一種新型電子控制發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的研究

徐春

一種新型電子控制發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的研究

徐春

（惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 惠州 516057）

集成運(yùn)算構(gòu)成減法運(yùn)算模式的電子自動(dòng)調(diào)節(jié)器主要的作用是可以自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)在任何轉(zhuǎn)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{(diào)節(jié)器電路中建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)電壓14.5V，使其與發(fā)電機(jī)輸出電壓進(jìn)行相減運(yùn)算比較，然后由調(diào)節(jié)器Uo端子輸出控制輸入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，輸入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流增加，發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出電壓也迅速上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷升高時(shí)，輸入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流減小，發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出電壓下降。

電子技術(shù)；減法運(yùn)算器；自動(dòng)控制

1 引言

汽車用發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器目前有觸點(diǎn)式、外搭鐵式晶體管式、計(jì)算機(jī)控制調(diào)節(jié)器和電子集成式調(diào)節(jié)器，主要的功能是調(diào)節(jié)由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(shè)備的要求。計(jì)算機(jī)控制調(diào)節(jié)器的造價(jià)成本較高，國產(chǎn)類低端品牌車輛進(jìn)行成本核算，要控制制造成本就不配套安裝計(jì)算機(jī)控制的調(diào)節(jié)器，造成了國產(chǎn)品牌車輛安裝傳統(tǒng)式調(diào)節(jié)器，這樣一來就會(huì)造成車輛的油耗過高、發(fā)電量不穩(wěn)定和對(duì)車輛電器元件損壞的情況，同時(shí)也影響了國產(chǎn)品牌車輛的使用率和尾氣排放污染，對(duì)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(diào)節(jié)器的工作原理及缺點(diǎn)情況，然后分析一種新型的集成電路電子控制的調(diào)節(jié)器的電子電路理論分析和控制原理，以及該調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 外搭鐵型電子調(diào)節(jié)器的基本電路組成

圖中外搭鐵型電子調(diào)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(diào)節(jié)器的基本電路組成

圖中電阻R1和R2組成一個(gè)分壓器，分壓器R1、R2的兩端的電壓為發(fā)電機(jī)電壓Ub，R1上得分壓為：VT2式大功率三極管（NPN型），和發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)繞組串聯(lián)，起開關(guān)作用，用來接通與切斷發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電路，VT1是小功率三極管（NPN型）用來放大控制信號(hào)，VD是續(xù)流二極管，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)繞組由接通轉(zhuǎn)為斷開時(shí)（F端為+，B端為-），經(jīng)二極管VD構(gòu)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(jié)并聯(lián)于分壓電阻R1的兩端，以感受發(fā)電機(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓Ub達(dá)到規(guī)定的調(diào)整值時(shí)（如桑塔納為13.5～14.8V），UR1電壓正好等于穩(wěn)壓管VS的反向?qū)妷骸?/p>

1.2 工作原理簡述

（1）點(diǎn)火開關(guān)SW接通，發(fā)電機(jī)電壓Ub<蓄電池電動(dòng)勢(shì)時(shí)，圖中調(diào)節(jié)器的VT1三極管截止?fàn)顟B(tài)，VT2三極管導(dǎo)通，蓄電池直接供電到勵(lì)磁繞組。此時(shí)的磁場(chǎng)繞組電路為：蓄電池正極→磁場(chǎng)繞組線圈→調(diào)節(jié)器F接線柱→三極管VT2→調(diào)節(jié)器E接線柱→搭鐵→蓄電池負(fù)極。該階段發(fā)電機(jī)他勵(lì)，其電壓隨轉(zhuǎn)速升高而升高。

（2）當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓雖然升高，但如果蓄電池電動(dòng)勢(shì)<發(fā)電機(jī)輸出電壓Ub<調(diào)節(jié)器控制上限電壓值時(shí)，圖中調(diào)節(jié)器的VT1三極管繼續(xù)截止，VT2三極管繼續(xù)導(dǎo)通，發(fā)電機(jī)開始自勵(lì)并對(duì)汽車所有電器部分供電。此時(shí)的磁場(chǎng)繞組電路為：發(fā)電機(jī)輸出端子正極→磁場(chǎng)繞組線圈→調(diào)節(jié)器F接線柱→三極管VT2→調(diào)節(jié)器E接線柱→搭鐵→發(fā)電機(jī)負(fù)極。發(fā)電機(jī)電壓隨轉(zhuǎn)速升高而繼續(xù)升高。

（3）當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓升高到等于電壓調(diào)節(jié)器控制上限U2時(shí)，調(diào)節(jié)器開始進(jìn)入工作狀態(tài)。圖中調(diào)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(shí)導(dǎo)通，三極管VT2集電極無電壓處于截止?fàn)顟B(tài)，勵(lì)磁繞組電路被切斷，此時(shí)發(fā)電機(jī)處于不發(fā)電狀態(tài)，輸出電壓迅速下降。當(dāng)輸出電壓下降到到等于調(diào)節(jié)下限U1時(shí)，調(diào)節(jié)器的電阻R1和R2分壓減小，當(dāng)UR1

2 集成運(yùn)算放大器構(gòu)成減法運(yùn)算電路構(gòu)想與分析

（1）使用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成減法運(yùn)算電路構(gòu)想：汽車在馬路上行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是變化的忽高忽低，汽車發(fā)電機(jī)是有發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)在工作時(shí)會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響，發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓也會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化上升或下降，波動(dòng)比較大對(duì)汽車電器設(shè)備和電子控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性造成影響。比如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)可能由于轉(zhuǎn)速過低而發(fā)電電壓低，輸出的發(fā)電電壓不足以供應(yīng)汽車全車電器設(shè)備及電子控制系統(tǒng)使用，而影響汽車整體性能。長時(shí)間使用蓄電池電壓對(duì)蓄電池充電也會(huì)造成充電不足的現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓上升至調(diào)節(jié)上限時(shí)傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器會(huì)停止向勵(lì)磁繞組線圈供電，使發(fā)電機(jī)不發(fā)電，此時(shí)汽車運(yùn)行所有用電設(shè)備及系統(tǒng)全部使用蓄電池供給的電壓，對(duì)蓄電池?fù)p壞也是很大的[1]。

（2）分析：因此通過以上的問題形成一個(gè)構(gòu)思，就是使用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成減法運(yùn)算電路原理，來設(shè)計(jì)一款電子自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流的調(diào)節(jié)器解決發(fā)電機(jī)在發(fā)電時(shí)不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加大發(fā)電機(jī)勵(lì)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(shè)備及電子控制系統(tǒng)工作用電，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)減小發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組線圈供電電流，使發(fā)電機(jī)輸出較小的發(fā)電電壓僅供汽車運(yùn)行時(shí)電器設(shè)備及電子控制系統(tǒng)用電，當(dāng)蓄電池虧電時(shí)向蓄電池充電補(bǔ)給，使蓄電池始終保持良好的電能儲(chǔ)備。

根據(jù)uP=C n Φ，此公式中Up是發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出電壓，C是發(fā)電機(jī)常數(shù)，n是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，Φ 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n較低時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓下降時(shí)，Ui1端子和Ui2標(biāo)準(zhǔn)電壓端之間電壓差值越大，輸入到放大電路中此時(shí)輸出電壓Uo 迅速升高，勵(lì)磁繞組電流也增大，發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓迅速升高。

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n較高時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓也升高至接近或等于14.5V時(shí)，Ui1端子和Ui2標(biāo)準(zhǔn)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(jī)勵(lì)磁繞組電流減小，發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓迅速下降。

1）減法運(yùn)算電路基本原理：

圖2 減法運(yùn)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(yùn)算電路圖中，輸入信號(hào)Ui1和Ui2分別加至反相輸入端和同相輸入端，對(duì)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(jié)論進(jìn)行分析[2]。

2）首先，設(shè)Ui1單獨(dú)作用，而Ui2=0，此時(shí)電路相當(dāng)于一個(gè)反相比例運(yùn)算電路，可得Ui1產(chǎn)生的輸出電壓Uo1為：

再設(shè)由ui2單獨(dú)作用，而ui1=0，則電路變?yōu)橐煌啾壤\(yùn)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(dāng)R1=R’1，RF=R’F時(shí)，則：

如上述式中所示，使用這樣一種運(yùn)算放大方式運(yùn)用到調(diào)節(jié)器控制原理中，設(shè)定Ui2端子需要汽車電源電路提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)電壓，電壓值為14.5V（使用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)電壓的理由是，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓從Ui1端子反向輸入到運(yùn)算放大器內(nèi)部電路時(shí)需要和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)電壓進(jìn)行比較，進(jìn)行運(yùn)算最終從uo端子輸出信號(hào)。從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組線圈的電流大小，使發(fā)電機(jī)輸出電壓在指定的可控范圍內(nèi)。14.5V標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)電壓這里只是設(shè)定，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)輸出最高電壓能達(dá)到14.5V左右時(shí)，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(duì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整后才可決定。）建立標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)電壓與發(fā)電機(jī)輸出電壓進(jìn)行比較，使用集成運(yùn)算構(gòu)成減法運(yùn)算模式，發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)出點(diǎn)電壓從Ui1反向端子輸入，運(yùn)算放大器對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相減比較。如上式中：

4）當(dāng)Ui1等于14.3V時(shí)，Uo輸出電壓為Uo =0；

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

因此，當(dāng)電源電壓us，即Ui1減小時(shí)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(jī)勵(lì)磁電流增加。設(shè)定，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n較低時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓下降接近或等于12.6V時(shí)，Ui1端子輸入運(yùn)算比較差值較大，輸入到放大電路中此時(shí)輸出電壓Uo 迅速升高，Uo電壓信號(hào)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(lì)磁繞組電流也增大，發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓迅速升高。

圖3 內(nèi)搭鐵型集成運(yùn)放電子調(diào)節(jié)器電路

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n較高時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓也升高至接近或等于14.5V時(shí)，Ui1端子輸入運(yùn)算比較差值較小，輸入到放大電路中此時(shí)輸出電壓Uo 迅速下降至0-1V左右，Uo電壓信號(hào)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(jī)勵(lì)磁繞組電流減小，發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓迅速下降。

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷升高，并且使發(fā)電機(jī)輸出電壓大于14.5V標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)電壓時(shí)，三極管VT1反向截止，此時(shí)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流被截止，發(fā)電機(jī)不發(fā)電。實(shí)際上發(fā)電機(jī)輸出電壓時(shí)達(dá)不到14.5V標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)電壓的，原因是當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓接近14.5V時(shí)二級(jí)放大的信號(hào)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(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流迅速下降接近零左右，發(fā)電機(jī)發(fā)電電壓下降。如此反復(fù)進(jìn)行上升與下降的調(diào)整，使發(fā)電機(jī)始終保持輸出電壓在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)，輸出電壓即供給汽車所有電器設(shè)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(yùn)算模式的電子自動(dòng)調(diào)節(jié)器在汽車上使用的話，可保證發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)任何轉(zhuǎn)速的工況下都能正常發(fā)電，而不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響。

3 傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器與電子自動(dòng)調(diào)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(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)、制動(dòng)ABS電子控制系統(tǒng)、車身安全控制系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、空調(diào)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(zhuǎn)速工況下都能正常工作，使得汽車對(duì)于蓄電池和發(fā)電機(jī)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(jī)發(fā)電電壓調(diào)節(jié)器只能夠滿足基本的調(diào)節(jié)功能，但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速忽高忽低不斷變化時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)正常的發(fā)電功能，同時(shí)在轉(zhuǎn)速變化時(shí)調(diào)節(jié)器三極管不斷的導(dǎo)通與截止[2]，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流就會(huì)出現(xiàn)有勵(lì)磁電流與無勵(lì)磁電流這種狀態(tài)，發(fā)電機(jī)一會(huì)發(fā)電一會(huì)停止發(fā)電，使發(fā)電機(jī)輸出電壓忽高忽低變化不斷，對(duì)汽車電器設(shè)備及電子控制系統(tǒng)都會(huì)帶來極大的安全使用隱患。

（2）集成運(yùn)算構(gòu)成減法運(yùn)算模式的電子自動(dòng)調(diào)節(jié)器主要的作用：首先在電子調(diào)節(jié)器電路中建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)電壓14.5V，使其與發(fā)電機(jī)輸出電壓進(jìn)行相減運(yùn)算比較，然后由調(diào)節(jié)器Uo端子輸出控制輸入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，輸入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流增加，發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出電壓也迅速上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷升高時(shí)，輸入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流減小，發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出電壓下降，反復(fù)進(jìn)行勵(lì)磁電流上升與下降的調(diào)整，使發(fā)電機(jī)始終保持輸出電壓在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)，輸出電壓的曲線變化也很小，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷變化的工況下不會(huì)影響發(fā)電機(jī)的正常工作，始終輸出可調(diào)控的發(fā)電電壓供給汽車使用。

4 總結(jié)

論述中講到發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器基準(zhǔn)電壓14.5V電壓，這個(gè)數(shù)值是設(shè)定值，需要在后續(xù)設(shè)計(jì)制造實(shí)驗(yàn)中不斷的進(jìn)行調(diào)整。從理論角度分析這種調(diào)節(jié)器可以使發(fā)電機(jī)充分的發(fā)揮作用，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗降低，汽車用電設(shè)備得到較好的保障。這是從理論推導(dǎo)的一個(gè)最基本模型，實(shí)際電路的設(shè)計(jì)需要設(shè)置和計(jì)算很多參數(shù)，需要對(duì)各個(gè)電路及元件進(jìn)行反復(fù)的模擬調(diào)試和實(shí)驗(yàn)才能最終成型。

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

[2] 張秀麗.基于內(nèi)?？刂破鞯挠来磐桨l(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制系統(tǒng)研究[J].國外電子測(cè)量技術(shù),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(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院。