摘要：设计一种适用于现代燃油汽车的发电机电压控制器，实现了发电机电压的良好控制，并且减少了电压的波动，采用脉宽调制的方法控制发电机励磁系统，利用功率MOs管实现对励磁线圈电流的控制，利用PID算法进行脉宽的调节，最后通过试验验证了对发电机电压的良好控制。

    汽车电源系统由蓄电池、发电机及其电压调节器构成。整车所有电器均由汽车电源系统进行供电，因此电源系统供电的品质对于汽车电器系统至关重要。
    近年来，为了实现汽车快速精确的控制以及人们对汽车舒适性、娱乐性的要求，汽车电子控制迅速发展，电器设备占汽车部件的份额也越来越大。现代汽车中电器的控制也日益复杂，车上电子控制器、数字电路、通信线路等比例加大，而这些对于电压的稳定性有着较高的要求。存在谐波的电网环境，对于汽车内控制器影响明显：控制器要求电压平稳度高，各个控制器需要大量的滤波设施，这使得电压中交流成分损失，并且谐波电压使得控制器运算不准，导致控制精度下降。因此，对汽车电源系统输出电压的稳定性要求也日益提高。此外，为了能够实现节能减排的目的，传统燃油车也已经提出了基于电池和整车状态，令发电机间歇式工作的智能电源系统，并且宝马E70等车型上已经得到应用。但是正常驾驶过程中，低速松油门时，发电机突然介人到整车系统中，驾驶员会感到明显的顿挫感。目前汽车上广泛应用的电压调节方式为开关式调节，这种方式不能实现如今对于发电机电压的要求。
    总体来讲，汽车电源系统输出电压存在两个问题：发电机输出电压波动较大；能够实现发电机间歇工作的电源系统不能平稳地实现工作模式的转换。
    考虑到现代汽车电源系统存在的问题，本文提出了一种基于脉宽调制的发电机电压控制器，目的在于稳定发电机电压，并且能够减少发电机因需要调压功能造成的电压波动、发动机负载突变的情况。以PID（比例积分微分）控制为主，对发电机励磁电流进行调整。首先进行发电机外特性试验，拟合发电机内部参数。然后根据发电机参数，进行励磁的仿真控制，调整仿真模型得到所需控制参数。设计执行器，实现对发电机的真正控制。最后进行了台架试验，验证了脉宽调制控制器的调压效果和可行性。

    1 车用电压调节器原理
    汽车上采用的三相交流发电机，其输出电压由励磁电流和转速共同决定，转速由发动机控制。由于汽车行驶过程中工况多变，用电负载多变，而发电机的电压必须保持相对稳定，因此采用电压调节器对发电机励磁电流进行控制，进而达到稳定发电机电压的目的。图1为汽车电源系统的整体结构示意图。

    一般车用发电机电压调节器A安装在发电机G内部，通过硬件开关电路控制发电机励磁电路通断。当检测到电源系统输出电压Uo高于发电机电压调节器A内部设定好的阑值电压值Ur时，断开励磁供电，反之，连接励磁供电，从而使得转速与负载变化时发电机输出电压保持稳定。即，传统开关型发电机电压调节器相当于一个硬件开关，对于励磁电路电压进行式（1）的控制。

    由于发电机励磁电路中电感的存在，当检测到需要降低发电机电压，励磁电路突然断开连接时，并不会导致发电机励磁电流的立即下降，而是缓缓下降，则发电机的输出电压将继续上升之后再下降。即，由放大比较器组成的全硬件发电机电压调节器对于发电机的电压调节不及时，由此必然引发电压波动大的问题。
    而目前提出的基于单片机的发电机电压调节器是通过单片机给出数字信号的参考电压，在具体控制发电机电压上的实现与传统发电机电压调节器是相同的，均是采用比较器硬件控制。因此，虽然这类调节器能够实现发电机输出电压均值的改变，能够改善传统发电机调节器参考电压漂移和实现变电压功能，但是与传统发电机调节器一样，不能实现对发电机电压波动的抑制。并且不能平稳地实现发电机工作模式的过渡，在发电机参考电压改变时，励磁突然全部接人或断开，对发动机造成突然的负载改变。

    2 脉宽调制控制器整体结构
    鉴于智能电源系统对发电机输出电压的要求，提出一种将发电机电压调节器改进为利用单片机及相关电路的发电机电压调节器，并且利用脉宽调制的方法来调节发电机励磁电路通断。
    图2为采用脉宽调制控制器的汽车电源系统整体示意图。

    为了方便实现根据整车状态和蓄电池状态进行发电机输出电压可调的功能，采用蓄电池传感器S采集蓄电池电压、电流和温度等信息。与本文相关的信息为输出端电压Uo，通过LIN总线传人控制器C内。而带有控制器的用电器IR所需供电不仅仅包含功率电，同时需要干净的数字电。这样的整体结构更能体现本文所述控制器的作用。
    不同于图1中发电机电压调节器A内部设定好的阈值电压Ur为设定固定值，图2中的电压参考值Ur保留了可变的可能，是控制器的输入参数，不是固定值。
    控制器C控制发电机励磁电路的通断，采用脉宽可变的高频方波。图3为基于脉宽调制的发电机电压控制器的原理框图。
    图3中，F负责计算，E对励磁电路通断进行控制。控制器C主要由这两部分构成。

    电压采集单元采集发电机输出的电压Uo，输入至控制计算单元F，控制计算单元F同时接收智能电源控制策略计算出的发电机参考电压Ur，再根据实际电压和参考电压的差值进行占空比}.}的计算，通过执行单元E的转换，实现对发电机励磁线圈电路通断的控制，如式（2）所示。

    式中：t----时间；T-----高频方波周期；a----高频方波占空比。
    本文所述电压控制单元采用单片机实现，并且采用工程上最为常用的PID控制方法来计算占空比a。

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