CN101247102B - 提高车辆交流发电机中的电压调节器精度的方法和系统 - Google Patents

提高车辆交流发电机中的电压调节器精度的方法和系统 Download PDF

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Abstract

进行用于发电机的电压调节的方法包括比较发电机装置的输出电压与其所需的定值电压，并产生配置为调节发电装置的励磁电流的输出控制信号。在相对于所需的定值电压的过电压状态和欠电压状态之一期间，根据线性运行模式产生输出控制信号，其中在非过电压状态和欠电压状态期间，在非线性运行模式下输出控制信号自动设定为预定值。

Description

提高车辆交流发电机中的电压调节器精度的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及旋转电机，更具体地涉及用于提高车辆交流发电机中的电压调节器精度的方法和系统。 
背景技术
实际上在目前制造的每一辆机动车辆发中都能见到发电机。这些发电机，也称为交流发电机，产生向车辆的电配件供电和为车辆的电池充电所必需的电能。发电机还必须具有能产生充足电量的能力，从而以与车辆的电元件兼容的方式向车辆的电系统供电。为了在可能出现电压下降或其他运行问题的负载变化期间提供稳定的运行，交流发电机或发电机通常使用电压调节器调节充电电压和输出电流。目前，传统的车辆充电系统使用的电压调节器具有分立的晶体管或者称为专用集成电路(ASIC)的定制集成电路。 
其他的车辆设计还可以采用具有高级微处理器功能的电压调节器，其保持高精度地调节发电机产生的电压。基于微处理器的调节器还可以包括高级时钟和存储器电路，其存储电池和电源的基准数据、电池电压和发电机旋转速度，以及确定在任意时间点电池的充电程度和速度。 
由于这样的高级电压调节系统很昂贵，因此需要能够提高现有的基于微处理器的调节器装置的精度和分辨率(相对便宜)。例如，一种基于微处理器的电压调节器采用10位的模/数转换器，其分辨率是约0.02伏(在12伏的交流发电机中测量20伏范围内的信号)。也就是说，微处理器只能分辨出增量为20毫伏的输入电压。另一方面，用于控制励磁电流的占空比(0％到100％之间)的脉宽调制(PWM)驱动器的分辨率是约500级(即0.2％的增量)。根据定值系统的电压(例如14伏)，当系统电压大于或小于定值时，传统的线性调节技术 利用PWM级。因此调节电压的实际精度与可检测到电压(即+/-20毫伏)的分辨率不匹配。 
因此，需要以避免增加昂贵元件的方式提高基于微处理器的电压调节器的精度，昂贵元件(例如通过差分放大器或具有12位模数转换器的微处理器)提高电压检测性能的分辨率。 
发明内容
在示例性实施例中，通过执行用于发电机的电压调节方法，克服或减轻了以上讨论的现有技术的缺点和不足，该方法包括比较发电机装置的输出电压与其所需的定值电压，并产生配置为调节发电装置的励磁电流的输出控制信号，其中在相对于所需的定值电压的过电压状态和欠电压状态之一期间，根据线性运行模式产生输出控制信号，及其中在过电压状态和欠电压状态中不同于前述的那一状态期间，输出控制信号按非线性运行模式自动设定为预定值。 
在另一实施例中，存储介质包括执行用于发电机装置的电压调节的计算机可读计算机程序代码，和使计算机执行方法的指令。该方法进一步包括比较发电机装置的输出电压与其所需的定值电压，并产生配置为调节发电装置的励磁电流的输出控制信号。在相对于所需的定值电压的过电压状态和欠电压状态之一期间，根据线性运行模式产生输出控制信号，及在过电压状态和欠电压状态中不同于前述的那一状态期间，输出控制信号按非线性运行模式自动设定为预定值。 
在又一实施例中，用于发电机的电压调节器包括配置为比较发电机的输出电压与其所需的定值电压的电子装置，该电子装置进一步配置为产生用于调节发电机的励磁电流的输出控制信号。在相对于所需的定值电压的过电压状态和欠电压状态之一期间，根据线性运行模式产生输出控制信号，及在过电压状态和欠电压状态中不同于前述的那一状态期间，输出控制信号按非线性运行模式自动设定为预定值。 
在又一实施例中，车辆充电系统包括交流发电机，在其静止部分具有一个或多个定子绕组且在其可旋转部分具有励磁线圈。电压调节 器配置为通过控制流过励磁线圈的励磁电流调节交流发电机的输出电压。电压调节器进一步包括配置为比较交流发电机的输出电压与其所需的定值电压，以及产生用于调节发电机的励磁电流的输出控制信号的电子装置。在相对于所需的定值电压的过电压状态和欠电压状态之一期间，根据线性运行模式产生输出控制信号，及在过电压状态和欠电压状态中不同于前述的那一状态期间，输出控制信号按非线性运行模式自动设定为预定值。 
附图说明
参考示例性附图，其中图中相同的元件以相同的数字表示： 
图1是采用基于微处理器的电压调节器的示例性车辆充电系统的原理图，其适合于根据本发明的实施例使用； 
图2是图1所示电压调节器的详细原理图； 
图3是根据本发明的示例性实施例用于提高电压调节器精度的方法的流程图。 
具体实施方式
在此公开了用于提高车辆交流发电机中的电压调节器精度的方法和系统。简言之，电压调节器(例如基于微处理器)配置为在调节占空比(相对于励磁电流)的线性模式与固定占空比之间具有切换能力，这取决于检测到的电压是否超过系统的定值。在示例性实施例中，当工作电压处于或低于定值电压时，电压调节器运行在线性模式下，当工作电压超过固定值时，电压调节器设定为最小占空比。因此，线性运行模式实质上限定在系统电压的一半，并在低于定值时允许更精细的控制。此外，通过在欠电压状态期间使用线性控制和在过电压状态期间使用最小的设定占空比，能防止系统电压过冲，这是另一种需要的运行模式。 
首先参考图1，所示为采用基于微处理器的电压调节器的示例性车辆充电系统100的原理图，其适合于根据本发明的实施例使用。应 当理解虽然图1描述了车辆充电系统，但是本发明可以应用于其它类型的发电机调节系统。车辆交流发电机101在其定子部分具有多个绕组102(例如三相三角形结构)，在其转子部分具有励磁线圈104。在绕组102中产生的交流(AC)电压通过全波整流器106转换为直流(DC)电压，全波整流器包括三对并联配置的二极管。整流器106的输出馈送给车辆电池108的正端，其中输出电压的幅值取决于转子的速度和提供给励磁线圈104的励磁电流的大小。 
在某些交流发电机的设计中，定子实际上包括独立的定子绕组对和关联的转子励磁线圈对，以降低由于负载增加引起的噪声。但是，为了说明简单的目的，只表示了一组定子绕组和励磁线圈。还应当理解绕组102能可选择地连接为具有公共中性点的Y形结构。 
如图1进一步所示，电压调节器110用于调节和控制交流发电机101产生的输出电压的幅值，从而控制施加在电池108和关联的车辆负载(例如通过开关114连接的负载112)上的(直流)充电电压。实现这一点是通过控制经图1所示的高端交流发电机端子“F+”提供给励磁线圈104的励磁电流的幅值。此外，以下进一步讨论关于电压调节器110产生的流过励磁线圈104的电流的细节。 
本领域的技术人员也可以认识到其它与交流发电机关联的标准化端子，包括：高端电池输出端子“B+”、用于监控交流发电机的AC输出电压的相电压端子“P”和用于向交流发电机提供接地的接地端子“E”。可以代表车辆的主计算机的电子控制模块(ECM)116通过电压调节器110的灯端子“L”接收充电报警灯信号，用于当点亮开关120闭合时控制充电报警灯118。ECM116还通过终端“Fm”接收指示施加到励磁线圈104的励磁电流信号F+的转子开关信号。 
参考图2，所示为图1的电压调节器110的至少部分的详细原理图。为了说明简单的目的，电压调节器110的各个分立电子元件(例如电阻、电容等)没有表示在图2中。图中具有控制逻辑代码的微控制器122通过配置在其中的内部模数转换器(ADC)以数字的形式接收交流发电机充电系统的电压反馈。在示例性实施例中，微控制器 122的ADC是10位的转换器。根据检测到的系统电压与系统的预定工作电压之间的比较，微控制器产生耦合到高端驱动器124的PWM输出信号(PWM_DC)。高端驱动器124又向晶体管126的控制端(例如栅极)提供脉冲开关信号。根据脉冲信号的占空比，晶体管的开通/关断切换导致励磁电流间断地流过励磁线圈104。在占空比的关断期间，励磁线圈内的能量通过续流二极管128消耗。 
如上所示，电压调节器110试图保持预定的充电系统电压等级(定值)。当充电电压下降低于该定值时，电压调节器110通过增大PWM_DC电流的占空比提高励磁电流的等级。相反，当充电系统电压上升高于系统定值时，电压调节器110通过减小PWM_DC电流的占空比降低励磁电流的等级。 
进一步如上所示，传统配置的微控制器(例如具有10位ADC的分辨率)可以工作在线性方式下，无论工作电压是低于还是高于定值电压。因此，图3表示了说明方法300的流程图，方法300根据本发明的实施例用于发电机装置的电压调节。从开始框302起，方法300转到判断框304确定系统电压是否超过定值(即所需的系统工作电压)。如果系统电压处于或小于定值，则以线性的方式执行系统输出调节，通常如子程序306所示。但是，如果系统电压超过定值，则以非线性的方式执行系统输出调节，通常如子程序308所示。 
在线性模式子程序306中，在判断框310确定内部计算的变量占空比级(DC线性)的值是否小于最大值。在所示实施例中，该参数代表具体的PWM级。例如，对于在占空比0％与占空比100％的之间的500级的PWM间隔，DC线性的最大值设定为500(即代表设定100％的占空比)。只要DC线性没有达到其最大值，则该值每次递增1，如框312所示。另一方面，如果DC线性的值已经处于最大值(例如500)，如框314所示，则该参数不增加。而且，根据线性调节技术，施加在高端驱动器124上的输出PWM占空比信号(PWM_DC)的更新后的值设定为DC线性的电流值。在框318，该方法返回到用于判断下一个系统电压值的开始处。 
再次参考判断框304，如果系统电压超过设定值，则该方法转到子程序308。在判断框320，确定内部计算的值(DC线性)是否大于最小的设定值。例如，在占空比0％与占空比100％之间的500级的PWM间隔，DC线性的最小值可以设定为0(即代表设定0％的占空比)。作为实际应用，更需要设定在其它值的最小值，这个值对应于代表小占空比(但是大于0％)的某一等级，例如45。换句话说，设定的占空比的最小值可以大约是10％或更低。 
如果DC线性的值不处于其最小值，则其值每次递减1，如框322所示。另一方面，如果DC线性的值已经是设定的最小值(例如45)，如框324所示，则参数不递减。但是，不同于线性模式子程序306，无论DC线性此刻的实际值是多少，施加在高端驱动器124上的输出PWM占空比信号(PWM_DC)的值自动设定为DC线性的预定最小值(例如45)。换句话说，如果DC线性的电流值大约在其值的可能范围的中点(例如250)附近，则在非线性方式下PWM_DC仍然设定为DC线性的可能的最小值，而不是DC线性的实际值，如框326所示。 
从系统的工作电压看，一检测到过电压状态，电压调节器的响应是立刻最小化PWM的占空比，从而最小化励磁电流以快速降低输出电压。相反，处理欠电压状态是在线性方式下递增地增大励磁电流，从而平滑地增大输出电压。这样做避免交流发电机系统过冲，同时提高电压调节器的精度。 
虽然以上指出的示例性方法表示为在微控制器112中的软件内执行，但是本领域的技术人员也将认识到该逻辑也能通过配置在ASIC型的电压调节器中的硬件执行。因此，从以上可见本方法的实施例可以采取计算机或控制器的形式，实现用于实施这些过程的方法和装置。这些公开的内容也可以用计算机程序代码的形式实现，计算机程序代码包含实体介质中的指令，所述介质如软盘、CD-ROM、硬盘，或其它计算机可读存储介质，其中当计算机或控制器加载和执行计算机程序代码时，计算机成为实施本发明的装置。 
当参考优选实施例说明本发明时，本领域的技术人员可以理解做出各种变化和替换等效元件不脱离本发明的范围。此外，根据本发明的指导不脱离本发明的实质范围可以做出适合于特定情况或材料的多种修改。因此，本发明不限于作为实施本发明的最佳模式公开的具体实施例，但是本发明包括落入权利要求书范围内的所有实施例。 

Claims (6)

1.实施用于发电机装置的电压调节的方法，该方法包括：
比较发电机装置输出电压与其所需的定值电压；及
产生配置为调节发电装置的励磁电流的输出控制信号，该输出控制信号包括配置为控制开关装置的占空比的脉宽调制信号，有选择地激活或无效励磁电流；
其中，在相对于所需的定值电压的欠电压状态期间，根据线性运行模式产生输出控制信号，以及在过电压状态期间，输出控制信号按非线性运行模式自动设定为预定值；并且
其中，只要变量占空比级的值尚未处于其预定的最大值，在欠电压状态期间线性地递增变量占空比级的值；
只要变量占空比级的值尚未处于其预定的最小值，在过电压状态期间线性地递减变量占空比级的值；
在线性运行模式期间将输出控制信号设定为对应于变量占空比级的当前值；及
无论变量占空比级的当前值如何，在非线性运行模式期间将输出控制信号设定为对应于变量占空比级的预定最小值。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在过电压状态期间将开关装置的占空比设定为预定的最小值。
3.用于发电机的电压调节器，包括：
配置为比较发电机输出电压与其所需的定值电压的电子装置，该电子装置进一步配置为产生用于调节发电机的励磁电流的输出控制信号；及
与输出控制信号通信的开关装置，该输出控制信号包括配置为控制所述开关装置的占空比的脉宽调制信号，从而激活或无效发电机的励磁电流；
其中，在相对于所需的定值电压的欠电压状态期间，根据线性运行模式产生输出控制信号，以及在过电压状态期间，输出控制信号按非线性运行模式自动设定为预定值；并且
其中，所述电子装置进一步包括微控制器，该微控制器配置为：
只要变量占空比级的值尚未处于其预定的最大值，在欠电压状态期间线性地递增变量占空比级的值；
只要变量占空比级的值尚未处于其预定的最小值，在过电压状态期间线性地递减变量占空比级的值；
在线性运行模式期间将输出控制信号设定为对应于变量占空比级的当前值；及
无论变量占空比级的当前值如何，在非线性运行模式期间将输出控制信号设定为对应于变量占空比级的预定最小值。
4.根据权利要求3所述的电压调节器，其中所述微控制器配置为在过电压状态期间将开关装置的占空比设定为预定的最小值。
5.车辆充电系统，包括：
交流发电机，在其静止部分具有一个或多个定子绕组且在其可旋转部分具有励磁线圈；
配置为通过控制流过励磁线圈的励磁电流调节交流发电机的输出电压的电压调节器，该电压调节器进一步包括：
配置为比较交流发电机的输出电压与其所需的定值电压的电子装置，该电子装置进一步配置为产生用于调节发电机的励磁电流的输出控制信号；及
与输出控制信号通信的开关装置，输出控制信号包括配置为控制所述开关装置的占空比的脉宽调制信号，从而激活或无效发电机的励磁电流；
其中，在相对于所需的定值电压欠电压状态期间，根据线性运行模式产生输出控制信号，以及在过电压状态期间，输出控制信号按非线性运行模式自动设定为预定值；并且
其中，所述电子装置进一步包括微控制器，该微控制器配置为：
只要变量占空比级的值尚未处于其预定的最大值，在欠电压状态期间线性地递增变量占空比级的值；
只要变量占空比级的值尚未处于其预定的最小值，在过电压状态期间线性地递减变量占空比级的值；
在线性运行模式期间将输出控制信号设定为对应于变量占空比级的当前值；及
无论变量占空比级的当前值如何，在非线性运行模式期间将输出控制信号设定为对应于变量占空比级的预定最小值。
6.根据权利要求5所述的车辆充电系统，其中所述微控制器配置为在过电压状态期间将开关装置的占空比设定为预定的最小值。
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