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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Energieerzeugungs-Controller einer
Fahrzeuglichtmaschine bzw. eines Farzeugenergiegenerators und insbesondere
einen in einem Wicklungsfeld-Synchrongenerator vorgesehenen Energieerzeugungs-Controller
zur Verwendung in einem Fahrzeug, mit welchem eine bevorzugte Spannungssteuerbarkeit
implementiert wird, wenn die Steuerung an einer zu erzeugenden Spannung durch
EIN/AUS-Schalten der Spannungszufuhr zu einer Feldwicklung ausgeführt wird.
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Ein
beispielhafter konventioneller Controller einer Fahrzeuglichtmaschine
ist in dem japanischen Patent Nr. 3329402 (das als Patentdokument
1 bezeichnet wird) zu finden, welcher in 9 gezeigt ist.
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Mit
einem solchen Controller wird eine Energieerzeugungssteuerung über Impulsbreitenmodulation mit
EIN/AUS-Schalten durchgeführt,
das für
eine an einer Feldwicklung anliegenden Spannung stattfindet. Für eine solche
Energieerzeugungssteuerung wird die Zeitabstimmung (Timing) des
EIN/AUS-Schaltens digital von einem Mikroprozessor vorgenommen.
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Wie
in 9, schließt ein Generator 1 eine
Ankerwicklung 21 ein und eine Feldwicklung 22.
Ein Mikrocomputer 30 schließt einen Prozessor 301 ein,
einen ROM 302, einen RAM 303, einen Pulsbreitenmodulator-Timer
bzw. PWM-Timer 304, einen Analog-zu-Digital-Umsetzer bzw. A/D-Umsetzer 305,
einen Timer 306 und weiteres.
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In
dem Generator 1 ist ein Rotorteil direkt über einen
Riemen oder anders mit einer Energiequelle verbunden, die nicht
dargestellt ist und beispielsweise eine Verbrennungsmaschine ist.
Wenn das Rotorteil dreht, tritt ansprechend hierauf eine Wechselspannungsinduktion
(AC-Spannungsinduktion) in der Ankerwicklung 21 auf und
die Wechselspannung wird umgesetzt in Gleichspannung (DC-Spannung)
durch einen Gleichrichter 2.
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Der
Gleichrichter 2 ist mit einer elektrischen Last 5 über eine
Batterie 3 oder einen Schalter 4 zum Zuführen einer
Gleichspannungsenergie verbunden.
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Als
nächstes
wird der Betrieb eines Energieerzeugungs-Controllers 6 beschrieben.
Das heißt,
zuerst werden die Spannung der Batterie 3 und eine zu dem
den Spannungspegel anzeigenden und in die Feldwicklung 22 über einen
Shunt-Widerstand 23 fließenden Feldstrom äquivalente
Strominformation zu dem A/D-Umsetzer 305 über eine
Schnittstelle 26 weitergegeben. Solch eine Eingangsgröße wird
einer Digitalwertumsetzung unterzogen zum Eingeben ein den Prozessor 301.
Ein Drehsensor 24 oder ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 25 erfasst
ein Drehsignal. Ein derart erfasste Drehsignal wird zu dem Prozessor 301 über dem
Timer 306 weitergegeben, der die Drehgeschwindigkeit des
Generators 1 anzeigt.
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In
dem Prozessor 301 wird eine Abweichung zwischen der Spannung
der Batterie 3 und einer Energieerzeugungs-Zielspannung Vref
für das
erste Proportional-Integral (PI) berechnet. Eine solche Operation wird
nachstehend als AVR-Operation
bezeichnet. Eine andere Abweichung wird zwischen irgendeinem erfassten
Feldstromwert if und einem ersten Stromgrenzwert ifcMAX berechnet
für ein
zweites Proportional-Integal (PI).
Eine solche Operation wird nachstehend als ACR-Operation bezeichnet.
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Wenn
dies der Fall ist, wird die von der AVR-Operation resultierende
Ausgangsgröße ein Befehlswert ALPHV
für eine
Stromflussrate zur Feldwicklung sein und die aus der ACR-Operation resultierende
Ausgangsgröße wird
ein Befehlswert ALPHI hierzu sein.
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Die
AVR- und ACR-Operationen werden nicht gleichzeitig, sondern selektiv
unter Beachtung des Wertezusammenhangs zwischen dem erfassten Feldstromwert
if, dem ersten Stromgrenzwert ifcMAX und dem zweiten Stromgrenzwert
ifcMAX2, und dem Pegelzusammenhang zwischen der Batteriespannung
und der Energieerzeugungs-Zielspannung Vref ausgeführt. Diese
ersten und zweiten Grenzwerte werden derart festgesetzt, dass gilt
ifcMAX > ifcMAX2.
Eine solche Einstellung ermöglicht
das Umschalten zwischen AVR- und ACR-Operationen mit einer unterschiedlichen
Hystere zwischen den ersten und zweiten Stromgrenzwerten ifcMAX
und ifcMAX2.
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Um
genau zu sein, wenn der von dem Generator 1 kommende Ausgangsstrom
einen niedrigen Pegel hat mit einem niedrigen Feldstrom, wird die
AVR-Operation derart ausgeführt,
dass die zu erzeugende Spannung mit einer Zielspannung übereinstimmt,
und der Befehlswert ALPHV treibt ein Feldschaltelement 7 an.
Andererseits, wenn der Feldstrom einen vorbestimmten Wert ifcMAX2 übersteigt,
wird die Steuerung derart ausgeführt,
dass der Maximalwert des Feldstroms ifcMAX2 wird oder darunter liegt.
Der ACR Betrieb wird dann ausgeführt,
um ein Beschädigen
des Generators und Riemenschlupf zu verhindern und der Steuerbefehl
ALPHI treibt das Feldschaltelement 7 an.
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Der
Punkt hier ist, dass eine solche konventionelle Technik ein Problem
der variierenden Energieerzeugungs-Steuerbarkeit abhängig von
dem Betriebspunkt eines Generators zeigt. Genauer, die zu erzeugende
Energie zeigt eine entsprechende Änderung, wenn der Feldstrom
sich ändert
und der Umfang der Änderung variiert
mit dem Betriebspunkt. Das bedeutet, dass gegen die Änderung
des Betriebsumfangs von AVR für
die Energieerzeugungssteuerung = Stromflussrate einer Feldwicklung,
von dem Generator zu erzeugende Energie unterschiedlich variiert
abhängig
von dem Betriebspunkt. Demnach wird die Änderung der Batteriespannung
= Eingangsgröße der AVR-Operation
nicht gleichförmig
sein.
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Das
heißt,
selbst wenn ein Übergangsphänomen einer
plötzlichen
Generatorlaständerung
bei einem gegebenen Betriebspunkt definiert ist durch eine proportional-integrale
Operationskonstante mit irgendeinem geeigneten Ansprechverhalten
(Übertragungsverhalten),
es noch unsicher sein wird, ob irgendwelche anderen Betriebspunkte
ein gewünschtes
Ansprechverhalten herleiten können.
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RESÜMEE DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung wird vorgeschlagen zum Lösen der obigen Probleme und
ein Ziel davon ist es, einen Energieerzeugungs-Controller einer
Fahrzeuglichtmaschine bereitzustellen, der imstande ist, das Ansprechen der
Energieerzeugungssteuerung mit einem einfachen Aufbau zu verbessern
und die Energieerzeugungssteuerbarkeit an jedem Betriebspunkt zu
vergleichförmigen.
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Ein
Aspekt der Erfindung richtet sich auf einen Energieerzeugungs-Controller
einer Fahrzeuglichtmaschine. Der Controller ist versehen mit einem
Gleichrichter zum Umsetzen einer von einem Wickelfeld-Synchrongenerator
zu erzeugenden Wechselstromenergie in eine Gleichstromenergie zum
Zuführen
zu einer elektrischen Last und einer Batterie; mit einer Drehgeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung
zum Berechnen einer Drehgeschwindigkeit des Synchrongenerators;
mit einem Feldschaltelement zum Durchführen von EIN/AUS-Schalten einer
angelegten Spannung zu einer Feldwicklung des Synchrongenerators;
mit einer Spannungserfassungsvorrichtung zum Abtasten einer Spannung
der Batterie oder einer gleichstromseitigen Spannung des Gleichrichters
synchron mit einem periodischen Abtastsignal basierend auf einem
Referenztakt; mit einer Einschalt- bzw. Ansteuerbereichs-Einstellvorrichtung
zum Einstellen eines Bereichs (Einschaltbereichs), der geeignet
ist für
ein EIN/AUS-Verhältnis des
Feldschaltelementes basierend auf der von der Drehgeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung
berechneten Drehgeschwindigkeit; mit einer Steuereinschalt-Berechnungsvorrichtung
zum Berechnen des EIN/AUS-Verhältnisses
des Feldschaltelementes basierend auf dem Einschaltbereich, der
von der Einschaltbereich-Einstellvorrichtung eingestellt worden
ist für
eine Übereinstimmung
zwischen der von der Spannungserfassungsvorrichtung abgetasteten
Spannung und einer Energieerzeugungs-Zielspannung; und mit einer
Feld-PWM-Antriebsvorrichtung
zum Berechnen einer EIN/AUS-Zeitabstimmung (Timing) für das Feldschaltelement
mit einem vorbestimmten Intervall basierend auf dem Referenztakt
von dem von der Steuereinschalt-Berechnungsvorrichtung berechneten
EIN/AUS-Verhältnis, und
zum Erzeugen eines Feldschaltsignals zum Antreiben des Feldschaltelementes.
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Außerdem ist
die Steuereinschalt-Korrekturvorrichtung zusätzlich zu dem Energieerzeugungs-Controller
des obigen Aspektes vorgesehen zum Korrigieren des Einstellwertes
des EIN/AUS-Verhältnisses
des Feldschaltelementes in Übereinstimmung
mit einem Bereich des EIN/AUS-Verhältnisses des Feldschaltelementes,
der von der Feld-PWM-Antriebsvorrichtung
bereitgestellt wird, zur Ausgabe.
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Gemäß der Erfindung
wird erfolgreich ein Energieerzeugungs-Controller einer Fahrzeuglichtmaschine bereitgestellt,
der imstande ist, das Ansprechen des Energieerzeugungs-Controllers
mit einem einfachen Aufbau zu verbessern und die Energieerzeugungssteuerbarkeit
vorteilhaft und gleichförmig
beizubehalten bei jedwedem Betriebspunkt des Lichtmaschine.
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Außerdem verhindert
der Energieerzeugungs-Controller der Fahrzeuglichtmaschine gemäß der Erfindung
ein bedingt durch eine zu häufige
EIN/AUS-Verhältnisänderung
in einem Feldschaltelement spürbar schwankendes
Bremsmoment.
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Dies
verhindert demnach jedwede unnötige
Umdrehungsänderung
oder Nachlaufen bzw. Schwankungen in einer Energiequelle, die beispielsweise
eine mit dem Rotorteil verbundene Verbrennungsmaschine ist. Außerdem,
wenn die Verbindung des Rotorteils über einen Riemen eingerichtet
ist, können
Riemenschlupf, ein störendes
Geräusch
(Riemenquietschen) und ähnliches
verhindert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm des Gesamtaufbaus eines Energieerzeugungs-Controllers
einer Fahrzeuglichtmaschine einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
Kennlinie einer zu erzeugenden Energie und einer Drehgeschwindigkeit
eines Wicklungsfeld-Synchrongenerators
zur Verwendung in der ersten Ausführungsform;
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3 ein
Diagramm als Beispiel eines einstellbaren Feldstrombereichs des
Wicklungsfeld-Synchrongenerators
der ersten Ausführungsform;
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4 ein
Diagramm des Prinzips der Drehgeschwindigkeitserfassung der ersten
Ausführungsform;
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5 ein
Blockdiagramm des Aufbaus der Steuereinschaltzeit-Berechnungsvorrichtung
der ersten Ausführungsform;
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6 ein
Zeitabstimmungs- bzw. Timing-Diagramm der Spannungserfassungsabtastung
und des Feldschaltintervalls der ersten Ausführungsform;
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7 ein
Blockdiagramm des Gesamtaufbaus eines Energieerzeugungs-Controllers
einer Fahrzeuglichtmaschine einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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8 ein
Blockdiagramm des Aufbaus einer Steuereinschaltzeit-Korrekturvorrichtung
des zweiten Ausführungsform;
und
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9 ein
Aufbaudiagramm eines Controllers einer Fahrzeuglichtmaschine basierend
auf einer konventionellen Technik.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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(Erste Ausführungsform)
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Nachstehend
wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ein Energieerzeugungs-Controller
einer Fahrzeuglichtmaschine einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
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1 ist
ein Blockdiagramm zum Zeigen des Gesamtaufbaus des Energieerzeugungs-Controllers
der Fahrzeuglichtmaschine der ersten Ausführungsform.
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In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 1 den Wicklungsfeld-Synchrongenerator, 2 kennzeichnet
den Gleichrichter, 3 kennzeichnet die Batterie, 4 kennzeichnet
den Schalter, 5 kennzeichnet die elektrische Last, 6 kennzeichnet
den Energieerzeugungs-Controller, 7 kennzeichnet ein Feldschaltelement
und 8 kennzeichnet eine Schwungraddiode.
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Der
Wicklungsfeld-Synchrongenerator 1 (nachstehend einfach
als Synchrongenerator bezeichnet) schließt eine Ankerwicklung 21 ein,
die Feldwicklung 22 und anderes. In dem Synchrongenerator 1 ist
der Rotorteil direkt oder indirekt über einen Riemen oder anders
mit einer Energiequelle verbunden, die nicht dargestellt ist und
beispielsweise eine Verbrennungsmaschine ist. Wenn der Rotorteil
dreht, tritt ansprechend darauf eine Wechselspannungsinduktion in
der Ankerwicklung 21 auf und die Wechselspannung wird von
dem Gleichrichter 2 in Gleichspannung umgesetzt.
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Der
Gleichrichter 2 ist mit der elektrischen Last 5 über die
Batterie 3 oder den Schalter 4 zum Zuführen einer
Gleichstromenergie verbunden. Zu diesem Zeitpunkt ändert die
sich als ein Umsetzergebnis des Gleichrichters 2 ergebende
Gleichspannung in ihrem Pegel abhängig von der Ausgewogenheit
zwischen der zu erzeugenden Energie des Synchrongenerators 1 und
der Verbrauchsenergie der Batterie 3 und der elektrischen Last 5.
Die elektrische Last 5 schließt verschiedene elektrische
Einrichtungen und Ausrüstungen
ein, beispielsweise Hauptscheinwerfer, Lüfter, Scheibenwischer, Radio
oder ähnliches
und für
einige Eigenschaften davon verursacht eine Schwankung der Gleichspannung
negative Effekte.
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Beispielsweise
verursacht bei einem Hauptscheinwerfer eine solche Schwankung eine
Kontraständerung
und Flackern. Dies beachtend, dient der Energieerzeugungs-Controller 6 zum
Einrichten einer Ausgewogenheit zwischen der Verbrauchsenergie und
der zu erzeugenden Energie für
den Betrieb bei einer vorbestimmten Gleichspannung. Zu diesem Zweck
wird durch Steuern des Feldstrombetrages, der in der Feldwicklung 22 fließt, eine
Abstimmung an der sich aus der in der Ankerwicklung 21 ergebenden
Spannungsinduktion ergebenen Wechselspannung vorgenommen.
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Hier
werden vor dem Beschreiben der spezifischen Operation des Energieerzeugungs-Controllers 6 die
Kennlinien bzw. Eigenschaften der zu erzeugenden Energie bzw. Leistung
und der Spannung des Wicklungsfeld-Synchrongenerators beschrieben,
die als Grundprinzip der Erfindung dienen.
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2 ist
ein schematisches Diagramm, um mit Hilfe von Kennlinien die Drehgeschwindigkeit
und die zu erzeugende Leistung bei verschiedenen Feldströmen zu zeigen,
wenn der Wicklungsfeld-Synchrongenerator bei irgendeiner vorbestimmten Spannung
arbeitet. 2 erzählt, dass wenn der Energieerzeugungs-Controller 6 eine
Ausgewogenheit zwischen der Verbrauchsleistung und der zu erzeugenden
Leistung zum Betreiben bei einer vorbestimmten Gleichspannung einrichtet,
wenn die Betriebsmenge des Feldstroms keine relative Änderung
zeigt, selbst wenn die Gleichspannung variiert, das Ansprechverhalten
abhängig
von dem Betriebspunkt des Synchrongenerators variiert. Dies ist,
weil bei der niedrigen Drehzahl keine Energie erzeugt werden wird,
solange nicht der große
Umfang an Feldstrom zugeführt
wird, und selbst wenn der Feldstrom konstant ist, zeigt die zu erzeugende
Energie keine Linearität
in bezug auf die Drehgeschwindigkeit, d.h., die Menge zur Erzeugung
der Energie zeigt eine relative Änderung
in bezug auf die Menge an Feldstrom abhängig von der Drehgeschwindigkeit
des Synchrongenerators.
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Der
Zusammenhang zwischen der zu erzeugenden Energie und dem Feldstrom
ist mehr oder weniger unten ausgedrückt. Zuerst wird der Zusammenhang
des Feldstroms if und eine Flussverkettung Φf der Ankerwicklung 21 folgendermaßen ausgedrückt: Φf =
Lf·if (1)
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In
der Gleichung (1) kennzeichnet Lf eine Induktanz der Feldwicklung
22.
In einem Fall, in dem keine Verbindung zwischen dem Synchrongenerator
und dem Gleichrichter
2 eingerichtet ist, wird der quadratische Mittelwert
einer in die Ankerwicklung
21 induzierten Leitungsspannung
(lastfreie Induktionsspannung Vac(o)) folgendermaßen ausgedrückt:
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In
einem Fall, in dem der Synchrongenerator sowohl mit dem Gleichrichter
2 als
auch der Batterie
3 verbunden ist, ist die Gleichspannung
ausgewoben mit einer Spannung V
B der Batterie
3 und
demnach wird eine Gleichspannung V'
B am Ausgangspunkt
des Gleichrichters
2 folgendermaßen ausgedrückt:
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In
der Gleichung (3) kennzeichnet a eine Spannungsreduktion in einer
Gleichrichterdiode, die innerhalb des Gleichrichters
2 vorgesehen
ist. Auch kennzeichnet in der Gleichung (3) Ra einen Wicklungswiderstand
der Ankerwicklung
21, La kennzeichnet eine Wicklungsinduktanz
und iac kennzeichnet einen quadratischen Mittelwert eines in die
Ankerwicklung
21 fließenden
Leitungsstroms. Hier wird eine Gleichstromenergie P'
DC am
Ausgangspunkt des Gleichrichters
2 ausgedrückt in einer
folgenden Gleichung:
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Im
Hinblick auf das Obige wird unter Verwendung der Gleichung (3) mit
der Information, dass der Feldstrom idc = 0 [A] (iac = 0[Arms])
wenn die Gleichstromenergie P'
DC = 0 [W] erfüllt, eine Gleichung folgendermaßen ausgedrückt:
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Darüber hinaus,
mit der Information, dass der Feldstrom idc = α/(V'
B+a) gilt wenn
die Gleichstromenergie P'
DC = α[W]
ist, und durch Einsetzen davon in die Gleichung (4) mit einigen
Umsortierungen wird eine Gleichung folgendermaßen ausgedrückt:
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Demgemäss wird
aus der Gleichung (6) der Feldstrom zum Zeitpunkt zu dem die DC-Energie
bzw. Leistung P'
DC = α[W]
erfüllt,
folgendermaßen
ausgedrückt:
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Basierend
auf dem Obigen Energieerzeugungskennlinie des Wicklungsfeld-Synchrongenerators,
die in 2 gezeigt ist, durch Gleichungen ausgedrückt werden.
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Die
Gleichung (5) hilft beim Bestimmen des Umfangs an Feldstrom, der
als Grenzpunkt dient zwischen der Energieerzeugung und keiner Energieerzeugung,
bei jeder vorbestimmten Energieerzeugungsspannung und Drehgeschwindigkeit.
Die Gleichung (7) hilft beim Berechnen des Umfangs an Feldstrom,
der erforderlich ist zum Herleiten irgendeines spezifischen Leistungspegels.
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3 zeigt
einen beispielhaften Feldstrom-Abstimmungsbereich,
der betreibbar ist durch den Energieerzeugungs-Controller 6.
Der abstimmbare Bereich wird auf der Energieerzeugungskennlinie
des in 2 gezeigten Wicklungsfeld-Synchrongenerators wiedergegeben.
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In
der Zeichnung ist der durch 1 gekennzeichnete βmax-Äquivalenzausgang
eine Kennlinie, die einen Niedrigdrehzahlbereich zeigt, der recht
gut innerhalb der Energieerzeugungskapazität der zu erzeugenden Leistung
von 2000 [W] liegt. Die durch 2 gekennzeichnete βnenn-Äquivalenzausgangsgröße ist eine
Kennlinie, die einen Niederdrehzahlbereich zeigt, der sehr gut innerhalb
der Energieerzeugungskapazität
bei der zu erzeugenden Leistung von 1000 [W] liegt. Der durch 3
gekennzeichnete βmin- Äquivalenzausgang ist eine Kennlinie,
die keine Energieerzeugung zeigt.
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Hier
bedeutet βmax Äquivalenzausgang
den oberen Grenzwert des gesamten Leistungsverbrauchs und kann bestimmt
werden mit der Betrachtung, die gegeben wird durch den thermischen
Bereich der Verarbeitungskapazität
des Gleichrichters 2. Die βnenn-Äquivalenzausgangsgröße bedeutet
die Durchschnitts-Verbrauchsleistung,
d.h., die Nennleistung zum Zeitpunkt des Normalbetriebs. Die βmin-Äquivalenzausgangsgröße bedeutet
einen Grenzpunkt zwischen der Energieerzeugung und keiner Energieerzeugung.
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Unter
Verwendung solcher Kennlinien und der Gleichung (7) kann die Feldstrommenge
irgendeiner vorbestimmten Spannung und Drehzahl bestimmt werden.
Hier schließen
die verschiedenen Fälle
ein, wenn die Energieerzeugung bei dem maximalen Pegel und dem Nennpegel
erzeugt werden und wenn keine Energie erzeugt wird.
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Als
solches wird die Operation des Steuerns der zu erzeugenden Spannung
auf einen vorbestimmten Wert ausgeführt während des Ausgleichens der
zu erzeugenden Leistung in Übereinstimmung
mit dem Leistungsverbrauch, der abhängig davon, ob die elektrische
Last betrieben wird oder nicht, schwankt. Eine solche Operation
ist äquivalent
einer Operation des Auswählens
irgendwelcher optimalen Feldstrommenge aus dem einstellbaren Feldstrombereich
bei der entsprechenden Drehzahl. In diesem Sinne kann der einstellbare
Feldstrombereich entsprechend dem Variationsbereich der zu erzeugenden
Leistung gemacht werden, so dass die Energieerzeugungssteuerung
in ihrem Ansprechen verbessert wird. Außerdem kann die Steuerbarkeit
der Energieerzeugung gleichförmig
für jedweden
Betriebspunkt sein.
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Basierend
auf einem solchen Grundprinzip wird der Energieerzeugungs-Controller 6 der 1 detailliert
beschrieben.
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Der
Energieerzeugungs-Controller 6 ist mit einem Basistakt 6 versehen,
einer Spannungserfassungsvorrichtung 10, einer Drehzahl-Berechnungsvorrichtung 11,
einer Einschaltdauerbereichs-Einstellvorrichtung 12, einer
Steuereinschaltdauer-Berechnungsvorrichtung 13 und einer
Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14.
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Zuerst
wird in der Drehzahl-Berechnungsvorrichtung 11 die Drehgeschwindigkeit
des Synchrongenerators 1 berechnet, wenn eine Spannungseingabe
vorgenommen wird. Die Spannung ist jene zwischen einer Anode (A)
und einer Kathode (K) einer Gleichrichterdiode innerhalb des Gleichrichters 2.
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4 ist
ein Diagramm zum Zeigen der Rechenoperation der Drehgeschwindigkeit,
insbesondere der Operation der Gleichrichterdiode auf der Seite
der U-Phase N (Niedrigq-Ausrichtung).
Wenn der Gleichrichter 2 zum Gleichrichten arbeitet, wird
die Gleichrichterdiode in dem Gleichrichter 2 synchron
mit der Wechselspannung als ein Ergebnis der Induktion der Ankerwicklung 21 zwischen
leitenden und nichtleitenden Zuständen umgeschaltet. Zudem fließt synchron
mit diesem Umschalten der Zustände
der Strom wie in 4 gezeigt.
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Im
leitenden Zustand wird die Potentialdifferenz zwischen der Anode
(A) und der Kathode (K) einen kleinen Wert annehmen, d.h., eine
Spannungsresultierung zum Zeitpunkt des PN-Übergangs
in Vorwärtsrichtung,
und im nicht-leitenden Zustand wird die Potentialdifferenz einen
großen
Wert annehmen.
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Als
solches kann die Drehgeschwindigkeit durch eine Messung des Signalintervalls
berechnet werden, das eine Änderung
synchron mit der Drehung zeigt, z.B. zwischen ansteigenden Flanken
einer die Anoden-Kathoden-Potentialdifferenzen bzw. (A)-(K)-Potentialdifferenzen
repräsentierenden
Schwingungsform.
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Wenn
die Drehgeschwindigkeit in die Einschaltzeitbereichs-Einstellvorrichtung 12 eingegeben
wird, wird basierend auf der Gleichung (7) und der Zielspannung
Vref der Einschaltzeitbereich für
die Ausgabe berechnet.
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Hier
deckt der Einschaltzeitbereich das EIN/AUS-Verhältnis eines Feldschaltelementes
ab, das durch die Steuereinschaltzeit-Berechnungsvorrichtung 13 in Übereinstimmung
mit einer Abweichung zwischen der Zielspannung Vref und dem tatsächlich erzeugten
Spannungswert festgelegt wird. Speziell deckt das EIN/AUS-Verhältnis des
Feldschaltelementes den Bereich von βmax – βnenn – βmin ab mit dem Feldstrom entsprechend
jedem der βmax-Äquivalenzausgangsgrößen, der βnenn-Äquivalenzausgangsgrößen und
der βmin-Äquivalenzausgangsgrößen.
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Der
Referenztakt 9 gibt ein Taktsignal aus, welches sowohl
zu der Spannungserfassungsvorrichtung 10 als auch zu der
Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14 weitergeleitet
wird. In der Spannungserfassungsvorrichtung 10 führt ein
Abtaster 103 die Abtastung der Spannungsinformation der
Batterie 4 durch, die über
einer Eingangs-Schnittstelle 101 bereitgestellt wird. Die
Abtastung wird ausgeführt
mit einer Zeitabstimmung bzw. einem Timing einer von einer Abtastanweisungs-Ausgabeeinheit 102 ausgegebenen
Anweisung. Hier gibt die Abtastanweisungs-Ausgabeeinheit 102 eine Abtastanweisung
in regelmäßigen Intervallen
basierend auf einem Taktsignal aus.
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Die
abgetastete Spannungsinformation der Batterie 3 wird weitergeleitet
zu der Steuereinschaltzeit-Berechnungsvorrichtung 13 gemeinsam
mit dem oben beschriebenen Einschaltzeitbereich.
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5 ist
ein Diagramm zum Zeigen des Betriebs einer Steuereinschaltzeit-Berechnungsvorrichtung 13.
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Die
Steuereinschaltzeit-Berechnungsvorrichtung 13 prüft die Zielspannung
Vref und die Spannungsinformation der Batterie 3 zum Vergleich
dazwischen. Basierend auf der resultierenden Abweichung wird von dem
Einschaltzeitbereich zur Ausgabe irgendein entsprechendes EIN/AUS-Verhältnis (Einschaltzeit) des
Feldschaltelementes berechnet. Die Zielspannung Vref und die abgetastete
Spannungsinformation der Batterie 3 werden beide einem
Additionspunkt 131 zugeführt und eine Abweichung dazwischen
wird weitergeleitet zu einem Mittelwert-Berechnungsabschnitt 132 zum
Speichern darin.
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Der ähnliche
Prozess wird wiederholt ausgeführt
für die
Male entsprechend dem Verhältnis
zwischen dem Feldschaltintervall des Feldschaltelementes 7 und
dem Spannungsabtastintervall, z.B. viermal in 5. Der
Mittelwert-Berechnungsabschnitt 132 führt Multiplikationen für jede Information
der Spannungsabweichung im Speicher derart aus, dass ein Mittelwert
berechnet wird. Der Koeffizient wird zur Gewichtzuweisung verwendet
in bezug auf die Zeit für
solche Spannungsabweichungsinformation und kann die Änderung
der Spannungsabweichung widerspiegeln.
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Alternativ
kann für
die Mittelwertsberechnung ein Koeffizient festgelegt werden auf
1,0, um einfach durch eine Berechnung zu gehen, oder eine Berechnung
mit gleitendem Mittelwert kann vorgenommen werden jedes Mal, wenn
die Spannungsabweichungsinformation kommt zum Reduzieren der Rechenbelastung.
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Ein
derart berechneter Mittelwert wird weitergeleitet zu einem Einschaltzeit-Umwandlungsabschnitt 133,
der irgendein EIN/AUS-Verhältnis (Einschaltzeit)
des Feldschaltelementes aus dem Einschaltzeit berechnet.
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Das
heißt,
wenn die Spannungsabweichung +αV
ist, wird das EIN/AUS-Verhältnis
des Feldschaltelementes βmax
sein und βmin
bei –αV.
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Die
Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14 wird dann mit einem Taktsignal
versehen und dem EIN/AUS-Verhältnis
des Feldschaltelementes.
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6 ist
ein Diagramm zum Zeigen des Betriebs der Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14.
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Die
Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14 bezieht sich auf das EIN/AUS-Verhältnis zum
Berechnen von EIN- und AUS-Zeitabstimmungen
bzw. Timings des Feldschaltelementes 7 und erzeugt dann
ein Feldschaltsignal zum Antreiben des Feldschaltelementes 7.
Eine solche Zeitabstimmungsberechnung wird basierend auf der Voraussetzung
ausgeführt,
dass das Feldschaltelement 7 EIN/AUS-Schalten mit einem
festen Intervall vornimmt basierend auf einem Referenztakt. Hier
wird ein Taktsignal von dem Referenztakt 9 als eine Basis
zum Herleiten einer Zeitabstimmung verwendet, die synchron ist für die Spannungsinformationsabtastung
durch die Spannungserfassungsvorrichtung 10, eine EIN/AUS-Verhältnis Berechnung
durch die Steuereinschaltzeit-Berechnungsvorrichtung 13,
und eine Feldschaltsignalerzeugung durch die Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14.
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Das
Feldschaltelement 7 führt
dann die EIN/AUS-Schaltoperation basierend auf einem Feldschaltsignal
aus, das von der Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14 kommt.
Die Niederpotentialseite des Feldschaltelementes 7 ist
mit der N-Seite (niedriger Ausrichtung) des Gleichrichters 2 verbunden
und die Hochpotentialseite davon ist mit einem Ende der Feldwicklung 22 verbunden
und einer Anode (A) der Schwungraddiode B. Das andere Ende der Feldwicklung 22 ist
mit der P-Seite (hohe Ausrichtung) des Gleichrichters verbunden
gemeinsam mit einer Kathode (K) der Schwungraddiode B. Mit einem
solchen Aufbau zeigt durch ein EIN/AUS-Schalten von dem Feldschaltelement 7 die
an beiden Enden der Feldwicklung 22 angelegte Spannung
eine derartige Änderung,
dass der Feldstrom dem Betrag nach abgestimmt werden kann.
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Wie
im Vorangehenden beschrieben, kann in Übereinstimmung mit der ersten
Ausführungsform
der Erfindung der Energieerzeugungs-Controller der Fahrzeuglichtmaschine
auf solche Weise arbeiten, dass eine Batteriespannung mit einer
Energieerzeugungs-Zielspannung übereinstimmt
bei jedwedem Betriebspunkt des Synchrongenerators mit vorteilhaften
Ansprechverhalten. Ein solcher Betrieb wird erreicht durch Durchführen der
Abtastung der Batteriespannung und Antreiben des EIN/AUS-Schaltens
eines Feldschaltelementes auf derselben Zeitbasis wie ein Referenztakt.
Unter solchen Umständen,
die Abweichungsinformation zwischen der Batteriespannung und der
Zielspannung verwendend, wird irgendein geeignetes EIN/AUS-Verhältnis des Feldschaltelementes
berechnet mit der Energieerzeugungskennlinie eines betrachteten
Wicklungsfeld-Synchrongenerators.
Derart berechnetes EIN/AUS-Verhältnis
wird verwendet als Grundlage zum Abstimmen des Feldstroms durch
die Steuerung des Betrags einer an die Feldwicklung anzulegenden
Spannung.
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Außerdem ist
das Verhältnis
des Feldschaltintervalls in der Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14 zu
dem Spannungsabtastintervall in der Spannungserfassungsvorrichtung
10 n:1, wobei n eine ganze Zahl ist. Dies ermöglicht demnach das Einrichten
von Synchronisation zwischen der Spannungsabtastung durch die Spannungserfassungsvorrichtung 10 und
einem Timing, wenn das Abtastergebnis als EIN/AUS-Schalten durch
das Feldschaltelement 7 wiedergegeben wird. Eine solche
Synchronisation liefert eine Unterstützung zum des temporären Ursache-Wirkung-Zusammenhangs,
bei dem vorbestimmten Pegel zu sein. Hier ist die Ursache die EIN/AUS-Schaltoperation
des Feldschaltelementes 7 und die Wirkung ist die erfasste
Spannung. Ferner kann die Spannungsänderungstendenz wiedergegeben
werden zur Steuereinschaltzeit-Berechnung durch Gewichtung einer
Vielzahl von Informationen über
die Spannungsabtastergebnisse in dem Feldschaltintervall mit n ≥ 2, d.h.,
die jüngsten
Abtastergebnisse werden stärker
gewichtet.
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Auch
ist die Drehgeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung 11 derart
aufgebaut, um die Drehgeschwindigkeit basierend auf einer Potentialdifferenz
zwischen den Enden eines Gleichrichterelementes im Gleichrichter 2 zu
berechnen. Dies eliminiert den Bedarf des Bereitstellens eines Drehdetektors
zum Berechnen der Drehgeschwindigkeit für die Verwendung zum Definieren
des EIN/AUS-Verhältnisses
des Feldschaltelementes 7 durch einen geeigneten betrachteten
Bereich, d.h., Einschaltzeitbereich. Hier ist der Rotationsdetektor
der, von dem angenommen wird, dass er einem Rotorteil eines Generators
oder einem damit verknüpften
Rotorteil bereitgestellt wird, und davon wird die Drehgeschwindigkeits-Information über einen
Informations-Übertragungspfad übertragen.
Mit einem solchen Aufbau kann der Energieerzeugungs-Controller sowohl bezüglich Größe als auch
Kosten reduziert werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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7 ist
ein Blockdiagramm zum Zeigen des Gesamtaufbaus eines Energieerzeugungs-Controllers einer
Fahrzeuglichtmaschine einer zweiten Ausführungsform. Diese Zeichnung
zeigt weitgehend denselben Aufbau wie der der 1 mit
der Ausnahme der Steuereinschaltzeit-Korrekturvorrichtungen 15,
die zusätzlich vorgesehen
sind, und Komponenten arbeiten hier ähnlich zu jenen in der ersten
Ausführungsform.
Demnach werden nachstehend hauptsächlich jene Komponente und
Zusammenhänge
beschrieben, die sich von denen der ersten Ausführungsform unterscheiden.
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In
der oben beschriebenen ersten Ausführungsform arbeitet der Energieerzeugungs-Controller 6 derart,
dass die zu erzeugende Spannung der Batterie 3 mit einer
Energieerzeugungs-Zielspannung übereinstimmt
durch Einrichten einer Ausgewogenheit zwischen der Verbrauchsleistung
der elektrischen Last 5 und der zu erzeugenden Leistung
des Wicklungsfeld-Synchrongenerators 1. Zu diesem Zeitpunkt
setzt der Synchrongenerator 1 die (mechanische) Bremsenergie,
die eine Eingangsgröße ist,
in elektrische Energie und gibt das Umsetzergebnis als erzeugte
Leistung aus.
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Hier
wird die Bremsenergie das Produkt eines Bremsmomentes τm[N·m] und
die Drehgeschwindigkeit Nm [r/min] und die Gleichstromenergie (zu
erzeugende Leistung) P'
DC wird schematisch folgendermaßen ausgedrückt:
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Unter
Verwendung der Gleichung (8), unter der Annahme, dass die Änderungsmenge Δτm des Bremsdrehmomentes τm eine Änderung
der Drehgeschwindigkeit Nm zeigt, wenn die zu erzeugende Energieänderung
(ΔP'
DC)
ist, wird die folgende Gleichung ausgedrückt:
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Als
solches zeigt, selbst wenn die zu erzeugende Leistung eine konstante Änderung
zeigt, die Änderungsmenge
des Bremsdrehmomentes eine Kennlinie des inversen Variierens mit
der Drehgeschwindigkeit. Dies sagt, dass das Bremsdrehmoment empfindlich
wird und demnach leicht gegenüber
der zu erzeugenden Energie geändert
wird, wenn die Drehgeschwindigkeit erhöht wird, das Bremsdrehmoment
veranlassend, sich in höherem
Maße zu ändern, selbst
wenn die zu erzeugende Leistung eine geringe Änderung zeigt.
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Die
rasche Änderung
des Bremsdrehmomentes verursacht unnötige Umdrehungsänderung
oder Nachlaufen bzw. Schwanken der Energiequelle, was zu nachteiligen
Wirkungen führt.
Hier wird die Energiequelle beispielsweise durch eine Verbrennungsmaschine
exemplifiziert, die mit einem Rotorteil des Synchrongenerators 1 verbunden
ist.
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In
einem Fall, in dem die Verbindung des Rotorteils über einen
Riemen eingerichtet wird, kann es zu Riemenschlupf führen, einem
lästigen
Geräusch
(Riemenquietschen) und ähnlichem.
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Dies
beachtend, erfordert es das Ergreifen von Maßnahmen, die Änderungsmenge
des Bremsdrehmomentes restriktiv zu steuern.
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In
der Erfindung wird der das EIN/AUS-Verhältnis des Feldschaltelementes 7 umsetzende
Bereich ausgestaltet als der Einschaltbereich zu dem Bereich irgendwelcher
vorbestimmter zu erzeugender Leistung. Demgemäss ist das Einschränken der Änderungsmenge
des EIN/AUS-Verhältnisses
des Feldschaltelementes 7 äquivalent dem Einschränken der Änderungsmenge
zu der zu erzeugenden Leistung. Die Gleichung (9) erzählt, dass
ein Einschränken
der Änderungsmenge
der zu erzeugenden Leistung äquivalent
dem Einschränken
der Änderungsmenge
des Bremsmomentes ist. Das heißt,
durch Einschränken
der Änderungsmenge
des EIN/AUS-Verhältnisses
des Feldschaltelementes 7 kann das Bremsmoment in dem Änderungsbereich
gesteuert werden.
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Basierend
auf einem solchen Grundprinzip arbeitet der Energieerzeugungs-Controller 6 der 7 demgemäss.
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In
der Zeichnung wird eine Steuereinschaltzeit-Korrekturvorrichtung 15 bereitgestellt
zwischen der Steuereinschaltzeit-Berechnungsvorrichtung 13 und
der Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14.
Zum Zwecke des Steuerns des Änderungsumfangs
des Bremsmomentes wird das EIN/AUS-Verhältnis des Feldschaltelementes 7 in
dem Betrag der Änderung
zur Ausgabe gesteuert.
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8 ist
ein Diagramm zum Zeigen des detaillierten Aufbaus der Steuereinschaltzeit-Korrekturvorrichtung 15.
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Die
Steuereinschaltzeit-Korrekturvorrichtung 15 schließt einen Änderungsraten-Grenzwertberechner 151 ein,
einen Änderungsratenbegrenzer 152 und
eine Verzögerungseinheit 153.
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Die
Steuereinschaltzeit-Korrekturvorrichtung 15 empfängt die
Drehgeschwindigkeit von der Drehgeschwindigkeits-Berechnungsvorrichtung 11,
den Einschaltzeitbereich von der Einschaltzeit-Einstellvorrichtung 12 und
das EIN/AUS-Verhältnis des
Feldschaltelementes 7 von der Steuereinschaltzeit-Berechnungsvorrichtung 13,
und das Taktsignal von dem Referenztakt 9.
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Der Änderungsraten-Grenzwertberechner 151 berechnet
den Grenzwert der Änderungsrate
für EIN/AUS-Verhältnis des Feldschaltelementes 7 mit
einer Zeiteinheit des Schaltintervalls des Feldschaltelementes 7.
Eine solche Berechnung wird ausgeführt unter Verwendung derart
bereitgestellter Drehgeschwindigkeit, des Taktsignals und des Einschaltzeitbereichs,
und basierend auf der Gleichung (9).
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Die
Verzögerungseinheit 153 verzögert die
Information über
das EIN/AUS-Verhältnis
des Feldschaltelementes 7 und führt das Verzögerungsergebnis
zum Änderungsratenbegrenzer 152.
Für diese
Informationsverzögerung
wird das Schaltintervall des Feldschaltelementes 7 als
Verzögerungszeit
verwendet.
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Der Änderungsratenbegrenzer 152 berechnet
die Änderungsrate
für das
EIN/AUS-Verhältnis
von dem EIN/AUS-Verhältnis
des Feldschaltelementes 7, das von der Steuereinschaltzeit-Berechnungsvorrichtung kommt
und einem anderen, von der Verzögerungseinheit 153 in
dem vorangehenden Schaltintervall kommenden. Die oberen und unteren
Grenzwerte derart berechneter Änderungsrate
werden durch die Steuerung korrigiert durch den Grenzwert der Änderungsrate,
hergeleitet von dem EIN/AUS-Verhältnis.
Das korrigierte Ergebnis wird dann ausgegeben.
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In ähnlicher
Weise zur ersten Ausführungsform
wird das korrigierte EIN/AUS-Verhältnis des Feldschaltelementes
zu der Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14 weitergegeben und
das Feldschaltelement 7 arbeitet für ein EIN/AUS-Schalten derart,
dass der Feldstrom dem Betrage nach abgestimmt wird. Wie im Vorangehenden beschrieben,
wird gemäß dem Energieerzeugungs-Controller der Fahrzeuglichtmaschine
in der zweiten Ausführungsform
die Steuereinschaltzeit-Korrekturvorrichtung 14 zusätzlich zu
dem Aufbau der ersten Ausführungsform
vorgesehen. Die Steuereinschaltzeit-Korrekturvorrichtung 14 korrigiert
zur Ausgabe den Einstellwert des EIN/AUS-Verhältnisses
des Feldschaltelementes 7 in Übereinstimmung mit der Änderung
davon, die von der Feld-PWM-Antriebsvorrichtung 14 bereitgestellt
wird. Mit einem solchen Aufbau wird, wenn der Änderungsbetrag des EIN/AUS-Verhältnisses
des Feldschaltelementes 7 den Einstellwert davon übersteigt,
durch Einschränken
des Änderungsumfangs,
um der Einstellwert zu sein, ein Variieren des Bremsmomentes zu
einem größeren Grad
verhindert, selbst wenn das EIN/AUS-Verhältnis des Feldschaltelementes 7 in
spürbarem Umfang
variiert.
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Dies
verhindert demnach jedwede unnötige
Rotationsänderung
oder ein Nachlaufen bzw. eine Schwankung einer Leistungsquelle,
die beispielsweise eine mit dem Rotorteil verbundene Verbrennungsmaschine
ist. Außerdem,
wenn die Verbindung des Rotorteils über einen Riemen eingerichtet
wird, können
Riemenschlupf, ein störendes
Geräusch
(Riemenquietschen) und ähnliches
vermieden werden.
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Achte
hier, dass obwohl der Blockaufbau der 1, 5, 7 und 8 als
Grundlage für
die Betriebsbeschreibung der obigen ersten und zweiten Ausführungsformen
verwendet worden ist, die Erfindung nicht auf solch einen Blockaufbau
eingeschränkt
ist. Irgendwelche anderen Strukturen können verwendet werden, solange
jene auf der Energieerzeugungs-Charakteristik des Wicklungsfeld-Synchrongenerators
zur Verwendung in einem Fahrzeug, der Spannungsabtastung synchron
mit einem Referenztakt und dem Schalten eines Feldschaltelementes
beruhen, welche das Rückgrat
der Erfindung sind.
