CN1048773A - 电子稳压永磁无刷直流发电机 - Google Patents

Abstract

一种电子稳压永磁无刷直流发电机其电子稳压 器主电路是采用新型的简化PWM升压式整流或采 用谐振开关升压整流，其工作方式是当发电机转速等 于最大转速或高于最大转速时，变换器工作在二极管 整流状态，当转速低于最大转速时，将直流输出提升 到二极管整流时所对应的电压值，从而维持输出直流 电压的平稳，适应了飞机、军舰、坦克、轮船、汽车等在 运行中发动机转速变化的特点。主电路简单、可靠性 高，成本低。

Description

电子稳压永磁无刷直流发电机属电工技术。

现代飞机、汽车、轮船、军舰、坦克等其发电机是由发动机传动的，发电机的转速与发动机的转速相同，或成比例，且随工作状态而变化。如果采用永磁电机，仅用二极管整流就会使输出电压变化范围太大，管子的定额要求高，可靠性变差，且不能实现发电机的电动工作。若采用可控整流产生直流，虽输出电压平稳，但主电路和控制电路均较复杂，成本高。

本发明的任务是提供一种输出直流电压平稳，可靠性高，电路简单，成本低的永磁无刷直流发电机。

本发明的技术方案，由永磁发电机、同步信号隔离电路、模拟开关电路、电流检测电路，基准电压电路、电压检测电路、电压调节电路、电流调节电路，逻辑选通电路、隔离驱动电路、电子稳压器主电路及输出滤波电路所组成。其中电流调节电路又由时钟发生器，迟滞比较器、低通滤波器、鉴相电路所组成。该发明的特点是将永磁无刷发电机输出的三相或单相交流电用电子线路变换成稳定电压输出的直流电。对于单相电机，电子稳压器主电路由4只二极管和2只功率晶体管（双极型三极管或功率场效应管）组成;对于三相电机，电子稳压器主电路由6只二极管和3只功率晶体管构成，二极管接成单相或三相整流桥，功率晶体管分别并接于整流桥负侧的二极管上。其工作方式是，当发电机转速等于最大转速时，并联的三极管处于关断状态电子稳压器完全工作在二极整流状态，使桥式整流电路输出额定电压的直流电。当发电机的转速低于最大转速时，2～3个并联的升压晶体管工作，将直流输出电压提高到额定电压值，从而维持了输出直流电压的恒定。这样就适应了飞机、军舰、轮船、坦克、汽车等在运行过程中发动机转速变化的特点。例如飞机，大部分时间是巡舰，其发动机转速为最高转速的90%，当飞机下滑或地面空转时，其转速较低，最低时为最高转速的50%。因此发电机转速变化范围的最高转速与最低转速之比约为2∶1。而大部分时间是工作在最高转速的90%的转速下，只有较少的时间其转速低于最高转速的90%。军舰、坦克、汽车、轮船等也类似。

这种新式永磁无刷直流发电机，不仅电路简单，输出电压平稳，直流输出电压的变化范围大为减小，用电设备的工作环境也得到改善，与此同时，由于功率三极管轮换工作，控制电路大为简化，系统的可靠性得以提高。另外三极管的工作时间很短，与全控整流相比，可靠性和效率都得到了提高。

为了更清楚，更完整地阐述本发明的技术方案和工作原理，现以三相电机为实施例来作进一步说明。

附图1.电子稳压永磁无刷直流发电机系统框图。

附图2.电子稳压器主电路图。

附图3.同步信号检测电路。

附图4.电流检测电路。

附图5.隔离驱动电路。

附图6.电压调节电路。

附图7.迟滞比较器电路。

附图8.时钟发生器电路，鉴相电路的逻辑图和低通滤波电路。

图中同步信号隔离检测电路（1）通过对三相输入电压的隔离检测得到六个自然换相点，生成方波同步信号。同步信号控制的三个模拟开关（2）把三相电流检测的电流反馈信号分时送入迟滞比较器（7）。电压外环的误差信号（U_r-U_j）经过电压调节器（5）放大得到电流给定U_l，调制载波是U与模拟开关输出的U之差，这个误差信号经迟滞比较器（7）产生PWM波，鉴相电路（9）对该PWM波和时钟信号发生器（6）产生的信号进行鉴相来控制迟滞比较器（7）的环宽。从而完成了锁频控制。

迟滞比较器（7）只输出一个PWM波，为了保证强迫换流得以实现，各功率管必须进行分时驱动。同步信号控制的逻辑选通电路（11）的作用就是把一个PWM信号分别送入相应的功率三极管隔离驱动电路（12），PWM整流器输出的脉动直流经过滤波器（14）输出稳定直流电。

对附图2这样的非对称电子稳压器主电路。相电流只有正相可控，因而三相电流闭环可共用一个滞环比较器。对全桥结构的主电路，须用电压环输出的电流给定乘以三相电流给定波形，用三个电流闭环分别控制输出电压的波形。

下面再对附图1中各部分电路的结构及基本原理作进一步阐述。

对于120°宽的方波电机可采用附图2这种结构简单的升压式线路，在附图2（b），合并L₁、L₂去掉D，实际上就是一个并联升压式DC/DC变换器，图（a）所示为电路在一个周期内可简单地看作是六个如图（b）所示的电路的轮换工作。其工作原理是，当输出的直流电压大于额定输出电压时，门限电路输出低电平，功率三极管的开关信号被切除，则功率三极管T₁、T₂、T₃均不工作，其系统工作在二极管整流状态;当输出的直流电压小于额定输出电压时，三极管投入工作，T₁在电机A相电压最高的120°内选通工作，T₂与T₃管截止;在电机B相电压最高的120°内选通T₂管工作，T₁与T₃截止;在电机C相电压最高的120°内选通T₃管工作，T₁与T₂截止。

T₁管工作时，对应D₂管导通，若这时负组二极管是D₅导通，则电机A、B两相提供电源构成并联升压变换器，若负组是D₆管导通，则A、C相提供电源构成并联升压变换器，与D₆管导通时类似。T₂与T₃管工作与T₁管工作类似。

若要实现发电机工作在电动状态，只要在附图2电路正组的二极管上再分别并联一个功率三极管即可（见附图2（a）和（b）），因此，这种升压式电子稳压器主电路具有如下优点：

1）利用了电机漏感，系统的体积重量可减小。

2）主电路的结构便于实现起动/发电双功能。

3）对电机相电流的控制可以实现强迫换相，减小换相重叠和功率因素角，并实现功率三极管内电流的直接反馈控制。

附图3是同步信号检测电路。以正弦波为例，要获得如附图3（a）所示的1-6个自然换相点，并产生120°方波，需要有检测和变换两部分电路，在检测对象上也可分为电压直接检测和电机位置检测，这里仅讨论电压直接检测。

从附图3（a）、（b）可看出三相电压的自然换相点，即为三相线电压过零点，同时输入电路与主电路和控制电路无共地点，因此同步信号检测电路即为隔离过零检测与逻辑变换电路。

实现电气隔离，主要有光电隔离和电磁隔离两种形式，本实施例只讨论采用变压器的电磁隔离形式，其变压器的副边用集成比较器进行线电压过零检测，变压器不需要传送功率，因而可做得尽量小。变压器副边控制的Uab、Ubc可直接得到，Uab线电压的获得要用一个如附图3（c）所示的减法器。

自然换相点检测得到三个上升、下降沿，分别为1-4，2-5与3-6方波，如附图3（d）所示。通过附图3（e）所示的电路即可把它们变成120°宽脉冲的三个同步信号。

附图4是电流检测电路。对三相储能电感上的电流要进行隔离检测，并用这一电流反馈信号来控制电路的调制工作，对电流检测电路提出了如下要求：

1）电气隔离，即把主电路与控制电路隔离;

2）具有较宽的频率范围，在0～2f_max内电测检测放大倍数要基本保持不变，f_max为最高调制频率;

3）检测电路要具有尽可能宽的线性工作区，避开饱和失真，获得尽可能高的电流检测灵敏度。

4）较高的抗干扰能力;

5）在达到上述各要求的基础上力求电路结构简单、可靠。

为达到上述要求，可采用光电隔离电流检测电路和电磁隔离电流检测电路。下面仅以电磁隔离电流检测电路为例来加以说明。附图4是这种电路的实施例图。适用于交流状态下工作的电流互感器用于直流性质的升压调节器，是利用了调节器的工作机理。如图（b）所示。

i_L＝I_S0＜t＜T_ON

i_L＝I_D0＜t＜T_OFF

此电路分别用两个电流互感器T₁、T₂检测电流I_S、I_D，然后再经过图（a）的互感器负边电路，把I_S、I_D信号在R_O上合成，从而复现了i_L的波形，其工作原理如下：

t₁＜t＜t₂时，存在I_S电流，T₁所感应的电流使D₁导通，R_O上的检测输出信号反映了I_S大小。在t₂时刻三极管关断，I_S强迫为零，T₁副边感应反向电势使D₁管反向瞬时续流，从而释放T₁内的能量，磁通迅速下降到零。为下一次的I_S检测作为准备，在t₂时刻，由于I_D电流的跃变使D₂导通，R_O上又反映了电流I_D，从而复现了i_L。

从以上工作原理的分析可看出，R_O是检测电阻，把电流信号转化为电压信号。C_O为输出滤波电容，用以抑制检测时的换流尖峰，在保证U_O尖峰较小的情况下，τ_O＝R_OC_O应选择得较小，以保证检测快速性和C_O的并入引起的高频段检测畸变。D₁、D₂的作用是分别允许互感器T₁、T₂的正向感应电流，并作互感器的反向恢复耗能元件，因此应选用高反压的快速二极管，使检测时反向恢复快、检测畸变小。互感器的铁芯材料也应选用高导磁率的环形铁芯，并要求其磁滞回线窄、线性度好，工作频带宽。

电磁隔离检测电路与光电隔离检测电路相比，有线路结构简单、可靠、隔离作用好，成率低等优点。

附图5为隔离驱动电路。高性能驱动的一个基本要求就是要进行电气隔离。目前常用的有两种形式：光电隔离驱动和电磁隔离驱动。常用的电磁隔离驱动有驱动变压器和高频脉冲变压器隔离两种。驱动变压器隔离只适用于频率和导通比限制的场合，且体积较大。采用高频脉冲变压器隔离也可分为两种形式：即高频调制法和脉冲控制法，附图5所示的是一个采用脉冲控制法隔离的驱动电路。该电路利用了一个小而简单的脉冲变压器T传递开通、关断信号，驱动级由一个双稳态触发器记忆开关顺序，双稳输出信号再经驱动输出级放大驱动GTR工作。

输入端产生两个0.5～2μs的脉冲信号，使得隔离变压器体积小，且与调制频率无关。T₁、T₂构成双稳态触发器，T₂管由于D₁、D₂的抗饱和作用工作在准饱和状态。T₁管为一个不饱和的电流源。因此该电路能很快地翻转，满足了驱动信号需要很快的上升、下降沿的要求。电路中D₇～D₉的作用是保证双稳态电路的高电平稳定性，防止T₁基极电流从变压器付边旁路，提高电路的抗干扰能力。

由于脉冲变压器不需要传递功率，可用TTL或MOS门电路直接变换驱动信号输出到变压器两端，为提高输入级的可靠性，亦可用带三极管的微分电路驱动脉冲变压器。

附图中，其虚线部分的电路构成了自适应，自保护驱动。R₁、R₂的分压设置了导通时A点电位，正常工作时，GTR的C点电位低于A点电位，R₆上的电流径D₃流到功率管，当由于负载短路或是驱动电流不足时，GTR的Uces上升，当U_C＝U_A时，D₄导通，R₆与R₃的分压使A点电位升高，双稳电路翻转，及时地关断了功率管，从而有效地防止了功率晶体管的瞬态过流与过热毁坏。

事实上，即使在正常工作的情况下，功率管的饱和压降Uces也要随I_C电流的增长而增大，因而可以通过U_A电压的设置进行I_C过流保护，使系统可靠性大为提高。

综上所述，脉冲控制的电磁隔离驱动有如下优点：

1）对过载和短路提供了快速有效的保护，是一种相当安全的驱动电路。

2）脉冲窄，变压器体积小，仅传递开关信号，传输延迟小。

3）双稳态电路实现了隔离后的整形，具有较理想的驱动性能。

4）电路结构简单，成本低。

附图6，电压调节电路-即PI调节器。

实际的PI调节器应具有K_P、τ_I可调的形式，电路结构的设计应满足运放良好工作的条件，保证K_P、τ_I灵活可调。附图6中示出了一种基本PI调节器实施例电路图。其传递函数为：

G(S)= (U_o(S))/(U_i(S)) = -(R_F+ 1/(C_FS) )/Rf= (R_F)/(R_f) · (1+R_FC_FS)/(R_FC_FS)

可见：

这样，改变R_f调节K_P，改变C_F可调节τ_Z。

在电流闭环中，起PWM调制工作，决定调制频率的关键部件是迟滞比较器，比较器的实际特性对系统的工作起着决定性的影响，附图7（a）所示的是恒环宽迟滞比较器的电路图。其电容C取值约为100PF，它的作用是增强比较器转换过程的正反馈，提高运放的转换速率，且根据运放工作条件有：R＝R_t∥R_f。

如果将附图7（a）中的正反馈电阻R_f用一个可控的反馈电阻代替，可实现环宽可控的迟滞比较器。附图7（b）是采用跨导运放为反馈网络的迟滞比较器。

在无刷直流发电机控制线路中，恒频电路由时钟发生器，鉴相电路和低通滤波器组成。与迟滞比较器构成频率闭环控制，组成锁相环路。

时钟发生器可由时基电路CD555，门电路或运放构成简单的时钟发生器。在该系统中根据频率稳定度不高，鉴相上升沿要求高的特点，选用简单的CMOS门电路构成时钟发生器，如附图8（a）所示。

利用CMOS锁相环CD4046内的相位比较器对比较器输出和时钟前沿进行鉴相，最终达到稳频和锁相的目的，鉴相电路的逻辑图如附图8（b）所示。

鉴相输出通过一个低通滤波器和驱动级来控制迟滞比较器的迟环宽度，实现稳频调制。其电路图如附图8（c）所示。对于通常的锁相环路，由于压控振荡器（VCO）的控制端不耗能，对低通滤波器的要求不严，滤波时间常数τ＝R′C（R′＝R₁+R₂）的设计应折衷在既要避勉环路进入自激，又要保证对输入频率的变化有合理快的响应速度。通常最佳的工作是电阻R₂的阻值为R₁的10～30%，取R₁＝470KΩ，R₂＝47KΩ，C＝0.1μF，其频率锁定范围为整个压控振荡器的工作区间。

本发明可在飞机、军舰、坦克、轮船、汽车等领域的电源中得到应用。

Claims (2)

1、一种电子稳压永磁无刷直流发电机由永磁发电机、同步信号隔离控制电路、模拟开关电路、电流检测电路、基准电压电路、电压检测电路、电压调节电路、电流调节电路、逻辑选通电路、隔离驱动电路、电子稳压器主电路及输出滤波电路所组成，其特征在于将永磁无刷发电机输出的三相或单相交流电用电子线路变换成稳定直流输出的直流电，对于单相电机、电子稳压器主电路由4只二极管和2只功率晶体管组成，对于三相电机、电子稳压器主电路由6只二极管和3只功率晶体管组成，二极管接成单相或三相整流桥，功率晶体管分别并接于整流桥的负侧的二极管上。

2、根据权利要求1所述的电子稳压永磁无刷直流发电机其特征在于它的工作方式是，当发电机转速等于最大转速时，并联的三极管处于关断状态，电子稳压器完全工作在二极管的整流状态，使桥式整流输出为额定电压的直流电，当发电机的转速低于最大转速时，并联的升压晶体管工作，将直流输出电压提高到额定电压值。

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