在励磁线圈短路期间保护电压调节器驱动器电路的方法和系统

摘要

用于在交流发电机励磁线圈的短路期间保护电压调节器驱动器电路的方法，所述方法包括：在励磁线圈电压工作周期的接通部分期间无源检测励磁线圈电压的下降，其中，励磁线圈电压下降的无源检测意味着中断事件。响应于所述中断事件，改变驱动器使能控制信号的逻辑状态，从而停用与用于经由励磁线圈传递励磁电流的切换装置相关的驱动器电路，其中，当被停用时，无论施加给所述驱动器电路的脉宽调制(PWM)控制信号的状态如何，所述驱动器电路都阻止所述切换装置传递电流。

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转电机，尤其涉及一种用于在励磁线圈短路期间保护电压调节器驱动器电路的方法和系统。

背景技术

在现今制造的几乎每辆汽车中都可以找到发电机。这些发电机也被称为交流发电机，它们产生必要的电力来向车辆的电子设备供电以及给车辆的电池充电。发电机还必须提供产生足够电力的能力从而以与车辆的电子部件相符的方式向车辆的电系统供电。交流发电机或发电机通常使用电压调节器来调节充电电压及输出电流以便于在改变负载期间提供始终如一的操作，否则将造成电压下降以及其它操作问题。目前，传统的车辆充电系统可使用具有分立式晶体管或者被称为专用集成电路(ASIC)的定制集成电路的电压调节器。

其它车辆设计还可以采用具有先进微处理器功能的电压调节器，其能够维持由发电机产生的高精确调节的电压。基于微处理器的调节器还可以包括先进的时钟和存储器电路，其存储电池和电源参考数据、电池电压和发电机转速，并确定电池正被充多少电以及在任意时间点以什么速率充电。

在车辆交流发电机的运行中，用于产生交流发电机的转子部分的磁场的励磁线圈可能短路。在此情况下，电压调节器驱动器电路应该被停用以停止驱动装置中励磁电流的流动，直到短路情况被解除为止。传统上，这种短路保护(当被提供时)涉及大量部件的使用，如(例如)励磁线圈路径内的小分流电阻以及用于在励磁线圈没有短路时判断分流电阻器上的电压是否超过额定电压的模拟电压比较器。因此，希望能够以导致较少硬件部件和/或降低部件成本的方式为电压调节器驱动器电路提供短路保护。

发明内容

在典型实施例中，由用于在交流发电机励磁线圈短路期间保护电压调节器驱动器电路的方法来克服和减轻上面讨论的现有技术的缺点和不足，所述方法包括在励磁线圈电压工作周期的接通部分期间无源地检测励磁线圈电压的下降，其中，励磁线圈电压下降的无源检测意味着中断事件；响应于所述中断事件，改变驱动器使能控制信号的逻辑状态，从而停用与用于经由励磁线圈传递励磁电流的切换装置相关的驱动器电路，其中，当被停用时，无论施加给所述驱动器电路的脉宽调制(PWM)控制信号的状态如何，所述驱动器电路都阻止所述切换装置传递电流。

在另一实施例中，存储介质包括用于在交流发电机励磁线圈短路期间保护电压调节器驱动器电路的计算机可读的计算机程序代码，以及用于使计算机执行一方法的指令。所述方法还包括在励磁线圈电压工作周期的接通部分期间无源检测励磁线圈电压的下降，其中，所述励磁线圈电压下降的无源检测意味着中断事件；响应于所述中断事件，改变驱动器使能控制信号的逻辑状态，从而停用与用于经由所述励磁线圈传递励磁电流的切换装置相关的驱动器电路，其中，当被停用时，无论施加给所述驱动器电路的脉宽调制(PWM)控制信号的状态如何，所述驱动器电路都阻止所述切换装置传递电流。

在另一实施例中，用于发电机的电压调节器包括：电子装置，其被构造为比较所述发电机的输出电压与所述发电机的期望设定点电压；与所述电子装置通信的驱动器电路，所述驱动器电路被构造为响应于所述输出电压和所述期望设定点电压之间的差，有选择地启动和停用经由励磁线圈传递电流的切换装置；一个或多个部件，其被构造为在励磁线圈电压工作周期的接通部分期间无源检测励磁线圈电压的下降，其中，所述励磁线圈电压下降的无源检测意味着中断事件；所述电子装置被进一步构造为响应于所述中断事件，通过改变驱动器使能控制信号的逻辑状态，使得无论施加给所述驱动器电路的脉宽调制(PWM)控制信号的状态如何都停用所述驱动器电路并阻止所述切换装置传递电流，从而在励磁线圈短路期间保护所述驱动器电路和切换装置。

在另一实施例中，车辆充电系统包括在其固定部分上具有一个或多个定子绕组、在其可转动部分上具有励磁线圈的交流发电机。电压调节器被配置为通过对流经所述励磁线圈的励磁电流的控制来调节交流发电机的输出电压。所述电压调节器还包括：电子装置，其被构造为比较所述交流发电机的输出电压与所述交流发电机的期望设定点电压；与所述电子装置通信的驱动器电路，所述驱动器电路被构造为有选择地启动和停用经由所述励磁线圈传递电流的切换装置；一个或多个部件，其被构造为在励磁线圈电压工作周期的接通部分期间无源检测励磁线圈电压的下降，其中，所述励磁线圈电压下降的无源检测意味着中断事件；所述电子装置被进一步构造为响应于所述中断事件，通过改变驱动器使能控制信号的逻辑状态，使得无论施加给所述驱动器电路的脉宽调制(PWM)控制信号的状态如何都停用所述驱动器电路并阻止所述切换装置传递电流，从而在励磁线圈短路期间保护所述驱动器电路和切换装置。

附图说明

参考附图，在这几幅图中相同的元件由相同的数字来标注：

图1是根据本发明实施例的采用基于微处理器电压调节器的示例性车辆充电系统的示意图；

图2是图1中所示电压调节器的更详细的示意图；

图3是图1和图2中电压调节器的更详细的示意图，其说明根据本发明实施例的用于在励磁线圈短路期间保护电压调节器驱动器电路的方法；以及

图4是描述图3中所示保护电路的示例性运行情况的波形图。

具体实施方式

本文公开的是一种用于在励磁线圈短路期间保护电压调节器驱动器电路的方法和系统。简单来说，(例如基于微处理器的)电压调节器被配置有通过无源部件的简单(电阻器/二极管)组合来感测励磁线圈短路情况的能力，从而产生停用与所述励磁线圈相关的驱动器电路的中断信号。此外，当至少部分是由软件来实现的时候，所述技术不需要在ECM和/或电压调节器内配置更昂贵的硬件(例如，微分放大器)。

先参考图1，图1为根据本发明实施例的采用基于微处理器电压调节器的、适用的示例性车辆充电系统100的示意图。应该理解，尽管图1描述车辆充电系统，但是本实施例可适用于其它类型的调节发电机系统。车辆交流发电机101在其定子部分中具有多个绕组102(例如，三相，德耳塔结构)，在其转子部分中具有励磁线圈104。由全波整流器106将绕组102中生成的交流(AC)电压转换为直流(DC)电压，全波整流器106又包括并联配置的三对二极管。整流器106的DC输出供给车辆电池108的正极端子，其中，输出电压的幅度取决于转子的速度和提供给励磁线圈104的励磁电流的量。

在某些交流发电机设计中，定子可实际包括独立的绕组对和相关联的转子励磁线圈对以在负载逐步增加时减少噪声。然而，为了简明，仅示出了一组定子绕组和励磁线圈。还应该理解，绕组102可以选择连接为具有公共中性点的Y结构。

如图1中进一步所示，电压调节器110用于调节和控制由交流发电机101产生的输出电压的幅度，由此控制施加到电池108和相关车辆负载(例如，通过开关114连接的负载112)的(直流)充电电压。这通过控制经由图1中所示的高端交流发电机端子“F+”提供给励磁线圈104的励磁电流的幅度来实现。稍后进一步详细讨论与由调节器110生成流经励磁线圈104的电流相关的其它细节。

本领域的技术人员还可以认出与所述交流发电机相关的其它标准端子，包括：高端电池输出端子“B+”、用于监视所述交流发电机的AC输出电压的相位电压端子“P”、以及用于为所述交流发电机提供接地的地端子“E”。可代表车辆主计算机的电子控制模块116(ECM)通过调节器110的灯端子“L”接收用于当点亮开关120闭合时控制充电警告灯118的充电警告灯信号。ECM 116还通过端子“F_m”接收表示施加给励磁线圈104的励磁电流信号F+的转子切换信号。

现在参考图2，图2为图1中电压调节器110的至少部分的更详细示意图。为了简明，图2中没有描述调节器110的各种分立电子部件(例如，电阻器、电容器等)。其中具有控制逻辑代码的微控制器122通过其中配置的内部模数转换器(ADC)接收数字形式的交流发电机充电系统电压。基于感测到的系统电压和预定的系统设定工作电压之间的比较，微控制器产生连到高端驱动器124的PWM输出信号(PWM_DC)。高端驱动器126又将脉冲切换信号提供给晶体管126的控制端子(例如，栅极)。基于所述脉冲信号的工作周期，晶体管的开/关切换使励磁电流间歇流过励磁线圈104。在工作周期的“断开”周期期间，通过反激二极管128来消耗励磁线圈内的能量。

如以上所述，调节器110试图维持预定的充电系统电压水平(设定点)。当充电系统电压下降到所述点以下时，调节器110通过增加PWM DC电流的工作周期来提高励磁电流的水平。相反，当充电系统电压升高到高于上述系统设定点时，调节器110通过减少PWM_DC电流的工作周期来降低励磁电流的水平。

如以上进一步说明的，例如由于转子中存在金属屑，在交流发电机101工作期间励磁线圈104可能短路。因此，图3是图1和图2中所示电压调节器的更详细的示意图，其说明根据本发明实施例的用于在励磁线圈短路期间保护电压调节器驱动器电路的系统和方法。从硬件观点来看，结合使用内部微处理器软件生成停用高端驱动器124的命令，使用简单的电阻器/二极管组合来无源检测励磁线圈短路情况。

更具体来说，电阻器R1被配置为串联在高端交流发电机端子F+和微处理器122的在图3中被标明为“中断”的输入引脚之间。此外，二极管D1被配置在微控制器122的PWM输出引脚(PWM_DC)和“中断”输入引脚之间，其中二极管D1的正向偏置将PWM_DC输出引脚上的电压耦合到微控制器122的“中断”输入引脚。在正常工作情况下，除了反相，PWM_DC上的输出信号具有与励磁线圈的输出电压相同的工作周期。施加到高端驱动器124的输入的逻辑低信号继而将N通道MOSFET装置126的栅极驱动为高。假定高端驱动器首先被有源启动，由于当PWM_DC引脚的输出电压为逻辑低(例如0伏)时晶体管126表现为导通，因此高端驱动器124为“有源低”。在这方面，微控制器122的“驱动器使能”输出信号经由电阻器R2连到高端驱动器124，其根据是否存在正常工作条件有选择地启动或停用高端驱动器124。

只要正常工作条件存在，微控制器122的“中断”输入引脚上的电压就保持为逻辑高，并且微控制器122的内部逻辑和/或软件将“驱动器使能”输出信号维持在有源低。另一方面，在励磁线圈104短路期间(在图3中由虚线130表示)，微控制器122的“中断”输入引脚上的电压由于短路而转变为逻辑低。微控制器122的内部逻辑和/或软件检测到“中断”引脚电压的下降沿转变，并将“驱动器使能”输出信号切换为逻辑高，由此停用高端驱动器124并阻止励磁电流流过晶体管126，直到短路情况被解除时为止。

图4是描述图3中所示保护电路的典型运行情况的波形图。如图所示，在图4中描述的四个波形是微控制器122的PWM_DC输出信号、在F+处的励磁输出电压、微控制器122的“中断”输入引脚的电压以及微控制器122的“驱动器使能”输出引脚的电压。在时间t₁之前，由于在励磁线圈104上没有短路情况，所以调节器处于正常工作情况。在PWM_DC工作周期的“断开”部分期间，励磁输出电压为高，这继而将“中断”引脚处的电压保持在高。另外，在PWM_DC工作周期的“接通”部分期间(当励磁输出电压为低时)，尽管在F+处为放电电压，由于D1和R1的组合，在“中断”引脚处的电压仍然保持在逻辑高。只要微处理器122在“中断”输入引脚处没有检测到逻辑高电压的下降跃迁，它都将“驱动器使能”输出引脚维持在有源低逻辑水平。

然而，在时间t₁，此时在励磁线圈104上存在短路情况，从而导致励磁输出电压立刻降为0伏。因为这与PWM_DC工作周期的“断开”部分相符，所以在PWM_DC上不存在信号电压，这将使R1和D1不再阻止“中断”输入引脚处的电压放电到逻辑低。因此，微控制器122将“驱动器使能”信号从逻辑低切换到逻辑高，由此停用高端驱动器124。

在时间t₁和t₂之间，注意到到达PWM_DC工作周期的下一个“接通”部分。对应地，“中断”引脚上的电压至少暂时恢复到逻辑高。然而，所述短暂的上升还不是微控制器120判定短路情况是否已经排除的足够信息，因为即使在正常情况下，在工作周期的所述点上励磁线圈电压也标称是0。因此，假定直到PWM_DC工作周期的下一个“断开”部分时间t₂仍然存在短路情况，图4进一步示出与PWM_DC信号跃迁到低相符的“中断”引脚的输入电压的下降沿和在F+处输出电压的短暂脉冲。这代表短路试图通过与PWM_DC连接的电阻器(R1)下拉“中断”引脚电压。然而，耦合到“中断”引脚的电压通过R1和短路的励磁线圈104被快速放电。因此，由于在PWM_DC工作周期的“断开”部分期间没有维持“中断”引脚处的电压，微控制器120在所述点没有将“驱动器使能”输出引脚恢复到有源低逻辑水平。

然后，假定到与PWM_DC工作周期的下一个“断开”部分相对应的时间t₃短路情况被解除。在所述点，由于励磁线圈不再短路并且能够阻止电流立即放电“中断”引脚电压，因此在PWM_DC变低之后“中断”引脚处的电压依然立刻维持在高。因此微控制器122检测所述情况并将“驱动器使能”信号重置为有源低，使得高端驱动器124能够使晶体管126导通，经由励磁线圈104传递电流并在其上生成输出电压。

尽管以上勾画的典型方法和系统被描述为用微控制器122中的软件来实现，但是本领域的技术人员还应该理解，所述逻辑还可以例如通过ASIC型调节器内配置的硬件来实现。考虑到以上所述，本方法的实施例因此可以采用计算机或控制器执行的处理和用于实施这些处理的设备的形式。本公开还可以体现为包含指令的计算机程序代码的形式，所述计算机程序代码包含在例如软盘、CD-ROM、硬盘或任何其它计算机可读存储介质的有形介质中，其中，当通过计算机或控制器加载并执行所述计算机程序代码时，所述计算机变为用于实施本发明的设备。

尽管已经结合优选实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不违反本发明的范围的情况下可以进行各种改变并且可以用等价物来替换其元件。另外，在不违背本发明的实质范围的情况下可以进行许多修改以使特殊的情况和材料适合于本发明的教导。因此，本发明不意图局限于作为实现本发明的最佳方式而公开的具体实施例，相反，本发明包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。