DE69108166T2

DE69108166T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Wechselstromgenerators.

Info

Publication number: DE69108166T2
Application number: DE69108166T
Authority: DE
Inventors: Christian Ducrot; Jean-Marie Pierret
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 1990-10-15
Filing date: 1991-10-11
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2011-10-12
Also published as: FR2667998A1; JP3196036B2; EP0481862B1; FR2667998B1; US5296798A; JPH078000A; DE69108166D1; EP0481862A1; ES2071949T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung eines Wechselstromgenerators durch eine numerische Verarbeitung der Regelungsfunktion, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
Bei einem Wechselstromgenerator handelt es sich um eine elektrische Maschine zur Erzeugung von Wechselspannungen und Wechselströmen, deren Frequenz proportional zur Antriebsdrehzahl des Ankers oder Läufers ist, der einen Wechselstrom in den Wicklungen des Ständers erzeugt. Am Ausgang der Ständerwicklungen bewirken Dioden die Gleichrichtung des erzeugten Stroms, damit das Fahrzeug über eine Gleichspannung verfügt.
Für einen Wechselstromgenerator ist eine Spannungsregelung erforderlich, um eine elektromotorische Kraft bereitzustellen, die unabhängig von der Anzahl der Verbraucherstromkreise zu einem gegebenen Zeitpunkt und unabhängig von der Drehzahl des Motors möglichst konstant ausfällt, damit eine korrekte Ladung der Batterie des Fahrzeugs gewährleistet ist.
Das zur Zeit benutzte Regelungsprinzip wird unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben. An den Ausgang der Dioden, welche die Gleichrichterbrücke bilden, ist ein Regler angeschlossen, der ausgehend von der gleichgerichteten Generatorspannung Ub+ eine Regelung des Erregerstroms Ii in der Erregerwicklung 1 über eine Leistungssteuerstufe Tr für den Erregerstrom ermöglicht. Diese Leistungsstufe Tr wird in Figur 1 in Form eines Transistors dargestellt, dessen Emitter mit der Masse und dessen Kollektor mit einem Ende der Erregerwicklung I verbunden ist, während das andere Ende an den Ausgang des Wechselstromgenerators angeschlossen ist, der selbst wiederum mit der Batterie verbunden ist.
Diese Spannung weist nach der Gleichrichtung eine starke Welligkeit auf, die insbesondere durch die Schaltung der Dioden der Gleichrichterbrücke und durch die von den Verbrauchern kommenden Störungen erzeugt wird.
Um diesen Nachteil abzustellen, wird die Spannung Ub+ durch ein Filter F gefiltert, dessen Ausgang mit einem ersten Eingang einer Vergleichsschaltung C verglichen wird, die an ihrem zweiten Eingang eine Bezugsspannung Vref erhält. Der Ausgang der Vergleichsschaltung C ist mit der Basis des Transistors Tr verbunden.
Wenn die Spannung Ub+ kleiner als Vref ist, wird durch die Batterie über das Filter F und die Vergleichsschaltung ein Strom Ii an die Erregerwicklung angelegt. Wenn hingegen Ub+ größer als Vref ist, sperrt der Transistor Tr, und es gelangt kein Strom zur Erregerwicklung 1. Das heißt der Erregerstrom wird nach dem Ein-Aus-Prinzip geregelt.
Eine Z-Diode D, die mit der Leistungsstufe Tr umgekehrt in Reihe geschaltet ist, ermöglicht bei der Sperre dieser Leistungsstufe Tr die Aufrechterhaltung des Erregerstroms Ii in der Erregerwicklung I zwischen zwei Durchlaßzuständen dieser Leistungsstufe Tr.
Auf diese Weise erfolgt die Regelung der an das Verbrauchsnetz angelegten Spannung nach der Filterung über eine Kontrolle der Erregung der Generatoreinheit, die aus dem Wechselstromgenerator und seiner Gleichrichterbrücke besteht.
Eine Spannung Ub+ am Ausgang der Generatoreinheit weist daher eine Regelungswelligkeit entsprechend dem Erregerstrom auf, dessen Amplitude in Abhängigkeit von der Erregung des Generators veränderlich ist.
Diese Spannung ist folglich eine periodische Spannung mit der Periode T, wobei jede Periode eine Halbperiode T1 enthält, in deren Verlauf die Spannung an der Erregerwicklung angelegt wird, sowie eine Halbperiode T2, in deren Verlauf keine Spannung an der Erregerwicklung angelegt wird. Das Verhältnis T1/T2 wird als zyklisches Verhältnis bezeichnet, wobei es wünschenswert ist, daß sich dieses Verhältnis möglichst langsam verändert.
Die vorstehend angeführte Darstellung des Regelungsprinzips ist natürlich sehr schematisch gehalten. Denn bei einer Regelschaltung kommt eine große Vielzahl von Transistoren zum Einsatz, was bereits dazu geführt hat, daß die Regelschaltungen als integrierte Schaltkreise ausgeführt werden. Bei den integrierten Regelschaltungen kann es sich somit um Mehrfunktions-Schaltungen handeln, das heißt, daß sie neben der eigentlichen Regelungsfunktion außerdem zumindest noch die Funktion einer Anzeige der Batterieladung und gegebenenfalls der Spannung des Riemens zwischen Wechselstromgenerator und Motor übernehmen. Derartige Schaltungen sind jedoch in ihrer Struktur und Funktionsweise starr, wobei sich ihre Entwicklung und Ausführung zeitaufwendig und kostenintensiv gestaltet.
Darüber hinaus stellt bei den klassischen Reglern die Reaktion der Vergleichsschaltung eine Ein-Aus-Reaktion dar, das heißt sie gibt nur an, ob der Erregerstrom eingeschaltet werden soll oder nicht, wobei jedoch kein quantitativer Wert angegeben wird, was erhebliche Veränderungen des zyklischen Verhältnisse zur Folge hat, die um so größer ausfallen, als die Vergleichsschaltung C mit einer durch das Filter F bedingten mehr oder weniger großen Verzögerung wirkt.
Aus der Vorgabe, über verschiedene Parameter verfügen zu müssen, die sich aus dem Betrieb des Wechselstromgenerators ergeben, sowie aus der Nachfrage der Hersteller nach immer höheren Leistungen resultiert die Notwendigkeit einer konsequenten Steuerung des Generatorbetriebs, einer gezielte Anpassung an das System, das durch die Steuerstromkreise des Fahrzeugs gebildet wird, und einer möglichst hohen Betriebsstabilität.
Um diese Probleme zu lösen, wurde bereits versucht, numerische Verarbeitungstechniken auf der Grundlage eines Mikroprozessors zu verwenden, wie dies in der US-A-4 670 704 veranschaulicht wird. Derartige Techniken ermöglichen zwar die Berechnung eines Sollwerts der Erreger spannung in Abhängigkeit von externen Parametern, wie etwa Ladung und Temperatur der Batterie, Motordrehzahl, Riemenspannung ..., wobei ihr Einsatz jedoch keine vollständige Regelung ermöglicht hat, was mit der Schwierigkeit zusammenhängt, die Welligkeiten der Erregungsspannung zu beseitigen und folglich ihre genaue und zuverlässige Messung herbeizuführen.
Die vorliegende Erfindung löst diese Probleme und schlägt dazu ein Verfahren zur Regelung des Erregerstroms der Erregerwicklung eines Wechselstromgenerators für Kraftfahrzeuge vor, wobei der Wechselstromgenerator insbesondere eine Gleichrichterbrücke umfaßt, die eine zu regelnde gleichgerichtete Spannung Ub+ abgibt, die eine Welligkeit mit niedriger Frequenz und veränderlicher Amplitude aufweist, welche eine Welligkeit mit hoher Frequenz und konstanter Amplitude überlagert, wobei die gleichgerichtete Spannung Ub+ somit eine periodische Spannung mit der Periode T ist, deren Perioden jeweils eine erste Halbperiode mit der Dauer T1 enthalten, in deren Verlauf eine Spannung an die Erregerwicklung des Wechselstromgenerators angelegt wird, sowie eine zweite Halbperiode mit der Dauer T2, in deren Verlauf keine Spannung an die Erregerwicklung angelegt wird, wobei das Verfahren darin besteht:
- die Messung der gleichgerichteten Spannung Ub+ innerhalb einer der Halbperioden T1, T2 auszulösen,
- die Messung während einer vorbestimmten Zeit Te durch Abtastung durchzuführen, das heißt mittels Ausführung aufeinanderfolgender und dicht beieinanderliegender Messungen,
- den gemessenen Wert von Ub+ mit einem berechneten Sollwert zu verleichen,
- aus diesem Vergleich die Werte T1 und T2 der Halbperioden für die folgende Periode T abzuleiten,
dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht:
- innerhalb jeder Periode T zu bestimmen, welche der Halbperioden T1, T2 die längste ist,
- für die längste Halbperiode eine Zeit Tx zu berechnen, nach deren Ablauf während einer vorbestimmten Zeit Te die Messung der gleichgerichteten Spannung Ub+ durch Abtastung erfolgt, wobei die Zeit Tx so berechnet wird, daß die der Zeit Te entsprechende Abtastperiodendauer auf die längste Halbperiode eingemittet ist.
Indem die Messung der zu regelnden gleichgerichteten Spannung auf die längste Halbperiode eingemittet wird, werden die Veränderungen beseitigt, die insbesondere durch die Regelungswelligkeit bedingt sind. Außerdem entfällt die Generatorwelligkeit, da eine Messung mittels Abtastung vorgenommen wird.
Nach einem Aspekt der Erfindung bildet das Verfahren auf diese Weise ein digitales Filter für die Regelung.
Es ist festzustellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine quantitative Messung durchführt, das heißt es ermöglicht eine präzise Bestimmung des gewünschten Werts für den Erregerstrom, der an die Erregerwicklung anzulegen ist, wobei der Wert dieses Stroms von dem zuvor definierten zyklischen Verhältnis abhängig ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, auf denen folgendes dargestellt ist:
- Figur 1 zeigt ein bekanntes Prinzipschaltbild zur Regelung eines Wechselstromgenerators, das bereits beschrieben wurde.
- Figur 2 zeigt Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Figur 3 zeigt ein Beispiel für ein Ablaufdiagramm zur Funktionsweise der Erfindung.
Figur 2A zeigt die zu regelnde Spannung Ub+ am Ausgang des Wechselstromgenerators und im Bordnetz des Fahrzeugs, wobei die Zeit in der Abszisse und die Spannung in der Ordinate eingetragen ist.
Diese Spannung Ub+ weist eine Regelungswelligkeit mit niedriger Frequenz auf, die durch eine als Generatorwelligkeit bezeichnete Welligkeit M mit wesentlich höherer Frequenz überlagert wird, welche insbesondere mit der Schaltung der Dioden zusammenhängt. Diese Welligkeit M ist in der Amplitude konstant, während die Veränderungen der Welligkeit mit niedriger Frequenz durch die Veränderungen des an die Erregerwicklung angelegten Erregerstroms bedingt sind.
Der Mittelwert der Spannung Ub+ schwankt daher um eine mittlere Spannung Vm.
Figur 2C veranschaulicht das Zeitdiagramm des Erregersignals, das eine Periode T besitzt, die sich aus zwei Halbperioden T1 und T2 zusammensetzt. Wie bereits weiter oben erläutert wurde, wird das Verhältnis T1/T2 als zyklisches Verhältnis bezeichnet.
Im Verlauf der Halbperiode T1 steigt die Spannung Ub+, was einem Anlegen der Spannung an die Erregerwicklung I entspricht (Transistor Tr leitend in Figur 1), wohingegen die Spannung Ub+ während der Halbperiode T2 abnimmt, was einem Nichtanlegen der Spannung an die Erregerwicklung I entspricht (Transistor Tr sperrend in Figur 1).
Das zyklische Verhältnis kann sich theoretisch von 0 bis 100 % ändern, wobei sein Wert insbesondere vom Bedarf der Verbraucherschaltungen und vom Ladezustand der Batterie abhängig ist.
In Figur 2 ist festzustellen, daß der Mittelwert der Spannung Ub+ gleich der Spannung Vm in der Mitte der Halbperioden T1 und T2 ist.
Erfindungsgemäß wird die Messung der Spannung Ub+ nicht durch die langsame Regelungswelligkeit gestört, wenn diese Messung, wie in Figur 2 B dargestellt, während einer Abtastperiodendauer Te erfolgt, die auf die Halbperioden T1 oder T2 eingemittet ist. Selbstverständlich muß die Dauer Te immer kleiner als die Dauer der Halbperiode T1 oder T2 sein, auf welche die Abtastperiodendauer eingemittet ist, um die Messung von falschen Werten zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird nach der Berechnung der jeweiligen Werte von T1 und T2 die Abtastperiodendauer Te auf die längste Halbperiode eingemittet.
In Figur 2 werden zwei Fälle dargestellt, wobei sich die linke Hälfte auf den Fall T1> T2 mit Te eingemittet auf T1 bezieht, während die rechte Hälfte dem umgekehrten Fall T1< T2 mit Te eingemittet auf T2 entspricht.
Erfindungsgemäß geht es also darum, ausgehend vom Beginn der längsten Halbperiode eine Zeit Tx zu definieren, nach deren Ablauf die Abtastperiodendauer Te ausgelöst werden soll.
Wenn T1> T2 (linke Hälfte von Figur 2), hat die Zeit Tx den Wert (T1-Te)/2. Wenn umgekehrt T1< T2 (rechte Hälfte von Figur 2), hat die Zeit Tx hingegen den Wert (T2-Te)/2.
Die Gesamtheit dieser Vorgänge wird durch ein Mikroprozessor-gesteuertes Programm durchgeführt. Ein solches Programm läuft beispielsweise nach dem in Figur 3 dargestellten Ablaufdiagramm ab.
Mit 100 wird das Hauptprogramm bezeichnet, das ständig den Bezugssollwert für die zu regelnde Spannung Ub+ berechnet. Dazu kann der Mikroprozessor so unterschiedliche Informationen erhalten wie den Ladezustand der Batterie, die Temperatur der Batterie, die Motordrehzahl ... und in Abhängigkeit von diesen Informationen die erforderlichen Berechnungen vornehmen. Da dieses Hauptprogramm 100 kein Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, wird es an dieser Stelle nicht eingehender beschrieben.
Bei 101 wird eine Zeitschaltung dargestellt, die mit den berechneten Werten geladen wird und die Unterbrechungen 102 des Hauptprogramms 100 bewirkt, welche es dem Mikroprozessor ermöglichen, das eigentliche Regelungsprogramm auszuführen.
Für eine eingehendere Beschreibung dieses Regelungsprogramms wird angenommen, man befinde sich im Zeitpunkt t1 unmittelbar vor Beginn der Halbperiode T1, das heißt in dem Zeitpunkt, in dem die Zeitschaltung 101 die Unterbrechung I1 ausgelöst hat, wie dies in Figur 2D dargesellt wird.
Nachdem der Abtastanzeiger zuvor auf N (Nein) gesetzt worden ist, wird der Ausgang 104 ausgewählt, und es werden die folgenden Vorgänge ausgeführt:
- Bei 105 wird der Ausgangspegel der Erregungssteuerung umgekehrt, um den Beginn der Halbperiode T1 auszulösen.
- Bei 106 wird der Wert TA der zuvor berechneten Halbperiode T1 eingelesen.
- Bei 107 wird getestet, ob der Wert TA größer als T/2 ist, wobei T ein vorgegebener Festwert ist.
- Da in dem untersuchten Beispiel die Antwort 'Ja' lautet, setzt der Ausgang 108 des Tests 107 bei 109 den Abtastanzeiger 103 in die Position O (Ja), da T1, das größer als T/2 ist, zwangsläufig die längste Halbperiode darstellt.
- Anschließend wird bei 110 die Zeit Tx = (TA-Te)/2 berechnet, die den Beginn der Halbperiode T1 vom Start der Abtastung trennen soll (wobei Te natürlich ein vorgegebener Festwert ist).
- Bei 111 wird der so berechnete Wert Tx in die Zeitschaltung 101 geladen. Nach Ablauf der Zeit Tx löst die Zeitschaltung 101 bei 102 eine Unterbrechung aus, die in Figur 2D bei I2 dargestellt wird.
Nachdem der Abtastanzeiger 103 durch 109 auf O gesetzt worden ist, wird der Ausgang 112 ausgewählt, und es finden die folgenden Vorgänge statt:
- Bei 103 wird in die Zeitschaltung 101 der Wert T1- Tx geladen, welcher der Dauer bis zum Ende der Halbperiode T1 entspricht.
- Bei 114 erfolgt während der Abtastperiodendauer Te die Messung der Spannung Ub+ und die Berechnung ihres Mittelwerts.
- Bei 115 wird der bei 114 gemessene Wert Ub+ mit dem durch das Hauptprogramm 100 berechneten Sollwert verglichen, woraus dann die neuen Werte der Halbperioden T1 und T2 für die nächste Periode T abgeleitet werden.
- Bei 116 wird der Abtastanzeiger 103 in die Position N (Nein) gebracht.
Nach Ablauf der Zeit T1-Tx löst die Zeitschaltung 101 eine Unterbrechung aus, die in Figur 2D bei 13 dargestellt wird.
Nachdem der Abtastanzeiger durch 116 auf N gesetzt worden ist, wird der Ausgang 104 ausgewählt, woraufhin die die folgenden Vorgänge stattfinden:
- Bei 105 wird der Ausgangspegel der Erregungssteuerung umgekehrt, um den Beginn der Halbperiode T2 zu auszulösen.
- Bei 106 wird der Wert TA der zuvor berechneten Halbperiode T2 eingelesen.
- Bei 107 wird getestet, ob der Wert TA größer als T/2 ist.
Da in dem untersuchten Beispiel die Antwort 'Nein' lautet (T1> T2), wird der Ausgang 117 des Tests 107 validiert, woraufhin dieser Ausgang 117 direkt zu 111 führt, wo der Wert TA, welcher der Halbperiode T2 entspricht, in die Zeitschaltung 101 geladen wird.
Nach Ablauf der Zeit TA = T2 = T-T1 löst die Zeitschaltung 101 eine Unterbrechung aus, die in Figur 2D bei 14 dargestellt wird und deren Auswirkungen die gleichen sind wie bei der zuvor beschriebenen Unterbrechung I1, woraufhin der Zyklus wieder dann von vorne beginnt.
Bei der vor stehend angeführten Beschreibung des Regelungsprogramms wurde als Beispiel die linke Hälfte von Figur 2 behandelt, das heißt der Fall, in dem die Halbperiode T1 größer als die Halbperiode T2 ist. Das gleiche Regelungsprogramm gilt natürlich uneingeschränkt auch für die rechte Hälfte von Figur 2, das heißt für den Fall, daß die Halbperiode T1 kleiner als die Halbperiode T2 ist.

[Figur 1]

ART ANTERIEUR : BISHERIGER STAND DER TECHNIK

[Figur 2]

PROGRAMME PRINCIPALE : HAUPTPROGRAMM

TEMPORISATION : ZEITSCHALTUNG
INTERRUPTION : UNTERBRECHUNG
INDICATEUR ECHANTILLONNAGE : ABTASTANZEIGER
SENS EXCITATION : ERREGUNGSRICHTUNG
CALCUL : BERECHNUNG
DUREE EXCITATION : ERREGUNGSDAUER
ECHANTILLONNAGE : ABTASTUNG
OUI : JA
CALCUL : BERECHNUNG
Tx dans TEMPS = Tx in ZEIT
MESURE : MESSUNG
COMPARAISON : VERGLEICH
CALCUL : BERECHNUNG
ECHANTILLONNAGE : ABTASTUNG
NON = NEIN

Claims

1. Verfahren zur Regelung des Erregerstroms der Erregerwicklung eines Wechselstromgenerators für Kraftfahrzeuge, wobei der Wechselstromgenerator insbesondere eine Gleichrichterbrücke umfaßt, die eine zu regelnde gleichgerichtete Spannung Ub+ abgibt, die eine Welligkeit mit niedriger Frequenz und veränderlicher Amplitude aufweist, welche eine Welligkeit mit hoher Frequenz und konstanter Amplitude überlagert, wobei die gleichgerichtete Spannung Ub+ somit eine periodische Spannung mit der Periode T ist, deren Perioden jeweils eine erste Halbperiode mit der Dauer T1 enthalten, in deren Verlauf eine Spannung an die Erregerwicklung des Wechselstromgenerators angelegt wird, sowie eine zweite Halbperiode mit der Dauer T2, in deren Verlauf keine Spannung an die Erregerwicklung angelegt wird, wobei das Verfahren darin besteht:

- die Messung der gleichgerichteten Spannung Ub+ innerhalb einer der Halbperioden T1, T2 auszulösen,

- die Messung während einer vorbestirninten Zeit Te durch Abtastung durchzuführen, das heißt mittels Ausführung aufeinanderfolgender und dicht beieinanderliegender Messungen,

- den gemessenen Wert von Ub+ mit einem berechneten Sollwert zu verleichen,

- aus diesem Vergleich die Werte T1 und T2 der Halbperioden für die folgende Periode T abzuleiten,

dadurch gekennzeichnet, daß es

darin besteht:

- innerhalb jeder Periode T zu bestimmen, welche der Halbperioden T1, T2 die längste ist,

- für die längste Halbperiode eine Zeit Tx zu berechnen, nach deren Ablauf während einer vorbestimmten Zeit Te die Messung der gleichgerichteten Spannung Ub+ durch Abtastung erfolgt, wobei die Zeit Tx so berechnet wird, daß die der Zeit Te entsprechende Abtastperiodendauer auf die längste Halbperiode eingemittet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit Tx gleich (T1- Te)/2 ist, wenn die Halbperiode TI größer als die Halbperiode T2 ist, während Tx gleich (T2-Te)/2 ist, wenn die Halbperiode T1 kleiner als die Halbperiode T2 ist.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der gerichteten Spannung durch Abtastung ein digitales Filter bildet.