徐春

一種新型電子控制發(fā)電機調節(jié)器的研究

徐春

（惠州經(jīng)濟職業(yè)技術學院，廣東 惠州 516057）

集成運算構成減法運算模式的電子自動調節(jié)器主要的作用是可以自動控制發(fā)電機在任何轉速下輸出穩(wěn)定的發(fā)電量，可降低車輛油耗和減少尾氣排放?？刂评碚撌牵菏紫仍陔娮诱{節(jié)器電路中建立一個標準參數(shù)電壓14.5V，使其與發(fā)電機輸出電壓進行相減運算比較，然后由調節(jié)器Uo端子輸出控制輸入發(fā)電機勵磁電流的大小。當發(fā)動機轉速較低時，輸入發(fā)電機勵磁電流增加，發(fā)電機發(fā)電輸出電壓也迅速上升。當發(fā)電機轉速不斷升高時，輸入發(fā)電機勵磁電流減小，發(fā)電機發(fā)電輸出電壓下降。

電子技術；減法運算器；自動控制

1 引言

汽車用發(fā)電機調節(jié)器目前有觸點式、外搭鐵式晶體管式、計算機控制調節(jié)器和電子集成式調節(jié)器，主要的功能是調節(jié)由于發(fā)動機轉速變化引起的發(fā)電量的高低變化，這種電壓的變化較大輸出電壓不穩(wěn)定，無法滿足汽車用電設備的要求。計算機控制調節(jié)器的造價成本較高，國產(chǎn)類低端品牌車輛進行成本核算，要控制制造成本就不配套安裝計算機控制的調節(jié)器，造成了國產(chǎn)品牌車輛安裝傳統(tǒng)式調節(jié)器，這樣一來就會造成車輛的油耗過高、發(fā)電量不穩(wěn)定和對車輛電器元件損壞的情況，同時也影響了國產(chǎn)品牌車輛的使用率和尾氣排放污染，對城市環(huán)境也有較大的影響，基于以上種種情況，本文首先分析傳統(tǒng)式調節(jié)器的工作原理及缺點情況，然后分析一種新型的集成電路電子控制的調節(jié)器的電子電路理論分析和控制原理，以及該調節(jié)器的優(yōu)點。

1.1 外搭鐵型電子調節(jié)器的基本電路組成

圖中外搭鐵型電子調節(jié)器的基本電路：它由三只電阻R1、R2、R3，兩只三極管VT1，VT2，一只穩(wěn)壓二極管VD組成。

圖1 外搭鐵型電子調節(jié)器的基本電路組成

圖中電阻R1和R2組成一個分壓器，分壓器R1、R2的兩端的電壓為發(fā)電機電壓Ub，R1上得分壓為：VT2式大功率三極管（NPN型），和發(fā)電機的磁場繞組串聯(lián)，起開關作用，用來接通與切斷發(fā)電機的勵磁電路，VT1是小功率三極管（NPN型）用來放大控制信號，VD是續(xù)流二極管，轉子磁場繞組由接通轉為斷開時（F端為+，B端為-），經(jīng)二極管VD構成放電回路，防止三極管VT2被擊穿損壞，穩(wěn)壓管VS是感受元件，串聯(lián)在VT1的基極電路中，并通過VT1的發(fā)射結并聯(lián)于分壓電阻R1的兩端，以感受發(fā)電機的輸出電壓，UR1電壓加在穩(wěn)壓管VS上，R1的阻值是這樣確定的，當發(fā)電機輸出電壓Ub達到規(guī)定的調整值時（如桑塔納為13.5～14.8V），UR1電壓正好等于穩(wěn)壓管VS的反向導通電壓。

1.2 工作原理簡述

（1）點火開關SW接通，發(fā)電機電壓Ub<蓄電池電動勢時，圖中調節(jié)器的VT1三極管截止狀態(tài)，VT2三極管導通，蓄電池直接供電到勵磁繞組。此時的磁場繞組電路為：蓄電池正極→磁場繞組線圈→調節(jié)器F接線柱→三極管VT2→調節(jié)器E接線柱→搭鐵→蓄電池負極。該階段發(fā)電機他勵，其電壓隨轉速升高而升高。

（2）當發(fā)電機電壓雖然升高，但如果蓄電池電動勢<發(fā)電機輸出電壓Ub<調節(jié)器控制上限電壓值時，圖中調節(jié)器的VT1三極管繼續(xù)截止，VT2三極管繼續(xù)導通，發(fā)電機開始自勵并對汽車所有電器部分供電。此時的磁場繞組電路為：發(fā)電機輸出端子正極→磁場繞組線圈→調節(jié)器F接線柱→三極管VT2→調節(jié)器E接線柱→搭鐵→發(fā)電機負極。發(fā)電機電壓隨轉速升高而繼續(xù)升高。

（3）當發(fā)電機輸出電壓升高到等于電壓調節(jié)器控制上限U2時，調節(jié)器開始進入工作狀態(tài)。圖中調節(jié)器的電阻R1和R2開始分壓，UR1=UVS+Ube1，穩(wěn)壓二極管VS此時導通，三極管VT2集電極無電壓處于截止狀態(tài)，勵磁繞組電路被切斷，此時發(fā)電機處于不發(fā)電狀態(tài)，輸出電壓迅速下降。當輸出電壓下降到到等于調節(jié)下限U1時，調節(jié)器的電阻R1和R2分壓減小，當UR1

2 集成運算放大器構成減法運算電路構想與分析

（1）使用集成運算放大器構成減法運算電路構想：汽車在馬路上行駛時，發(fā)動機的轉速是變化的忽高忽低，汽車發(fā)電機是有發(fā)動機皮帶輪帶動旋轉，發(fā)電機在工作時會受到發(fā)動機轉速變化的影響，發(fā)電機發(fā)電電壓也會隨著發(fā)動機轉速變化上升或下降，波動比較大對汽車電器設備和電子控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性造成影響。比如當發(fā)動機低轉速時，發(fā)電機可能由于轉速過低而發(fā)電電壓低，輸出的發(fā)電電壓不足以供應汽車全車電器設備及電子控制系統(tǒng)使用，而影響汽車整體性能。長時間使用蓄電池電壓對蓄電池充電也會造成充電不足的現(xiàn)象。當發(fā)動機轉速升高時發(fā)電機發(fā)電電壓上升至調節(jié)上限時傳統(tǒng)調節(jié)器會停止向勵磁繞組線圈供電，使發(fā)電機不發(fā)電，此時汽車運行所有用電設備及系統(tǒng)全部使用蓄電池供給的電壓，對蓄電池損壞也是很大的[1]。

（2）分析：因此通過以上的問題形成一個構思，就是使用集成運算放大器構成減法運算電路原理，來設計一款電子自動調節(jié)發(fā)電機勵磁繞組電流的調節(jié)器解決發(fā)電機在發(fā)電時不受發(fā)動機轉速變化的影響，當發(fā)動機低速運轉時加大發(fā)電機勵磁繞組線圈供電電流保證足夠的發(fā)電電壓，滿足汽車所有電器設備及電子控制系統(tǒng)工作用電，當發(fā)動機轉速升高時減小發(fā)電機勵磁繞組線圈供電電流，使發(fā)電機輸出較小的發(fā)電電壓僅供汽車運行時電器設備及電子控制系統(tǒng)用電，當蓄電池虧電時向蓄電池充電補給，使蓄電池始終保持良好的電能儲備。

根據(jù)uP=C n Φ，此公式中Up是發(fā)電機發(fā)電輸出電壓，C是發(fā)電機常數(shù)，n是發(fā)電機轉速，Φ 發(fā)電機勵磁電流。

當發(fā)電機轉速n較低時，發(fā)電機輸出電壓下降時，Ui1端子和Ui2標準電壓端之間電壓差值越大，輸入到放大電路中此時輸出電壓Uo 迅速升高，勵磁繞組電流也增大，發(fā)電機發(fā)電電壓迅速升高。

當發(fā)電機轉速n較高時，發(fā)電機輸出電壓也升高至接近或等于14.5V時，Ui1端子和Ui2標準電壓端之間電壓差值變小。放大電路中輸出電壓Uo 端子迅速下降至0-1V左右，發(fā)電機勵磁繞組電流減小，發(fā)電機發(fā)電電壓迅速下降。

1）減法運算電路基本原理：

圖2 減法運算電路

圖中R1電阻是反向穩(wěn)壓電阻，R2是正向穩(wěn)壓電阻，RF是反饋電阻，R3是穩(wěn)壓電阻。減法運算電路圖中，輸入信號Ui1和Ui2分別加至反相輸入端和同相輸入端，對該電路也可以用“虛短”和“虛斷”來分析。使用疊加定理根據(jù)同、反相比例電路已有的結論進行分析[2]。

2）首先，設Ui1單獨作用，而Ui2=0，此時電路相當于一個反相比例運算電路，可得Ui1產(chǎn)生的輸出電壓Uo1為：

再設由ui2單獨作用，而ui1=0，則電路變?yōu)橐煌啾壤\算電路，可求得ui2產(chǎn)生的輸出電壓uo2為：

由此可求的總輸出電壓為：

3）當R1=R’1，RF=R’F時，則：

如上述式中所示，使用這樣一種運算放大方式運用到調節(jié)器控制原理中，設定Ui2端子需要汽車電源電路提供一個標準參數(shù)電壓，電壓值為14.5V（使用標準參數(shù)電壓的理由是，當發(fā)電機輸出電壓從Ui1端子反向輸入到運算放大器內部電路時需要和標準參數(shù)電壓進行比較，進行運算最終從uo端子輸出信號。從而調節(jié)發(fā)電機勵磁繞組線圈的電流大小，使發(fā)電機輸出電壓在指定的可控范圍內。14.5V標準參數(shù)電壓這里只是設定，因為發(fā)電機輸出最高電壓能達到14.5V左右時，uo幾乎沒有輸出電壓的可能性了，所以需要根據(jù)uo輸出電壓的要求對標準參數(shù)電壓進行準確的調整后才可決定。）建立標準參數(shù)電壓與發(fā)電機輸出電壓進行比較，使用集成運算構成減法運算模式，發(fā)電機實際發(fā)出點電壓從Ui1反向端子輸入，運算放大器對兩個信號進行相減比較。如上式中：

4）當Ui1等于14.3V時，Uo輸出電壓為Uo =0；

當Ui1大于14.3V時，Uo為反向負值輸出。當發(fā)電機輸出比較低時，即當Ui1下降時Uo上升，當Ui1上升時Uo下降，把Uo作為下一級放大的信號輸入大功率三極管基極電路。如圖3所示。

因此，當電源電壓us，即Ui1減小時三極管VT1基極輸入電壓高，電流大。故IE電流增加，如圖所示發(fā)電機勵磁電流增加。設定，當發(fā)電機轉速n較低時，發(fā)電機輸出電壓下降接近或等于12.6V時，Ui1端子輸入運算比較差值較大，輸入到放大電路中此時輸出電壓Uo 迅速升高，Uo電壓信號輸入大功率三極管VT1基極，使三極管發(fā)射極輸出電壓增大，那么勵磁繞組電流也增大，發(fā)電機發(fā)電電壓迅速升高。

圖3 內搭鐵型集成運放電子調節(jié)器電路

當發(fā)電機轉速n較高時，發(fā)電機輸出電壓也升高至接近或等于14.5V時，Ui1端子輸入運算比較差值較小，輸入到放大電路中此時輸出電壓Uo 迅速下降至0-1V左右，Uo電壓信號輸入大功率三極管VT1基極，使三極管發(fā)射極輸出電壓減小，那么發(fā)電機勵磁繞組電流減小，發(fā)電機發(fā)電電壓迅速下降。

當發(fā)電機轉速不斷升高，并且使發(fā)電機輸出電壓大于14.5V標準參數(shù)電壓時，三極管VT1反向截止，此時發(fā)電機勵磁電流被截止，發(fā)電機不發(fā)電。實際上發(fā)電機輸出電壓時達不到14.5V標準參數(shù)電壓的，原因是當發(fā)電機輸出電壓接近14.5V時二級放大的信號Uo端子電壓值已經(jīng)很小或接近與0V了，因此在這樣的情況下電動機勵磁電流迅速下降接近零左右，發(fā)電機發(fā)電電壓下降。如此反復進行上升與下降的調整，使發(fā)電機始終保持輸出電壓在一個恒定的范圍內，輸出電壓即供給汽車所有電器設備和電子控制系統(tǒng)，還可以保證蓄電池始終處于飽滿的電能。而且這種集成減法運算模式的電子自動調節(jié)器在汽車上使用的話，可保證發(fā)電機在發(fā)動機任何轉速的工況下都能正常發(fā)電，而不受發(fā)動機轉速變化的影響。

3 傳統(tǒng)調節(jié)器與電子自動調節(jié)器效率分析

（1）汽車工業(yè)與電子工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車上面大量的使用了電子控制系統(tǒng)，發(fā)動機電子控制系統(tǒng)、制動ABS電子控制系統(tǒng)、車身安全控制系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、空調和音響等各種電子控制系統(tǒng)，為了能夠保證各種電子控制系統(tǒng)都能夠在汽車任何轉速工況下都能正常工作，使得汽車對于蓄電池和發(fā)電機的發(fā)電能量需求也越來越高?？墒莻鹘y(tǒng)的汽車發(fā)電機發(fā)電電壓調節(jié)器只能夠滿足基本的調節(jié)功能，但是當發(fā)動機轉速忽高忽低不斷變化時會嚴重影響發(fā)電機正常的發(fā)電功能，同時在轉速變化時調節(jié)器三極管不斷的導通與截止[2]，發(fā)電機勵磁電流就會出現(xiàn)有勵磁電流與無勵磁電流這種狀態(tài)，發(fā)電機一會發(fā)電一會停止發(fā)電，使發(fā)電機輸出電壓忽高忽低變化不斷，對汽車電器設備及電子控制系統(tǒng)都會帶來極大的安全使用隱患。

（2）集成運算構成減法運算模式的電子自動調節(jié)器主要的作用：首先在電子調節(jié)器電路中建立一個標準參數(shù)電壓14.5V，使其與發(fā)電機輸出電壓進行相減運算比較，然后由調節(jié)器Uo端子輸出控制輸入發(fā)電機勵磁電流的大小。當發(fā)動機轉速較低時，輸入發(fā)電機勵磁電流增加，發(fā)電機發(fā)電輸出電壓也迅速上升。當發(fā)電機轉速不斷升高時，輸入發(fā)電機勵磁電流減小，發(fā)電機發(fā)電輸出電壓下降，反復進行勵磁電流上升與下降的調整，使發(fā)電機始終保持輸出電壓在一個恒定的范圍內，輸出電壓的曲線變化也很小，在發(fā)動機轉速不斷變化的工況下不會影響發(fā)電機的正常工作，始終輸出可調控的發(fā)電電壓供給汽車使用。

4 總結

論述中講到發(fā)電機調節(jié)器基準電壓14.5V電壓，這個數(shù)值是設定值，需要在后續(xù)設計制造實驗中不斷的進行調整。從理論角度分析這種調節(jié)器可以使發(fā)電機充分的發(fā)揮作用，汽車發(fā)動機的油耗降低，汽車用電設備得到較好的保障。這是從理論推導的一個最基本模型，實際電路的設計需要設置和計算很多參數(shù)，需要對各個電路及元件進行反復的模擬調試和實驗才能最終成型。

[1] 柴秀慧.一種新型雙饋發(fā)電機轉子位置估算方法研究[J].電力電子技術,2017.

[2] 張秀麗.基于內?？刂破鞯挠来磐桨l(fā)電機并網(wǎng)控制系統(tǒng)研究[J].國外電子測量技術,2019.

Research on a New Type of Electronic Control Generator Regulator

Xu Chun

( Huizhou Economics and Polytechnic College, Guangdong Huizhou 516057 )

The main function of the electronic automatic regulator, which integrates calculations and forms the subtraction calculation mode, is to automatically control the generator to output a stable power generation at any speed, which can reduce vehicle fuel consumption and reduce exhaust emissions. The control theory is: first, establish a standard parameter voltage 14.5V in the electronic regulator circuit, and make it subtract and compare it with the generator output voltage, and then the regulator Uo terminal output controls the input generator excitation current. When the engine speed is low, the input generator excitation current increases, and the generator output voltage also rises rapidly. When the generator speed continues to increase, the input generator excitation current decreases, and the generator output voltage drops.

Electronic technology; Subtraction calculator; Automatic control

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.016

U463.6

A

1671-7988(2021)03-54-04

U463.6

A

1671-7988(2021)03-54-04

徐春，就職于惠州經(jīng)濟職業(yè)技術學院。