基于BCM的汽車發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

趙栗偉　許勇

摘 要： 為了使車輛電氣系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性，在汽車發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器有故障，系統(tǒng)狀態(tài)電壓出現(xiàn)過大波動時(shí)，能利用車載智能BCM進(jìn)行調(diào)壓工作，設(shè)計(jì)了基于BCM的汽車發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器。介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求、工作原理及模擬測試。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電機(jī)輸出電壓的監(jiān)測，并在其過高或過低時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)具有切斷原調(diào)壓電路功能，達(dá)到保護(hù)作用，使車輛電氣系統(tǒng)能更安全地工作。

關(guān)鍵詞： 車輛電氣系統(tǒng)； 電壓調(diào)節(jié)器； 智能BCM； 模擬測試

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0145?04

Design of vehicle generator regulator based on BCM

ZHAO Li?wei， XU Yong

（School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： In order to improve vehicle electrical system performance， and realize voltage regulation through the vehicle?mounted intelligent BCM （body control module） when something is wrong with vehicle generator regulator or fluctuation of the system state voltage is too much， a vehicle generator regulator based on BCM was designed. The whole structure， control mechanism and design requirements of the system are introduced. The designed system can monitor the output voltage of vehicle alternator， and adjust it as needed. At the same time， it can cut off the fault voltage regulator to protect the circuit. It can improve the working performances of vehicle electrical system.

Keywords： vehicle electrical system； voltage regulator； intelligent BCM； simulation testing

0 引 言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車電子電器裝置在整個汽車技術(shù)領(lǐng)域中的比重也在日趨增大。車輛電控單元也在不斷增加，即用電設(shè)備的數(shù)量在不斷增加，電子電器裝備也將會逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式控制設(shè)備。這樣車輛電氣系統(tǒng)的負(fù)荷越來越重，對供電系統(tǒng)要求也越來越高。當(dāng)電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)和車載供電電壓波動劇烈時(shí)，汽車的正常工作和行車安全就會受到影響。作為車載供電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，汽車發(fā)電機(jī)輸出的電壓保持高穩(wěn)定狀態(tài)將是汽車電子發(fā)展的重要保障。

發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器則是汽車整個供電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性保證的核心，其功能是無論負(fù)載、轉(zhuǎn)速等其他外界因素如果變化，總能使發(fā)電機(jī)輸出電壓控制在正常范圍。調(diào)壓器的工作穩(wěn)定與否，直接會影響到車輛各用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

電壓調(diào)節(jié)器有多種類型，無論是采用傳統(tǒng)的觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器、晶體管調(diào)節(jié)器、集成電路調(diào)壓器，或者是更高級的電腦控制調(diào)節(jié)器，在目前生產(chǎn)的汽車當(dāng)中都只會選擇其中之一。調(diào)節(jié)器再好，也會有出現(xiàn)故障的時(shí)候。發(fā)電機(jī)輸出電壓偏高時(shí)，會使蓄電池充電量過大，極大損傷蓄電池，嚴(yán)重的可能會燒毀用電器；發(fā)電機(jī)輸出電壓偏低時(shí)，會使蓄電池虧電，用電器將不能正常穩(wěn)定工作[1]。所以要進(jìn)一步保證用電單元的安全，增加一個穩(wěn)定、低成本的發(fā)電機(jī)調(diào)壓器會是一個很好的選擇。由于智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化是汽車控制技術(shù)的發(fā)展方向，智能BCM的功能也逐漸強(qiáng)大[2]，所以本系統(tǒng)的思想是通過車身控制模塊的中央控制器作為備用調(diào)壓器的主控制器，不斷地實(shí)時(shí)采集、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)來達(dá)到調(diào)壓作用。這樣不僅高效穩(wěn)定，且低成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 性能要求

雖然本發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)是車輛的備用調(diào)壓器，但也必須保證其精確性、快速性和穩(wěn)定性。確保在負(fù)載、轉(zhuǎn)速等因素的變化下，及時(shí)地判斷發(fā)電機(jī)輸出為過壓或欠壓，并實(shí)時(shí)處理，控制其電壓。

該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求如下：

（1） 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)12 V發(fā)電機(jī)最高輸出不得超過14.75 V，全負(fù)荷時(shí)不得低于13.4 V，當(dāng)檢測的發(fā)電機(jī)輸出電壓不在此范圍時(shí)，說明原電壓調(diào)節(jié)器發(fā)生故障，這時(shí)將通知車身控制模塊正式啟動調(diào)壓功能；

（2） 控制器確定原電壓調(diào)節(jié)器故障后，及時(shí)斷開原調(diào)壓電路，且其工作指示燈熄滅；

（3） 檢測電壓是否過壓或欠壓，控制PWM脈沖輸出的占空比，從而改變勵磁線圈的通段時(shí)間。電壓正常時(shí)，占空比將暫時(shí)固定；

（4） 保證發(fā)電機(jī)輸出電壓的范圍在14.0～14.5 V之間。

1.2 設(shè)計(jì)的調(diào)壓原理

根據(jù)交流發(fā)電機(jī)的工作原理可知，其產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

[Eφ=Ce?Φ?n]

式中：[Ce]為發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)；[n]為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；[Φ]為轉(zhuǎn)子的磁極磁通，也就是說發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和磁極磁通成正比。又因?yàn)榇艠O磁通[Φ]與勵磁電流成正比，減小磁通[Φ]也就是減小勵磁電流。所以，交流發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的工作原理是：當(dāng)交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高時(shí)，調(diào)節(jié)器通過減小發(fā)電機(jī)的勵磁電流來減小磁通[Φ，]使發(fā)電機(jī)的輸出電壓保持不變。

因此，本系統(tǒng)先采樣電壓，再通過控制器輸出可調(diào)PWM來觸發(fā)開關(guān)電路，使發(fā)電機(jī)勵磁電流導(dǎo)通與斷開，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而達(dá)到控制發(fā)電機(jī)平均勵磁電流的目的。

1.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的測試電路結(jié)構(gòu)主要包括電壓采集、降壓、數(shù)據(jù)處理、PWM輸出、模擬發(fā)電機(jī)勵磁線圈、MOSFET管開關(guān)電路以及原調(diào)壓器電路的通斷開關(guān)電路，其結(jié)構(gòu)電路圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器選型及簡述

本設(shè)計(jì)測試選用飛思卡爾16位控制器MC9S12XEP100作為BCM的主控制器，即為調(diào)壓系統(tǒng)的控制器。該控制器采用了強(qiáng)大的XGATE協(xié)處理器專門用于處理中斷事件，實(shí)現(xiàn)了最佳的實(shí)時(shí)事件的處理和順暢的系統(tǒng)性能[3]。該控制器除了能實(shí)現(xiàn)車身網(wǎng)絡(luò)的CAN/LIN收發(fā)外，還有精度為12位的ATD模塊和占空比可調(diào)的PWM輸出通道，以便作為調(diào)壓器時(shí)使用。

2.2 降壓采集

在本系統(tǒng)中，無論調(diào)壓功能是否打開，電壓檢測一直在進(jìn)行。當(dāng)檢測的發(fā)電機(jī)輸出電壓超出國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)會打開系統(tǒng)的調(diào)壓功能。本測試的降壓采集模塊是從模擬發(fā)電機(jī)輸出的下端引出需檢測的電壓，然后接到差分等比降壓電路上，控制器的A/D口將接收該電路的輸出電壓[4?5]，實(shí)時(shí)的連續(xù)不斷地進(jìn)行檢測。如圖1所示。

2.3 輸出電路設(shè)計(jì)

在本測試中單片機(jī)輸出的外接電路主要包括MOSFET管開關(guān)電路[6]、模擬勵磁線圈、模擬可變發(fā)電機(jī)輸出電壓及控制原調(diào)壓器通斷的開關(guān)電路。其原理圖如圖2所示。

圖2中，由虛線部分可以體現(xiàn)出完全可以直接在不改變原調(diào)壓電路的情況下加上本實(shí)驗(yàn)電路，達(dá)到備用功能。SW視為車輛的鑰匙開關(guān)，CD、DE端分別為單刀雙擲繼電器的常開端和常閉端，與E端相連的LED燈所在的回路代表原調(diào)壓器的電路，A端接控制器的I/O口，B端接控制器的PWM輸出口，模擬勵磁線圈主要是電感線圈，模擬發(fā)電機(jī)輸出由可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源（YB1732A2A）完成其變壓功能。該電路的工作原理是：SW閉合代表車輛啟動，原調(diào)壓器正常時(shí)LED燈亮，A、B端輸入為低電平。若改變直流穩(wěn)壓電源的輸出值為過壓或欠壓，則控制器會收到原調(diào)壓器故障信號，A端輸入將變?yōu)楦唠娖?，隨之三極管開關(guān)導(dǎo)通，則繼電器常閉端斷開，即原調(diào)壓器電路斷開，LED燈熄滅；同時(shí)B端輸入將變?yōu)镻WM脈沖信號，高電平時(shí)MOS管導(dǎo)通，則產(chǎn)生勵磁電流，低電平時(shí)MOS管截止，則不會產(chǎn)生新的勵磁電流。VD為續(xù)流二極管，在MOS管突然截止時(shí)為勵磁線圈提供續(xù)流作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的執(zhí)行包括A/D轉(zhuǎn)換程序、故障判斷程序、I/O口控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、PWM輸出程序，其工作流程如圖3所示。

3.1 A/D數(shù)據(jù)的換算

本系統(tǒng)使用的是差分等比降壓電路，10倍等比降壓，降壓之后電壓為1.4 V左右，符合控制器的5 V安全范圍。ATD模塊工作時(shí)由CPU發(fā)出啟動命令，然后經(jīng)過采樣（可編程采樣時(shí)間）、模/數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將結(jié)果保存到相應(yīng)的寄存器。本實(shí)驗(yàn)采用12位連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，5 V電壓對應(yīng)的值為4 095，則測量的電壓與數(shù)值關(guān)系為：

[ATDDR=（4 095U）5]

式中：[U]為測量的電壓值；ATDDR為A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值。因此判斷原調(diào)壓器是否故障的上限值14.75 V和下限值13.4 V對應(yīng)的值分別為1 208，1 081。發(fā)電機(jī)的正常輸出的電壓區(qū)間[14.0 V，14.5 V]降壓后為[1.40 V，1.45 V]，其正常工作時(shí)對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值區(qū)間為[1 146，1 188]。

3.2 軟件執(zhí)行

在確信檢測到的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值超故障限值時(shí)，則開啟控制器的調(diào)節(jié)電壓功能，此時(shí)將控制I/O口信號使原調(diào)壓器斷開，同時(shí)PWM脈沖輸出的占空比將從0開始以5%的比例逐步快速地增加。當(dāng)檢測到的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值A(chǔ)TDDR在正常范圍區(qū)間[1 146，1 188]時(shí)，則保持占空比不變；當(dāng)ATDDR的值大于1 188時(shí)，占空比將會以5%的比例逐次減小，直至檢測到ATTDR在正常范圍時(shí)保持不變；當(dāng)ATDDR的值小于1 146時(shí)，占空比同樣會以5%的比例逐次增加，直至檢測到ATTDR在正常范圍時(shí)保持不變。

在運(yùn)行下位機(jī)軟件程序后，單片機(jī)運(yùn)行程序里A/D轉(zhuǎn)換模塊AD_capture（）為使?fàn)顟B(tài)，定義一個標(biāo)志調(diào)壓功能是否打開的全局變量tystart，初始值為0，設(shè)置一個I/O口為輸出且為低電平使電路中三極管為截止?fàn)顟B(tài)，即初始賦值VDA_dir為1且VDA為0，PWM輸出模塊的通道寄存器PWMDTY01=0，即占空比為0。當(dāng)AD_capture（）收到的ATDDR的數(shù)值不在區(qū)間[1 208，1 081]時(shí)，原發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器被識別為故障狀態(tài)，tystart置1，使程序進(jìn)入調(diào)壓功能循環(huán)。即VDA_dir保持1，但VDA賦值1，三極管導(dǎo)通，PWMDTY01將不斷的逐步增加，進(jìn)入循環(huán)，直至ATDDR在正常范圍內(nèi)時(shí)才停止循環(huán)；當(dāng)ATDDR小于正常值時(shí)，再次進(jìn)入循環(huán)，PWMDTY01不斷的逐步增加，直至ATDDR值正常；反之，同樣進(jìn)入循環(huán)，PWMDTY01不斷的逐步減小，直至ATDDR值正常[7]。如表1所示。

4 設(shè)備集成與測試

將上述各硬件設(shè)計(jì)模塊整合，外加一個DS5022M數(shù)字示波器，構(gòu)成一個測試平臺。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，首先要確定檢測到的電壓值已超過故障限值，在打開BCM控制器調(diào)壓功能的情況下再分別進(jìn)行發(fā)電機(jī)輸出為欠壓、正常電壓及過壓三種情況的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始，運(yùn)行控制器，然后把模擬發(fā)電機(jī)的輸出（直流穩(wěn)壓電源）調(diào)到區(qū)間[13.4 V，14.75 V]以外的一個值，使其達(dá)到故障的目的。此時(shí)控制器的調(diào)壓功能正式打開，LED燈熄滅，故可以進(jìn)行調(diào)壓測試。

（1） 若進(jìn)行欠壓時(shí)的調(diào)壓功能實(shí)驗(yàn)，需要把模擬發(fā)電機(jī)的輸出調(diào)到14 V以下，觀察模擬勵磁線圈兩端的電壓（示波器的波形）變化，如圖4所示。由結(jié)果可見，當(dāng)采集的電壓為12 V時(shí)，勵磁兩端電壓通斷時(shí)間逐步增加，即周期內(nèi)的平均勵磁電流逐漸增加。

（2） 若進(jìn)行正常電壓時(shí)的實(shí)驗(yàn)，需要把模擬發(fā)電機(jī)的輸出調(diào)到14～14.5 V之間任意一個值即可，本次調(diào)到14 V，觀察模擬勵磁線圈兩端的電壓變化，如圖5所示。由結(jié)果可見，勵磁兩端電壓通斷時(shí)間保持不變，即周期內(nèi)的平均勵磁電流將基本不變。

（3） 若進(jìn)行過壓時(shí)的實(shí)驗(yàn)，需要把模擬發(fā)電機(jī)的輸出調(diào)到14.5 V以上，本次調(diào)到14.8 V，觀察模擬勵磁線圈兩端的電壓變化，如圖6所示?？梢娫摬ㄐ谓Y(jié)果正好與欠壓時(shí)相反，即周期內(nèi)的平均勵磁電流逐漸減小。

通過以上故障判斷和三種情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，本次實(shí)驗(yàn)基本達(dá)到了該設(shè)計(jì)的目的。

5 結(jié) 語

所設(shè)計(jì)的調(diào)壓系統(tǒng)是基于智能BCM車身控制模塊的主控制器而完成的，所以本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是發(fā)電機(jī)調(diào)壓器故障的判定， 同時(shí)打開BCM的調(diào)壓功能和采集到的電壓數(shù)據(jù)的處理，以及PWM輸出的控制。通過測試，系統(tǒng)已滿足設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)接到實(shí)際的發(fā)電機(jī)上能形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，無論發(fā)電機(jī)輸出電壓改變是何原因，都能通過該閉環(huán)控制使其被控電壓快速恢復(fù)穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳立東，王寶良，張曉芹.內(nèi)裝式汽車發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)用及研發(fā)現(xiàn)狀[J].汽車維修，2013（4）：2?3.

[2] 葉金飛，李曉莉.帶CAN和LIN網(wǎng)絡(luò)的智能BCM設(shè)計(jì)[J].汽車電器，2013（1）：1?5.

[3] 羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4] 謝在玉.汽車電源系統(tǒng)及其電壓調(diào)節(jié)器的工作原理與電路檢測分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2008，7（10）：140?141.

[5] 李志紅，張小芹，包長春，等.汽車發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器多功能電子測試儀的研究與開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（15）：99?104.

[6] 邱偉.功率MOSFET關(guān)斷過程五個階段的研究[J].科技創(chuàng)新論壇，2014（13）：174?175.

[7] 邵貝貝.嵌入式系統(tǒng)中的雙核技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.