分別與儲能部件、混合勵磁電機的三相繞組連接，H橋的輸出與混合勵磁電機的勵磁繞組相連；信號處理電路的輸入分別與母線電壓傳感器、母線電流傳感器、勵磁電流傳感器、電機轉子位置傳感器以及微處理器系統(tǒng)的PWM端口相連接；信號處理電路的輸出分別與三相整流/逆變器中全控型電力電子器件的信號驅動端口、H橋中全控型電力電子器件的信號驅動端口以及微處理器系統(tǒng)的模擬及數(shù)字輸入端口相連接； 所述儲能部件是蓄電池或電容，或由二者共同組成； 所述混合勵磁電機是交流電機，分時工作于電動狀態(tài)或發(fā)電狀態(tài)； 所述三相整流/逆變器是由全控型電力電子器件構成的電能轉換及傳輸裝置； 所述H橋是由全控型電力電子器件構成的勵磁電流調節(jié)裝置； 所述信號處理電路是由母線電壓信號處理電路、母線電流信號處理電路、功率驅動信號處理電路、勵磁驅動信號處理電路、勵磁電流信號處理電路和位置反饋信號處理電路部分組成，它們之間是彼此獨立電路；該母線電壓信號處理電路由運放、電阻、電容和直流電源組成，直流電源與運放的電源端口相連，電阻與運放的輸入、輸出信號端口連接，電容與運放的輸入信號端口連接；該母線電流信號處理電路由運放、電阻、電容和直流電源組成，直流電源與運放的電源端口相連，電阻與運放的輸入、輸出信號端口連接，電容與運放的輸入信號端口連接；該功率驅動信號處理電路由光電耦合器、電阻和直流隔離電源組成，直流隔離電源與電阻輸入端連接，電阻輸出端與光電耦合器信號輸入端口連接，微處理器輸出信號與光電I禹合器的輸出端口連接；該勵磁驅動信號處理電路由光電I禹合器、電阻和直流隔離電源組成，直流隔離電源與電阻輸入端連接，電阻輸出端與光電耦合器信號輸入端口連接，微處理器輸出信號與光電耦合器的輸出端口連接；該勵磁電流信號處理電路由運放、電阻、電容和直流電源組成，直流電源與運放的電源端口相連，電阻與運放的輸入、輸出信號端口連接，電容與運放的輸入信號端口連接；該位置反饋信號處理電路由光電耦合器、電阻和直流隔離電源組成，直流隔離電源與電阻輸入端連接，電阻輸出端與光電耦合器信號輸入端口連接，位置反饋信號與光電耦合器的輸出端口連接；上述直流電源是指能夠提供直流15V、5V及3. 3V的電源；上述直流隔離電源是指具備電氣隔離的DC/DC變換器；所述微處理器系統(tǒng)以同時具備模擬、數(shù)字輸入端口和8路PWM數(shù)字輸出端口的單片機或DSP為核心，該單片機或DSP是2000系列芯片或C166系列芯片，該微處理器系統(tǒng)與信號處理電路相連接。
專利摘要一種車用混合勵磁起動/發(fā)電一體化電機功率變換器，它含有儲能部件，混合勵磁電機，三相整流/逆變器，H橋，信號處理電路以及微處理器系統(tǒng)；三相整流/逆變器和H橋相級聯(lián)，三相整流/逆變器的輸入、輸出分別與儲能部件、混合勵磁電機的三相繞組連接，H橋的輸出與混合勵磁電機的勵磁繞組相連；信號處理電路的輸入分別與母線電壓傳感器、母線電流傳感器、勵磁電流傳感器、電機轉子位置傳感器以及微處理器系統(tǒng)的PWM端口相連接；信號處理電路的輸出分別與三相整流/逆變器中全控型電力電子器件的信號驅動端口、H橋中全控型電力電子器件的信號驅動端口以及微處理器系統(tǒng)的模擬及數(shù)字輸入端口相連接。本實用新型在車用控制裝置范圍內(nèi)有實用價值。
文檔編號H02P27/08GK202602592SQ20122014690
公開日2012年12月12日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權日2012年4月9日
發(fā)明者才豐, 于波 申請人:北京巨磁源電機有限公司