CN102811011B - 汽车电压调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压调节器，包括电路部分，其分别与晶体管和中央控制器相连接，所述中央控制器与保护电路相连，所述保护电路与所述晶体管连接，所述中央控制器还与激励电流控制器相连；所述电路部分包括电压设定部，设定参考电压设定值；所述中央控制器采用优化后的被控传递函数。

Description

汽车电压调节器

技术领域

本发明涉及一种汽车配件，具体地，本发明公开了一种汽车电压调节器。

背景技术

汽车的供电电源一般由发电机、整流器、调节器和蓄电池四部分组成。汽车发电机在汽车运行过程中由汽车发动机带动发出直流电或交流电，提供汽车所需的电能。现代汽车的发电机都是交流发电机，它发出的交流电需经整流器转变成单向脉动电流。发电机输出的交流电压随发动机的转速大小而变化，因而整流后的单向脉动电压也随发动机的转速大小而变化，这对汽车上的各类用电电器十分有害。我们知道，汽车电器的额定电压一般为直流14V或28V两大类。汽车发电机电压调节器的作用就是在汽车发动机不同转速下，控制汽车发电机输出电压稳定于14V或者28V，满足车上各种电器的需要。

早期的汽车电压调节器是电磁振动式的，调节器中的电磁铁随发电机整流器输出电压的高低吸合或释放，控制对蓄电池的充电时间，从而保持汽车供电系统的稳定。调节器与发电机是两个独立的部件，通过电缆连接，体积大、误差大、寿命短、可靠性低。

大功率晶体管的出现，发电机电压调节器采用大功率晶体管作为电流开关替代了电磁铁，产生了一代晶体管汽车电压调节器。这种电压调节器消除了电流触点，延长了恶劣环境下调节器的工作寿命，改善了输出电压的平稳性。随着电子技术的发展，集成电路汽车电压调节器取代了晶体管汽车电压调节器，体积进一步缩小，仍以PCB组装形式为主。由于PCB的热传导性较差，因此PCB式的集成电路汽车电子调节器的应用受到很大限制。

重要的是，现有汽车电压调节器没有考虑到负载功率与发电机转速之间的优化设计，导致发电机功率损失，利用率低。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种汽车电压调节器，不仅具有较高精度的调压性能，还可以优化发电机功率的利用率。

汽车使用的电源有蓄电池和发电机两种。现代汽车采用交流发电机作为主要电源，蓄电池作为辅助电源。在汽车行驶过程中，由发电机向用电设备提供电源，并向蓄电池充电。蓄电池在汽车起动时提供起动电流，当发电机发出电量不足时，可以协同发电机供电。汽车在行驶过程中，由于发动机的转速随时都在变化，交流发电机的转速也之变化，因此发电机输出电压必然随转速变化而变化。交流发电机电子调节器把交流发电机的电压控制在一定的规定范围内，当发电机转速发生变化时，自动调节发电机输出电压并使电压保持恒定，防止输出电压过高而损坏用电设备和避免蓄电池过量充电本项目产品性能稳定、工作可靠、一致性好、体积小，适应于各种车型。

具体来说，本发明提供一种电压调节器，其特征在于：

所述调节器包括电路部分，其分别与晶体管和中央控制器相连接，所述中央控制器与保护电路相连，所述保护电路与所述晶体管连接，所述中央控制器还与激励电流控制器相连；

所述电路部分包括增幅电路、电压测量电路和电流测量电路，所述增幅电路的一个输入端口与发电机相连接，输入发电机的电压信号，所述增幅电路的输出端与热量校正电路输入端相连接，所述增幅电路的另一个输入端与电路部分中的电压设定部交互连接；所述热量校正电路与三角波振荡电路连接，所述热量校正电路的输出端与所述晶体管连接；所述电压测量电路的输入端与所述发电机连接，输入发电机的电压信号，所述电压测量电路的输出端分别与延迟电路和所述中央控制器的输入端相连接；所述延迟电路的输出端与故障检测电路的输入端相接；所述电流测量电路的输入端与发电机蓄电池总线相接，所述电流测量电路的输入端分别与所述中央控制器和所述故障检测电路的输入端相接；所述保护电路和所述故障检测电路均与故障指示灯连接；

所述电压设定部根据发电机转子的转速V_m和负载消耗的功率P_L，确定参考电压设定值U_ref；所述中央控制器根据电压设定部所设定的参考电压设定值，控制激励电流控制器；激励电流控制器根据中央控制器的控制信号，控制发电机的激励电流，从而使发电机的输出电压保持不变；

所述中央控制器的被控传递函数为：G_uc(s)=k_up+k_ui/s。

本发明具有以下优点：

（1）具有较高精度的调压性能，即使发电机转速或负载在较大的范围内变化，仍可以保证发电机输出电压在0.1V范围内变化；

（2）优化了负载功率与发电机转速之间的协同控制，提高了发电机功率利用率，将发电机功率损失降低50%以上，从而降低了汽车油耗，起到了节能减排的作用；

（3）优化了控制器的控制传递函数，实现了汽车发电系统低谐波和高性能的稳压控制；

（4）灵活运用器件的曲线特性，精确控制器件温度系数，并能按需要适当选定，解决了同类产品温度系数高居不下的状况，满足了各机型的需求；

（5）电路具有瞬时短路保护功能，过热、过流、过电保护功能，解决了同类产品的弱点；

（6）体积小，易于装配，适合当今汽车工业发展的要求。

附图说明

图1为根据本发明的结构示意框图；

图2为根据本发明的电路部分的示意框图；

实施方式

下面结合附图对本发明的实施做进一步说明。

根据电磁感应原理，发电机的感应电动势为：E_Φ=C_EnΦ，式中C_E为发电机结构常数；n为发电机转速；Φ为每极磁通。由于C_E是电机结构常数，保持不变，因此当交流发电机的转速升高时，调节器通过减小发电机的激磁电流，使发电机的输出电压保持不变；反之如果发电机转速下降时，即可增大激磁电流，使发电机的输出电压保持不变。汽车交流发电机发出的交流电通过整流电路后变为直流电并与蓄电池的电池电压进行比较，若输出电压高于电池电压，则对电池进行充电，直至两者相等；若低于电池电压，两者的合成反馈电压经过调整比较器后变为反馈信号进人控制器，控制器通过调整励磁电路提高励磁电流从而使交流发电机的输出电压升高，直至与电池电压相平衡。因此，在该系统中，如何实现对激磁电流的调节是达到电压稳定的关键。

本发明的电压调节器包括电路部分1，其分别与晶体管2和中央控制器4相连接，所述中央控制器4与保护电路相连，所述保护电路3与所述晶体管2连接，所述中央控制器4还与激励电流控制器5相连；

所述电路部分1包括增幅电路101、电压测量电路102和电流测量103电路，所述增幅电路101的一个输入端口与发电机相连接，输入发电机的电压信号，所述增幅电路101的输出端与热量校正电路104输入端相连接，所述增幅电路101的另一个输入端与电路部分101中的电压设定部105交互连接；所述热量校正电路104与三角波振荡电路106连接，所述热量校正电路104的输出端与所述晶体管2连接；所述电压测量电路102的输入端与所述发电机连接，输入发电机的电压信号，所述电压测量电路102的输出端分别与延迟电路107和所述中央控制器4的输入端相连接；所述延迟电路107的输出端与故障检测电路108的输入端相接；所述电流测量电路103的输入端与发电机蓄电池总线109相接，所述电流测量电路103的输入端分别与所述中央控制器4和所述故障检测电路108的输入端相接；所述保护电路3和所述故障检测电路108均与故障指示灯110连接；

所述电压设定部105的输入端分别与发电机和负载相连，发电机通过转子转速传感器将转速V_m发送至所述电压设定部105，负载通过功率传感器，将负载的功率P_L发送至所述电压设定部105。所述电压设定部105根据发电机转子的转速V_m和负载消耗的功率P_L，确定参考电压设定值U_ref，公式如下：

$\begin{array}{c}b=b_1\×V_m+b_2\\ a=a_1(V_m/a_2)\\ U_{\mathrm{ref}}=(1/b)\ln (P_L/2)\end{array}$

其中，a₁、a₂、b₁、b₂为常量，常量的设定可以是非零的任意值。例如，这些常量是在发电机功率转化效率为最大值的情况下测得的，也可以通过设计者的经验、多次试验的数据等样本数据库等，确定这些常量。

所述中央控制器4根据电压设定部105所设定的参考电压设定值，控制激励电流控制器。当交流发电机的输出电压大于参考电压设定值U_ref时，中央控制器4通过激励电流控制器降低激励电流，从而降低交流发电机的输出电压；当交流发电机的输出电压小于参考电压设定值U_ref时，中央控制器4通过激励电流控制器增加激励电流，从而提高交流发电机的输出电压，从而使发电机的输出电压保持不变。

所述中央控制器4的被控传递函数G_uc(s)的确定过程为：

假设电机三相绕组对称，电机气隙磁场在空间呈正弦分布，忽略铁耗及磁饱和。按发电机惯例和转子磁场定向控制方法，得到发电机定子和转子电压d-q 方程为：

${\mathrm{\σL}}_s{\mathrm{pi}}_{\mathrm{sd}}+R_s{i}_{\mathrm{sd}}=(1-\mathrm{\σ})L_s{\mathrm{pi}}_{\mathrm{mr}}+{\mathrm{\σL}}_s{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mr}}{i}_{\mathrm{sq}}-u_{\mathrm{sd}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\σL}}_s{\mathrm{pi}}_{\mathrm{dq}}+R_s{i}_{\mathrm{sq}}=(1-\mathrm{\σ})L_s{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mr}}{i}_{\mathrm{mr}}-\mathrm{\σ}{L}_s{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mr}}{i}_{\mathrm{sd}}-u_{\mathrm{sq}}---\left(2\right)$

$T_r{\mathrm{pi}}_{\mathrm{mr}}+i_{\mathrm{mr}}=-i_{\mathrm{sd}}---\left(3\right)$

$\mathrm{d\ρ}/\mathrm{dt}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mr}}=\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_2={\mathrm{P\ω}}_m-i_{\mathrm{sq}}/\left(T_r{i}_{\mathrm{mr}}\right)---\left(4\right)$

式中：p=d/dt 为微分算子；u_sd，u_sq分别为定子电压的d，q分量；i_sd，i_sq分别为定子电流的d，q分量；i_mr为转子磁化电流；ω为转子电角速度；ω_m为转子机械角速度；ω_mr为转子磁链角频率；ω₂为转差角频率；ρ为转子磁链矢量电角；σ为电机漏磁系数；R_s，R_r分别为定子与转子电阻；L_s，L_r分别为定子与转子电感；T_r=L_r/R_r为转子回路时间常数；P为电机极对数。

电机定子电势主要由慢变量的转子磁化电流和转子转速决定，为简化交流电压控制结构，采用如下的定子相电势幅值计算式：

$e_s\≅e_{\mathrm{sq}}=(1-\mathrm{\σ})L_s{i}_{\mathrm{mr}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mr}}\≅(1-\mathrm{\σ})L_s{i}_{\mathrm{mr}}\mathrm{\ω}---\left(5\right)$

其中，e_sq为定子相电势q轴分量；

直流电压控制环是恒值调节系统，其主要技术指标要求是抗突变负载扰动性能。负载阶跃变化会产生动态电压，为抑制动态电压，并消除供给恒压直流负载的开关纹波，蓄电池组两端并接滤波电容器。忽略电机和整流器的损耗，则整流器输出功率i_dcu_dc 与发电机电磁功率在任何瞬时都相等，即

$M_e{\mathrm{\ω}}_m\≅i_{\mathrm{dc}}{u}_{\mathrm{dc}}---\left(6\right)$

其中，i_dc为整流输出电流，u_dc为整流输出电压，M_e为发电机电磁转矩；

由下式计算

$M_e=3P(1-\mathrm{\σ})L_s{i}_{\mathrm{mr}}{i}_{\mathrm{sq}}/2---\left(7\right)$

利用关系式ω=Pω_m及式（5）-（7）得到

$i_{\mathrm{sq}}\≅2u_{\mathrm{dc}}{i}_{\mathrm{dc}}/\left({3e}_{\mathrm{sq}}\right)---\left(8\right)$

为进行电压调节器设计，先求其被控传递函数。忽略电机和变流器损耗，由式(8)得到整流器输出功率与负载功率之差=电容吸收有功功率增量，即

$\mathrm{\Δp}=\frac{3}{2}{e}_s{i}_{\mathrm{sq}}-u_{\mathrm{dc}}{\stackrel{\‾}{i}}_{\mathrm{dc}}---\left(9\right)$

其中，为负载电流；

Δp与直流电压满足： $\frac{1}{2}C[u_{\mathrm{dc}}^2\left(t\right)-u_{\mathrm{dc}}^2\left(0\right)]={\∫}_0^t\mathrm{\Δp}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(10\right)$

设受扰后直流电压的变化量，动态电压为

$\mathrm{\Δu}\left(t\right)=u_{\mathrm{dc}}\left(t\right)-u_{\mathrm{dc}}\left(0\right)---\left(11\right)$

设 $u_{\mathrm{dc}}\left(0\right)=u_{\mathrm{dc}}^{*},\left|\right|\mathrm{\&Delta;u}\left|\right|<<u_{\mathrm{dc}}^{*}$ ，可导出

$u_{\mathrm{dc}}^2\left(t\right)-u_{\mathrm{dc}}^{*2}\&cong;2u_{\mathrm{dc}}^{*}\mathrm{\&Delta;u}\left(t\right)---\left(12\right)$

则由（10）和（12）得到

$u_{\mathrm{dc}}^{*}\mathrm{\&Delta;u}\left(t\right)=\frac{1}{C}{\&Integral;}_0^t\mathrm{\&Delta;p}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(13\right)$

式（13）两边取Laplace变换，有

$\frac{\mathrm{\&Delta;u}\left(s\right)}{\mathrm{\&Delta;p}\left(s\right)}=\frac{1}{u_{\mathrm{dc}}^{*}\mathrm{Cs}}---\left(14\right)$

式(14)标明，动态电压变化正比于电容吸收有功功率增量Δp 的积分，该部分有功功率增量应由发电机的有功功率增量提供。由于励磁控制环带宽较低，定子电势为慢变量，

 ，因此所需的有功增量主要由有功电流增量Δi_sq来提供。设置电流环带宽远高于电压环带宽，考察电压控制特性时，认为

，由式(5)～(7)得到

$\mathrm{\&Delta;p}=\frac{3}{2}{e}_s^{*}{\mathrm{\&Delta;i}}_{\mathrm{sq}}^{*}---\left(15\right)$

把（15）代入（14）得到：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;u}\left(s\right)/{\mathrm{\&Delta;i}}_{\mathrm{sq}}^{*}\left(s\right)=k_{u0}/s,\\ k_{u0}=3e_s^{*}/\left(2u_{\mathrm{dc}}^{*}C\right)\end{array}---\left(16\right)$

设中央控制器的被控传递函数为：

$G_{\mathrm{uc}}\left(s\right)=k_{\mathrm{up}}+k_{\mathrm{ui}}/s---\left(17\right)$

其中，k_up和k_ui分别是中央控制器的比例系数和积分系数；

电压环闭环特征多项式为 $S^2+k_{u0}{k}_{\mathrm{up}}s+k_{u0}{k}_{\mathrm{ui}}---\left(18\right)$

设ω_ub是电压环带宽，ζ是阻尼系数，则

$k_{\mathrm{up}}=2\mathrm{\&zeta;}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ub}}/k_{u0},k_{\mathrm{ui}}={\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ub}}^2/k_{u0}---\left(19\right).$

根据以上所述的本发明具有较高精度的调压性能，即使发电机转速或负载在较大的范围内变化，仍可以保证发电机输出电压在0.1V范围内变化；优化了负载功率与发电机转速之间的协同控制，提高了发电机功率利用率，将发电机功率损失降低50%以上，从而降低了汽车油耗，起到了节能减排的作用；优化了控制器的控制传递函数，实现了汽车发电系统低谐波和高性能的稳压控制；灵活运用器件的曲线特性，精确控制器件温度系数，并能按需要适当选定，解决了同类产品温度系数高居不下的状况，满足了各机型的需求；电路具有瞬时短路保护功能，过热、过流、过电保护功能，解决了同类产品的弱点；体积小，易于装配，适合当今汽车工业发展的要求。

根据本发明所作出的所有简单的增减、改变、组合等所得到的技术方案，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电压调节器，其特征在于：

所述调节器包括电路部分，其分别与晶体管和中央控制器相连接，所述中央控制器与保护电路相连，所述保护电路与所述晶体管连接，所述中央控制器还与激励电流控制器相连；

所述电路部分包括增幅电路、电压测量电路和电流测量电路，所述增幅电路的一个输入端口与发电机相连接，输入发电机的电压信号，所述增幅电路的输出端与热量校正电路输入端相连接，所述增幅电路的另一个输入端与电路部分中的电压设定部交互连接；所述热量校正电路与三角波振荡电路连接，所述热量校正电路的输出端与所述晶体管连接；所述电压测量电路的输入端与所述发电机连接，输入发电机的电压信号，所述电压测量电路的输出端分别与延迟电路和所述中央控制器的输入端相连接；所述延迟电路的输出端与故障检测电路的输入端相接；所述电流测量电路的输入端与发电机蓄电池总线相接，所述电流测量电路的输出端分别与所述中央控制器和所述故障检测电路的输入端相接；所述保护电路和所述故障检测电路均与故障指示灯连接；

所述电压设定部根据发电机转子的转速V_m和负载消耗的功率P_L，确定参考电压设定值U_ref，公式如下：

其中，a₁、a₂、b₁、b₂为常量；

所述中央控制器根据电压设定部所设定的参考电压设定值，控制激励电流控制器；激励电流控制器根据中央控制器的控制信号，控制发电机的激励电流，从而使发电机的输出电压保持不变；

所述中央控制器的被控传递函数的确定过程为：

发电机定子和转子电压d-q方程为：

      （1）

     （2）

                              （3）

           （4）

式中：p=d/dt 为微分算子；u_sd，u_sq分别为定子电压的d，q分量；i_sd，i_sq分别为定子电流的d，q分量；i_mr为转子磁化电流；ω为转子电角速度；ω_m为转子机械角速度；ω_mr为转子磁链角频率；ω₂为转差角频率；ρ为转子磁链矢量电角；σ为电机漏磁系数；R_s，R_r分别为定子与转子电阻；L_s，L_r分别为定子与转子电感；T_r=L_r/R_r为转子回路时间常数；P为电机极对数；

采用以下定子相电势幅值计算式：

      （8）

其中，e_sq为定子相电势q轴分量；

      （9）

其中，i_dc为整流输出电流，u_dc为整流输出电压，M_e为发电机电磁转矩；

由下式计算

      （10）

利用关系式及式（8）-（10）得到

      （11）

忽略发电机和整流器损耗，由式（11）得到整流器输出功率与负载功率之差等于与蓄电池两端并联的电容C吸收有功功率增加量，即

      （19）

其中，

为负载电流；

与直流电压满足：      （20）

动态电压为

      （21）

设

，可导出

      （22）

则由（20）和（22）得到

      （23）

式（23）两边取Laplace变换，有

      （24）

由于

，由（8）-（10）得到

      （25）

把（25）代入（24）得到：

      （26）

设中央控制器的被控传递函数为：

      （27）

其中，k_up和k_ui分别是中央控制器的比例系数和积分系数；

电压环闭环特征多项式为

      （28）

设ω_ub是电压环带宽，ζ是阻尼系数，则

      （29）。

2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，所述保护电路由过流保护、过电保护和热保护电路构成。

3.根据权利要求1或2所述的电压调节器，其中，所述电压调节器用于汽车。

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