CN1169058A - 汽车用交流发电机激励电流调节的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种调节小汽车交流发电机转子线圈激励电流的方法。所说的交流发电机可给出一个待调整的整流输出电压。该整流电压是一个周期电压，其每一个周期T可以分成第一交流半周T1和第二半周T2。第一半周时电池的电压被加到转子线圈上，而第二半周时电池电压不加到转子线圈上。该方法包括在交流发电机整流电压的每个周期T经取样对整流电压进行测量，将测得的整流电压值和计算得的参考值进行比较等步骤。

Description

汽车用交流发电机激励电流调节的方法和装置
本发明涉及一种对小汽车的交流发电机(motor vehicle alternator)的激励电流通过数字处理进行调节的方法和一种使用此方法的调节装置。
已经知道，交流发电机是这样一种电机，在一个旋转时通有激励电流的转子线圈的作用下在其中的定子绕组中产生一个交变电流。在定子绕组的输出端一个二极管桥对交变电流进行整流以便向汽车电池给出一个连续电压。
不管交流发电机的转速如何以及电池负载如何，此电压应调得保持不变。因此交流发电机的输出电压在激励电流图上因调节而呈现出波动。此波动的周期为T，T包含交替出现的T1与T2包含一个第一半周T1，在T1半周内汽车电池的电压加到转子线圈上，使得能增大转子线圈中通过的电流。周期中还包含一个第二半周T2，在T2半周内电池电压不加到转子线圈上，使转子线圈中电流变小。关系式T1/(T1+T2)被称为周期关系式。
已知道用数字技术进行调节。欧洲专利No.EP-A-0 481862特别描述了一种用数字处理进行调节的方法，按照此法在每周期T要经取样对交流发电机的输出电压进行一次测量，测得电压的数字值随后和一参考值作比较，再通过此比较推断出随后周期的交流半周T1和T2的值，这种推断是通过修改正比于被测输出电压和参考电压之差的周期关系式。
在改变周期关系式的值的选择中提出一个问题。事实上如果激励选通脉冲的延续时间T1很小，如果交流发电机的负载突然急剧增大，这时希望迅速增大激励选通脉冲的延续时间T1，因而使周期关系式有一个很大的改变值，以使系统能快速反应。这使得有必要将被测电压和参考电压之差乘上一个大的校正系数。
另一方面，在此情况下，测量电压和参考电压之间最小的变化会对激励选通脉冲发生猛烈反响而使调节不稳定。
本发明以克服这些不便为目的提出一种调节方法，使整个调节系统能快速反应而保证稳定的调节。
本发明为此提出一种调节汽车交流发电机转子线圈激励电流的方法。所说的交流发电机特别包括一个桥式整流器，它可给出一个待调整的整流输出电压。该整流电压表现为一种波动，包含有一个由幅度可变的激励信号引发的低频分量。所说的整流电压因此是一个周期电压，其每一个周期T可以分成第一交流半周T1和第二半周T2，T1与T2所带符号相反。第一半周时汽车电池的电压被加到转子线圈上，而第二半周时电池电压不加到转子线圈上。该方法的本质在于包括以下步骤：
-经取样对整流电压进行测量，也就是说进行连续不断的和接近的测量，
-将测得的整流电压值和计算得到的参考值进行比较，其特征在于从此比较推断出：
-一个第一数字值，对应于测得的整流电压值和参考值之差，
-一个第二数字值，称为闭路激励，是对每个周期T计算得的，在上个周期的闭路激励值上加上应用了第一个校正系数的第一数字值，
-一个第三数字值，称为开路激励，是对每个周期T计算得的，在同一周期T中在前面计算得的闭路激励值上加上应用了第二个校正系数的第一数字值，此第三数字值决定着电池电压加到转子线圈上的时间T1。
按照该发明较优选的一方面，第二个校正系数是一个数值大于第一校正系数数值的数。
由于本发明，可以使用两个分离变量，其一为决定着激励半周的延续时间T1的开路激励，它演变很快使得能对负载的增大快速作出反响；另一为闭路激励，它在电压的各相邻周期间变化很小，因而在每个周期作为开路激励的计算依据。这使得可以同时得到稳定而快速的调节。
根据本发明的另一方面，当已计算了闭路激励的第二数字值时便进行一次检验，而如果所说的闭路激励值等于周期T的延续时间，则开路激励的第三数字值等于周期T。
这使得当处于完全范围，也就是说当激励电压在整个周期T中被加到转子线圈上时，可以避免计算开路激励。
按照本发明的其他特性，
-参考值是作为汽车的交流发电机和/或电池的至少一个有关参量的函数而计算得到的；
-参考值是作为交流发电机和/或电池的温度的函数而计算得到的；
按照该发明的另一方面，该调节方法在于：
-在每一周期T中完成一次温度测量，
-从此推断出一个参考值，它是被测温度的函数，所说的参考值然后和测得的整流电压值进行比较。
按照该发明的另一个特征，参考值的计算是根据给定温度预先确定的一个值，同时对此预定值应用一个作为温度函数的校正系数。
其他特征和优点将通过阅读下面的实施例的说明并参考附图而得到了解，实施例不作为限制，其中：
-图1是按照本发明的调节装置的原理简图；
-图2是说明本发明的方法的几个信号的时间示意图；
-图3和图4是表示本发明的功能的程序方框图；
-图5是给出计算得的输出电压参考值对温度的关系的曲线。
图1中表示出一只交流发电机1，它包含有定子的线圈3。在转子线圈4的作用下线圈3中产生一个交变电压。二极管桥5连接到线圈3的输出端来供给一个整流电压UB +加到汽车的电池和车载电路系统上。
流过转子线圈4的激励电流由调节装置2进行调节，后者包含一个激励电流控制电路7，例如由一个功率晶体管组成，当其导通时允许激励电流通过，不通时使转子线圈得不到汽车电池的供电。二极管6与转子线圈4并联，使得转子线圈4在得不到电池供电时电流也能在其中流通。
此外调节装置2包括有一个微控制器13，其中包括：
-一只微处理器8，可以完成调节工作所必需的计算和处理，它备有一个存储器；
-微处理器的一个输入和输出接口9；
-一只模/数转换器10，能将交流发电机的整流电压UB +变换成8位位组序列，并将来自温度传感器11的代表交流发电机或电池的温度给出的电压转换成数字值；
-一个延时电路12，可引发中断以变更激励状态并将微处理器8计算得的已知值记存起来。温度传感器11是调节装置2的一部分。
在图2A上，表示出在汽车交流发电机输出端或电路系统上出现的那种待调节电压UB +。时间被标在横座标上而电压沿纵座标。
此电压UB +表现出有高频率的波动20，这特别是由于对UB +进行整流的二极管桥5引起的。在此波动20上叠加有一个频率低得多的波动21，其幅度随转子线圈中激励电流的变化而变化。
因此电压UB +的平均值在一个平均电压22两边摆动。
联系表示加到转子线圈4上的激励电压和时间关系的图2C来看，低频波动21的周期为T，并可分为两个半周T1和T2。
在T1半周，在图2C上出现一个选通脉冲，表明一个激励电压被加到转子线圈4上。这使电压UB +增大，如同在图2A上所见。
相反在T2半周，没有任何激励电压加到转子线圈上。这在图2C上由一个零电平所表示，并使电压UB +降低(图2A)。
周期关系式T1/(T1+T2)理论上能够依照电路使用者的需要和电池的负载状况从0变到100％。
此周期关系式，或更准确地说半周延续时间T1，根据本发明是利用两个变量而算得：一个叫做闭路激励EXF，一个叫做开路激励EXO。
在图2C上可看到变量EXO确定了半周的数值T1，也就是一个激励电压加到转子线圈上的延续时间。此变量从一个周期到另一个周期变化很快。
正如在下面的说明中将要看到的，第二个变量EXF被用作计算的中间媒体，并在此时间内变化慢得多，这样就能保证调节有一个好的稳定性。
图2B表示选通脉冲Te，它相应于在每个周期T中经取样对电压UB+进行一次测量的时间长度。
这个时间长度Te的取样测量，无论周期关系式怎样都被安排在每个周期T的后半部分，使得它在周期T结束之前一个很短的时间ε处结束。取样时间长度Te等于半个周期T。
因此，由于电压UB +的测量时间长达半个周期，因而测量是可靠的，而它被置于周期T的末尾这一事实使得调节装置2可能有一个快速响应时间。
这一整套操作是由微控制器13所管理的一个程序完成的。
因此，图2D表示延时电路12引发的一个中断I1触发出一个延续时间长达延时电路12中记入的整个延续期间T1的激励选通脉冲(从图2C可见)。
一当这段延续时间过去，延时电路12即引发中断I2，使得在整个T2期间激励降到零。
在下面的说明中将描述本发明的调节方法的功能，同时回顾图3和图4中表示所说的方法的一个实施例的程序方框图。
图3表示微控制器13执行的主程序，而图4表示每次由延时电路12产生中断时所执行的中断程序。其延续时间和主程序执行的其他操作的相比可以忽略。
如图3所示，程序从微控制器13和延时电路12使用的所有参量的初始化步骤30开始，接着的步骤31对温度θa和相应电压Uref(θa)的预定值进行存储。
为了详细说明此程序，假定处于中断I1刚引发，并触发出延续时间T1的激励选通脉冲时的瞬间为t1。
由于程序初始化时取样指示器已置于“否”，当进行取样检验32时选择的是输出33。因此微控制器等待在步骤34处，直至经过一段预先存入存储器中的短于T-T/2-ε的时间长度。然后在步骤35处取样指示器被置于“是”。
应该指出，进行不构成本发明目的的补充计算和处理，微控制器等待34可以更有利地得到利用。
在再次到取样指示器检验32时，其输出36被选取，接着完成随后的操作：
-在步骤37，利用温度传感器11提供的信息用模/数转换器10进行一次温度θ的测量；
-在步骤38，计算电压参考值Uref(θ)和被测得的温度θ的关系；参考图5将可更深入地阐明此计算方法；
-从t1瞬间过去一段期间T-T/2-ε以后，电压UB +的测量在步骤39开始并在整个Te期间由取样完成，也就是说，对UB +进行N次连续的测量，再由微处理器8相加并以两个8位位组的数的形式存储起来。
加以变动，温度θ的测量操作(步骤37)和参考值Uref(θ)的计算操作(阶段38)可以在阶段34完成。
-在Te期间末尾，以及在ε时间内，进行变量EXF和EXO的计算，它们可以确定下个周期的周期关系式：
-在步骤40，将测得的电压UB +值和参考值Uref(θ)之差值存入一个变量DIFF；
-在步骤41，对随前一周期计算得的变量EXF0而变的闭路激励变量EXF1进行计算；为此，将变量DIFF中的存储值乘以一个系数A，再将此计算结果加到变量EXF0上以得到EXF1；
-在步骤42，进行一次检验以检查计算得的变量EXF1是否等于周期T的时间长度；
-如果EXF1等于T，则选择检验42的出口44，并在步骤45将先已计算得的EXF1值，即周期T的值用于开路激励变量EXO1；
-相反，如果检验42的结果为否定的，则选择检验42的出口43，并在步骤46进行开路激励变量EXO1的计算，此时将前已算得的EXF1值加上一个乘有系数B的变量DIFF的值，其中的系数B大于系数A；
-然后在步骤47，将取样指示器转到“否”再回到初始检验32。
系数A和B是在进行比较检验时已预先确定的、存在存储器中的数。例如A＝2和B＝4。
EXO1的计算已作了说明，其数值决定着从瞬间t2开始(参考图2)将加到下一个周期上的激励选通脉冲的延续时间长度。
EXF和EXO两个变量的计算方法不同，它们的使用使得当加到交流发电机上的负载的增大时可能倚仗变量EXO大大增大激励选通脉冲，同时倚仗随着周期变化不大、又总是作为变量EXO的计算根据的变量EXF完全保持着一定的稳定性。
参考图4，我们现在将叙述每当延时电路12触发一次中断时微控制器13所执行的中断程序。
当中断50发生时，进行检验51可以了解中断控制标帜D的状态。
如果控制标帜D在0，则选取检验出口52。在步骤54，立即将数值1记入控制标帜D，然后在55将主程序计算得的T1值，也就是说变量EXO的值记入延时电路12，以便在时间T1过去后引发下一次中断。
在56，微控制器13向激励电流控制电路7发出指令向转子线圈4供给激励电流，也就是说触发一个延续时间为T1的激励选通脉冲，如图2C中所见那样，然后在60返回主程序。
当激励延续时间T1过去，延时电路12引发一次新的中断，并再次进行检验51。
当控制标帜D在1，则选取检验51的出口53。在步骤57，将数值0记入控制标帜D，然后在步骤58将主程序计算得的随EXO值而变化的T-T1＝T-EXO值记入延时电路12。末后在步骤59向激励电流控制电路7发出指令，在整个T-T1期间停止向转子线圈4供电，并在60返回主程序。
当T-T1期间过去，将会触发一个新的中断。而当控制标帜D在0，进行的将是步骤51、52和54至56。
图5表示出如何从给定温度θa的预先确定的一个参考值Uref(θa)出发计算出整流电压的参考值Uref(θ)。
从此预先确定的值出发，要使用一个取决于已测得的温度θ的校正系数f(θ)：
Uref(θ)＝Uref(θa)-f(θ)。
在图5上由曲线70和80表示出函数-f(θ)的两个可能的例子。
例如如果f是一个随温度θ而线性上升的函数，则图上表示的-f(θ)为一个斜率为负的直线。
在被考虑的例子中，曲线是在θa＝-30℃和b＝140℃之间计算得到的。在曲线70上，Uref(θa)＝15.05伏而Uref(θb)＝13.35伏，这使得可以获得-10毫伏/℃的热补偿。而在曲线80上，U′ref(θa)＝14.725伏而U′ref(θb)＝14.13伏，这使得可获得-3.5毫伏/℃的热补偿。
当然，将能够使用其他形式的热补偿，特别是函数f不必一定是一个线性函数而可以是任何函数。
同样，输出电压的参考值可以随交流发电机其他参量，如其速度或加上的负载的变化而计算得到。

Claims (8)

1.汽车用交流发电机的一种转子线圈(4)的激励电流的调节方法，所说的交流发电机特别包含有一个桥式整流器(5)，可以给出一个待调节的整流输出电压(UB +)，整流电压(UB +)为包含有幅度可变的激励信号引发的低频分量的波动。因此所说的整流电压为一个周期性电压，其每个周期T可分成一个第一半周T1，其间汽车电池的电压被加到转子线圈上，还有一个第二半周T2，第一半周T1与第二半周T2所带符号相反，其间电池电压不被加到转子线圈上。该方法在于包含步骤：
-经取样对整流电压(UB +)进行测量，也就是说进行连续不断的和接近的测量，
-将测得的整流电压(UB +)值和计算得的一个参考值(Uref)进行比较，
其特征在于从这一比较推断出：
-一个第一数字值(DIFF)，相应于测得的整流电压值(UB +)和参考值(Uref)之差，
-一个第二数字值(EXF)，称为闭路激励，是对每个周期T计算得的，在上个周期的闭路激励值上加上应用了第一校正系数(A)的第一数字值(DIFF)，
-一个第三数字值(EXO)，称为开路激励，是对每个周期T计算得的，在同一周期T中在前面计算得的闭路激励值上加上应用了第二校正系数(B)的第一数字值(DIFF)，此第三数字值决定着将电池电压加到转子线圈(4)上的时间T1。
2.一种交流发电机转子线圈的激励电流调节装置，其特征在于它实施以权利要求1为根据的方法。
3.按照权利要求1的调节方法，其特征在于第二校正系数(B)是一个数值大于第一校正系数(A)数值的数。
4.按照权利要求1或3中的一个权利要求的调节方法，其特征在于当已计算了闭路激励的第二个数字值时便进行一次检验，而如果所说的闭路激励值等于周期T的延续时间，则开路激励的第三个数字值等于周期T。
5.按照上述权利要求1或4的调节方法，其特征在于参考值(Uref)是作为和汽车交流发电机和/或电池有关的至少一个参量的函数而计算得的。
6.按照权利要求5的调节方法，其特征在于参考值(Uref)是作为交流发电机和/或电池的温度的函数而计算得的。
7.按照权利要求4或5的一个权利要求的调节方法，其特征在于该方法是：
-在每个周期T中对温度(θ)进行一次测量，
-从此推断出一个参考值(Uref(θ))，它是被测温度(θ)的函数，所说的参考值然后和测得的整流电压(UB +)值进行比较。
8.按照权利要求7的调节方法，其特征在于参考值(Uref(θ))是用对给定温度(θa)预先确定的值(Uref(θa))计算得的，同时对所说的预定值(Uref(θa))使用一个校正系数，后者是温度(θ)的函数。
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