CN1257618A - 一种特别适用于机动车辆的交流发电机的电压调整器 - Google Patents

Abstract

该电压调整器(VR)包含一个电子控制单元(ECU),该单元连接到一个检测受控电压的电路(11)和一个驱动交流发电机的场绕组(3)的电路(12)。此单元(ECU)用于计算表征受控电压的目标值(X_REF)及其瞬时值(X)之间误差量(E)的连续数值(E(n)),也用于计算与在场绕组中流动的电流的强度相对应的控制量(Y)的连续数值,这种计算依赖于此控制量(Y)的先前值(Y(n－1);Y(n－2))以及误差量(E)的瞬时值和先前值(E(n),E(n－1))。对交流发电机(2)的场绕组(3)中流动的电流的控制依赖于误差量(E)的数值或者依赖于控制量(Y)的增量。

Description

一种特别适用于机动车辆的交流发电机的电压调整器

本发明涉及用于机动车辆的电压产生和供给系统的电压调整器，其中包括带有场绕组和电枢绕组的交流发电机，它通过整流电路连接到电池以及一个可选择为连接或断开的电载荷。

更明确地说，本发明的主题是包含如下内容的电压调整器：

用于采集该系统中受控电压、例如整流器输出端的电压或者电池中的电压的数值的检测器装置；

连接到交流发电机的场绕组以便调节绕组中流动的电流的驱动电路；

以及一个连接到检测器装置和驱动电路的电子控制单元，它根据受控电压的数值依靠驱动电路来控制交流发电机的场绕组中流动的电流。

本发明的目的是提出一种改进的电压调整器，它能够使得当交流发电机转子的转动速度有变化时，以及当连接的电气载荷发生变化时，整流器输出端的电压或者电池中的电压基本上保持恒定，它也能够在连接了需要高强度的供给电流的电载荷的时候，防止或者至少大大减少交流发电机对机动车辆引擎施加的阻抗扭矩的突然增大。

依照本发明，利用了这样一种电压调整器来实现此目的以及其他目的，其主要特征在所附的权利要求1中进行定义。

本发明进一步的特征和优点将在下面通过纯粹非限制性例子给出、并参考附图的详细描述变得明朗：

附图1是一个部分为模块形式的机动车辆的电压产生和供给系统的框图，其中包含一个依照本发明的电压调整器，

附图2是一个在依照附图1的产生系统中获取受控电压的电路的模块图，

附图3是一个关于依照附图2的电路的运作方法的流程图，

附图4展示的是一个包含在依照附图1的电压调整器中的驱动电路的结构的模块图，

附图5展示的是一个依照本发明的电压调整器运作的流程图，

附图6定性地以实例的形式展示了在附图1的系统中把受控电压作为以横坐标给出的时间t的函数的曲线图。

在附图1中，总的用1来指示机动车辆中的电压产生和供给系统。

该系统包含一个交流发电机(总的用2指示)，其中包括一个场绕组3和一个多相位电枢或定子绕组4。在附图1的实施方案中，后者是一个三相绕组，并包含三个以星型排列方式相互连接的绕组。

电动机2的电枢绕组4连接到一个已知类型的整流器电路5，其中包含的一些二极管6连接成三相电桥。

整流器5有两个输出端5a和5b，它们通过导线7连接到两极8a和8b，这分别是蓄电池8(例如铅酸电池)的负极和正极。

一般地，电池8上连接了一些可选择为连接或断开的电载荷。在附图1中，这些载荷用单个可变的载荷9来表示，它可以通过开关10连入或断开。

在附图1中一般以VR来表示的电压调整器是与电压产生和供给系统相联系的。

电压调整器VR基本上包含一个用于获取产生系统1中的受控电压的数值的电路11。而作为例子，此受控电压可以是整流器5的输出电压、或者电池8中的电压。

电路11连接到电子控制单元ECU的输入端，而ECU包含例如微处理器和相关的存储器等。

控制单元ECU连接到驱动电路12，后者的输出连接到场绕组3的一个端口。在附图1中作为例子展示的实施方案中，场绕组3的另一个端口连接到了整流电路5的输出端口5a。

极其简单地并以众所周知的方式，控制单元ECU根据电路11采集的受控电压的数值，依靠驱动电路12来控制在工作中的交流发电机2的场绕组3中流动的电流的强度。

电压调整器VR也可以包含用于驱动指示灯L的电路13，其输入端连接到单元ECU的一个输出端。在附图1中作为例子展示的实施方案中，灯L安置于电路13的输出端与电池的正极之间，并与(例如与机动车辆的点火和起动器开关结合在一起的)开关14相串联，而且可以通过钥匙K进行操作。

出于下面即将更清晰阐明的原因，电压控制器VR可以有利地包含另一个输入电路15，它连接到交流发电机电枢绕组4的一相上，以便为控制单元ECU的另一个输入端提供一个指示交流发电机转子转速的信号Φ。调整器VR的用于获取产生系统中的受控电压瞬时值的输入电路11，它可以参考附图2和附图3，(例如)以下文所描述的方式构成。

附图2中的输入电路11包含一个选择电路16，它例如一个具有两个可以选择使用的输入端16a和16b的模拟复用器，用于分别采集整流器电路5的输出电压或者电池8中的电压作为受控电压。

根据控制单元ECU提供给电路16的逻辑控制信号SEL的电平，选择电路16的输出端的信号V₀对应于整流器电路5的输出电压或者电池8中的电压。

选择电路16的输出端通过一个噪声抑制滤波器18连接到模拟/数字转换器17的输入端。而转换器17的输出端连接到控制单元ECU。

控制单元ECU对转换器进行控制，以便从这里以预定的频率采集代表受控电压真实瞬时值的连续的数字信号X(n)。

如前文所述，上述的输入电路11可以用于监视整流器5的输出电压，或者监视电池8中的电压。在后一种情形，选择电路16的输入端16a必须连接到电池8的正极8a；而在前面一种情形，该电路的输入端16a必须连接到整流器电路5的输出端5a。

电气单元ECU可以有利地设置成自动识别输入电路11是处于这种或是处于那种连接状态，这如同下文参考附图3的流程图所描述的一样。

为了识别选择电路16的正在使用的输入端是输入端16a还是输入端16b，可以设置控制单元ECU按照附图3的流程图执行一段程序。在开始(在附图3中以50表示)之后，在接下来的步骤51中，为单元ECU准备的这段程序向电路16发送一个信号SEL(例如SEL＝“1”)，其状态或电平对应于当时在输入端16a采集的信号(如果有的话)。单元ECU接下来采集相应的数字信号X(在附图3中的步骤52)并验证(步骤53)该信号是否在预定的范围之内。如果确实如此，这就意味着选择电路16正在使用的输入端是输入端16a，因此在输入端16a和电池之间存在连接(在附图3中的步骤54)。如果信号不在预定的范围之内，控制单元ECU改变信号SEL的状态或电平(步骤56)，以便在输入端16b采集的信号能够被送到电路16的输出端。

驱动电路12可以(例如)以附图4中所示的方式构成。在此实施方案中，电路12包含一个标记为19的电路以产生一个固定频率但占空比可变(PWM)的驱动信号，此电路的输出连接到功率驱动器级20的输入端，作为示例，功率驱动器级20通过采用一个连接到交流发电机的场绕组3的MOSFET晶体管来构成。

作为示例，输入电路15可以包含一个方波形成电路，它把从一个电枢绕组获得的相位信号转换成方波信号，其频率与发电机转子的转速成比例，因此也与机动车辆的内燃引擎的转速成比例。

不管是对产生系统1中哪个电压进行控制，电压调整器VR的运作方式都将如下参考附图5的流程图进行描述。

此控制程序规定在“开始”步骤(附图5中的方框100)之后，在所讨论的时刻，由单元ECU采集相位信号Φ以及受控电压的的数字数值X(n)(方框101)。

控制单元ECU接下来准备计算误差量E的瞬时值E(n)(方框102)，这代表着受控电压的预定目标数值X_REF及其实际的瞬时值X(n)之间的差值：

                 E(n)＝X_REF-X(n)

控制单元也准备计算对应于在交流发电机的场绕组3中形成流动的电流的强度的控制量Y的瞬时值Y(n)，这依赖于该控制量的先前值以及误差量E的瞬时值和先前值。Y(n)可以方便地根据下式算出：

Y(n)＝a₁Y(n-1)+a₂Y(n-2)+b₀E(n)+b₁E(n-1)     (1)

在上面的式子中，a₁、a₂、b₀和b₁是根据系统1中采用的交流发电机预先确定的控制系数。此外，Y(n-1)和Y(n-2)代表控制量Y两个先前(已存储)的数值。E(n)是问题讨论所及的时刻误差量E的数值，而E(n-1)是计算出来的该误差量紧邻的先前值。

用于预先确定控制系数a₁和b₁的方式可以使得控制算式(1)能够让交流发电机表现出期望的性能，换句话说，在电气负载和引擎的转速发生变化的时候，能够让它的输出电压或电池中的电压基本上保持恒定和稳定。

这些系数的预定值以及电压的目标值X_REF被保存于包含在控制单元ECU中的存储器件中。

在第一实施方案中，控制单元ECU设计成将计算出来的误差量的瞬时值E(n)和有关的预定门限值E_th进行比较(附图5中的方框103)。

在第一种也是变通的实施方案中，控制单元ECU设计成检查控制量Y最近的增量，也就是差值Y(n)-Y(n-1)是否超过了预定的门限Y_th，这也在附图5的方框103中示意。

无论在哪种情形，如果E(n)低于相关的门限E_th或者如果Y(n)-Y(n-1)低于对应的门限Y_th，那么如同附图5的方框105中所述，控制单元ECU向驱动电路12发送一个对应于在所讨论的时刻计算出来的数值Y(n)的信号，接下来再采集相位信号Φ和受控电压X的后续值(附图5中方框106，101以及后续的方框)。

只要E(n)或者Y(n)-Y(n-1)保持各自的门限之下，则调整器VR继续依照上述的循环运作。驱动电路12从控制单元ECU收到的信号对应于在所讨论的时刻计算出来的Y(n)的数值，也对应于提供给功率驱动器20(附图4)的信号的一定的占空比数值，而这控制着在交流发电机2的场绕组3中电流的强度。

如图5中方框107所示，可以在上述的运作循环中有利地引入对信号Φ的周期(T)的一种检查；如果此周期小于一个预定的门限值T_th，则可以“跳过”将E(n)或者Y(n)-Y(n-1)与各自的门限进行比较这一步，而无论在哪种情形下，控制单元ECU将一个对应与Y(n)的数值的信号提供给驱动电路12。

对门限T_th进行选择以便使得其对应于机动车辆的内燃机一定的转速(例如，交流发电机转子的转速为2800转/分)，若在此数值之上，则系统1中连接的电载荷产生的对电流汲取的突然增加无论如何都不容易对引擎的转速产生严重的影响。

然而，当机动车辆的内燃机以低于对应于相位信号周期T_th的门限的转速运转时，也就是说，基本上当转速低到系统1中对电流汲取的突然增加可能严重影响到内燃机引擎的转速的时候，为附图5的方框107的后续部分提供的控制功能将得以实施。根据本发明的电压调整器VR与众不同的特点实际上涉及的是这些条件下的运作。

由此，设想内燃机引擎(由此交流发电机2的转子也同样)以相对较慢的速度旋转，无论如何，是低于对应于当相位信号Φ的周期T设定为门限值T_th的时候的数值。如果在这些条件下，在某时刻，计算出来的数值E(n)变得大于相应的门限值E_th，或者差值Y(n)-Y(n-1)变得大于相应的门限Y_th，则控制单元ECU转而采用不同的策略来控制交流发电机的场绕组3中的电流(附图5中方框108以及后续的方框)。

在描述这个控制场电流的方法之前，从物理的角度可以指出条件E(n)＞E_th意味着受控电压相对目标值X_REF的降低已经超过了预定的数量。

另一方面，条件Y(n)-Y(n-1)＞Y_th意味着：为了将受控电压基本上保持在目标值，需要增加的场电流超过了预定的数量。

因此上面所说的两个条件都指示着连接到电压产生和供给系统1的电载荷9要求传输一个非常大的电流，相应于此，交流发电机2对内燃机引擎施加的阻抗扭矩将有一个潜在着危险的增量。

如同附图5的方框108所示，当上述的条件中的某一个发生时，控制单元ECU将提供给驱动电路12一个信号，与其对应的不简单地是最近计算出来的Y(n)的数值，而是该数值上增加了一个预定的常数增量ΔY。

附图6定性地展示了系统1中受控电压V₀作为横坐标上给出的时间t的函数的曲线，控制单元ECU周期性地对其连续的数值X(n)进行采样和采集。

在附图6的图中，电平V_REF代表受控电压将基本上保持的目标值；此目标值对应于数字数值X_REF。

在同一图中，电压门限V_th代表当误差量E(n)的数值等于门限值E_th时受控电压下降到的数值；或者代表当差值Y(n)-Y(n-1)等于门限值Y_th时受控电压下降到的数值。受控电压V₀越过门限V_th的时刻用t₁指示。

从时刻t₁开始，如图5中方框108所示，控制单元ECU依照下式：

          Y(n)＝Y(n)+ΔY      (2)

以连续均匀增量的方式来驱动交流发电机中场绕组3中的电流，而不是在上述公式(1)的基础上计算出来的Y(n)的数值的基础上驱动该电流。

场电流连续的递增将引起受控电压V₀逐步地增长，正如附图6中的t₁时刻之后的图定性指示的那样。

受控电压将保持增长，直到其达到目标值V_REF附近，而且特别地，直到在随后的某个时刻t₂达到另一个门限V_th0(附图6)的数值。

门限V_th0比门限V_th距离目标值V_REF要近得多。

当受控电压V₀达到并超出门限V_th0时，误差量将等于并接着变得小于门限值E₀。

相应地，在t₁和t₂之间的时段，在实施场电流的递增之后，控制单元ECU将检查误差E(n)是否小于E₀(附图5中的方框109)。如果实际情形不是如此，则该单元进一步增加场电流(附图5中的方框110以及接下来的方框108)。

一旦受控电压V₀达到并超出门限V_th0，而误差E(n)变得小于E₀的时候，控制单元ECU认为受控电压突然下降的阶段已经结束了，于是继续以时刻t₁之前所执行的方式来控制场电流，或者说，继续以上述从附图5的方框101开始的流程进行控制。

门限V_th及其相应的门限E_th和Y_th可以有预定的常数数值。

然而，已经发现：对于连接的载荷所要求的电流提供一定增量，由此引起的受控电压的降低幅度将随着发电机转子的转速而变化的。换句话说，对于电流输出需求的一定增量，当发电机以低速转动时比起以相对较高速度转动时受控电压将遭受更为显著的下降。

根据前文所述的观点，为了更可靠更精确地控制场电流，上述的门限应该优选地不固定，而是依据一个预定的函数按照转速而动态地修改。出于此目的，控制单元ECU可以容易地采用门限Y_th或者随着转速增加而增加的门限E_th，而控制单元ECU可以(例如)仅仅通过测量相位信号Φ的周期或者频率便可推算出转速。

自然，只要本发明的原理保持不变，尽管相对于上文纯粹非限制性的、示例性的描述和阐明来说，实施方案的形式和构造的细节可以有大幅度的变化，但也不会因此而超出所附的权利要求限定的本发明的范畴。

Claims (7)

1.一种机动车辆的电压产生和供给系统(1)的电压调整器(VR)，包含带有一个场绕组(3)和一个电枢绕组(4)的交流发电机(2)，它通过整流电路(5)连接到电池(8)以及一个可以选择为连通或断开的电载荷(9)，该电压调整器(VR)包含：

用于采集该系统中受控电压(V₀)(例如整流器(5)输出端的电压或者电池(8)中的电压)的数值(X)的检测器装置(11)；

连接到交流发电机(2)的场绕组(3)的驱动电路(12)，用来调节这个绕组(3)中流动的电流；

以及一个连接到检测器装置(11)和驱动电路(12)的电气控制单元(ECU)，它根据受控电压的数值，依靠驱动电路(12)来控制交流发电机的场绕组(3)中流动的电流；

该电压调整器的特征在于，控制单元(ECU)是如下设置的：

计算并存储表征受控电压的目标值(X_REF)及其真实瞬时值(X)之间误差量(E)的连续数值(E(n))；

计算并存储与在场绕组(3)中流动的电流的强度相对应的控制量(Y)的连续数值，这种计算依赖于此控制量(Y)的先前值(Y(n-1)、Y(n-2))以及误差量(E)的瞬时值(E(n))和先前值(E(n-1))；

当误差量(E)的瞬时值(E(n))或者当控制量(Y)的瞬时值(Y(n))及其先前值(Y(n-1))之间的差值低于各自预定的门限值(E_th；Y_th)的时候，对交流发电机(2)的场绕组(3)中流动的电流的控制遵循一种常规的过程来进行，以便使该电流对应于计算出来的控制量(Y)的瞬时值(Y(n))；

当误差量(E)的瞬时值(E(n))或者控制量(Y)的瞬时值(Y(n))及其先前值(Y(n-1))之间的差值超过各自预定的门限值(E_th；Y_th)的时候，并且只要误差量(E)的数值保持高于一个预定的参考值(E₀)，对场绕组(3)中流动的电流的控制就遵循一种特殊的过程来进行，以便使该电流对应于计算出来的控制量(Y)的瞬时值(Y(n))加上一个预定的增量(ΔY)。

2.依照权利要求1的电压调整器，其特征为：门限值(E_th；Y_th)是恒定的。

3.依照权利要求1的电压调整器，其特征为：还包含检测器装置(15)用于为控制单元(ECU)提供指示交流发电机(2)的转子(3)的转速的信号(Φ)，而且门限值(E_th；Y_th)可以以预定的方式根据转子的转速而变化，当转速增加时这些数值也增加。

4.依照上述任何一项权利要求的电压调整器，还包含用于为控制单元(ECU)提供指示交流发电机(2)的转子(3)的转速的信号(Φ)的检测器装置(15)，该调整器的特征为：当转子的转速大于一个预定的数值的时候，控制单元(ECU)仅仅依照常规的程序来控制场电流。

5.依照权利要求3和4的电压调整器，其特征为：所述另一个检测器装置包含一个方波形成电路(15)，它连接到交流发电机(2)的电枢绕组(4)中的一相绕组上。

6.依照上述任何一项权利要求的电压调整器，其中用于检测受控电压的装置中包含两个可以分别连接到电池(8)和整流器(5)的输出端的输入端(16a，16b)，而输入端(16a，16b)可以根据选择控制信号(SEL)可选择性地连接到控制单元(ECU)的一个输入端。

7.依照权利要求6的电压调整器，其特征为：控制单元(ECU)采用了一种自动的过程来识别检测器装置(16)的输入端(16a，16b)中的哪一个连接到电压产生和供给系统(1)。

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