CN108258955B

CN108258955B - 调节器、车用交流发电机及其转速检测方法

Info

Publication number: CN108258955B
Application number: CN201611238643.5A
Authority: CN
Inventors: 游家崧
Original assignee: Actron Technology Corp
Current assignee: Actron Technology Corp
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2020-11-17
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: CN108258955A

Abstract

本发明提供一种调节器、车用交流发电机及其转速检测方法。车用交流发电机包括转子线圈、定子线圈部、整流器电路及调节器。调节器控制流经转子线圈的电流。转子线圈与定子线圈部协同运作以将机械能转换为交流电能。整流器电路将来自定子线圈部的交流电能转换为直流电能。当车用交流发电机以残磁进行自激磁启动运作时，调节器检测转子线圈的转子电压信号的频率，以作为计算车用交流发电机的转速的依据。本发明可在车用交流发电机以残磁进行自激磁启动时，通过检测转子线圈端的感应电压信号的振幅及频率，正确地计算出车用交流发电机的转速。

Description

调节器、车用交流发电机及其转速检测方法

技术领域

本发明涉及一种发电机电路，且特别涉及一种车用交流发电机的调节器、车用交流发电机及其转速检测方法。

背景技术

已知车用交流发电机是由转子(rotor)线圈与定子(stator)线圈所构成。在正常的运作下，当激磁电流通过转子线圈时，转子线圈可以提供磁场给定子线圈。当汽车之内燃引擎带动转子线圈转动时，此转子线圈即会产生旋转磁场，使得定子线圈产生交流电能。车用交流发电机的整流器可接受来自定子线圈的交流电能，予以整流后产生直流电能。此直流电能可以对蓄电池充电或是供电给负载。此蓄电池也可以经由车用交流发电机中的调节器提供激磁电流给转子线圈。

一般来说，现行的调节器乃是检测定子线圈端的感应电压信号的振幅及频率，以计算出车用交流发电机的正确转速。另外，当车用交流发电机由静止状态(即停机状态)启动时，转子线圈并无电流流通，转子线圈需借由残留于其磁芯(rotor core)内之残磁(或称剩磁，residual magnetism)来建立磁场，以让车用交流发电机进行自激磁启动(autostart)。详细来说，当车用交流发电机以残磁进行自激磁启动运作时，转子线圈借由机械能转动，转子线圈磁芯内的残磁可交链定子线圈，以使定子线圈产生感应电压信号。由于转子线圈磁芯内之残磁通常都很微弱，因此定子线圈所产生的感应电压信号也很微弱，倘若此感应电压信号的振幅低于临界电压值，则调节器将无法检测出此感应电压信号的频率，当然也无法计算出车用交流发电机的转速。

除此之外，定子线圈的微弱的感应电压信号也容易因整流器的二极管的漏电现象而导致电位飘移或信号衰减，使得调节器不易检测出定子线圈端的感应电压信号的振幅及频率，从而增加取得车用交流发电机之转速的困难度，并导致车用交流发电机的自激磁启动功能不佳。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种车用交流发电机的调节器、车用交流发电机及其转速检测方法，可在车用交流发电机以残磁进行自激磁启动时，通过检测转子线圈端的感应电压信号的振幅及频率，以正确地计算出车用交流发电机的转速。

本发明的调节器包括控制电路及检测电路。控制电路耦接至车用交流发电机的转子线圈，以控制流经转子线圈的电流。检测电路耦接至转子线圈以接收转子线圈的转子电压信号。当车用交流发电机进行自激磁启动运作时，检测电路检测转子电压信号的频率，以作为计算车用交流发电机的转速的依据。

在本发明的一实施例中，上述的检测电路还耦接至车用交流发电机的定子线圈部与整流器电路间的节点，以接收定子线圈部的定子电压信号。当上述的车用交流发电机完成自激磁启动运作之后，检测电路变更为检测定子电压信号的频率，以作为计算车用交流发电机的转速的依据。

本发明的车用交流发电机包括转子线圈及调节器。调节器包括控制电路及检测电路。控制电路耦接至转子线圈，以控制流经转子线圈的电流。检测电路耦接至转子线圈以接收转子线圈的转子电压信号。当车用交流发电机进行自激磁启动运作时，检测电路检测转子电压信号的频率，以作为计算车用交流发电机的转速的依据。

本发明的车用交流发电机的转速检测方法包括以下步骤。判断车用交流发电机是否进行自激磁启动运作。若判断车用交流发电机进行自激磁启动运作，则通过调节器检测转子线圈的转子电压信号的频率，以作为计算车用交流发电机的转速的依据。

基于上述，在本发明实施例所提出的调节器、车用交流发电机及其转速检测方法中，可在车用交流发电机以残磁进行自激磁启动时，通过检测转子线圈的转子电压信号的振幅及频率，以作为计算车用交流发电机的转速的依据。由于转子电压信号并无电位偏移的现象，且不会受到整流器电路漏电或是负载效应的影响，故转子电压信号的频率易于检测。如此一来，除了可正确地计算出车用交流发电机的转速以提升自激磁启动的性能，还能简化调节器的电路复杂度。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所示附图作详细说明如下。

附图说明

下面的所示附图是本发明的说明书的一部分，显示了本发明的示例实施例，所示附图与说明书的描述一起说明本发明的原理。

图1是依照本发明一实施例所显示的车用交流发电机的电路方块示意图；

图2是依照本发明一实施例说明图1所示车用交流发电机的范例电路示意图；

图3是依照本发明一实施例说明图1所示检测电路的范例电路示意图；

图4是依照本发明另一实施例说明图1所示检测电路的范例电路示意图；

图5是依照本发明一实施例说明图4的快速傅立叶变换电路将时域信号转换为频域信号的示意图；

图6为依照本发明一实施例所显示的车用交流发电机的转速检测方法的步骤流程图。

附图标记说明：

100：车用交流发电机

110：转子线圈

120：定子线圈部

120U：U相线圈

120V：V相线圈

120W：W相线圈

123：共同节点

130：整流器电路

130U：U相交流端

130V：V相交流端

130W：W相交流端

140：调节器

141：控制电路

142、142’：检测电路

20：蓄电池

231U：U相上二极管

231V：V相上二极管

231W：W相上二极管

232U：U相下二极管

232V：V相下二极管

232W：W相下二极管

242：开关

243：二极管

244：场控制器

341：输入选择电路

342：电阻器

343：比较器

344：低通滤波器

345：频率计算器

443：快速傅立叶变换电路

444：频谱分析电路

B+：功率端

CMPS：比较信号

DS：检测信号

FS：滤波信号

FQS：频域信号

GND：接地端

PS：定子电压信号

S600、S610、S620、S630、S640：步骤

SEL：选择信号

SR：转子电压信号

Vth：临界电压信号

具体实施方式

为了使本发明的内容可以更容易明了，以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的组件/构件，系代表相同或类似部件。

以下请参照图1，图1是依照本发明一实施例所显示的车用交流发电机100的电路方块示意图。车用交流发电机100可包括转子线圈110、定子线圈部120、整流器电路130及调节器140，但不限于此。转子线圈110可与定子线圈部120协同运作以将机械能转换为交流电能。整流器电路130耦接至定子线圈部120，用以将交流电能转换为直流电能。此直流电能可以被储存于蓄电池20，也可以供电给一或多个负载电路(未显示)。

调节器140可包括控制电路141及检测电路142。控制电路141耦接至转子线圈110，以控制流经转子线圈110的电流。更进一步来说，当车用交流发电机100正常运作时，控制电路141可接收来自蓄电池20的直流电能，并据以控制转子线圈110的电流。当电流通过转子线圈110时，转子线圈110可产生磁场。另外，当机械能带动转子线圈110转动时，定子线圈部120可反应于转子线圈110所产生的旋转磁场而产生交流电能给整流器电路130，使得整流器电路130将来自定子线圈部120的交流电能转换为直流电能。

检测电路142耦接至转子线圈110，以接收转子线圈110运作时所产生的转子电压信号SR。此外，检测电路142还耦接至定子线圈部120与整流器电路130间的节点，以接收定子线圈部120运作时所产生的定子电压信号PS。特别的是，当车用交流发电机100进行自激磁启动(auto start)运作时，检测电路142可检测转子电压信号SR的频率，以作为计算车用交流发电机100的转速的依据。另外，当车用交流发电机100完成自激磁启动运作之后，检测电路142可检测定子电压信号PS的频率，以作为计算车用交流发电机100的转速的依据。

详细来说，当车用交流发电机100进行自激磁启动运作时，控制电路141为禁能状态，故转子线圈110并无电流流通。此时，通过机械能带动转子线圈110转动，转子线圈110的磁芯残磁可产生旋转磁场以交链定子线圈部120，致使定子线圈部120感应出定子电压信号PS。另外，在转子线圈110旋转的过程中，定子线圈部120的磁阻变化会改变转子线圈110磁芯的磁通密度，故转子线圈110亦会感应出转子电压信号SR。由于转子线圈110尚无电流流通，故转子线圈110所产生的转子电压信号SR乃是以一固定的参考电压位准(例如0伏特)为中心的弦波信号。换句话说，此时的转子电压信号SR并无电位偏移的现象，故相较于定子电压信号PS，转子电压信号SR的频率易于检测。因此，以转子电压信号SR的频率来计算车用交流发电机100的转速的依据，将可简化检测电路142(或调节器140)的电路复杂度。另外，即使定子线圈部120的定子电压信号PS因整流器电路130的漏电而发生信号衰减或电位飘移，转子电压信号SR依然维持原状。也就是说，转子电压信号SR的频率及振幅并不会受到整流器电路130漏电或是负载效应的影响，故可据以正确地计算出车用交流发电机100的转速。

另外，当车用交流发电机100完成自激磁启动运作之后，控制电路141将开始控制转子线圈110的电流，故转子电压信号SR的振幅及频率可能会受到影响。因此检测电路142可变更为检测定子电压信号PS的频率，以作为计算车用交流发电机100的转速的依据。

在本发明的一实施例中，定子电压信号PS的频率fs与转子电压信号SR的频率fr的关系如式(1)所示，而定子电压信号PS的频率fs与车用交流发电机100的转速N的关系如式(2)所示，其中定子电压信号PS的频率fs及转子电压信号SR的频率fr的单位皆为赫兹(Hz)，车用交流发电机100的转速N的单位为每分钟转速(RPM)，而P为车用交流发电机100的极对(pole pairs)的数量。

fr＝fs×P 式(1)

N＝60×fs÷P 式(2)

可以理解的是，只要知道车用交流发电机100的极对的数量P，并检测出定子电压信号PS的频率fs，即可根据式(2)计算出车用交流发电机100的转速N。另外，只要知道车用交流发电机100的极对的数量P，并检测出转子电压信号SR的频率fr，即可根据式(1)及式(2)计算出车用交流发电机100的转速N。

以下请参照图2，图2是依照本发明一实施例说明图1所示车用交流发电机100的范例电路示意图。于图2所示实施例中，调节器140中的控制电路141包括开关242、二极管243以及场控制器244。开关242的第一端耦接至车用交流发电机100的第一直流电压输出端(例如功率端B+)，而开关242的第二端耦接至转子线圈110的第一端。二极管243的阴极耦接至转子线圈110的第一端与开关242的第二端，而二极管243的阳极与转子线圈110的第二端相耦接并耦接至车用交流发电机100的第二直流电压输出端(例如接地端GND)。场控制器244耦接至开关242的控制端，以对应控制开关242的导通状态。开关242的导通状态可以决定通过转子线圈110的电流量，进而调整定子线圈部120所产生的交流电能。场控制器244的实施细节可以依照设计需求来决定。例如在一些实施例中，已知的场控制器或其他控制器可以被采用来实现场控制器244，故场控制器244的操作细节不再赘述。

于图2所示实施例中，定子线圈部120包含U相线圈120U、V相线圈120V与W相线圈120W。U相线圈120U的第一端与第二端分别电连接至共同节点123与整流器电路130的U相交流端130U。V相线圈120V的第一端与第二端分别电连接至共同节点123与整流器电路130的V相交流端130V。W相线圈120W的第一端与第二端分别电连接至共同节点123与整流器电路130的W相交流端130W。当汽车之内燃引擎(未显示)带动转子线圈110转动时，转子线圈110可根据其磁芯的残磁或是流过的电流而产生旋转磁场。U相线圈120U、V相线圈120V与W相线圈120W将会切割此旋转磁场的磁力线，进而产生三相交流电能给整流器电路130的U相交流端130U、V相交流端130V与W相交流端130W。

整流器电路130接受来自定子线圈部120之三相交流电能。整流器电路130将此三相交流电能转换为直流电能，并将直流电能经由第一直流电压输出端(例如功率端B+)与第二直流电压输出端(例如接地端GND)提供给蓄电池20。值得注意的是，蓄电池20亦可以经由功率端B+与接地端GND提供直流电能给控制电路141及转子线圈110。

于图2所示实施例中，整流器电路130包括U相上二极管231U、U相下二极管232U、V相上二极管231V、V相下二极管232V、W相上二极管231W以及W相下二极管232W。U相上二极管231U、V相上二极管231V与W相上二极管231W的阴极共同耦接至车用交流发电机100的第一直流电压输出端(例如功率端B+)。U相下二极管232U、V相下二极管232V与W相下二极管232W的阳极共同耦接至车用交流发电机100的第二直流电压输出端(例如接地端GND)。U相上二极管231U的阳极与U相下二极管232U的阴极共同耦接至整流器电路130的U相交流端130U。V相上二极管231V的阳极与V相下二极管232V的阴极共同电连接至整流器电路130的V相交流端130V。W相上二极管231W的阳极与W相下二极管232W的阴极共同耦接至整流器电路130的W相交流端130W。

于图2所示实施例中，检测电路142耦接至转子线圈110，以接收转子线圈110运作时所产生的转子电压信号SR。此外，检测电路142还耦接至定子线圈部120，以接收定子线圈部120运作时所产生的定子电压信号PS。定子电压信号PS可来自于定子线圈部120的U相线圈120U、V相线圈120V或W相线圈的120W其中任一相，而本实施例中是以来自U相线圈120U为例。

需说明的是，图2实施例的定子线圈部120及其相应的整流器电路130乃是以三相为范例来说明，但本发明并不以此为限，定子线圈部120的相数及其相应整流器电路130可视实际应用或设计需求而改变。

以下请同时参照图1及图3，图3是依照本发明一实施例说明图1所示检测电路的范例电路示意图。检测电路142包括输入选择电路341、电阻器342、比较器343、低通滤波器344以及频率计算器345。输入选择电路341用以接收选择信号SEL、转子电压信号SR及定子电压信号PS，且根据选择信号SEL而选择转子电压信号SR与定子电压信号PS的其中一者以作为检测信号DS，其中选择信号SEL用以指示车用交流发电机100进行自激磁启动运作。在本发明的一实施例中，输入选择电路341可采用多任务器或是开关来实现，但本发明并不以此为限。

电阻器342耦接在输入选择电路341的输出端与接地端GND之间，可用以抑制噪声的干扰。比较器343耦接至输入选择电路341的输出端以接收检测信号DS，用以将检测信号DS与临界电压信号Vth进行比较，并据以产生比较信号CMPS。低通滤波器344耦接至比较器343以接收比较信号CMPS，并对比较信号CMPS进行低通滤波处理以产生滤波信号FS。

频率计算器345耦接至低通滤波器344以接收滤波信号FS，用以计算滤波信号FS的频率以作为计算车用交流发电机100的转速的依据。在本发明的一实施例中，当频率计算器345在计算出滤波信号FS的频率(亦即转子电压信号SR或定子电压信号PS的频率)之后，可借由频率计算器345或是其他运算电路(例如微处理器或数字信号处理器)依据上述式(1)或式(2)进行运算以获得车用交流发电机100的转速。另外，频率计算器345的实施细节可以依照设计需求来决定。例如在一些实施例中，已知的频率计算器可被采用来实现频率计算器345，故频率计算器345的操作细节不再赘述。

以下请同时参照图1及图4，检测电路142’包括输入选择电路341、电阻器342、快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)电路443以及频谱分析电路444，其中图4的输入选择电路341及电阻器342分别类似于图3的输入选择电路341及电阻器342，故其实施方式及运作可参考上述图3的相关说明，在此不再赘述。

快速傅立叶变换电路443耦接至输入选择电路341的输出端以接收检测信号DS，并对检测信号DS进行快速傅立叶变换运算，以将检测信号DS转换为频域信号FQS。例如图5所示，快速傅立叶变换电路443可将图5左侧的时域信号(即检测信号DS)转换为图5右侧的频域信号FQS。

频谱分析电路444耦接至快速傅立叶变换电路443以接收频域信号FQS，并对频域信号FQS进行分析以取得频域信号FQS的频率，以作为计算车用交流发电机100的转速的依据。举例来说，频谱分析电路444可依据图5右侧的频域信号FQS而检测出频域信号FQS的频率为3赫兹，而振幅为100毫伏。在本发明的一实施例中，当频谱分析电路444在取得频域信号FQS的频率(亦即转子电压信号SR或定子电压信号PS的频率)之后，可借由频谱分析电路444或是其他运算电路(例如微处理器或数字信号处理器)，依据上述式(1)或式(2)进行运算以获得车用交流发电机100的转速。已知的频谱分析器可以被采用来实现频谱分析电路444，故频谱分析电路444的操作细节不再赘述。

在本发明的一实施例中，快速傅立叶变换电路443及频谱分析电路444可以是硬件、韧体或是储存在内存而由微处理器或是数字信号处理器所加载执行的软件或机器可执行程序代码。若是采用硬件来实现，则快速傅立叶变换电路443及频谱分析电路444可以是由单一整合电路芯片所达成，也可以由多个电路芯片所完成，但本发明并不以此为限制。上述多个电路芯片或单一整合电路芯片可采用特殊功能集成电路(ASIC)或可程序化逻辑门阵列(FPGA)来实现。而上述内存可以是例如随机存取内存、只读存储器或是闪存等等。

以下请同时参照图1及图6，图6为依照本发明一实施例所显示的车用交流发电机100的转速检测方法的步骤流程图。车用交流发电机100的转速检测方法包括如下步骤。首先，在步骤S600开始之后，于步骤S610中，判断车用交流发电机100是否进行自激磁启动运作。若步骤S610的判断结果为是，则执行步骤S620的自激磁启动运作。于步骤S620，可通过调节器140来检测转子线圈110所产生的转子电压信号SR的频率，以作为计算车用交流发电机100的转速的依据。接着，于步骤S630中，判断车用交流发电机100是否已完成自激磁启动运作，亦即是否已计算出车用交流发电机100的转速。若步骤S630的判断结果为否，则回到步骤S620。若步骤S630的判断结果为是，则执行步骤S640。于步骤S640中，可通过调节器140变更为检测定子线圈部120的定子电压信号PS的频率，以作为计算车用交流发电机100的转速的依据。另一方面，若步骤S610的判断结果为否，亦即车用交流发电机100并非执行自激磁启动运作，则执行步骤S640。

另外，本发明的实施例的车用交流发电机100的转速检测方法的细节，可由图1至图5实施例之叙述中获致足够的教示、建议与实施说明，故不再赘述。

综上所述，在本发明实施例所提出的调节器、车用交流发电机及其转速检测方法中，可在车用交流发电机以残磁进行自激磁启动时，通过检测转子线圈的转子电压信号的振幅及频率，以作为计算车用交流发电机的转速的依据。由于转子电压信号并无电位偏移的现象，且不会受到整流器电路漏电或是负载效应的影响，故转子电压信号的频率易于检测。如此一来，除了可正确地计算出车用交流发电机的转速以提升自激磁启动之性能，还能简化调节器的电路复杂度。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种调节器，用于车用交流发电机，其特征在于，包括：

控制电路，耦接至所述车用交流发电机的转子线圈，以控制流经所述转子线圈的电流；以及

检测电路，耦接至所述转子线圈以接收所述转子线圈的转子电压信号，且所述检测电路还耦接至所述车用交流发电机的定子线圈部与整流器电路之间的节点，以接收所述定子线圈部的定子电压信号，

其中当所述车用交流发电机进行自激磁启动运作时，所述检测电路检测所述转子电压信号的频率，以作为计算所述车用交流发电机的转速的依据，以及

当所述车用交流发电机完成所述自激磁启动运作之后，所述检测电路变更为检测所述定子电压信号的频率，以作为计算所述车用交流发电机的所述转速的依据。

2.根据权利要求1所述的调节器，其特征在于：

当所述车用交流发电机进行所述自激磁启动运作时，所述控制电路为禁能状态，致使所述转子线圈的所述电流为零。

3.根据权利要求1所述的调节器，其特征在于：

所述定子电压信号的所述频率与所述转子电压信号的所述频率的关系为fr＝fs×P；以及

所述定子电压信号的所述频率与所述车用交流发电机的所述转速的关系为N＝60×fs÷P，

其中，fr为所述转子电压信号的所述频率，单位为赫兹；fs为所述定子电压信号的所述频率，单位为赫兹；P为所述车用交流发电机的极对的数量；以及N为所述车用交流发电机的所述转速，单位为每分钟转速。

4.根据权利要求1所述的调节器，其特征在于，所述检测电路包括：

输入选择电路，用以接收选择信号、所述转子电压信号及所述定子电压信号，且根据所述选择信号而选择所述转子电压信号与所述定子电压信号的其中一者以作为检测信号，其中所述选择信号用以指示所述车用交流发电机进行所述自激磁启动运作；

电阻器，耦接在所述输入选择电路的输出端与接地端之间；

比较器，耦接至所述输入选择电路的所述输出端以接收所述检测信号，用以将所述检测信号与临界电压信号进行比较，并据以产生比较信号；

低通滤波器，耦接至所述比较器以接收所述比较信号，并对所述比较信号进行低通滤波处理以产生滤波信号；以及

频率计算器，耦接至所述低通滤波器以接收所述滤波信号，用以计算所述滤波信号的频率以作为计算所述车用交流发电机的所述转速的依据。

5.根据权利要求1所述的调节器，其特征在于，所述检测电路包括：

电阻器，耦接在所述输入选择电路的输出端与接地端之间；

快速傅立叶变换电路，耦接至所述输入选择电路的所述输出端以接收所述检测信号，对所述检测信号进行快速傅立叶变换运算，以将所述检测信号转换成频域信号；以及

频谱分析电路，耦接至所述快速傅立叶变换电路以接收所述频域信号，对所述频域信号进行分析以取得所述频域信号的频率，以作为计算所述车用交流发电机的所述转速的依据。

6.一种车用交流发电机，其特征在于，包括：

转子线圈；

定子线圈部，其中所述转子线圈与所述定子线圈部协同运作以将机械能转换为交流电能；

整流器电路，耦接至所述定子线圈部，用以将所述交流电能转换为直流电能；以及

调节器，包括：

控制电路，耦接至所述转子线圈，以控制流经所述转子线圈的电流；以及

检测电路，耦接至所述转子线圈以接收所述转子线圈的转子电压信号，且所述检测电路还耦接至所述定子线圈部与所述整流器电路之间的节点，以接收所述定子线圈部的定子电压信号，

7.一种车用交流发电机的转速检测方法，所述车用交流发电机包括转子线圈、定子线圈部、整流器电路以及调节器，其特征在于，所述方法包括：

判断所述车用交流发电机是否进行自激磁启动运作；

若判断所述车用交流发电机进行所述自激磁启动运作，则通过所述调节器检测所述转子线圈的转子电压信号的频率，以作为计算所述车用交流发电机的转速的依据；

判断所述车用交流发电机是否完成所述自激磁启动运作；以及

若判断所述车用交流发电机完成所述自激磁启动运作，则通过所述调节器变更为检测所述定子线圈部提供给所述整流器电路的定子电压信号的频率，以作为计算所述车用交流发电机的所述转速的依据。