專利名稱：交流起動機-發(fā)電機系統(tǒng)的改進控制方法論的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及電控飛機起動機-發(fā)電機系統(tǒng)，并且更具體地說，涉及在廣泛變 化的環(huán)境條件下可采用的起動機_發(fā)電機系統(tǒng)。
背景技術：
現(xiàn)代飛機設計有使用功率轉換器調節(jié)傳遞到起動電機(motor)的功率的電控引 擎起動系統(tǒng)。當引擎已經(jīng)遭受冷周圍溫度時，由冷引擎變速箱油引起的粘性阻力增大了必 須提供以通過點火合理地加速引擎的起動轉矩的幅度。相反當引擎溫度適中或熱時，必須 提供的起動轉矩的所需幅度較低。提供給起動電機的電功率可由一個或多個功率轉換器轉換和控制以產(chǎn)生期望的 轉矩分布(profile)(即，引擎的轉矩對轉速)。轉矩分布必須適合于成功地起動冷浸引擎， 以及在高溫周圍條件下的引擎。這意味著，功率轉換器必須以熱方式設計成提供最大起動 轉矩，甚至當引擎周圍條件使得引擎能夠以低得多的起動轉矩起動時。功率轉換器可包含經(jīng)受以是施加到引擎的起動功率的函數(shù)的速率的溫度上升的 高功率電子器件。功率電子器件的結溫必須仔細地管理，以便獲得可接受的功率轉換器可 靠性。通常，器件結的溫度上升可通過結合起動控制器中的風扇和/或大熱沉來緩解。在 某些情況下，起動控制器可用不會快速變熱或可容忍高溫的過大功率電子器件來構造?？梢钥吹?，存在對于可成功地操作在熱和冷周圍條件下的這種起動系統(tǒng)的需要。 而且，存在對于可采用不需要風扇、大熱沉或過大功率電子器件的起動控制器的引擎起動 系統(tǒng)的需要。

發(fā)明內容
在本發(fā)明的一個方面，一種引擎起動系統(tǒng)可包括起動電機(starter motor)；用于 控制起動電機以期望的轉矩輸出操作的起動控制器；用于確定起動電機的轉矩分布的處理 器；其中處理器響應于引擎的周圍條件提供初始轉矩分布；并且其中處理器響應于起動控 制器的溫度提供對初始轉矩分布的修改。在本發(fā)明的另一方面，引擎起動電機的控制器可包括用于將DC功率轉換成AC功 率的轉換器；用于確定控制器施加到起動電機的轉矩分布的處理器；其中處理器響應于引 擎周圍條件提供施加到起動電機的初始轉矩分布；并且其中處理器響應于控制器的溫度在 起動周期期間修改初始轉矩分布。在本發(fā)明的又一方面，用于起動飛機引擎的方法可包括如下步驟獲取與引擎的 周圍條件相關的數(shù)據(jù)；響應于與引擎的周圍條件相關的數(shù)據(jù)產(chǎn)生初始轉矩分布；操作控制 器以將初始轉矩分布施加到起動電機；根據(jù)初始轉矩分布驅動起動電機以發(fā)起起動周期和給予引擎的旋轉；在起動周期期間獲取與控制器溫度相關的數(shù)據(jù)；以及響應于與控制器溫 度相關的所獲取數(shù)據(jù)修改初始轉矩分布以限制控制器中的溫度上升。參考以下附圖、說明書和權利要求書將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方 面和優(yōu)點。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的飛機引擎起動系統(tǒng)的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例示出兩個可比較轉矩分布的圖形；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例示出可比較功率曲線的圖形；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例示出可比較功率耗散曲線的圖形；圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例用于起動飛機引擎的方法的流程圖；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例示出四個可比較轉矩分布的圖形。
具體實施例方式以下的詳細說明屬于執(zhí)行本發(fā)明示范實施例的當前想到的最佳模式。該說明書不 認為是限制意義，而只是用于例證本發(fā)明一般原則的目的，因為本發(fā)明的范圍由所附權利 要求書最佳定義。以下描述各個發(fā)明特征，各可彼此獨立使用，或與其它特征組合使用。概括地說，本發(fā)明的實施例一般可提供施加幅度超過緊密匹配可在起動引擎之前 存在的粘性阻力轉矩條件的編程起動轉矩(作為速度的函數(shù)而調度)的起動控制系統(tǒng)。例 如，可通過測量引擎油溫度、入口溫度和入口壓力，并然后施加標量以確定初始編程起動轉 矩，來確定初始編程起動轉矩。隨著引擎旋轉速度的增大，這個標量可作為控制器溫度的函 數(shù)在整個起動周期增大或減小。由此，可對于主要條件優(yōu)化控制器功率，使得控制器熱耗散 不大于必需的。由于控制器的熱管理在周圍溫度提高時最具挑戰(zhàn)性，所以在這些條件下降 低輸出功率可放松對于控制器的熱設計要求。在周圍溫度提高時降低起動功率可得到改進 的轉換器可靠性、成本和控制器的重量?，F(xiàn)在參考圖1，飛機引擎12的起動系統(tǒng)10可包括起動機/發(fā)電機或起動電機14、 引擎控制器16和起動控制器18。起動控制器18可包含用于將直流(DC)功率轉換成調節(jié) 的交流(AC)功率的功率轉換器27。功率轉換器27可包含固態(tài)功率電子器件27-1。在操 作中，引擎控制器16可接收外部生成的信號20以起動引擎12(例如來自飛機的飛行甲板 的命令)。引擎控制器16然后可產(chǎn)生到起動控制器18的起動命令信號22。引擎控制器16 還可被提供有可表示引擎12周圍條件的信號24。引擎控制器16然后可向起動控制器18 傳送周圍條件信號24。應該注意，本文所用的術語周圍條件信號24可表示引擎12內各種 周圍條件的集合。例如，信號24可包括與引擎油溫度、入口溫度和入口壓力相關的數(shù)據(jù)。起動控制器18可響應于信號22和24操作，并采用處理器26生成定義轉矩與引 擎轉速之間的關系的初始分布(后面稱為轉矩分布)的初始標量26-1。圖2示出了轉矩分 布的示例。在正常天或冷天(例如周圍溫度小于0°C )可采用第一示范轉矩分布30。轉矩 分布30可定義起動電機14初始可施加大約100%的其全轉矩極限的轉矩。隨著引擎速度 增大，轉矩可下降。當引擎12達到大約70%的其起動速度時，可從起動電機14移除功率，并且引擎12可自己完成起動。在熱天(例如周圍溫度大于0°C )可采用第二示范轉矩分布32。轉矩分布32可 定義起動電機14應施加可以是大約40%的其全轉矩極限的部分轉矩極限下的轉矩。隨 著引擎速度增大，轉矩可下降。當引擎12達到大約70%的其起動速度時，可從起動電機14 移除功率，并且引擎12可自己完成起動。現(xiàn)在參考圖3，可以看到，起動電機14可根據(jù)轉矩分布的形狀消耗改變量的功率。 例如，第一功率曲線30-1可對應于圖2的轉矩分布30。功率曲線30-1示出了由起動電機 14施加的轉矩與可施加轉矩的時段之間的關系。在正常天或冷天可采用功率曲線30-1?？?以看到，在功率曲線30-1的情況下，可在大約37秒(s)之后移除起動電機功率，因為引擎 12可自己完成起動。通過比較，在熱天，第二功率曲線32-1可在施加低于30-1的轉矩期間 并在比30-1的更長的時段內顯現(xiàn)出來。來自起動電機14的總體能耗在熱天可比在冷天或 正常天的能耗更低。即便在熱天的起動周期可比在冷天或正常天的起動周期更長，這可能 也是這樣。在這個上下文中，轉換器27轉換的功率在熱天可比在冷天少。轉換器27的溫 度可以是由周圍條件引起的初始溫度加上由功率轉換活動引起的溫度上升的函數(shù)?？梢钥?到，如果溫度上升和初始周圍溫度之和不超過預定設計極限，則可在沒有冷卻風扇或大熱 沉(未示出)的情況下來操作控制器18。現(xiàn)在參考圖4，可以看到配置轉矩分布的過程可如何控制和限制轉換器27中功率 電子器件27-1 (例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT))內的溫度上升。第一能量耗散曲線30-2 可分別對應于圖2和3的曲線30和30-1。功率耗散曲線30-2示出，在可以圖2的轉矩分 布30執(zhí)行的起動周期期間可發(fā)生大約1000焦耳每秒(J/s)到大約1500J/S的功率耗散速 率。當起動控制器18處于冷周圍設置時，可容忍這些功率耗散速率，不會在功率電子器件 27-1中有過多溫度增大。另一方面，如果在熱周圍條件下發(fā)生這些相同功率耗散速率，則功 率電子器件27-1可經(jīng)受可負面影響它們的性能和可靠性的溫度上升。第二能量耗散曲線32-2可分別對應于圖2和3的曲線32和32-1。曲線32_2的 能量耗散速率的范圍可從大約400J/S到大約600J/S。通過比較曲線30-2和32_2所反映 的，起動控制器18當以轉矩分布32操作時所耗散的總體能量可比以轉矩分布30操作所耗 散的能量小大約14%。這個降低的能耗可導致功率電子器件27-1的較低結溫。降低能量耗散的關鍵因素可與降低由起動電機14吸取的電流相關。這可以理解， 當考慮根據(jù)下式確定功率轉換器損耗(其可導致溫度上升)功率轉換器損耗=VK1I+^!2Ktl=控制電子器件的功率耗散(傾向于是小的，大約20-30瓦)；K1 =由器件飽和引起的逆變橋(inverter bridge)靜態(tài)損耗；K2 =磁元件銅耗、逆變橋損耗、開關損耗中的增大上升和下降時間；以及i =到起動電機的電流如通過功率轉換器損耗計算所看到的，可能有利的是減小由于i2損耗分量引起電 流。使用基于IGBT的控制器可比基于MOSFET的控制器更有利，因為i2能耗在基于MOSFET 的控制器中比在基于IGBT的控制器中更主要。返回去參考圖1，可注意到，起動控制器18的處理器26可從轉換器27接收溫度 數(shù)據(jù)信號27-2。響應于信號27-2，處理器26可產(chǎn)生標量調整信號26_2，其可由起動控制器18用于增大或減小起動電機14的轉矩。如果轉換器27不太熱，則轉矩可增大，并且起 動可更快速地進行。如果轉換器太熱，或者如果其溫度上升速率太高，則轉矩可被減小，使 得可在期望操作范圍內保持轉換器27的溫度。現(xiàn)在參考圖5，流程圖500可例證根據(jù)本發(fā)明實施例可用于操作起動控制系統(tǒng)10 的示范方法。在步驟502，可獲取與周圍條件和初始引擎數(shù)據(jù)相關的數(shù)據(jù)(例如，引擎控制 器16可獲取周圍條件信號24，并向起動控制器18傳送信號24)。在步驟504，周圍條件信 號可與預定參數(shù)相比較(例如，該信號可與溫度參數(shù)相比較以確定溫度是否在0°C以下)。 在步驟506和508，可以確定初始轉矩設置(例如，如果溫度小于0°C，則對于初始使用可 設置全轉矩極限(100% )，并且如果溫度大于0°C，則對于初始使用可設置部分轉矩極限 (40%))。在步驟510，可以確定功率電子器件的溫度(例如，可以確定控制器18或轉換器 27的溫度)。在步驟512和514，可以設置功率極限(例如，處理器26可向起動控制器18 提供標量調整信號26-2，以根據(jù)器件27-1的溫度是在預定溫度諸如70°C以下還是以上，增 大或減小到起動電機14的轉矩)?，F(xiàn)在參考圖6，示范轉矩分布集可例證由圖1的起動電機14產(chǎn)生的轉矩可如何隨 著周圍條件和控制器18中的器件27-1的溫度而改變。轉矩分布60可表示冷引擎和冷控 制器的條件。轉矩分布62可表示冷引擎和熱控制器的條件。轉矩分布64可表示熱引擎和 冷控制器的條件。轉矩分布66可表示熱引擎和熱控制器的條件。當然，應該理解，以上涉及本發(fā)明的示范實施例，并且可以進行修改，并不脫離在 如下權利要求書中所闡述的本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
一種引擎(12)起動系統(tǒng)(10)，包括起動電機(14)；起動控制器(18)，用于控制所述起動電機(14)以期望轉矩輸出操作；以及處理器(26)，用于確定所述起動電機(14)的轉矩分布；其中所述處理器(26)響應于所述引擎(12)的周圍條件(24)提供初始轉矩分布(26 1)；并且其中所述處理器(26)響應于所述起動控制器(18)的溫度提供對所述初始轉矩分布(26 1)的修改。
2.如權利要求1所述的起動系統(tǒng)(10)，其中所述起動控制器(18)包含用于將直流 (DC)功率轉換成交流(AC)功率的轉換器(27)。
3.如權利要求2所述的起動系統(tǒng)(10)，其中所述轉換器(27)包括至少一個固態(tài)電子 功率器件(27-1)。
4.如權利要求1所述的起動系統(tǒng)(10)，其中當所述引擎(12)中的油溫度小于大約 20°C時，所述起動電機(14)在至少一部分起動周期期間產(chǎn)生100%的其轉矩極限的轉矩。
5.如權利要求1所述的起動系統(tǒng)(10)，其中當所述引擎(12)中的油溫度大于大約 20°C時，所述起動電機(14)在起動周期期間產(chǎn)生不大于40%的其轉矩極限的轉矩。
6.如權利要求1所述的起動系統(tǒng)(10)，其中所述起動控制器(18)將減小的轉矩分 布(32)施加到所述起動電機(14)，使得無論何時所述控制器(18)的溫度等于或超過大約 70°C，所述起動電機(14)耗散的功率都比用所述初始轉矩分布(62或66)耗散的更少。
全文摘要
本發(fā)明涉及交流起動機-發(fā)電機系統(tǒng)的改進控制方法論。飛機引擎起動系統(tǒng)可包括起動電機、用于控制起動電機以期望轉矩輸出操作的起動控制器以及用于確定起動電機的轉矩分布的處理器。處理器可響應于引擎的周圍條件提供初始轉矩分布。處理器還可響應于起動控制器的溫度提供對初始轉矩分布的修改。
文檔編號H02P1/04GK101997458SQ20101026066
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權日2009年8月21日
發(fā)明者D·錢杜-拉爾, R·富勒, R·麥金利 申請人:霍尼韋爾國際公司