一种新型电子控制发电机调节器的研究

徐春

一种新型电子控制发电机调节器的研究

徐春

（惠州经济职业技术学院，广东 惠州 516057）

集成运算构成减法运算模式的电子自动调节器主要的作用是可以自动控制发电机在任何转速下输出稳定的发电量，可降低车辆油耗和减少尾气排放。控制理论是：首先在电子调节器电路中建立一个标准参数电压14.5V，使其与发电机输出电压进行相减运算比较，然后由调节器Uo端子输出控制输入发电机励磁电流的大小。当发动机转速较低时，输入发电机励磁电流增加，发电机发电输出电压也迅速上升。当发电机转速不断升高时，输入发电机励磁电流减小，发电机发电输出电压下降。

电子技术；减法运算器；自动控制

1 引言

汽车用发电机调节器目前有触点式、外搭铁式晶体管式、计算机控制调节器和电子集成式调节器，主要的功能是调节由于发动机转速变化引起的发电量的高低变化，这种电压的变化较大输出电压不稳定，无法满足汽车用电设备的要求。计算机控制调节器的造价成本较高，国产类低端品牌车辆进行成本核算，要控制制造成本就不配套安装计算机控制的调节器，造成了国产品牌车辆安装传统式调节器，这样一来就会造成车辆的油耗过高、发电量不稳定和对车辆电器元件损坏的情况，同时也影响了国产品牌车辆的使用率和尾气排放污染，对城市环境也有较大的影响，基于以上种种情况，本文首先分析传统式调节器的工作原理及缺点情况，然后分析一种新型的集成电路电子控制的调节器的电子电路理论分析和控制原理，以及该调节器的优点。

1.1 外搭铁型电子调节器的基本电路组成

图中外搭铁型电子调节器的基本电路：它由三只电阻R1、R2、R3，两只三极管VT1，VT2，一只稳压二极管VD组成。

图1 外搭铁型电子调节器的基本电路组成

图中电阻R1和R2组成一个分压器，分压器R1、R2的两端的电压为发电机电压Ub，R1上得分压为：VT2式大功率三极管（NPN型），和发电机的磁场绕组串联，起开关作用，用来接通与切断发电机的励磁电路，VT1是小功率三极管（NPN型）用来放大控制信号，VD是续流二极管，转子磁场绕组由接通转为断开时（F端为+，B端为-），经二极管VD构成放电回路，防止三极管VT2被击穿损坏，稳压管VS是感受元件，串联在VT1的基极电路中，并通过VT1的发射结并联于分压电阻R1的两端，以感受发电机的输出电压，UR1电压加在稳压管VS上，R1的阻值是这样确定的，当发电机输出电压Ub达到规定的调整值时（如桑塔纳为13.5～14.8V），UR1电压正好等于稳压管VS的反向导通电压。

1.2 工作原理简述

（1）点火开关SW接通，发电机电压Ub<蓄电池电动势时，图中调节器的VT1三极管截止状态，VT2三极管导通，蓄电池直接供电到励磁绕组。此时的磁场绕组电路为：蓄电池正极→磁场绕组线圈→调节器F接线柱→三极管VT2→调节器E接线柱→搭铁→蓄电池负极。该阶段发电机他励，其电压随转速升高而升高。

（2）当发电机电压虽然升高，但如果蓄电池电动势<发电机输出电压Ub<调节器控制上限电压值时，图中调节器的VT1三极管继续截止，VT2三极管继续导通，发电机开始自励并对汽车所有电器部分供电。此时的磁场绕组电路为：发电机输出端子正极→磁场绕组线圈→调节器F接线柱→三极管VT2→调节器E接线柱→搭铁→发电机负极。发电机电压随转速升高而继续升高。

（3）当发电机输出电压升高到等于电压调节器控制上限U2时，调节器开始进入工作状态。图中调节器的电阻R1和R2开始分压，UR1=UVS+Ube1，稳压二极管VS此时导通，三极管VT2集电极无电压处于截止状态，励磁绕组电路被切断，此时发电机处于不发电状态，输出电压迅速下降。当输出电压下降到到等于调节下限U1时，调节器的电阻R1和R2分压减小，当UR1

2 集成运算放大器构成减法运算电路构想与分析

（1）使用集成运算放大器构成减法运算电路构想：汽车在马路上行驶时，发动机的转速是变化的忽高忽低，汽车发电机是有发动机皮带轮带动旋转，发电机在工作时会受到发动机转速变化的影响，发电机发电电压也会随着发动机转速变化上升或下降，波动比较大对汽车电器设备和电子控制系统的工作稳定性造成影响。比如当发动机低转速时，发电机可能由于转速过低而发电电压低，输出的发电电压不足以供应汽车全车电器设备及电子控制系统使用，而影响汽车整体性能。长时间使用蓄电池电压对蓄电池充电也会造成充电不足的现象。当发动机转速升高时发电机发电电压上升至调节上限时传统调节器会停止向励磁绕组线圈供电，使发电机不发电，此时汽车运行所有用电设备及系统全部使用蓄电池供给的电压，对蓄电池损坏也是很大的[1]。

（2）分析：因此通过以上的问题形成一个构思，就是使用集成运算放大器构成减法运算电路原理，来设计一款电子自动调节发电机励磁绕组电流的调节器解决发电机在发电时不受发动机转速变化的影响，当发动机低速运转时加大发电机励磁绕组线圈供电电流保证足够的发电电压，满足汽车所有电器设备及电子控制系统工作用电，当发动机转速升高时减小发电机励磁绕组线圈供电电流，使发电机输出较小的发电电压仅供汽车运行时电器设备及电子控制系统用电，当蓄电池亏电时向蓄电池充电补给，使蓄电池始终保持良好的电能储备。

根据uP=C n Φ，此公式中Up是发电机发电输出电压，C是发电机常数，n是发电机转速，Φ 发电机励磁电流。

当发电机转速n较低时，发电机输出电压下降时，Ui1端子和Ui2标准电压端之间电压差值越大，输入到放大电路中此时输出电压Uo 迅速升高，励磁绕组电流也增大，发电机发电电压迅速升高。

当发电机转速n较高时，发电机输出电压也升高至接近或等于14.5V时，Ui1端子和Ui2标准电压端之间电压差值变小。放大电路中输出电压Uo 端子迅速下降至0-1V左右，发电机励磁绕组电流减小，发电机发电电压迅速下降。

1）减法运算电路基本原理：

图2 减法运算电路

图中R1电阻是反向稳压电阻，R2是正向稳压电阻，RF是反馈电阻，R3是稳压电阻。减法运算电路图中，输入信号Ui1和Ui2分别加至反相输入端和同相输入端，对该电路也可以用“虚短”和“虚断”来分析。使用叠加定理根据同、反相比例电路已有的结论进行分析[2]。

2）首先，设Ui1单独作用，而Ui2=0，此时电路相当于一个反相比例运算电路，可得Ui1产生的输出电压Uo1为：

再设由ui2单独作用，而ui1=0，则电路变为一同相比例运算电路，可求得ui2产生的输出电压uo2为：

由此可求的总输出电压为：

3）当R1=R’1，RF=R’F时，则：

如上述式中所示，使用这样一种运算放大方式运用到调节器控制原理中，设定Ui2端子需要汽车电源电路提供一个标准参数电压，电压值为14.5V（使用标准参数电压的理由是，当发电机输出电压从Ui1端子反向输入到运算放大器内部电路时需要和标准参数电压进行比较，进行运算最终从uo端子输出信号。从而调节发电机励磁绕组线圈的电流大小，使发电机输出电压在指定的可控范围内。14.5V标准参数电压这里只是设定，因为发电机输出最高电压能达到14.5V左右时，uo几乎没有输出电压的可能性了，所以需要根据uo输出电压的要求对标准参数电压进行准确的调整后才可决定。）建立标准参数电压与发电机输出电压进行比较，使用集成运算构成减法运算模式，发电机实际发出点电压从Ui1反向端子输入，运算放大器对两个信号进行相减比较。如上式中：

4）当Ui1等于14.3V时，Uo输出电压为Uo =0；

当Ui1大于14.3V时，Uo为反向负值输出。当发电机输出比较低时，即当Ui1下降时Uo上升，当Ui1上升时Uo下降，把Uo作为下一级放大的信号输入大功率三极管基极电路。如图3所示。

因此，当电源电压us，即Ui1减小时三极管VT1基极输入电压高，电流大。故IE电流增加，如图所示发电机励磁电流增加。设定，当发电机转速n较低时，发电机输出电压下降接近或等于12.6V时，Ui1端子输入运算比较差值较大，输入到放大电路中此时输出电压Uo 迅速升高，Uo电压信号输入大功率三极管VT1基极，使三极管发射极输出电压增大，那么励磁绕组电流也增大，发电机发电电压迅速升高。

图3 内搭铁型集成运放电子调节器电路

当发电机转速n较高时，发电机输出电压也升高至接近或等于14.5V时，Ui1端子输入运算比较差值较小，输入到放大电路中此时输出电压Uo 迅速下降至0-1V左右，Uo电压信号输入大功率三极管VT1基极，使三极管发射极输出电压减小，那么发电机励磁绕组电流减小，发电机发电电压迅速下降。

当发电机转速不断升高，并且使发电机输出电压大于14.5V标准参数电压时，三极管VT1反向截止，此时发电机励磁电流被截止，发电机不发电。实际上发电机输出电压时达不到14.5V标准参数电压的，原因是当发电机输出电压接近14.5V时二级放大的信号Uo端子电压值已经很小或接近与0V了，因此在这样的情况下电动机励磁电流迅速下降接近零左右，发电机发电电压下降。如此反复进行上升与下降的调整，使发电机始终保持输出电压在一个恒定的范围内，输出电压即供给汽车所有电器设备和电子控制系统，还可以保证蓄电池始终处于饱满的电能。而且这种集成减法运算模式的电子自动调节器在汽车上使用的话，可保证发电机在发动机任何转速的工况下都能正常发电，而不受发动机转速变化的影响。

3 传统调节器与电子自动调节器效率分析

（1）汽车工业与电子工业的发展，现代汽车上面大量的使用了电子控制系统，发动机电子控制系统、制动ABS电子控制系统、车身安全控制系统、车载网络控制系统、空调和音响等各种电子控制系统，为了能够保证各种电子控制系统都能够在汽车任何转速工况下都能正常工作，使得汽车对于蓄电池和发电机的发电能量需求也越来越高。可是传统的汽车发电机发电电压调节器只能够满足基本的调节功能，但是当发动机转速忽高忽低不断变化时会严重影响发电机正常的发电功能，同时在转速变化时调节器三极管不断的导通与截止[2]，发电机励磁电流就会出现有励磁电流与无励磁电流这种状态，发电机一会发电一会停止发电，使发电机输出电压忽高忽低变化不断，对汽车电器设备及电子控制系统都会带来极大的安全使用隐患。

（2）集成运算构成减法运算模式的电子自动调节器主要的作用：首先在电子调节器电路中建立一个标准参数电压14.5V，使其与发电机输出电压进行相减运算比较，然后由调节器Uo端子输出控制输入发电机励磁电流的大小。当发动机转速较低时，输入发电机励磁电流增加，发电机发电输出电压也迅速上升。当发电机转速不断升高时，输入发电机励磁电流减小，发电机发电输出电压下降，反复进行励磁电流上升与下降的调整，使发电机始终保持输出电压在一个恒定的范围内，输出电压的曲线变化也很小，在发动机转速不断变化的工况下不会影响发电机的正常工作，始终输出可调控的发电电压供给汽车使用。

4 总结

论述中讲到发电机调节器基准电压14.5V电压，这个数值是设定值，需要在后续设计制造实验中不断的进行调整。从理论角度分析这种调节器可以使发电机充分的发挥作用，汽车发动机的油耗降低，汽车用电设备得到较好的保障。这是从理论推导的一个最基本模型，实际电路的设计需要设置和计算很多参数，需要对各个电路及元件进行反复的模拟调试和实验才能最终成型。

[1] 柴秀慧.一种新型双馈发电机转子位置估算方法研究[J].电力电子技术,2017.

[2] 张秀丽.基于内模控制器的永磁同步发电机并网控制系统研究[J].国外电子测量技术,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，就职于惠州经济职业技术学院。