DE69530828T2 - Drehmoment- und Ausgang-Steuerung einer Brennkraftslichtmaschine - Google Patents

Drehmoment- und Ausgang-Steuerung einer Brennkraftslichtmaschine Download PDF

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DE69530828T2 DE1995630828 DE69530828T DE69530828T2 DE 69530828 T2 DE69530828 T2 DE 69530828T2 DE 1995630828 DE1995630828 DE 1995630828 DE 69530828 T DE69530828 T DE 69530828T DE 69530828 T2 DE69530828 T2 DE 69530828T2
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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Steuerung für eine Lichtmaschine für Kraftfahrzeuge. Im Besonderen wird eine Vorrichtung und Steuerung für eine motorgetriebene Lichtmaschine offenbart, welche die Leistungsabgabe der selben selektiv erhöht oder verringert und die Drehmomentlast, welche diese für den Motor darstellt, erhöht oder verringert.
  • Herkömmliche elektrische Systeme von Kraftfahrzeugen umfassen eine Lichtmaschine mit einer Feldwicklung, einer dreiphasigen Ständerwicklung und einem Vollwellen-Dioden-Brückengleichrichter zum Umwandeln des mehrphasigen AC-Ausgangs der Wicklungen in eine DC-Ausgangsspannung zur Versorgung von unterschiedlichen Fahrzeuglasten, einschließlich der Fahrzeugbatterie. Darüber hinaus ist ein Spannungsregler, der zu der Lichtmaschine zugehörig ist, wirksam, um den Strom, der zu der Feldwicklung zugeführt wird, zu steuern, und dadurch die DC-Ausgangsspannung auf einen gewünschten Wert zu steuern.
  • Die Leistungskapazität der Lichtmaschine wird durch solche Faktoren wie physische Maschinengröße und Feldstromeinschränkungen begrenzt. Eine Vergrößerung der Maschinengröße ist aus Gründen erhöhter Fahrzeugmasse und erhöhten Fahrzeugvolumens sowie unannehmbar hoher Trägheitslasten auf den Fahrzeugmotor und das Hilfsantriebssystem unerwünscht.
  • Mehrere Verfahren zur Reduktion des Drehmoments einer Lichtmaschine bei starker Motorbeschleunigung sind wohl bekannt, werden aber typischerweise durch die Rate eingeschränkt, mit welcher der Feldstrom, und damit das Rotorfeld und das resultierende Drehmoment, sich abbauen kann. Unter der Annahme, dass die Abbaurate eine Funktion der im Wesentlichen induktiven Eigenschaften der Feldspule ist, kann diese Zeit im Hinblick auf die gewünschte Ansprechzeit des Drehmoments beträchtlich sein. DE-A-4007350 offenbart eine Vorrichtung umfassend einen gesteuerten Brückengleichrichter, Mittel zur Erzeugung von Leitungssignalen, und Mittel zum Vergleichen eines gemessenen Stromphasensignals mit einem gemessenen Spannungsphasensignal. JP-A-04/138030 offenbart einen Ladungsschaltkreis mit FETs. EP-A-0693816 offenbart ein Spannungsregelungsmittel, das wirksam ist, um den DC-Ausgang durch Steuerung des Erregungsstroms durch die Feldwicklung zu steuern.
  • Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Kapazität einer Lichtmaschine für Kraftfahrzeuge zu maximieren.
  • Ein weiteres gewünschtes Ziel ist es, einen erhöhten Ausgang in einer Maschine mit herkömmlicher Masse und Volumen zu erreichen.
  • Diese und andere Ziele werden in vorteilhafter Weise durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 geschaffen. Ein elektrisches System für Fahrzeuge besteht aus einer mehrphasigen Lichtmaschine, die durch den Fahrzeugmotor angetrieben wird, um elektrische Lasten, einschließlich der Fahrzeugbatterie zu versorgen. Jede Phase der mehrphasigen Wicklung ist an einen gesteuerten Brückengleichrichter gekoppelt, welcher in einem ersten Modus betrieben wird, um eine synchrone Gleichrichtung der AC-Spannungen aller Phasen zu schaffen. Ein zweiter Betriebsmodus betreibt den gesteuerten Brückengleichrichter asynchron, durch ein Verzögern oder Vorauseilen der leitenden Zustände der Brückenelemente. Die Steuerung des Vorauseilens und der Verzögerung der leitenden Zustände simuliert eine reaktive Last an den AC-Ausgängen und bewirkt dadurch, dass die Phasenbeziehung des Stroms und der Spannung den gewünschten erhöhten Ausgang (erhöhte Drehmomentlast) oder die gewünschte verringerte Drehmomentlast (verringerter Ausgang) herbeiführen.
  • In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform steuert ein Mikrocomputer die Phasenbeziehung durch Lieferung eines zusätzlichen Offsetbefehls an einen Strom-/Spannungs-Phasenregelkreis, der wirksam ist, um die Phasendifferenz zwischen dem Strom und der Spannung durch Steuerung der Leitungstaktung der gesteuerten Gleichrichterelemente zu steuern.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, in welchen:
  • 1 in zweckmäßiger Weise eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert;
  • 2 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert;
  • 3A allgemein die Beziehung zwischen Stromlieferkapazität und Umdrehungsgeschwindigkeit der Lichtmaschine für verschieden Lasten, die an eine Lichtmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung angelegt werden, illustriert;
  • 3B allgemein die Ausgangseigenschaften einer Synchronlichtmaschine unter unterschiedlichen Lastbedingungen illustriert;
  • 3C allgemein die Eingangs-Drehmomenteigenschaften für verschiedene Leistungsabgabebedingungen einer Synchronlichtmaschine illustriert; und
  • 4 illustriert ein Fließdiagramm, dass die von dem Mikrosteuergerät von 2 bei der Ausführung der Funktionen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Schritte darstellt.
  • Unter Bezugnahme zuerst auf 1, bezeichnet die Bezugszahl 15 eine Synchronlichtmaschine, die einen Rotor und einen dreiphasigen Ausgang in Y-Schaltung für die Ständerwicklung 10 besitzt. Der Rotor wird mit einer variablen Geschwindigkeit durch einen Motor 21 in einem Kraftfahrzeug angetrieben. Der Rotor umfasst die Feldspule 13 und die Unterdrückungsdiode 11. Ein Felderregungsstrom Ie ist vorgesehen, um die Magnetisierung des Rotors zu erreichen. Während der Rotor sich dreht, wird in der Ausgangswicklung 10 eine Wechselspannung induziert oder erzeugt. Die Frequenz der in der Wicklung 10 erzeugten Wechselspannung ist direkt proportional zu der Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors. Ferner ist die Größe oder Amplitude dieser Spannung eine Funktion der Rotorgeschwindigkeit und des Felderregungsstroms. Der Felderregungsstrom wird durch eine beliebige einer Anzahl wohl bekannter Alternativen zur Aufrechterhaltung der Ausgangsspannung der Lichtmaschine bei einem gewünschten Wert, zum Beispiel 14 Volt, gesteuert. Die Ausgangswicklung 10 besitzt einen Neutralleiter 18 und besteht aus dreiphasigen Wicklungen, jede mit einem Ausgang A, B oder C:
  • In herkömmlicher Weise sind die Ausgänge A, B und C nur direkt an Eingangsklemmen 92, 94 und 96 eines Brückengleichrichters 95 zur Umwandlung des dreiphasigen Wechselspannungs-Ausgangs in einen Gleichspannungs-Ausgang zwischen einem Paar von Ausgangsklemmen 98, 99 gekoppelt. Als solche kann die elektrische Last, die an die Lichtmaschine angelegt wird, als rein ohmsche betrachtet werden.
  • Die Beziehung Ausgangsspannung versus Ausgangsstrom einer Synchronmaschine kann als eine Leerlauf-Spannung in Serie mit einer Impedanz, welche typischerweise induktiv ist, modelliert werden. Diese Impedanz wird typischerweise als die synchrone Impedanz bezeichnet. Dies ergibt einen begrenzten Kurzschluss-Ausgang, welcher von dieser Impedanz und der Leerlauf-Spannung abhängig ist.
  • Der Graph von 3B illustriert die Ausgangseigenschaften einer Synchronlichtmaschine für verschiedene Typen von Lasten, die an diese angelegt werden. Der Prozentsatz der Leerlauf-Spannung der Lichtmaschine wird entlang der vertikalen Achse dargestellt und der Prozentsatz des Volllaststroms der Lichtmaschine ist entlang der horizontalen Achse dargestellt. Für rein ohmsche Lasten, die an die Lichtmaschine angelegt werden, folgt der Ausgang der Kurve 110 zwischen Leerlauf- und Kurzschluss-Bedingungen, oder, anders ausgedrückt, zwischen unendlichem und Nullwiderstand. Wenn die ohmsche Last die synchrone Impedanz dominiert (d. h. hoher Widerstand), hat der Ausgang eine relativ konstante Spannung, wie in dem Abschnitt der Kurve 110, der mit 110A gekennzeichnet ist, dargestellt. Wenn jedoch die synchrone Impedanz die ohmsche Last dominiert (d. h. niedriger Widerstand), hat der Ausgang einen relativ konstanten Strom, wie in dem Abschnitt der Kurve 110, der mit 110B gekennzeichnet ist, dargestellt. Die Lundell-Maschine für Kraftfahrzeuge ist typischerweise mit beträchtlicher synchroner Impedanz konstruiert, um dadurch den Widerstand zu dominieren und näher am Kurzschlusspunkt zu arbeiten. Eine solche Maschine ist dadurch per se im Wesentlichen selbst strombegrenzend.
  • Auf Grund des Vorhandenseins der synchronen Impedanz beeinflusst nicht nur der ohmsche Anteil der Last den Ausgang einer Synchronmaschine, auch der reaktive Anteil der Last kann den Ausgang beträchtlich beeinflussen. Dies ist auch in 3B zu sehen. Für rein induktive Lasten, die an die Lichtmaschine angelegt werden, folgt der Ausgang der Kurve 105 zwischen Leerlauf- und Kurzschluss-Bedingungen. Für eine komplexe ohmsche/induktive Last, die an die Lichtmaschine angelegt wird, folgt der Ausgang einer Kurve zwischen den Kurven 105 und 110, zum Beispiel Kurve 107. Zunehmend induktive Lasten tragen zur Induktion der synchronen Impedanz der Lichtmaschine bei und reduzieren den Ausgang. In ähnlicher Weise folgt der Ausgang für rein kapazitive Lasten, die an die Lichtmaschine gelegt werden, der Kurve 115 zwischen Leerlauf- und Kurzschluss-Bedingungen. Für eine komplexe ohmsche/kapazitive Last, die an die Lichtmaschine gelegt wird, folgt der Ausgang einer Kurve zwischen den Kurven 115 und 110, zum Beispiel der Kurve 113. Zunehmend kapazitive Lasten neigen dazu, die induktiven Auswirkungen der synchronen Impedanz der Lichtmaschine aufzuheben und den Ausgang zu erhöhen.
  • Da der Ausgang der Maschine durch Verändern des Blindwiderstandes der Last gesteuert werden kann, folgt daraus, dass der Eingang in die Maschine mit dem selben Mechanismus verändert werden kann. 3C zeigt die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Lichtmaschine und dem Eingangs-Drehmoment für unterschiedliche Leistungsabgaben der Lichtmaschine, alle bei einem konstanten Wirkungsgrad der Maschine. Das Eingangs-Drehmoment "TQ", das heißt, die Drehmomentlast an dem Hilfsantriebssystem, welche den Motor antriebsmäßig an die Lichtmaschine koppelt, wird mit Vielfachen einer beliebigen Einheit entlang der vertikalen Achse dargestellt, und die Geschwindigkeit der Lichtmaschine "RPM" wird mit Vielfachen einer beliebigen Einheit entlang der horizontalen Achse dargestellt. Sowohl die horizontale als auch die vertikale Achse sind linear skaliert. Es sind vier Kurven aufgetragen, welche ganzzahlige Vielfache einer Einheit der Leistungsabgabe "P" darstellen und entspre chend gekennzeichnet sind. Wie zu sehen ist, resultiert eine Reduktion der Ausgangsleistung in einer im Wesentlichen proportionalen Reduktion des Eingangs-Drehmoments. Da die Blindwiderstände selbst keine Energie verbrauchen, verändert die Veränderung der Blindwiderstände, die an den Ausgang der Lichtmaschine gelegt werden, das Eingangs-Drehmoment in Übereinstimmung mit der Veränderung in der Ausgangsleistung. Wegen der typischerweise großen Induktion der Feldspule ist eine elektronische Veränderung des Blindwiderstandes der Last, wie hierin dargestellt, viel schneller als eine Veränderung des Feldstroms in einer typischen Lichtmaschine für Kraftfahrzeuge. Wenn schnelle Veränderungen der Leistungsabgabe oder des Eingangs gewünscht sind, wird dies wegen seiner Geschwindigkeit und Effizienz zu einem attraktiven Verfahren. Da hohe Motorbeschleunigungen ein Problem beim Antrieb hoher Trägheitslasten (wie etwa einer Lichtmaschine für Kraftfahrzeuge) durch einen Riemen sind, kann dieses Merkmal helfen, die Drehmomentlasten, welche die Lichtmaschine für den Riemen unter solchen Bedingungen darstellt, abzuschwächen. Da zusätzlich keine Leistung in den reaktiven Anteilen der Last verbraucht wird, ist die Steuerung der vorliegenden Erfindung sogar noch attraktiver.
  • Bisher war(en) die Laste(en), die an die AC-Ausgänge einer Lichtmaschine für Kraftfahrzeuge gelegt wurde(n), ohmscher Art, was in einer Übereinstimmung der Strom-/Spannungsphasen resultierte. In der Tat sind eigentliche Fahrzeuglasten, welche Verbraucher der von der Lichtmaschine erzeugten Leistung sind, überwiegend DC-Lasten. In jedem Fall sind Fahrzeuglasten von den AC-Ausgängen der Lichtmaschine durch die Gleichrichterbrücke isoliert, wodurch jegliche reaktive Interaktion der Lichtmaschine mit Fahrzeuglasten verhindert wird.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden der Brückengleichrichter 95 und der variable Blindwiderstand 91 an die AC-Ausgangsklemme A, B und C, gekoppelt, die als einzelne reaktive Lasten ZA, ZB und ZC in Y-Konfiguration illustriert sind. Die reaktiven Werte von ZA, ZB und ZC sind vorzugsweise äquivalent, um so eine ausgeglichene Last an die Ausgangswicklung 10 zu legen. Die Blindwiderstandswerte ZA, ZB und ZC sind in Übereinstimmung mit einem Signal an der Leitung 93 steuerbar.
  • Es ist nun erkennbar, dass es an der AC-Ausgangsseite der Maschine eine komplexe Impedanz mit sowohl reaktiven als auch ohmschen Komponenten einführt, wenn die Enden der Phasenwicklungen A, B und C an die ausgeglichene reaktive Last 91 und den Brückengleichrichter 95 gekoppelt werden. Die komplexe Natur der Last, die an die Ausgangswicklung 10 gelegt wird, kann daher in einer Strom-/Spannungs-Phasendifferenz von 90 Grad vorauseilend bis 90 Grad nacheilend resultieren. Wie in dem Modell von 1 illustriert, kann der Brückengleichrichter 95 die Form eines herkömmlichen Dioden-Brückengleichrichters oder anderer wohl bekannter herkömmlicher Gleichrichtungsmittel, wie etwa gesteuerter synchroner Gleichrichter, annehmen.
  • In 3A sind nun allgemeine Beziehungen zwischen der Stromkapazität "I" einer herkömmlichen Lichtmaschine für Kraftfahrzeuge, an welche Lasten mit verschiedenem reaktiven Gehalt angelegt sind, gegen die Umdrehungsgeschwindigkeit der Lichtmaschine "RPM" aufgetragen. Jede Achse ist linear, jedoch ohne Einheiten dargestellt, um die allgemeinen Unterschiede in den Ausgangseigenschaften zu demonstrieren. Jede Kurve entspricht Lasten mit verschiedenem reaktivem Gehalt, wie von der AC-Seite der Lichtmaschine aus gesehen. Die Kurve 100 typisiert die Stromkapazitätseigenschaften einer Lichtmaschine, an welche eine rein ohm sche Last über den AC-Ausgang angelegt wird. Diese Kurve entspricht im Wesentlichen herkömmlichen Systemen für Kraftfahrzeuge mit einem Dioden-Brückengleichrichter, der direkt an die AC-Ausgänge der Maschine gekoppelt ist, um die DC-Lasten des Fahrzeugs zu versorgen und die Lasten in Bezug auf den AC zu isolieren. Die Kurve 101 typisiert die Stromkapazitäts-Eigenschaften einer Lichtmaschine, an welche eine komplexe Last über den AC-Ausgang angelegt ist, und im Besonderen eine Last, die zu vorauseilenden Ständerströmen führt. Zum Teil kapazitive Impedanzen würden in einer solchen Kurve resultieren. Wie zuvor erwähnt, resultiert diese Art von reaktiver Last in einer Aufhebung des synchronen Blindwiderstandes und in erhöhtem Ausgang. Die Kurve 103 typisiert ebenso die Stromkapazitätseigenschaften einer Lichtmaschine, an welche eine komplexe Last über den AC-Ausgang angelegt ist, jedoch resultiert diese Last im Gegensatz dazu in nacheilenden Ständerströmen. Auf Grund der zusätzlichen Auswirkungen eines induktiven Anteils der Last auf den synchronen Blindwiderstand würden zum Teil induktive Impedanzen in einer solchen Kurve resultieren. Das Drehmoment, das der Drehung entgegengesetzt wirkt, folgt ähnlich geformten Kurven, wobei die vertikale Achse der Stromkapazität durch eine vertikale Drehmoment-Achse ersetzt wurde.
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird eine Vorrichtung zur Ausführung der Funktionen der vorliegenden Erfindung illustriert. Es ist einzusehen, dass die Bezugszahlen, die zur Kennzeichnung von Merkmalen in 2 verwendet werden, und die unter Bezugnahme auf andere Figuren verwendet wurden, hierin gleiche Merkmale kennzeichnen. Ein elektrisches System für Fahrzeuge besitzt einen Akkumulator 61, dessen positive Seite über den Leiter 57 an den Leiter 56 angeschlossen ist, und dessen negative Seite an Erde angeschlossen ist. Die Batterie 61 kann ein 12 Volt-Akkumulator für Kraftfahrzeuge sein. Die Batterie 61 speist ferner ver schiedene andere elektrische Kraftfahrzeug-Lasten 65 in dem Fahrzeug. Ein Schalter 60 zur Steuerung der Stromführung der elektrischen Fahrzeug-Lasten 65 ist dargestellt. Zusätzlich liefert der Leiter 29 Strom an die Feldspule 13. Die Lichtmaschine 15 besitzt eine dreiphasige Ständerwicklung 10 in Y-Schaltung und entsprechende dreiphasige Ausgänge A, B und C. Der Felderregungsstrom ist in der vorliegenden Ausführungsform als in Übereinstimmung mit dem pulsbreitenmodulierten (PBM) Feldeffekttransistor 24 gesteuert dargestellt, welcher von dem Steuergerät 70 in Übereinstimmung mit den durch dieses ausgeführten Programmanweisungen ein PBM-Signal 25 zur Steuerung des Erregungsstroms empfängt. Das Steuergerät 70 überwacht die Systemspannung über die Leitung 63 und schafft ein geeignetes PBM-Signal, um die Systemspannung auf einem gewünschten Niveau, typischerweise 14 Volt in einem 12 Volt-System für Kraftfahrzeuge, zu halten. Das Steuergerät 70 überwacht ferner den Drosselklappenstellungssensor TPS an der Leitung 23, um zu bestimmen, wann eine Reduktion der Drehmomentlast auf den Motor, wie hierin später beschrieben, wünschenswert ist. Zusätzlich ist ein Temperatureingang Temp mit 26 gekennzeichnet und stellt ein Maß für die Batterietemperatur oder eine andere damit in Beziehung stehende Temperatur dar.
  • Der dreiphasige Vollwellen-Brückengleichrichter 40 dieses Systems besteht aus sechs gesteuerten Gleichrichtern 3136, die schematisch als Schalter dargestellt werden: Der Brückengleichrichter 40 besitzt Wechselstrom-Eingangsklemmen 41, 42 bzw. 44, die jeweils an die Ausgangswicklungen A, B bzw. C gekoppelt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jeder der gesteuerten Gleichrichter einen Feldeffekttransistor (FET),welcher, wenn an den selben eine Steuerspannung angelegt wird, den FET in einen in zwei Richtungen stromleitenden Modus versetzt, so lange die Steuerspannung an den selben angelegt bleibt. Der Leiter 37
  • bildet die positive Gleichspannungs-Ausgangsleitung für den Brückengleichrichter 40, wohingegen der Leiter 38 die negative Gleichspannungs-Ausgangsleitung für den Brückengleichrichter 40 bildet.
  • Jeder der gesteuerten Gleichrichter 3136 besitzt dazu zugehörig eine Steuerungsklemme, die auf ein Leitungssignal anspricht, um die Leitung des jeweiligen gesteuerten Gleichrichters zu ermöglichen oder zu blockieren. Jede Klemme entspricht dem Gate eines jeweiligen FET in der vorliegenden Ausführungsform, wobei die Kennzeichnung mit klein a, b und c, und a', b' und c' vereinbart ist. Diese Gate-Kennzeichnungen entsprechen den gleichen Kennzeichnungen der Ansteuerungsklemmen, die als sich vom Umrichter 86 der Phasenregelkreissteuerung 80 erstreckend dargestellt sind. Die Vereinbarung der Kleinbuchstaben und der Kleinbuchstaben mit Hochstrich zeigt die relativen logischen Zustände der derart gekennzeichneten Gates an. Wenn zum Beispiel "a" hoch ist und der gesteuerte Gleichrichter 31 leitend ist, ist "a' " niedrig und der gesteuerte Gleichrichter 34 ist nicht leitend. Obere und untere Paare von gesteuerten Gleichrichtern (31, 34; 32, 35; 33, 36) sind niemals gleichzeitig leitend, da ein solcher Zustand in unerwünschter Weise die positive Klemme der Batterie 61 mit Erde kurzschließen würde.
  • Die Phasenregelkreissteuerung (PLL) 80 ist zur Steuerung des leitenden Zustandes und der Taktung der gesteuerten Gleichrichter 3136, die den Brückengleichrichter 40 umfassen, in Übereinstimmung mit den von dem Steuergerät 70 ausgeführten Programmanweisungen. Die PLL ist wirksam, um eine gewünschte Phasendifferenz zwischen dem mehrphasigen Wicklungsstrom und der Wicklungsspannung über den gesamten Bereich der Arbeitsdrehzahlen des Rotors aufrecht zu erhalten. Die PLL 80 umfasst einen wohl bekannten sechs Stufen auf drei Phasen Umrichter 86 zur Erzeugung symmetrischer Leitungssignale. Diese Leitungssignale entsprechen den Ansteuerungsklemmen des Umrichters 86 und den Gates der Gleichrichterelemente 40, und werden gemeinsam mit den selben Buchstabenkennzeichnungen a, b und c sowie deren Ableitungen mit Hochstrich bezeichnet. Diese Signale besitzen Frequenz- und Phasentrennungseigenschaften, die zu denjenigen der mehrphasigen Wechselspannung äquivalent sind. In anderen, besser zu der vorliegenden dreiphasigen Ausführungsform passenden Worten, ist die Frequenz jedes Leitungssignales zu einer jeden Phasenspannung der mehrphasigen Wechselspannung äquivalent, und die Leitungssignale a, b und c sind durch 120° elektrisch phasengetrennt. Jeder Leitungsignalausgang davon besitzt im Wesentlichen eine Rechteck-Wellenform, die in geeigneter Weise für die Ansteuerung des Gates an einem entsprechenden gesteuerten Gleichrichter aufbereitet wurde. Die Frequenz eines jeden Leitungssignals wird wie erwähnt auf die Frequenz der mehrphasigen Wechselspannung, die in der Ausgangswicklung der Lichtmaschine erzeugt wird, gesteuert und ist zu dieser symmetrisch. Das heißt, jedes Leitungssignal ist für eine Hälfte der Periode hoch und für eine Hälfte der Periode niedrig. Der Umrichter 86 spricht auf einen Eingang von dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 81 an, welcher angesteuert wird, um bei einer Frequenz von sechsmal der einer beliebigen Phasenspannung zu oszillieren und dadurch den Umrichter 86 mit einem geeigneten Frequenzeingang zu dem selben versorgt, um die drei Leitungssignale a, b und c zu erzeugen. Zu- sätzlich zu den drei Leitungssignalen a, b und c werden durch den Umrichter 86 invertierte Leitungssignale a', b' und c' für eine Gesamtzahl von sechs Ausgängen aus dem selben erzeugt. Diese invertierten Leitungssignale sind ebenso auf die selbe geeignete Weise aufbereitet, wie die nicht invertierten Signale. Der Umrichter 86, einschließlich der Aufbereitung des Leitungssignals darin, werden hierin nicht detailliert ausgeführt, da solche Umrichter dem Fachmann im Allgemeinen wohl bekannt sind. Jedoch umfasst ein solcher Umrichter typischerweise einen Zähler mit sechs Zählstellen und einen Kodierer, und er kann auch Signalaufbereiter wie Ladungspumpen einschließen, wo, wie in der vorliegenden Ausführungsform, die gesteuerten Gleichrichter FETs umfassen.
  • Der Phasenregelkreis 80 umfasst ferner einen einphasigen Stromfühler 82 und einen Eingang von dem selben an der Leitung 90. Der Stromfühlereingang 90 wird verarbeitet, um den Nulldurchgangspunkt des Wechselstroms zu detektieren und um die Wellenform am Detektor 89 des Nulldurchgangspunktes im Wesentlichen rechteckig zu machen, um ein Stromphasensignal an der Leitung 84 zu bilden. Ein gleichphasiger Wechselspannungs-Fühlereingang an der Leitung 88 wird von dem geeigneten Leitungssignal-Ausgang des Umrichters 86 aus Gründen der Effizienz des Schaltkreises entnommen, obwohl auch separate Mittel zur Erfassung der Wechselspannung diesen Eingang schaffen könnten. Dieses Signal wurde bereits rechteckig gemacht und sorgt ohne weitere Aufbereitung für die notwendige Wechselspannungs-Phaseninformation. Das Stromphasensignal 84 und das Spannungsphasensignal 88 werden daraufhin in der Phase verglichen und ein Phasendifferenzsignal aus den selben erzeugt. Die vorliegende Ausführungsform erzeugt durch den Phase-gegen-Spannungs-Umrichter 87 eine Spannung, die der Phasendifferenz zwischen den selben proportional ist. Diese Spannung wird dann an dem Fehlerknoten 85 mit der Spannung an der Leitung 27 summiert, welche die gewünschte Phasendifferenz darstellt, wie in Übereinstimmung mit den von dem Steuergerät ausgeführten Programmanweisungen festgelegt. Der Ausgang des Fehlerknotens 85, das Phasenfehlersignal, wird in ein herkömmliches Kompensationsnetzwerk eingegeben, um den gewünschten Grad an Schleifenstabilität zu schaffen, wie etwa durch herkömmliche integrale und/oder Verstärkungsverarbeitung des selben. Der Ausgang des Kompensationsnetzwerkes bildet den Spannungseingang zu dem VCO 81, womit die PLL abgeschlossen ist.
  • Es ist nun erkennbar, dass durch Steuerung der Leitungstaktung der gesteuerten Gleichrichter in Bezug auf die mehrphasige Wechselspannung die effektive Last, die an der AC-Ausgangswicklung angelegt ist, verschiedene Grade des Blindwiderstandes simulieren kann, wie in 1 modelliert. Die Leitungstaktung der gesteuerten Gleichrichter, wie hierin verwendet, bedeutet den Punkt im Zyklus der mehrphasigen Wechselspannung, an welchem die Leitungssignale angelegt werden. Die zu diesem Zweck verwendete Referenz sind die Nulldurchgangspunkte der mehrphasigen Wechselspannung. Wo die gesteuerten Gleichrichter synchron gesteuert werden, das heißt, wo die Leitungssignale mit Nulldurchgängen der jeweiligen Phasen der Wechselspannung zusammenfallen, ist die Last, die an die AC-Ausgangswicklung gelegt wird, eine ohmsche und der Strom ist in Phase mit der Spannung. Wenn jedoch die Leitungstaktung durch Vorauseilen oder Verzögern der Leitungssignale a, b und c und der entsprechenden invertierten Signale a', b' und c' relativ zu dem Nulldurchgang geändert wird, dann simuliert der Brückengleichrichter 40 eine zum Teil reaktive Last, indem er die Spannung zurück an die AC-Ausgangswicklung in einer Weise analog zu der einer entweder kapazitiven oder induktiven Last zurückgibt. Wie vorhin beschrieben beeinflussen solche Lasten, die an die AC-Ausgangswicklung gelegt werden, den Ausgang der Maschine und damit ihr Drehmoment, was deren Steuerung durch Steuerung der Leitungstaktung des Brückengleichrichters 40 gestattet. Die PLL 80 steuert die Leitungstaktung des Brückengleichrichters 40 um die gewünschte Strom-/Spannungsphase gemäß dem gewünschten Phasensignal 27 zu bilden und aufrecht zu erhalten.
  • In einer bevorzugten Betriebsart des Systems, wie in 2 dargelegt, führt die vorliegende Erfindung die Spannungsregelung durch Steuerung des Feldstroms durch. So lange die Ausgangskapazität der Lichtmaschine ausreichend ist, um die aktiven Fahrzeuglasten, einschließlich der Fahrzeugbatterie, zu versorgen, wird das PBM-Signal 25 verändert, um den Feldstrom, der zur Aufrechterhaltung der Systemspannung bei einem voreingestellten Niveau erforderlich ist, typischerweise 14 Volt, zu steuern. Um den Preis einer gewissen Wiederholung wird dies durch das Steuergerät 70 erreicht, welches die Systemspannung an Leitung 63 überwacht und periodisch das PBM-Signal inkrementell einstellt, um die Systemspannung bei 14 Volt zu bilden und aufrecht zu erhalten. Wenn das PBM-Signal einen Grenzwert erreicht, so dass weitere Erhöhungen des Feldstroms nicht durchführbar sind, zum Beispiel ein Lastzyklus von 100 Prozent, kann die Phasensteuerung so implementiert werden, dass der Ausgang der Lichtmaschine weiter erhöht wird. Um den Ausgang zu erhöhen, ist es wünschenswert, dass der Strom der Spannung vorauseilt und ein geeignetes gewünschtes Phasensignal an der Leitung 27 durch das Steuergerät 70 erzeugt wird. In der Praxis wird dieses Steuersignal periodisch inkrementell eingestellt.
  • Ein Fließdiagramm, welches Gruppen von Programmschritten darstellt, die von dem Steuergerät 70 ausgeführt werden, ist in 4 illustriert. Das Steuergerät 70 ist vorzugsweise ein Mikrocomputer mit ROM, RAM, Einund Ausgabe mit A/D-Wandlung, Taktgeber und CPU. Es kann nur für die Ausführung der hierin beschriebenen Funktionen vorgesehen sein, oder es kann die Programmschritte wie hierin beschrieben als Teil eines viel größeren Satzes von Anweisungen zur Ausführung anderer Fahrzeugsteuerungsfunktionen, zum Beispiel Motor- und Getriebesteuerungen, ausführen.
  • Zu vorbestimmten Intervallen wird ein Satz von Anweisungen beginnend mit Block 401 ausgeführt. Bei Block 401 wird in Übereinstimmung mit gewissen vorbestimmten Betriebsparametern des Fahrzeuges bestimmt, ob eine Verringerung des Drehmoments wünschenswert ist. Eine Variable mit zwei Zuständen bzw. ein Flag "Tlim" wird überprüft, um festzustellen, ob sie/es hoch bzw. gesetzt ist, was anzeigt, dass eine umgehende Verringerung der von der Lichtmaschine auf den Fahrzeugmotor ausgeübten Drehmomentlast wünschenswert ist. Zum Beispiel könnte ein solcher Betriebsparameter die Rate der positiven Veränderung der Drosselklappenstellung sein, wie sie in herkömmlicher Weise für verschiedene Motorsteuerungsfunktionen berechnet wird. Das heißt, eine hohe Veränderungsrate in der Anwendung der Drosselklappe kann den Wunsch des Fahrzeugbedieners nach einer starken Beschleunigung des Fahrzeuges anzeigen. Durch Verringern der Drehmomentlast der Lichtmaschine auf den Motor während der Beschleunigung kann die Beschleunigungsleistung des Fahrzeuges verbessert und die Wahrscheinlichkeit eines Durchrutschens des Hilfsantriebsriemens minimiert werden.
  • Die vorliegende Erfindung führt nach einem Befehl im Wesentlichen sofort zu Verringerungen des Drehmoments, wohingegen bekannte Alternativen, wie etwa Verringern des Feldstroms, unannehmbar hohe Ansprechzeiten aufweisen, die zu den Abbaueigenschaften des Feldstrom zugehörig sind. Die vorliegende Erfindung leidet nicht unter den selben Verzögerungseinschränkungen, die mit dem Abbau des Feldstroms verbunden sind. Angenommen, eine sofortige Verringerung des Drehmoments ist wünschenswert, wird der Block 401 positiv beantwortet und die durch den Block 403 dargestellten Programmschritte werden ausgeführt. Hier ist das gewünschte Phasensignar "PFCOM" auf einen vorbestimmten Wert "PFTRQ" eingestellt. PFTRQ ist wahrscheinlich ein Wert, der eine Strom-/Spannungs-Phasendifferenz zwischen null und 90 Grad nacheilend darstellt.
  • Zusätzlich ist auch das PBM-Signal "FPWM" auf einen vorbestimmten Wert eingestellt, in der vorliegenden Ausführungsform Null. Während in diesem Beispiel die Kombination aus Verringerungen von sowohl den PFCOM- als auch den FPWM-Signalen auf gewünschte Werte herunter gestuft wird, ist einzusehen, dass andere Schemata und Kombinationen für die Verringerung, zum Beispiel Verringerungen mit gesteuerter Rate, vollständig mit einbezogen sind. An diesem Punkt wird die Routine verlassen.
  • Wenn alternativ angenommen wird, dass eine sofortige Verringerung des Drehmoments nicht wünschenswert ist, wird der Block 401 negativ beantwortet und die durch den Block 405 dargestellten Programmschritte werden ausgeführt, in welchen die Systemspannung "Vs" mit einem ersten vorbestimmten Sollwert für die Spannungsregelung "V1" verglichen wird, oberhalb dessen eine übermäßige Systemspannung angezeigt wird. V 1 kann natürlich in Übereinstimmung mit wohl bekannten von der Batterietemperatur abhängigen Aufladungsakzeptanzeigenschaften indiziert oder versetzt werden. Wo Vs V 1 übersteigt, wird der Block 407 erreicht und eine Überprüfung wird an dem gewünschten Phasensignal PFCOM durchgeführt. Wo das Signal positiv ist, bewirkt die PLL vorauseilende Ströme, was höhere Spannungen fördert. PFCOM wird nur dort positiv gebildet, wo der maximale Feldstrom wie durch FPWM festgelegt sich als ungeeignet erwiesen hat, um die Systemspannung zu dem gewünschten Sollwert V 1 zu steuern, wie aus der Beschreibung der Schritte 413– 25 klar wird. Vorauseilende Ströme (PFCOM positiv) stellen natürlich einen unerwünschten Steuerungszustand dar, wo, wie in der vorliegenden Verzweigung des Fließdiagramms, die Systemspannung Vs bereits den Sollwert V 1 überschritten hat. Daher geht die Verarbeitung auf die Schritte über, die durch den Block 411 dargestellt werden, wo ein positiver PFCOM an dem Block 407 existiert, um PFCOM zu dekrementieren. Dies ist auch mit dem bevorzugten Betrieb konsistent, bei welchem die Ausgangsspannung zuerst über die Feldstromsteuerung und danach über die Phasensteuerung erhöht wird, worauf dann folgt, dass die Ausgangsspannung zuerst durch Verringern jeglicher Phasentrennung mit vorauseilendem Strom, die existieren könnte, und danach über die Feldstromsteuerung verringert wird. Danach wird die Routine verlassen.
  • Unter der Annahme, dass Vs V 1 übersteigt und PFCOM nicht positiv ist, übergibt der Block 407 dann die Steuerung an die Schritte, die durch den Block 409 dargestellt werden, an welchem das PBM-Signal FPWM dekrementiert wird, um den Feldstrom und damit Vs zu verringern. Die Routine wird dann verlassen.
  • Eine Systemspannung Vs, die den Sollwert V 1 nicht übersteigt, resultiert in der Ausführung der Schritte, die durch den Block 413 dargestellt sind, an welchem eine Überprüfung des PBM-Signals FPWM durchgeführt wird. Wenn ein kalibriertes maximales FPWM noch nicht erreicht worden ist, zum Beispiel 100 Prozent Lastzyklus, wird der Block 415 erreicht, an welchem FPWM inkrementiert wird, um den Feldstrom und damit Vs zu erhöhen. Zusätzlich wird das gewünschte Phasensignal PFCOM bei Block 415 auf Null gesetzt, was mit der Priorität der Ausgangssteuerung, zuerst Feldstromeinstellungen und zweitens Phaseneinstellungen, konsistent ist. Auch entfernt das Nullsetzen von PFCOM an diesem Punkt in der Routine jegliche Einstellung der Drehmomentverringerung, die bei dem Block 403 während früherer Steuerungsschleifen gebildet worden sein könnte. Die Routine wird dann verlassen.
  • In dem Fall, wo die Systemspannung Vs geringer ist als der Sollwert V1, und das PBM-Signal FPWM an seinem maximalen Wert ist, kann die Phasensteuerung geeignet sein. Diese Situation resultiert in der Ausfüh rung der Schritte, die durch die Blöcke 417425 dargestellt werden. Beginnend mit Block 417 wird die Systemspannung gegen eine zweite Sollwert-Spannung V2 von geringerer Größe als Sollwert V 1 geprüft. Die Differenz zwischen den zwei Spannungssollwerten V 1 und V2 stellt eine Totzone dar, in welcher die Phasensteuerung nicht implementiert wird, um den Ausgang der Lichtmaschine zu erhöhen.
  • Wo zum Beispiel Vs nicht geringer ist als der Sollwert V2, wird der Block 421 erreicht, an welchem das gewünschte Phasensignal PFCOM überprüft wird. Wo PFCOM nicht positiv ist und daher keine Phasendifferenz gesteuert wird, erhält die Routine Stromeinstellungen aufrecht, indem keine anderen Maßnahmen außer dem Verlassen der Routine gesetzt werden. Wo jedoch PFCOM positiv ist und ein gewisser Grad an Phasensteuerung aktiv ist, zeigt der Block 423 die Ausführung von Schritten, die PFCOM dekrementieren. Natürlich wird PFCOM, wenn die Systemspannung zwischen V 1 und V2 bleibt, schließlich auf Null dekrementieren und daraufhin gleich bleiben.
  • Nachdem der Feldstrom maximiert worden ist, und die Systemspannung Vs unter dem zweiten Sollwert V2 liegt, werden die Blöcke 419 und 425 erreicht. Wenn PFCOM noch keinen vorbestimmten Maximalwert erreicht hat, dann sorgt der Block 425 für die Inkrementierung des selben, um den Ausgang der Lichtmaschine zu erhöhen. Ein einmal erreichter maximaler PFCOM resultiert in einer Umgehung weiterer Erhöhungen des selben und in dem Verlassen der Routine. Das maximale Ausmaß des Vorauseilens von Strom in Bezug auf die Spannung variiert von System zu System; die Erfahrung des Erfinders zeigt jedoch, dass der Begrenzungsfaktor wahrscheinlich das Rutschen des Hilfsriemens auf Grund der wesentlich größeren Drehmomente ist, die auf den selben durch die so gesteuerte Lichtmaschine ausgeübt werden.
  • Während die Erfindung in Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist es einzusehen, dass dem Fachmann verschiedene Abwandlungen und alternative Ausführungsformen offensichtlich sein werden und daher der Schutzbereich der Erfindung solche Abwandlungen und alternative Ausführungsformen in Übereinstimmung mit den folgenden Ansprüchen einschließt.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Verändern des Ausgangs und Drehmoments einer Lichtmaschine in einem elektrischen System für Kraftfahrzeuge mit einer Lichtmaschine (15), die antriebsmäßig an einen Fahrzeugmotor (21) angeschlossen ist, wobei die Lichtmaschine eine Feldwick lung (13) und eine mehrphasige Ausgangswicklung (10) besitzt, welche einen mehrphasigen Ausgang erzeugt, der eine mehrphasige Wechselspannung und einen entsprechenden mehrphasigen Wechselstrom umfasst, umfassend: einen gesteuerten Brückengleichrichter (40), der an die mehrphasige Ausgangswicklung (10) gekoppelt ist und ein Paar von Gleichspannungs-Ausgangsklemmen (37, 38) besitzt, wobei der gesteuerte Brückengleichrichter eine Vielzahl von gesteuerten Gleichrichterelementen (3136) umfasst, von welchen jedes in Übereinstimmung mit einem jeweiligen an das selbe angelegten Leitungsignal steuerbar ist; Mittel (86) zur Erzeugung von Leitungssignalen, um eine Vielzahl von Leitungssignalen zu erzeugen, die in Frequenz und Phasentrennung der mehrphasigen Wechselspannung entsprechen, wobei die Leitungssignale an die gesteuerten Gleichrichterelemente (31 – 36) zur Steuerung der Leitung der selben angelegt werden; und Phasensteuerungsmittel (80) zur Herstellung und Aufrechterhaltung einer gewünschten Phasenbeziehung zwischen dem Wechselstrom und der Wechselspannung durch Steuerung einer Leitungstaktung der Leitungssignale, wobei Ausgang und Drehmoment zunehmen, wenn die Leitungstak tung vorauseilt, und Ausgang und Drehmoment abnehmen, wenn die Leitungstaktung nacheilt; gekennzeichnet durch Spannungsregelungsmittel, die ein PBM-Signal (25) zur Steuerung des Felderregungsstroms schaffen, worin die Spannungsregelungsmittel (70), wenn das PBM-Signal (25) einen Grenzwert erreicht, so angepasst werden, dass der Ausgang der Lichtmaschine durch Lieferung eines geeigneten gewünschten Phasensignals, welches dazu führt, dass der Wechselstrom der Wechselspannung vorauseilt, an das Phasensteuerungsmittel (80) erhöht wird.
  2. Vorrichtung zur Veränderung des Ausgangs und des Drehmoments einer Lichtmaschine nach Anspruch 1, worin das Phasensteue- rungsmittel (80) einen Phasenregelkreis umfasst, der wirksam ist, um die Phasenbeziehung zwischen dem Wechselstrom und der Wechselspannung auf eine gewünschte Phasenbeziehung zu steuern.
  3. Vorrichtung zur Veränderung des Ausgangs und des Drehmoments einer Lichtmaschine nach Anspruch 1, worin das Phasensteuerungsmittel (80) wirksam ist, um die Leitungstaktung der Leitungssignale so zu steuern, dass das Drehmoment der Lichtmaschine ver ringert wird, indem die Leitungstaktung der Leitungssignale verzögert wird.
  4. Vorrichtung zur Veränderung des Ausgangs und des Drehmoments einer Lichtmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Phasensteuerungsmittel (80) wirksam ist, um die Leitungstaktung der Leitungssignale so zu steuern, dass das Drehmoment der Lichtmaschine verringert wird, indem eine Phasenbezie hung zwischen dem Wechselstrom und der Wechselspannung hergestellt wird, bei welcher der Strom nacheilt.
  5. Vorrichtung zur Veränderung des Ausgangs und des Drehmoments der Lichtmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die gesteuerten Gleichrichterelemente (3136) Feldeffekttransistoren umfassen.
  6. Vorrichtung zur Veränderung des Ausgangs und des Drehmoments einer Lichtmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Phasensteuerungsmittel umfasst: Stromerfassungsmittel (31) zum Erfassen eines Wechselstroms in einer Phasenwicklung der mehrphasigen Ausgangswicklung und zum Erzeugen eines Stromphasensignals (84) aus dem selben; Spannungserfassungsmittel (87, 88) zum Erfassen einer Wechselspannung in der einen Phasenwicklung der mehrphasigen Ausgangswicklung und zum Erzeugen eines Spannungsphasensignals aus der selben; Mittel (87) zum Vergleichen des Stromphasensignals mit dem Spannungsphasensignal in Phase, um ein gemessenes Phasendifferenzsignal aus den selben zu erzeugen; Mittel (85) zum Vergleichen des gemessenen Phasendifferenzsignals mit einem gewünschten Phasendifferenzsignal, um ein Fehlersignal _ zu erzeugen; Mittel (83, 81, 86), die auf das Fehlersignal ansprechen, um die Leitungstaktung der Leitungssignale so einzustellen, dass das gemessene Phasendifferenzsignal gesteuert wird, um mit dem gewünschten Phasendifferenzsignal zusammenzufallen.
  7. Vorrichtung zur Veränderung des Ausgangs und des Drehmoments einer Lichtmaschine nach Anspruch 1, worin das Spannungsregelungsmittel (70) den Felderregungsstrom der Wicklung durch die Verwendung eines Feldeffekttransistors (24) steuert, wobei der Feldeffekttransistor durch ein Pulsbreitenmodulationsmittel (25) gesteuert wird.
  8. Vorrichtung zur Veränderung des Ausgangs und des Drehmoments einer Lichtmaschine nach Anspruch 7, worin das Spannungsregelungsmittel (70) die Systemspannung über eine Leitung (63) überwacht und das Steuergerät ein geeignetes Pulsbreitenmodulationssignal schafft, um die Systemspannung auf einem gewünschten Niveau aufrecht zu erhalten.
  9. Vorrichtung zur Veränderung des Ausgangs und des Drehmoments einer Lichtmaschine nach Anspruch 8, worin das Spannungsregelungsmittel (70) einen Drosselklappenstellungssensor (23) überwacht und das Steuergerät bestimmt, ob eine Erzeugung der Drehmomentlast auf den Motor wünschenswert ist.
  10. Vorrichtung zur Veränderung des Ausgangs und des Drehmoments einer Lichtmaschine nach Anspruch 8, worin das Spannungsrege- lungsmittel (70) einen Batterietemperatur-Eingang (26) überwacht.
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