Результат интеллектуальной деятельности: СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОР АВТОМОБИЛЯ

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и выработке электроэнергии на автомобиле.

В качестве аналогов предлагаемого устройства известны объединенные (совмещенные) стартер-генераторы (СГ) для автомобилей «Тойта-Краун» (см., например, [1] «Поверь в гибрид». - Журнал «За рулем» №6, 2002. - с.72-73), выполненные в виде навесной электромашины, соединенной с бензиновым двигателем внутреннего сгорания, широким плоским ремнем. В таком стартер-генераторе имеются недостатки, присущие ременной передаче, - износ и обрыв ремня, необходимость периодического обслуживания, а также недостатки, обусловленные незащищенностью конструкции от пыли и влаги.

Известен также бесконтактный стартер-генератор, обмотки которого закреплены на корпусе двигателя, а ротором является маховик двигателя (см., например, [2] «В новый век без стартера». - Журнал «За рулем», №9, 1998. - с.58). В такой конструкции устраняются недостатки известных СГ, связанных с наличием ременной передачи, и конструкция СГ защищена от пыли и влаги. Недостатками данного устройства являются: проблематичность обеспечения равномерного воздушного зазора по окружности между пакетом статора с обмотками и магнитами из-за того, что установочные базы обмоток на корпусе ДВС и маховика с магнитами на фланце коленвала разные и не привязаны между собой; возможность залипания (с ударом) маховика с магнитами на фланце коленвала; не обеспечивается наиболее эффективное использование массы СГ с точки зрения получения максимального момента с единицы массы и недостаточная эффективность характеристик и технологичность конструкции СГ.

В качестве прототипа выбрано устройство стартер-генератора (патент RU №2265133 С1), содержащее вентильную электромашину с управляющим контроллером, постоянные магниты, установленные на маховике двигателя, и обмотки статора, закрепленные на картере двигателя. Маховик двигателя установлен с возможностью перемещения относительно пакета и обмоток статора вдоль оси коленвала. Пакет статора с обмотками установлен на картере двигателя посредством диска соосно с маховиком и коленвалом. А плоскость диска параллельна плоскости маховика. При этом на выходе стартер-генератора введен высоковольтный преобразователь напряжения, управляющий вход которого связан с управляющим контроллером через регулятор напряжения.

I. Недостатками устройства прототипа являются:

1. «Прямой» пуск стартер-генератора в режиме запуска ДВС. При прямом пуске статорные обмотки СГ через инвертор подключаются на полное напряжение источника питания - аккумуляторную батарею. Известно, что прямой пуск неблагоприятен для питающей сети, при ограниченной мощности аккумуляторной батареи на ней падает напряжение, что нарушает работу других потребителей. К недостаткам этого способа пуска следует отнести также нерациональный расход емкости аккумуляторной батареи из-за значительной неравномерности тока, низкий КПД (до 35%) (см., например, [3] Электрооборудование летательных аппаратов. Т.2; учебник для вузов / под ред. С.А. Грузкова. - М.: Издательство МЭИ. - 2008. - §8.3.2; стр.266-268). Следует также отметить, что при прямом пуске из-за большой частоты вращения происходит мгновенная выборка люфтов в зацеплениях редукторов коробки перемены передач автомобиля, что сопровождается значительными ударными нагрузками на его элементы. Предлагаемый регулируемый пуск СГ устраняет указанные недостатки - при этом обеспечивается выбор люфтов в редукторе коробки перемены передач при малой частоте вращения и плавное, безударное сцепление вала СГ с вращающимися соединениями запускаемого ДВС, что ведет к уменьшению динамических нагрузок, повышению ресурса безотказной работы, т.е. в целом приводит к повышению эксплуатационных свойств как стартер-генератора, так и устройств, обеспечивающих запуск ДВС.

2. Постоянные времени стартер-генератора как электрической машины не скомпенсированы. Это приводит к низким показателям в динамических режимах работы: перерегулированию, большому времени переходного процесса при пуске ДВС, что в целом приводит к увеличению времени запуска ДВС.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение ресурса безотказной работы при одновременном снижении энергопотребления в стартерном режиме работы устройства. Эта цель достигается тем, что: стартер-генератор автомобиля, содержащий вентильную электрическую машину с управляющим контроллером с датчиками положения ротора, постоянные магниты, установленные на маховик двигателя и статор с обмотками, закрепленный на картере двигателя снабжен пропорционально-интегральным регулятором скорости, вход которого соединен с выходом устройства сравнения, на входы которого подаются сигналы с задатчика угловой скорости вращения и обратной связи по скорости с выхода измерителя угловой скорости вращения ротора, вход которого подключен к одному из выходов датчика положения ротора, а выход пропорционально-интегрального регулятора скорости соединен с аналоговым входом управляющего контроллера, на выходе стартер-генератора введен стабилизатор напряжения, выход которого подключен к аккумуляторной батарее, причем пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости настраивают на компенсацию эквивалентной механической постоянной времени стартер-генератора при работе в стартерном режиме.

Техническая сущность предложенного изобретения поясняется электрическими схемами, изображенными на фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4. Работа СГ поясняет структурная электрическая схема, изображенная на фиг.1, где обозначено:

1. вентильная электрическая машина (электрическая машина с магнитоэлектрическим возбуждением), работающая как в генераторном, так и в стартерном режимах;

2. трехфазный мостовой инвертор;

3. выпрямительный диод;

4. аккумуляторная батарея;

5. датчик положения ротора;

6. управляющий контроллер;

7. стабилизатор напряжения;

8. задатчик угловой скорости вращения;

9. измеритель угловой скорости вращения ротора;

10. устройство сравнения;

11. пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости;

12. сглаживающий фильтр;

13. выключатель стартера замка зажигания;

14. блок предварительной обработки и получения заданного закона управления стартер-генератором.

Перечисленные устройства выполнены следующим образом:

Задатчик угловой скорости вращения 8 выполнен в виде резистивного делителя напряжения, питающегося от аккумуляторной батареи 4 при включении выключателя стартера замка зажигания 13, при этом напряжение с одного из плеч делителя подается на один из входов устройства сравнения. Измеритель угловой скорости вращения ротора 9 выполнен по схеме, аналогичной схеме электронного тахометра автомобиля, на вход которого подается сигнал с датчика положения ротора (ДПР) 5. Датчик положения ротора 5 содержит три датчика Холла, расположенных под углом 120°. Устройство сравнения 10 выполнено в виде операционного усилителя с резистором в цепи обратной связи, на один неинвертирующий вход которого подается напряжение с задатчика угловой скорости вращения 8, на другой инвертирующий вход - напряжение с выхода измерителя угловой скорости 9, а выходное напряжение устройства сравнения подается на вход пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости 11. Пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости 11 выполнен на базе операционного усилителя, в цепи обратной связи которого включены последовательно соединенные резистор R_oc и конденсатор С_ос, вход которого соединен через резистор с выходом устройства сравнения, а выход пропорционально-интегрального регулятора скорости подключен к аналоговому входу управляющего контроллера 6, причем пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости настраивается на компенсацию эквивалентной механической постоянной времени стартер-генератора при работе в стартерном режиме. Задатчик угловой скорости вращения 8, измеритель угловой скорости вращения ротора 9, устройство сравнения 10, пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости 11 образует блок предварительной обработки сигнала с датчика положения ротора и получения заданного закона управления стартер-генератором 14 в режиме пуска (фиг.2). Управляющий контроллер 6 включает в себя аналого-цифровой преобразователь, аппаратный ШИМ и имеет аналоговый вход и цифровые входы и выходы, и управляет переключением ключей в инверторе, то есть переключением обмоток СГ в зависимости от сигналов ДПР 5.

Стабилизатор напряжения 7 выполнен как импульсный регулятор напряжения релейного типа и может включать в себя силовой ключ, обратный диод и силовой дроссель, работающий в диапазоне частот 20÷40 кГц, с релейным элементом в схеме управления с гистерезисной характеристикой.

Устройство работает следующим образом.

При замыкании выключатель стартера замка зажигания 13 система регулирования формирует на входе управляющего контроллера 6 сигнал запуска стартерного режима работы СГ. Ток с аккумуляторной батареи 4 через выпрямительный диод 3 и трехфазный мостовой инвертор 2 подается на статорные обмотки вентильной электрической машины 1. При этом в зависимости от положения ротора управляющим контроллером 6 формируются программно-реализованные сигналы распределителя импульсов, промодулированные ШИМ напряжением с выхода пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости вращения СГ, которые включают ту или иную пару силовых ключей инвертора. Требование безударного запуска вентильного двигателя в режиме пуска ДВС находится в согласии с требованием повышения эксплуатационных свойств СГ. С этой целью устройство снабжено пропорционально-интегральным регулятором угловой скорости вращения 11, вход которого соединен с выходом устройства сравнения 10, на входы которого подаются сигналы с задатчика угловой скорости вращения 8 и измерителя угловой скорости вращения ротора 9, вход которого подключен к датчику положения ротора 5, а выход пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости 11 соединен с аналоговым входом управляющего контроллера 6. Получение безударного и энергетически малозатратного запуска вентильного двигателя осуществляется за счет широтно-импульсного регулирования напряжения, подводимого к обмоткам статора СГ. Программно реализованный распределитель импульсов получает широтно-модулированный сигнал с выхода пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости 11 и в зависимости от положения ротора включает ту или иную пару силовых ключей трехфазного мостового инвертора 2, на время, зависящее от величины напряжения на выходе пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости 11. При этом среднее напряжение на обмотках СГ прямо-пропорционально зависит от величины напряжения на входе пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости 11.

Под действием вращающего момента СГ коленчатый вал ДВС раскручивается и при достижении угловой скорости вращения, равной величине (200÷300) мин^-1, происходит запуск ДВС, который увеличивает угловую скорость вращения до оборотов холостого хода порядка (800÷1000) мин^-1. С ростом угловой скорости вращения ротора, при ω≥ω_уст работа ШИМ прекращается и управляющий контроллер 6 закрывает ключи трехфазного мостового инвертора 2, а вентильная электрическая машина 1 переходит в генераторный режим работы, трехфазный мостовой инвертор 2 при этом работает в режиме трехфазного мостового выпрямителя. Напряжение на выходе трехфазного выпрямителя становится больше напряжения бортовой сети автомобиля, равного U_АКБ(U_Г>U_АКБ). При этом стабилизатор напряжения 7 (импульсный регулятор напряжения релейного типа) преобразует напряжение с выхода генератора, стабилизирует его до величины напряжения бортовой сети и подает его в бортовую сеть автомобиля, заряжая при этом частично разряженную аккумуляторную батарею 4.

Для получения удовлетворительной динамики запуска ДВС необходимо рассмотреть синтез регулятора угловой скорости. Рассматриваемый стартер-генератор на базе вентильной электрической машины, в стартерном режиме работы является бесконтактным двигателем постоянного тока (БДПТ) (см., например, [4] Авдолоткин Н.П., Гращенков В.Т. Лебедев Н.И. Управляемый бесконтактный двигатель постоянного тока - Л.: Энергоатомиздат. - 1984, стр.3-8). При синтезе регулятора угловой скорости БДПТ может быть заменен эквивалентным двигателем постоянного тока (ДПТ) (см., например, [5] Герман - Галкин С.Г. Matlab&Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. - Спб.: КОРОНА-Век, 2008, стр.362-364, рис.9.58; стр.247-248).

Выделим функциональную схему системы регулирования на фиг.1, которая включает: задатчик угловой скорости вращения 8, измеритель угловой скорости вращения ротора 9, осуществляющий обратную связь по угловой скорости вращения ротора вентильной электрической машины 1, устройство сравнения 10, пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости вращения 11, управляющий контроллер 6, содержащий ШИМ-регулятор, трехфазный мостовой инвертор 2, вентильную электрическую машину 1, работающую в стартерном режиме.

Настраивая контур на оптимум по модулю (ОМ), определим тип необходимого регулятора угловой скорости. Настройка на ОМ дает перерегулирование ω_вых величиной 4,3% при запасе по фазе 64°. Для реализации показателей желаемая передаточная функция разомкнутого контура должна быть:

При представлении объекта регулирования вентильной электрической машины при работе в стартерном режиме двумя апериодическими звеньями имеем передаточную функцию W_6-2-1 [5]:

где T₁, Т₂ - электромагнитная и механическая постоянные времени стартер-генератора соответственно, причем Т₂>>T₁,

к_Е - коэффициент пропорциональности между величиной противо-ЭДС и угловой скоростью вращения эквивалентного ДПТ (e=к_Е·ω), является конструктивной постоянной;

к_ос - коэффициент передачи измерителя угловой скорости вращения ротора, характеризующий работу звена обратной связи по угловой скорости вращения.

Трехфазный мостовой инвертор 2, работающий в режиме ШИМ регулирования и управляемый от управляющего контроллера 6, считаем безынерционным звеном с коэффициентом к_ср:

При выборе T_m=T₁ определяется передаточная функция необходимого регулятора:

Из последнего соотношения видно, что для компенсации механической постоянной времени Т₂, которая определяется параметрами нагрузки стартер-генератора, а именно ДВС, необходим пропорционально-интегральный регулятор угловой скорости 11, схема которого представлена на фиг.3. Предлагаемый регулятор реализуется на операционном усилителе КР140УД12.

На фиг.4 видно, что выходное напряжение (U_вых) пропорционально-интегрального регулятора угловой скорости реагирует на скачок входного напряжения (пропорциональное воздействие) не форсированно, а медленно линейно нарастает до напряжения насыщения (интегральная составляющая).

Таким образом, предлагаемые технические решения обладают новизной и предназначены для повышения быстродействия управления при одновременном повышении ресурса безотказной работы и снижении энергопотребления в стартерном режиме работы СГ.