装有数字稳压器的具有励磁的旋转电机

摘要

本发明的电机能够作为发电机工作，而且输出能够通过励磁电流调整的连续的输出电压（Ub+）。该电机的数字稳压器（2）包括励磁电流控制部件（7）和控制回路（6），该控制回路包括用于通过采样来测量输出电压（Ub+）的部件（10），所述测量部件产生以预定的第一采样频率（F1e）采样的信号。该电机具有由预定的第一截止频率（F1c）限制的带宽。根据本发明，该测量部件包括用于过采样的部件以使得第一采样频率（F1e）大于第一截止频率（F1c）的两倍，而且该控制回路还包括用于抽取采样信号的部件（12）。

说明书

技术领域

本发明涉及能够作为发电机工作且装有数字类型的稳压器设备的具有 励磁的旋转电机。

背景技术

在机动车领域中，具有励磁的旋转电机已知被用于作为交流发电机或交 流发电机-起动机，而且包括装有励磁线圈的旋转感应器和具有多个绕组的 定子。

当该电机作为交流发电机工作且感应器旋转时，定子绕组提供交流电 压，其被整流以便获得直流电压。将该直流电压稳压以便向车辆的车载电源 网络提供用于对电池充电以及向连接到网络的消费者供电的恒定直流电压。

通常通过调整在感应器线圈中循环的励磁电流来调节交流发电机的输 出电压。

对于恒定的旋转速度和电荷，交流发电机对励磁电流的变化的响应受到 系统的固有通带的限制，其依赖于交流发电机的机电特性。

对于机动车应用，必须将输出电压稳压以使得在由车辆制造商定义的工 作范围（由电池和消费者表示的旋转速度和电荷的范围）内保持恒定。

为了该目的，在机动车交流发电机中，通过稳压器设备连续地测量输出 电压并将其与设置值比较，该稳压器设备控制励磁电流以便最小化或消除测 量的输出电压与设置值之间的误差。

VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR（法雷奥电机设备） 公司已经具体地在其欧洲专利EP 0 481 862和EP 0 802 606中提出借助与常 规模拟技术相比提供实质的优点的数字技术基于通过采样的测量完成该稳 压。

然而，在微控制器上实现数字处理算法使得无法容易地修改稳压器回路 的增益和/或通带和/或稳定性和/或基准输入。

此外，这些算法必须在大量比特上完成计算，其导致使用具有高分辨率 的模数转换器，因此耗费巨大。

最后，适配于每种特定应用的算法的多样性并不允许使得它们的知识产 权更容易保护的标准化。

因此，需要一种装有消除现有技术中已知的数字稳压器的缺点的数字稳 压设备的具有励磁的旋转电机。

发明内容

本发明的旨在满足该需要，而且其目的具体在于一种能够作为发电机工 作且提供装有通过励磁电流调整的直流输出电压的类型的数字稳压设备的 具有励磁的旋转电机。

已知，该类型的电机具有由预定的第一截止频率限制的通带。

该类型的电机的数字稳压器设备通常包括用于控制励磁电流的部件和 稳压器回路。

同样已知，该稳压器回路在其输入处包括用于通过采样输出电压进行测 量并以预定的第一采样频率产生采样信号的部件，并且在其输出处包括用于 产生控制信号的部件，根据采样信号和设置值来控制这些控制部件。

根据本发明的具有励磁的旋转电机的特别之处在于，该用于测量的部件 包括过采样部件以使得第一采样频率大于第一截止频率的两倍，而且该稳压 器回路额外包括用于抽取（decimation）采样信号的部件。

该用于测量的部件在预定的第一比特数上产生采样信号，而且非常有利 地，该稳压器回路额外包括用于对采样信号进行滤波的部件，使得所述采样 信号在由这些部件处理之后包括大于第一比特数的预定的第二比特数。优选 地，该滤波部件包括平均型的滤波器，其产生采样信号的预定样本数上的滑 动平均。

优选地，该用于抽取的部件实现频率的改变，使得采样信号具有低于第 一采样频率的第二采样频率。

根据本发明的第一实施例，控制信号是具有可变占空比的矩形信号，而 且该用于产生的部件包括数字比较器，其通过将采样信号与基准信号进行比 较来产生控制信号，通过将设置值与计数信号相加获得该基准信号，该计数 信号由以预定的、或借助例如在ROM或EEPROM型的存储器中输入的查 找表获得的第一时钟频率工作在第三比特数上的递减计数器提供。

根据本发明的其他实施例，该计数信号由以预定的、或借助查找表获得 的第二时钟频率工作的可逆计数器提供。

非常有利地，根据本发明的具有励磁的旋转电机的稳压器环路额外包括 模拟低通滤波器，其在该用于测量的部件之前，并且具有包含在第一截止频 率与第一采样频率的一半之间的第三截止频率。

优选地，该稳压器回路还包括分压器，其在该用于测量的部件之前，具 有设计用于这些用于测量的部件的工作范围的预定的衰减比。

以下事实是有利的，该稳压器回路额外包括通信协议解码器，其将控制 信号解码，数据总线使得能够建立设置值，而且配置总线使得能够基于解码 的控制信号建立以下当中的至少一个参数：

－第二截止频率；

－第三截止频率；

－第一时钟频率；

－第二时钟频率；

－第一采样频率；

－第二采样频率；

－衰减比。

上述说明使得本发明与现有技术相比提供的优点对本领域技术人员来 说显而易见。

下面结合附图的描述给出本发明的详细说明。应当注意，这些附图仅仅 用于说明书的文字的图示的目的，而不以任何方式限制本发明的范围。

附图说明

图1是装有根据现有技术已知的数字稳压器设备的具有励磁的旋转电机 的示意性表示；

图2是根据本发明的具有励磁的旋转电机安装的数字稳压器设备的稳压 器回路的概略图；

图3a和图3b分别示出本发明的第一和第二优选实施例中基于计数信号 的时序图的励磁控制信号的时序图的形成；以及

图4是根据本发明的具有励磁的旋转电机安装的数字稳压器设备的稳压 器回路中包括的数字低通滤波器的概略图。

具体实施方式

作为非限制性的示例，图1中示意性地示出的具有励磁的旋转电机是装 有数字稳压器设备2的三相交流发电机1。

交流发电机1的定子3包括三个绕组，其经受由励磁电流Ie穿过的感应 器4产生的旋转场。

由定子的绕组产生的交流电压由整流器单元5整流，整流器单元5提供 向车辆的车载网络供电的直流输出电压Ub+作为输出。

当借助稳压器回路6改变电荷和旋转速度时，交流发电机1的输出电压 Ub+被维持恒定，稳压器回路6基于通过采样测量该输出电压Ub+而对励磁 电流Ie的控制部件7起作用。

用于励磁电流Ie的控制部件7通常由开关操作的功率晶体管构成，而且 由矩形可变占空比信号PWM控制。

在根据本发明的具有励磁的旋转电机中，其概略图在图2中示出的稳压 器回路6优选地在其数字部分8中使用一个或多个ASIC（专用集成电路）， 其中有连线的以VHDL（其为知识产权超高速集成电路硬件描述语言的缩 写）开发的不同的可重用专有信号处理模块。

稳压器回路6的模拟部分9将交流发电机1的输出电压Ub+的动态和通 带适配于模数转换器（ADC）10的输入特性，模数转换器10以第一采样频 率F1e（优选地为64KHz）提供采样信号。

该ADC 10是具有第一比特数B1（优选地为10比特）的低分辨率的廉 价标准电路。

转换器10的输出处的信噪比SNR等于：

SNR=6.02B1+1.76dB。

对于转换器10的比特数B1=10比特，信噪比SNR因而仅为61.96dB。

根据本发明，通过使用与滤波部件（例如平均型的滤波器11、以及用于 抽取的部件12）的使用关联的过采样技术，却使得能够使用具有低分辨率（该 情况下为10比特）的模数转换器，同时在稳压器回路6中维持足够的ENOB （有效比特数的缩写）。

事实上，第一采样频率F1e（该情况下为64KHz）大于限制交流发电机 系统1的通带的第一截止频率F1c（该情况下典型地接近20Hz）的两倍。

该技术使得能够获得比根据尼奎斯特准则用于再现信号严格所需的更 多的样本。

倘若样本的频率被抽取器12减少，回路6中的有效比特数由平均型的 滤波器11增加。使用平均型的滤波器是本发明的该实施例中选择用于增加 回路6中的有效比特数的解决方案。然而，注意到，也可以使用本领域技术 人员已知的其他滤波器来获得该结果。

在本发明的优选实施例中，平均型的滤波器11的特性优选地为：

－以频率F1e=64KHz在B1=10比特上对N=32个已编码样本的滑动 平均，换句话说，该滤波器的传输函数为：

Y_n＝(X_n+X_n-1+X_n-2+X_n-3+....+X_n-31)

－在–3dB通带为885Hz；

－抑制频率为2kHz、4kHz、6kHz、8kHz等；

－滤波器相位为线性型，而且有250μs的恒定延迟；

－在输出处采样的信号的第二比特数B2为B2=15（样本具有2¹⁰×32= 2¹⁵的动态）。

根据平均型的滤波器11的用于抽取的部件12实现稳压器回路6的数据 流的频率的改变。以第一采样频率F1e输入的采样信号在抽取之后具有第二 采样频率F2e。

由于在SNR上获得的以dB计的改善等于10*log(F1e/F2e)而且转换器 10的固有比特数为B1，抽取在该实施例中导致如下的ENOB：

ENOB=B1+(10log(F1e/F2e))/6

即，ENOB=10+(10log(64000/8000))/6=11.5比特。

由数字比较器13将从用于抽取的部件12获得的采样信号U与基准信号 R进行比较。

根据本发明的第一优选实施例，通过在加法电路14中将确定交流发电 机1的将要维持的输出电压Ub+的包含在寄存器15中的设置值Uo与其时序 图在图3a中示出的周期性重新初始化的递减计数器16的计数信号C1相加 来获得基准信号R。

根据另一实施例，可以借助例如在ROM或EEPROM型的存储器中输 入的查找表获得计数信号C1。

递减计数器16以预定的第一时钟频率F1h在第三比特数N3上工作，因 此锯齿波的第一周期T1s等于2^N3/F1h。

当优选地递减计数器16的第三比特数N3为8，且优选地第一时钟频率 F1h为64KHz时，锯齿波的第一周期T1s为4ms，对应于250Hz的第一工 作频率F1s。

该实施例中，比较器13在回路中导致如下的有效比特数：

ENOB=B1+(10log(F1e/Fs))/6

即，ENOB=10+(10log(64000/250))/6=14比特。

在本发明的第二优选实施例中，代替递减计数器16，通过可逆计数器提 供计数信号C2。在另一实施例中，可以借助例如在ROM或EEPROM型的 存储器中输入的查找表获得计数信号C2。

图3b中示出获得的对称计数信号C2。该情况下，锯齿波具有等于 2^N3+1/F2h的第二周期T2s，其中F2h是第二时钟频率，对应于第二工作频率 F2s=F2h/2^N3+1。为了获得同样为4ms的第二周期T2s，第二时钟频率F2h因 而为128KHz。

图3a和3b中清楚地示出，采样信号U与基准信号R的比较以第一或 第二工作频率F1s、F2s产生具有可变占空比的矩形信号PWM。

该矩形信号以已知的方式控制交流发电机1的励磁电流的强度，如图1 中所示。

可以考虑，比较器13以从用于抽取的部件12获得的信息流的第一或第 二工作频率F1s、F2s完成采样。

为了避免低效运行（fallback）的现象，因而有必要在比较器13的上游 放置数字低通滤波器17，其限制通过尼奎斯特频率的一半（即，比较器13 的第一或第二工作频率F1s、F2s的一半）以上的频带。

该数字低通滤波器17的第二截止频率F2c因而包含在限制交流发电机1 的通带的第一截止频率F1c与限制比较器13的通带的值F1s或F2s之间。

以已知的方式，该类型的滤波器的传输函数为：

$\mathrm{FT}\left(u\right)=\frac{a}{1-(1-a)z{\left(u\right)}^{-1}}$

导致递归方程：

$Y_n=a(X_n+\frac{1}{a}{Y}_{n-1}-Y_{n-1})$

重要的是第四比特数B4足够大以减少计算的截断的效应，因而限制稳 压器回路6的系统误差。

图4示意性地示出具有限制为84Hz的通带的数字低通滤波器的实施 例，对应于交流发电机1所需的特性以及之前作为示例给出的比较器13的 特性，而且其中在等于32的第四比特数B4上完成计算。该示例中系数1/a 为16。

在被除以1/a（向右偏移RS 4比特）并且乘以8192（向左偏移LS 13比 特）之前，从用于抽取的部件12输出的在第二比特数B2上编码的样本X_n以第二采样频率F2e在第一块25中加载，以便获得第四比特数B4。

借助第二块25实现递归方程。通过截断4比特（乘以（27）a），接着 截断13比特（乘以（28）1/8192），在输出Y_n处获得第二比特数B2上的样 本的编码。

该数字低通滤波器17还具有减少励磁电流Ie的控制信号PWM上的抖 动（jitter）的效果。

图2示出稳压器回路6的模拟部分9还包括模拟低通滤波器8，其位于 模数转换器10的下游。

该模拟滤波器8具有适当的特性以便：

－实现ADC 10的反低效运行；

－允许对于交流发电机系统1的通带足够大的通带；

－完成第一平均以便不使ADC饱和；

－不完全消除ADC的回路噪声以便通过抖动（dither）效应在ADC上 增益1/2LSB（LSB是最低有效比特的缩写）。

优选地，该模拟滤波器18是1阶的无源滤波器，其具有第三截止频率 F3c，在考虑的实施例中为1KHz。

为了调整稳压器2的回路增益，模拟部分9额外包括具有预定的衰减比 A的分压器19。

该分压器19还使得能够将交流发电机1的输出电压Ub+的动态适配于 ADC 10下游的工作范围。

优选地，该分压器19的衰减比A为1/8。在考虑的实施例中，其中模数 转换器10具有3.3V的输入范围，该衰减使得能够在车载网络上检测和测量 最高26V的过电压。

稳压器回路6的不同的元件10、11、12、13、14、15、16、17、18、19 的全部或一些，不管它们是模拟的还是数字的，都是可编程的，而且与配置 总线20和数据总线21接口连接，如图2中所示。

用于控制该系统的部件22被用于通过通信协议23（例如LIN、CAN、 FlexRay、串行或并行等协议）配置这些不同的元件10、11、12、13、14、 15、16、17、18、19。该协议23使用诸如冗余类型的全部电子传输安全系 统、或使用通过校验和（这是用于纠错码的编码理论的概念）或循环冗余校 验（用于使用循环或算法编码控制信息的聚合性（cohesion）的机制）传输 的数据的查验，以便提高传输的鲁棒性和传输的信息的一致性。

这些系统控制部件22是计算机或引擎控制设备或其他设备，其具有允 许通过协议23访问稳压器回路6的不同的元件10、11、12、13、14、15、 16、17、18、19的逻辑或硬件接口。

通过发送由用于控制该系统的部件22发出的配置，专用于协议23的解 码的电子设备24允许通过配置总线20来配置稳压器回路6的不同的元件 10、11、12、13、14、15、16、17、18、19，以便将稳压器回路6以及其关 联的电子功能（例如LRC、递减充电、状态机、警报、不同的测量的阈值） 与需求适配。

特别地，可以通过将稳压器回路6的不同的元件10、11、12、13、14、 15、16、17、18、19的以下参数设置为适当的值来轻松地编程稳压器2的特 性（诸如增益、和/或通带、和/或稳定性、和/或调节的等级），即：

－数字低通滤波器17的第二截止频率F2c；

－模拟低通滤波器18的第三截止频率F3c；

－递减计数器16的第一时钟频率F1h；

－可逆计数器的第二时钟频率F2h；

－模数转换器10和平均型的滤波器11的第一采样频率F1e；

－用于抽取的部件12和数字低通滤波器17的第二采样频率F2e；

－分压器19的衰减比A。

在协议23故障或用于控制该系统的部件22接收的数据不一致的情形下 缺省使用最小配置，以使得稳压器2安全（在降级模式下工作）。

稳压器回路6的数字部分8的增益的自动校准在生产期间、或者在每次 启动时、或者在工作期间例如通过动态重新配置来完成。

以VHDL或使得能够进行数字合成的任何其他语言开发的一个或多个 ASIC的形式通过不同的元件10、11、12、13、14、15、16、17、18、19实 现稳压器设备2的稳压器回路6，因而提供生产具有预定的全局性能等级的 具有励磁的旋转电机的巨大灵活性。

通过数字系统使得能够在硅上高密度集成也具有减少固有处理电流的 优点。

本发明实现的过采样和抽取的技术使得能够基于在小比特数上的采样 增加有效比特数（ENOB）。

因而可以使用标准的和/或廉价的具有低分辨率的模数转换器，从而为根 据本发明的具有励磁的旋转电机提供竞争优势、

不难理解，以上描述将在类似的方面适用于除了图1中表示的三相交流 发电机之外的具有励磁的旋转电机的型号。

指示的数字值对应于申请人公司获得的实验进展，而且纯粹作为示例给 出。

可以以相同的方式描述装有包括具有除了10比特之外的分辨率的ADC 10的稳压器设备2、以及使用除了上述的之外的截止频率F1c、F2c、F3c、 采样频率F1e、F2e和时钟频率F1h、F2h的旋转电机1。

本发明因此包括保持在所附权利要求限定的背景内的全部可能的变体 实施例。