DE102010002738A1

DE102010002738A1 - Drehzahlabhängige Regelparameter-Anpassung

Info

Publication number: DE102010002738A1
Application number: DE102010002738A
Authority: DE
Inventors: Frank Auer; Pierre Lefaix; Harald Panhofer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2010-10-07
Also published as: US20100244787A1; US8203317B2

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Ausgangsspannung (Vout) einer Generatoranordnung (6, 7), die einen Generator (6) mit einer Erregerwicklung (61) aufweist. Die Schaltungsanordnung umfasst:
einen ersten Eingang (11) zur Zuführung eines von der Ausgangsspannung (Vout) abhängigen Ausgangsspannungssignals (Sout) und
einen zweiten Eingang zur Zuführung eines von einer Drehzahl (V) des Generators abhängigen Drehzahlsignals (Su) und
ist dazu ausgebildet, einen geregelten Erregerstrom (13) für die Erregerwicklung (61) zu erzeugen, der abhängig ist von der Ausgangsspannung (Vout) und abhängig ist von wenigstens einem Regelparameter (K_I, K_P), der von einer Drehzahl des Generators abhängig ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Ausgangsspannung einer Drehstromgeneratoranordnung, die einen Drehstromgenerator mit einer Erregerwicklung aufweist.
Drehstromgeneratoren werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt und dienen dort zum Laden einer Fahrzeugbatterie, durch die elektrische Verbraucher in dem Fahrzeug versorgt werden. Angetrieben wird ein solcher Generator in einem Kraftfahrzeug durch den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs. Derartige zum Laden einer Fahrzeugbatterie eingesetzte Generatoren werden auch als Lichtmaschinen bezeichnet.
Die durch einen Generator bereitgestellte Ausgangsleistung ist abhängig von der Belastung des Generators, also abhängig von der Stromaufnahme einer an den Generator angeschlossenen Last, und ist außerdem abhängig von der Drehzahl, mit der der Generator betrieben wird. Da diese beiden Einflussgrößen variieren können, ist die Ausgangsleistung eines Generators regelbar. Die Regelung der Ausgangsleistung kann durch Regeln eines die Erregerwicklung des Generators durchfließenden Stromes erfolgen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung einer Generatoranordnung, eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Ausgangsspannung einer Generatoranordnung und eine Spannungsversorgungsanordnung mit einer Generatoranordnung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 13 und durch eine Spannungsversorgungsanordnung gemäß Anspruch 22 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung der Ausgangsleistung einer Generatoranordnung, die einen Generator mit einer Erregerwicklung aufweist, umfasst das Erzeugen eines geregelten Erregerstroms für die Erregerwicklung abhängig von der Ausgangsspannung und abhängig von wenigstens einem Regelparameter, der von einer Drehzahl des Generators abhängig ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist hierbei vorgesehen, den Regelparameter abhängig von der Drehzahl derart zu erzeugen, dass sich für kleine Drehzahlen Änderungen der Ausgangsspannung weniger stark auf den Erregerstrom auswirken als Änderungen der Ausgangsspannung bei größeren Drehzahlen. Die Regelung des Erregerstroms und damit der Ausgangsspannung erfolgt bei kleinen Drehzahlen also ”träger” als bei großen Drehzahlen.
Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Regelung der Ausgangsleistung einer Generatoranordnung umfasst: einen ersten Eingang zur Zuführung eines von einer Ausgangsspannung abhängigen Ausgangsspannungssignals; einen zweiten Eingang zur Zuführung eines von einer Drehzahl des Generators abhängigen Drehzahlsignals. Die Schaltungsanordnung ist dazu ausgebildet, einen geregelten Erregerstrom für die Erregerwicklung zu erzeugen, der abhängig ist von der Ausgangsspannung und der abhängig ist von einem Regelparameter, der von einer Drehzahl des Generators abhängig ist.
Ein Beispiel einer Spannungsversorgungsanordnung umfasst: eine Generatoranordnung mit einem Generator, der eine Erregerwicklung aufweist, und mit Ausgangsklemmen zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung; eine Drehzahlerfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Drehzahl des Generators zu erfassen und ein von der Drehzahl abhängiges Drehzahlsignal be reitzustellen; eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Erregerstroms für die Erregerwicklung, der ein von der Ausgangsspannung abhängiges Ausgangsspannungssignal und das Drehzahlsignal zugeführt sind und die dazu ausgebildet ist, einen geregelten Erregerstrom für die Erregerwicklung zu erzeugen, der abhängig ist von der Ausgangsspannung und der abhängig von einem Regelparameter, der von einer Drehzahl des Generators abhängig ist.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Beispiele werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Diese Figuren dienen lediglich zur Erläuterung des Grundprinzips, so dass nur die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen Merkmale dargestellt sind. Die zu erläuternden Aspekte sind in den Figuren schematisch dargestellt, die Figuren sind daher nicht maßstabsgerecht. In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale mit gleicher Bedeutung.
1 veranschaulicht ein System mit einer Generatoranordnung, die einen Generator mit einer Erregerwicklung aufweist, und mit einer Schaltungsanordnung zur Regelung einer Ausgangsspannung der Generatoranordnung.
2 veranschaulicht grundsätzlich die Abhängigkeit eines Ausgangsstroms eines Generators von einer Drehzahl des Generators für verschiedene Generatortypen.
3 veranschaulicht ein Beispiel einer Schaltungsanordnung zur Regelung der Ausgangsspannung, die eine gesteuerte Stromquelle, eine Regleranordnung und eine Regelparameterschaltung aufweist.
4 veranschaulicht ein Beispiel der Regleranordnung, die eine Fehlersignalerzeugungsschaltung und einen Regler aufweist.
5 veranschaulicht ein Beispiel des Reglers.
6 veranschaulicht ein Beispiel für eine Abhängigkeit eines ersten und zweiten Regelparameters, die dem Regler zugeführt sind, abhängig von der Drehzahl des Generators.
7 zeigt ein zweites Beispiel für eine Abhängigkeit des ersten und zweiten Regelparameters von der Drehzahl.
8 veranschaulicht ein Beispiel der Stromquelle.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt im Überblick ein Beispiel einer Spannungsversorgungsanordnung. Diese Spannungsversorgungsanordnung umfasst eine Generatoranordnung 6 mit einem Generator 61, der eine Erregerwicklung 62 aufweist, und mit einer an den Generator 61 angeschlossenen Gleichrichteranordnung 63. Der Generator 61 ist in dem dargestellten Beispiel ein 3-Phasen-Generator bzw. Drehstromgenerator. Dies ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Die nachfolgende Erläuterung gilt in entsprechender Weise auch für einen beliebigen anderen Generator, wie z. B. einen Einphasengenerator. Die an den Generator 61 angeschlossene Gleichrichteranordnung 63 dient dazu, eine durch den Generator 61 bereitgestellte Wechselspannung in eine gleichgerichtete Ausgangsspannung Vout der Generatoranordnung 6 umzusetzen. Diese Gleichrichteranordnung 63 kann ein herkömmlicher Diodengleichrichter oder ein beliebiger anderer Gleichrichter sein.
Die Spannungsversorgungsanordnung dient zur Spannungsversorgung einer an Ausgangsklemmen 64, 65 der Generatoranordnung 6 anschließbaren Last. Diese Last umfasst beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie (Akkumulator) 7, an die elektrische Verbraucher (nicht dargestellt) angeschlossen sein können. Die Spannungsversorgungsanordnung dient in diesem Fall zum Laden der Batterie 7, die wiederum zur Spannungs- bzw. Stromversorgung der angeschlossenen elektrischen Verbraucher dient.
Ein solches Gesamtsystem mit einer Spannungsversorgungsanordnung und einer an die Spannungsversorgungsanordnung angeschlossenen wiederaufladbaren Batterie findet beispielsweise in Kraftfahrzeugen Anwendung, kann jedoch auch in beliebigen anderen Bereichen Anwendung finden, in denen ein elektrischer Generator zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie eingesetzt wird. Angetrieben wird der Generator 61 beispielsweise durch eine Antriebsvorrichtung 10, die zum besseren Verständnis in 1 schematisch (gestrichelt) dargestellt ist. Bei einer Spannungsversorgungsanordnung in einem Kraftfahrzeug umfasst diese Antriebsvorrichtung beispielsweise den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs. Grundsätzlich kann der Generator 61 auf beliebige Weise mechanisch angetrieben werden, d. h. beispielsweise auch mittels einer Turbine, die durch Wind, durch Wasser oder durch Dampfdruck angetrieben ist.
Die Ausgangsspannung des Stromgenerators 61, und damit die Ausgangsspannung Vout der Generatoranordnung 6, ist abhängig von der Drehzahl des Generators 61 und ist auch abhängig von der Belastung des Generators, das heißt abhängig von der Stromaufnahme der an die Generatoranordnung 6 angeschlossenen Last. Da beide Einflussgrößen variieren können, ist es wünschenswert, die Ausgangsspannung Vout regeln zu können.
Zur Regelung der Ausgangsspannung Vout ist bei der in 1 dargestellten Spannungsversorgungsanordnung eine Schaltungsanordnung 1 vorgesehen, die einen geregelten Erregerstrom I3 für die Erregerwicklung 62 der Generatoranordnung 6 erzeugt. Man macht sich hierbei zu Nutze, dass über den die Erregerwicklung durchfließenden Strom das Magnetfeld innerhalb des Generators 61 und damit dessen Leistungsaufnahme regelbar ist.
Die Schaltungsanordnung 1 ist dazu ausgebildet, den Erregerstrom I3 abhängig von der Ausgangsspannung Vout zu erzeugen. Der Schaltungsanordnung 1 ist hierzu an einem ersten Eingang 11 ein Ausgangsspannungssignal Sout zugeführt, das von der Ausgangsspannung Vout abhängig ist und das beispielsweise proportional zu der Ausgangsspannung Vout ist. Dieses Ausgangsspannungssignal Sout kann beispielsweise durch einen Spannungsteiler 8 mit Spannungsteilerwiderständen 81, 82 erzeugt werden, über dem die Ausgangsspannung Vout anliegt. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die Ausgangsspannung Vout unmittelbar der Schaltungsanordnung 1 zuzuführen (nicht dargestellt), sofern die Schaltungskomponenten der Schaltungsanordnung 1 eine ausreichende Spannungsfestigkeit besitzen; das Ausgangsspannungssignal Sout entspricht in diesem Fall unmittelbar der Ausgangsspannung Vout.
Außer der Ausgangsspannung Vout ist auch der Ausgangsstrom des Generators 61 von der Drehzahl abhängig. 2 veranschaulicht für verschiedener Generatoren die Abhängigkeit des Ausgangsstromes von der Drehzahl. Dargestellt sind in 2 Mittelwerte oder Maximalwerte der gleichgerichteten Ausgangsströme für verschiedene Generatoren, also von Strömen, die dem Ausgangsstrom I6 der Generatoranordnung 6 gemäß 1 entsprechen. Wie anhand von 2 ersichtlich ist, ist dieser Ausgangsstrom innerhalb eines Drehzahlbereiches zwischen einer ersten Drehzahl U1 und einer zweiten Drehzahl U2 stark von der Drehzahl abhängig, während diese Abhängigkeit für Drehzahlen größer als U2 abnimmt. Der erste Drehzahlwert U1 ist in dem dargestellten Beispiel eine minimale Drehzahl des Generators, also die Drehzahl, ab der der Generator erst beginnt, Strom zu erzeugen. Für Stromgeneratoren, wie sie bei spielsweise in Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, umfasst der Drehzahlbereich [U1, U2], in dem eine starke Abhängigkeit des Ausgangsstroms von der Drehzahl vorliegt, beispielsweise Drehzahlen zwischen 1500 min^–1 und 3000 min^–1. Dies ist der Drehzahlbereich, in dem bei einem Kraftfahrzeug üblicherweise auch die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs liegt.
Die Regelung der Drehzahl eines Verbrennungsmotors erfolgt durch eine Motorsteuerung (nicht dargestellt) abhängig von einer Belastung des Verbrennungsmotors. Eine solche Belastung des Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs wird primär durch das Fahrzeuggetriebe bewirkt. Der Generator 61 stellt dabei zusätzlich zu dem Fahrzeuggetriebe eine Last für den Verbrennungsmotor dar. Bei Leerlauf des Verbrennungsmotors, also wenn kein Antriebsmoment an das Getriebe abzugeben ist, kann der Generator 61 die hauptsächliche Last des Verbrennungsmotors darstellen. Eine schwankende Leistungsaufnahme des Generators 61, die durch eine schwankende Leistungsaufnahme der an die Generatoranordnung 6 angeschlossene elektrische Last 7 bedingt sein kann, kann unter Umständen zu erheblichen und unerwünschten Schwankungen der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors führen. Wird ein elektrischer Verbraucher eingeschaltet, so dass die Ausgangsspannung Vout der Generatoranordnung 6 bzw. die Batteriespannung Vbat absinkt, so regelt die Schaltungsanordnung 1 über den Erregerstrom I3 die Leistungsaufnahme des Generators 61 nach, mit dem Ziel, ein weiteres Absinken der Batteriespannung Vbat zu vermeiden bzw. die Batteriespannung Vbat wieder auf einen Sollwert ansteigen zu lassen. Diese gesteigerte Leistungsaufnahme des Generators 61 sorgt für eine höhere Belastung des Verbrennungsmotors, dessen Drehzahl über die Motorsteuerung entsprechend angehoben wird. Im Leerlauf, wenn die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors gering ist, können bereits geringe Änderungen der Leistungsaufnahme des elektrischen Generators 61 zu Schwankungen in der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors führen.
Die Schaltungsanordnung 1 zur Regelung des Erregerstroms I3 ist dazu ausgebildet, den Erregerstrom I3 außer abhängig von der Ausgangsspannung Vout auch abhängig von einer Drehzahl des Generators 61 zu erzeugen. Die Schaltungsanordnung 1 ist insbesondere dazu ausgebildet, Änderungen der Ausgangsspannung Vout, wie sie durch Änderungen der Stromaufnahme der Last entstehen, bei kleinen Drehzahlen langsamer auszuregeln als für größere Drehzahlen. Bei kleinen Drehzahlen wird die Leistungsaufnahme des Generators 61 dadurch langsamer an sich ändernde Lastverhältnisse angepasst, als bei größeren Drehzahlen. Das Regelverhalten der Schaltungsanordnung 1 ist bei kleinen Drehzahlen also träger als bei größeren Drehzahlen. Starke Änderungen der Leistungsaufnahme des Generators 61, die die Regelung der Drehzahl des Verbrennungsmotors negativ beeinflussen können, werden so bei niedrigen Drehzahlen verhindert oder zumindest reduziert.
Zur Regelung des Erregerstromes I3 abhängig von der Drehzahl ist der Schaltungsanordnung 1 bezugnehmend auf 1 ein Drehzahlsignal Su zugeführt, das von der Drehzahl abhängig ist bzw. das ein Maß für die Drehzahl darstellt. Dieses Drehzahlsignal Su kann durch eine Drehzahlerfassungseinheit 5 erzeugt werden. Als Drehzahlerfassungseinheit 5 eignet sich eine beliebige Anordnung, die geeignet ist, die Drehzahl eines Stromgenerators zu erfassen. Eine solche Drehzahlerfassungseinheit 5 umfasst beispielsweise einen Frequenzzähler, dem die Spannung an einer Phase des Generators 62 zugeführt ist und der dazu ausgebildet ist, die Frequenz dieser Spannung zu ermitteln. Man macht sich hierbei zunutze, dass die Spannung an einer Phase des Generators 61 eine sinusförmige Spannung ist, deren Frequenz der Drehfrequenz bzw. Drehzahl des Generators 61 entspricht. Solche Frequenzzähler sind grundsätzlich bekannt, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden kann.
Die Ermittlung der Drehzahl durch Auswertung eines elektrischen Signals des Generators 61 ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Die Erzeugung des Drehzahlsignals Su ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Dieses Drehzahlsignal kann vielmehr auf beliebige Weise erzeugt werden. So könnte das Drehzahlsignal Su beispielsweise auch unter Verwendung eines Drehgebers erzeugt werden, der an einer mechanischen Welle (nicht dargestellt) des Generators 61 angeordnet ist.
3 veranschaulicht anhand eines Blockschaltbilds ein Beispiel der Schaltungsanordnung 3 zur Regelung des Erregerstroms I3. Diese Schaltungsanordnung umfasst bereits erläuterten ersten Eingang 11 zur Zuführung des Ausgangsspannungssignals Sout, den zweiten Eingang 12 zur Zuführung des Drehzahlsignals Su, sowie einen Ausgang 13 zur Bereitstellung des Erregerstroms I3 für die Erregerwicklung 62, die in 3 zum besseren Verständnis ebenfalls dargestellt ist. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst eine Regleranordnung 2, der das Ausgangsspannungssignal Sout zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, ein von diesem Ausgangsspannungssignal Sout abhängiges Regelsignal S2 zu erzeugen. Dieses Regelsignal S2 ist einer steuerbaren Stromquelle 3 zugeführt, die dazu ausgebildet ist, den Erregerstrom I3 abhängig von dem Regelsignal S2 zu erzeugen.
Die Regleranordnung 2 ist eine adaptive Regleranordnung, das heißt eine Regleranordnung, deren Regelverhalten einstellbar ist, und zwar in dem dargestellten Beispiel abhängig von dem Drehzahlsignal Su. Die Regleranordnung 2 erzeugt das Regelsignal S2 in dem dargestellten Beispiel abhängig von dem Ausgangsspannungssignal Sout unter Verwendung wenigstens eines Regelparameters, der in 3 mit K bezeichnet ist und der abhängig von dem Drehzahlsignal Su ist. Zur Erzeugung dieses Regelparameters K weist die dargestellte Schaltungsanordnung 1 eine Regelparameterschaltung 4 auf, der das Drehzahlsignal Su zugeführt ist und dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Regelparameter K abhängig von dem Drehzahlsignal Su zu erzeugen. Diese Regelparameterschaltung 4 umfasst beispielsweise eine Berechnungseinheit, die dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Regelparameter K nach Maßgabe einer in der Berechnungseinheit abgespeicherten Rechenregel abhängig von dem Drehzahlsignal Su zu erzeugen. Die Regelparameterschaltung 4 umfasst bei einem weiteren Beispiel eine Nachschlagetabelle, in der unterschiedliche Regelparameterwerte abgespeichert sind, die jeweils Werten oder Wertebereichen des Drehzahlsignals zugeordnet sind und die abhängig von dem Drehzahlsignal ausgelesen und der Regleranordnung 2 geführt sind.
Die Regelparameterschaltung 4 kann abhängig von der Art der Regleranordnung 2 einen oder mehr Regelparameter abhängig von der Drehzahl erzeugen. Das Bezugszeichen K in 3 steht stellvertretend für diese Regelparameter.
Die Schaltungsanordnung 1 mit der Regleranordnung 2, der Stromquelle 3 sowie der Regelparameterschaltung 4 kann in einem einzigen Halbleiterchip (nicht dargestellt) integriert sein. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, nur einige der erläuterten Komponenten, wie zum Beispiel die Regleranordnung 2 und die Stromquelle 3, in einem Halbleiterchip zu integrieren und die Regelparameterschaltung 4 außerhalb dieses Halbleiterchips anzuordnen.
4 zeigt ein Beispiel der Regleranordnung 2. Diese Regleranordnung 2 weist eine Fehlersignalerzeugungsschaltung 21 auf, der das Ausgangsspannungssignal Sout und ein Spannungsreferenzsignal Sref zugeführt sind. Das Spannungsreferenzsignal Sref repräsentiert eine Sollspannung, auf welche die Ausgangsspannung Vout der Generatoranordnung (6 in 1) geregelt werden soll. Die Fehlererzeugungsschaltung 21 ist dazu ausgebildet, aus dem Ausgangsspannungssignal Sout und dem Spannungsreferenzsignal Sref ein Fehlersignal Serr zu erzeugen, das eine Abweichung des Ausgangsspannungssignals Sout von dem Spannungsreferenzsignal Vref, und damit eine Abweichung der Ausgangsspannung Vout von dem Spannungssollwert, repräsentiert. Die Fehlererzeugungsschaltung 21 umfasst bei spielsweise einen Subtrahierer, der die Differenz zwischen dem Ausgangsspannungssignal Sout und dem Spannungsreferenzsignal Sref als Fehlersignal Serr erzeugt.
Das Fehlersignal Serr ist einem Regler 22 zugeführt, der das Regelsignal S2 aus diesem Fehlersignal Serr erzeugt. Der Regler 22 kann ein beliebiger Regler, wie beispielsweise ein Proportionalregler (P-Regler), ein Integralregler (I-Regler) oder ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) sein.
Die Regleranordnung 2 kann als analoge Schaltung oder als digitale Schaltung realisiert sein. Sofern die Fehlersignalerzeugungsschaltung 21 und der Regler 22 mit digitalen Schaltungskomponenten realisiert sind, umfasst die Regleranordnung 2 zusätzlich einen Analog-Digital-Wandler 23, dem das Ausgangsspannungssignal Sout zugeführt ist und der aus dem analogen Ausgangsspannungssignal Sout ein digitales Ausgangsspannungssignal erzeugt, das der Fehlersignalerzeugungsschaltung 21 zugeführt ist. Das Spannungsreferenzsignal Sref wird durch eine nicht näher dargestellte Signalquelle erzeugt. Bei einer digitalen Regleranordnung 2 ist diese Signalquelle beispielsweise ein digitaler Speicher, in dem das Spannungsreferenzsignal Sref als Zahlenwert abgespeichert ist, und bei einer analogen Regleranordnung 2 beispielsweise eine Spannungsquelle.
Bei einem Beispiel ist vorgesehen, das Referenzsignal Sref temperaturabhängig zu erzeugen, und zwar beispielsweise derart, dass das Referenzsignal Sref mit steigender Temperatur kleiner wird. Hierdurch wird der Generator bei steigender Temperatur vor einer Überlastung geschützt. Die Verringerung des Referenzsignal mit steigender Temperatur kann hierbei kontinuierlich oder stufenweise erfolgen. Im einfachsten Fall kann das Referenzsignal lediglich zwei unterschiedliche Werte annehmen: einen ersten Wert für Temperaturen kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert; und einen zweiten Wert für Temperaturen größer als der vorgegebene Schwellenwert.
Die Regleranordnung 2 weist optional eine Begrenzungsschaltung 28, die dazu ausgebildet ist, abhängig von der Drehzahl bzw. abhängig von dem Drehzahlsignal Su zeitliche Änderungen des Regelsignals S2 nach oben hin, d. h. auf einen Maximalwert, zu begrenzen. Diese Begrenzung gilt sowohl für ein ansteigendes, d. h. größer werdendes Regelsignal als auch für absinkendes, d. h. kleiner werdendes Regelsignal. Solche Begrenzungsschaltungen, die auch als Slew-Rate-Limiter bezeichnet werden, sind grundsätzlich bekannt, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet werden kann. Die Begrenzungsschaltung 28 ist insbesondere dazu ausgebildet, zeitliche Änderungen des Regelsignals S2 für solche Drehzahlen zu begrenzen, die unterhalb eines Drehzahlschwellenwertes liegen. Dieser Schwellenwert liegt beispielsweise im Bereich zwischen 2000 min^–1 und 3000 min^–1. Bei dieser Ausführungsform ist die Begrenzungsschaltung für Drehzahlen unterhalb des Drehzahlschwellenwertes aktiv und begrenzt dadurch zeitliche Änderungen des Regelsignals S2 für kleine Drehzahlen, während das Regelsignal S2 die Begrenzungsschaltung 28 für größere Drehzahlen unverändert passiert.
Die Funktionsweise des Reglers 22 wird nachfolgend für einen als PI-Regler ausgebildeten Regler näher erläutert. 5 zeigt schematisch einen solchen PI-Regler, also einen Regler mit einem Proportional-Integral-Verhalten, dem das Fehlersignal Serr zugeführt ist und der das Regelsignal S2 aus diesem Fehlersignal Serr erzeugt. Das Regelsignal S2 umfasst bei einem solchen Regler zwei Signalanteile: einen Proportionalanteil S2_P, der durch Multiplikation des Fehlersignals Serr mit einem ersten Regelparameter K_P erhalten wird; und einen Integralanteil S2_I, der durch Multiplikation eines Integrals des Fehlersignals Serr mit einem zweiten Regelparameter K_I erhalten wird. Das Bezugszeichen 24 in 5 bezeichnet einen Integrierer, dem das Fehlersignal Serr zugeführt ist und der ein Ausgangssignal erzeugt, das ein zeitliches Integral des Fehlersignals (bei einem analogen Regler) bzw. die Summe zeitlich aufeinander folgender Werte des Fehlersignals (bei einem digitalen Regler) repräsentiert. Die Länge des Zeitfensters, über das aufintegriert oder aufsummiert wird, kann im Bereich von bis einigen Sekunden liegen.
Die Bezugszeichen 25 und 26 bezeichnen Multiplizierer, nämlich einen ersten Multiplizierer 25, dem das Ausgangssignal des Integrierers 24 und der zweite Regelparameter K_I zugeführt sind und der den Integralanteil S2_I erzeugt, und einen zweiten Multiplizierer 26, dem das Fehlersignal Serr und der erste Regelparameter K_P zugeführt sind und der den Proportionalanteil S2_P erzeugt. Das Regelsignal S2 steht am Ausgang eines Addierers 27 zur Verfügung, dem der Proportional- und Integralanteil S2_P, S2_I als Eingangssignale zugeführt sind.
6 veranschaulicht für ein erstes Beispiel die Abhängigkeit der ersten und zweiten Regelparameter K_P, K_I von der Drehzahl U des Generators (61 in 1). In dem dargestellten Beispiel nehmen die beiden Regelparameter K_P, K_I innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereiches, der Drehzahlen zwischen U3 und U4 umfasst, mit zunehmender Drehzahl U zu. Dieser Anstieg erfolgt in dem in 6 dargestellten Beispiel linear abhängig von der Drehzahl U. Dieser lineare Anstieg dient jedoch lediglich zur Erläuterung. Grundsätzlich können die beiden Regelparameter in beliebiger Weise auch nicht-linear innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereichs ansteigen. Der Drehzahlbereich, innerhalb dessen die beiden Regelparameter K_P, K_I ansteigen, ist in dem in 6 dargestellten Beispiel für beide Regelparameter K_P, K_I gleich. Dies ist aber lediglich als Beispiel zu verstehen, selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, diese Drehzahlbereiche unterschiedlich zu wählen. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, einen der beiden Regelparameter konstant zu wählen und lediglich den anderen der beiden Regelparameter für einen vorgegebenen Drehzahlbereich mit zunehmender Drehzahl ansteigen zu lassen. So ist bei einem Beispiel vorgesehen, den zweiten Regelparameter, der die Gewichtung des In tegralanteils an dem Regelsignal S2 bestimmt, konstant zu lassen, und lediglich den ersten Regelparameter K_P in der erläuterten Weise abhängig von der Drehzahl U zu variieren. Mit K_P1, K_I1 und K_P2, K_I2 sind in 6 die jeweilige Minimalwerte bzw. Maximalwerte der Regelparameter bezeichnet.
Die anhand von 6 erläuterte Abhängigkeit der Regelparameter K_P, K_I von der Drehzahl U bewirkt ein trägeres Regelverhalten des Reglers (22 in den 4 und 5) für Drehzahlen kleiner als der untere Drehzahlwert U3 im Vergleich zu Drehzahlen oberhalb des oberen Drehzahlwertes U4. Dies wird nachfolgend anhand eines Beispiels erläutert: Es sei angenommen, dass sich die Ausgangsspannung Vout zu einem gegebenen Zeitpunkt um ΔVout ändert und dass diese Änderung der Ausgangsspannung zu einer Änderung ΔSerr des Fehlersignals Serr führt. Damit ändert sich unmittelbar der Proportionalanteil S2 und damit auch unmittelbar das Regelsignal S2 um einen Wert ΔS2. Für diese Änderung des Regelsignals S2 gilt für Drehzahlen unterhalb des unteren Drehzahlwertes: ΔS2 = KP1·Δ Serr( 1a)und für Drehzahlen oberhalb des oberen Drehzahlwertes U4: ΔS2 = KP2·Δ Serr (1b)
Eine gleiche Änderung der Ausgangsspannung Vout führt also bei größeren Drehzahlen zu einer größeren Änderung des Regelsignals S2 und damit unmittelbar zu einer stärkeren Anpassung der Leistungsaufnahme des Generators, wobei die Abhängigkeit der Leistungsaufnahme des Generators von dem Regelsignal nachfolgend noch erläutert werden wird.
Der Regler 22 verhält sich für kleine Drehzahlen also träger als für große Drehzahlen. In diesem Zusammenhang sei noch angemerkt, dass den Gleichungen (1a) und (1b) die vereinfachende Annahme zugrunde liegt, dass die Integrationszeitkonstante des Integrierers bzw. Summierers 24 so lang ist, dass sich eine Änderung des Fehlersignal Serr nicht sofort Weise auf den Integralanteil auswirkt.
7 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für die Abhängigkeit des ersten und zweiten Regelparameters K_P, K_I von der Drehzahl U. In dem dargestellten Beispiel besitzen diese beiden Regelparameter nur jeweils zwei unterschiedliche Werte: Einen ersten Regelparameterwert K_P1 bzw. K_I1 für Drehzahlen unterhalb eines Drehzahlschwellenwertes U5; und jeweils einen zweiten Regelparameterwert K_P2 bzw. K_I2 für Drehzahlen oberhalb des Drehzahlschwellenwertes U5. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass der Schwellenwert, für welchen sich der Regelparameterwert ändert, für die beiden Regelparameter unterschiedlich sein kann. Außerdem besteht – entsprechend der Erläuterungen zu 6 – auch die Möglichkeit, lediglich eine der beiden Regelparameter zu variieren, während der andere Regelparameter unabhängig von der Drehzahl konstant bleibt. Selbstverständlich können die beiden anhand der 6 und 7 erläuterten Varianten auch dahingehend kombiniert werden, dass einer der beiden Regelparameter eine Abhängigkeit von der Drehzahl besitzt, wie sie anhand von 6 erläutert wurde, und dass der andere der beiden Regelparameter eine Abhängigkeit von der Drehzahl besitzt, wie sie anhand von 7 erläutert wurde.
8 veranschaulicht ein Beispiel der gesteuerten Stromquelle 3, die den Erregerstrom I3 für die Erregerwicklung 62 abhängig von dem Regelsignal S2 erzeugt. Diese Stromquelle umfasst einen Schalter 31, der zwischen eine Klemme für ein Versorgungspotential, wie zum Beispiel das Batteriepotential Vbat und den Ausgang 13 geschaltet ist. Dieser Schalter 31 ist durch ein pulsweitenmoduliertes Signal S32 pulsweitenmoduliert angesteuert. Dieses pulsweitenmodulierte Signal S32 wird durch einen Pulsweitenmodulator 32 erzeugt und besitzt ein von dem Regelsignal S2 abhängiges Tastverhältnis (Duty-Cycle). Dem Pulsweitenmodulator 32 ist zur Erzeugung dieses pulsweitenmodulierten Signals S32 das Regelsignal S2 zugeführt. Die in 8 dargestellte Stromquelle 3 erzeugt einen dreieckförmigen Erregerstrom I3, dessen Mittelwert vom Duty-Cycle des pulsweitenmodulierten Signals S32 und damit von dem Regelsignal S2 abhängig ist. Zur Erzeugung dieses dreieckförmigen Stromverlaufs nutzt die Stromquelle 3 die Induktivität der Erregerwicklung 62, an die im Takt des pulsweitenmodulierten Signals S32 durch den Schalter 31 die Versorgungsspannung Vbat angelegt wird. Die Stromquelle 3 umfasst außerdem ein Freilaufelement 33, wie zum Beispiel eine Diode, die parallel zu der Erregerwicklung 62 geschaltet ist, und die bei sperrendem Schalter 31 einen Freilaufstrom der Erregerwicklung 62 übernimmt.
Der Generator 61 ist beispielsweise so realisiert, dass dessen Leistungsaufnahme bei einer gegebenen Drehzahl mit größer werdendem Erregerstrom I3 zunimmt. Die Regleranordnung und die Stromquelle sind in diesem Fall so aufeinander abgestimmt, dass der Duty-Cycle des Regelsignals S2 größer wird, wenn die Ausgangsspannung Vout unter den Spannungssollwert absinkt bzw. wenn das Ausgangsspannungssignal Sout unter den Spannungsreferenzwert Sref absinkt.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass jedes Merkmal, das im Zusammenhang mit einem Beispiel erläutert wurde, mit jedem Merkmal eines anderen Beispiels kombiniert werden kann, auch wenn dies nicht explizit erwähnt ist.

Claims

Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung (Vout) einer Generatoranordnung (6, 7), die einen Generator (6) mit einer Erregerwicklung aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen eines geregelten Erregerstromes (I3) für die Erregerwicklung abhängig von einer Ausgangsspannung (Vout) und abhängig von wenigstens einem Regelparameter (K_I, K_P), der von einer Drehzahl des Generators abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Erregerstrom (I3) abhängig von einem Regelsignal (S2) erzeugt wird, das abhängig ist von der Ausgangsspannung (Vout) und der Drehzahl.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Regelsignal (S2) derart erzeugt wird, dass es abhängig ist von der Differenz zwischen der Ausgangsspannung (Vout) und einem Spannungsreferenzwert (Vref).
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Regelsignal von dem wenigstens einen Regelparameter abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der wenigstens eine Regelparameter so gewählt ist, dass für einen gegebenen Drehzahlbereich eine Änderung des Regelsignals (S2) bei einer gegebenen Änderung der Ausgangsspannung (Vout) kleiner wird, wenn die Drehzahl kleiner wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der wenigstens eine Regelparameter für einen gegebenen Drehzahlbereich mit abnehmender Drehzahl abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der wenigstens eine Regelparameter einen ersten Wert für Drehzahlen annimmt, die kleiner sind als ein Drehzahlschwellenwert, und einen zweiten Wert für Drehzahlen annimmt, die größer sind als der Drehzahlschwellenwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Regelsignal (S2) derart erzeugt wird, dass es aufweist: einen Proportionalanteil, der proportional zu einem ersten Regelparameter und proportional zu einer Differenz zwischen der Ausgangsspannung (Vout) und dem Spannungsreferenzwert (Vref) ist; einen Integralanteil, der proportional zu einem zweiten Regelparameter und proportional zu einem Integral der Differenz zwischen der Ausgangsspannung (Vout) und dem Referenzwert (Vref) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem wenigstens einer der ersten oder zweiten Regelparameter von der Drehzahl abhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem der Erregerstrom (I3) erzeugt wird durch Anlegen einer pulweitenmodulierten Spannung mit einem von dem Regelsignal abhängigen Tastverhältnis an die Erregerwicklung.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Akkumulator (7) an die Generatoranordnung (6) angeschlossen ist, dem die Ausgangsspannung (Vout) zugeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem Beträge zeitlicher Änderungen des Regelsignals für Drehzahlen, die kleiner sind als ein weiterer Drehzahlschwellenwert, nach oben hin begrenzt werden.
Schaltungsanordnung zur Regelung der Ausgangsspannung (Vout) einer Generatoranordnung (6, 7), die einen Generator (6) mit einer Erregerwicklung (61) aufweist, wobei die Schaltungsanordnung aufweist: einen ersten Eingang (11) zur Zuführung eines von der Ausgangsspannung (Vout) abhängigen Ausgangsspannungssignals (Sout); einen zweiten Eingang zur Zuführung eines von einer Drehzahl (V) des Generators abhängigen Drehzahlsignals (Su); und wobei die Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist einen geregelten Erregerstrom (I3) für die Erregerwicklung (61) zu erzeugen, der abhängig von der Ausgangsspannung (Vout) und abhängig von wenigstens einem Regelparameter (K_I, K_P), der von einer Drehzahl des Generators abhängig ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, die weiterhin aufweist: eine Regleranordnung (2), der das Ausgangsspannungssignal (Sout) und der wenigstens eine Regelparameter zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, ein Regelsignal (S2) abhängig von dem Ausgangsspannungssignal (Sout) und dem wenigstens einen Regelparameter zu erzeugen; eine Regelparameterschaltung (4), der das Drehzahlsignal (Su) zugeführt ist und die den wenigstens einen Regelparameter mit einem von dem Drehzahlsignal abhängigen Wert bereitstellt; eine Stromquelle (3), der das Regelsignal (S2) zugeführt ist und die dazu ausgebildet ist, den Erregerstrom (I3) abhängig von dem Regelsignal zu erzeugen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, bei der die Regelanordnung dazu ausgebildet ist, das Regelsignal (S2) derart zu erzeugen, dass es abhängig ist von der Differenz zwischen dem Ausgangsspannungssignal (Sout) und einem Spannungsreferenzwert (Vref).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 oder 15, bei der die Regelparameterschaltung (4) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Regelparameter so zu erzeugen, dass innerhalb eines gegebenen Drehzahlbereiches eine Änderung des Regelsignals (S2) bei einer gegebenen Änderung der Ausgangsspannung (Vout) kleiner wird, wenn die Drehzahl kleiner wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 oder 15, bei der die Regelparameterschaltung (4) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Regelparameter so zu erzeugen, dass er innerhalb eines gegebenen Drehzahlbereichs mit abnehmender Drehzahl abnimmt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 oder 15, bei der die Regelparameterschaltung (4) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Regelparameter so zu erzeugen, dass er einen ersten Wert für Drehzahlen annimmt, die kleiner sind als ein Drehzahlreferenzwert, und einen zweiten Wert für Drehzahlen annimmt, die größer sind als der Drehzahlreferenzwert.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Regelanordnung dazu ausgebildet ist, das Regelsignal (S2) derart zu erzeugen, dass das Regelsignal (S2) aufweist: einen Proportionalanteil, der proportional zu einem ersten Regelparameter und proportional zu einer Differenz zwischen der Ausgangsspannung (Vout) und dem Referenzwert (Vref) ist; einen Integralanteil, der proportional zu einem zweiten Regelparameter und proportional zu einem Integral der Differenz zwischen der Ausgangsspannung (Vout) und dem Referenzwert (Vref) ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei der wenigstens einer der ersten oder zweiten Regelparameter von der Drehzahl abhängig ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei der die Stromquelle (3) aufweist: einen Pulsweitenmodulator (32), dem das Regelsignal (S2) zugeführt ist und der dazu ausgebildet ist ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal (s32) mit einem von dem Regelsignal (S2) abhängigen Tastverhältnis zu erzeugen; einen Schalter (31), der in Reihe zu der Erregerwicklung schaltbar (62) ist und dem das Ansteuersignal (32) zugeführt ist.
Spannungsversorgungsanordnung, die aufweist: eine Generatoranordnung (6) mit einem Generator (61), der eine Erregerwicklung (62) aufweist, und mit Ausgangsklemmen zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung (Vout); eine Drehzahlerfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Drehzahl des Generators (61) zu erfassen und ein von der Drehzahl abhängiges Drehzahlsignal (Su) bereitzustellen; eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Erregerstromes für die Erregerwicklung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 21, der ein von der Ausgangsspannung (Vout) abhängiges Ausgangsspannungssignal und das Drehzahlsignal (Su) zugeführt sind.