具有无刷起动机马达的系统的总线电压稳定的制作方法

动力传动系统可以包括内燃机，其响应于加速请求而产生发动机转矩。所产生的发动机转矩可以经由变速器(例如，行星齿轮装置或变速箱)传输到联接负载。在一些动力传动系统配置中，电机的转子选择性地联接到发动机，其中来自电机的马达转矩用于将发动机加速到阈值速度。来自电机的马达辅助可以被限于支持例如在发动机自动起动事件期间的发动机的发动和起动功能，其中此类应用中的电机被称为起动机马达。

技术实现要素：

本文公开了一种用于结合动力传动系统或其它系统使用的电起动机系统，所述其它系统具有内燃机、直流(dc)电压总线、交流(ac)电压总线和功率逆变器模块(pim)，所述功率逆变器模块电连接到所述dc电压总线与所述ac电压总线之间。所述电起动机系统包括多相/ac无刷起动机马达，其电连接到所述ac电压总线。所述无刷起动机马达可响应于所请求的发动机起动事件而选择性地连接到所述发动机。作为所述电起动机系统的一部分，连接到所述dc电压总线的电传感器输出指示所述dc电压总线的电压电平的信号。

控制器与上述电起动机系统内的所述电传感器通信。所述控制器利用电压稳定逻辑来编程，所述电压稳定逻辑包括比例积分(pi)转矩控制回路。特别是当所述dc电压总线的所述电压电平小于校准的最小电压时，响应于所请求的发动机起动事件而执行所述电压稳定逻辑使所述控制器使用所述pi转矩控制回路来确定所述无刷起动机马达的起动转矩。所述控制器还向所述无刷起动机马达传输转矩命令以使所述无刷起动机马达将所需的起动转矩传输到所述发动机。如本文所述，所需的起动转矩具有限制到所述无刷起动机马达的涌入电流使得所述dc电压总线的所述电压电平保持高于所述校准的最小电压的值。

在没有本文公开的改进的情况下，所述起动机马达可以在发动机起动事件期间汲取高涌入电流，其中来自所述起动机马达的马达转矩被利用并用于发动和起动所述发动机。涌入电流可能导致dc电压总线上的非期望电压降，这是本领域中称为“电压骤降”的状况。例如，在汲取1000安培(a)的系统中，发动机起动事件可能在500毫秒(ms)至600毫秒(ms)内产生约900a的涌入电流，其中从标称12伏(v)至15伏(v)辅助电平有约为5v的相应dc电压骤降。此类明显的电压骤降本身可以表现为灯闪烁或用于辅助电压驱动控制单元或车辆、发电厂或使用所公开的动力传动系统的其它系统内的其它辅助部件的各种复位动作。

因此，所述控制器被配置为使用反馈控制，特别是所述pi转矩控制回路，其中测量的总线电压用作反馈变量。所述控制器通过经由限制起动机马达的最大输出功率主动地控制dc总线电压来执行所述的电压稳定功能。以此方式，所述控制器能够将所述dc电压总线维持等于或高于校准的阈值电压，例如8.5v。

所述起动机马达可以包括转子，并且所述发动机可以包括飞轮。在此类实施例中，所述电起动机系统可以包括螺线管和小齿轮，其中所述螺线管连接到所述转子并且所述小齿轮连接到所述螺线管。所述螺线管被配置为响应于所请求的发动机起动事件而使所述小齿轮平移成与所述飞轮啮合接合。

所述dc电压总线的最大电压电平可以是13v，其中在该示例性实施例中所述校准的最小电压在8v至9v之间。

在示例性13v最大电压实施例中，所述控制器可以将所述dc电压总线的电流水平限制为约500a，使得所述总线电压保持高于所述校准的最小电压。

所述控制器可以被配置为产生或命令所述pim和所述起动机马达的脉冲宽度调制以实现调整后的请求转矩。

根据可能的方法，所述控制器使用一对转矩-速度模型用于ac无刷起动机马达和参考/假设刷式起动机马达。转矩-速度模型接收无刷起动机马达的当前速度并且为无刷起动机马达和参考/假设刷式起动机马达输出相应的最大转矩能力。所述逻辑的转矩限幅器块限制所述无刷起动机马达与所述刷式起动机马达的最大转矩容量之间的转矩命令。

本文还公开了一种用于稳定上述dc电压总线上的所述总线电压的方法。所述方法包括使用电传感器来确定所述dc电压总线的所述电压电平，然后使用所述控制器将所述电压电平与校准的最小电压进行比较。所述方法还包括响应于所述测量的电压电平小于所述校准的最小电压而使用所述pi转矩控制回路来确定所述起动机马达的马达转矩，并且还将所述马达转矩作为命令的起动转矩传输到所述起动机马达，由此发动和起动所述发动机。所命令的起动转矩具有在所述起动事件期间限制到所述起动机马达的涌入电流使得所述dc电压总线的所述电压电平保持高于所述校准的最小电压的值。

本文还公开了一种动力传动系统，根据示例性实施例，所述动力传动系统包括发动机、dc和ac电压总线、pim、多相/ac无刷起动机马达、电传感器和上述控制器。

所述动力传动系统可以包括联接到所述发动机的变速器，所述变速器具有联接到所述变速器的驱动桥并具有联接到所述驱动桥的负载。在此类实施例中，来自所述发动机的转矩通过所述变速器和驱动桥传递到所述负载。所述负载可以可选地被体现为机动车辆的驱动轮。

以上概述不旨在表示本公开的每个实施例或方面。相反，前述发明内容举例说明了本文所述的某些新颖方面和特征。从以下结合附图和所附权利要求进行的本发明的代表性实施例和模式的详细描述中，本公开的上述和其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是具有多相/交流(ac)无刷起动机马达和直流(dc)电压总线的示例性动力传动系统的示意图，所述电压总线的电压电平被测量并使用本文所述的控制方法经由转矩反馈回路进行主动稳定。

图2分别是dc电压总线和无刷起动机马达的代表性电气和速度性能值的曲线图，其中电流和电压消耗描绘在垂直轴上并且起动机马达的速度描绘在水平轴上。

图3是描述可结合图1的示例性动力传动系统使用的电压稳定方法的实施方案的示意性逻辑流程图。

图4是可由图3的电压稳定方法使用的转矩-速度表，并且描绘了无刷起动机马达和参考刷式起动机马达的代表性转矩和速度性能，其中转矩描绘在垂直轴上并且起动机马达的速度描绘在水平轴上。

图5是描述用于稳定图1中所示的动力传动系统内的dc电压总线上的电压的方法的示例性实施例的流程图。

本公开易受修改和替代形式影响，其中代表性实施例在附图中以示例的方式示出并在下面详细描述。本公开的创新方面不限于所公开的特定形式。相反，本公开旨在涵盖落入由所附权利要求限定的本公开的范围内的修改、等同物、组合和替代。

具体实施方式

本文描述了本公开的实施例。各种实施例是本公开的示例，根据本公开，本领域一般技术人员可以想到其它替代形式的实施例。图式不一定按比例绘制。某些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，在本文公开的具体结构和功能细节并不解释为限制，而仅仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本公开的代表性基础。如本领域一般技术人员还将理解的，参考给定的一个附图示出和描述的特征可以与一个或多个其它附图中示出的特征组合以便产生未明确示出或描述的实施例。因此，所示特征的组合用作典型应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实施方案，可能需要与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。

参考附图，其中相同的附图标记在若干附图中指代相同或相似的部件，图1示意性地示出了动力传动系统10。该动力传动系统10包括电起动机系统12，其联接到内燃机(e)20并且包括控制器(c)50和/或经由所述控制器来控制。如上所述，控制器50被配置为在多相/交流(ac)无刷电机(下文称为起动机马达(mbl)18)的转矩操作的整体控制中执行电压稳定方法100。因此，起动机马达18的转矩反馈控制由控制器50执行，以便如下所述地调节dc电压总线15的电压电平。

发动机20(例如，汽油或柴油发动机)最终将发动机转矩输出到输出轴24。输出轴24例如经由液力变矩器或离合器(未示出)联接到变速器(t)22。变速器22最终以特定挡位或速度比将输出转矩传递到变速器输出构件25。输出构件25继而经由一个或多个驱动桥28驱动联接的负载，其中在示例性汽车应用中，负载在图1中被描绘为一组驱动轮26。可以设想用于动力传动系统10的其它有益应用，所述应用包括发电厂、机器人、移动平台和非机动车辆应用，诸如船只、船舶、轨道车辆和飞机，因此图1的机动车辆实施例旨在示出所公开的概念且没有限制。

发动机20包括联接到飞轮32的曲轴31。当发动机20未运转时，诸如在发动机20处于怠速时节省燃料的自动停止事件之后或者在发动机20关闭的情况下进行巡航时，可以响应于来自控制器50的起动机控制信号(箭头ccs)而对电起动机系统12通电以便选择性地将马达转矩(箭头tm)传递到飞轮32。用于实现此类目的的一种可能配置是使用螺线管(s)21。螺线管21可以设置在起动机马达18的转子19与轴延伸部190之间，其中齿轮减速装置(未示出)可能位于转子19与螺线管21之间。起动机马达18的位置传感器36(例如，霍尔效应传感器、倍频旋转编码器、电感传感器或磁阻传感器)可以用于测量和输出转子19的角位置(箭头p19)，其中控制器50可以使用所述角位置来在下面描述的方法100的范围内确定转子19的位置和速度。

在可能的实施例中，当螺线管21响应于起动机控制信号(箭头ccs)而通电时，螺线管21将小齿轮33线性地平移到33a处所指示的位置，因此与飞轮32上的配合齿或花键和/或与其连接的齿轮元件直接啮合接合。一旦发动机20已经起动并以足以维持其加油和内燃过程的速度运行，就停止起动机控制信号(箭头ccs)。结果，螺线管21断电。然后，例如经由螺线管21的回复动作，小齿轮33被推动脱离与飞轮32的接合。小齿轮33的此类双向平移能力在图1中通过双头箭头ss表示。

图1的示例性电起动机系统12可以包括或可以连接到直流(dc)电池组14，例如具有正(+)和负(-)端子的多电池锂离子、镍金属氢化物或铅酸电池组。电起动机系统12可以包括功率逆变器模块(pim)16，其经由dc电压总线15(例如在可能的实施例中为12vdc至48vdc总线)电连接在电池组14的正(+)和负(-)端子上，以及连接到多相/交流(ac)电压总线17。虽然为了说明简单性起见而从图1中省略，但是pim16包括半导体开关对(例如，mosfet)和信号滤波电路部件，所述半导体开关对经由dc电压总线15连接到正(+)和负(-)端子，所述信号滤波电路部件讲来自电池组14的dc功率最终转换为ac电压总线17上的多相功率。

继而，ac电压总线17电连接到起动机马达18内部的单独相绕组。起动机马达18可以被配置为使得校准的反电动势(bemf)产生给定的性能范围，例如，在6000rpm下为3v至5v，或者产生其它值，所述其它值确保足够的马达转矩(箭头tm)可用于起动发动机20，例如，在dc电压总线15的参数内为5nm至7nm，例如，在下面使用的示例性8.5v阈值中不小于标称9v操作。起动机马达18可以不同地被配置为不限于表面永磁电机、内部永磁电机、拖杯形感应电机、开关磁阻电机或另一种类型的无刷马达。如本文所认识到的，诸如起动机马达18等无刷马达可以享受延长的工作寿命，相对于某些刷式马达改进了速度控制精度水平，以及其它可能益处。

图1的控制器50被配置为稳定并保持dc电压总线15上的至少最小dc电压电平，例如8v至9v，因此需要精确的电压数据以确保在发动机20的自动起动功能期间对起动机马达18进行响应转矩控制。至少一个电传感器11位于dc电压总线15上。电传感器11可以被配置为具有电隔离输入和数字输出的单线或多线dc电压传感器。替代地，电传感器11可以是电流传感器，其中控制器50使用测量的电流来计算dc总线电压。测量的电压、电流和/或其它合适的电气值用作到控制器50的一组输入信号(箭头cci)的一部分。

控制器50可以不同地被实施为一个或多个控制装置，其共同管理来自示例性电起动机系统12内的起动机马达18的马达转矩(箭头tm)，其中控制器50根据方法100使用电压稳定逻辑50l来执行该任务。多个控制器可以经由串行总线(例如，控制器局域网(can))或经由分立导体进行通信。控制器50可以包括：一个或多个数字计算机，每个数字计算机具有处理器(p)，例如微处理器或中央处理单元；以及只读存储器、随机存取存储器、电可编程只读存储器等形式的存储器(m)；高速时钟、模数转换和数模转换电路、输入/输出电路和装置，以及适当的信号调节和缓冲电路。控制器50还可以在存储器(m)中存储算法和/或计算机可执行指令，其包括体现下面描述的方法100的基础算法或代码，并且所述控制器将命令传输到电起动机系统12以使得能够执行根据本公开的某些控制动作。

控制器50与发动机20通信并且接收指示发动机20的速度和温度的信号以及其它可能的发动机工况或参数作为输入信号(箭头cci)的一部分。此类参数包括发动机20的起动请求，无论是操作员发起的还是自主产生的。控制器50还与起动机马达18通信，因此接收指示当前速度、电流消耗、转矩、温度和/或其它操作参数的信号。控制器50还可以与电池组14通信并且接收指示电池充电状态、温度和电流消耗以及相应的dc电压总线15和ac电压总线17上的电压的信号。除了经由起动机控制信号(箭头ccs)向起动机马达18传输转矩请求之外，控制器50也可以将输出信号(箭头cco)作为控制器50的整个操作功能的一部分传输到发动机20和变速器22。

参考图2，性能迹线55示出了在图1的发动机20的起动事件期间的涌入电流和电压骤降。迹线55包括用于起动机马达18的相应总线电压vbl和流入电流迹线ibl。相应迹线vb和ib描述了起动机马达18的类似尺寸的假设参考刷式实施例的电气性能。如本领域一般技术人员所明白的，术语“涌入电流”是指当起动机马达18在起动事件期间接通时由起动机马达18汲取的最大瞬时浪涌电流。对于刷式起动机，目前在dc电压总线15上的全电压电平通常施加到机器的端子，其中电流仅仅受机器电阻的限制。

当机器电阻低时，可以从电池组14快速汲取几乎1000a的电流，这继而导致总线电压在0rpm时下降或骤降到5v，如迹线vb所指示。对于ac无刷起动机马达18，控制器50使用脉冲宽度调制(pwm)技术或其它合适的开关控制技术，以便调节总线电压。因此，供应给起动机马达18的电流可以从0a开始并且随着起动机马达18的速度增加而迅速增加。在起动机马达18达到特定阈值速度(例如1500rpm)之后，由迹线ibl指示的电流超过迹线ib的相应电流的大小，即，无刷起动机马达18在相对于尺寸相当的刷式对应物的更高速度下产生更多功率。

电压稳定逻辑50l如图3中示意性地描绘般可以由图1的控制器50使用来实施方法100。通常，控制器50使用逻辑50l来监控图1的dc电压总线15上的总线电压，其中测量的总线电压(箭头vs)用作输出转矩命令(箭头tcc)的转矩控制回路内的反馈变量。转矩命令(箭头tcc)最终控制起动机马达18的转矩操作，其中图1的起动机控制信号(箭头ccs)包括转矩命令(箭头tcc)。即，转矩命令(箭头tcc)是由图1的控制器50传输到起动机马达18的电控制信号，所述电控制信号例如被传输到起动机马达18的马达控制处理器(未示出)并且最终用于向动力传动系统10的pim16和/或其它功率逆变器结构产生门控信号。

电压稳定逻辑50l的输入(所述输入是图1的控制输入(箭头cci)的一部分)包括所需转矩(箭头tr)、直接由来自图1的电传感器11的测量值测量或导出的所测量的总线电压(箭头vs)、校准的最小电压(箭头vcal)以及二进制/位值零(0)。如本文中所使用的，术语“所需转矩”是用于分别在正常工作温度和总线电压状况下(例如约80℃至100℃和12v至15v)起动机马达18的校准的理想转矩值。校准的最小电压(箭头vcal)是预定值，例如对于图1的dc电压总线15上的12v至15v辅助电压电平，所述预定值为9v。

在减法节点40处，从测量的总线电压(箭头vs)中减去校准的最小电压(箭头vcal)，其中差值被馈送到关系运算器块51中。然后，块51将来自节点40的差值与0进行比较并确定哪个值更大。因此，如果测量的总线电压(箭头vs)大于最小电压(箭头vcal)，则传递到图1的起动机马达18的转矩命令(箭头tcc)是所需转矩(箭头tr)的原始/未调整值。

然而，当测量的总线电压(箭头vs)小于最小电压(箭头vcal)时，电压稳定逻辑50l使用比例积分(pi)控制逻辑来调整所需转矩(箭头tr)以确保图1的dc电压总线15的电压电平保持高于最小电压(箭头vcal)。为此，逻辑开关52将零(0)或节点40的输出馈送到积分器块58中，为了清楚起见，所述积分器块被标记，并且馈送到标记为“kpv”的比例增益块54中。来自比例增益块54的比例增益(p相)和来自积分器块58的积分项(i项)被馈送到相应的饱和块53和153，每个饱和块对比例项和积分项应用合适的上限和下限。饱和块153的滤波/限制输出被馈送到为了增加清晰度而标记为“kiv”的积分增益块56中。然后，在第一求和节点42处将积分增益块56的输出相加，并将所述输出馈送到第二求和节点142。

第二求和节点142接收所请求的转矩(箭头tr)连同积分增益块56的输出。基于上述pi逻辑的输出，即，块42、52、53、54、56和153，在节点142处向上调整所请求的转矩(箭头tr)。逻辑开关152输出两个值之一，即，转矩请求(箭头tr)或经pi调整的转矩请求(箭头tr*)，其中逻辑开关152的输出被馈送到转矩限幅器块62中。

电压稳定逻辑50l还包括分别用于起动机马达18和上述参考/假设刷式起动机马达的一对起动机马达转矩-速度模型60和160。两个起动机马达模型60和160都接收起动机马达18的当前速度(箭头n18)，例如，由图1的位置传感器36所报告的和/或经由控制器50所计算的。

简要地参考图4的性能迹线70的集合，转矩-速度模型60和160可以分别被体现为无刷和刷式性能迹线tbl和tb。迹线tbl对应于起动机马达18的转矩能力。迹线tb对应于参考刷式起动机马达的转矩能力。在0rpm至1000rpm的示例性速度范围内，起动机马达18的转矩能力保持为比参考刷式起动机相对更高的速度，例如，在1000rpm下仍然保持在4.5nm左右。响应于测量的转子速度(箭头n18)，转矩-速度模型60和160在给定的持续时间(1-d)或相应的速度范围内输出相应的转矩能力t(u)。因此，转矩限幅器块62用于限制由逻辑开关152输出的转矩值，因此将由电压稳定逻辑50l最终产生的转矩命令(箭头tcc)限制在起动机马达18的最大转矩容量与参考刷式起动机马达的最大转矩容量之间。

图5是用于在发动机20的起动事件期间自动地稳定图1的dc电压总线15上的总线电压的方法100的示例性实施例。从步骤s102开始，电传感器11将dc电压总线15上的电压电平确定为总线电压(vs)，并将总线电压报告给控制器50。然后，方法100进入步骤s104。

在步骤s104处，控制器50例如使用存储在控制器50的存储器(m)中的比较器逻辑将在步骤s102中测量的总线电压(vs)中捕获的dc电压总线15上的电压电平与校准的最小电压vcal)进行比较。当测量的总线电压(vs)超过校准的最小电压(vcal)时，控制器50执行步骤s105。当检测到相反结果时，即，当vs>vcal时，控制器50改为执行步骤s106。

步骤s105包括通过作为转矩命令(箭头tcc)传递图3的请求转矩(箭头tr)，并进入步骤s108。

步骤s106需要以上述方式使用电压稳定逻辑50l的pi转矩回路部分调整图3的请求转矩(箭头tr)。然后，方法100进入步骤s108。

在步骤s108处，控制器50使用请求转矩(tr)或使用经pi调整的请求转矩(tr*)来控制起动机马达18的转矩操作，其中请求转矩(tr)或经pi调整的请求转矩(tr*)是起动机马达18的马达转矩，所述起动机马达最终将被命令发起和起动发动机20。即，如果在步骤s104处确定测量的总线电压(vs)超过校准的最小电压(vcal)，则步骤s108包括使用原始请求转矩(tr)作为通过起动机马达18提供给发动机20的命令起动转矩，而步骤s104的相反判定导致使用经pi调整的请求转矩(tr*)用于同一目的。

因此，步骤s108可能需要将两个马达转矩值之一(即，请求转矩(tr)或经pi调整的请求转矩(tr*))作为转矩命令(图3的箭头tcc)传输到起动机马达18，由此命令起动机马达18发起和起动。转矩命令(箭头tcc)具有限制到起动机马达18的涌入电流使得dc电压总线15上的电压电平保持高于校准的最小电压(vcal)的值。脉冲宽度调制(pwm)或其它半导体开关技术可以结合起动机马达18和/或pim16使用，以根据转矩命令(箭头tcc)限制马达转矩(图1的箭头tm)。在执行该步骤时，控制器50可以被配置为将dc电压总线15上的电流水平限制为例如约500a(即，±10％)，使得总线电压保持高于校准的最小电压(vcal)。

因此，上述方法100可以用于帮助消除在使用诸如起动机马达18等ac无刷起动机的发动机起动事件期间来自图1的dc电压总线15的过高的涌入电流。控制器50在使用图3的示例性电压稳定逻辑50l执行方法100时因此能够采用dc电压总线15的有源电压控制，以便将dc电压总线15保持等于或高于校准的最小电压(vcal)而不会牺牲起动机马达18的性能。

虽然已经详细描述了一些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所公开的实施例进行修改。此外，本概念明确地包括所描述的元素和特征的组合和子组合。详细描述和附图是对本教导的支持和描述，本教导的范围仅由权利要求限定。