CN1310419C - 车辆发电机的扭矩计算单元 - Google Patents

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Abstract

一种包括转子、电枢绕组、励磁线圈(4)和励磁电流变换元件的车辆发电机的扭矩计算单元(54)。该扭矩计算单元包括：励磁电流检测电路(55)、输出电流检测电路(57)和转速检测电路(56)，用于从励磁电流、输出电流和转速来计算发电机的驱动扭矩的扭矩计算电路(58)。

Description

车辆发电机的扭矩计算单元
技术领域
本发明涉及一种用于计算车辆发电机的驱动扭矩的扭矩计算单元。
背景技术
最近，一种所谓的基于扭矩的控制已经适于用来控制车辆的发动机，使得改进燃料经济性。因此，已经发现有必要控制除了车辆驱动扭矩以外的操作各种附件的带驱动扭矩。因为附件之一的车辆发电机需要高增速比来驱动，所以该车辆发电机的驱动扭矩控制优先于其它附件。
通常，车辆发电机在较宽范围的转速和环境温度下工作。因此，使用扭矩图来计算驱动扭矩，该扭矩图提供了供应到车辆发电机的励磁线圈的励磁电流相对于各种温度的占空比的数据，如在JP-A-Sho62-254699、JP-A-Hei 8-240134和JP-A-Hei 10-4698中所公开的。该驱动扭矩还可以通过使用效率图来计算，该效率图提供效率相对于车辆发电机的输出功率级别的数据。在这样的情况下，该驱动扭矩可以从相应于检测的车辆发电机的功率级别的效率来计算，如在JP-A-Hei 10-210679和JP-A-2001-292501中所公开的。
这样，在上述已有技术中，有必要提供大存储容量来计算驱动扭矩。此外，有必要为不同的车辆提供不同的存储器。考虑到产品成本和生产力，这样做是不实际或者不经济的。
JP-B-2855714公开了另一种使用控制图的技术，其中，控制信号从存储在根据发动机转速的控制图中的数据来选择。然而，精确计算该驱动扭矩是困难的。
发明内容
考虑到上述问题产生了本发明，且本发明的一个目的是提供一种用于车辆发电机的扭矩计算单元，其可以以相当小的存储器容量来精确计算驱动扭矩。
根据本发明的一个主要特征，车辆发电机的扭矩计算单元包括用于检测涉及供应到励磁线圈的电流的励磁电流值的励磁电流检测装置、用于检测涉及电枢绕组的输出电流的输出电流值的输出电流检测装置；用于检测转子的转速的转速检测装置，以及用于从励磁电流值、输出电流值和转速来计算发电机的驱动扭矩的扭矩计算装置。最好该励磁电流检测装置从施加到励磁线圈的电压和励磁电流变换元件的开-关率来计算励磁电流的值。该励磁电流变换元件可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其具有检测流过其的电流的功能。可以围绕电枢绕组的一端设置螺线管，其中，该输出电流检测装置从施加到螺线管的电压来计算输出电流值。
上述的扭矩计算单元的特征在于包括具有缝隙的C形磁心和插入该缝隙的磁传感器，这样，该输出电流检测装置从磁传感器的输出信号计算输出电流。该转速检测装置可以从在电枢绕组中感应的电压的基频来计算转速。
上述的扭矩计算单元的特征在于包括存储转子的惯性力矩的数据的存储器和用于从在电枢绕组中感应的电压来计算转速的加速度的装置，这样，该扭矩计算装置从该加速度和转子的惯性力矩来计算发电机的惯性扭矩。
根据本发明的一个主要特征在于一种包括转子、电枢绕组、励磁线圈和励磁电流变换元件的车辆发电机的扭矩计算单元，该扭矩计算单元包括：用于检测涉及供应到励磁线圈的电流的励磁电流值的励磁电流检测装置；用于检测涉及电枢绕组的输出电流的输出电流值的输出电流检测装置；用于检测转子的转速的转速检测装置，以及用于从励磁电流值、输出电流值和转速来计算发电机的驱动扭矩的扭矩计算装置；其中，所述励磁电流检测装置从施加到励磁线圈的电压和励磁电流变换元件的开-关率来计算励磁电流的值。
上述的扭矩计算单元的特征在于所述励磁电流变换元件是金属氧化物半导体场效应晶体管。
上述的扭矩计算单元的特征在于所述转速检测装置从在所述电枢绕组中感应的电压的基频来计算转速。
根据本发明的另一个主要特征在于一种包括转子、电枢绕组、励磁线圈和励磁电流变换元件的车辆发电机的扭矩计算单元，该扭矩计算单元包括：用于检测涉及供应到励磁线圈的电流的励磁电流值的励磁电流检测装置；用于检测涉及电枢绕组的输出电流的输出电流值的输出电流检测装置；用于检测转子的转速的转速检测装置；用于从励磁电流值、输出电流值和转速来计算发电机的驱动扭矩的扭矩计算装置；以及围绕该电枢绕组的一端设置的螺线管，其中，所述输出电流检测装置从施加到该螺线管的电压来计算输出电流的值。
根据本发明的另一个主要特征在于一种包括转子、电枢绕组、励磁线圈和励磁电流变换元件的车辆发电机的扭矩计算单元，该扭矩计算单元包括：用于检测涉及供应到励磁线圈的电流的励磁电流值的励磁电流检测装置；用于检测涉及电枢绕组的输出电流的输出电流值的输出电流检测装置；用于检测转子的转速的转速检测装置；用于从励磁电流值、输出电流值和转速来计算发电机的驱动扭矩的扭矩计算装置；以及具有缝隙的C形磁心和插入该缝隙的磁传感器，其中，所述输出电流检测装置从所述磁传感器的输出信号计算输出电流值。
根据本发明的另一个主要特征在于一种包括转子、电枢绕组、励磁线圈和励磁电流变换元件的车辆发电机的扭矩计算单元，该扭矩计算单元包括：用于检测涉及供应到励磁线圈的电流的励磁电流值的励磁电流检测装置；用于检测涉及电枢绕组的输出电流的输出电流值的输出电流检测装置；用于检测转子的转速的转速检测装置；用于从励磁电流值、输出电流值和转速来计算发电机的驱动扭矩的扭矩计算装置；存储转子的惯性力矩的数据的存储器；和用于从在电枢绕组中感应的电压来计算转速的加速度的装置，其中，所述扭矩计算装置从该加速度和转子的惯性力矩来计算发电机的惯性扭矩。
根据本发明的另一个主要特征在于一种包括转子、电枢绕组、励磁线圈和励磁电流变换元件的车辆发电机的扭矩计算单元，该扭矩计算单元包括：用于检测涉及供应到励磁线圈的电流的励磁电流值的励磁电流检测装置；用于检测涉及电枢绕组的输出电流的输出电流值的输出电流检测装置；用于检测转子的转速的转速检测装置；用于从励磁电流值、输出电流值和转速来计算发电机的驱动扭矩的扭矩计算装置；其中，所述励磁电流检测装置还包括用于检测励磁线圈的温度的装置，以及其中，所述励磁电流检测装置从施加到该励磁线圈的电压、该励磁电流变换元件的开-关率和该励磁线圈的温度来计算励磁电流的值。
根据本发明的另一个主要特征在于一种包括转子、电枢绕组、励磁线圈和励磁电流变换元件的车辆发电机的扭矩计算单元，该扭矩计算单元包括：用于检测励磁电流值Ir的励磁电流检测装置；用于检测电枢绕组的输出电流值Io的输出电流检测装置；用于检测转子的转速N的转速检测装置，以及用于从励磁电流值Ir、输出电流值Io和转速N来从以下等式计算发电机的驱动扭矩T的扭矩计算装置：T＝(k1·Ir2+M·Ir·Io+k2·Io2)/N，其中，其中k1是涉及所述励磁线圈的自感的常数，M是涉及所述励磁线圈和所述电枢绕组之间的互感的常数，k2是涉及所述电枢绕组的自感的常数。
附图说明
通过研究下面的详细说明书、附加的权利要求书和附图，本发明的其它目的、特征和特性，以及本发明的相关部分的功能将更加清楚。图中：
图1是说明具有根据本发明的第一实施例的扭矩计算单元的车辆交流发电机的框图；
图2是示出在交流发电机的功率管和励磁线圈的结点处的电压的电压波形图；
图3是示出在结点处的电压的占空比和施加到励磁线圈的励磁电流的励磁电流相称值之间的关系图；
图4是示出在交流发电机的相位绕组中产生的相位电压脉冲频率和交流发电机的转速之间的关系图；
图5是围绕B端子的交流发电机的一部分的透视图；
图6是围绕B端子设置的电流传感器的透视图；
图7是改进的电流检测电路的电路图；以及
图8是说明具有根据本发明的第二实施例的扭矩计算单元的车辆交流发电机的框图。
具体实施方式
参考图1-7来描述具有根据本发明的第一实施例的扭矩计算单元的车辆交流发电机。
如图1所示，车辆交流发电机1包括电枢绕组2、整流单元3、励磁线圈4、发电机控制装置5和电流传感器6。该电枢绕组2由三相绕组构成，其产生的输出电压由整流单元3整流。当励磁电流施加到励磁线圈4时，励磁线圈4产生磁场。发电机控制装置5将交流发电机1的输出电压调整到预定的调整电压Vreg。发电机控制装置5从励磁电流、发电机转速和发电机输出电流计算交流发电机的驱动扭矩。电流传感器6检测交流发电机1的输出电流。该交流发电机1的B端子连接到车辆电池9。
该发电机控制装置5包括功率管51、续流二极管52、电压调整单元53和扭矩计算单元54。该功率管51串联连接到励磁线圈4，以打开和关闭施加到励磁线圈4的励磁电流。续流二极管52与励磁线圈4并联连接，以在功率管51关闭时从励磁线圈循环通过其的励磁电流。电压调整单元53检测B端子的电压，且控制功率管51的打开和关闭，使得B端子的电压可以调整到预定调整电压Vreg。如果B端子的电压高于调整电压Vreg，该电压调整单元53关闭功率管51，以降低发电机的输出电压。相反，如果B端子的电压低于调整电压Vreg，该电压调整单元打开功率管51，以增加发电机的输出电压。
扭矩计算单元54包括用于计算励磁电流的励磁电流计算电路55、用于计算发动机转速的转速计算电路56、输出电流计算电路57和扭矩计算电路58。
接下来描述扭矩计算单元54的工作。
励磁电流计算
当发电机控制装置5控制功率管51打开和关闭励磁电流时，具有如图2所示的占空比t/T的电压波形在功率管51和励磁线圈4的结点处检测。如图3所示，该占空比与施加到励磁线圈4的励磁电流的励磁电流相称值F成比例。因此，接下来的表达式可以给出励磁电流值Ir：
Ir＝F·Vr/Rf                  (1)
其中Vr是施加到励磁线圈的电压，Rf是励磁线圈4的电阻。
顺便提及，Vr近似等于或者稍微小于交流发电机的输出电压(所小的值为功率管51的源极和漏极之间的电压降)。尽管当交流发电机的环境温度改变时电阻Rf改变，但是通过下面的表达式可以计算励磁电流的精确值：
Rf＝(Kr+T1)/(Kr+To)·Ro       (2)
其中Kr是表示温度和电阻之间关系的常数，T1是目前的环境温度，To是基础温度，以及Ro是励磁线圈4在基础温度下的电阻。
励磁电流计算电路55根据如图3所示的图来计算相应于在功率管51和励磁线圈4的结点处检测的电压信号的占空比的励磁电流相称值。此后，该励磁电流计算电路55通过使用表达式(1)和(2)来计算励磁电流值Ir。
转速计算
交流发电机1的转速从该电枢绕组2的一相绕组中感应的相电压Vp的频率来计算。相电压Vp具有50％的占空比和与交流发电机的转速成比例的频率。该转速计算电路56将相电压Vp转化为具有与交流发电机的转速成比例的频率的脉冲信号，如图4所示。顺便提及，图4举例了具有12磁极(或者6对N-S极)的交流发电机的脉冲信号。
输出电流计算
如图5和6所示，B端子由绝缘套7从交流发电机1的框架和其它部分绝缘。绝缘套7包括插入模制的C形磁心61，该磁心61具有缝隙62和插入缝隙62的磁传感器63。该C形磁心61由软磁材料制成，诸如78-铁镍合金，使得当输出电流流过B端子时可以收集磁通量。该磁传感器63由霍耳元件、磁致电阻元件或者磁致阻抗元件制成，且当它检测到磁通量时提供电信号。这样，容易将该磁传感器安装到交流发电机中。
该输出电流计算电路57接收来自磁传感器63的电信号，且计算交流发电机1的输出电流Io。
发电机驱动扭矩计算
在计算了励磁电流值Ir以后，计算转速N和输出电流值Io，通过使用以下表达式来计算驱动扭矩T：
T＝(k1·Ir2+M·Ir·Io+k2·Io2)/N        (3)
其中k1是涉及励磁线圈4的自感的常数，M是涉及励磁线圈4和电枢绕组2之间的互感的常数，k2是涉及电枢绕组2的自感的常数。
因为转速N、励磁电流值Ir、输出电流值Io是在实时基础上计算的，所以扭矩计算单元53的存储器只需要存储k1、k2和M的数据。
扭矩计算电路58通过使用表达式(3)，从分别由励磁电流计算电路55、转速计算电路56和输出电流计算电路57提供的励磁电流值Ir、转速N、输出电流Io和从扭矩计算单元54的存储器读取的三个常数k1、k2和M来计算驱动扭矩。
这样，图的存储容量可以很大地减少。上述的计算不会受该磁路的直流(DC)磁饱和的影响。
励磁电流Ir的量可以以不同的方法检测。
例如，电流检测电阻与励磁线圈串联连接，使得跨过该电流检测电阻检测电压降，如图7所示。在这样的情况下，功率管51由包括串联连接的内阻的金属氧化物半导体场效应晶体管51A代替。跨过该内阻的电压降由放大器59放大。扭矩计算电路58接收放大器59的输出信号，且计算励磁电流值Ir。
缠绕在圆柱形的磁心上的磁螺线管还可以适于检测输出电流的量Io。在这样的情况下，电枢绕组2和整流单元3之间的导体的一部分插入圆柱形的磁心以检测由输出电流产生的磁通量。该圆柱形的磁心应该具有足够的截面积，以没有饱和地通过最大的磁通量。
在电枢绕组是三相对称绕组的情况下，输出电流(dc)的值Idc和相电流的幅度Ip之间的关系如下表示。
Idc＝0.955·Ip
上述的检测方法可以减少由温度变化引起的误差。
如果惯性力矩J的数据存储在存储器中，那么通过使用以下表达式，交流发电机1的惯性扭矩T2可以从旋转的加速度N’来计算。
T2＝J·N’
因此，通过将驱动扭矩T和惯性扭矩加和可以给出交流发电机的总扭矩Ttot。通过使用总扭矩Ttot的发动机控制对于稳定发动机旋转是有效的。
可以使用发动机控制单元来执行总扭矩控制。在这样的情况下，励磁电流、输出电流和转速的数据通过串行通信协议(例如，控制器区域网路)传送到发动机控制单元。该系统可以减少通信误差和通信延迟。
参考图8描述具有根据本发明的第二实施例的扭矩计算单元的车辆交流发电机，其中，和第一实施例相同的标号表示第一实施例的相同的或者大致相同的部分、部件或者元件。
如图8所示，车辆交流发电机1包括电枢绕组2、整流单元3、励磁线圈4、发电机控制装置5和电流传感器600。该电流传感器600包括环形芯601和围绕该芯缠绕的检测线圈602，且该电流传感器600设置在交流发电机1和电池9之间的输电线上，或者围绕该电枢绕组2的输出端子设置。因此，该检测线圈602提供与流过该输电线或者该输出端子的要被检测的电流相关的信号电压，且该信号电压输入到输出计算电路57。
该发电机控制装置5包括功率管51、续流二极管52、电压调整单元53和扭矩计算单元540。该扭矩计算单元540包括用于计算励磁电流的励磁电流计算电路550、用于计算发动机转速的转速计算电路56、输出电流计算电路57和扭矩计算电路58。
该励磁电流计算电路550计算施加到励磁线圈4的电压、供给到励磁线圈4的电流的占空比，以及供应到励磁线圈4的电流的量，该量根据环境温度改变。该励磁电流计算电路550包括电压检测电路55a、占空比检测电路55b、温度检测电路55c和计算电路55d。
该电压检测电路55a从该发电机的输出电压检测施加到励磁线圈4的电压。该占空比检测电路55b检测励磁电流的占空比。该温度检测电路55c包括温度传感器和计算电路，以直接地或者间接地检测励磁线圈4的温度。该计算电路55d计算供应到励磁线圈4的电流的量。
在本发明的上述描述中，参考本发明的特定实施例公开了本发明。然而，在不偏离在后附的权利要求书中所提出的本发明的范围的情况下，很明显可以对本发明的特定实施例进行各种改进和变化。

Claims (7)

1.一种包括转子、电枢绕组、励磁线圈和励磁电流变换元件的车辆发电机的扭矩计算单元，该扭矩计算单元包括：
用于检测涉及供应到励磁线圈的电流的励磁电流值的励磁电流检测装置；
用于检测涉及电枢绕组的输出电流的输出电流值的输出电流检测装置；
用于检测转子的转速的转速检测装置，以及
用于从励磁电流值、输出电流值和转速来计算发电机的驱动扭矩的扭矩计算装置；
其特征在于，所述励磁电流检测装置从施加到励磁线圈的电压和励磁电流变换元件的开-关率来计算励磁电流的值。
2.根据权利要求1所述的扭矩计算单元，其特征在于，所述励磁电流变换元件是金属氧化物半导体场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述的扭矩计算单元，其特征在于，所述转速检测装置从在所述电枢绕组中感应的电压的基频来计算转速。
4.根据权利要求1所述的扭矩计算单元，其特征在于，包括围绕该电枢绕组的端部设置的螺线管，
其中，所述输出电流检测装置从施加到该螺线管的电压来计算输出电流的值。
5.根据权利要求1所述的扭矩计算单元，其特征在于，包括具有缝隙的C形磁心和插入该缝隙的磁传感器，其中，所述输出电流检测装置从所述磁传感器的输出信号计算输出电流值。
6.根据权利要求1所述的扭矩计算单元，其特征在于：包括存储转子的惯性力矩的数据的存储器和用于从在电枢绕组中感应的电压来计算转速的加速度的装置，其中，所述扭矩计算装置从该加速度和转子的惯性力矩来计算发电机的惯性扭矩。
7.根据权利要求1所述的扭矩计算单元，
其中，所述励磁电流检测装置还包括用于检测励磁线圈的温度的装置，以及
其中，所述励磁电流检测装置从施加到该励磁线圈的电压、该励磁电流变换元件的开-关率和该励磁线圈的温度来计算励磁电流的值。
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