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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Generator-Steuersystem
zum Steuern der erzeugten Ausgangsleistung eines elektrischen Generators
eines Motorfahrzeugs.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Ein
Motorfahrzeug ist mit einem elektrischen Generator, typischerweise
mit einem Dreiphasen-Wechselstromgenerator ausgerüstet, der
durch die Fahrzeugmaschine angetrieben wird, in Kombination mit
einer Gleichrichterschaltung, um eine Gleichstrom-Ausgangsspannung
zum Laden der Fahrzeugbatterie zu erzeugen und um eine elektrische
Last zu versorgen. Der Pegel der Generator-Ausgangsspannung wird
dadurch gesteuert, indem man ein Tastverhältnis von aufeinanderfolgenden
Ein-/Aus- Schaltvorgängen durchführt (durch
ein Steuergerät
ausgeführt,
d.h. durch einen Regulator), und zwar von einer Antriebsspannung,
welche der Feldwicklung des Generatorrotors des elektrischen Generators
zugeführt
wird (im Folgenden einfach als Feldwicklung des elektrischen Generators
bezeichnet).
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In
den letzten Jahren wurden Vorschläge gemacht, um einen induzierten
Strom zu verwenden, der durch die Feldwicklung bei jedem Ausschaltvorgang
der Antriebsspannung fließt,
und zwar als ein regenerativer Strom, welcher der Batterie zugeführt wird.
In herkömmlicher
Weise wurde dieser induzierte Feldstrom jedoch verteilt oder zerstreut,
indem dieser nämlich
in die Feldwicklung über
eine Diode zurückfloß, wobei
solch ein Typ eines Betriebes im Folgenden als Rückstrommodus bezeichnet wird.
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Die
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 62-203599 (Seiten 2 – 4, 1 – 3),
die im Folgenden als Dokument 1 bezeichnet wird, beschreibt ein Beispiel
der Verwendung dieses induzierten Feldstromes als einen regenerativen
Strom. Das Dokument 1 beschreibt ein elektrisches Steuergerät für einen
Fahrzeug-Generator mit einer elektrischen Brückenschaltung mit zwei gegenüberliegenden
Zweigen, die aus Dioden gebildet sind und wobei die verbleibenden
zwei gegenüberliegenden
Zweige aus Leistungstransistoren gebildet sind (wobei der Ausdruck „gegenüberliegende
Zweige" einer Brückenschaltung,
wie dieser hier verwendet wird, zwei Arme bezeichnen soll, die keinen
gemeinsamen Verbindungspunkt haben) und wobei zwei sich gegenüberliegende
Verbindungen der Zweige oder Arme an die Batterie angeschlossen
sind und die verbleibenden gegenüberliegenden
Verbindungen an die Feldwicklung angeschlossen sind. Die Steuerung
einer mittleren Spannung, welche der Feldwicklung zugeführt wird
bzw. an diese angelegt wird, wird dadurch erreicht, indem das Tastverhältnis eines
synchronisierten Ein-/Aus-Schaltvorganges der Leistungstransistoren
variiert wird und der Strom, der in der Feldwicklung induziert wird,
bei jedem Ausschaltvorgang durch die Dioden in die Batterie fließt, und
zwar als ein regenerativer Strom. Solch eine Steueranordnung für einen
Ein-/Aus-Schaltvorgang wird manchmal auch als „Transistor-Zerhacker"-System bezeichnet.
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Jedoch
wird bei dem Gerät
nach dem Dokument 1 die Zufuhr des regenerativen Stromes zu der Batterie
ungeachtet dem Generierungszustand des elektrischen Generators durchgeführt. Wenn
als ein Ergebnis der elektrische Generator einen hohen Wert einer
verfügbaren
Generierungskapazität
besitzt (d.h. die Fahrzeugmaschine läuft mit hoher Drehzahl) und
die Last an dem elektrischen Generator niedrig ist, so daß die Batterie
einen im wesentlichen vollständigen
Ladezustand erreicht hat, ist die Batterie nicht mehr imstande,
den regenerativen Strom als einen Ladestrom zu absorbieren. In diesem
Zustand wird bei jedem Ausschaltvorgang der Leistungstransistoren
eine elektrische Störung
in Form einer Spannungsspitze an dem Batteriezufuhr-Anschluß erzeugt
(allgemein als B-Anschluß bezeichnet),
und zwar in Form eines plötzlichen
Flusses des regenerativen Stromes, der den Ausgangsstrom von dem elektrischen
Generator unterstützt.
Diese Störspitzen werden über die
Verdrahtung übertragen,
die von der Batterie zu verschiedenen Teilen des elektrischen Fahrzeugsystems
führt.
Somit können
die Störspannungsspitzen
den elektrischen Generator zerstören oder
eine Fehlfunktion desselben bewirken oder auch eine Fehlfunktion
bei einer anderen elektronischen Ausrüstung des Fahrzeugs herbeiführen.
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Als
Gegenmaßnahme
für dieses
Problem wurde gemäß dem Stand
der Technik vorgeschlagen, ein Steuergerät für einen elektrischen Generator derart
zu konfigurieren, daß es
die Fähigkeit
hat, zwischen folgenden Zuständen
zu wechseln:
- (a) einem Steuermodus, in welchem
der induzierte Strom der Feldwicklung bei jedem Ausschaltvorgang
der Leistungstransistoren der Brückenschaltung
direkt zurück
in die Feldwicklung geleitet wird (über eine Diode), d.h. es liegt
ein Rückstrommodus
vor, und
- (b) ein Steuermodus, bei dem der induzierte Strom der Feldwicklung
bei jedem Ausschaltvorgang der Leistungstransistoren der Brückenschaltung
in die Batterie geleitet wird, und zwar als ein regenerativer Strom,
wobei solch ein Modus im Folgenden als ein regenerativer Strommodus
bezeichnet wird.
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Jedoch
wurde festgestellt, daß die
Beziehung zwischen der mittleren Spannung, welche der Feldwicklung
zugeführt
wird, und dem Tastverhältnis der
aufeinanderfolgenden Ein-/Aus-Schaltvorgänge der Leistungstransistoren
der Brückenschaltung
in Einklang damit differiert, ob der Rückstrommodus oder der regenerative
Strommodus aufgebaut wird. Als ein Ergebnis kann jedes Mal, wenn
ein Wechsel zwischen diesen zwei Modi erfolgt, eine abrupte Änderung
in der mittleren Spannung auftreten, die an die Feldwicklung angelegt
wird. Dies führt
zu entsprechenden abrupten Änderungen
in dem Ausgangsstrom des Generators und in dem Wert des Generator-Drehmoments
(dem Betrag des Drehmoments, der durch die Fahrzeugmaschine aufgebracht
werden muß,
um den Rotor des Generators anzutreiben). Solche abrupten Änderungen
im Drehmoment sind speziell unerwünscht, da sie zu einem unstabilen
Laufzustand der Fahrzeugmaschine führen können, wenn ein Betrieb bei
niedriger Geschwindigkeit vorliegt, d.h. im Leerlauf.
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Bei
gegenwärtigen
Steuersystemen für
einen elektrischen Generator von Fahrzeugen werden statt einer einfachen
Bestimmung des Tastverhältnisses
für einen
Ein-/Aus-Schaltvorgang
der Leistungstransistoren basierend auf einem Fehler zwischen der
Ausgangsspannung des elektrischen Generators und einem Sollwert
(um dadurch den Feldstrom in Einklang mit Änderungen in der Generatorlast
einzustellen) geeignete Werte für
das Tastverhältnis
selektiv aus einem Speicher ausgelesen (d.h. basierend auf dem zuvor
erwähnten
Fehler). Diese Werte werden im voraus festgelegt, um dadurch abrupte Änderungen
in der mittleren Spannung zu verhindern, die an die Feldwicklung
angelegt wird, und zwar auf der Grundlage der herkömmlichen
Steuerung (d.h. dem Rückstrommodus),
um dadurch plötzliche Änderungen
im Wert des Ausgangsstromes des elektrischen Generators und abrupte
Schwankungen in dem Generator-Drehmoment zu verhindern. Jedoch treten solche
abrupten Änderungen
bei jedem Wechsel zwischen dem Rückstrommodus
und dem regenerativen Strommodus weiterhin auf, wie oben beschrieben
ist.
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Aufgrund
der zuvor beschriebenen Nachteile der elektrischen Störgröße und der
plötzlichen Änderungen
im Generator-Drehmoment wurde ein Steuergerät für einen elektrischen Generator,
welches den „Transistor-Zerhacker"-Typ der Brückenschaltung verwendet,
die einen regenerativen Betrieb in der oben beschriebenen Weise
ermöglicht,
nicht sehr weit verbreitet verwendet, und zwar trotz des Vorteiles
eines erhöhten
Wirkungsgrades des elektrischen Generators, der vermittels des regenerativen
Betriebes erreicht werden kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile
des Standes der Technik zu überwinden,
und zwar durch Schaffung eines Steuergerätes für einen elektrischen Generator für ein Motorfahrzeug,
durch welches ein regenerativer Strom von der Feldwicklung des elektrischen
Generators zu der Fahrzeugbatterie zugeführt werden kann, wobei jedoch
die Erzeugung von elektrischen Störsignalen (Spannungsspitzen),
die aus der Zufuhr des regenerativen Stromes resultieren, unterdrückt werden,
so daß dadurch
abrupte Änderungen
im Ausgangsstrom des elektrischen Generators und im Generator-Drehmoment
verhindert werden, die zu Zeitlagen eines Überwechselns in/aus einen/m
regenerativen Stromzufuhrmodus auftreten.
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Um
die genannte Aufgabe zu lösen,
schafft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät für einen elektrischen Generator
zum Steuern des im Fahrzeug montierten elektrischen Generators,
wobei der Generator einen Ausgangsanschluß aufweist, der mit einer Batterie
und einer elektrischen Last verbunden ist, das Gerät eine Brückenschaltung
enthält,
die zwischen dem Spannungszufuhranschluß und einer Feldwicklung des
elektrischen Generators gekoppelt ist, wobei die Brückenschaltung
ein erstes Paar von sich gegenüberliegenden
Zweigen mit jeweiligen Dioden enthält, und auch ein zweites Paar
von sich gegenüberliegenden
Zweigen mit jeweiligen Leistungstransistoren enthält, und
wobei das Generator-Steuergerät
eine Wähleinrichtung
für den
Betriebsmodus enthält,
um selektiv einen Rückstrommodus
und einen regenerativen Strommodus des Betriebes zu erstellen. In
dem Rückstrommodus
wird ein erster Transistor der Leistungstransistoren kontinuierlich
in einem Einschaltzustand (leitenden Zustand) gehalten, und ein
zweiter Transistor der Leistungstransistoren wird wiederholt zwischen
einem Ein schaltzustand, um eine Antriebsspannung der Feldwicklung zuzuführen, und
einem Ausschaltzustand (d.h. einem nichtleitenden Zustand) geschaltet,
um die Treiberspannung von der Feldwicklung abzutrennen. Als ein Ergebnis
wird der Strom, der in der Feldwicklung zu jeder Zeitlage der Abtrennung
der Treiberspannung induziert wird, durch die Brückenschaltung geleitet und
wird direkt zu der Feldwicklung zurückgeführt. In dem regenerativen Strommodus
wird der Ein-/Aus-Schaltvorgang des ersten und des zweiten Leistungstransistors
synchron durchgeführt,
und zwar in solcher Weise, daß der
induzierte Feldstrom durch die Brückenschaltung hindurchgeführt wird, und
zwar als ein regenerativer Strom in die Batterie hinein.
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Solch
ein Steuergerät
für einen
elektrischen Generator gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es eine Generierungskapazität-Beurteilungseinrichtung
enthält,
um eine momentan verfügbare
elektrische Generierungskapazität
des elektrischen Generators abzuschätzen und das die Betriebsmodus-Wähleinrichtung
den regenerativen Strommodus lediglich dann auswählt, wenn die Ergebnisse der
Beurteilung durch die Generierungskapazität-Beurteilungseinrichtung anzeigt,
daß die
elektrische Generierungskapazität
unter einem vorbestimmten Wert liegt.
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Das
heißt,
der regenerative Strommodus wird lediglich dann ausgewählt, wenn
der elektrische Generator in einem Zustand arbeitet, bei dem:
- (a) ein Bedarf zum Maximieren des Ausgangsstromes
besteht, der durch den elektrischen Generator zum Laden der Batterie
zugeführt
werden kann und auch zu der elektrischen Last zugeführt werden
kann, und auch
- (b) die Batterie unmittelbar einen Ladestrom absorbieren kann,
der von dem elektrischen Generator zugeführt wird, ohne daß eine signifikante Änderung
an der Klemmenspannung der Batterie auftritt, die im Ansprechen
auf eine plötzliche
Erhöhung
in dem Ladestrom auftritt (d.h. die jedes Mal dann auftritt, wenn
die Treiberspannung der Feldwicklung unterbrochen wird und ein regenerativer
Strom zu der Batterie zu fließen
beginnt). Damit werden keine elektrischen Stör signale (d.h. Spannungsspitzen)
erzeugt (die der Versorgungsspannung von der Batterie/Generator überlagert sind),
und zwar als ein Ergebnis des regenerativen Stromflusses, welche
den elektrischen Generator beschädigen
oder mit diesem interferieren können
und/oder verschiedene elektronische Einrichtungen des Fahrzeugs
beschädigen
oder zerstören
können.
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In
der Praxis kann die Beurteilungseinrichtung für die elektrische Generatorkapazität einfach
in Form einer Schaltung implementiert werden, welche die Drehgeschwindigkeit
des Rotors des elektrischen Generators detektiert, d.h. es wird
mit dieser beurteilt, daß die
elektrische Generierungskapazität
auf einem niedrigen Wert liegt, wenn die Drehgeschwindigkeit als
unter einer vorbestimmten Geschwindigkeit liegend festgestellt wird.
In einem Fall eines gewöhnlichen
Typs eines elektrischen Generators, der auf einem Wechselstromgenerator
basiert, kann diese Beurteilung unmittelbar dadurch ausgeführt werden,
indem die Frequenz der Wechselstrom-Ausgangsgröße des Wechselstromgenerators überwacht
wird, so daß keine
zusätzlichen
Komponenten (d.h. Sensoren) erforderlich sind und damit das Gerät eine einfache
und kompakte Konfiguration haben kann.
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Jedoch
kann ein Gerät
gemäß der vorliegenden
Erfindung in ebensolcher Weise einen Stromsensor verwenden, der
den Wert eines Ausgangsstromes des elektrischen Generators detektiert
oder den Wert des Ladestromes der Batterie, wobei die elektrische
Generierungskapazität
basierend auf dem detektierten Wert des Stromes geschätzt wird.
In der Praxis ist bei einem modernen Motorfahrzeug solch eine Stromfühlfunktion
(z.B. zum Zuführen
von Informationen zu einer Maschinen-ECU usw.) im allgemeinen bereits
in dem elektrischen Fahrzeugsystem inkorporiert, so daß davon
ausgegangen werden kann, daß keine
zusätzliche
Komponente erforderlich ist, um die elektrische Generierungskapazität-Beurteilungsfunktion
zu implementieren.
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Ferner
können
anstelle der Verwendung von zwei Leistungstransistoren und von zwei
Dioden, d.h. zwei unterschiedlichen Typen von Schaltungsvorrichtungen
auch vier Transistoren verwendet werden, von denen jeder als ein
Doppel-Diffusionstyp eines MOS (Metalloxyd-Halbleiter)-FET (Feldeffekt-Transistor)
mit einer eingebauten Diode konfiguriert ist. In diesem Fall sind
die zuvor erwähnten
ersten und zweiten Leistungstransistoren als zwei von diesen FETs
implementiert und die zwei Dioden sind dann als jeweilige Vorrichtungsdioden
der anderen zwei FETs implementiert. Solch eine Konfiguration ermöglicht es
dem externen Steuergerät,
unmittelbar in einem IC (integrierter Schaltung) ausgebildet zu
werden, das in der Größe kompakt
und bei der Herstellung kostengünstig
ist.
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Von
einem anderen Aspekt aus gesehen umfaßt das Generator-Steuergerät nach der
vorliegenden Erfindung in bevorzugter Weise eine den Leitfaktor
modifizierende Einrichtung, um den Leitfaktor (conduction factor)
des zweiten Leistungstransistors zu modifizieren (speziell durch
eine Modifizierung des Tastverhältnisses
eines PWM- Signals, welches den Leistungstransistor steuert), und
zwar bei jedem Auftreten eines Umwechselns zwischen dem Rückstrommodus
und dem regenerativen Strommodus. Das Gerät führt in bevorzugter Weise die
Modifizierung des Leitfaktors durch, wobei das Ausmaß der Variation
des Mittelwertes der Treiberspannung, die an die Feldwicklung angelegt
wird, reduziert wird, und zwar durch Erhöhen des Leitfaktors bei jedem Wechsel
von einem Rückstrommodus
in den regenerativen Strommodus und mit einer Reduzierung des Leitfaktors
bei jedem Wechsel von dem regenerativen Strommodus in den Rückstrommodus.
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Nebenbei
bemerkt wird es auch möglich, plötzliche Änderungen
in dem mittleren Pegel der Treiberspannung zu unterdrücken, die
an die Feldwicklung angelegt wird, und zwar durch den zweiten Leistungstransistor,
und auch plötzliche Änderungen in
dem Wert des Generatordrehmoments, die sich in der oben beschriebenen
Weise aus einer Differenz zwischen der Beziehung der mittleren Treiberspannung
der Feldwicklung zu dem Tastverhältnis
eines PWM-Signals ergibt, welches den zweiten Leistungstransistor
steuert, und zwar für
den Fall des Rückstrommodus', wenn dieser angewendet
wird, und für den
Fall des regenerativen Strommodus', wenn dieser angewendet wird. Somit
stellt die Erfindung sicher, daß stabile
Werte des Ausgangsstromes des elektrischen Generators und ein stabiles
Generator-Drehmoment aufrechterhalten werden. Plötzliche Erhö hungen des Drehmoments, die
durch die Maschine zum Antreiben des Generators zugeführt werden
müssen,
werden dadurch verhindert, so daß ein stabiler Leerlaufbetrieb
der Maschine erreicht werden kann.
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Bezeichnet
man einen Wert des Leitfaktors unmittelbar vor einem Überwechseln
von dem Rückstrommodus
in den regenerativen Strommodus mit D1 und bezeichnet man einen
Wert, der für
den Leitfaktor steht, und zwar unmittelbar nachfolgend einem Wechsel
von dem Rückstrommodus
in den regenerativen Strommodus mit D2, so führt die Leitfaktor-Modifiziereinrichtung
in bevorzugter Weise die Leitfaktormodifizierung bei einem Überwechseln
durch, und zwar unter Verwendung der folgenden Umsetzbeziehung: D2 = (D1 + 1)/2.
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Bezeichnet
man zusätzlich
einen Wert des Leitfaktors unmittelbar vor einem Wechsel von dem regenerativen
Strommodus in den Rückstrommodus mit
D3 und bezeichnet man einen Wert, der für den Leitfaktor unmittelbar
nachfolgend dem Wechsel von dem regenerativen Strommodus in den
Rückstrommodus
erstellt wird, mit D4, so führt
die Leitfaktor-Modifiziereinrichtung in bevorzugter Weise die Leitfaktormodifizierung
bei einem Wechsel durch, und zwar unter Verwendung der folgenden
Umsetzbeziehung: D4 = 2 × D3 – 1.
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Die
Umsetzberechnungen, um diese Werte D2, D4 jeweils zu erstellen,
können
in einer einfachen Weise ausgeführt
werden, indem man den Wert des Leitfaktors als einen Satz von n
Bits von Daten ausdrückt,
wobei n eine festgelegte ganze Zahl ist, und indem man eine Bit-Schiebeoperation
an diesen n Bits vornimmt, und zwar bei jedem Wechsel zwischen Rückstrom-
und regenerativem Strommodus, wobei ein auf den neuesten Stand gebrachter
Wert für
den Leitfaktor basierend auf dem Ergebnis der Bit-Schiebeoperation
erstellt werden kann.
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Somit
kann die Leitfaktor-Modifiziereinrichtung solche Umwandlungen mit
hoher Geschwindigkeit durchführen,
jedoch mit einer kleinen Größe einer
Schaltung, die dafür
erforderlich ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine allgemeine Systemkonfigration einer Ausführungsform eines elektrischen
Generator-Steuergerätes;
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2 ist
ein Teil-Systemdiagramm zur Veranschaulichung des Flußpfades
des Feldstromes der Ausführungsform,
wenn eine Treiberspannung an eine Feldwicklung angelegt wird;
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3 zeigt
ein Teil-Systemdiagramm zur Veranschaulichung des Flußpfades
des Feldstromes, der in der Feldwicklung induziert wird, wenn die Treiberspannung
unterbrochen wird, wobei das Gerät
in einem Rückstrommodus
(back current mode) arbeitet;
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4 veranschaulicht
eine Schwankung des Feldstromes mit der Zeit, unmittelbar nachdem
die Treiberspannung unterbrochen wurde, für den Fall des Betriebes im
Rückstrommodus
bzw. in einem regenerativen Strommodus;
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5 ist
ein Teil-Systemdiagramm zur Veranschaulichung des Flußpfades
des Feldstromes, welcher in der Feldwicklung induziert wird, wenn
die Treiberspannung unterbrochen wird, wobei das Gerät in dem
regenerativen Strommodus arbeitet;
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6 zeigt
ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Drehgeschwindigkeit
eines Rotors eines elektrischen Generators der Ausführungsform
und dem Generator-Drehmoment veranschaulicht;
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7 ist
ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen den Werten des Tastverhältnisses
eines PWM-Signals, welches zum Steuern der mittleren Spannung verwendet
wird, die an die Feldwicklung angelegt wird, und entsprechenden
Werten der mittleren Spannung veranschaulicht, und zwar für den Fall
eines Betriebes in dem Rückstrommodus bzw.
in dem regenerativen Strommodus;
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8 ist
ein Blockschaltbild, welches die Grundkonfiguration einer Lastansprech-Steuerschaltung der
Ausführungsform
darstellt;
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9 zeigt
ein Diagramm zur Verwendung beim Beschreiben des Betriebes der Lastansprech-Steuerschaltung;
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10A und 10B sind
Diagramme zur Veranschaulichung einer Anordnung zur Realisierung
eines Tastverhältnis-Umwandlungsprozesses unter
Verwendung von Bit-Schiebeoperationen;
und
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11 ist
ein Teil-Schaltungsdiagramm einer alternativen Konfiguration der
Ausführungsform, bei
der MOS FETs anstelle von Dioden in einer Feldwicklung-Treiberschaltung
verwendet werden.
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Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen
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Eine
erste Ausführungsform
eines Generator-Steuergerätes
wird nun unter Hinweis auf das allgemeine Systemdiagramm von 1 beschrieben. Dieses
zeigt die Verbindungsbeziehungen zwischen dem Generator-Steuergerät, welches
durch das Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, und einem im
Fahrzeug montierten elektrischen Generator (im Folgenden einfach
als Generator bezeichnet) 2, einer Batterie 3 und
einer elektrischen Last 4. Grundsätzlich liefert das elektrische
Generator-Steuergerät 1 (welches
im Folgenden einfach als Generator-Steuergerät 1 bezeichnet wird)
eine Steuerung für
den Generator 2, indem es die Spannung, die an dem positiven Ausgangsanschluß des Generators 2 erscheint
(als B-Anschluß bezeichnet),
in Koinzidenz mit einem Einstellwert bringt, der in 1 mit
Vref bezeichnet ist. In typischer Weise liegt der Einstellwert angenähert bei
14 V.
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Der
Generator 2 besteht aus einem 3-Phasen-Wechselstromgenerator
mit einer Statorwicklung 200 und einem Rotor (in den Zeichnungen
nicht gezeigt) mit einer Feldwicklung 204, die um diesen
gewickelt ist, und mit einem Vollwellengleichrichter 202, der
die 3-Phasen-Wechselstrom-Ausgangsspannungen von der Statorwicklung 200 gleichrichtet,
um an den B-Anschluß eine
Ausgangs-Gleichspannung zu liefern. Der Rotor wird durch eine Fahrzeugmaschine (in
den Zeichnungen nicht gezeigt) angetrieben. Das Generator-Steuergerät 1 führt eine
Steuerung eines Ein-/Aus-Schaltvorganges
des Feldstromes der Feldwicklung 204 durch, und zwar mit
einem Tastverhältnis
des Schaltvorganges, welches den Pegel der Wechselspannung bestimmt,
die in dem Generator 2 erzeugt wird, um auf diese Weise
den Wert des Gleichstrom-Ausgangsstromes zu bestimmen, der durch
den Generator 2 von einem Ausgangsanschluß zugeführt wird,
der als B-Anschluß bezeichnet ist.
Der Ausgangsstrom wird über
eine Verbindungsleitung 6 zu der Batterie 3 und
der elektrischen Last 4 zugeführt, um die Batterie 3 wieder
aufzuladen und um die elektrische Last 4 anzutreiben.
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Die
Konfiguration des Generator-Steuergerätes 1 wird nun im
Folgenden mehr in Einzelheiten beschrieben. Das Generator-Steuergerät 1 enthält ein Paar
von Leistungstransistoren, d.h. MOS FETs (Metalloxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) 10, 11, die
in einer Brückenkonfiguration
in Verbindung mit einem Paar von Dioden 11, 13 in
der dargestellten Weise verbunden sind. Das Generator-Steuergerät 1 enthält ferner
eine Lastansprech-Steuerschaltung 15, eine Spannungs-Steuerschaltung 16,
eine Betriebsmodus-Wählschaltung 17,
einen Spannungskomparator 18, ein ODER-Gatter 19,
ein UND-Gatter 20, eine Treiberschaltung 21 und
eine Drehgeschwindigkeit-Beurteilungsschaltung 30. Der
MOS FET 11 und die Diode 14 sind zwischen dem
B-Anschluß des
Generators 2 und dem System-Erde-Potential in Reihe geschaltet,
und die Diode 13 und der MOS FET 10 sind in ähnlicher
Weise in Reihe geschaltet, wobei die Feldwicklung 204 zwischen
die Verbindung der Diode 14 und dem MOS FET 11 geschaltet ist
und die Verbindung des MOS FET 10 und der Diode 13,
wodurch dann eine Spannung an die Feldwicklung 204 angelegt
wird, wenn der MOS FET 10 leitet. Der mittlere Wert dieser
Spannung und damit der Wert des Feldstromes der Feldwicklung 204 wird
durch das Tastverhältnis
einer PWM (Impulsbreitemodulation)-Steuerung bestimmt, die durch Ein-/Aus-Schalten
des MOS FET 10 bewirkt wird (d.h. einem Schaltvorgang des
MOS FET 10 zwischen einem leitenden Zustand und einem nichtleitenden
Zustand), was durch die Treiberschaltung 21 ausgeführt wird.
Jedesmal, wenn der MOS FET 10 in den ausgeschalteten Zustand
geschaltet wird, fließt ein
induzierter Strom der Feldwicklung 204 entweder:
- (a) wenn sich der MOS FET 11 in dem
ausgeschalteten Zustand befindet) durch ein Paar von Armen der Brückenschaltung,
die jeweils durch Dioden 13, 14 gebildet sind,
und zwar als ein regenerativer Strom, welcher der Batterie 3 zugeführt wird,
oder
- (b) (wenn sich der MOS FET 11 in dem eingeschalteten
Zustand befindet) über
ein Paar von Armen der Brückenschaltung,
die jeweils durch den MOS FET 11 und die Diode 13 gebildet
sind, als Rückfluß des Stromes,
der direkt zu der Feldwicklung 204 zurückkehrt.
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Der
Betrieb gemäß dem Fall
(a), der oben beschrieben ist, wird als regenerativer Strommodus bezeichnet,
während
der Fall (b), der oben beschrieben ist, als Rückstrommodus bezeichnet wird.
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Der
Spannungskomparator 18 vergleicht die Ausgangsspannung
des Generators 2 mit dem Einstellwert Vref und erzeugt
ein hochpegeliges Ausgangssignal, wenn die Ausgangsspannung des
Generators 2 niedriger ist als Vref, und erzeugt ein niedrigpegeliges
Ausgangssignal, wenn die Ausgangsspannung des Generators 2 höher ist
als Vref, sobei dieses Ausgangssignal aus dem Spannungskomparator 18 der
Spannungs-Steuerschaltung 16 eingespeist
wird. Die Spannungs-Steuerschaltung 16 erzeugt ein PWM-Steuersignal
zum Steuern des Schaltvorganges des MOS FET 10 in Einklang
mit dem Ausgangssignal von dem Spannungskomparator 18.
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Für die Spannungs-Steuerschaltung 16 sind vielfältige Konfigurationen
möglich.
Als ein Beispiel kann die Spannungs-Steuerschaltung 16 aus
einem Tiefpaßfilter
konfiguriert sein, um das Ausgangssignal aus dem Spannungskomparator 18 zu
glätten, kann
aus einer Generatorschaltung für
eine Sägezahn-Wellenform
bestehen, und aus einem Spannungskomparator zum Vergleichen der
Wellenform des geglätteten
Ausgangssignals aus dem Spannungskomparator 18 mit dem
Sägezahn-Wellenformsignal,
um dadurch ein PWM-Signal zu generieren, welches über das
UND-Gatter 20 an die Treiberschaltung 21 angelegt
wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
funtioniert der MOS FET 10 als Schalter für die sapnnungsmäßig hochliegende
Seite, der durch ein PWM-Signal angetrieben wird, welches von der
Treiberschaltung 21 erzeugt wird, und zwar entsprechend
der Ausgangsgröße von dem
UND-Gatter 20. Spezifischer ausgedrückt versetzt die Treiberschaltung 21 während eines
jeden Intervalls, in welchem das Ausgangssignal von dem UND-Gatter 20 auf
einem hohen Pegel liegt (d.h. einem logischen hohen Pegelpotential),
den MOS FET 10 in den Einschaltzustand, während ansonsten
der MOS FET 10 in den ausgeschalteten Zustand versetzt
ist.
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Das
Ausgangssignal von dem UND-Gatter 20 wird auch an einen
Eingang des ODER-Gatters 19 angelegt. Das Ausgangssignal
aus dem ODER-Gatter 19 steuert den MOS FET 11,
der als ein Schalter auf der Niedrigspannungsseite funktioniert
und in den Einschaltzustand versetzt wird, und zwar während eines
jeden Intervalls, in welchem das Ausgangssignal von dem ODER-Gatter 19 auf
einem hohen Pegel liegt und der ansonsten in dem ausgeschalteten
Zustand gehalten wird.
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Die
Lastansprech-Steuerschaltung 15 besitzt eine PWM-Modifikationsfunktion,
wie dies im Folgenden beschrieben wird. Wenn der Wert der elektrischen
Last 4 plötzlich
zunimmt, wendet die Lastansprech-Steuerschaltung 15 eine
Lastansprech-Steuerung an, indem sie eine Steuerung bewirkt, durch
die der Feldstrom von 204 erhöht
wird, und zwar lediglich allmählich
im Ansprechen auf die plötzliche
Erhöhung
in der Last. Das heißt
mit anderen Worten, wenn die elektrische Last 4 plötzlich erhöht wird,
so daß die
Spannung an dem B-Anschluß abrupt
abfällt
und das Ausgangssignal aus dem Spannungskomparator 18 auf
einen niedrigen Pegel fällt
(und auf diesem Pegel bleibt, bis die B-Klemmenspannung auf den
eingestellten Wert Vref zurückkehrt),
erzeugt die Lastansprech-Steuerschaltung 15 ein Ausgangssignal,
welches mit (in dem UND-Gatter 20)
dem PWM-Ausgangssignal von der Spannungs-Steuerschaltung 16 kombiniert
oder verbunden wird, wodurch das Tastverhältnis des PWM-Ausgangssignals
aus dem UND-Gatter 20 lediglich allmählich ansteigt. Auf diese Weise
kann eine abrupte Erhöhung
in dem Ausgangsstrom, der durch den Generator 2 erzeugt
wird, und eine abrupte Zunahme des Generator-Drehmoments verhindert
werden.
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Die
Funktion der Drehgeschwindigkeit-Beurteilungsschaltung 30 besteht
darin, die momentan verfügbare
elektrische Generierungskapazität
des Generators 2 zu beurteilen. Bei dieser Ausführungsform
basiert diese Beurteilung auf der Drehgeschwindigkeit des Rotors
des Generators 2 (im Folgenden einfach als Drehzahl des
Generators 2 bezeichnet). Spezifischer gesagt detektiert
die Drehgeschwindigkeit-Beurteilungsschaltung 30 die Frequenz
von einer der Phasen der Phasenwicklung 200, um dadurch die Drehgeschwindigkeit
des Generators 2 zu bestimmen, und ist so konfiguriert,
um ein Ausgangssignal mit einem niedrigen Pegel zu erzeugen (d.h. es
wird angezeigt, daß die
verfügbare
elektrische Generierungskapazität
relativ niedrig ist), wenn die Drehgeschwindigkeit des Generators 2 niedriger
liegt als ein vorbestimmter Bezugswert, und mit einem hohen Pegel
zu erzeugen (d.h. es wird angezeigt, daß die verfügbare elektrische Generierungskapazität relativ
hoch ist), wenn die Drehgeschwindigkeit gleich ist mit oder größer ist
als der Bezugswert. Der Bezugsgeschwindigkeitswert entspricht einer
Drehgeschwindigkeit der Fahrzeugmaschine, die geringfügig höher ist
als die Leerlaufdrehzahl.
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Das
Ausgangssignal, welches dadurch von der Drehgeschwindigkeit-Beurteilungsschaltung 30 erzeugt
wird, wird der Betriebsmodus-Wählschaltung 17 eingespeist.
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Die
Betriebsmodus-Wählschaltung 17 führt eine
Auswählfunktion
durch, um selektiv den zuvor erläuterten
Rückstrommodus
und regenerativen Strommodus zu erstellen. Spezifischer gesagt,
wenn das Ausgangssignal von der Drehgeschwindigkeit-Beurteilungsschaltung 30 auf
einem hohen Pegel liegt, was anzeigt, daß die elektrische Generierungskapazität hoch ist,
liefert die Betriebsmodus-Wählschaltung 17 ein
hochpegeliges Signal zu dem zweiten Eingang des 2-Eingangs-ODER-Gatters 19,
welches dadurch ein hochpegeliges Ausgangssignal erzeugt, welches
den MOS FET 11 kontinuierlich in dem eingeschalteten Zustand
hält. Das Ende
der Feldwicklung 204, welches mit der Verbindung aus der
Diode 14 und dem MOS FET 11 verbunden ist, wird
dadurch auf Massepotential oder Erdpotential geklemmt, so daß der Rückstrommodus aufgebaut
wird, d.h. es fließt
dann Strom durch den MOS FET 11 und die Diode 13 zurück in die
Feldwicklung 204, und zwar jedes Mal, wenn der MOS FET 10 in
den ausgeschalteten Zustand geschaltet wird.
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Wenn
in umgekehrter Weise das Ausgangssignal aus der Drehgeschwindigkeit-Beurteilungsschaltung 30 auf
einem niedrigen Pegel liegt, was anzeigt, daß die verfügbare elektrische Generierungskapazität niedrig
ist, liefert die Betriebsmodus-Wählschaltung 17 ein
niedrigpegeliges Signal zu dem zweiten Eingang des 2-Eingangs-ODER-Gatters 19, wodurch
ein hochpegelieges Ausgangssignal lediglich dann erzeugt wird, wenn
die Ausgangsgröße des UND-Gatters 20 auf
einen hohen Pegel steigt. Als ein Ergebnis wird ein synchrones Ein-/Aus-Schalten
der MOS FETs 10, 11 durch das Ausgangssignal aus dem
UND-Gatter 20 durchgeführt,
so daß ein
regenerativer Strom von der Feldwicklung 204 über die
Dioden 13, 14 zu dem B-Anschluß fließt, d.h. zu der Batterie 3,
und zwar während
eines jeden Intervalls, in welchem die MOS FETs 10, 11 sich
in dem AUS-Zustand befinden. Somit wird der regenerative Strommodus
erstellt.
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Das
oben Gesagte kann in der folgenden Weise zusammengefaßt werden,
und zwar mit Hinweis auf die 2 bis 5.
In diesen Figuren veranschaulicht 2 den Flußpfad des
Stromes durch den Generator 2, und zwar in dem regenerativen Strommodus
und in dem Rückstrommodus
während eines
jeden Intervalls, in welchem der MOS FET 10 in den eingeschalteten
Zustand gesetzt ist. 3 veranschaulicht den Flußpfad des
Stromes durch den Generator 2 in dem Rückstrommodus, nachdem der MOS
FET 10 in den ausgeschalteten Zustand versetzt wurde. 5 veranschaulicht
den Stromfluß des
Stromes durch den Generator 2 in dem regenerativen Strommodus,
nachdem der MOS FET 10 in den ausgeschalteten Zustand versetzt
wurde. 4 veranschaulicht die Art der Schwankung der Amplitude
des Stromflusses durch den Generator 2, und zwar unmittelbar
nachdem der MOS FET 10 in den ausgeschalteten Zustand versetzt
wurde, und zwar für
den Fall des Betriebes in dem Rückstrommodus bzw.
dem regenerativen Strommodus.
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Betrieb in
dem Rückstrommodus
-
Wenn
das Fahrzeug beginnt, angefahren oder angetrieben zu werden und
die Drehgeschwindigkeit des Generators 2 höher wird
als der Bezugsgeschwindigkeitswert, was anzeigt, daß eine ausreichende
elektrische Generierungskapazität
verfügbar ist,
wird ein hochpegeliges Signal von der Drehgeschwindigkeit-Beurteilungsschaltung 30 ausgegeben,
welches über
das ODER-Gatter 19 an den MOS FET 11 angelegt
wird, wodurch der MOS FET 11 kontinuierlich in dem eingeschalteten
Zustand gehalten wird und der Rückstrommodus
aufgebaut wird. In diesem Zustand fließt jedes Mal, wenn das PWM-Signal aus
dem UND-Gatter 20 auf einen hohen Pegel steigt, so daß der MOS
FET 10 in den eingeschalteten Zustand versetzt wird, der
Feldstrom (der in den 2 bis 5 mit If
bezeichnet ist) sukzessive durch den MOS FET 10, die Feldwicklung 204 und den
MOS FET 11. Jedes Mal, wenn das PWM-Signal aus dem UND-Gatter 20 auf
einen niedrigen Pegel fällt,
so daß der
MOS FET 10 in den ausgeschalteten Zustand versetzt wird
und die Spannung, die an die Feldwicklung 204 angelegt
wird, beseitigt wird, wird eine Potentialdifferenz mit einer entgegengesetzten Polarität zu der
angelegten Spannung (im Folgenden als Umkehr-Vorspannung bezeichnet)
in der Feldwicklung 204 induziert, und es fließt ein resultierender
induzierter Feldstrom If sukzessive durch die Diode 13,
die Feldwicklung 204 und den MOS FET 11, wie in 2 veranschaulicht
ist. Dieser „Rückstrom"-Fluß beginnt
(beim Ausschalten des MOS FET 10), wenn die Umkehr-Vorspannung
des Generators 2 den Vorwärtsleitung-Spannungsabfall
Vf der Diode 13 überschreitet
und setzt sich fort, bis die Potentialdifferenz an dem Generator 2 unter
Vf fällt.
Die Zeitkonstante von dem jeweiligen solchen Auftreten des Rückstromflusses
liegt bei angenähert
100 bis 200 ms, und die Schwankung des Feldstromes If während eines
solchen Intervalls ist durch die Kurve „a" in 4 veranschaulicht.
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Betrieb im
regenerativen Strommodus
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5 veranschaulicht
den Pfad des Flusses des Feldstroms If nachfolgend einem Ausschalten des
MOS FET 10 während
des Betriebes in dem regenerativen Strommodus. Wie oben beschrieben wurde,
wird dieser Modus dann betreten, wenn die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl
des Generators 2 unter einem vorbestimmten Wert liegt,
was anzeigt, daß die
verfügbare
elektrische Generierungskapazität des
Generators 2 niedrig ist. In diesem Fall wird das Ausgangssignal
aus dem UND-Gatter 20 unverändert über das ODER-Gatter 19 übertragen,
um einen Schaltvorgang des MOS FET 11 synchron mit dem MOS
FET 10 durchzuführen.
Wenn somit das Ausgangssignal aus dem UND-Gatter 20 auf
einen niedrigen Pegel fällt,
werden beide MOS FETs 10, 11 in den ausgeschalteten
Zustand versetzt, so daß ein
induzierter Strom der Feldwicklung 204 über den Pfad fließt, der
in 5 gezeigt ist, und zwar über die Diode 13,
die Feldwicklung 204 und die Diode 14 in die Batterie 3,
und zwar in Form eines regenerativen Stromes.
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In
diesem Fall beginnt der Fluß des
regenerativen Stromes (unmittelbar nach dem Ausschalten der MOS
FETs 10, 11), wenn die Umkehr-Vorspannung der
Feldwicklung 204 die Summe aus der Klemmenspannung der
Batterie 3 (in 4 mit Vbatt angezeigt) und den
jeweiligen Vorwärtsleit-Spannungsabfällen Vf
der Dioden 13 und 14 überschreitet. Demzufolge besitzt
jeder Fluß des
regenerativen Stromes eine kurze Zeitkonstante von angenähert 20
bis 40 ms. Dies ist durch eine entsprechende Kurve „b" in 4 veranschaulicht.
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Auf
diese Weise erstellt das Generator-Steuergerät 1 den regenerativen
Strommodus lediglich dann, wenn die verfügbare elektrische Generierungskapazität des Gene rators 2 relativ
niedrig ist. Im allgemeinen ist die Batterie 3 in diesem
Zustand dazu befähigt,
einen hohen Wert des Ladestromes zu absorbieren, ohne dabei eine
signifikante Erhöhung
in ihren Klemmenspannungen zu zeigen. Somit wird eine elektrische
Störgröße bzw.
Störsignale
in Form von Störspannungsspitzen
nicht erzeugt, und zwar als Ergebnis des Flusses des regenerativen
Stromes in die Batterie 3.
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Bei
einem herkömmlichen
Typ eines Fahrzeuggenerator-Steuergerätes wird dann, wenn das Fahrzeug
anfängt
zu fahren, und zwar mit niedriger Geschwindigkeit, der Feldstrom
erhöht,
um eine Kompensation der Ausgangsspannung des Generators zum Reduzieren
der Drehgeschwindigkeit des Generator-Rotors zu kompensieren, was
zu einer Erhöhung
des Generator-Drehmoments führt.
Bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird jedoch dann, wenn die Drehgeschwindigkeit
des Generator-Rotors
unter einen vorbestimmten Wert abfällt, der regenerative Strommodus
betreten, wodurch das Generator-Drehmoment unmittelbar abgesenkt
wird, während
die Ausgangsspannung des Generators auf dem erforderlichen Wert
gehalten wird. Dies ist durch den Graphen in 6 veranschaulicht, welcher
die Beziehung zwischen dem Generator-Drehmoment und der Generator-Drehgeschwindigkeit
wiedergibt, wobei der Bezugs-Geschwindigkeitswert, bei welchem der
regenerative Strommodus betreten wird, mit N1 bezeichnet ist. Plötzliche
Erhöhungen
des Generator-Drehmoments, wenn die Maschinendrehzahl abfällt, können somit
verhindert werden, und es kann ein stabiler Leerlaufbetrieb der Maschine
dadurch erreicht werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist angenommen, daß dann,
wenn die Generator-Drehgeschwindigkeit
sich bei dem Bezugs-Geschwindigkeitswert befindet, der einer Maschinendrehzahl
entspricht, die geringfügig
höher ist
als die Leerlaufdrehzahl, ein Abgleich zwischen der erzeugten Ausgangsleistung
des Generators 2 und der verfügbaren elektrischen Generierungskapazität erfolgt,
und daß dann,
wenn die Generator-Drehgeschwindigkeit
unter den Bezugs-Geschwindigkeitswert fällt, die elektrische Generierungskapazität unzureichend
geworden ist, d.h. die Beurteilung der elektrischen Generierungskapazität basiert
lediglich auf der Generator-Drehgeschwindigkeit. Es ist jedoch ebenso
möglich,
eine andere Anordnung zu verwenden, um die elektrische Gene rierungskapazität abzuschätzen, indem
man beispielsweise einen Stromsensor verwendet, um den Wert des
Ausgangsstromes des Generators 2 zu messen oder den Wert
des Ladestromes der Batterie 3 zu messen und indem man
die verfügbare
elektrische Generierungskapazität
basierend auf den Ergebnissen der Strommessung beurteilt.
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Anstatt
ferner eine eigene Schaltung zu verwenden, wie beispielsweise die
Drehgeschwindigkeit-Beurteilungsschaltung 30, um die Generator-Drehgeschwindigkeit
zu detektieren, ist es ebenso möglich,
eine Fahrzeug-Maschinendrehzahl-Information zu verwenden (z.B. eine
solche, die von einer Vorrichtung geliefert wird, die extern von
dem Generator-Steuergerät 1 vorgesehen
ist, wie beispielsweise einer Maschinen-ECU, welche die Maschinen-Drehgeschwindigkeit-Information
von einem Sensor verwendet), um die Generator-Drehgeschwindigkeit
basierend auf der Maschinendrehzahl zu detektieren, und um dann
damit eine Beurteilung vorzunehmen, ob die elektrische Generierungskapazität des Generators 2 ausreichend
ist.
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Der
Betrieb der Lastansprech-Steuerschaltung 15 wird nun im
Folgenden beschrieben. Während
sich die elektrische Last 4 in einem stabilen Zustand befindet,
führt die
Spannungs-Steuerschaltung 16 eine PWM-Schalt-Steuerung
des MOS FET 10 durch, um den Treiberstrom der Feldwicklung 204 zu steuern.
Die Ausgabemuster für
dieses PWM-Signal aus der Spannungs-Steuerschaltung 16 werden
im voraus in einem Speicher abgespeichert (in den Zeichnungen nicht
gezeigt), und zwar von der Lastansprech-Steuerschaltung 15.
Wenn die Klemmenspannung der Batterie 3 abfällt bzw.
reduziert wird, wird dann, obwohl das Tastverhältnis des PWM-Ausgangssignals
aus der Spannungs-Steuerschaltung 16 unmittelbar erhöht wird,
das Tastverhältnis
eines PWM-Ausgangssignals, welches von der Lastansprech-Steuerschaltung 15 erzeugt
wird, nur allmählich
erhöht,
so daß das
PWM-Ausgangssignal aus dem UND-Gatter 20 entsprechend lediglich
allmählich
zunimmt. Damit nimmt auch der Ausgangsstrom des Generators 2 lediglich
allmählich
zu, so daß das Generator-Drehmoment
nicht plötzlich
erhöht
wird. Auf diese Weise dient die Lastansprech-Steuerschaltung 15 dazu,
plötzliche
Erhöhungen
in dem Lastdrehmoment zu unterdrücken,
welche an die Maschine durch den Generator 2 angelegt werden,
wenn die Maschinendrehzahl abgesenkt wird, so daß ein stabiler Maschinenleerlauf
erreicht werden kann.
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Wenn
jedoch solch eine Lastansprech-Steuerung direkt angewendet wird,
ergibt sich ein Problem dahingehend, daß die Beziehung zwischen dem
Tastverhältnis
des PWM-Signals, welches von dem UND-Gatter 20 ausgegeben
wird, und der aktuellen mittleren Spannung, die an die Feldwicklung 204 angelegt
wird, abweicht, und zwar in Einklang damit, ob der regenerative
Strommodus oder der Rückstrommodus
erstellt ist.
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7 veranschaulicht
diese jeweiligen Beziehungen zwischen dem PWM-Tastverhältnis des Ausgangssignals
aus dem UND-Gatter 20 und der Ausgangsspannung des Generators 2 (spezieller
gesagt der Spitzen-Wechselstromspannung der Statorwicklung 200),
wobei die Ausgangsspannung als ein entsprechender mittlerer Wert
der Spannung ausgedrückt
ist, welche an die Feldwicklung 204 angelegt wird, wobei
die Beziehung für
den Fall des Rückstrommodus
mit Ca bezeichnet ist und der jenige im Falle des regenerativen
Strommodus mit Cd bezeichnet ist. Es sei angenommen, daß das System
in dem regenerativen Strommodus arbeitet, und zwar unter einem relativ
geringen Wert der elektrischen Last 4 entsprechend dem
Punkt A2 in 7, wenn ein Überwechseln in den Rückstrommodus
dann ausgeführt
wird, wobei das Tastverhältnis
des PWM-Signals von dem UND-Gatter 20 unverändert gelassen wird,
so daß dann
die Generator-Ausgangsspannung plötzlich auf einen Wert ansteigt,
der dem Punkt A1 in 7 entspricht. Der Ausgangsstrom
des Generators 2 wird dadurch abrupt erhöht und das
Generator-Drehmoment wird daher in unnötiger Weise plötzlich erhöht. Gegenläufige Effekte
können
dadurch ebenfalls auftreten, wie beispielsweise ein irregulärer Lauf
der Maschine und eine plötzliche
Erhöhung
der Klemmenspannung der Batterie 3 aufgrund eines erhöhten Wertes
des Ladestromes, was verschiedene elektronische Komponenten des
Fahrzeugs beeinflussen kann.
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Jedoch
liefert die Lastansprech-Steuerschaltung 15 dieser Ausführungsform
Gegenmaßnahmen, um
das Auftreten solcher Probleme zu verhindern.
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8 zeigt
Einzelheiten der Konfiguration der Lastansprech-Steuerschaltung 15,
die gemäß der Darstellung
aus einem Tastverhältnis-Speicher und
einer Ausgangsschaltung 131, einer Wählschaltung 152, einer
Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 und
einer Modusumwechsel-Detektorschaltung 154 besteht. Die
Modusumwechsel-Detektorschaltung 154 empfängt das
Ausgangssignal von der Betriebsmodus-Wählschaltung 17, während das
PWM-Ausgangssignal aus dem UND-Gatter 20 der Wählschaltung 152 und
der Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 eingespeist
wird. Zusätzlich
wird ein Ausgangssignal von der Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 der
Wählschaltung 152 eingespeist
und ein Ausgangssignal aus der Modusumwechsel-Detektorschaltung 154 wird
jeder Schaltung gemäß der Wählschaltung 152 und
der Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 eingespeist. 9 zeigt
ein Zeitsteuerdiagramm zum Beschreiben des Betriebes der Lastansprech-Steuerschaltung 15.
Die Modusumwechsel-Detektorschaltung 154 detektiert
jedes Auftreten eines Wechsels von dem Rückstrommodus in den regenerativen
Strommodus (d.h. wenn das Ausgangssignal aus der Betriebsmodus-Wählschaltung 17 sich von
dem hohen Pegel auf den niedrigen Pegel ändert, wie in 9 gezeigt
ist), oder von dem regenerativen Strommodus in den Rückstrommodus
wechselt (d.h. wenn das Ausgangssignal aus der Betriebsmodus-Wählschaltung 17 sich
von dem niedrigen Pegel auf den hohen Pegel ändert), und erzeugt ein hochpegeliges
Ausgangssignal während
eines festgelegten Zeitintervalls, das dann beginnt, wenn ein Überwechseln
auftritt.
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Die
Wählschaltung 152 wählt eines
der zwei Eingangssignale aus, welche dieser zugeführt werden,
und zwar in Einklang mit dem Pegel des Ausgangssignals von der Modusumwechsel-Detektorschaltung 154.
Spezifischer ausgedrückt,
wenn ein Moduswechsel detektiert wird, so daß die Ausgangsgröße aus der
Modusumwechsel-Detektorschaltung 154 auf den hohen Wert
steigt, wird das Eingangssignal, welches der Wählschaltung 152 von
der Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 zugeführt wird,
ausgewählt,
während
ansonsten das Eingangssignal, welches von dem UND-Gatter 20 zugeführt wird,
ausgewählt
wird, um von der Wählschaltung 152 ausgegeben
zu werden.
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Die
Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 führt eine
Umsetzung des Tastverhältnisses
des PWM-Signals aus dem UND-Gatter 20 in Einklang damit
durch, ob der Rückstrommodus
oder der regenerative Strommodus aufgebaut ist, wie noch im Folgenden
beschrieben wird. Der Tastverhältnis-Speicher
und die Ausgangsschaltung 151 sprechen auf das PWM-Signal
an, welches von der Wählschaltung 152 eingespeist
wird, um ein Ausgangs-PWM-Signal mit einem Tastverhältnis zu
erzeugen, welches geringfügig
größer ist
als dasjenige des PWM-Signals von der Wählschaltung 152.
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In 9 ist
jedes Intervall, in welchem das PWM-Signal von dem UND-Gatter 20 eingespeist wird,
entsprechend der Auswahl der Wählschaltung 152 als
ein Wählstatus
Sa-Intervall angezeigt, während
jedes Intervall, in welchem das PWM-Signal von der Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 eingespeist wird,
gemäß der Auswahl
durch die Wählschaltung 152 als
ein Auswahlstatus Sb-Intervall angezeigt wird.
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Wenn,
wie in 9 veranschaulicht ist, der Wechsel von dem Rückstrommodus
in den regenerativen Strommodus durchgeführt wird, ändert sich das Ausgangssignal
von der Betriebsmodus-Wählschaltung 17 von
dem hohen Pegel auf den niedrigen Pegel, und das Ausgangssignal
von der Modusumwechsel-Detektorschaltung 154 geht dann
auf den hohen Pegel und bleibt für
ein festgelegtes Zeitintervall auf diesem hohen Pegel (d.h. ein
Wählstatus-Sb-Intervall).
Während
dieses Intervalls setzt die Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 das
Tastverhältnis
D1 des PWM-Signals um, welches von dem UND-Gatter 20 eingespeist
wurde, um ein Ausgangs-PWM-Signal mit einem Tastverhältnis D2
zu erzeugen, wobei gilt: D2 = (D1 + 1)/2 (1).
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Bei
der vorliegenden Beschreibung und den anhängenden Ansprüchen wird
angenommen, daß das
Tastverhältnis
des Ausgangs-PWM-Signals aus dem UND-Gatter 20 und der
Leitfaktor des MOS FET 10 untereinander gleich sind.
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Wenn
umgekehrt der Wechsel von dem regenerativen Strommodus in den Rückstrommodus durchgeführt wird, ändert sich
das Ausgangssignal von der Betriebsmodus- Wählschaltung 17 von
dem niedrigen Pegel auf den hohen Pegel und das Ausgangssignal von
der Modusumwechsel-Detektorschaltung 154 geht dann auf
den hohen Pegel und verbleibt für
ein festgelegtes Zeitintervall auf diesem hohen Pegel (d.h. einem
Wählstatus-Sb-Intervall). Während dieses
Intervalls setzt die Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 das
Tastverhältnis
D3 des PWM-Signals um, welches von dem UND-Gatter 20 eingespeist wurde,
um ein Ausgangs-PWM-Signal mit einem Tastverhältnis D4 zu erzeugen (d.h.
um einen Leitfaktor D4 für
den MOS FET 10 zu erstellen), wobei gilt: D4 = 2 × D3 – 1 (2).
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Bei
den oben angegebenen Ausdrücken
für D2
und D4 sei erwähnt,
daß ein
Wert von 1 für
das Tastverhältnis
(Leitfaktor) 100% entspricht, ausgedrückt als Prozentsatz.
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Indem
man die Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 auf
diese Weise verwendet und das auf diese Weise erzeugte PWM-Signal
einem der Eingänge des
UND-Gatters 20 zuführt, kann
sichergestellt werden, daß das
Tastverhältnis
des PWM-Signals,
welches von dem UND-Gatter 20 ausgegeben wird, sich nicht
in solcher Weise ändert,
daß abrupte Änderungen
in großem
Maßstab
in dem Ausgangsstrom des Generators 2 verursacht werden,
wenn Übergänge zwischen
dem Betrieb in dem Rückstrommodus
und in dem regenerativen Strommodus auftreten. Es kann somit ein
stabiler Wert der Ausgangsspannung aus dem Generator 2 erreicht
werden und es können plötzliche Änderungen
in dem Generator-Drehmoment vermieden werden.
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Es
sei im Folgenden angenommen, daß ein Satz
von acht Datenbits, die mit Q0 bis Q7 bezeichnet sind, dazu verwendet
werden, um einen Tastverhältniswert
durch die Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 auszudrücken, und
zwar in solcher Weise, daß dann,
wenn diese Bits Q0 bis Q7 die jeweiligen Werte 00000000 haben, das
Tastverhältnis
gleich ist 0%, und dann, wenn die Bits Q0 bis Q7 die jeweiligen Werte
11111111 haben, das Tastverhältnis
gleich 100% beträgt.
Wenn in diesem Fall gemäß der Darstellung
in 10A ein Wechsel von dem Rückstrommodus in den regenerativen
Strommodus durchgeführt
wird, ist es lediglich erforderlich, eine 1-Bit- Rechtsverschiebe-Operation an diesen
8 Bits Q0 bis Q7 vorzunehmen und dann den Wert 1 in die MSB (höchstwertiges
Bit)-Position einzufügen,
um dadurch die Berechnung gemäß dem oben
angegebenen Ausdruck (1) auszuführen.
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Wenn
im Gegensatz dazu gemäß der Darstellung
in 10B ein Wechsel von dem regenerativen Strommodus
in den Rückstrommodus
ausgeführt
wird, ist es lediglich erforderlich, eine 1-Bit-Linksverschiebe-Operation
an den Bits Q0 bis Q7 vorzunehmen und dann den Wert 1 in die LSB (niedrigstwertiges
Bit)-Position einzufügen,
um dadurch die Berechnung gemäß dem oben
angegebenen Ausdruck (2) durchzuführen.
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Es
ist auf diese Weise lediglich erforderlich, daß die Tastverhältnis-Umsetzschaltung 153 einfache
Schiebeoperationen durchführt,
z.B. an einem Satz von Bits, die in einem Register festgehalten
werden, so daß diese
Operationen schnell ausgeführt werden
können,
und zwar mit Hilfe einer im Maßstab klein
gehaltenen Schaltung, die dafür
erforderlich ist.
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Wenn
bei dieser Ausführungsform
die Ausgangsleistung des Generators 2 niedrig liegt, und zwar
in Relation zu der Größe der elektrischen
Last 4, so daß die
momentan verfügbare
elektrische Generierungskapazität
gering ist, wird der regenerative Strommodus betreten, um Rückwärtsflüsse des
Feldstromes zu der Batterie 3 als regenerativen Strom zuzuführen, so
daß Energie
effizienter zu der elektrischen Last 4 zugeführt wird.
Wenn die elektrische Generierungskapazität klein ist, kann die Batterie 3 unmittelbar
einen Ladestrom absorbieren, d.h. die Batterie-Klemmenspannung ändert sich
nicht in signifikanter Weise, wenn ein erhöhter Betrag des Ladestromes
zugeführt
wird. Somit treten keine Spannungsspitzen-Störsignale in der Klemmenspannung der
Batterie 3 als ein Ergebnis der sukzessiven Flüsse des
regenerativen Stromes in die Batterie 3 hinein auf, so
daß eine
Beschädigung
von elektronischen Komponenten des Fahrzeugs oder eine Interferenz mit
dem Betrieb dieser Komponenten oder von dem Generator 2 nicht
aufgrund übermäßiger elektrischer Störsignale
auftritt.
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Da
die Ausgangsleistung des Generators 2 mit Ansteigen der
Drehzahl zunimmt, läßt sich
die momentan verfügbare
elektrische Generierungskapazität
in einfacher und zuverlässiger
Weise dadurch überwachen,
indem diese Drehzahl detektiert wird. Dies hat den Vorteil einer
einfachen Konfiguration, ohne daß dabei zugeordnete oder spezielle
zusätzliche
Komponenten, wie beispielsweise ein Stromsensor, erforderlich sind,
um den Wert des Ausgangsstromes von dem Generator 2 direkt
zu messen, oder ein Stromsensor erforderlich ist, um den Wert des
Ladestromes, welcher der Batterie 3 zugeführt wird,
zu messen. Jedoch ist die Erfindung auch in gleicher Weise bei einem
System anwendbar, bei dem ein solcher Stromsensor verwendet wird,
um die elektrische Generierungskapazität zu beurteilen.
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Speziell
im Falle eines elektrischen Fahrzeugsystems, bei dem der Wert des
Ausgangsstromes aus dem Generator 2 oder der Wert des Ladestromes,
welcher der Batterie 3 zugeführt wird (oder beide diese
Ströme)
bereits inkorporiert sind, um solche Stromwertinformationen einer
Maschinen-ECU zuzuführen,
können
die Informationen, die durch einen solchen existierenden Stromsensor
geliefert werden, dazu verwendet werden, um die elektrische Generierungskapazität des Generators 2 zu
beurteilen, und zwar anstelle der Überwachung der Generator-Drehzahl.
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Wie
ferner oben beschrieben ist, ist es selbst möglich, die Drehgeschwindigkeit
der Fahrzeugmaschine anstelle derjenigen des Generators zu verwenden,
um die elektrische Generierungskapazität zu beurteilen, speziell dann,
wenn solche Maschinendrehzahl-Informationen bereits für eine Maschinen-ECU
verfügbar
sind, wie dies allgemein in Verbindung mit einem modernen Motorfahrzeug
der Fall ist.
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Wie
oben beschrieben ist, variiert die Beziehung zwischen dem Leitfaktor
des MOS FET 10 und der mittleren Spannung, die an die Feldwicklung 204 angelegt
wird, in Einklang damit, ob der Rückstrommodus oder der regenerative
Strommodus angewendet wird. Wenn somit ein Wechseln zwischen diesen Betriebsmodi
durchgeführt
wird, während
der Leitfaktor des MOS FET 10 unverändert gelassen wird, kann eine
abrupte Änderung
im Pegel der mittleren Spannung, die an die Feldwicklung 204 ange legt wird,
auftreten. Bei der oben erläuterten
Ausführungsform
wird jedoch der Leitfaktor des MOS FET 10 in geeigneter
Weise bei jedem Umwechseln zwischen diesen Betriebsmodi modifiziert,
um ein solches Problem zu beseitigen. Es wird dadurch sichergestellt,
daß abrupte
Erhöhungen
in dem Ausgangsstrom des Generators 2 nicht auftreten oder
auch nicht in dem Generator-Drehmoment, so daß ein Zustand gemäß einem
stabilen Maschinenleerlauf erreicht werden kann.
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Speziell
bei der oben beschriebenen Ausführungsform
wird der Leitfaktor des MOS FET 10 modifiziert (.d.h. durch
Modifizieren des Tastverhältnisses des
PWM-Signals, welches
den Ein-/Aus-Schaltzustand dieses Transistors steuert, und auch
von dem MOS FET 11 im Falle des regenerativen Strommodus steuert),
und zwar in geeigneter Weise derart, um die mittlere Spannung, die
an die Feldwicklung 204 angelegt wird, auf im wesentlichen
dem gleichen Pegel zu halten, um eine Stabilität des Wertes des Ausgangsstromes
aus dem Generator 2 und von dem Generator-Drehmoment sicherzustellen.
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Spezifischer
ausgedrückt
wird der Leitfaktor bei jedem Übergang
von dem Rückstrommodus
in den regenerativen Strommodus erhöht und wird bei jedem Übergang
von dem regenerativen Strommodus in den Rückstrommodus reduziert, um
die oben erläuterten
Wirkungen zu erhalten.
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Wenn
ferner bei der oben erläuterten
Ausführungsform
der Wechsel von dem Rückstrommodus
in den regenerativen Strommodus durchgeführt wird, wird das PWM-Tastverhältnis (Leitfaktor)
von einem Wert D1 vor dem Wechsel in einen Wert D2 umgesetzt, wobei
D2 gleich ist mit (D1 + 1)/2, während dann,
wenn der Wechsel von dem regenerativen Strommodus in den Rückstrommodus
ausgeführt wird,
das PWM-Tastverhältnis von
einem Wert D3 vor dem Wechsel in einen Wert D4 umgewandelt wird, wobei
D4 gleich ist mit (2 × D3 – 1). Indem
man solche festgelegten Beziehungen zur Durchführung der Berechnungen verwendet,
um den Leitfaktor bei jedem Wechselvorgang umzusetzen oder umzuwandeln,
kann die Beziehung zwischen dem Leitfaktor des MOS FET 10 und
der mittleren Spannung, die an die Feldwicklung 204 angelegt wird,
unmittelbar in einer geeigneten Richtung umgesetzt werden, und zwar
um einen geeigneten Betrag. Auf diese Weise können abrupte Änderungen
im Wert des Ausgangsstromes aus dem Generator 2 und im
Wert des Generator-Drehmoments verhindert werden, so daß ein stabiler
Maschinen-Leerlaufbetrieb aufrechterhalten werden kann.
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Indem
man darüber
hinaus das Tastverhältnis
als eine feste Zahl von n Bits in der oben beschriebenen Weise ausdrückt, können diese
Umwandlungen oder Umsetzungen in einfacher Weise dadurch ausgeführt werden,
indem man einfache Bit-Verschiebeoperationen an den n Bits vornimmt,
und können
somit schnell bewirkt werden, ohne daß eine Schaltung in großem Maßstab erforderlich
ist.
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Es
sei darauf hingewiesen, daß die
Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist
und daß vielfältige Abwandlungen
vorgenommen werden können.
Speziell bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die mittlere
Spannung der Feldwicklung 204 durch die PWM-Steuerung des
MOS FET 10 bestimmt, der als ein Schalter auf der spannungsmäßig hoch
liegenden Seite arbeitet, und zwar innerhalb der Brückenschaltung,
die gebildet ist aus den MOS FETs 10, 11 und den
Dioden 13, 14, während der Wechsel zwischen
dem Rückstrommodus
und dem regenerativen Strommodus unter Verwendung des MOS FET 11 durchgeführt wird,
der als ein Schalter auf der spannungsmäßig niedrigen Seite funktioniert,
und zwar in der Brückenschaltung.
Es ist jedoch ebenso möglich, eine
entgegengesetzte oder umgekehrte Anordnung zu verwenden, bei der
die mittlere Spannung der Feldwicklung 204 durch die PWM-Steuerung
des Schalters auf der spannungsmäßig niedrigen
Seite festgelegt wird (d.h. der MOS FET 11 wird durch das Ausgangssignal
von der Treiberschaltung 21 gesteuert), wodurch dann der
Betriebsmoduswechsel durch Steuern des MOS FET 10 vorgenommen
wird. Dies hätte
den Vorteil, die Möglichkeit
zu schaffen, daß die Antriebs-Ausgangsfähigkeit,
die für
die Treiberschaltung 21 erforderlich ist, reduziert werden
kann, so daß die
Treiberschaltung 21 mit Hilfe einer Schaltung in einem
kleineren Maßstab
implementiert werden könnte.
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Ferner
werden bei der oben beschriebenen Ausführungsform Dioden 13, 14 dazu
verwendet, um einen Rückfluß des Feldstromes
von der Feldwicklung 204 jedesmal dann passieren zu lassen,
wenn die Treiberspannung der Feldwicklung 204 unterbrochen
wird. Es ist jedoch ebenso möglich,
die eingebauten Dioden der MOS FETs anstelle dieser Dioden 13, 14 zu
verwenden, wie dies in dem Teil-Systemdiagramm von 11 veranschaulicht
ist, welches eine alternative Form der oben beschriebenen ersten Ausführungsform
von 1 zeigt. Hierbei entsprechen die MOS FETs 101, 111 den
MOS FETs 10, 11 der ersten Ausführungsform,
während
die MOS FETs 131, 141 jeweils anstelle der Dioden 13, 14 verwendet
werden. Die Verwendung der eingebauten Dioden der MOS FETs in dieser
Art hat den Vorteil, daß jeder
der MOS FETs 101, 111, 131, 141 als
ein MOS FET vom Doppel-Diffusionstyp konfiguriert werden kann, wobei
jeder dieser Transistoren eine identische Querschnittskonfiguration
aufweist. Dies würde
es dem Generator-Steuergerät 1 ermöglichen,
unmittelbar als eine integrierte Schaltung hergestellt zu werden,
die in der Größe kompakt
ausgeführt
werden kann und geringe Herstellungskosten verursacht.