JP3932067B2

JP3932067B2 - 車両用交流発電機の制御装置

Info

Publication number: JP3932067B2
Application number: JP30211897A
Authority: JP
Inventors: 岳士佐田; 敏典丸山; 忠士植松
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2017-11-04
Also published as: JPH11146699A; US6060866A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用交流発電機の制御装置に関し、特に高回転域における出力制限機能を有する車両用交流発電機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両用交流発電機では、搭載電気負荷の増加やアイドル回転数の低下が進み、アイドル時などの低速回転域での高出力化が要求されている。ただ、車両用交流発電機の低速出力の向上は高回転域での出力が過大となるので、車両のワイヤハーネスやヒューズの容量増加やロードダンプサージの増大などが問題となっている。
【０００３】
特開昭５７ー１０６４００号公報は、所定のしきい値回転数値を超えた場合に初めて、パルス幅が固定されパルス周期が回転数に反比例する励磁制限用パルス信号でレギュレータの励磁制御用スイッチング素子を遮断制御して、この高回転域における出力制限を実現することを提案している。更に詳しく説明すると、この高回転域における励磁導通率制限方式では、この励磁制限用パルス信号の一定のパルス幅期間が励磁遮断期間とされ、回転数に反比例するパルス周期からこのパルス幅を差し引いたいわゆるパルス間隔期間が励磁期間とされる。
【０００４】
また、従来の車両用交流発電機では、発電中における出力ラインの外れなどに起因して大きな出力サ−ジが生じ、これが励磁制御用スイッチング素子などを破壊するのを防止することが問題となっている。
本出願人の出願になる特公平４−４７５４８号公報は、このサ−ジ電圧による素子破壊問題が、大きな電磁エネルギが発電機に蓄積される高回転域（すなわち大出力時）において発生することに鑑み、所定の回転数値を超えた場合に初めて、出力ライン外れによるサ−ジ電圧が素子耐電圧未満となるように励磁電流を制限することを提案している。
【０００５】
更にこの公報では、この所定回転数値を超えた場合における励磁電流制限の具体的方法として、三角波（鋸歯状）電圧が回転数に比例するしきい値電圧を超える期間をパルス周期中のパルス幅期間（励磁制御用スイッチング素子の導通期間）とし、超えない期間をパルス周期中のパルス間隔期間（励磁制御用スイッチング素子の遮断期間）とすることを実施例として開示している。
【０００６】
更に、従来の車両用交流発電機では、バッテリから励磁コイルが給電されるので、低回転域における低出力時にヘッドランプその他の重負荷へ給電する場合、バッテリ電圧が低下すると励磁コイルへの給電が低下し、ますます出力が低下するという問題があった。
この低速回転域での出力向上のために、特開平３−４９５９９号公報は、発電電圧よりも高い専用励磁電源を新設し、この専用励磁電源から励磁コイル及び励磁制御用スイッチング素子に給電し、更に車両用交流発電機の回転数に応じてレギュレータの励磁制御用スイッチング素子の最大導通率を制限することを提案している。
【０００７】
更にこの公報では、この回転数に応じた最大導通率制限の具体的方法として、最大導通率を、１５００ｒｐｍまでは１００％、３０００ｒｐｍ以上で５０％、その中間では特公平４−４７５４８号公報と同様に三角波電圧が回転数に比例するしきい値電圧を超える期間を、最大導通率を示すパルス信号のパルス幅期間（励磁制御用スイッチング素子の導通可能期間）とし、超えない期間をこのパルス信号のパルス間隔期間（励磁制御用スイッチング素子の遮断期間）とすることを実施例として開示している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように各従来公報は、回転数の増加とともに最大励磁導通率すなわち励磁制御用スイッチング素子の導通率の最大値を低下させる各種方法を提案している。しかし、これら従来公報の最大励磁導通率制限方式は、まだ下記に説明する問題を有している。
【０００９】
まず、特開昭５７ー１０６４００号公報は、所定のしきい値回転数値を超えた場合に初めて、パルス幅が固定され周波数が回転数に比例する（パルス周期が回転数に反比例する）励磁制限用パルス信号でレギュレータの励磁制御用スイッチング素子を遮断制御して、この高回転域における出力制限を実現することを提案している。
【００１０】
したがって、この最大励磁導通率制限方式では、回転数がしきい値回転数を超えた時点で、その最大励磁導通率がある所定のデューティ比に突然設定されるため、回転数がこのしきい値回転数をわずかに超えた瞬間に最大励磁導通率が急落し、その結果、最大励磁導通率に連動する発電機最大出力（発電機の出力ともいう）がしきい値回転数で急峻な段差をもつため、ショックが生じて好ましくない。もちろん、上述した励磁制限用パルス信号の上記固定されたパルス幅を縮小したり、パルス周期を延長したりして、しきい値回転数近傍における制限率を減らすことによりこのショックを軽減できるが、このようにするとその後に回転数に反比例してパルス周期を増大しても十分な最大励磁導通率の低減カ−ブを得られず、出力制限を十分に行えないという欠点があった。一方、最大励磁導通率の低減カ−ブを好適にするために、しきい値回転数近傍における最大励磁導通率を強く制限すると、上記急峻な段差が発生する以外に、パルス幅が一定のままでパルス周期（励磁期間）が回転数に応じて縮小するので、最大励磁導通率の低下が急峻となって、高回転域においてかえって出力が低下したり、場合によっては出力が急減してしまうという不具合も生じた。結局、高回転域における良好な出力飽和特性をこの方式で得ることは困難であった。なお、この従来技術では、上記しきい値回転数を設定しない場合、最大励磁導通率が１００％である必要がある低回転域でも、かならず固定のパルス幅期間では励磁遮断が必須となるため、あるしきい値回転数以下では、上記最大励磁導通率の制限を停止することは実用上必須である。
【００１１】
次に、特公平４−４７５４８号公報や特開平３−４９５９９号公報では、所定のしきい値回転数を超えた場合に、回転数に比例するしきい値電圧と三角波（鋸歯状）電圧との比較結果で最大励磁導通率を指定する励磁制限用パルス信号を発生する。
したがってこの場合には、最大励磁導通率は回転数の変化に応じて三角波（鋸歯状）電圧の波形に依存する独特の低減カ−ブとなり、必要な最大励磁導通率の低減カ−ブ（所定回転数値以上で略一定の飽和出力特性）を得るのが理論的に困難であった。また、回転数に比例するしきい値電圧が三角波（鋸歯状）電圧の頂点より高くなると最大励磁導通率が０となり好ましくなかった。更に、回転数に比例するしきい値電圧が三角波（鋸歯状）電圧の底より低くなると最大励磁導通率が１００％となるが、この領域では最大励磁導通率の急激な変化が生じてしまうという特開昭５７ー１０６４００号公報と同様の問題があった。
【００１２】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、特定の回転数値における段差状の最大励磁導通率の急変を防止しつつ、簡素な回路構成により高回転域において最大出力を略一定化できる車両用交流発電機の制御装置を提供することを、その解決すべき課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の車両用交流発電機の制御装置（レギュレータ）は、励磁制御用スイッチング素子の導通率は、全回転域にわたって発電機の回転数に反比例して変化する最大励磁導通率以下に制限され、この最大励磁導通率は低回転域における所定の飽和回転数値以下において１００%を超過する。
【００１４】
このようにすれば、特定の回転数値における段差状の最大励磁導通率の急変を防止しつつ、簡素な回路構成により、高回転域において最大出力を略一定化できることがわかった。
以下、本構成について更に詳細に説明する。
上述したように、所定回転数値（飽和回転数値ともいう）未満の低回転域では、発電機はできるだけその最大出力を発生し、飽和回転数値以上では最大出力電流が一定となるように励磁制御用スイッチング素子の導通率の最大値（最大励磁導通率ともいう）を制限すること、このような出力制限を簡素な回路構成で実現することが、車両用交流発電機の制御装置設計上の理想である。
【００１５】
本発明者らは、励磁制御用スイッチング素子の最大励磁導通率を、全回転域にわたって発電機の回転数に反比例して変化する値であって、しかも所定の飽和回転数値以下において１００%を超過するように設定することにより、上記要求を全て満足できる車両用交流発電機の制御装置を実現できることを見出した。
本構成の詳細を以下に説明する。
【００１６】
本発明者らは、上記理想を実現するためには、所定の飽和回転数値以上の高回転域で、回転数変化に対する最大出力の変化率の逆数をたとえばマイコンのＲＯＭなどにテーブルとして記憶し、この逆数に比例するように最大励磁導通率を設定すれば、飽和回転数値以上で最大出力は完全に一定となる筈であることに気付いた。
【００１７】
もちろん、その後、このようなマイコン装置の増設が制御応答性、エンジンルームという高ノイズ環境での耐ノイズ性不足、コストなどの点で、現状ではそれほど容易ではないことにも気がついた。
そこで、本発明者らは、簡単でマイコン構成よりも耐ノイズ性かつ高速性に優れるデジタル回路又はアナログ回路でも上記理想特性すなわち飽和回転数値以上の高回転域で略一定の最大出力となるパルス信号（最大励磁導通率信号）を容易に実現可能な関数について探求した。
【００１８】
その結果、励磁制御用スイッチング素子の最大励磁導通率を、全回転域にわたって発電機の回転数に反比例して変化するようにするという簡素な関数を創成することにより、所定の飽和回転数値以上の高回転域においてほぼ最大出力を一定化することができることがわかった。
この種の関数は、デジタル回路でもアナログ回路でも簡単に実現することができ、回路増設負担も少なく、マイコン構成を回避できるので、その耐ノイズ性向上問題や処理の高速化問題といった厄介な問題が派生することもない。なお、この最大励磁導通率以下で励磁制御用スイッチング素子を動作させるには、たとえば発電制御用のパルス信号と、この最大励磁導通率をデューティ比としてもつパルス信号とをアンドゲートで論理積演算するだけでよく、簡単である。
【００１９】
更に説明すると、回転数変化に対する発電機（エンジンでもよい）の回転数の逆数の変化量は、低回転域では大きく、回転数の増加とともに次第に小さくなる特性をもち、この特性はほぼ車両用交流発電機の所定の飽和回転数値以上の高回転域における回転数変化に対する最大出力の変化率の略逆数となる。したがって、本構成によれば、所定の飽和回転数値（通常の車両用交流発電機では、２０００〜６０００ｒｐｍに設定される。）以上の高回転域において、最大励磁導通率を回転数の逆数に比例させることにより、優れた最大出力飽和特性を得ることができる。
【００２０】
ただ、この場合には、飽和回転数値以上では発電機の機種ごとに適切な定数設定を行うことにより良好な出力飽和特性を実現できるが、飽和回転数値以下での出力飽和特性の解除を別の回路手段で実現する必要が生じる。しかし、このような回路手段は回路構成の複雑化や上述した従来技術のような飽和回転数値における最大出力の段差的な急変を生じやすく、好ましくない。
【００２１】
この問題に対し、本構成では、回転数の逆数からなる最大励磁導通率を、この飽和回転数値以下において１００%を超過するように設定する。このようにすれば、飽和回転数値以下では、自動的に励磁制御用スイッチング素子の導通率制限が解除されることになり、たとえば飽和回転数値以下かどうかをコンパレ−タで判別して導通率制限制御を停止するというような複雑な回路手段を採用することなく、この問題を解決することができる。
【００２２】
なお、ここでいう「全回転域にわたって前記発電機の回転数に反比例して変化する最大励磁導通率以下に前記励磁制御用スイッチング素子の導通率を制限する」という記載は、「全回転域にわたって前記発電機の回転数に反比例して変化する最大励磁導通率に比例する励磁電流値以下に前記励磁制御用スイッチング素子の平均励磁電流を制限する」場合を包含する。
【００２３】
本発明では更に、所定の反比例定数を有して前記回転数に反比例する反比例値（逆数値）に所定定数を加算して求めた関数値に比例して変化する最大励磁導通率以下に励磁制御用スイッチング素子の導通率を制限する。
具体的に説明すれば、各定数の設定により前記反比例値（逆数値）−回転数関係を飽和回転数値以上の高回転域で最大出力−回転数関係とできるだけ逆数関係となるように設定すれば、飽和回転数値以上においてほぼ飽和出力特性を得ることができる。そこで、本構成では上記反比例値（逆数値）に所定の定数値を加算（バイアス）することにより、この反比例値（逆数値）をレベルシフトし、所定の飽和回転数値において１００％となるように設定する。このようにすれば、飽和回転数値以下の低回転域で算出された最大励磁導通率は１００％以上となるので、結局、なんら特別の回路を付加することなくこの低回転域で励磁導通率制限を行わないことに等しくなる。
【００２４】
本発明では更に、飽和回転数値を超える高回転域における発電機の最大出力電流が前記飽和回転数値における前記発電機の最大出力電流を下回らず、かつ、１０%以上上回らないように、反比例定数及び所定定数を設定する。
請求項２記載の構成によれば、請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置において更に、飽和回転数値は発電機の最大効率回転数値を超える値に設定される。このようにすれば、最大効率回転数において、出力制限を掛けないので、平均効率の向上を実現することができる。
【００２５】
請求項３記載の構成によれば請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置において更に、飽和回転数値は発電機の定格出力電流を規定する回転数値未満に設定される。このようにすれば、発電機の最大出力電流が定格出力値と等しくなるため、ワイヤハ−ネスの容量などを設定する場合の利便性の向上を実現することができる。
【００２６】
請求項４記載の構成によれば請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置において更に、一定パルス周期で生じるパルスを回転数に反比例する所定期間カウントしたカウント値と所定値とを加算して加算値を求めて記憶し、それに比例する値を最大励磁導通率とする。このような回路は簡素なデジタル回路で構成できる。
【００２７】
請求項５記載の構成によれば請求項４記載の車両用交流発電機の制御装置において更に、記憶した加算値と、検出した励磁電流値とを比較して、検出した励磁電流値が大きい場合に励磁制御用スイッチング素子を所定時間遮断させる。このような回路は簡素な論理回路で構成できる。
請求項６記載の構成は請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置において更に、検出した発電機の出力電圧が所定の基準電圧に一致するように励磁制御用スイッチング素子を断続制御し、この発電電圧制御に優先して励磁制御用スイッチング素子を断続制御する。このようにすれば制御装置全体構成を簡素化することができる。
【００２８】
【発明を実施するための態様】
本発明の車両用交流発電機の制御装置の実施態様を以下の実施例により具体的に説明する。
【００２９】
【実施例１】
（回路構成）
実施例１を図１を参照して以下に説明する。
図１において、１は図示しないエンジンにより駆動されてバッテリ２に給電する発電機、３はレギュレータである。
【００３０】
発電機１は、励磁コイル１１、整流器１２、電機子コイル１３をもつ。
レギュレータ３は、励磁コイル１１への印加電圧を断続制御する励磁制御用スイッチング素子３１、アンドゲ−ト３２、コンパレ−タ３３、分圧抵抗３４、３５、最大励磁導通率設定回路４からなる。
最大励磁導通率設定回路４は、一相発電電圧波形成形回路４１、ＵＰカウンタ４２、ラッチ４３、アンドゲ−ト４４、ＤＯＷＮカウンタ４５、オアゲ−ト４６からなる。
（発電電圧制御）
レギュレータ３は、抵抗３４、３５で分圧したバッテリ電圧と基準電圧Ｖｒとを比較し、その比較結果によりアンドゲ−ト３２を通じて励磁制御用スイッチング素子３１を断続制御してバッテリ電圧を一定化するように発電電圧制御を行う。
（励磁導通率制限）
次に、この実施例の要旨をなす励磁導通率制限動作について以下に説明する。
【００３１】
最大励磁導通率設定回路４において、一相発電電圧波形成形回路４１はエンジン回転数に相当する発電機の相電圧波形Ｐを方形波すなわちパルス信号に変換し、このパルス信号がＨレベル期間の間、ＵＰカウンタ４２は、あらかじめ設定された所定値（α）からクロックパルスＣ１をカウントアップし、ラッチ４３は相電圧波形Ｐの一周期ごとにＵＰカウンタ４２のカウント値を記憶する。
【００３２】
ＤＯＷＮカウンタ４５は、ラッチ４３の記憶値からクロックパルスＣ２のＨレベル時点からクロックパルスＣ１のタイミングでカウンタダウンし、オアゲ−ト４６はＤＯＷＮカウンタ４５のカウント値が０となった時点でＨレベルからＬレベルに反転し、アンドゲ−ト３２を遮断し、励磁制御用スイッチング素子３１をオフする。
【００３３】
したがって、回転数が低く、その周期が長く、ラッチ４３の記憶値が大きいと、ＤＯＷＮカウンタ４５のカウント値が０となる前にクロックパルスＣ２がＨレベルとなって、ＤＯＷＮカウンタ４５にラッチ４３の記憶値が再書き込みされ、励磁制御用スイッチング素子３１がオアゲ−ト４６により強制遮断されることはない。
【００３４】
回転数が所定の飽和回転数値に達すると、ＤＯＷＮカウンタ４５のカウント値が０となる瞬間にクロックパルスＣ２がＨレベルとなって、励磁制御用スイッチング素子３１がオアゲ−ト４６により１００％のデューティ比を与えられる。
強制遮断されることはない。
回転数が所定の飽和回転数値を超えると、ＤＯＷＮカウンタ４５のカウント値が０となってから所定時間後、クロックパルスＣ２がＨレベルとなるので、ＤＯＷＮカウンタ４５のカウント値が０となる期間の間だけ、励磁制御用スイッチング素子３１がオアゲ−ト４６により遮断され、励磁制御用スイッチング素子３１の最大励磁導通率が１００％以下に指定されることになる。
【００３５】
上述したように、この実施例では所定の飽和回転数値から、回転数の逆数値に比例する最大励磁導通率が設定されるので、飽和回転数値以上の高回転域で良好な出力飽和特性を得ることができる。
更に、この回路では、飽和回転数値を超えた場合、クロックパルスｃ２の周期でデューティ比１００％から少しづつデューティ比が低下するため、従来のように回転数が飽和回転数値を超えた場合に段差的に最大励磁導通率が低下するという不具合がない。
【００３６】
図１の回路の各部電圧波形を図２に示し、図１の最大励磁導通率設定回路４のＵＰカウンタ４２及びラッチ４３の機能をソフトウエア処理する場合を示すフロ−チャ−トを図３に示す。図１の最大励磁導通率設定回路４のアンドゲ−ト４４の機能をソフトウエア処理する場合を示すフロ−チャ−トを図４に示す。図１の最大励磁導通率設定回路４のＤＯＷＮカウンタ４５及びオアゲ−ト４６の機能をソフトウエア処理する場合を示すフロ−チャ−トを図５に示す。
【００３７】
この実施例における最大励磁導通率と回転数との関係を示す特性図を図６に示し、最大出力（最大出力電流）と回転数との関係を示す特性図を図７に示す。図６における破線は回転数の逆数値のｋ倍の関数を示し、これに定数値７５％だけ加算してレベルシフトしたものが、この実施例の最大励磁導通率となる。
【００３８】
【実施例２】
（回路構成）
実施例２を図８を参照して以下に説明する。
図８の回路は、図１に示すアンドゲ−ト４４、ＤＯＷＮカウンタ４５、オアゲ−ト４６の代わりに、Ｄ／Ａコンバ−タ４５０、コンパレ−タ４５１、平滑回路４５２、励磁電流検出抵抗４５３、インバ−タ４５４を設けた点だけが異なっているので、この点だけを説明する。
（作動）
ラッチ回路４３が記憶するカウント値はＤ／Ａ変換回路４４によりアナログ電圧値Ｖａへと変換される。このアナログ電圧値Ｖａは、励磁電流駆動トランジスタ３１とアースＥとの間に挿入された励磁電流検出用抵抗４５３により電圧値に変換されてＣＲ平滑回路４５２で直流化されてコンパレ−タ４５１で比較され、励磁電流がアナログ電圧値Ｖａ以上の場合、コンパレ−タ４５からはトランジスタ３１のＯＦＦ信号が出力され、このＯＦＦ信号がインバ−タ４５２で反転されてアンドゲ−ト３２を遮断する。
【００３９】
このようにすれば、励磁電流は、ラッチ４３の記憶値すなわち回転数の逆数値に比例する値に所定値を加算した値に一致するので、飽和回転数値を超えた場合には最大出力は実施例１と同様の特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用交流発電機の制御装置の一実施例を示すブロック回路図である。
【図２】図１の制御装置の各部電圧波形を示すタイミングチャ−トである。
【図３】図１の最大励磁導通率設定回路４のＵＰカウンタ４２及びラッチ４３の機能をソフトウエア処理する場合を示すフロ−チャ−トである。
【図４】図１の最大励磁導通率設定回路４のアンドゲ−ト４４の機能をソフトウエア処理する場合を示すフロ−チャ−トである。
【図５】図１の最大励磁導通率設定回路４のＤＯＷＮカウンタ４５及びオアゲ−ト４６の機能をソフトウエア処理する場合を示すフロ−チャ−トである。
【図６】実施例１における最大励磁導通率と回転数との関係を示す特性図である。
【図７】実施例１における最大出力（最大出力電流）と回転数との関係を示す特性図である。
【図８】実施例２を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１は発電機、２はバッテリ、３はレギュレータ、４は最大励磁導通率設定回路（励磁導通率制限手段）、３１は励磁制御用スイッチング素子、３３はコンパレ−タ（発電電圧制御手段）、４２はＵＰカウンタ（計数手段）、４３はラッチ（記憶手段）、４５はＤＯＷＮカウンタ（最大励磁導通率設定手段）。

Claims

エンジンにより駆動されてバッテリ及び電気負荷に給電する車両用交流発電機の励磁電流を断続制御する励磁制御用スイッチング素子と、
全回転域にわたって前記発電機の回転数に反比例して変化する最大励磁導通率以下に前記励磁制御用スイッチング素子の導通率を制限する励磁導通率制限手段を備え、
前記最大励磁導通率は所定の飽和回転数値以下において１００%を超過する車両用交流発電機の制御装置であって、
前記励磁導通率制限手段は、所定の反比例定数を有して前記回転数に反比例する反比例値（逆数値）に所定定数を加算して求めた関数値に比例して変化する最大励磁導通率以下に前記励磁制御用スイッチング素子の導通率を制限し、
前記飽和回転数値を超える高回転域における前記発電機の最大出力電流が前記飽和回転数値における前記発電機の最大出力電流を下回らず、かつ、１０ % 以上上回らないように、前記反比例定数及び前記所定定数は設定されることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置において、
前記飽和回転数値は、前記発電機の最大効率回転数値を超える値に設定されることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置において、
前記飽和回転数値は、前記発電機の定格出力電流を規定する回転数値未満に設定されることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置.
請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置において、
前記励磁導通率制限手段は、一定パルス周期で生じるパルスを前記回転数に反比例する所定期間カウントしたカウント値と所定値とを加算して加算値を求める計数手段と、前記加算値を記憶する記憶手段と、記憶した前記加算値に比例した前記最大励磁導通率を算出する最大励磁導通率設定手段とを有することを特徴とする車両用交流発電機の制御装置.
請求項４記載の車両用交流発電機の制御装置において、
前記最大励磁導通率設定手段は、前記記憶した加算値と、検出した前記励磁電流値とを比較して、前記検出した励磁電流値が大きい場合に前記励磁制御用スイッチング素子を所定時間遮断させることを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。
請求項１記載の車両用交流発電機の制御装置において、
検出した前記発電機の出力電圧が所定の基準電圧に一致するように前記励磁制御用スイッチング素子を断続制御する発電電圧制御手段を備え、前記最大励磁導通率制限手段は、前記発電電圧制御手段に優先して前記励磁制御用スイッチング素子を断続制御することを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。