基于BCM的汽车发电机调节器设计

赵栗伟　许勇

摘 要： 为了使车辆电气系统具有更好的稳定性，在汽车发电机电压调节器有故障，系统状态电压出现过大波动时，能利用车载智能BCM进行调压工作，设计了基于BCM的汽车发电机调节器。介绍了系统的整体结构、设计要求、工作原理及模拟测试。所设计系统实现了对发电机输出电压的监测，并在其过高或过低时进行调节，同时具有切断原调压电路功能，达到保护作用，使车辆电气系统能更安全地工作。

关键词： 车辆电气系统； 电压调节器； 智能BCM； 模拟测试

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着汽车行业的不断发展，汽车电子电器装置在整个汽车技术领域中的比重也在日趋增大。车辆电控单元也在不断增加，即用电设备的数量在不断增加，电子电器装备也将会逐步代替传统的机械式控制设备。这样车辆电气系统的负荷越来越重，对供电系统要求也越来越高。当电气系统发生故障时和车载供电电压波动剧烈时，汽车的正常工作和行车安全就会受到影响。作为车载供电系统的关键设备，汽车发电机输出的电压保持高稳定状态将是汽车电子发展的重要保障。

发电机电压调节器则是汽车整个供电系统电压稳定性保证的核心，其功能是无论负载、转速等其他外界因素如果变化，总能使发电机输出电压控制在正常范围。调压器的工作稳定与否，直接会影响到车辆各用电设备的正常运行。

电压调节器有多种类型，无论是采用传统的触点式调节器、晶体管调节器、集成电路调压器，或者是更高级的电脑控制调节器，在目前生产的汽车当中都只会选择其中之一。调节器再好，也会有出现故障的时候。发电机输出电压偏高时，会使蓄电池充电量过大，极大损伤蓄电池，严重的可能会烧毁用电器；发电机输出电压偏低时，会使蓄电池亏电，用电器将不能正常稳定工作[1]。所以要进一步保证用电单元的安全，增加一个稳定、低成本的发电机调压器会是一个很好的选择。由于智能化、集成化、网络化是汽车控制技术的发展方向，智能BCM的功能也逐渐强大[2]，所以本系统的思想是通过车身控制模块的中央控制器作为备用调压器的主控制器，不断地实时采集、处理和发送数据来达到调压作用。这样不仅高效稳定，且低成本。

1 系统整体设计

1.1 性能要求

虽然本发电机调压系统是车辆的备用调压器，但也必须保证其精确性、快速性和稳定性。确保在负载、转速等因素的变化下，及时地判断发电机输出为过压或欠压，并实时处理，控制其电压。

该系统的具体设计要求如下：

（1） 根据国家标准12 V发电机最高输出不得超过14.75 V，全负荷时不得低于13.4 V，当检测的发电机输出电压不在此范围时，说明原电压调节器发生故障，这时将通知车身控制模块正式启动调压功能；

（2） 控制器确定原电压调节器故障后，及时断开原调压电路，且其工作指示灯熄灭；

（3） 检测电压是否过压或欠压，控制PWM脉冲输出的占空比，从而改变励磁线圈的通段时间。电压正常时，占空比将暂时固定；

（4） 保证发电机输出电压的范围在14.0～14.5 V之间。

1.2 设计的调压原理

根据交流发电机的工作原理可知，其产生的感应电动势为：

[Eφ=Ce?Φ?n]

式中：[Ce]为发电机的结构常数；[n]为转子转速；[Φ]为转子的磁极磁通，也就是说发电机所产生的感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比。又因为磁极磁通[Φ]与励磁电流成正比，减小磁通[Φ]也就是减小励磁电流。所以，交流发电机调节器的工作原理是：当交流发电机的转速升高时，调节器通过减小发电机的励磁电流来减小磁通[Φ，]使发电机的输出电压保持不变。

因此，本系统先采样电压，再通过控制器输出可调PWM来触发开关电路，使发电机励磁电流导通与断开，形成一个闭环控制系统，从而达到控制发电机平均励磁电流的目的。

1.3 整体结构设计

本系统的测试电路结构主要包括电压采集、降压、数据处理、PWM输出、模拟发电机励磁线圈、MOSFET管开关电路以及原调压器电路的通断开关电路，其结构电路图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 控制器选型及简述

本设计测试选用飞思卡尔16位控制器MC9S12XEP100作为BCM的主控制器，即为调压系统的控制器。该控制器采用了强大的XGATE协处理器专门用于处理中断事件，实现了最佳的实时事件的处理和顺畅的系统性能[3]。该控制器除了能实现车身网络的CAN/LIN收发外，还有精度为12位的ATD模块和占空比可调的PWM输出通道，以便作为调压器时使用。

2.2 降压采集

在本系统中，无论调压功能是否打开，电压检测一直在进行。当检测的发电机输出电压超出国家标准时会打开系统的调压功能。本测试的降压采集模块是从模拟发电机输出的下端引出需检测的电压，然后接到差分等比降压电路上，控制器的A/D口将接收该电路的输出电压[4?5]，实时的连续不断地进行检测。如图1所示。

2.3 输出电路设计

在本测试中单片机输出的外接电路主要包括MOSFET管开关电路[6]、模拟励磁线圈、模拟可变发电机输出电压及控制原调压器通断的开关电路。其原理图如图2所示。

图2中，由虚线部分可以体现出完全可以直接在不改变原调压电路的情况下加上本实验电路，达到备用功能。SW视为车辆的钥匙开关，CD、DE端分别为单刀双掷继电器的常开端和常闭端，与E端相连的LED灯所在的回路代表原调压器的电路，A端接控制器的I/O口，B端接控制器的PWM输出口，模拟励磁线圈主要是电感线圈，模拟发电机输出由可调的直流稳压电源（YB1732A2A）完成其变压功能。该电路的工作原理是：SW闭合代表车辆启动，原调压器正常时LED灯亮，A、B端输入为低电平。若改变直流稳压电源的输出值为过压或欠压，则控制器会收到原调压器故障信号，A端输入将变为高电平，随之三极管开关导通，则继电器常闭端断开，即原调压器电路断开，LED灯熄灭；同时B端输入将变为PWM脉冲信号，高电平时MOS管导通，则产生励磁电流，低电平时MOS管截止，则不会产生新的励磁电流。VD为续流二极管，在MOS管突然截止时为励磁线圈提供续流作用。

3 系统软件设计

系统软件的执行包括A/D转换程序、故障判断程序、I/O口控制程序、数据处理程序、PWM输出程序，其工作流程如图3所示。

3.1 A/D数据的换算

本系统使用的是差分等比降压电路，10倍等比降压，降压之后电压为1.4 V左右，符合控制器的5 V安全范围。ATD模块工作时由CPU发出启动命令，然后经过采样（可编程采样时间）、模/数转换，最后将结果保存到相应的寄存器。本实验采用12位连续转换模式，5 V电压对应的值为4 095，则测量的电压与数值关系为：

[ATDDR=（4 095U）5]

式中：[U]为测量的电压值；ATDDR为A/D转换的数值。因此判断原调压器是否故障的上限值14.75 V和下限值13.4 V对应的值分别为1 208，1 081。发电机的正常输出的电压区间[14.0 V，14.5 V]降压后为[1.40 V，1.45 V]，其正常工作时对应的A/D转换数值区间为[1 146，1 188]。

3.2 软件执行

在确信检测到的A/D转换数值超故障限值时，则开启控制器的调节电压功能，此时将控制I/O口信号使原调压器断开，同时PWM脉冲输出的占空比将从0开始以5%的比例逐步快速地增加。当检测到的A/D转换数值ATDDR在正常范围区间[1 146，1 188]时，则保持占空比不变；当ATDDR的值大于1 188时，占空比将会以5%的比例逐次减小，直至检测到ATTDR在正常范围时保持不变；当ATDDR的值小于1 146时，占空比同样会以5%的比例逐次增加，直至检测到ATTDR在正常范围时保持不变。

在运行下位机软件程序后，单片机运行程序里A/D转换模块AD_capture（）为使状态，定义一个标志调压功能是否打开的全局变量tystart，初始值为0，设置一个I/O口为输出且为低电平使电路中三极管为截止状态，即初始赋值VDA_dir为1且VDA为0，PWM输出模块的通道寄存器PWMDTY01=0，即占空比为0。当AD_capture（）收到的ATDDR的数值不在区间[1 208，1 081]时，原发电机调节器被识别为故障状态，tystart置1，使程序进入调压功能循环。即VDA_dir保持1，但VDA赋值1，三极管导通，PWMDTY01将不断的逐步增加，进入循环，直至ATDDR在正常范围内时才停止循环；当ATDDR小于正常值时，再次进入循环，PWMDTY01不断的逐步增加，直至ATDDR值正常；反之，同样进入循环，PWMDTY01不断的逐步减小，直至ATDDR值正常[7]。如表1所示。

4 设备集成与测试

将上述各硬件设计模块整合，外加一个DS5022M数字示波器，构成一个测试平台。

根据系统设计的要求，首先要确定检测到的电压值已超过故障限值，在打开BCM控制器调压功能的情况下再分别进行发电机输出为欠压、正常电压及过压三种情况的实验。实验开始，运行控制器，然后把模拟发电机的输出（直流稳压电源）调到区间[13.4 V，14.75 V]以外的一个值，使其达到故障的目的。此时控制器的调压功能正式打开，LED灯熄灭，故可以进行调压测试。

（1） 若进行欠压时的调压功能实验，需要把模拟发电机的输出调到14 V以下，观察模拟励磁线圈两端的电压（示波器的波形）变化，如图4所示。由结果可见，当采集的电压为12 V时，励磁两端电压通断时间逐步增加，即周期内的平均励磁电流逐渐增加。

（2） 若进行正常电压时的实验，需要把模拟发电机的输出调到14～14.5 V之间任意一个值即可，本次调到14 V，观察模拟励磁线圈两端的电压变化，如图5所示。由结果可见，励磁两端电压通断时间保持不变，即周期内的平均励磁电流将基本不变。

（3） 若进行过压时的实验，需要把模拟发电机的输出调到14.5 V以上，本次调到14.8 V，观察模拟励磁线圈两端的电压变化，如图6所示。可见该波形结果正好与欠压时相反，即周期内的平均励磁电流逐渐减小。

通过以上故障判断和三种情况的实验结果分析可知，本次实验基本达到了该设计的目的。

5 结 语

所设计的调压系统是基于智能BCM车身控制模块的主控制器而完成的，所以本设计的重点和难点是发电机调压器故障的判定， 同时打开BCM的调压功能和采集到的电压数据的处理，以及PWM输出的控制。通过测试，系统已满足设计要求。本系统接到实际的发电机上能形成一个闭环控制系统，无论发电机输出电压改变是何原因，都能通过该闭环控制使其被控电压快速恢复稳定。

参考文献

[1] 陈立东，王宝良，张晓芹.内装式汽车发电机电压调节器应用及研发现状[J].汽车维修，2013（4）：2?3.

[2] 叶金飞，李晓莉.带CAN和LIN网络的智能BCM设计[J].汽车电器，2013（1）：1?5.

[3] 罗峰，孙泽昌.汽车CAN总线系统原理、设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2010.

[4] 谢在玉.汽车电源系统及其电压调节器的工作原理与电路检测分析[J].产业与科技论坛，2008，7（10）：140?141.

[5] 李志红，张小芹，包长春，等.汽车发电机电压调节器多功能电子测试仪的研究与开发[J].现代电子技术，2013，36（15）：99?104.

[6] 邱伟.功率MOSFET关断过程五个阶段的研究[J].科技创新论坛，2014（13）：174?175.

[7] 邵贝贝.嵌入式系统中的双核技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.