CN103199783A

CN103199783A - 一种基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器及控制方法

Info

Publication number: CN103199783A
Application number: CN201310112236XA
Authority: CN
Inventors: 连小珉; 杨殿阁; 沙毅宁; 孔伟伟; 李兵
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-07-10

Abstract

本发明涉及一种基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器及控制方法，控制器由电压采集单元、电压控制单元、通讯单元、功率放大单元和驱动单元组成。其中，电压控制单元产生高频方波信号，并根据电压采集单元采集的汽车发电机实际输出电压和通讯单元获取的整车用电参考电压调整高频方波信号的占空比，功率放大单元提高高频方波信号的功率后传给驱动单元，驱动单元根据功率放大单元输出的高频方波信号，驱动功率MOS管，以控制汽车发电机励磁电流通断，进而间接控制汽车发电机励磁电流大小的，解决汽车发电机电压稳定问题，为汽车智能电源的使用提供更好的基础。本发明可以广泛适用于采用发电机－蓄电池供电方式的汽车。

Description

一种基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种发电机电压控制器及控制方法，特别是关于一种基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器及控制方法。

背景技术

传统的汽车发电机电压调节方式主要为开关式调节，且多为硬件电路搭建，电压调节的稳定度、准确度和灵活性都不能得到有效保障。特别是采用发电机－蓄电池供电方式的汽车，当根据最新电源策略要求，发电机根据电池和整车情况进行间歇式工作，原有的开关式电压调节在发电机状态变换瞬间容易产生冲击，不能适应新的工作方式。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器及控制方法，该电压控制器能够利用内置的PID算法实时调整输出的高频方波信号占空比，从而控制汽车发电机励磁电流通断，进而间接控制汽车发电机励磁电流大小，解决汽车发电机电压稳定问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器，其特征在于：它包括电压采集单元、电压控制单元、通讯单元、功率放大单元和驱动单元；所述电压采集单元输入端连接汽车发电机输出端，输出端连接所述电压控制单元输入端，所述电压控制单元输出端连接所述功率放大单元输入端，所述功率放大单元输出端连接所述驱动单元输入端，所述驱动单元输出端连接汽车发电机输入端，同时所述电压控制单元还数据连接所述通讯单元，所述通讯单元数据连接上位机。

上述基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器的控制方法，其包括以下步骤：电压采集单元实时采集汽车发电机的实际输出电压，将其传给电压控制单元；通讯单元与上位机通讯，从上位机获取整车用电参考电压，以及上传汽车电源系统信息至上位机；电压控制单元产生用于控制汽车发电机励磁电流的高频方波信号，且根据电压采集单元采集的发电机实际输出电压和通讯单元获取的整车用电参考电压调整高频方波信号的占空比；功率放大单元提高电压控制单元输出的高频方波信号功率；驱动单元根据功率放大单元输出的高频方波信号，驱动功率MOS管，以控制汽车发电机的励磁电流通断。

上述一种基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器的控制方法，其特征在于，所述电压控制单元根据发电机实际输出电压和整车用电参考电压的差值，实时计算所需高频方波信号的占空比，其包括以下步骤：1）电压控制单元获得通讯单元传来的整车用电参考电压R和电压采集单元传来的汽车发电机实际输出电压V后，检查R是否为零：如果是，进入步骤2）；否则，进入步骤3）；2）检查占空比是否为零：如果是，保持占空比为零，进入步骤4）；否则，进入步骤3）；3）计算R与V之间的电压差值e_k，将其与给定的电压阈值U进行比较：如果e_k的绝对值大于U，则线性改变占空比，进入步骤4）；如果e_k的绝对值小于U，则采用PID算法实时计算所需高频方波信号的占空比，进入步骤4）；4）结束。

上述PID算法为增量式。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明借助电压控制器产生占空比可控的高频方波，对汽车发电机的励磁电流进行控制，由于方波频率高，在励磁线圈电感的作用下励磁线圈内部的励磁电流会更加平稳，相应地汽车发电机输出电压也会更加平稳。2、本发明通过上位机设置电压控制器产生高频方波的占空比，能够通过改变PID算法中比例、积分、微分参数的大小，实现不同的控制目标，比硬件电路更为灵活可变，且参考电压为数字量，长时间稳定性好。3、本发明能够将电源系统的信息实时上传至上位机，乃至汽车通讯总线，便于整车安全管理，可以与智能电源控制器（已申请专利，专利公开号CN102545758A）进行结合，更好地实现汽车电源系统的智能控制。本发明可以广泛适用于采用发电机－蓄电池供电方式的汽车。

附图说明

图1是本发明电压控制器的组成结构示意图；

图2是本发明电压控制器的电压采集单元电路结构示意图；

图3是本发明电压控制器的功率放大单元和驱动单元电路结构示意图；

图4是本发明电压控制器工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的汽车发电机电压控制器包括电压采集单元1、电压控制单元2、通讯单元3、功率放大单元4和驱动单元5。其中，电压采集单元1输入端连接汽车发电机6输出端，输出端连接电压控制单元2输入端，电压控制单元2输出端连接功率放大单元4输入端，功率放大单元4输出端连接驱动单元5输入端，驱动单元5输出端连接汽车发电机6输入端，同时电压控制单元2还数据连接通讯单元3，通讯单元3数据连接上位机7。

如图2所示，为电压采集单元1的一种电路图。其中，所采集的电压VB经过电阻R30和R34的分压，经过电阻R31、电容C2的滤波，再经过稳压二极管DZ1的稳压，输入给放大器U6，经放大器U6输出端PV1传给电压控制单元2中，电容C19进行滤波，稳定放大器U6的电源，使U16更好的工作。VIO是放大器U6正常工作所需电源。

如图3所示，为功率放大单元4和驱动单元5的一种电路图。其中，Port输出代表电压控制单元2输出的高频方波信号。当Port输出为高电压时，NPN型三极管Q1基极为高位，Q1导通，PNP型三极管Q2基极为低位，Q2导通，NPN型三极管Q3与PNP型三极管Q4基极为高位，Q3导通，Q4截止，MOS管（MOSFET-N）Q5栅极为高位，Q5导通，蓄电池为励磁线圈L1（Inductor）供电；反之，当Port输出为低电压时，Q1基极为低位，Q1截止，Q2基极为高位，Q2截止，Q3与Q4基极为低位，Q3截止，Q4导通，MOS管Q5栅极为低位，Q5截止，存储的电荷由Q4接地释放，为励磁线圈L1供电停止，D1和D2为蓄流二极管（Diode），用于保护电路在励磁线圈L1放电时不受破坏。R1～R7为电阻，12V是功率放大单元4和驱动单元5控制发电机励磁线圈L1通断所需电源。

本发明电压控制器工作时，包括以下步骤：

电压采集单元实时采集汽车发电机的实际输出电压，将其传给电压控制单元；

通讯单元与上位机进行数据交互，从上位机获取整车用电参考电压，将其传给电压控制单元，以及上传汽车电源系统信息至上位机；

电压控制单元产生用于控制汽车发电机励磁电流的高频方波信号，且根据电压采集单元采集的发电机实际输出电压和通讯单元获取的整车用电参考电压调整高频方波信号的占空比；

功率放大单元提高电压控制单元输出的高频方波信号功率；

驱动单元根据功率放大单元输出的高频方波信号，驱动功率MOS管，以控制汽车发电机的励磁电流通断，从而达到控制励磁电流大小的目的，进而使发电机输出的电压更平稳。

上述步骤中，所述电压控制单元可以根据发电机实际输出电压和整车用电参考电压的差值，实时计算所需高频方波信号的占空比。

如图4所示，电压控制器的工作流程如下：

1）电压控制单元获得通讯单元传来的整车用电参考电压R和电压采集单元传来的汽车发电机实际输出电压V后，检查R是否为零：

如果是，进入步骤2）；

否则，进入步骤3）；

2）检查占空比是否为零：

如果是，说明已经到达调节稳定状态，则无需浪费计算资源，保持占空比为零，进入步骤4）；

否则，进入步骤3）；

3）计算R与V之间的电压差值e_k，将其与给定的电压阈值U（正值）进行比较：

如果e_k的绝对值大于U，则线性改变占空比，以线性改变励磁线圈电流大小，避免积分运算累积差值过大，进入步骤4）；

如果e_k的绝对值小于U，则采用PID算法实时计算所需高频方波信号的占空比，进入步骤4）。

4）结束。

上述步骤3）中，线性改变占空比时，如果e_k大于U，则线性递增占空比，如果e_k小于-U，则线性递减占空比。

上述步骤3）中，如果采用经典数字PID算法，有：

d_{k} = K_{p} e_{k} + K_{I} Σ_{j = 0}^{k} e_{j} + K_{D} (e_{k} - e_{k - 1}) + u_{0}

d_{k - 1} = K_{p} e_{k - 1} + K_{I} Σ_{j = 0}^{k - 1} e_{j} + K_{D} (e_{k - 1} - e_{k - 2}) + u_{0}

上式中，K_P为比例参数、K_I为积分参数、K_D为微分参数，e_j,j=0…k,e_k,e_k-1,e_k-2为整车用电参考电压R和汽车发电机实际输出电压V的差值的历史记录，d_k、d_k-1为当前和上一次的占空比，u₀为常量。

由于积分项的存在，如果采用经典数字PID算法，则需要十分庞大的存储空间用于存储历史数据。为此，本发明优选增量式PID算法计算所需高频方波信号占空比，以节约存储空间。

将上述两式相减，有前后两次占空比的增量Δd：

Δd=d_k-d_k-1=K_p(e_k-e_k-1)+K_Ie_k+K_D(e_k-2e_k-1+e_k-2)

=(K_p+K_I+K_D)e_k-(K_p+2K_D)e_k-1+K_De_k-2

d_k=d_k-1+Δd

增量式PID算法的具体步骤如下：

①获取参考电压R与实际电压V后，计算最新差值e_k=R-V，已知前两次的差值e_k-1和e_k-2，代入下式计算中间量m、n、p：

m=(K_p+K_I+K_D)e_k，n=(K_p+2K_D)e_k-1，p=K_De_k-2

②通过下式计算增量Δd：

Δd=m-n+p

③通过下式计算当前所需占空比d_k：

d_k=d_k-1+Δd；

④更新差值记录：e_k-2=e_k-1，e_k-1=e_k。

⑤由物理意义可知，占空比大小在0%～100%范围内，因此最后通过限位环节控制占空比大小。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器，其特征在于：它包括电压采集单元、电压控制单元、通讯单元、功率放大单元和驱动单元；所述电压采集单元输入端连接汽车发电机输出端，输出端连接所述电压控制单元输入端，所述电压控制单元输出端连接所述功率放大单元输入端，所述功率放大单元输出端连接所述驱动单元输入端，所述驱动单元输出端连接汽车发电机输入端，同时所述电压控制单元还数据连接所述通讯单元，所述通讯单元数据连接上位机。

2.一种如权利要求1所述的基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器的控制方法，其包括以下步骤：

通讯单元与上位机通讯，从上位机获取整车用电参考电压，以及上传汽车电源系统信息至上位机；

功率放大单元提高电压控制单元输出的高频方波信号功率；

驱动单元根据功率放大单元输出的高频方波信号，驱动功率MOS管，以控制汽车发电机的励磁电流通断。

3.如权利要求2所述的一种基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器的控制方法，其特征在于，所述电压控制单元根据发电机实际输出电压和整车用电参考电压的差值，实时计算所需高频方波信号的占空比，其包括以下步骤：

如果是，进入步骤2）；

否则，进入步骤3）；

2）检查占空比是否为零：

如果是，保持占空比为零，进入步骤4）；

否则，进入步骤3）；

3）计算R与V之间的电压差值e_k，将其与给定的电压阈值U进行比较：

如果e_k的绝对值大于U，则线性改变占空比，进入步骤4）；

如果e_k的绝对值小于U，则采用PID算法实时计算所需高频方波信号的占空比，进入步骤4）；

4）结束。

4.如权利要求3所述的一种基于脉宽调制的汽车发电机电压控制器的控制方法，其特征在于：所述PID算法为增量式。