CN1044369A

CN1044369A - 具有可选择输入功率限幅的变速恒频起动系统

Info

Publication number: CN1044369A
Application number: CN89108550.5A
Authority: CN
Inventors: 格里高里·I·罗兹曼; 阿尔伯特·L·马库纳斯
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1988-11-14
Filing date: 1989-11-14
Publication date: 1990-08-01
Also published as: JPH03502398A; US4949021A; IL92247A0; WO1990006016A1

Abstract

一种发动机起动控制系统。它操纵一台发电机作为同步电动机并利用输入功率限幅。电动机接收来自控制单元控制的主变换器和激励变换器的电能。控制单元提供输入功率限幅及励磁减弱范围内的恒定功率特性，它包括-PMW发生器响应电压指令和换向角指令产生控制起动变换器中开关的开关信号。电压指令用于改变PMW信号频宽比。换向角信号用于控制PMW信号时限。除换向角控制外，起动控制系统利用励磁减弱控制获得恒定功率特性。

Description

本发明涉及电力系统，更具体地说，涉及一个双模式控制系统，它包括一个运行的发生模式和一个起动模式。

传统的电力系统利用一台同步发电机产生交流电。具体地说，这种发电机可包括一个转子和一个带有线圈的定子。在实际应用中，例如在飞机上，转子由一台发动机驱动而在定子线圈中产生电能，由于发动机速度的变化，发电机绕组中所产生的电的频率同样会变化。这种频率变化的电通过一种变速恒频系统（VSCF）转变成恒频电，这种VSCF系统包括一台电力变换器，它能产生400Hz、115/200的交流电。这种常规的变换器由一个发电机/变换器控制单元（GCCU）控制。

为使飞机发动机能起动，这种电力系统使一台发电机工作如一台电动机。具体说，将一个外接电源通过一起动控制器连到发电机上给定子线圈加电压，进而产生动力来起动该发动机。这种起动控制器所需的部件增加了飞机的重量并占据了宝贵的空间。为了最大限度地减小这种起动控制器的体积及重量，某些已知的飞机VSCF电力系统利用现有的变换器和GCCU进行起动控制。

在运行的起动模式中，变换器可由任何400Hz的电源供电。例如，由一个辅助发电机或一个外接电源供电。然而，每一个这样的电源都会有一个用于发动机起动的不同的可用功率。因此，GCCU必须配置得能够利用任何这样的可用电源使发动机起动并限制被提取的电量。

在起动飞机发动机之前，如果发动机在自转，也需提供一种制动动作。因而，GCCU起动系统必须在发动机自转的情况下使发动机起动。

此外，发电机控制单元必须在运行的起动模式工作中使发动机能平稳起动，以达到应有的速度，此时再转入运行的发生模式。

本发明旨在克服上述问题。

根据本发明，利用一个无刷直流电机的起动控制系统来维持恒定的电机电流并进而控制输入功率。

概括地说，本发明公开了一种用于无刷直流电机的起动控制系统，该电机具有一个转子和一个带线圈的定子，线圈由一直流电源提供电压进行控制，此直流电源确定一正直流电压和一负直流电压以使转子获得转动。控制系统包括敏感转子转动位置的装置，及耦合于直流电源和定子线圈之间用于根据转子的转动位置交替提供正、负电压给定子线圈的开关装置。还包括产生代表所需定子电流值的定子电流参考信号的装置，以及发生代表定子线圈实际流入电流的实际定子电流信号。控制装置与产生装置、生产装置及开关装置相连，以根据期望和实际定子电流值之差来修正正、负电压加到线圈上的旋转位置，从而提供恒流起动。

具体地说，本发明所公开的起动系统利用一无刷同步发电机工作为电动机来起动一发动机，该电机从一起动变换器和一激励变换器获得电力，这些变换器由一控制单元控制，该控制单元在励磁减弱的范围内提供电流控制及恒定功率特性。

控制单元包括一脉宽调制（PWM）发生器，它响应一电压指令和一换向指令产生用于控制起动转换器中开关的开关信号。电压指令是一相应于转子转速的电压加上一用以补偿低速时电机的电压（IR）降的升高电压的电平。电压指令用于改变PWM信号的频宽比。

为了产生换向角指令信号，用一选择逻辑电路选择功率误差和电流误差中的较低者。功率误差代表输入功率和功率参考值之差，而电流误差代表电机定子电流和参考值之差。所选误差被送到一补偿单元，该单元对高于一最小运行速度的速度进行比例积分。所得信号与一最小换向角相加并在被送至PWM发生器之前被限幅。

在一起动周期的开始，换向角维持不变而电压增加以加速电机旋转，当速度超过某一最小选定值时，充许换向角指令信号变化。具体说，在相对低速时，进行恒定转矩运行。这时，功率误差大而电流误差小。因此，利用闭环电流控制调整换向角并维持恒流。当速度高于恒定转矩和恒定功率间的突变点时，电机励磁减弱，换向角指令信号改变以提供恒定电流和恒定功率。

根据本发明，如果输入功率超过功率参考值，则通过控制与功率误差相应的换向角提供输入功率限幅。

具体地说，本发明的一个特征是，根据电源的最大功率选择输入功率参考信号以便根据输入功率要求进行输入功率限幅。

本发明的另一特征是，起动系统包括允许发动机在自转情况下起动的装置。

一种发动机起动系统除包括具有恒定转矩和恒定功率模式的电机传动外，还有另一特征，即能提供运行的制动模式和反向制动模式，运行模式根据转子速度而定，制动模式用于在发动机反向旋转的自转过程中起动。起动变换器用于短路电机电枢提供制动功能，运行的反向制动模式在制动模式和电机传动模式之间建立一个过渡。具体地说是把电压指令和换向角指令定为一个常数。

本发明的另一个特征是，电机在单位功率因数下运行以避免过大的无功功率流，这种无功功率流会在电机和变换器中产生热损耗。具体说，在运行的恒定功率模式中减少励磁激励的幅度以满足归一化功率因数的要求。因此，在励磁激励减弱的范围内提供恒定功率特性。

本发明的其它特征和优点从说明书和附图中能很容易地看出。

图1是装有本发明起动系统的电力系统的方框示意图;

图2是包括一用于运行的发生模式和起动模式的控制系统的电力系统的原理方框图;

图3是详细说明运行的起动模式的控制系统方框图;

图4是说明图3起动变换器的示意图;

图5是一系列曲线，表示根据本发明的起动控制，各电机运行参数的所期望的速度关系;

图6是图3的发电机-换器控制单元（GCCU）的详细方框图;

图7和图8是一系列曲线，表示例如电机起动运行的电机参数;

图8是与图3类似的方框图，代表本发明的另一实施方案;

图9是图8GCCU的详细方框图。

首先参看图1，电力系统10包括一主发电机12，一向主发电机12提供励磁电流的交流励磁机14，以及一永磁发电机（PMG）16，它们都由一发动机18通过一公共主轴20驱动。

GCCU22接收由PMG产生的电力并向励磁机14的励磁线圈26送一个控制电流，象传统的无刷电力系统一样，发动机18驱动主轴20旋转导致在励磁机14的电枢线圈28中产生多相电压，这一多相电压由一整流电桥30整流，整流后的电力被耦合到主发电机12的励磁线圈32上。励磁线圈32中的电流和主轴20的旋转在主发电机定子绕组34所处的空间中产生一旋转磁场。定子线圈34产生多相输出功率，此功率通过一包括至少三个导体38a、38b、38c的主传输线路38送至变换器36。

在典型应用中，发动机18是一架飞机的主发动机，变换器36是一VSCF系统的一部分，该系统由GCCU22控制用于向一交流主传输线40传送恒频功率以驱动飞机的负载（未示出）。

在发动机起动时，利用主发电机工作为电动机来起动发动机18。具体说，主发电机12接收来自变换器36的功率，变换器36由GCCU22控制。为简单起见，在运转的起始模式时，主发电机12被当作电动机。

参看图2，电力系统10以更详细地以方框图的形式示出。

变换器36包括一AC/DC变换器42，它通过一直流连线44与一DC/AC变换器46相连。具体说，根据本发明所示的实施方案，AC/DC变换器42包括一传统接线的全波桥式整流电路，它用于将三相交流功率转换成直流功率，直流连线44包括一常规滤波器，DC/AC变换器46包括一主变换器电路，将在下面参照图4详细说明。变换器36还包括一激励变换器48，它与直流连线44相连，以在运行的起动模式中为电机励磁产生交流功率。

整流器42的交流侧与变换器输入继电器（CIR）的动触头50相连。继电器CIR还包括第一和第二固定触头51和52。第二固定触头52通过滤波电路54和发电机母线继电器（GBR）56与交流母线40相连。第一固定触头51与发电机继电器（GR）的第一固定触头57相连。GR继电器还包括一个动触头58和第二固定触点59。动触头58与主发电机12相连，即与图1所示的线圈34相连。第二固定触头59与变换器输出继电器（COR）的第一固定触头60相连。COR继电器还包括一个动触头61和第二固定触头62。动触头61与主变换器46的输出相连。第二固定触头62通过输出滤波器64与滤波电路54相连。COR继电器还包括第一和第二励磁控制开关65和66。第一开关65将激励器励磁线圈26连接到GCCU22。第二开关66将激励变换器48接到激励器14的交流起动励磁线圈67。具体说，激励器14在零速度时，不能提供主发电机（电动机）12的绕线励磁。因而，利用激励变换器48和起动励磁线圈67作为旋转变压器。即，传送给激励器交流励磁线圈67的交流功率在电枢线圈28上产生相应的交流功率来激励电机励磁线圈32。

在发动机起动过程中，继电器GR，CIR和COR的动作如图2中实线所示。相反，在发生模式中，这些继电器GR、CIR和COR的动作如图2虚线所示。

虽然示出继电器GR、CIR和COR只提供单线连接，但正如已知的那样，每个继电器都备有适当的开关，来切换三相电。

GCCU22包括一速度变换器68，它通过线70接收来自转子位置传感器72的转子位置信号，该传感器与主发电机12相连。位置传感器72可以是一个常规分解器。转子位置信号70也被传送到主变换器控制器74。速度变换器68也可象公知的那样完成微分运算以将转子位置转换成速度。主变换器控制器还在线76上接收来自速度变换器68的速度信号。主变换器控制器74在线88上产生基本驱动指令以控制变换器46。激励变换器控制器78还在线76上接收来自速度变换器68的速度信号并在线80上接收来自激励变换器电流传感器79的起动激励器电流信号。激励变换器控制器78在线90上产生基本驱动指令以驱动激励变换器48的开关。

在运行的发生状态中，利用虚线所示继电器GR、CIR和COR的触头，主发电机12产生的三相功率通过GR的动触头58，第一固定触点57，CIR第一固定触头51动触头50传送到整流器42。整流器42将三相交流功率转换成直流功率，直流功率通过直流线路44传送至变换器46，该变换器将此功率变成恒频交流功率。变换器46变出的恒频交流功率通过CIR的动触头61送至第二固定触头62，再通过输出滤波器64和滤波器54送至交流母线40。激励器14通过第一励磁控制开关65产生励磁功率。

在运行的起动状态，控制继电器GR、CIR和COR，使其触头位于图示实线位置。具体说，交流母线40与任何可用电源相连。交流功率通过滤波器54，CIR的第二固定触头52和动触头50传送到整流器42。整流器将交流电压整流，并通过直流线44传送到主变换器46，并在主变换器中变成交流功率。主变换器46的交流功率通过COR的动触头61和第一固定触点60，而后通过GR的第二固定触头59和动触头58送至主发电机/电动机12的定子线圈中。送到主发电机12的励磁功率是由激励变换器48通过第二COR励磁控制开关66提供的。

现参看图3，方框图更详细地示出了根据本发明的电力系统10在前述运行的起动模式下的工作情况，电源82与整流器42耦接，整流器42通过直流线滤波器44与主变换器46和激励变换器48相连。输入功率检测器83检测来自电源82的输入功率，并产生一输入功率电平信号通过线84传给GCCU22。GCCU22还从线85上接收来自电流检测器86的电枢电流信号，该电流检测器86可以是一个电流变换器，它检测由主变换器46到电机12的电流。GCCU22还从线70上接收来自转子位置传感器72的位置信号，并从线80上接收电流检测器79的激励电流信号。如上所述，GCCU在线88上产生一基本驱动指令给主变换器46，在线90上产生一基本驱动指令给激励变换器48。

参看图4，图4示出主变换器46的另一种电路。具体地说，变换器46是一个具有6个功率开关电路S₁-S₆的电压源变换器。这6个功率开关以一三相电桥形式连接。每一功率开关由一与之相联的基本驱动电路B₁-B₆驱动。基本驱动电路B₁-B₆按常规方式由线88上来自GCCU22的信号驱动。开关电路S₁-S₆连接在直流连线滤波器44的正电压线和负电压线之间。主发电机12的三相电枢线圈34分别由线38a、38b和38c连至串联开关电路对S₁-S₆之间的节点92a、92b和92c。中性线94在接于直流连线滤波器44两端的滤波电容C₁和C₂间的节点处与主发电机12相连。

虽然没示出激励滤波器48，但它可具有与图4所示主变换器46基本一样的结构。另外，也可象公知的那样，将其它电路用于主变换器46和激励变换器48。

参看图5，图5中的一系列电机参数曲线表示根据本发明对起动模式进行控制时的理想电机运行情况。具体说，起动模式包括运行的4种控制模式，即：1）制动，2）反向制动，3）恒定转矩电机传动，4）恒定功率电机传动。

制动模式出现于发动机主轴20反向自转时，见图1。正如下面将详细说明的那样，当速度在比W₁还负时，电动机电枢线圈34被短路以提供制动效应。电枢电流由励磁电流的一预定值限幅，该励磁电流在速度W₂以下保持恒定，然后即与速度成反比地上升。反向制动是制动模式与电机传动模式间的过渡，出现在速度W₁和零之间。励磁电流被减小以进行恒定转矩运行，电枢电压增加。换向角（下面将详细讨论）保持恒定，并选择它以提供可接受的定子电流。换向角代表相位超前，它是所加励磁和转子位置之间的角。

恒定转矩电机传动模式出现在零速度和速度W₃之间。在这种模式中，恒定转矩是通过维持气隙通量不变获得的。气隙能量是通过加恒定励磁电流和维持电枢电压与速度比为常数而获得的。具体说，选择励磁电流以提供单位功率因数电动机运行。选择换向角来维持定子电机电流于一期望的恒定值。详细地说，功率是转矩与速度的积和所加电压与电流的积的函数。通过维持一恒定V/Hz比，转矩作为电流的函数变化。因此，如果电流保持恒定，则转矩也即为常数。

在基本速度（1.OP.U.）以外，电机以恒定马力模式运行，最大转矩随V/Hz的减小而减小。调整励磁以在机器端口维持单位功率因数。如果电机不是在单位功率因数下运行，电流就重新在电机线圈中流动，且因此而是无功的。同时，无功功率流在电机和变换器中产生热损耗。为维持单位功率因数，就要减少励磁电流。这通常被称作励磁减弱，这是与恒定功率运行相关联的。然而，减少励磁电流，转矩则随速度变化的平方而减少。为补偿这种减少，就要增大换向角。通过尽快起动变换器开关，即所谓的造成相位超前，建立一领前于转子的磁场。改变换向角，能实现相位超前的变化，从而导致转矩角的相似变化。因而，通过控制换向角，及利用减弱励磁，电枢电流以至功率都可维持恒定。

上述运行的恒定转矩和恒定功率电机传动模式是利用图6方框图所示GCCU22，以及利用图2所示主变换器控制器74和激磁变换器控制器78获得的。

主变换器控制器74包括一脉冲宽度调制发生器（PWM）100。PMW100接收线70上的位置信号、线102上的电压指令及线104上的换向角指令。PWM发生器100将基本驱动指令导出，基本驱动指令通过线88传至主变换器46的基本驱动电路B₁-B₆，见图4。PMW发生器100可以是任何常规形式的。具体说，PMW发生器100通过改变PMW信号的频宽比产生基本驱动信号，以控制主变换器46的输出电压。频宽比与从线102上接收的电压指令成比例。变换器输出的基频由电机速度确定。输出波形与传感器72确定的转子位置同步，见图3。转子位置与变换器输出间的相位差根据线104上的换相角指令进行调整。

利用速度信号变换器68将线70上的转子位置信号转变成线76上的速度信号，在线102上建立电压指令。乘法器106将速度信号与方框108中的常数相乘。具体说，该常数代表所期望的V/Hz比。加法器110接收乘法器106的输出和来自方框111的常数V₀，V₀与提升电压成比例。提升电压用来补偿电机低速时的电压（IR）降。加法器110的输出是线102上的电压指令。

为在线104上建立换向角指令，选择逻辑电路112选择线114上的功率误差和线116上的电流误差中的较小值。功率误差由加法器118确定，加法器118从输入功率参考值120中减去由检测器83确定的线84上的输入功率，见图3。输入功率参考值120代表适于发动机起动的输入功率的预定理想极限。

线116上的电流误差由加法器122确定。加法器122从电动机电枢电流参考值126中减去由电流检测器86确定的（见图3）线85上的电动机电枢电流。选择电流参考值以在发动机起动过程中维持所期望的转矩。

选择逻辑电路112通过线128将两误差中的较低值传送给补偿单元130。对于速度高于某一选定最小运行速度的情况，补偿单元130利用一比例积分控制算法提供输入功率或电枢电流控制的稳定性。具体说，补偿单元接收来自速度比较器132的启动指令，速度比较器132将来自速度变换器68的速度信号与一个预定最小值比较。速度比较器132启动只在发动机转速高于某一选定最小值时才使用的闭环控制器。这防止了积分器的结束状态。而且，也希望在非常低速的情况下截止控制环，因为电流检测器86检测的电流可能不可靠。

补偿单元130的输出代表一所期望的换向角并被提供给加法器134。加法器134的另一个输入是根据电机参数选定的最小换向角CA。这是用于失速条件下和速度低于速度比较器132确定值时的换向角。高于这一速度时，换向角等于补偿单元130确定的值加上CA₀，加法器134的输出与一限幅功能部件136耦合，136向线104发出换向角指令。限幅功能部件136防止控制系统在不稳定区内运行，这种情况会发生在换向角指令超过最大角时。此最大角是速度和电机参数的函数。

激励变换器控制器78控制电机12中的励磁电流，通过改变PWM发生器138产生的PWM信号的频宽比控制该激励变换器控制器78。详细地说，PWM发生器138在线90上产生基本驱动指令信号来控制激励变换器48，见图3。频宽比与通过线139加在PWM发生器138上的电压参考值成比例。

激励变换器电流程序机140存贮一查找表。该查找表代表相对于电机速度的所期望的励磁电流，以维持图5曲线所表示的励磁电流。电流程序机140的输出被送到加法器142，加法器142减去线80上的由电流检测器79确定的励磁电流信号，（见图3），以在线144上产生一励磁电流误差。线144上的误差被提供给补偿单元146，该单元包括一比例积分算法，其输出是通过线139向PWM发生器138输送的电压参考值。

现在参考图5所示曲线说明图6所示GCCU12的运行情况。在运行的起动电机传送模式的开始，即速度为零时，由于补偿单元130被速度比较器截止，而且由于线102上的电压指令等于提升电压V₀，故线104上的换向角指令由常数CA₀确定。由程序机140确定的励磁变换器电流置于与选定常数相等的值，以维持曲线所示的励磁电流。PWM发生器100根据初始旋转位置开始产生给主变换器46的基本驱动指令。转子中建立的磁场与定子电流间的相互作用引起主发电机转子的运动。随着速度的增加，线104上的换向角指令开始保持常数，而线102上的电压指令根据方框108中所设的V/Hz比成比例地增加，以增加频宽比并使该电动机加速。当速度超过由速度比较器132确定的预选最小值时，允许线104上的换向角指令信号变化。在速度相对低时（低于W₃时），实行恒定转矩运行。具体地说，通过维持电枢电流恒定，保持转矩恒定。这是通过控制响应电流误差的线104上的换向角指令由闭环电流控制实行的。详细说，低速时，线114上的功率误差处于相对较高的值，而线116上的电流误差通常较低。因此，线128上的误差代表电流误差，闭环电流控制被用来调整换相角。

随着定子电压的增加并达到基本速度W₃，（见图5），变换器46利用来自直流连线44的全部直流电压。这样，在速度W₃时，起动运行变为恒定功率运行。

在运行的恒定功率模式中，控制换向角和励磁电流来维持单位功率因数和恒定功率。当速度高于W₃时，虽然线102上的电压指令继续增加，所加的电压被来自电源82的固定输入电压所限幅，主变换器被控制在方波运行状态。这样，所加电压就是常数。根据线116上的电流误差，通过控制换向角提供恒定功率。程序机140根据图5所示励磁电流曲线减小励磁电流参考值未控制励磁电流。

参看图7，一组曲线A-D以示例形式（见图6）示出了电力系统10在起动模式中的运行，其中，功率参考值120被设为比可从电源82获得的输入功率大的值。参看曲线A，以弧度为单位的换向角最初被设为值CA₀直到由比较器132确定的预选最小速度被超过。此后，如上所述换向角在闭环运行中得到控制。电动机相电流（示于曲线B）从实施闭环控制时就维持在一基本不变的电平上。该电机相电压（见曲线C）以V/Hz比确定的一个基本恒定的比率从零速度跃至基本速度W₃。随后，电压根据固定输入电压保持恒定。输入功率一般跟随电机相电压变化，见曲线D。具体说，在速度W₃以上处，输入功率由于固定输入电压和通过控制换向角维持的恒定电流而保持常数，如曲线A所示，换向角实质上与速度成比例地增大。这是由于励磁电流中反作用需要的减少，需要这样来维持单位功率因数。

曲线E-H以示例形式（见图6）示出电力系统10在起动模式中的运行，其中功率参考值120被设定为小于满足电机要求所需的输入功率值。这种情况是在电源82具有一个有限的用于起动发动机的容量时，或需要某些功率为其它飞机负载提供动力同时也要起动发动机时发生的。

起动运行最初与相对于曲线A-D所述的例子类似。然而，在速度W₄处，由功率检测器84确定的输入功率（见曲线H）超过输入功率参考值120。因此，闭环功率控制由选择逻辑电路112实施。见图6。随着PWM发生器100的频宽比被线102上的电压指令增加，电机相电压（见曲线G）继续随速度成比例地增加。但是，由于线114上的输入功率误差低于线116上的电流误差，故换向角（见曲线E）被减小以补偿该误差，並进而限制输入功率，从而导致电机电流的减小，见曲线F。在基本速度W₃处，电机相电压达到其峰值。其后象上例所述，通过控制换向角以维持恒定电流和恒定功率来实施恒定功率控制。

根据上述实施例，GCCU22使得在励磁减弱区内要提供的恒定功率特性成为可能。此外，根据可能的输入功率限制输入功率以有效地利用输入功率并展宽恒定输出特性。

参看图8，图8以方框图示出了根据本发明另一实施例构成的电力系统10′工作于运行的起动模式的情况。具体说，系统10′与前示参照图3所述的系统10相似，但进一步包括用于执行运行的制动模式和反向制动模式的部件，以及一闭环励磁电流控制装置。

为简单起见，与图3所示相同的元件使用同样的带撇号的标号表示。例如图8的主变换器46′与图3的主变换器46基本相同。因此，这些由带撇的标号所代表的元件在下面就不再详述了。

方框草图所代表的系统10′的主要区别是增加了一个常规的无功功率检测器200，它检测从主变换器46′至电机12′的无功功率。无功功率信号由线202传送至GCCU22′。

参看图9，方框图示出了对GCCU22′的控制。同上面一样，GCCU22′与图6的GCCU22基本相同。类似元件用带撇的相同号码表示。

GCCU22′的主要区别在于包括由分别由模式确定逻辑电路210驱动的第一、第二和第三模式选择开关204、206、208。每一开关204、206和208都是一个三位开关，其输出分别根据GCCU22′是否工作在马达传输模式，反向制动模式或制动模式与标号为M、P和B的三个输入之一相连。模式由模式确定逻辑电路210确定，210接收来自速度信号变换器68′的速度信号并能操作到控制开关204、206和208的位置。

第一开关204的输出是线102′上的电压指令。在马达传输模式中第一开关204将加法器110′耦合到线102′。在反向制动模式，第一开关204将包括恒定值V₁的方框212耦接到线102′。最后，在制动模式，第一开关将线102′与具有零值的方框214相连。

第二开关206的输出与带有换向角指令的线104′相连。在马达传输模式中，第二开关206将限幅功能块136′与线104′相连。在反向制动模式中，第二开关206将具有恒定值CA₁的方框与线104′相连。最后，在制动模式中，第二开关206将线104′与具有恒定值零的方框218相连。

第三开关208的输出与加法器142′的一个输入相连。在制动和反相制动模式中，第三开关208将加法器142′与补偿单元220相连，220具有与其输入相同的线116′上的电枢电流误差信号。在电机传输模式中，第三开关208将加法器142′与另一补偿单元222耦合，222具有与其输入相同的线202上的无功功率信号。

GCCU22′的工作情况如下。

制动模式发生在发动机以低于W₁的速度进行反向自旋时，见图5。开关204、206和208由模式确定逻辑电路210置于B模式位置。由于来自方框214的零电压指令，起动变换器PWM发生器100′将电机电枢短路以提供所期望的制动效应。此外，在制动模式中，电枢电流由激励变换器48通过补偿单元220控制。具体说，补偿单元220对线116′上的电枢电流误差进行比例积分补偿，电枢电流误差作为励磁电流参考值加到加法器142′上。PWM发生器138象上面讨论的一样控制所响应的励磁电流。

在电制动过程中，动能消耗在电动机12′中而不是在主变换器46′中。因此，变换器46′被设计成能满足电机传输的需要，而不必增加任何应付制动模式的附加能力。

反向制动模式是制动模式和电机传输模式间的过渡。起动变换器46′被与方框212的电压参考值V₁和方框216的换向角指令信号CA₁成比例地进行控制，V₁和CA₁都是常数。激励变换器48′的控制与上面讨论的制动模式中的控制一样。

在电机传输模式，在零速度之上，PWM发生器100′的控制与PMW发生器100的控制方法一样，见图6。但是，根据本发明的另一实施方案，电机励磁电流根据无功功率以闭环形式控制，以进行单位功率因数控制。激励变换器电流参考值由补偿单元222产生，补偿单元222利用闭环控制稳定无功功率。具体地说，无功功率被控制到等于零，这相当于单位功率因数。

这样，根据上面所述，除了可选输入功率限幅电路外，根据本发明另一实施例进行的控制提供了一个VSCF起动系统，它利用同步电机和变换器使发动机能在自转条件下起动。

这里所说明的GCCU22和GCCU22′都可用适当的电力或电子电路实现，或利用编程控制装置软件来实现，这对本领域的技术人员是显而易见的。

因而，本发明非限制地说明了一个用于无刷直流电机的，利用可选恒定电流控制和输入功率限幅的起动控制系统。

Claims

1、一种无刷电机的起动控制系统，该电机包括一转子和一带有线圈的定子，定子线圈由一直流电源进行可控地供电，该直流电源确定出正直流电压和负直流电压以使转子转动，该系统包括：

检测上述转动位置的装置；

耦接于直流电源和定子线圈间的开关装置，用于根据转子的旋转位置交替向线圈施加正负电压；

生成代表所期望定子电流大小的定子电流参考信号的生成装置；

产生代表通过定子线圈实际电流大小的实际定子电流信号的发生装置；

与上述发生装置，生成装置及开关装置相耦接的控制装置，用于根据上述所期望的定子电流值和实际定子电流值之间的差值修正给线圈加正、负电压时的旋转位置，以提供恒流起动。

2、根据权利要求1的起动控制系统进一步包括：检测上述转子旋转速度的装置，其中，上述开关装置根据转子速度改变交替向线圈加正、负电压的时间长度。

3、根据权利要求1的起动控制系统，其中，上述控制装置包括阻止修正速度低于预选最小速度时给线圈施加正、负电压的旋转位置的装置。

4、根据权利要求1的起动控制系统进一步包括：与上述控制装置有运行关系以修正向线圈加正、负电压时的旋转位置来限制从直流电源取出的直流功率的装置。

5、根据权利要求1的起动控制系统，其中所述电机包括有励磁线圈，上述起动控制系统还包括检测上述转子速度的装置和根据检测的速度控制给励磁线圈供电的装置。

6、一种无刷直流电机的功率限幅起动控制系统，该直流电机包括一个转子和一个具有线圈的定子，定子线圈由一直流电源控制供电，该直流电流限定一正直流电压和一负直流电压以使转子转动，该系统包括：

检测上述转动位置装置;

连接于直流电源和定子线圈间的开关装置，用于根据上述转子的旋转位置交替向线圈施加正、负电压;

生成代表所期望最大输入功率的输入功率参考信号的生成装置;

产生代表来自直流电源实际功率的实际输入功率信号的发生装置;

与上述发生装置，生成装置和开关装置相耦接的控制装置，用于根据上述所期望输入功率和实际输入功率间的差值修正给线圈加正、负电压时的旋转位置，以提供限幅的输入功率。

7、根据权利要求6的起动控制系统进一步包括：检测上述转子转速的装置，其中，上述开关装置根据转子速度改变给线圈交替加正、负电压的时间长度。

8、根据权利要求6的起动控制系统，其中，上述控制装置包括：阻止修正速度低于预选最小速度时给线圈加正、负电压的旋转位置装置。

9、根据权利要求6的起动控制装置进一步包括：与上述控制装置有运行关系以修正向线圈加正、负电压时的旋转位置，来限制从直流电源取出的直流功率的装置。

10、根据权利要求6的起动控制系统，其中，直流电机包括有励磁线圈，上述起动控制系统还包括：检测上述转子速度的装置和根据检测的速度控制给励磁线圈供电的装置。

11、根据权利要求6的起动控制系统，其中直流电机包括有励磁线圈，上述起动控制系统进一步包括：检测定子线圈中无功率的装置和与上述检测装置耦合，根据上述无功功率控制给励磁线圈的供电，以维持单位功率因数运行的装置。

12、一种无刷直流电机的起动控制系统，该电机包括一个转子和一个有线圈的定子，定子线圈由一直流电源可控制地供电，直流电源限定一正直流电压和一负直流电压以使转子转动，该系统包括：

检测上述转子旋转位置的装置;

连接在直流电源和定子线圈之间的开关装置，用于根据转子的旋转位置交替向线圈施加正、负电压;

第一生成装置，用于生成代表所期望定子电流大小的定子电流参考信号;

第一发生装置，用于产生代表流过定子线圈的实际电流值的实际定子电流信号;

第二发生装置，用于产生代表所期望最大输入功率的输入功率参考信号;

第二发生装置，用于产生从直流电源得到的实际输入功率的实际输入功率信号;

与上述第一发生装置和第一生成装置相耦接以确定电流误差的第一确定装置;

与上述第二发生装置和第二生成装置相耦接确定输入功率误差的第二确定装置;

与上述第一和第二确定装置相耦接以选择上述误差之一的选择装置;

与上述选择装置和开关装置相耦接的控制装置，用于根据所选误差修正给线圈加正、负电压时的旋转位置，以有选择地控制输入功率和定子电流。

13、根据权利要求12的起动控制系统，其中，上述选择装置选择输入功率误差和电流误差中的较低值。

14、根据权利要求12的起动控制系统，其中的直流电机包括有励磁线圈，上述起动控制系统进一步包括：检测上述转子速度的装置和根据上述检测速度控制给励磁线圈供电的装置。

15、根据权利要求12的起动控制系统，其中的直流电机包括有励磁线圈，上述起动控制系统还包括：检测定子线圈中无功功率的装置和与上述检测装置连接以根据上述无功功率控制给励磁线圈的供电来维持单位功率因数运行的装置。

16、根据权利要求12的起动控制系统还包括：检测转子转动方向的装置和当转子以不正确电机传输方向旋转时停止转子转动的装置。

17、根据权利要求16的起动控制系统，其中上述停止装置包括有短路定子线圈的装置。