一种爪极发电机励磁电压调节器

摘要

一种爪极发电机励磁电压调节器，包括控制电路、驱动电路、功率回路和反馈单元。控制电路的输入端与反馈单元的输出端连接，控制电路的输出端与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端与功率回路的输入端连接，功率回路的输出端以及反馈单元的输入端与爪机发电机的励磁绕组连接。反馈单元实时采集爪极发电机的实际输出电压，控制电路根据给定电压值与反馈单元输出的反馈电压的差值改变其输出脉冲的宽度来调节加在爪极发电机励磁绕组上的电压，从而达到稳定爪极发电机输出电压的作用。该励磁电压调节器电路简单、易于实现，抗干扰能力强，工作电压范围宽，系统可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电压调节器，尤其涉及一种爪极发电机励磁电压调节器， 实现爪极发电机在不同转速下电路稳定输出交流220V电压，属于发电机电压 调节领域。

背景技术

在生产生活领域的大型设备中，动力系统及控制系统大都由发动机带动发 电机，发电机转速随工作状态不同有很大变化，发电机的负载(用电设备)状 态也随时变化，会导致发电机输出电压的变化。用电设备要求发电机的输出电 压变化要小，因此，电压调节器是必不可少的部分，电压调节器使发电机的输 出电压在转速和负载变化时保持稳定。

现有电压调节器一般有两种实现方式，一种是采用微处理控制器的数字电 路实现，如实用新型专利《具有微处理控制器的汽车发电机电压调节器》(ZL 200620002951.3)，微处理控制器抗电磁干扰性差，对运行环境要求高，环境 恶劣情况下微处理控制器程序可能出现异常，因此这种电压调节器输出不稳定， 可靠性差；另一种采用模拟电路实现，如实用新型专利《汽车发电机电压调节 器》(ZL200520087591.7)、实用新型专利《车载电源及发电机控制装置》(ZL 200720095723.X)和实用新型专利《汽车发电机电压调节器》(ZL 200620052038.4)，这种电压调节器的缺陷是电路复杂、体积大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种爪极发电机励 磁电压调节器，电路简单、易于实现、抗干扰能力强、系统可靠性高。

本发明的技术解决方案是：一种爪极发电机励磁电压调节器，包括控制电 路、驱动电路、功率回路和反馈单元；控制电路的输入端与反馈单元的输出端 连接，控制电路的输出端与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端与功率 回路的输入端连接，功率回路的输出端以及反馈单元的输入端与爪机发电机的 励磁绕组连接；

反馈单元实时采集爪极发电机的实际输出电压U0，对其进行调制后得到反 馈电压Uf输出给控制电路；控制电路实时接收给定电压Ui和反馈单元输出的 反馈电压Uf，并对给定电压Ui进行调制得到调制后的电压，根据调制后的电 压和反馈电压的差值变化情况生成PWM信号输出给驱动电路；所述爪极发电 机的实际电压和给定电压Ui的调制比率相同；驱动电路对PWM信号放大后得 到驱动信号，并输出给功率回路；功率回路在驱动信号的控制下接通和关断， 得到调制后的电压实时输出给爪极发电机励磁绕组，以使爪极发电机的实际输 出电压逐渐达到给定电压Ui。

所述控制电路包括SG3524控制芯片、PWM输出频率设定单元、参考电 压设定单元和误差放大器相位补偿单元；

参考电压设定单元包括电阻R6和电阻R7，电阻R6和电阻R7的一端同 时与SG3524控制芯片的2脚连接，电阻R6的另一端与SG3524控制芯片的 11脚连接，电阻R7的另一端与SG3524控制芯片的16脚连接；

PWM输出频率设定单元包括电阻R5和电容C1，电阻R5的两端分别与 SG3524控制芯片的4脚和6脚连接，电容C1的两端分别与SG3524控制芯 片的4脚和7脚连接；

误差放大器相位补偿单元包括并联连接的电阻R8和电容C2，电阻R8和 电容C2并联连接的电路两端分别与SG3524控制芯片的9脚和1脚连接；

SG3524控制芯片的15脚接+15V外部电源，14脚、11脚、8脚、4脚和 5脚接地，12脚和13脚输出PWM信号。

所述反馈单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，电阻R1的一 端与爪极发电机的实际输出电压连接，另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2 的另一端分别与电阻R3和电阻R4的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻 R4的另一端与SG3524控制芯片的1脚连接。

所述驱动电路包括IR2110驱动芯片、二极管V1、电阻R9、电阻R10、 电阻R11、电阻R12、充电电容C1以及电容C2；

二极管V1的阴极与IR2110驱动芯片的6脚连接，二极管V1的阳极与+15V 电源连接，充电电容C1的负极与IR2110驱动芯片的6脚连接，充电电容C1 的正极与IR2110驱动芯片的5脚连接，电容C2连接在IR2110驱动芯片的6 脚和5脚之间，电阻R9连接在IR2110驱动芯片的7脚和5脚之间，电阻R11 的一端与IR2110驱动芯片的7脚连接，电阻R11的另一端与功率回路连接； IR2110驱动芯片的1脚同时与电阻R10的一端和电阻R12的一端连接，电阻 R10的另一端接地，电阻R12的另一端与功率回路连接；IR2110驱动芯片的5 脚与爪机发电机的励磁绕组连接，10脚与控制电路输出的PWM信号连接，12 脚接高电平，3脚和9脚连接+15V电源，11脚、13脚和2脚接地。

所述功率回路包括开关管V6、开关管V7、二极管V2、二极管V4、二极 管V5和二极管V7；

开关管V6的栅极与驱动电路的电阻R11连接，开关管V6的源极同时与 爪机发电机励磁绕组的一端、二极管V2的阳极、二极管V3的阴极连接，爪机 发电机励磁绕组的另一端同时与二极管V7的阳极、二极管V4的阴极以及开关 管V5的漏极连接，开关管V6的漏极一方面同时与二极管V7的阴极和二极管 V2的阴极连接，另一方面输出爪机发电机的电压；二极管V3的阳极、二极管 V4的阳极、开关管V5的源极均接地；开关管V5的栅极与驱动电路的电阻R12 连接。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用SG3524控制芯片与IR2110驱动芯片相结合的方式实现 电压调节，外围电路使用简单的分立元器件电阻电容实现，兼具了模拟电路和 数字电路的优点，不需要用户烧写程序，没有软件不完善带来的风险，同时电 阻电容不受外界环境影响，抗电磁干扰性强，对运行环境如温度、湿度、振动 噪声等工作条件要求低，电路简单、功耗小、功能单一，既降低了电路的复杂 性，又提高了稳定性和可靠性。

(2)本发明SG3524控制芯片通过外围电路参考电压设定单元将给定电 压值调制在芯片可以处理的范围内，反馈单元通过R1、R2、R3和R4同比例 对发电机实际电压进行调制，从而极大扩展了励磁电压调节器的工作电压范围。

(3)传统的微处理控制器结合外围电路基于模数转换和数模转换实现信号 放大以及电压调节，实现复杂，转换过程容易出错；传统的模拟电路一般通过 运算放大器、比较器以及逻辑门器件等实现信号放大以及电压调节，器件多且 电路复杂，而本发明利用IR2110驱动芯片实现PWM信号的放大，同时利用开 关管实现电压的调节，硬件电路简单，易于实现，减小了电压调节器的体积， 简单的电路结构也降低了电路中某器件故障而导致的电压调节器故障，从而进 一步提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明电压调节器组成框图；

图2为本发明控制电路和反馈单元电路图；

图3为本发明驱动电路和功率回路电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明爪极发电机励磁电压调节器包括控制电路201、驱动 电路202、功率回路203和反馈单元205；控制电路201的输入端与反馈单元 205的输出端连接，控制电路201的输出端与驱动电路202的输入端连接，驱 动电路202的输出端与功率回路203的输入端连接，功率回路203的输出端以 及反馈单元205的输入端与爪机发电机的励磁绕组连接；

反馈单元205实时采集爪极发电机的实际输出电压U0，对其进行调制后 得到反馈电压Uf输出给控制电路201；控制电路201实时接收给定电压Ui和 反馈单元205输出的反馈电压Uf，并对给定电压Ui进行调制得到调制后的电 压，根据调制后的电压和反馈电压的差值变化情况生成PWM信号输出给驱动 电路202；所述爪极发电机的实际电压和给定电压Ui的调制比率相同；驱动电 路202对PWM信号放大后得到驱动信号，并输出给功率回路203；功率回路 203在驱动信号的控制下接通和关断，得到调制后的电压实时输出给爪极发电 机励磁绕组，以使爪极发电机的实际输出电压逐渐达到给定电压Ui。

如图2所示，控制电路201采用单端PWM输出方式，由SG3524控制 芯片301、参考电压设定单元302、PWM输出频率设定单元304以及误差放 大器相位补偿单元305组成。参考电压设定单元302由R6与R7组成，电阻 R6和电阻R7的一端同时与SG3524控制芯片的2脚连接，电阻R6的另一端 与SG3524控制芯片的11脚连接，电阻R7的另一端与SG3524控制芯片301 的16脚连接，R6和R7与16脚构成分压电路对参考电压进行分压调制得到调 制后的电压Ut，作为SG3524控制芯片301内部的误差放大器的输入电压。 PWM输出频率设定单元304由R5和C1组成，R5的两端分别与SG3524控 制芯片的4脚和6脚连接，电容C1的两端分别与SG3524控制芯片的4脚和 7脚连接，R5和C1共同决定PWM的输出频率，本设计中设定其频率为20KHz， 误差放大器相位补偿单元305由C2与R8并联组成，并联连接的电路两端分 别与SG3524控制芯片的9脚和1脚连接，作为误差放大器的相位补偿电路， 用于对反馈单元205输出给控制电路201的反馈电压Uf进行相位补偿，使Uf 和Ut相位一致。SG3524控制芯片301的15脚接+15V外部电源，14脚、11 脚、8脚、4脚和5脚接地，12脚和13脚并联输出PWM信号。

反馈单元205包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，电阻R1的一 端与爪极发电机的实际输出电压连接，另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2 的另一端分别与电阻R3和电阻R4的一端连接，电阻R3的另一端接地，电阻 R4的另一端与SG3524控制芯片301的1脚连接。反馈单元205将发电机的 励磁电压通过R1、R2、R3和R4调制后得到反馈电压Uf发送至SG3524控 制芯片301内部的误差放大器，误差放大器将Ut与Uf比较，从而改变PWM 脉宽(占空比)输出。当Ut和Uf的差值为正时，PWM信号占空比增大；当 差值为负时，PWM信号占空比减小。

如图3所示，驱动电路202包括IR2110驱动芯片、二极管V1、电阻R9、 电阻R10、电阻R11、电阻R12、充电电容C1以及电容C2；二极管V1的阴 极与IR2110驱动芯片的6脚连接，二极管V1的阳极与+15V电源连接，充电 电容C1的负极与IR2110驱动芯片的6脚连接，充电电容C1的正极与IR2110 驱动芯片的5脚连接，电容C2连接在IR2110驱动芯片的6脚和5脚之间，电 阻R9连接在IR2110驱动芯片的7脚和5脚之间，电阻R11的一端与IR2110 驱动芯片的7脚连接，电阻R11的另一端与功率回路203连接；IR2110驱动 芯片的1脚同时与电阻R10的一端和电阻R12的一端连接，电阻R10的另一 端接地，电阻R12的另一端与功率回路203连接；IR2110驱动芯片的5脚与 爪机发电机的励磁绕组连接，10脚与控制电路201输出的PWM信号连接，12 脚接高电平，3脚和9脚连接+15V电源，11脚、13脚和2脚接地。

功率回路203包括开关管V6、开关管V7、二极管V2、二极管V4、二极 管V5和二极管V7；

开关管V6的栅极与驱动电路202的电阻R11连接，开关管V6的源极同 时与爪机发电机励磁绕组的一端、二极管V2的阳极、二极管V3的阴极连接， 爪机发电机励磁绕组的另一端同时与二极管V7的阳极、二极管V4的阴极以及 开关管V5的漏极连接，开关管V6的漏极一方面同时与二极管V7的阴极和二 极管V2的阴极连接，另一方面输出爪机发电机的电压；二极管V3的阳极、二 极管V4的阳极、开关管V5的源极均接地；开关管V5的栅极与驱动电路202 的电阻R12连接。

控制电路201的输出接IR2110驱动芯片的高端逻辑输入控制引脚10， 而IR2110驱动芯片的低端逻辑输入控制引脚12接高电平，这样就使开关管 V5(功率器件)处于常开状态而V6根据SG3524控制芯片输出的PWM信号 来调节其开通和关断。当IR2110驱动芯片的7脚输出高电平时，V6导通，则 发电机的励磁电压就通过功率器件V5、V6加在励磁绕组上，PWM的脉冲宽 度决定了励磁绕组的导通持续时间。

当爪极发电机转速发生变化时，爪极发电机励磁电压调节器通过改变其输 出脉冲宽度来调节加在励磁绕组上的电压，从而达到稳定爪极发电机输出电压 的作用。

爪极发电机励磁电压调节器的工作过程为：当爪极发电机转速上升，爪极 发电机输出电压上升，反馈单元205输出给控制电路201的反馈电压Uf上升， SG3524控制芯片中的SG3524误差放大器输出Ut-Uf下降，SG3524控制芯 片的12脚与13脚输出脉宽下降，爪机发电机励磁绕组导通时间下降，励磁电 流下降，爪极发电机转速下降，爪极发电机输出电压下降，上述过程循环进行， 最终使爪极发电机输出电压稳定。

反之，当爪极发电机转速下降时，会使得爪极发电机输出电压下降，反馈 单元205输出给控制电路201的反馈电压Uf下降，SG3524控制芯片中的 SG3524误差放大器输出Ut-Uf上升，SG3524控制芯片的12脚与13脚输出 脉宽上升，励磁绕组导通时间上升，励磁电流上升，爪极发电机转速上升，爪 极发电机输出电压上升，最终使爪极发电机输出电压稳定。

上述爪极发电机转速上升与下降的工作工程说明，当发电机转速变化时， 通过反馈单元205使SG3524控制芯片的误差放大器504输出也发生变化，从 而控制SG3524控制芯片输出PWM信号的脉宽也相应变化，导致励磁电流也 随之变化，最终使爪极发电机输出电压稳定。这样，就具有了自动稳压的功能。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。