CN101050729A - 与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统及其调节方法 - Google Patents

Abstract

与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统及其调节方法，系统包括电机、伺服驱动器、控制单元等。电机外转子与发动机轴直连；内转子轴为本系统输出轴。内外转子轴上分别安装位置传感器和速度/位置传感器接伺服驱动器。内外转子其一嵌有永磁磁极，另一为与伺服驱动器连接的绕组。伺服驱动器接直流母线。伺服驱动器接控制单元。其控制方法为控制单元按燃油发动机转速、预存的发动机最佳效率曲线转速扭矩关系数据向伺服驱动器提供扭矩设定值，伺服驱动器对电机加载相应扭矩，调整燃油发动机工作点；发动机动能一部分通过电磁耦合以机械能送给外负载，另一部分发电送入直流母线。本发明能提高发动机效率和动能传递效率，特别适用于油电混和动力车。

Description

与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统及其调节方法

(一)技术领域

本发明涉及电机伺服系统及其调节方法，具体为一种与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统及其调节方法。

(二)背景技术

研究表明燃油发动机存在一条最佳效率运行曲线，若输出相同的机械功率，该曲线上的工作点效率最高，即获得的相同的机械能量消耗燃油最少。燃油发动机输出相同的功率可有多个乘积相等的不同转速和扭矩的组合，按最佳效率运行曲线的转速和扭矩组合运行，即可节能。因此依据燃油发动机的转速及最佳效率曲线的规律提供相应的扭矩设定值，通过加载装置将该扭矩设定值施加到燃油发动机轴上即可调整其工作点达到节能的目的。因此，要求加载装置能独立于外负载并准确、快速给发动机加载扭矩设定值，以调整工作点。另一方面还能将燃油发动机动能高效地传递给外负载。

目前纯燃油动力机构通常是采用有级变速或连续变速器通过调整变速比实现变矩的，即通过改变外负载折合到燃油发动机轴上的扭矩比例从而调节施加于发动机轴的扭矩，以调整发动机工作点。但因燃油发动机与外负载直接关联，加上现有的变速装置响应慢等因素，这类加载和变矩方式不易按最佳效率运行曲线要求的规律匹配扭矩，不易调整燃发动机工作点，燃油化学能转为机械能整体效率不高。

油电混合动力机构为了充分利用燃油化学能，引入发电机、电动机、储能单元等，目的为通过发动机、发电机、电动机的组合驱动，调整发动机工作点。

油电混合动力机构串联式的方案是通过安装于燃油发动机输出轴上的发电机将其动能全部转化为电能，经控制器调节，一部分电能用于驱动电动机带动传动轴，另一部分电能存储于蓄电池。蓄电池通过电动机也可驱动传动轴。此类油电混合动力机构的动力结构使发动机和负载隔离，发动机工况不受负载运行的影响，控制发电机的工作点即可按最佳效率曲线的要求给燃油发动机施加相应的扭矩，进而调节燃油发动机的工作点，使之运行于油耗低的高效率点。但燃油发动机功率传递的发电——用电过程中，能量有双重损失，因为发电机和电动机的效率都不可能是100％。假设发电机和电动机的效率都高达90％，则经过动能转化为电能、电能再转化为动能的转换过程，仅有81％的能量送达动力车的运动系统。再考虑到燃油发动机在低速运行时发电机及电动机的效率将更低，以及发电机发出的电能存入蓄电池和电动机从蓄电池取用电能时的能量损耗等因素，总的能量传送效率还要大打折扣。

油电混合动力机构并联式的方案中燃油发动机与电机通过联轴器共同驱动负载，电机工作在四象限状态，通过调整电机参与驱动和发电的程度来减少或增加施加到燃油发动机轴的扭矩、调节其工作点，达到节能的目的。由于燃油发动机转速仍随负载速度变化，通过电机调节发动机的工作点效果有限，燃油发动机难以工作于最佳效率状态，节能效果打折扣。

串并联混合式动力结构虽综合了串联式和并联式的特点结构更复杂、控制更复杂，成本也更高。

因此如何高效率地利用燃油化学能，即使燃油发动机高效产生机械动能、且机械动能高效传递和利用是目前油电混合动力机构研究的重点。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统及其调节方法，按发动机最佳燃油效率运行要求的扭矩值实施对燃油发动机加载以调节其工作点使消耗等量燃油获得更大的机械动能；同时，使燃油发动机的部分机械动能直接送达负载，即不经动能——电能——动能转换直接驱动负载，燃油发动机其余的机械动能转换为电能，提高动能传递的总体效率。

本发明设计的与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统包括电机、伺服驱动器、控制单元、直流母线、储能和用电单元。所述电机为永磁同步伺服电机、或开关磁阻电机、或无刷直流电机。电机由内外两个转子构成，其外转子与燃油发动机轴直连，外转子轴为本系统输入轴，内转子轴为本系统的输出轴。外转子和内转子二者其一嵌有永磁磁极，另一个为绕制在铁芯上的绕组，嵌有永磁磁极的为另一个提供磁场，绕组通过集电环与伺服驱动器连接。电机的外转子轴上安装速度/位置传感器，该速度/位置传感器连接伺服驱动器和控制单元。电机的内转子轴上安装位置传感器，该位置传感器也连接伺服驱动器。伺服驱动器连接直流母线，直流母线一般接储能单元和用电单元。控制单元连接伺服驱动器，控制单元内部存有发动机最佳经济运行线的转速-扭矩关系表或曲线，并根据燃油发动机转速向伺服驱动器提供扭矩设定值。伺服驱动器内存储有电机驱动电流与扭矩设定值及电机内外转子相对位置的关系数据。

本发明与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统的调节方法为：

燃油发动机工作时，本系统的电机外转子随之同步转动，伺服驱动器根据控制单元提供的扭矩设定值并通过外转子的速度/位置传感器和内转子的位置传感器获得内外转子的相对位置信号，通过集电环向电机内转子或外转子的绕组动态输出相应的电流矢量、对电机进行扭矩伺服控制，使电机对燃油发动机的轴施加与发动机轴转向相反的相应扭矩。发动机轴承受的扭矩取决于电机施加的扭矩，与外负载无直接关联，当控制单元由速度/位置传感器获得当前发动机的转速、按预存的发动机最佳经济运行曲线的转速-扭矩关系表或曲线求取当前转速的匹配扭矩、并以此向伺服驱动器提供设定扭矩，即可按相同的规律给燃油发动机施加扭矩，使发动机处于最佳工作点。由于作用力与反作用力的关系，在外转子受到内转子电磁扭矩时，内转子也受到同样大小、与发动机轴转向相同的反作用扭矩，内转子的输出轴同时也对最终负载输出同样大小的扭矩，输出机械能量。

当伺服驱动器控制电机对燃油发动机轴施加扭矩T(N.m，牛米)时，发动机轴的旋转速度为N₁(rpm，转数/分钟)，电机外转子从燃油发动机获得的机械功率P₁＝T×N₁/9550(kW，千瓦)，9550为单位换算系数。当电机内转子向外转子施加与外转子转动方向相反的力矩时，外转子也同时向内转子施加大小相等、方向相反的力矩，即此时内转子同时受到T(N.m)的电磁扭矩，方向与外转子旋转方向相同。若内转子轴转动的转速为N₂(rpm)，则内转子轴对外输出的机械功率P₂＝T×N₂/9550(kW)，此功率是本系统控制过程中从燃油发动机经外转子和内转子的电磁耦合直接透过的机械功率，称为透过功率。透过功率无任何衰减，100％地送达最终负载。电机外转子从燃油发动机获得的机械功率一部分为内转子输出的机械功率，另一部分用于发电。电机用于发电的功率P₃＝P₁-P₂＝T×(N₁-N₂)/9550(kW)，电机用于发电的功率乘以电机及伺服驱动器的综合效率η₁即为电机输出到直流母线的电功率P₄＝η₁×T×(N₁-N₂)/9550(kW)。当此部分电功率全部被综合效率为η₂的另一电动机吸收转化为机械能驱动外负载，则可得到的机械功率P₅＝P₄×η₂＝η₂η₁×T×(N₁-N₂)/9550(kW)，在此方案下，外部负载获得的总驱动功率Po＝P₂+P₅＝T×N₂/9550+η₂η₁×T×(N₁-N₂)/9550(kW)＝η₁η₂P₁+(1-η₁η₂)P₂

若采用常规的发电-储能-用电的驱动方式，在发动机输出同样的机械功率P₁、经过综合效率也是η₁发电机发电、全部电能被综合效率也是η₂电动机用于驱动外负载，则外负载获得的机械功率为η₁η₂P₁。采用本发明后，由于透过功率的存在，负载侧将比采用常规技术方案多获得(1-η₁η₂)P₂的额外功率。

本发明的与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统及其调节方法优点在于：

1、燃油发动机的部分机械功率不经衰减100％送达负载侧，其余部分机械功率按常规发电效率转变为电能，因而总的效率远高于传统的发电-储能-用电方式。在上述计算例中，发动机动能转为电能和外负载机械能的效率η₀＝(P₂+P₄)/P₁＝η₁+(1-η₁)N₂/N₁，提高了(1-η₁)N₂/N₁；发动机动能转为外负载机械能的效率η＝(P₂+P₅)/P₁＝η₂η₁+(1-η₂η₁)N₂/N₁，提高(1-η₂η₁)N₂/N₁。

2、本发明的系统及其调节方法还可以对燃油发动机的负载扭矩进行独立的伺服控制，调整燃油发动机工作点使转速与扭矩与最佳效率曲线上的要求符和，以获得更好的燃油利用率。

3、由于本系统及其调节方法可以调节透过功率和发电功率的比例，因而当直流母线上存在另一用电装置时，可以综合控制本系统电机的发电能量和用电装置的用电量，使得电机发出的电能正好等于用电装置的用电量，从而使得本系统所发出的电能不经过蓄电池充电、放电，直接使用，避免蓄电池等储能装置在储能和放电过程中的损耗，进一步提高了能量传递效率。

(四)附图说明

图1本与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统实施例结构示意图。

图中标记为：1燃油发动机，2发动机轴，3速度/位置传感器，4外转子，5内转子，6集电环，7输出轴，8位置传感器，9储能单元，10用电单元，11直流母线，12伺服驱动器，13控制单元

(五)具体实施方式

本发明与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统实施例如图1所示，包括电机、伺服驱动器12、控制单元13、直流母线11，直流母线11上还连接储能单元9和用电单元10。所述电机为永磁同步伺服电机、或开关磁阻电机、或无刷直流电机。电机的外转子4与燃油发动机1的轴2直连；该电机的内转子5的轴为本系统的输出轴7；本例是用于油电混合动力车，输出轴7通过传动机构与车的差速器连接。电机的外转子4上安装速度/位置传感器3，该速度/位置传感器3连接伺服驱动器12和控制单元13。电机的内转子5轴上安装位置传感器8，该位置传感器8连接伺服驱动器12。外转子4内嵌永磁磁极，内转子5为绕制在铁芯上的绕组，外转子4为内转子5提供磁场，内转子5绕组通过安装在同一轴上的集电环6与伺服驱动器12连接。伺服驱动器12连接直流母线11，直流母线11接储能单元9和用电单元10。伺服驱动器12连接控制单元13，伺服驱动器12内存储有电机驱动电流与扭矩设定值及电机内外转子5、4相对位置的关系数据，控制单元13根据燃油发动机1转速、内部存储的发动机最佳效率运行曲线上的转速-扭矩关系数据，向伺服驱动器12提供扭矩设定值。

用电单元10为另一电动机、和/或其它用电装置。

速度/位置传感器3和位置传感器8可以用一个速度传感器和一个相对位置传感器代替。速度传感器安装于外转子4的轴1上，连接控制单元13；相对位置传感器安装于内外转子5、4之间，直接测量得到外转子4和内转子5的相对位置，连接伺服驱动器12。

本发明与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统实施例的调节方法为：燃油发动机1工作时，本系统的电机外转子4随之同步转动，伺服驱动器12通过外转子4的速度/位置传感器3和内转子5的位置传感器8获得内外转子5、4的相对位置，根据内外转子5、4的相对位置及控制单元13提供的扭矩设定值T并按其所存储的两者与驱动电流关系数据通过集电环6向电机内转子5的绕组动态输出相应的电流矢量并进行扭矩伺服控制，使电机对外转子4即燃油发动机1的轴2施加与发动机轴转向相反的相应扭矩T，内转子5与外转子4所受到的电磁扭矩大小相等方向相反，内转子5的输出轴7同时对车的传动轴输出同样大小、与发动机轴转向相同的扭矩T，输出机械能量。发动机的轴2通过内外转子5、4的电磁力耦合向输出轴传递扭矩，其扭矩大小等于伺服驱动器12的设定值。

伺服驱动器12是扭矩伺服器，它施加给发动机的扭矩T始终跟随控制单元提供的扭矩给定值。若控制单元13由速度/位置传感器3获得当前发动机的转速、按预存的发动机最佳效率运行曲线的转速-扭矩关系数据求取当前转速的匹配扭矩、并以此向伺服驱动器12提供扭矩设定值，则可将发动机承受的扭矩调整为期望值，即可调整发动机工作点在最佳效率曲线上。

当伺服驱动器12控制电机对燃油发动机1的输出轴2施加与外转子4旋转方向相反的扭矩T(N.m)时，发动机轴2旋转速度为N₁(rpm)，电机外转子4从燃油发动机1获得的机械功率P₁＝T×N₁/9550(kW)。此时内转子5同时受到方向与外转子4旋转方向相同的电磁扭矩T(N.m)。内转子5轴的转速为N₂(rpm)。则内转子5轴对外输出的机械功率，即透过功率P₂＝T×N₂/9550(kW)。

当N₂＝N₁，燃油发动机1的机械功率全部经内外转子5、4的电磁耦合无损耗地传递到传动轴侧。

当N₂＜N₁，电机外转子4从燃油发动机1获得的机械功率一部分经内转子5无损耗地输出到传动轴侧，剩余部分用于发电。电机用于发电的功率P₃＝P₁-P₂＝T×(N₁-N₂)/9550(kW)，电机用于发电的功率乘以电机及伺服驱动器12的综合效率η₁即为电机输出到直流母线的电功率P₄＝η₁×T×(N₁-N₂)/9550(kW)。

本系统的调节方法按当前发动机转速和最佳效率曲线要求的转速-扭矩关系调节施加给发动机的扭矩，同时也调节电机透过功率和发电功率的比例，电机和伺服驱动器12发出的电能送到直流母线11上提供给用电单元10和储能单元9。综合调节电机和伺服驱动器12的发电量和用电单元10的用电量，使两者相等，电机和伺服驱动器12所发电能全部经直流母线11直接提供给用电单元10，使本系统电机所发出的电能不经过蓄电池充电、放电，直接使用，避免蓄电池等储能装置在储能和放电过程中的损耗。

Claims (5)

1、一种与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统，包括电机、伺服驱动器、控制单元、直流母线，其特征在于：

所述电机为永磁同步伺服电机、或开关磁阻电机、或无刷直流电机；电机的外转子(4)与燃油发动机(1)轴(2)直连；该电机的内转子(5)轴为本系统的输出轴(7)；电机的外转子(4)的轴上安装速度/位置传感器(3)，该速度/位置传感器(3)连接伺服驱动器(12)和控制单元(13)；电机的内转子(5)轴上安装位置传感器(8)，该位置传感器(8)连接伺服驱动器(12)；外转子(4)和内转子(5)二者其一嵌有永磁磁极，另一个为绕制在铁芯上的绕组，绕组通过集电环(6)与伺服驱动器(12)连接；伺服驱动器(12)连接直流母线(11)；伺服驱动器(12)连接控制单元(13)，伺服驱动器(12)内存储有电机驱动电流与扭矩设定值及电机内外转子(5、4)相对位置的关系数据；控制单元(13)根据燃油发动机(1)转速、内部存储的发动机最佳效率曲线的转速-扭矩关系数据，向伺服驱动器12提供扭矩设定值。

2、根据权利要求1所述的与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统，其特征在于：

所述直流母线(11)接储能单元(9)和/或用电单元(10)。

3、根据权利要求1所述的与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统的调节方法，其特征在于：

所述系统的电机外转子(4)与燃油发动机(1)的轴同步转动，伺服驱动器(12)通过外转子(4)的速度/位置传感器(3)和内转子(5)的位置传感器(8)获得内外转子(5、4)的相对位置，根据内外转子(5、4)的相对位置和控制单元(13)提供的扭矩设定值、按其所存储的两者与驱动电流关系数据通过集电环(6)向电机内转子(5)或外转子(4)的绕组动态输出相应的电流矢量并进行扭矩伺服控制，通过外转子(4)对燃油发动机(1)的轴(2)施加相应的扭矩，发动机的轴(2)通过内外转子(5、4)的电磁力耦合向输出轴(7)传递扭矩，其扭矩大小等于燃油发动机(1)的轴(2)所受的负载扭矩；电机内转子(5)的输出轴(7)对外负载输出机械能量，同时伺服驱动器(12)将发出的电送入直流母线(11)。

4、根据权利要求3所述的与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统的调节方法，其特征在于：

燃油发动机(1)工作时，电机外转子(4)随其轴同步转动，伺服驱动器(12)控制电机对燃油发动机(1)的轴(2)施加与外转子(4)旋转方向相反的扭矩T牛米时，发动机轴(2)旋转速度为N₁转/分钟，电机外转子(4)从燃油发动机(1)获得的机械功率P₁＝T×N₁/9550千瓦；此时内转子(5)同时受到方向与外转子(4)旋转方向相同的电磁扭矩T牛米，内转子(5)轴的转速为N₂转/分钟，则内转子(5)轴对外输出的透过功率P₂＝T×N₂/9550千瓦；

当N₂＝N₁，燃油发动机(1)的机械功率全部经内外转子(5、4)的电磁耦合无损耗地传递到传动轴侧；

当N₂＜N₁，电机外转子(4)从燃油发动机(1)获得的机械功率一部分经内转子(5)无损耗地输出到传动轴侧，剩余部分用于发电；电机用于发电的功率P₃＝P₁-P₂＝T×(N₁-N₂)/9550千瓦，电机用于发电的功率乘以电机及伺服驱动器(12)的综合效率η₁即为电机输出到直流母线电功率P₄＝η₁×T×(N₁-N₂)/9550千瓦。

5、根据权利要求3所述的与燃油发动机配套的能量分配式伺服系统的调节方法，其特征在于：所述直流母线(11)连接储能单元(9)和/或用电单元(10)，输送到直流母线(11)的电能经直流母线(11)存储于储能单元(9)，或者直接送入用电单元(10)。

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