限制超时励磁的电压调节方法和电压调节器

摘要

一种限制超时励磁的电压调节方法，包括用延迟小于1微秒的采样单元对发电机输出电压进行采样，将采样信号和基准阈值电压比较，欠压时定频触发信号通过触发单元开启励磁电流，过压时通过触发单元切断励磁电流，使调节器的异步延迟量即超时励磁时间小于12微秒；采用所述方法的电压调节器包括振荡单元连接触发单元，采样单元和阈值单元连接比较单元，比较单元连接触发单元，触发单元连接开关单元第一端，开关单元第二端为励磁控制端且连接续流单元，开关单元第三端接地，当欠压时触发单元在振荡单元的定频触发信号触发下通过开关单元开启励磁电流并锁止，当过压时在12微秒内切断励磁电流并锁止，从而限制超时励磁，使电压调节更为精准安全可靠。

说明书

技术领域

本发明属于发电机控制技术领域，涉及限制超时励磁的电压调节方法和电压调节器。

背景技术

汽车发电机电压调节器的调节过程，一般是通过电压采样端动态的采集发电机输出电压 获取采样信号，与所设定的基准阈值电压进行比较，当采样信号电压小于基准阈值电压时接 通励磁电流，当采样信号电压大于等于基准阈值电压时切断励磁电流；这一动态的调节过程 是基于下述关系实现的：采样信号电压与发电机输出电压的比值等于基准阈值电压与发电机 输出电压设定值的比值。

通常采用若干个串联的采样电阻构成采样电路输出采样信号，再通过后级电路及功率管 控制励磁电流；然而作为汽车电源的发电机输出电压经常会混有多种频率的干扰杂波，这些 干扰杂波也会夹杂在采样信号中，为了防止干扰杂波导致励磁频率过高和改善功率管的励磁 电流波形，采样电阻上常常需要接有滤波电容对采样信号中的干扰杂波进行滤波；在滤波的 同时也导致采样节点上的信号变化滞后于发电机输出电压的实时工况，这是由于滤波电容与 采样电阻构成RC积分电路，在发电机输出电压实时值上升到大于等于设定值的过压时刻，而 此刻受滤波电容影响的采样信号的电压还低于基准阈值电压，使发电机励磁电流任然接通， 等到滤波电容的充电电压升高到大于等于基准阈值电压的时刻，才通过后级电路切断励磁电 流，这样使得发电机输出电压超过设定值的时间点和励磁电流切断的时间点之间存在一个延 时，即励磁电流切断存在异步延迟量，以致发电机被超时励磁，在这一个延迟时间内调节器、 励磁线圈和发电机一直工作在励磁状态。

通过对现有发电机电压调节器实测，得出的数据显示其异步延迟量多在0.1～2mS；特别 是在发电机高速时，超时励磁占据了更大的电角度，产生更大的感生电动势、以及产生过度 调节、抛负载感应电压升高、整流桥与调节器功率管及其他车载电器等承受更大的电流冲击 和潜在的威胁，致使电压调节器容易出现过早损坏，而且一般现有的电压调节器输出的励磁 波形的边沿不陡峭、杂波多，导致器件损耗大温升高、易损坏，降低使用寿命。

而在原有的开关放大电路中采用调控反馈系数的方式，虽然在一定程度上折中考虑延迟 时间和励磁频率问题，但其延迟时间还是往往达到0.1mS或以上，且功率管开闭时励磁波形 仍会出现斜坡及抖动，延迟量问题和功率管开关损耗问题没有从根本上得到解决。

下表显示了普通12极交流发电机励磁切断延迟时间和对应不同转速下延迟的电角度：

因此，尽可能地减小发电机电压调节器励磁切断的异步延迟量对于调节器的安全性、灵 敏度、调节精度较为重要，特别是对调节器的安全性尤为重要。但先前技术中，如果去掉采 样信号的滤波电容将会引起励磁频率过高以及功率管驱动波形的畸变，使功率管工作于较高 频率、驱动不足、在放大区滞留时间过长导致开关损耗过大、发热过多、易损坏问题；解决 的办法之一是采用触发器电路来控制功率管的开启与关闭，这虽然解决了开关频率和开关损 耗问题，但现有技术的触发器电路结构过于繁琐复杂、成本高、难于实现。

综上所述，现有电压调节器存在四个方面的问题：

(1)减小超时励磁与控制励磁频率难以兼顾；

(2)功率管驱动波形不良导致开关损耗增大；

(3)安全可靠性不高、经常发生过早损坏；

(4)现有技术的触发器电路结构复杂。

发明内容

本发明的目的是：解决上述问题中的至少一个技术问题，尤其是针对电压调节器异步延 迟量过大的问题，同时兼顾调节器的频率特性，主要在于通过对超时励磁的限制以达到发电 机输出电压大于等于设定值时尽快切断励磁，使电压调节更为精准安全可靠。

为此，一种设计思想是：设法减小采样电阻和滤波电容构成的RC时间常数，以使励磁切 断的延迟时间尽量缩短，再将采样信号与基准阈值电压比较，通过触发器的状态保持和翻转 来控制励磁电流；基于这样的思想，如采样电路延迟小于1微秒、调节器的比较电路及后级 的触发器的延迟时间小于10微秒、功率管的延迟时间小于1微秒，这样调节器总的延迟时间 限定在12微秒以内，按照一般12极发电机12000R/M高速时的延迟量计算，12微秒期间延 迟电角度仅为5.184°，采样电路既使存在电容器，当其RC延迟时间做到1微秒以下，其延 迟时间几乎不会使发电机产生危害性的超时励磁；当然，一种极致的方法是去掉电容器，仅 仅采用电阻、晶体管构成的采样电路的延迟时间几乎为0，而现有一般普通电子器件的延迟 时间：比较器在纳秒级至微秒级，MOS功率管延迟时间在纳秒至数十纳秒，门电路的延迟时 间一般在纳秒至数十纳秒，双极型晶体管延迟时间则更短，所以一般普通比较器、触发器、 功率管构成的电路总的延迟时间在纳秒级至微秒级，调节器延迟时间更短；但仅仅用原有开 关放大电路结构无法兼顾励磁频率及彻底改善励磁波形，所以选用具有两种稳态的触发器来 控制励磁电流，即用一触发信号来使触发器自锁于第一稳态用于开启励磁电流，过压时刻到 来时用过压信号关断励磁电流，这样实现既缩短励磁延迟时间同时又兼顾了励磁频率，同时 触发器的两个稳态使得励磁波形从本质上得到改善。

为了实现上述目的，依据本发明的第一方面，提供了第一种限制超时励磁的电压调节方 法，其特殊之处是，包括步骤：

SA1：对发电机输出电压不间断地进行实时同步采样，获取相对于实时变化的发电机输出 电压延迟时间小于1微秒的采样信号；

SA2：将所述采样信号和通过阈值单元预设的基准阈值电压经一延迟时间小于10微秒的 电路进行比较，用于确定发电机输出电压是否达大于等于设定值，如否则进行步骤SA3，如 是则所述延迟时间小于10微秒的电路输出第一电压，进行步骤SA4；

SA3：通过一触发单元接收定频触发信号或接收延时触发信号，使所述触发单元在所述定 频触发信号或延时触发信号作用下自锁于第一稳态，并通过功率器件开启发电机励磁电流；

所述定频触发信号为固定频率的信号，所述延时触发信号包括：对应于每一次励磁电流 切断时刻的控制信号经延时得到的脉冲，及对电压调节器进行激活的上电信号或所述上电信 号经延时得到的脉冲；

SA4：通过所述第一电压对所述触发单元进行触发，使所述触发单元在所述第一电压作用 下迅速翻转并自锁于第二稳态并通过功率器件切断励磁电流，且所述触发单元的翻转时间及 所述功率器件关断时间小于1微秒；

使发电机输出电压在每一次开始大于等于设定值时刻，到励磁电流被切断时刻的延迟时 间被限定为小于12微秒。

依据本发明第二方面，提供了第二种限制超时励磁的电压调节方法，其特殊之处是，包 括步骤：

SB1：对发电机输出电压不间断地进行实时同步采样，获取相对于实时变化的发电机输出 电压延迟时间小于1微秒的采样信号；

通过一触发单元接收定频触发信号或接收延时触发信号，使所述触发单元在所述定频触 发信号或延时触发信号作用下自锁于第一稳态，并通过功率器件开启发电机励磁电流；

所述定频触发信号为固定频率的信号，所述延时触发信号包括：对应于每一次励磁电流 切断时刻的控制信号经延时得到的脉冲，及对电压调节器进行激活的上电信号或所述上电信 号经延时得到的脉冲；

SB2：将所述采样信号和通过阈值单元预设的基准阈值电压经一延迟时间小于10微秒的 电路进行比较，用于确定发电机输出电压是否达大于等于设定值，如否则进行步骤SB1，如 是则所述延迟时间小于10微秒的电路输出第一电压，进行步骤SB3；

SB3：通过所述第一电压对所述触发单元进行触发，使所述触发单元在所述第一电压信号 作用下迅速翻转并自锁于第二稳态并通过功率器件切断励磁电流，且所述触发单元的翻转时 间及所述功率器件关断时间小于1微秒；

使发电机输出电压在每一次开始大于等于设定值时刻，到励磁电流被切断时刻的延迟时 间被限定为小于12微秒。

依据本发明第三方面，提供了第三种限制超时励磁的电压调节方法，其特殊之处是，包 括步骤：

SC1：对发电机输出电压不间断地进行实时同步采样，获取相对于实时变化的发电机输出 电压延迟时间小于1微秒的采样信号；

通过一触发单元收定频触发信号或接收延时触发信号，使所述触发单元在所述定频触发 信号或延时触发信号作用下自锁于第一稳态，并通过功率器件开启发电机励磁电流；

所述定频触发信号为固定频率的信号，所述延时触发信号包括：对应于每一次励磁电流 切断时刻的控制信号经延时得到的脉冲，及对电压调节器进行激活的上电信号或所述上电信 号经延时得到的脉冲；

SC2：将所述采样信号和通过阈值单元预设的基准阈值电压经所述触发单元进行比较，用 于判别发电机输出电压是否达大于等于设定值，若所述采样信号电压小于所述基准阈值电压， 则触发单元状态不变，若所述采样信号电压大于等于所述基准阈值电压，则所述触发单元迅 速翻转并自锁于第二稳态，并通过功率器件切断发电机励磁电流；且所述触发单元的翻转时 间及所述功率器件关断时间小于1微秒；

使发电机输出电压在每一次开始大于等于设定值时刻，到励磁电流被切断时刻的延迟时 间被限定为小于2微秒。

依据上述三种电压调节方法，可以在发电机输出电压在每一次上升到大于等于设定值 时，以极短的延迟时间达到励磁电流切断，从而实现较大程度地限制了关乎调节器峰值电流、 峰值电压、调节器安全可靠性方面的关键性能--过压时励磁电流的延迟时间，同时调整了励 磁频率、优化了励磁电流波形、减小了功率器件的开关损耗。

依据本发明第四方面，提供了一种采用所述第一种电压调节方法的限制超时励磁的电压 调节器，其特殊之处是，包括振荡单元、采样单元、阈值单元、比较单元、触发单元、开关 单元和续流单元；所述振荡单元的输出端与触发单元的第一输入端连接用于提供定频触发信 号，采样单元包括电阻和/或晶体管用于提供延迟时间小于1微秒的采样信号，述采样单元与 电源正负极分别连接，所述采样单元输出端与比较单元的第一输入端连接，阈值单元与所述 比较单元的第二输入端连接用于提供基准阈值电压，所述比较单元的输出端与触发单元的第 二输入端连接用于当所述采样信号电压大于等于所述基准阈值电压时提供第一电压，所述触 发单元的输出端与开关单元的第一端连接，所述开关单元的第二端为电压调节器的励磁控制 端且与续流单元连接；当所述电压调节器用于外搭铁发电机时，所述续流单元的另一端连接 发电机电压调节器的电源正极，所述开关单元的第三端接地；当所述电压调节器用于内搭铁 发电机时，所述续流单元的另一端接地即电压调节器的电源负极，所述开关单元的第三端接 电压调节器的电源正极；使所述触发单元还在未接收到所述第一电压时在所述延时触发信号 的作用下自锁于第一稳态并通过所述开关单元接通励磁电流，所述触发单元在所述第一电压 作用下自锁于第二稳态并通过所述开关单元切断励磁电流。

依据本发明第五方面，提供了一种采用所述第一种电压调节方法的限制超时励磁的电压 调节器，其特殊之处是，包括延时单元、采样单元、阈值单元、比较单元、触发单元、开关 单元和续流单元；所述延时单元的输出端与触发单元的第一输入端连接用于为所述触发单元 提供延时触发信号，采样单元包括电阻和/或晶体管用于提供延迟时间小于1微秒的采样信 号，所述采样单元与电源正负极分别连接，所述采样单元输出端与比较单元的第一输入端连 接，阈值单元与所述比较单元的第二输入端连接用于提供基准阈值电压，所述比较单元的输 出端与触发单元的第二输入端连接用于当所述采样信号电压大于等于所述基准阈值电压时提 供第一电压，所述触发单元的输出端与开关单元的第一端连接，所述开关单元的第二端为发 电机电压调节器的励磁控制端且与续流单元连接；当所述发电机电压调节器用于外搭铁发电 机时，所述续流单元的另一端连接发电机电压调节器的电源正极，所述开关单元的第三端接 地；当所述发电机电压调节器用于内搭铁发电机时，所述续流单元的另一端接地即发电机电 压调节器的电源负极，所述开关单元的第三端接发电机电压调节器的电源正极；使所述触发 单元还在未接收到所述第一电压时在所述延时触发信号的作用下自锁于第一稳态并通过所述 开关单元接通励磁电流，所述触发单元在所述第一电压作用下自锁于第二稳态并通过所述开 关单元切断励磁电流。

6、依据本发明第六方面，提供了一种采用所述第二种电压调节方法的限制超时励磁的电 压调节器，其特殊之处是，包括振荡单元、采样单元、阈值单元、比较单元、触发单元和续 流单元；所述振荡单元的输出端与触发单元的输入端连接用于为所述触发单元提供定频触发 信号，使所述触发单元在所述定频触发信号的作用下自锁于第一稳态；采样单元包括电阻和/ 或晶体管用于提供延迟时间小于1微秒的采样信号，所述采样单元与电源正负极分别连接， 所述采样单元输出端与比较单元的第一输入端连接，阈值单元与所述比较单元的第二输入端 连接用于提供基准阈值电压，所述比较单元的输出端与触发单元的输入端连接用于提供当所 述采样信号电压大于等于所述基准阈值电压时第一电压，使所述触发单元在所述第一电压作 用下自锁于第二稳态；所述触发单元的输出端为电压调节器的励磁控制端且与续流单元连接； 当所述发电机电压调节器用于外搭铁发电机时，所述续流单元的另一端连接发电机电压调节 器的电源正极，所述触发单元的第三端接地；当所述发电机电压调节器用于内搭铁发电机时， 所述续流单元的另一端接地即发电机电压调节器的电源负极，所述触发单元的第三端接发电 机电压调节器的电源正极，所述触发单元处于第一稳态时通过其功率器件接通励磁电流，处 于第二稳态时通过其功率器件切断励磁电流。

依据本发明第七方面，提供了一种采用所述第二种电压调节方法的限制超时励磁的电压 调节器，其特殊之处是，包括振荡单元、采样单元、阈值单元、触发单元和续流单元；所述 振荡单元的输出端与触发单元的输入端连接用于为所述触发单元提供定频触发信号，使所述 触发单元在所述定频触发信号的作用下自锁于第一稳态；采样单元包括电阻和/或晶体管用于 提供延迟时间小于1微秒的采样信号，所述采样单元与电源正负极分别连接，所述采样单元 输出端通过阈值单元与触发单元的输入端连接用于当所述采样信号电压大于等于所述基准阈 值电压时提供第一电压，使所述触发单元在所述第一电压作用下自锁于第二稳态；所述触发 单元的输出端为电压调节器的励磁控制端且与续流单元连接；当所述电压调节器用于外搭铁 发电机时，所述续流单元的另一端连接电压调节器的电源正极，所述触发单元的第三端接地； 当所述电压调节器用于内搭铁发电机时，所述续流单元的另一端接地即电压调节器的电源负 极，所述触发单元的第三端接电压调节器的电源正极，所述触发单元处于第一稳态时通过功 率器件接通励磁电流，处于第二稳态时通过功率器件切断励磁电流。

8、依据本发明第八方面，提供了一种采用所述第二种电压调节方法的限制超时励磁的电 压调节器，其特殊之处是，包括延时单元、采样单元、阈值单元、触发单元和续流单元；所 述延时单元的输出端与触发单元的输入端连接用于为所述触发单元提供延时触发信号，使所 述触发单元在所述延时触发信号的作用下自锁于第一稳态；采样单元包括电阻和/或晶体管用 于提供延迟时间小于1微秒的采样信号，所述采样单元与电源正负极分别连接，所述采样单 元输出端通过阈值单元与所述触发单元的输入端连接用于当所述采样信号电压大于等于所述 基准阈值电压时提供第一电压，使所述触发单元在所述第一电压作用下自锁于第二稳态；所 述触发单元输出端与延时单元的输入端连接，用于为延时单元提供励磁切断信号及调节器上 电信号，所述触发单元输出端为发电机电压调节器的励磁控制端且与续流单元连接；当所述 电压调节器用于外搭铁发电机时，所述续流单元的另一端连接电压调节器的电源正极，所述 触发单元的第三端接地；当所述电压调节器用于内搭铁发电机时，所述续流单元的另一端接 地即电压调节器的电源负极，所述触发单元的第三端接电压调节器的电源正极，所述触发单 元处于第一稳态时通过功率器件接通励磁电流，处于第二稳态时通过功率器件切断励磁电流。

9、依据本发明第九方面，提供了一种采用所述第三种电压调节方法的限制超时励磁的电 压调节器，其特殊之处是，包括振荡单元、采样单元、阈值单元、触发单元、开关单元和续 流单元；所述振荡单元的输出端与触发单元的第一输入端连接用于为所述触发单元提供定频 触发信号，使所述触发单元在所述定频触发信号的作用下自锁于第一稳态；采样单元包括电 阻和/或晶体管用于提供延迟时间小于1微秒的采样信号，所述采样单元与电源正负极分别连 接，所述采样单元输出端与触发单元的第二输入端连接用于提供所述采样信号，阈值单元与 所述触发单元的第一输入端连接用于提供所述基准阈值电压，当所述采样信号电压大于等于 所述基准阈值电压时，所述触发单元自锁于第二稳态；所述触发单元的输出端与开关单元的 第一端连接，所述开关单元的第二端为电压调节器的励磁控制端且与续流单元连接，当所述 电压调节器用于外搭铁发电机时，所述续流单元的另一端连接电压调节器的电源正极，所述 开关单元的第三端接地；当所述电压调节器用于内搭铁发电机时，所述续流单元的另一端接 地即电压调节器的电源负极，所述开关单元的第三端接电压调节器的电源正极，所述触发单 元处于第一稳态时通过所述开关单元接通励磁电流，处于第二稳态时通过所述开关单元切断 励磁电流。

本发明的有益效果是：采用延迟时间小于1微秒的采样电路，当发电机输出电压大于等 于设定值时触发单元立即翻转通过功率管切断励磁电流并自锁，且信号处理过程当中没有电 容造成时间上的过多延迟，至多经过数十微秒即切断励磁电流，因为处理电路的翻转时间远 小于先前技术的调节器采样电路RC滤波元件导致的0.1～2mS的延迟时间，一般使异步延迟量 所占电角度减小到小于1°，几乎是同步切断，可以忽略不计，使电压调节更为精准、励磁 电流波形整齐利落、降低功率管开关损耗、避免延迟切断导致的过压及过流危害、提高调节 器和发电机的安全性、可靠性及使用寿命，也同时提高了整车的供电质量，尤其是对于改善 日益增加的车载微电子处理电路的供电质量。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人 员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。 而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施方式第四方面的一种限制超时励磁的电压调节器结构示意图；

图2是本发明实施方式第四方面的一种限制超时励磁的电压调节器电路结构示意图；

图3是本发明实施方式第四方面的一种限制超时励磁的电压调节器B电路结构示意图；

图4是本发明实施方式第五方面的一种限制超时励磁的电压调节器结构示意图；

图5是本发明实施方式第五方面的一种限制超时励磁的电压调节器电路结构示意图；

图6是本发明实施方式第六方面的一种限制超时励磁的电压调节器电路结构示意图；

图7是本发明实施方式第七方面的一种限制超时励磁的电压调节器结构示意图；

图8是本发明实施方式第七方面的一种限制超时励磁的电压调节器电路结构示意图；

图9是本发明实施方式第八方面的一种限制超时励磁的电压调节器电路结构示意图；

图10是本发明实施方式第九方面的一种限制超时励磁的电压调节器结构示意图；

图11是本发明实施方式第九方面的一种限制超时励磁的电压调节器电路结构示意图；

具体实施方式

第一方面，提供了第一种限制超时励磁的电压调节方法，包括步骤：

SA1：对发电机输出电压不间断地进行实时同步采样，获取相对于实时变化的发电机输出 电压延迟时间小于1微秒的采样信号；

SA2：将所述采样信号和通过阈值单元预设的基准阈值电压经一延迟时间小于10微秒的 电路进行比较，用于确定发电机输出电压是否达大于等于设定值，如否则进行步骤SA3，如 是则所述延迟时间小于10微秒的电路输出第一电压，进行步骤SA4；

SA3：通过一触发单元接收定频触发信号或接收延时触发信号，使所述触发单元在所述定 频触发信号或延时触发信号作用下自锁于第一稳态，并通过功率器件开启发电机励磁电流；

所述定频触发信号为固定频率的信号，所述延时触发信号包括：对应于每一次励磁电流 切断时刻的控制信号经延时得到的脉冲，及对电压调节器进行激活的上电信号或所述上电信 号经延时得到的脉冲；

SA4：通过所述第一电压对所述触发单元进行触发，使所述触发单元在所述第一电压信号 作用下迅速翻转并自锁于第二稳态，且所述触发单元接收到所述第一电压信号时刻到所述功 率器件关断时刻的延迟时间小于1微秒，即在所述第一电压信号通过触发单元及功率器件1 微秒内切断发电机励磁电流；

使发电机输出电压在每一次开始大于等于设定值时刻，到励磁电流被切断时刻的延迟时间 被限定为小于12微秒。

第二方面，提供了第二种限制超时励磁的电压调节方法，包括步骤：

SB1：对发电机输出电压不间断地进行实时同步采样，获取相对于实时变化的发电机输出 电压延迟时间小于1微秒的采样信号；

通过一触发单元接收定频触发信号或接收延时触发信号，使所述触发单元在所述定频触 发信号或延时触发信号作用下自锁于第一稳态，并通过功率器件开启发电机励磁电流；

所述定频触发信号为固定频率的信号，所述延时触发信号包括：对应于每一次励磁电流 切断时刻的控制信号经延时得到的脉冲，及对电压调节器进行激活的上电信号或所述上电信 号经延时得到的脉冲；

SB2：将所述采样信号和通过阈值单元预设的基准阈值电压经一延迟时间小于10微秒的 电路进行比较，用于确定发电机输出电压是否达大于等于设定值，如否则进行步骤SB1，如 是则所述延迟时间小于10微秒的电路输出第一电压，进行步骤SB3；

SB3：通过所述第一电压对所述触发单元进行触发，使所述触发单元在所述第一电压信号 作用下迅速翻转并自锁于第二稳态，且所述触发单元的翻转时间与所述功率器件是关断时间 之和小于1微秒，即在1微秒内切断发电机励磁电流；

使发电机输出电压在每一次开始大于等于设定值时刻，到励磁电流被切断时刻的延迟时间 被限定为小于12微秒。

第三方面，提供了第三种限制超时励磁的电压调节方法，包括步骤：

SC1：对发电机输出电压不间断地进行实时同步采样，获取相对于实时变化的发电机输出 电压延迟时间小于1微秒的采样信号；

通过一触发单元收定频触发信号或接收延时触发信号，使所述触发单元在所述定频触发 信号或延时触发信号作用下自锁于第一稳态，并通过功率器件开启发电机励磁电流；

所述定频触发信号为固定频率的信号，所述延时触发信号包括：对应于每一次励磁电流 切断时刻的控制信号经延时得到的脉冲，及对电压调节器进行激活的上电信号或所述上电信 号经延时得到的脉冲；

SC2：将所述采样信号和通过阈值单元预设的基准阈值电压经所述触发单元进行比较，用 于判别发电机输出电压是否达大于等于设定值，若所述采样信号电压小于所述基准阈值电压， 则触发单元状态不变，若所述采样信号电压大于等于所述基准阈值电压，则所述触发单元迅 速翻转并自锁于第二稳态，并通过功率器件切断发电机励磁电流；且所述触发单元的翻转时 间与所述功率器件是关断时间之和小于2微秒，即在2微秒内切断发电机励磁电流；

使发电机输出电压在每一次开始大于等于设定值时刻，到励磁电流被切断时刻的延迟时 间被限定为小于3微秒。

依据上述三种电压调节方法，可以在发电机输出电压在每一次上升到大于等于设定值 时，以极短的延迟时间达到励磁电流切断，从而实现较大程度地限制了关乎调节器即发电机 峰值电流、峰值电压、安全可靠性方面的关键性能--过压时励磁电流的延迟时间，同时调整 了励磁频率、优化了励磁电流波形。

第四方面，本发明实施方式提供了一种限制超时励磁的电压调节器，如图1所示，包括 振荡单元、采样单元、阈值单元、比较单元、触发单元、开关单元和续流单元；振荡单元的 输出端与触发单元的第一输入端连接用于提供定频触发信号，采样单元由电阻和/或晶体管构 成，实时采样电源正负极之间的电压且输出端采用无电容器滤波方式，其输出端与比较单元 的第一输入端连接用于提供采样信号，阈值单元与比较单元的第二输入端连接用于提供基准 阈值电压，比较单元的输出端与触发单元的第二输入端连接用于当采样信号电压大于等于基 准阈值电压时提供第一电压，触发单元的输出端与开关单元的第一端连接，开关单元的第二 端为电压调节器的励磁控制端且与续流单元连接，续流单元的另一端连接发电机电压调节器 的电源正极，开关单元的第三端接地即电源负极；使触发单元还在未接收到第一电压时在延 时触发信号的作用下自锁于第一稳态并通过开关单元接通励磁电流，触发单元在第一电压作 用下自锁于第二稳态并通过开关单元切断励磁电流。

如图2所示，稳压二极管D3的正极接地，电阻R4连接在稳压二极管D3负极和调节器电 源正极之间，电容C1与稳压二极管D3并联，即电阻R4、稳压二极管D3和电容C1构成稳压 电源用于为振荡单元、比较单元、触发单元和阈值单元提供稳压的电压；电源正极与发电机 的电源输出相连，电源负极与发电机的负极搭铁相连；比较单元由电压比较器(以下简称比 较器)A1构成，其输出端可以直接输出高电平，如果采用输出端为集电极开路的比较器，则 需要在其输出端外接有上拉电阻；比较器A1和稳压电源及地分别连接；采样电路由电阻R1 和R2串联连接于电源正负极之间，电阻R1、R2的连接节点为采样电路的输出端与比较器A1 的反相输入端连接；阈值单元由电阻R3和稳压二极管D1串联构成，电阻R3另一端还与稳压 电源连接，稳压二极管D1的正极接地，电阻R3和稳压二极管D1的连接节点作为阈值单元的 输出端与比较器A1的同相输入端连接；振荡单元与稳压电源和地分别连接，振荡单元输出端 为触发单元提供固定频率的窄脉冲信号；

触发单元由非门G2、或门G1和与非门G3、G4、G5、G6构成，非门G2的输入端和与非 门G4的第一输入端连接作为触发单元的一个信号输入端，且该信号输入端与比较单元的输出 端连接用于接收比较单元输出的第一电压；非门G2的输出端连接或门G1的第一输入端，或 门G1的第二输入端作为触发单元的另一个信号输入端，且该端与振荡单元输出端连接用于接 收振荡单元输出的窄脉冲信号即定频触发信号，或门G1的输出端同时和与非门G3的第二输 入端及与非门G4的第二输入端连接，与非门G4的输出端同时和与非门G3的第一输入端及与 非门G6的第一输入端连接，与非门G3的输出端和与非门G5的第二输入端连接，与非门G6 的第二输入端和与非门G5的输出端连接，与非门G5的第一输入端和与非门G6的输出端连接 并作为触发单元的输出端，触发单元还与稳压电源和地分别连接；

开关单元采用功率场效应管Q2，功率管Q2的栅极作为开关单元的第一端与触发单元输 出端连接，功率管漏极与续流单元的二极管D2正极连接并作为励磁控制端用于控制发电机励 磁绕组的电流，功率管源极作为开关单元第三端接地；二极管D2负极连接调节器的电源正极。

下面阐述详细的工作过程：

(1)当发电机输出电压低于设定值时，容易理解的是，由于采样信号与发电机输出电压 实时值的比值等于基准阈值电压与发电机输出电压设定值的比值，所以采样电阻R1和R2的 分压节点上的电压低于阈值单元的基准电压，即比较器A1的反相输入端电压低于其同相输入 端的电压，比较器A1输出高电平1，非门G2输出低电平O，振荡单元输出的定频触发信号为 高电平有效的窄脉冲信号，当窄脉冲信号到来时，对触发单元进行触发：信号经或门G1传输 到与非门G3和G4的第二输入端，与非门G4根据其第一输入端接收的比较器A1输出的高电 平信号和其第二输入端接收的或门G1输出的高电平窄脉冲信号，与非门G4输出低电平信号； 与非门G3根据其第一输入端接收的与非门G4的低电平信号，与非门G3输出高电平信号，与 非门G6根据其第一输入端接收的与非门G4的低电平信号，与非门G6输出高电平信号，从而 功率管Q2导通，

当振荡单元输出的窄脉冲信号过后，或门G1的输出为低电平时，与非门G3、G4封锁， G3、G4均输出高电平，且与非门G5和与非门G6的输入端、输出端交叉连接实现状态锁止， 使触发单元锁止在输出高电平的第一稳态；功率管Q2继续导通，励磁线圈的负极通过调节器 的励磁控制端对地导通，由于励磁线圈的正极与电源正极一直连接，所以励磁电流出现，发 电机得以励磁；若发电机持续欠压，则励磁电流持续。

(2)在触发单元锁止在输出高电平的第一稳态条件下，随着发电机运转，当发电机输 出电压大于等于设定值，且振荡单元输出的定频触发信号没有到来，采样单元电阻R1和R2 的分压节点上的电压高于阈值单元的基准电压值，在此过压时刻的时间点开始，历经下面过 程：比较器A1的反相输入端电压高于其同相输入端的电压，比较器A1输出低电平的第一电 压，该电压信号先到达与非门G4第一输入端，又，该电压信号经过非门G2输出高电平1， 使或门G1输出高电平，或门G1输出端为与非门G4第二输入端提供相对于其第一输入端滞后 的信号，与非门G4根据其第一输入端接收的比较器A1输出的低电平信号使与非门G4输出高 电平信号；与非门G3根据其第一输入端接收的与非门G4输出的高电平信号，及或门G1输出 的高电平信号，与非门G3输出低电平信号，与非门G5根据其接收的与非门G3输出的低电平 信号使与非门G5输出高电平信号，与非门G6根据与非门G4和G5输出的高电平信号使与非 门G6输出低电平信号；功率管Q2截止切断励磁电流；

在发电机输出电压高于设定值的持续期，比较器A1输出低电平0，非门G2输出高电平1 使或门G1输出高电平1，与非门G3、G4、G5和G6状态不变；此期间，无论振荡单元的高电 平窄脉冲是否到来，或门G1输出高电平1，触发单元状态不会改变，功率管Q2持续截止。

在上述信号处理过程中，从过压时刻时间点到功率管彻底截止的时间点历经了比较器A1、 非门G2、或门G1、与非门G3～G6、功率管Q2共八级电路结构的翻转时间之和(一般单个门 电路或功率管的延迟时间为纳秒至数十纳秒、单个比较器的延迟时间在纳秒至数百纳秒之间， 按照过压时刻的采样信号信号处理链路中，历经一比较器和七个门电路来计算，整个调节器 的延迟时间在数十纳秒至微秒级)，对比先前技术采样电路带有电容滤波的调节器，在发电机 过压时刻到励磁电流截止时刻的延迟时间一般在0.1毫秒～2毫秒，因此本电路延迟时间远远 低于先前技术调节器延迟时间，与后者相比，几乎达到同步切断，微量的延迟时间内转子所 转过的延迟角度很小(一般在高速时小于电角度1°)，几乎不会产生过压超时励磁，提高了 调节器和发电机的安全可靠性和使用寿命。续流单元在功率管截止时吸收励磁线圈产生的自 感电动势。

综上，在发电机输出电压大于设定值的状态持续期间，功率管Q2持续截止。

(3)随着负载对电力的消耗，当发电机输出电压降低到低于设定值时，在振荡单元输出 的窄脉冲没有到来期间，比较器A1输出高电平，非门G2输出低电平，或门G1输出低电平， 与非门G3、G4封锁，G3、G4均输出高电平，且与非门G5和与非门G6的输入端、输出端交 叉连接实现状态锁止，此时触发单元输出低电平得以锁止；因此在振荡单元输出的窄脉冲没 有到来期间，触发单元锁止在输出低电平的第二稳态。

当振荡单元输出的窄脉冲到来，窄脉冲信号经或门G1传输到与非门G3和G4的第二输入 端，与非门G4根据其第一输入端接收的比较器A1输出的高电平信号和其第二输入端接收的 或门G1输出的高电平窄脉冲信号，与非门G4输出低电平信号；与非门G3根据其第一输入端 接收的与非门G4的低电平信号，与非门G3输出高电平信号，与非门G6根据其第一输入端接 收的与非门G4的低电平信号，与非门G6输出高电平信号；使功率管Q2导通接通励磁电流； 此时与非门G5两个输入端均为高电平使G5输出低电平，支持与非门G6的状态；

当振荡单元输出的窄脉冲信号过后，或门G1的输出为低电平时，与非门G3、G4封锁， G3、G4均输出高电平，且与非门G5和与非门G6的输入端、输出端交叉连接实现状态锁止， 即触发单元输出高电平信号得以锁止；功率管Q2导通，励磁线圈的负极通过调节器的励磁控 制端对地导通，由于励磁线圈的正极与电源正极一直连接，发电机得以励磁。

通过上述过程得出：

每次励磁电流的切断是这样的：在发电机输出电压每一次大于等于设定值的时间点，采 样信号反应发电机输出电压实时变化，且信号处理过程中没有电容造成时间上的延迟，仅仅 经过几个电路的翻转即切断励磁电流，因为本实施例整个调节器电路的翻转时间在数十纳秒 至微秒级(一般在高速时小于电角度1°)，

下表显示了12极交流发电机在励磁切断延迟时间为1μs时对应的不同转速下异步延迟量 电角度：

并经实测得知：一般现有电压调节器的延迟时间在0.1毫秒～2毫秒之间，相应地，延迟 时间导致转子磁极跨越了从几度至数百度的超时励磁电角度，因为较大的超时励磁电角度会 导致调节器及发电机峰值电流和峰值电压升高、安全可靠性变差；延迟时间较长的主要原因 在于其所采用的采样电路中含有电容器滤波，使采样信号相对于发电机输出电压实时工况滞 后，对于其中延迟时间较长的调节器来说，采样电路所加的滤波电容器一般是为校正励磁频 率及改善功率管驱动信号、修正励磁波形之目的所设置，去掉该电容器容易引起励磁频率过 高、功率管驱动不良、开关损耗增大、温升高、容易损坏问题，励磁频率与波形难以兼顾。

与之相比，本发明实施例采用无延迟的同步采样电路，通过触发单元的自锁保持功能实 现了在取消电容器的情况下，同时解决了功率管驱动信号不良和超时励磁的问题，实现了励 磁切断的延迟时间即调节器的响应时间(一般小于1μs)远小于现有技术中采样电路RC滤 波元件导致的延迟时间，可以忽略不计，即达到同步切断，使电压调节精准、励磁电流波形 整齐利落、降低功率管开关损耗、避免过压危害、提高调节器和发电机的安全性、可靠性和 使用寿命；在振荡单元输出的窄脉冲没有到来时，此时触发单元输出低电平信号得以锁止， 功率管Q2截止，即使发电机电压已经低于设定值，触发单元不会自行退出锁止。每次励磁电 流的开启是这样的：在振荡单元的定频触发窄脉冲到来时，窄脉冲信号使触发单元翻转为励 磁状态，即每次励磁的开启都是始于来自振荡单元输出的定频触发信号，在发电机正常调节 期间，是以固定频率来触发励磁，即定频触发励磁。

第四方面还提供了一种限制超时励磁的电压调节器的另一种电路结构形式，如图3所示， 包括采样单元、比较单元、阈值单元、振荡单元、触发单元、开关单元和续流单元。采样单 元由电阻和/或晶体管构成，其输出端与比较单元的第一输入端连接，比较单元第二输入端与 阈值单元连接，比较单元的输出端和触发单元的第一输入端连接，振荡单元和触发单元的第 二输入端连接，触发单元的输出端与开关单元的第一端连接，开关单元的第二端与续流单元 连接并作为励磁控制端去控制发电机励磁绕组的电流，续流单元的另一端接地，开关单元的 第三端接电压调节器的电源正极。

本电路为高边输出型的控制电路，用于内搭铁即B电路电压调节器，本实施例以开关单 元采用的PMOS功率管为例进行说明：

稳压二极管D3的正极接地，电阻R4连接在稳压二极管D3负极和调节器电源正极之间， 电容C1与稳压二极管D3并联，即电阻R4、稳压二极管D3和电容C1构成稳压电源用于为振 荡单元、比较单元、触发单元和阈值单元提供稳定的电压；电源正极与发电机的电源输出相 连，电源负极与发电机的负极搭铁相连；比较单元由电压比较器(以下简称比较器)A1构成， 其输出端可以直接输出高电平，如果采用输出端为集电极开路的比较器，则需要在其输出端 外接有上拉电阻；比较器A1和稳压电源及地分别连接；采样电路由电阻R1和R2串联连接于 电源正负极之间，电阻R1、R2的连接节点为采样电路的输出端与比较器A1的反相输入端连 接；阈值单元由电阻R3和稳压二极管D1串联构成，电阻R3另一端还与稳压电源连接，稳压 二极管D1的正极接地，电阻R3和稳压二极管D1的连接节点作为阈值单元的输出端与比较器 A1的同相输入端连接；振荡单元与稳压电源和地分别连接，振荡单元输出端为触发单元提供 固定频率的触发窄脉冲信号；

触发单元由非门G2、或门G1、与非门G3、G4、G5、G6、电阻R7、R8和三极管Q3构成， 非门G2的输入端和与非门G4的第一输入端连接且作为触发单元的一个信号输入端，且该端 与比较单元的输出端连接用于接收比较单元输出的第一电压；非门G2的输出端连接或门G1 的第一输入端，或门G1的第二输入端作为触发单元的另一个信号输入端，且该端与振荡单元 的输出端连接用于接收振荡单元的窄脉冲信号即定频触发信号；或门G1的输出端同时和与非 门G3的第二输入端及与非门G4的第二输入端连接，与非门G4的输出端同时和与非门G3的 第一输入端及与非门G6的第一输入端连接，与非门G3的输出端和与非门G5的第二输入端连 接，与非门G6的第二输入端与与非门G5的输出端连接，与非门G5的第一输入端和与非门 G6的输出端连接并通过电阻R7连接三极管Q3基极，三极管Q3发射极接地，其集电极连接 电阻R8，电阻R8的另一端作为触发单元的输出端，触发单元还与稳压电源和地分别连接；

需要说明的是，设置三极管Q3这一级倒相电路是为了配合PMOS功率管Q4，同时也是为 提高触发单元的输出端负载能力，在触发单元的与非门G5带载能力足够的前提下，可以省去 三极管Q3这一级倒相电路，将带载R8下端直接连接与非门G5输出端，如此电路将得以简化。

开关单元由PMOS场效应管Q4、电阻R9和稳压二极管D7构成，电阻R9接在功率管Q4 的栅极和源极之间，稳压二极管D7负极接功率管Q4源极，稳压二极管D7正极接功率管Q4 栅极用于保护功率管Q4，功率管Q4的栅极作为开关单元的第一端与触发单元的输出端连接， 功率管的源极作为开关单元的第三端接电源正极，功率管的漏极与续流单元的二极管D2负极 连接并作为励磁控制端用于控制发电机励磁绕组的电流；二极管D2的正极接地。

下面阐述详细的工作过程：

(1)当发电机输出电压低于设定值时，容易理解的是，由于采样信号与发电机输出电压 实时值的比值等于基准阈值电压与发电机输出电压设定值的比值，所以采样电阻R1和R2的 分压节点上的电压低于阈值单元的基准电压，即比较器A1的反相输入端电压低于其同相输入 端的电压，比较器A1输出高电平1，非门G2输出低电平0，振荡单元输出的定频触发信号为 高电平有效的窄脉冲信号，当该信号前沿到来时，对触发单元进行触发：信号经或门G1传输 到与非门G3和G4的第二输入端，与非门G4根据其第一输入端接收的比较器A1输出的高电 平信号和其第二输入端接收的或门G1输出的高电平窄脉冲信号，与非门G4输出低电平信号； 与非门G3根据其第一输入端接收的与非门G4的低电平信号，与非门G3输出高电平信号，与 非门G6根据其第一输入端接收的与非门G4的低电平信号，与非门G6输出高电平信号；此后 当振荡单元输出的窄脉冲信号过后，或门G1的输出为低电平时，与非门G3、G4封锁，G3、 G4均输出高电平，且与非门G5和与非门G6的输入端、输出端交叉连接实现状态锁止，即与 非门G6输出高电平得以锁止，使触发单元锁止在输出高电平的第一稳态；经电阻R7使三极 管Q3导通，三极管Q3经电阻R8拉低功率管Q4栅极电位，使PMOS功率管Q4导通，励磁线 圈的正极通过调节器的励磁控制端获得电压，由于励磁线圈的负极接地，接通励磁电流；若 发电机持续欠压，则励磁电流持续。

(2)在触发单元锁止在输出高电平的第一稳态条件下，随着发电机运转，输出电压逐 渐升高，当发电机输出电压大于等于设定值时，且振荡单元输出的定频触发信号没有到来， 在此过压时刻的时间点开始：采样单元电阻R1和R2的分压节点上的电压高于阈值单元的基 准电压值，即比较器A1的反相输入端电压高于其同相输入端的电压，比较器A1输出低电平 的第一电压，非门G2输出高电平1，或门G1输出高电平1，与非门G4根据其第一输入端接 收的比较器A1输出的低电平信号使与非门G4输出高电平信号；与非门G3根据其第一输入端 接收的与非门G4输出的高电平信号，及或门G1输出的高电平信号，与非门G3输出低电平信 号，与非门G5根据其接收的与非门G3输出的低电平信号使与非门G5输出高电平信号，与非 门G6根据与非门G4和G5输出的高电平信号使与非门G6输出低电平信号，经电阻R7使三极 管Q3截止，PMOS功率管Q4因此截止切断励磁电流；在发电机输出电压高于设定值的时间 内，比较器A1输出低电平0，非门G2输出高电平1使或门G1输出高电平1，使与非门G3、 G4、G5和G6状态不变；此期间，无论振荡单元的高电平窄脉冲是否到来，或门G1均输出高 电平1，触发单元输出状态不会改变，使功率管Q4持续截止。

在上述信号处理流程中，从过压时刻的时间始点到功率管彻底截止的时间点历经了比较 器A1、非门G2、或门G1、与非门G3～G6、三极管Q3、功率管Q4共九级电路结构的翻转时间 之和(数十纳秒至微秒级)，与带有滤波电容的采样电路0.1毫秒～2毫秒的延迟量相比，几 乎达到同步切断，使延迟时间内转子所转过的延迟角度很小(一般在高速时小于电角度1°)， 提高了调节器和发电机的安全可靠性和使用寿命。续流单元在功率管截止时吸收励磁线圈产 生的自感电动势。

综上，在发电机输出电压大于设定值的状态持续期间，功率管Q4持续截止。

(3)随着负载对电力的消耗，当发电机输出电压降低到低于设定值时，在振荡单元输出 的窄脉冲没有到来期间，比较器A1输出高电平，非门G2输出低电平，或门G1输出低电平， 与非门G3、G4封锁，G3、G4均输出高电平，且与非门G5和与非门G6的输入端、输出端交 叉连接实现状态锁止，此时触发单元输出低电平信号得以锁止；即触发单元锁止在输出低电 平的第二稳态，功率管截止。

当振荡单元输出的窄脉冲到来，窄脉冲信号经或门G1传输到与非门G3和G4的第二输入 端，与非门G4根据其第一输入端接收的比较器A1输出的高电平信号和其第二输入端接收的 或门G1输出的高电平窄脉冲信号，与非门G4输出低电平信号；与非门G3根据其第一输入端 接收的与非门G4的低电平信号，与非门G3输出高电平信号，与非门G6根据其第一输入端接 收的与非门G4的低电平信号，与非门G6输出高电平信号，经电阻R7、三极管Q3和电阻R8 使PMOS功率管Q4导通励磁，此时与非门G5两个输入端均为高电平使G5输出低电平，支持 与非门G6的状态。

当振荡单元输出的窄脉冲信号过后，或门G1输出为低电平时，与非门G3、G4封锁，G3、 G4均输出高电平，且与非门G5和与非门G6的输入端、输出端交叉连接实现状态锁止，即与 非门G6输出高电平信号得以锁止；经电阻R7、三极管Q3和电阻R8使功率管Q4导通，励磁 线圈正极通过调节器的励磁控制端获得电压，由于励磁线圈负极接地，所以励磁电流接通。

通过上述过程得出，每次励磁电流的切断过程是这样的：当发电机输出电压大于等于设 定值即过压时刻到来，采样单元实时采样输出电压值，且信号处理过程中没有滤波电容造成 上的延迟，仅经过触发单元及功率管的翻转即切断励磁电流，因电路的翻转时间远远小于现 有技术中采样电路RC滤波元件导致的延迟时间，可以忽略不计，使电压调节精准、励磁电 流波形整齐利落、降低功率管开关损耗、避免过压危害、提高调节器和发电机的安全性、可 靠性及使用寿命；在振荡单元输出的窄脉冲没有到来时，触发单元输出低电平信号得以锁止， 功率管Q4截止，即使发电机电压已经低于设定值，触发单元不会自行退出锁止。每次励磁电 流的开启是这样的：在定频触发窄脉冲到来时，触发单元翻转为励磁状态，即每次励磁的开 启都是始于来自振荡单元输出的定频触发信号，为定频触发励磁。

第五方面，本发明实施方式提供了一种限制超时励磁的电压调节器，如图4所示，包括 延时单元、采样单元、阈值单元、比较单元、触发单元、开关单元和续流单元；延时单元的 输出端与触发单元的第一输入端连接用于为触发单元提供延时触发信号，采样单元由电阻和/ 或晶体管构成，实时采样电源正负极之间的电压且输出端采用无电容器滤波方式，其输出端 与比较单元的第一输入端连接，阈值单元与比较单元的第二输入端连接用于提供基准阈值电 压，比较单元的输出端与触发单元的第二输入端连接用于当采样信号电压大于等于基准阈值 电压时提供第一电压，触发单元的输出端与开关单元的第一端连接，开关单元的第二端为发 电机电压调节器的励磁控制端且与续流单元连接；续流单元的另一端连接发电机电压调节器 的电源正极，开关单元的第三端接地即电源负极，使触发单元还在未接收到第一电压时在延 时触发信号的作用下自锁于第一稳态并通过开关单元接通励磁电流，触发单元在第一电压作 用下自锁于第二稳态并通过开关单元切断励磁电流。

容易理解的是，由于采样信号与发电机输出电压实时值的比值等于基准阈值电压与发电 机输出电压设定值的比值，所以在发电机输出电压高于设定值时，比较单元根据采样单元输 出的采样信号和阈值单元的基准阈值电压进行比较并输出第一电压，通过触发单元使开关单 元的励磁电流切断；在比较单元每一次输出第一电压的起始时刻，延时单元对该起始时刻的 跳变信号进行延时，经延时后输出延时触发信号，延时触发信号使触发单元自锁于第一状态 并使开关单元导通，即延时置位；在发电机调节器每次工作上电后，延时单元也输出信号使 触发单元自锁于第一状态并使开关单元导通，即上电置位。

另外，延时单元的输入端或可以设计为采纳开关单元的输出端的励磁切断信号，并针对 该励磁切断信号进行延时用于通过触发单元使开关单元导通，因此，延时单元可以采纳用于 切断励磁的第一电压或励磁切断信号并经延时输出延时触发信号。

如图5所示，稳压二极管D3正极接地，电阻R4连接在稳压二极管D3负极和调节器电源 正极之间，电容C1与稳压二极管D3并联，即电阻R4、稳压二极管D3和电容C1构成稳压电 源用于为延时单元、比较单元、触发单元和阈值单元提供稳定电压；比较单元由电压比较器 A1构成，其输出端可以直接输出高电平，如果采用输出端为集电极开路的比较器，则需要在 其输出端外接有上拉电阻；比较器A1和稳压电源及地分别连接；采样单元由电阻R1和R2串 联连接于电压调节器电源正负极之间，电阻R1、R2的连接节点为采样电路的输出端与比较器 A1的反相输入端连接；阈值单元由电阻R3和稳压二极管D1串联构成，电阻R3另一端还与 稳压电源连接，稳压二极管D1的正极接地，电阻R3和稳压二极管D1的连接节点作为阈值单 元的输出端与比较器A1的同相输入端连接；延时单元与稳压电源和地分别连接，延时单元的 输入端与比较单元的输出端连接，延时单元输出端为触发单元提供延时触发信号；

触发单元由非门G2、或门G1和与非门G3、G4、G5、G6构成，非门G2的输入端与与非 门G4的第一输入端连接作为触发单元的一个信号输入端，且该信号输入端与比较单元的输出 端连接用于接收比较单元输出的第一电压；非门G2的输出端与或门G1的第一输入端连接， 或门G1的第二输入端作为触发单元的另一个信号输入端，且该信号输入端与延时单元的输出 端连接用于接收延时触发信号，或门G1的输出端同时和与非门G3的第二输入端及与非门G4 的第二输入端连接，与非门G4的输出端同时和与非门G3的第一输入端及与非门G6的第一输 入端连接，与非门G3的输出端和与非门G5的第二输入端连接，与非门G6的第二输入端和与 非门G5的输出端连接，与非门G5的第一输入端与与非门G6的输出端连接并作为触发单元的 输出端；触发单元还与稳压电源和地分别连接；

开关单元采用功率场效应管Q2，功率管Q2栅极作为开关单元的第一端与触发单元的输 出端连接，功率管源极作为开关单元的第三端接地，功率管的漏极与续流单元二极管D2正极 连接并作为励磁控制端用于控制发电机励磁绕组的电流；二极管D2的负极连接电源正极。

下面阐述详细的工作过程：

(1)当发电机输出电压低于设定值时，容易理解的是，由于采样信号与发电机输出电压 实时值的比值等于基准阈值电压与发电机输出电压设定值的比值，所以采样电阻R1和R2的 分压节点上的电压低于阈值单元的基准电压，即比较器A1的反相输入端电压低于其同相输入 端的电压，比较器A1输出高电平1，非门G2输出低电平0，延时单元在每次调节器电路上电 之初即输出高电平有效的窄脉冲信号，其上升沿时刻开始对触发单元进行触发：该信号经或 门G1传输到与非门G3和G4的第二输入端，与非门G4根据其第一输入端接收的比较器A1输 出的高电平信号和其第二输入端接收的或门G1输出的高电平窄脉冲信号，与非门G4输出低 电平信号；与非门G3根据其第一输入端接收的与非门G4的低电平信号，与非门G3输出高电 平信号，与非门G6根据其第一输入端接收的与非门G4的低电平信号，与非门G6输出高电平 信号，功率管Q2导通励磁；

当延时单元输出的窄脉冲信号过后，或门G1输出低电平时，与非门G3、G4封锁，G3、 G4均输出高电平，且与非门G5和与非门G6的输入端、输出端交叉连接实现状态锁止，即触 发单元输出高电平得以锁止；使触发单元锁止在输出高电平的第一稳态；功率管Q2导通，励 磁线圈负极通过调节器的励磁控制端对地导通，由于励磁线圈的正极与电源正极连接，励磁 电流接通；若发电机持续欠压，则励磁电流持续。

(2)在触发单元锁止在输出高电平的第一稳态时，随着发电机运转，当发电机输出电 压升高至大于等于设定值时，且延时单元输出的延时触发信号没有到来，采样单元电阻R1和 R2的分压节点上的电压高于阈值单元的基准电压值，在此过压时刻的时间点，历经下面过程： 比较器A1的反相输入端电压高于其同相输入端的电压，比较器A1翻转输出低电平的第一电 压，该电压信号先到达与非门G4第一输入端，又，该过压信号经过非门G2输出高电平1， 使或门G1输出高电平，或门G1输出端为与非门G4第二输入端提供相对于其第一输入端滞后 的信号，与非门G4根据其第一输入端接收的比较器A1输出的低电平信号使与非门G4输出高 电平信号；与非门G3根据其第一输入端接收的与非门G4输出的高电平信号，及或门G1输出 的高电平信号，与非门G3输出低电平信号，与非门G5根据其接收的与非门G3输出的低电平 信号使与非门G5输出高电平信号，与非门G6根据与非门G4和G5输出的高电平信号使与非 门G6输出低电平信号；功率管Q2截止切断励磁电流；在发电机输出电压高于设定值所持续 的时间内，比较器A1输出低电平0，非门G2输出高电平1使或门G1输出高电平1，使与非 门G3、G4、G5和G6状态不变；此期间，无论延时单元输出的高电平窄脉冲是否到来，或门 G1均输出高电平1，触发单元输出状态不会改变，使功率管Q2持续截止。

在上述信号处理过程中，从过压时刻时间点到功率管彻底截止时间点历经了比较器A1、 非门G2、或门G1、与非门G3～G6、和功率管Q2共八级电路结构的翻转时间之和(一般数十 纳秒至微秒级)，相对于先前技术的0.1毫秒～2毫秒的延迟量，几乎达到同步切断，使转子 在延迟时间内所转过的延迟角度很小(一般在高速时小于电角度1°)，提高了调节器和发 电机的安全可靠性和使用寿命。续流单元在功率管截止时吸收励磁线圈产生的自感电动势。

当延时单元输出的延时触发信号到来，与上述相同，Q2截止切断励磁电流。

综上，在发电机输出电压大于设定值的状态持续期间，功率管Q2持续截止。

(3)随着负载对电力的消耗，当发电机输出电压降低到低于设定值时，在延时单元输出 的窄脉冲没有到来期间，比较器A1输出高电平，非门G2输出低电平，或门G1输出低电平， 与非门G3、G4封锁，G3、G4均输出高电平，且与非门G5和与非门G6的输入端、输出端交 叉连接实现状态锁止，此时触发单元输出低电平信号得以锁止，即触发单元锁止在输出低电 平的第二稳态，功率管Q2一直截止。

延时单元接收过压时刻比较器A1输出的第一电压，对于每次第一电压的下降沿开始，延 时一个时间后，延时单元输出一个高电平有效的窄脉冲信号即延时触发信号：用于对触发单 元进行触发，而此时发电机输出电压已降低到低于设定值。具体地，延时触发信号上升沿打 开或门G1，同时比较器A1输出的高电平通过非门G2反相后输出低电平(对此时或门G1输 出状态无影响)，因此或门G1输出高电平，使与非门G3和G4的第二输入端为高电平，与非 门G4根据其第一输入端接收的比较器A1输出的高电平信号和其第二输入端接收的或门G1输 出的高电平窄脉冲信号，与非门G4输出低电平信号；与非门G3根据其第一输入端接收的与 非门G4的低电平信号，与非门G3输出高电平信号，与非门G6根据其第一输入端接收的与非 门G4的低电平信号，与非门G6输出高电平信号，功率管Q2导通励磁；此时与非门G5两个 输入端均为高电平使G5输出低电平，支持与非门G6的状态；

当延时单元输出的窄脉冲信号过后，或门G1输出为低电平时，与非门G3、G4封锁，G3、 G4均输出高电平，且与非门G5和与非门G6的输入端、输出端交叉连接实现状态锁止，触发 单元输出高电平信号得以锁止；功率管Q2导通，励磁线圈负极通过调节器的励磁控制端对地 导通，由于励磁线圈的正极与电源正极一直连接，所以励磁电流接通，发电机得以励磁。

通过上述过程得出，每次励磁电流的切断过程是这样的：当发电机输出电压大于等于设 定值即过压时刻到来，采样单元实时采样发电机输出电压值，且信号处理过程中没有滤波电 容造成时间上的延迟，仅仅经过触发单元及功率管的翻转即切断励磁电流，因为电路的翻转 时间远小于现有技术采样电路RC滤波元件导致的延迟时间，可以忽略不计，使电压调节精 准、励磁电流波形整齐利落、降低功率管开关损耗、避免过压危害、提高调节器和发电机的 安全性、可靠性及使用寿命；在延时单元输出的窄脉冲没有到来时，此时触发单元输出低电 平信号得以锁止，功率管Q2截止，即使发电机输出电压已经低于设定值，触发单元不会自行 退出锁止。每次励磁电流的开启是这样的：延时单元根据上电信号及每一次励磁电流切断信 号进行延时，当延时触发窄脉冲到来时，触发单元翻转为第二稳态状态锁止，即每次励磁电 路开启都是始于延时触发信号即延时触发励磁。

第六方面，本发明实施方式提供了一种限制超时励磁的电压调节器，如图6所示，包括 振荡单元、采样单元、阈值单元、比较单元、触发单元和续流单元；振荡单元的输出端与触 发单元的输入端连接用于为触发单元提供定频触发信号，使触发单元在定频触发信号的作用 下自锁于第一稳态；采样单元与电压调节器的电源正极和地分别连接(图中未予示出)，采样 单元的输出端与比较单元的第一输入端连接，阈值单元与比较单元的第二输入端连接用于提 供基准阈值电压，比较单元的输出端与触发单元的输入端连接用于当采样信号电压大于等于 基准阈值电压时提供第一电压，使触发单元在第一电压作用下自锁于第二稳态；触发单元的 输出端为电压调节器的励磁控制端且与续流单元连接；续流单元的另一端连接发电机电压调 节器的电源正极，触发单元的第三端接地；触发单元处于第一稳态时通过其功率器件接通励 磁电流，处于第二稳态时通过其功率器件切断励磁电流。

具体地，稳压二极管D3正极接地，电阻R4连接在稳压二极管D3负极和调节器电源正极 之间，电容C1与稳压二极管D3并联，即电阻R4、稳压二极管D3和电容C1构成稳压电源用 于为振荡单元单元、阈值单元、比较单元和触发单元提供稳定电压；振荡单元由窄脉冲发生 器和三极管Q31构成，窄脉冲发生器和三极管Q31发射极连接并接地，窄脉冲发生器的正极 连接稳压电源，窄脉冲发生器的输出端连接三极管Q31基极，三极管Q31集电极开路输出， 用于输出低电平有效的窄脉冲信号作为定频触发信号；采样单元由电阻R1和R2串联连接于 电源正负极之间(图中未予画出)；比较单元由比较器A4、电阻R31和二极管D31构成，电 阻R31和二极管D31正极连接，二极管D31负极作为比较单元输出端用于输出第一电压，比 较器A4还与稳压电源及地分别连接；采样电路输出端与比较器A4的同相输入端连接；阈值 单元由电阻R3和稳压二极管D1串联构成(图中未予画出)，电阻R3另一端还与稳压电源连 接，稳压二极管D1的正极接地，电阻R3和稳压二极管D1的连接节点与比较器A4的反相输 入端连接用于提供基准阈值电压；触发单元由比较器A5、电阻R32、R33、R34和功率管Q2 构成，比较器A5反相输入端用于接收定频触发信号和第一电压，比较器A5的同相输入端连 接电阻R32和R33，电阻R32另一端接稳压电源，电阻R33另一端接地，比较器A5输出端接 功率管Q2栅极，功率管Q2漏极通过反馈电阻R34接比较器A5反相输入端，比较器A5还连 接稳压电源和地，功率管Q2采用场效应管，其源极接地，漏极为触发单元输出端用于控制励 磁电流，续流单元采用二极管D2，其正极接功率管漏极，负极接电压调节器的电源正极。

下面说明具体工作过程：

(1)当发电机输出电压低于设定值时，容易理解的是，由于采样信号与发电机输出电压 实时值的比值等于基准阈值电压与发电机输出电压设定值的比值，故采样信号电压低于阈值 单元通过的基准阈值电压，比较器A4输出低电平0，使二极管D31截止；振荡单元内的窄脉 冲发生器产生窄脉冲在每一个窄脉冲到来时，三极管Q31集电极对地短暂导通，对触发单元 进行触发：在Q31开始导通时刻，比较器A5反相输入端电位仅仅为三极管Q31的饱和压降， 比较器A5同相输入端电压为电阻R32和R33的分压值高于三极管Q31的饱和压降，使比较器 A5输出高电平1，功率管Q2导通，接通励磁电流；同时，功率场效应管Q2漏极为极低的饱 和压降，电阻R32和R33的分压值也明显高于该饱和压降，在窄脉冲迅速过后的时间，三极 管Q31恢复截止，又由于前提条件是输出电压低于设定值时二极管D31截止，此时比较器A5 的反相输入端电压只受反馈电阻R34的影响，通过反馈电阻R34得到的电压值基本等于功率 管Q2的饱和压降，因此比较器A5输出高电平的状态得以锁止，即为触发单元的第一稳态， 功率管接通励磁电流。

(2)在触发单元锁止在第一稳态条件下，随着发电机运转，其输出电压逐渐升高，当发 电机输出电压大于等于设定值时，且振荡单元输出的定频触发信号没有到来，在此过压时刻 的时间点：采样单元的信号电压高于阈值单元的基准电压值，比较器A4输出高电平通过电阻 R31及二极管D31输出第一电压，且第一电压接近稳压电源的电压，第一电压高于电阻R32 和R32串联后电阻R33获得的分压，使比较器A5反相输入端高于同相输入端电压，使触发单 元立即翻转进入功率管Q2截止的第二稳态，切断励磁电流。

在上述信号处理流程中，从过压时刻的时间点到功率管彻底截止的时间点历经了比较器 A4、比较器A5和功率管Q2共三级电路结构的翻转时间之和(数十纳秒至微秒级)，延迟时间 远低于先前技术的调节器延迟时间，几乎是同步切断，微量的延迟时间内转子所转过的延迟 角度很小(一般在高速时小于电角度1°)，几乎不会产生过压超时励磁，提高了调节器和发 电机的安全可靠性和使用寿命。续流单元在功率管截止时吸收励磁线圈产生的自感电动势。

综上：在发电机输出电压大于设定值且定频触发信号没有到来时，功率管Q2持续截止。

如果出现持续过压，当振荡单元输出的定频触发信号的正向窄脉冲到来，对触发单元开 始触发：触发信号拉低触发单元的比较器A5反相输入端电压，使比较器A5翻转输出高电平 1，功率管Q2导通，但窄脉冲随即过去，采样信号高于基准阈值电压，又重新触发使触发单 元翻转为功率管Q2截止的第二稳态，直至下一个定频触发脉冲到来才可以重新导通，不断重 复上述过程，在发电机输出电压连续过压状态持续期间，功率管Q2与定频触发信号窄脉冲同 步导通，励磁回路出现窄脉冲的励磁电流，即残余电流。

(3)在触发单元锁止在功率管导通的第二稳态条件下，随着负载对电力的消耗，当发电 机输出电压降低到低于设定值时，当振荡单元输出的窄脉冲到来，触发单元又被重新重复翻 转为第一稳态，发电机得以重新励磁。

通过上述过程得出，每次励磁电流的切断过程是这样的：当发电机输出电压大于等于设 定值即过压时刻到来，采样单元实时采样输出电压值，且信号处理过程中没有电容造成时间 上的延迟，仅经过触发单元及功率管翻转即切断励磁电流，因为电路的翻转时间远远小于现 有技术中采样电路RC滤波元件导致的延迟时间，可以忽略不计，使电压调节精准、励磁电流 波形整齐利落、降低功率管开关损耗、避免过压危害、提高调节器和发电机的安全性、可靠 性及使用寿命；在定频触发信号没有到来期间，触发单元锁止在功率管Q2截止状态，即使发 电机电压已经低于设定值，触发单元不会自行退出锁止。每次励磁电流的开启是这样的：在 振荡单元的定频触发窄脉冲到来时，触发单元翻转为励磁状态，即每次励磁的开启都是始于 定频触发信号，因此，在发电机正常调节期间，为定频触发励磁。

本电路还具有功率管过流和负载短路保护功能：当发生功率管过流时(例如励磁绕组短 路、漏电、碳刷短路、滑环之间由于石墨粉末等造成的漏电等)，功率管Q2导通内阻上的压 降(Uds)升高，当Uds电压升高至高于电阻R32和R32串联后电阻R33获得的分压时，经过 反馈电阻R34的正反馈过程，触发单元急剧翻转，功率管Q2立即截止得到保护。功率管Q2 漏极高电位经电阻R34继续保持比较器A5反相输入端高于同相输入端电位使触发单元自锁于 第二稳态，即便过流或短路故障已经解除，只要定频触发信号还没有到来，电路就一直维持 在切断励磁的第二稳态。在故障解除后，发电机欠压状态时，在下一个触发脉冲的触发下， 触发单元翻转为第一稳态，功率管Q2导通，电压调节器自动恢复正常励磁。

在发生连续过流或短路时，振荡单元输出的触发窄脉冲到来时，会短暂拉低由反馈电阻 R34提供的比较器A5反相输入端电压，使比较器翻转输出高电平，功率管Q2短暂导通，窄 脉冲过后，过流状态的功率管Q2漏极过高的电压又经反馈电阻R34继续拉低比较器A5反相 输入端电压，使比较器翻转输出高电平，触发单元仍然回复到功率管截止的第二稳态，功率 管又得到保护；励磁回路出现短暂的短路电流作为短路侦测脉冲电流。

在过流或短路解除后，当发电机处于欠压状态时，在下一个触发脉冲的触发下，触发单 元翻重新转为第一稳态，功率管Q2导通，电压调节器自动恢复正常励磁。

第七方面，本发明实施方式提供了第四种限制超时励磁的电压调节器，如图7所示，包 括振荡单元、采样单元、阈值单元、触发单元和续流单元；振荡单元的输出端与触发单元的 输入端连接用于为触发单元提供定频触发信号，使触发单元在定频触发信号的作用下自锁于 第一稳态；采样单元与电压调节器的电源正极和地分别连接，采样单元的输出端通过阈值单 元与触发单元的输入端连接用于当采样信号电压大于等于基准阈值电压提供第一电压，使触 发单元在第一电压作用下自锁于第二稳态；触发单元的输出端为电压调节器的励磁控制端且 与续流单元连接，续流单元的另一端连接电压调节器的电源正极，触发单元的第三端接地； 触发单元处于第一稳态时通过功率器件接通励磁电流，处于第二稳态时通过功率器件切断励 磁电流。

如图8所示，采样电路由电阻R1和R2串联连接于电源正负极之间，电源正极与发电机 的电源输出相连，电源负极与发电机的负极搭铁相连；触发单元由三极管Q1、电阻R6、功率 管Q2、稳压二极管D6和电阻R5构成，电阻R5连接在三极管Q1的基极和功率管Q2漏极之 间，三极管Q1的基极作为触发单元的输入端，三极管Q1的集电极和功率管Q2的栅极及电阻 R6的一端连接，电阻R6的另一端连接电源正极，三极管Q1的发射极和功率管Q2的源极同 时接地，功率管Q2漏极作为触发单元输出端用于控制励磁电流，稳压二极管D6正极接地、 负极连接功率管Q2栅极用于保护功率管Q2；续流单元由二极管D2构成，其正极连接功率管 Q2漏极，负极连接调节器电源正极；阈值单元由稳压二极管D5构成，电阻R1、R2的连接节 点为采样电路的输出端连接稳压二极管D5的负极，稳压二极管D5的正极与三极管Q1基极连 接；振荡单元由窄脉冲电路、电阻及三极管构成，振荡单元与稳压电源和地分别连接，振荡 单元输出端与三极管Q1基极连接，用于提供低电平有效的固定频率的触发窄脉冲信号即定频 触发信号。

下面阐述具体的工作过程：

(1)当发电机输出电压低于设定值时，容易理解的是，由于采样信号与发电机输出电压 实时值的比值等于基准阈值电压与发电机输出电压设定值的比值，且本实施例的基准阈值电 压等效为稳压二极管D5稳压值与三极管Q1发射结导通阈值之和，所以采样信号电压低于稳 压二极管D5稳压值与三极管Q1发射结导通阈值之和，稳压二极管D5截止；在振荡单元输出 的触发脉冲即定频触发信号没有到来时，振荡单元内的三极管截止，在此条件下，触发单元 的输出状态有两种情况：

设触发单元输出高电平1，功率管Q2漏极的高电平经电阻R5使三极管Q1导通，三极管 Q1集电极拉低功率管Q2的栅极电压功率管Q2截止，触发单元输出高电平为稳定状态；

设触发单元输出低电平0，功率管Q2导通饱和压降低于三极管Q1的发射结导通阈值， 通过电阻R5拉低三极管Q1基极电压使三极管Q1截止，电源正极通过电阻R6为功率管Q2提 供栅极电压使功率管Q2导通，触发单元输出低电平为稳定状态；振荡单元输出的定频触发信 号到来时，振荡单元内的三极管集电极输出负向窄脉冲信号，对触发单元开始触发：触发信 号拉低三极管Q1的基极电压，使Q1截止，功率管Q2导通，触发单元发生翻转，输出为低电 平0且稳定在该状态：当振荡单元输出的窄脉冲信号过后，功率管Q2漏极饱和压降低于三极 管Q1的发射结导通阈值，经电阻R5接续拉低三极管Q1的基极电压，使三极管Q1保持截止、 功率管Q2保持导通，使触发单元锁止在第一稳态，因此励磁线圈的负极通过调节器的励磁控 制端对地导通接通励磁电流；若发电机持续欠压，则励磁电流持续。

(2)随着发电机运转，其输出电压会升高，当发电机输出电压大于等于设定值时，且振 荡单元输出的定频触发信号的正向窄脉冲没有到来，采样信号电压高于阈值单元稳压二极管 D5的稳压值与三极管Q1发射结导通阈值之和时，即过压时刻到来时：在此时间点开始：采 样信号通过稳压二极管D5使其输出第一电压，第一电压使三极管Q1导通、功率管Q2截止， 触发单元翻转，且通过反馈电阻R5使触发单元锁止在输出为高电平的状态即第二稳态，功率 管Q2截止切断励磁电流，即从过压时刻时间点到功率管彻底截止的时间点历经了稳压二极管 D5、三极管Q1和功率管Q2的翻转所需时间之和(一般在纳秒至数十纳秒级)，相对于先前技 术中0.1毫秒～2毫秒的延迟时间，几乎达到同步切断，微量的延迟时间内转子所转过的延迟 角度很小(一般在高速时小于电角度1°)，几乎不会产生过压超时励磁，提高了调节器和发 电机的安全可靠性和使用寿命。续流单元在功率管截止时吸收励磁线圈产生的自感电动势。 综上，在发电机输出电压大于等于设定值的状态持续期间且振荡单元输出的窄脉冲没有到来 时，触发单元稳定在功率管Q2截止的第二稳态。

如果出现持续过压，当振荡单元输出的定频触发信号的正向窄脉冲到来，对触发单元开 始触发：触发信号拉低触发单元三极管Q1的基极电压，使三极管Q1截止，功率管Q2导通， 但窄脉冲随即过去，过压信号又重新触发触发单元翻转为功率管截止状态并锁止，直至下一 个定频触发脉冲到来。在发电机输出电压连续过压状态持续期间，功率管Q2与定频触发信号 窄脉冲同步短暂导通，励磁回路出现窄脉冲的励磁电流，称之为残余电流。

(3)随着负载对电力的消耗，当发电机输出电压降低到低于设定值时，在振荡单元输出 的窄脉冲没有到来期间，此时触发单元输出高电平信号，其功率管Q2截止，此状态锁止；

当振荡单元输出的窄脉冲到来，窄脉冲信号使触发单元功率管导通开启励磁电流；当窄 脉冲信号过后，功率管Q2仍旧处于导通的第一稳态，发电机持续励磁。

通过上述过程得出，每次励磁电流的切断过程是：当发电机输出电压大于等于设定值即 过压时刻到来，采样单元实时采样输出电压值，且信号处理过程没有电容造成时间上的延迟， 仅仅经过触发单元翻转即切断励磁电流，因为电路的翻转时间远小于现有技术中采样电路RC 滤波元件导致的延迟时间，可以忽略不计，使电压调节精准、励磁电流波形整齐利落、减小 功率管开关损耗、避免过压危害、提高调节器和发电机的安全性、可靠性及使用寿命；在振 荡单元输出的窄脉冲没有到来期间，此时触发单元输出低电平信号得以锁止，功率管Q2截止， 即使发电机电压已经低于设定值，触发单元不会自行退出锁止。每次励磁电流的开启过程是： 在振荡单元的定频触发窄脉冲到来时，窄脉冲信号使触发单元翻转为励磁状态，即每次励磁 的开启都是始于来自振荡单元输出的定频触发信号，因此，在发电机正常调节期间，是以固 定频率来触发励磁的，即定频触发励磁。

本实施例电路还具有功率管过流和负载短路保护功能：当发生功率管过流时，功率管Q2 导通内阻上的压降(Uds)升高，当Uds电压升高至高于三极管Q1发射结导通阈值时，经过 反馈电阻R5的正反馈过程，触发单元急剧翻转，功率管Q2立即截止得到保护。功率管Q2漏 极高电位经电阻R5继续维持三极管Q1的基级电流，三极管Q1继续导通使触发单元自锁于第 二稳态，即便过流或短路故障已经解除，只要振荡单元输出的定频触发脉冲还没有到来，电 路就一直维持在切断励磁第二稳态。在发生连续过流或短路时，振荡单元输出的触发窄脉冲 到来时，会短暂拉低由反馈电阻R5提供的三极管Q1基极电压，使三极管Q1短暂截止，功率 管Q2短暂导通，窄脉冲过后，过流状态的功率管Q2漏极过高的电压又经反馈电阻R5继续使 三极管Q1导通，触发单元仍然回复到功率管截止的第二稳态，功率管又得到保护；励磁回路 出现短暂的短路电流作为短路侦测脉冲。

在过流或短路解除后，当发电机处于欠压状态时，在下一个定频触发信号作用下，触发 单元翻重新转为第一稳态，功率管Q2导通，电压调节器自动恢复正常励磁。

第八方面，本发明实施方式提供了一种限制超时励磁的电压调节器，如图9所示，包括 延时单元、采样单元、阈值单元、触发单元和续流单元；延时单元的输出端与触发单元的输 入端连接用于为触发单元提供延时触发信号，使触发单元在延时触发信号的作用下自锁于第 一稳态；采样单元与电压调节器的电源正极和地分别连接，采样单元的输出端通过阈值单元 与触发单元的输入端连接用于当采样信号电压大于等于基准阈值电压提供第一电压，使触发 单元在第一电压作用下自锁于第二稳态；触发单元输出端与延时单元的输入端连接，用于为 延时单元提供励磁切断信号及调节器上电信号，触发单元输出端为发电机电压调节器的励磁 控制端且与续流单元连接，续流单元的另一端连接电压调节器的电源正极，触发单元的第三 端接地地即电源负极，触发单元处于第一稳态时通过其功率器件接通励磁电流，处于第二稳 态时通过其功率器件切断励磁电流。

具体地，电阻R4、稳压二极管D3和电容C1构成调节器内的稳压电源，电阻R4一端连 接调节器的电源正极，电阻R4另一端与稳压二极管D3负极及电容C1一端连接，作为稳压电 源的输出端，稳压二极管D3正极及电容C1另一端同时接地，稳压电源用于为延时单元和触 发单元提供稳定的电压；延时单元采用比较器A3和外围元件构成，比较器A3的同相输入端 连接电阻R22、R23和电容C22，电容C22另一端及电阻R22另一端同时接地，电阻R23另一 端接调节器内的稳压电源，比较器A3的反相输入端连接电阻R21和稳压二极管D21的负极， 电阻R21的另一端及稳压二极管D21的正极同时接地，比较器A3的反相输入端还通过电容 C21连接触发单元输出端用于接收励磁切断信号，比较器A3的输出端接有上拉电阻R24和输 出电容C23，上拉电阻R24另一端连接稳压电源，输出电容C23另一端连接电阻R25和三极 管Q21的基极，电阻R25另一端和三极管Q21发射极同时接地，三极管Q21集电极作为延时 单元输出端用于为触发单元提供低电平有效的延时触发信号；采样单元由电阻R1和R2串联 连接于调节器电源正负极之间，电阻R1和R2连接节点为采样电路的输出端与触发单元输入 端连接；阈值单元由稳压二极管D5构成；触发单元由三极管Q22、电阻R27、功率管Q2和电 阻R26构成，电阻R26连接在三极管Q22的基极和功率管Q2漏极之间，三极管Q22的基极作 为触发单元的输入端，三极管Q22的集电极和功率管Q2的栅极及电阻R27的一端连接，电阻 R27的另一端连接稳压电源，三极管Q22的发射极和功率管Q2的源极同时接地，功率管Q2 漏极作为触发单元输出端用于控制励磁电流；续流单元由二极管D2构成，其正极连接功率管 Q2漏极，负极连接调节器电源正极。

下面阐述详细的工作过程：

(1)在电压调节器开机上电时，且发电机输出电压低于设定值，容易理解的是，由于采 样信号与发电机输出电压实时值的比值等于基准阈值电压与发电机输出电压设定值的比值， 且本实施例的基准阈值电压等效为稳压二极管D5稳压值与三极管Q22发射结导通阈值之和， 所以采样单元输出电压低于稳压二极管D5稳压值与三极管Q22发射结导通阈值之和，二极管 D5截止；电源正极通过外接的励磁绕组和电阻R21构成电容C21的充电路径，由于电容两端 电位不能突变，所以开机后上电瞬间，功率管Q2尚未导通，比较器A3的反相输入端得到较 高电位的上电信号，同时比较器A3的同相输入端在电容C22的作用下得到低电位，此时比较 器输出为低电位，电容C23两端电位差几乎为0，三极管Q21截止，随着对C21的不断充电 其下端电位会降低直至为接近地电位，随着电阻R23对C22的不断充电其上端电位会升高直 至为电阻R23与R23对稳压电源的分压值，在对两个电容的充电进程过程中，当C21的下端 电位低于C22的上端电位时，比较器A3翻转输出为1，突变的电位立即通过三极管Q21发射 结对电容C23充电，对电容C23充电电流初始值为最大值，使三极管Q21立即饱和导通，其 集电极输出延时触发信号，开始对触发单元进行触发：触发信号拉低触发单元三极管Q22基 极电压，使三极管Q22截止，稳压电源通过电阻R27为功率管Q2提供栅极电压使功率管Q2 导通，触发单元翻转为功率管Q2导通状态，接通励磁电流；由于电容C23容量很小，比较器 A3输出端对其充电过程很快结束，三极管Q21恢复截止，导通时功率管Q2漏极饱和压降低 于三极管Q1的发射结导通阈值，经电阻R5接续拉低三极管Q1的基极电压，使三极管Q1截 止、功率管Q2导通，使触发单元锁止在功率管Q2导通的第一稳态，接通励磁电流；若发电 机持续欠压，则励磁电流持续。

(2)随着发电机运转，当输出电压升高至大于等于设定值的过压时刻的时间点，采样信 号的电压高于阈值单元稳压二极管D5的稳压值与三极管Q22发射结导通阈值之和，采样信号 通过稳压二极管D5输出第一电压使三极管Q22导通、功率管Q2截止，触发单元翻转，且通 过反馈电阻R5使触发单元锁止在输出为高电平的第二稳态，通过功率管Q2切断励磁电流； 在上述信号处理流程中，从过压时刻时间点到功率管彻底截止的时间点历经了采样信号使稳 压二极管D5导通、三极管Q22和功率管Q2两级电路结构的翻转时间之和(一般在数十纳秒 级)；远远低于先前技术的调节器0.1毫秒～2毫秒延迟时间，几乎是同步切断，提高了调节 器和发电机的安全可靠性和使用寿命。续流单元在功率管截止时吸收励磁线圈的自感电动势。

综上，在发电机输出电压大于设定值的状态持续期间且延时单元输出的脉冲没有到来时， 触发单元锁止在功率管Q2截止的第二稳态。

(3)随着负载对电力的消耗，当发电机输出电压降低到低于设定值时，在延时单元输出 的窄脉冲没有到来期间，此时触发单元输出高电平信号，其功率管Q2截止，此状态锁止；

延时信号产生过程：上述功率管Q2切断励磁电流的同时，调节器励磁控制端出现一个电 压上升沿，该电压为C21充电，还耦合到比较器A3反相输入端，使其电位高于其同相输入端 的分压值，比较器A3立即翻转输出低电平0，电容C23通过比较器输出端内部对地放电。随 着对C21充电其下端电位会降低，当降低到低于电阻R22上端的电位时，比较器A3又翻转输 出高电平1，与前述相同地，经三极管Q21发射结对电容C23充电，使三极管Q21立即导通， 其集电极输出的是对功率管截止的励磁切断信号的延时信号，用于触发触发单元使其功率管 导通，故为延时触发信号，该信号为窄脉冲，窄脉冲信号使触发单元翻转开启励磁电流；当 延时单元输出的窄脉冲信号过后，触发单元仍锁止在功率管导通的第二稳态，励磁线圈的负 极通过触发单元的功率管对地导通，发电机恢复励磁。

如果出现由于蓄电池存储电能及减轻负荷等原因导致持续过压，当延时单元输出的延时 触发信号到来，对触发单元开始触发：触发信号拉低触发单元三极管Q22的基极电压，使三 极管Q22截止，功率管Q2导通，由于延时触发单元输出的窄脉冲随即过去，过压信号又重新 触发触发单元翻转为功率管截止状态并锁止，延时单元接收来自功率管漏极的新的励磁切断 信号经过延时时间又会输出新的延时触发信号，新的延时触发信号到来功率管Q2又可以重新 导通，以上过程不断重复，因此在发电机输出电压连续过压状态持续期间，功率管Q2与延时 触发信号窄脉冲同步导通，励磁回路出现窄脉冲的励磁电流，称之为残余电流。

通过上述过程得出，每次励磁电流的切断过程是：当发电机输出电压大于等于设定值即 过压时刻到来，采样单元实时采样发电机输出电压值，且信号处理过程中没有电容造成时间 延迟，仅经过触发单元翻转即切断励磁电流，因电路的翻转时间远小于现有技术中采样电路 RC滤波元件导致的延迟时间，使电压调节精准、励磁电流波形整齐利落、减小功率管开关损 耗、避免过压危害、提高调节器和发电机的安全性、可靠性及使用寿命；在振荡单元输出的 窄脉冲没有到来期间，触发单元输出低电平状态得以锁止，功率管Q2截止，即使发电机电压 已经低于设定值，触发单元不会自行退出锁止。每次励磁电流的开启过程是：延时单元根据 上电信号及每一次励磁电流切断信号进行延时，等待延时单元的延时触发窄脉冲到来时，窄 脉冲使触发单元翻转为励磁状态并在该状态锁止，即每次励磁电路开启都是始于延时单元输 出的延时触发信号即延时触发励磁。

本电路还具有功率管过流和负载短路保护功能：当发生功率管过流时，功率管Q2导通压 降(Uds)升高，当Uds电压升高至高于三极管Q22发射结导通阈值时，经过反馈电阻R26的 正反馈过程，触发单元急剧翻转，功率管Q2立即截止得到保护，功率管Q2漏极高电位经电 阻R26继续维持三极管Q22的基级电流，三极管Q22继续导通使触发单元自锁于第二稳态； 此后，因为没有上电信号和励磁切断信号去触发延时单元，延时单元不会自行输出触发信号， 无论过流或短路是否解除，触发单元一直处于第二稳态，电压调节器一直处于功率管截止的 保护状态，只有关闭电源重新上电才可以使调节器重新接通励磁电流。

第九方面，本发明实施方式提供了一种限制超时励磁的电压调节器，如图10所示，包括 振荡单元、采样单元、阈值单元、触发单元、开关单元和续流单元；振荡单元的输出端与触 发单元的第一输入端连接用于为触发单元提供定频触发信号，使触发单元在定频触发信号的 作用下自锁于第一稳态；采样单元由电阻和/或晶体管构成，实时采样电源正负极之间的电压 且无滤波电容的输出端与触发单元的第二输入端连接用于提供采样信号，阈值单元与触发单 元的第一输入端连接用于提供基准阈值电压，当采样信号电压大于等于基准阈值电压时，触 发单元自锁于第二稳态；触发单元的输出端与开关单元的第一端连接，开关单元的第二端为 电压调节器的励磁控制端且与续流单元连接，续流单元的另一端连接电压调节器的电源正极， 开关单元的第三端接地；触发单元处于第一稳态时通过开关单元接通励磁电流，处于第二稳 态时通过开关单元切断励磁电流。

如图11所示，稳压二极管D3的正极接地，电阻R4连接在稳压二极管D3负极和调节器 电源正极之间，电容C1与稳压二极管D3并联，即电阻R4、稳压二极管D3和电容C1构成稳 压电源用于为振荡单元、比较单元、触发单元提供稳定的电压；采样单元由电阻R1和R2串 联连接于电源正负极之间，电源正极与发电机的电源输出相连，电源负极与发电机的负极搭 铁相连；触发单元由电压比较器A1和反馈电阻R5构成，电阻R5连接在比较器A1的同相输 入端和输出端之间，比较器A1和稳压电源及地分别连接；电阻R1、R2的连接节点为采样电 路的输出端与比较器A1的反相输入端连接；阈值单元由稳压二极管D1构成，稳压二极管D1 的正极接地，稳压二极管D1的负极作为阈值单元的输出端与比较器A1的同相输入端连接； 振荡单元与稳压电源和地分别连接，振荡单元输出端与比较器A1的同相输入端连接用于为触 发单元提供高电平有效的固定频率的触发窄脉冲信号即定频触发信号；开关单元包括功率场 效应管Q2，功率管Q2的栅极作为开关单元的第一端与触发单元的输出端连接用于接收触发 单元的输出信号，功率管源极作为开关单元的第三端接地，功率管漏极与续流单元的二极管 D2正极连接并作为励磁控制端用于控制发电机励磁电流；二极管D2的负极连接电源正极。

下面阐述详细的工作过程：

(1)当发电机输出电压低于设定值时，容易理解的是，由于采样信号与发电机输出电压 实时值的比值等于基准阈值电压与发电机输出电压设定值的比值，所以采样电阻R1和R2的 分压节点上的电压低于阈值单元的基准电压。

设比较器A1输出高电平1，比较器A1输出的高电平经过电阻R5在稳压二极管D1负极 得到稳定的基准阈值电压，采样信号电压低于阈值单元的基准阈值电压，即比较器A1的反相 输入端电压低于其同相输入端电压，比较器A1输出高电平1为稳定状态；

设比较器A1输出低电平0，在振荡单元输出的窄脉冲没有到来时，比较器同相输入端经 电阻R5被其输出端拉为低电平，其电压低于采样单元的信号电压，比较器A1输出为低电平 0且稳定在该状态；在振荡单元输出的窄脉冲到来时，对触发单元进行触发：窄脉冲信号抬 高比较器同相输入端电位，其电压高于采样单元的信号电压，且窄脉冲的宽度大于比较器A1 翻转所需时间(由于比较器的翻转时间极短，一般在纳秒至数十微秒级，相应的窄脉冲可以 很窄，其所占的定频触发脉冲的占空比就很小，保证可靠触发即可)，比较器A1翻转，其输 出为高电平1，当振荡单元输出的窄脉冲信号过后，由电阻R5经稳压二极管D1稳压的基准 电压高于欠压状态下采样电路的信号电压，使触发单元输出高电平信号得以锁止，即触发单 元稳定在第一稳态，并通过功率管Q2将励磁线圈的负极对地导通，由于励磁线圈的正极与电 源正极一直连接，所以励磁电流出现，发电机得以励磁；若发电机持续欠压，则励磁电流持 续。

(2)随着发电机运转，其输出电压逐渐升高，当发电机输出电压大于等于设定值时，且 振荡单元输出的定频触发信号的正向窄脉冲没有到来，采样单元电阻R1和R2的分压节点上 的电压高于阈值单元的基准电压值，从过压时刻时间点开始，历经比较器A1的反相输入端电 压高于其同相输入端的电压，比较器A1输出低电平0，且通过电阻R5使触发单元锁止在输 出为低电平第二稳态，通过功率管Q2截止的切断励磁电流；在上述信号处理流程中，从过压 时刻时间点到功率管彻底截止的时间点，历经了比较器A1和功率管Q2这两电路结构的翻转 时间之和(一般在纳秒至微秒级)，相对于先前技术0.1毫秒～2毫秒的延迟量，本电路的延 迟时间远小于先前技术的调节器延迟时间，几乎不会产生过压超时励磁，提高了调节器和发 电机的安全可靠性和使用寿命。续流单元在功率管截止时吸收励磁线圈产生的自感电动势。

在输出电压持续压大于设定值且振荡单元的窄脉冲没有到来时，功率管Q2持续截止。

如果出现持续过压，当定频触发信号的正向窄脉冲到来，对触发单元开始触发：触发信 号抬高比较器A1同相输入端电压，使比较器A1翻转输出高电平1，功率管Q2导通，但窄脉 冲随即过去，采样信号高于基准阈值电压，又使触发单元翻转为输出低电平0，控制功率管 Q2截止，直至下一个定频触发脉冲到来才可以重新导通，在发电机输出电压连续过压期间， 功率管Q2与定频触发信号窄脉冲同步导通，励磁回路出现窄脉冲励磁电流，即残余电流。

(3)随着负载对电力的消耗，当发电机输出电压降低到低于设定值时，在振荡单元输出 的窄脉冲没有到来期间，比较器A1输出低电平，此时触发单元输出低电平信号得以锁止；

当振荡单元输出的窄脉冲到来，窄脉冲信号使比较器A1输出为高电平1，功率管Q2导 通接通励磁电流；当窄脉冲信号过后，由于触发单元输出高电平状态通过反馈电阻R5得以锁 止，即稳定在第一稳态，所以发电机得以持续励磁。

通过上述过程得出，每次励磁电流的切断过程是：当发电机输出电压大于等于设定值即 过压时刻到来时，采样单元实时采样发电机输出电压，且信号处理过程没有电容造成时间上 的延迟，仅经过触发单元翻转即切断励磁电流，因电路的翻转时间远小于现有技术采样中电 路RC滤波元件导致的延迟时间，使励磁切断迅速、调节精准、励磁电流波形整齐利落、减小 功率管开关损耗、避免过压危害、提高调节器和发电机的安全性、可靠性和使用寿命；在振 荡单元输出的窄脉冲没有到来期间，此时触发单元输出低电平信号得以锁止，功率管Q2截止， 即使发电机电压已经低于设定值，触发单元不会自行退出锁止。每次励磁电流的开启过程是： 振荡单元的定频触发窄脉冲到来时，触发单元翻转为励磁状态，即每次励磁的开启都是始于 定频触发信号，因此，在发电机正常调节期间，为定频触发励磁。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人 员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的 技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。