三线式非定频LRC功能电压调节器的制作方法

本发明属于汽车发电机控制技术领域，涉及三线式非定频lrc功能电压调节器。

背景技术：

现行汽车发电机在车辆运行当中，会遇到频繁变换电气负载的工况，如空调的开启、水箱冷却风扇的开启、大灯的开启、以及其他电负载开启等，由于发电机从小电流负荷突升为较大电流负荷，发电机电磁阻力转矩骤增，在发动机低速阶段(怠速转速～2800rpm)会诱发发动机抖动、喘振、甚至熄火，还引起发动机燃烧变差、排放增加，危害大气环境。因此需要在发动机低速时期，电气负荷骤增时，应该使发电机励磁电流缓慢增加，也就是对发电机的电磁阻力矩柔性增加，称之为“负载延迟响应控制”或“软加载”，即lrc功能，loadresponsecontrol。这样的电压调节器会使发电机工作在柔性阻力矩范围，稳定性增强，发动机的性能因此优化。

但国外现有的具有lrc功能的电压调节器多为复杂的处理芯片、成本较高，且均为多功能发电机电压调节器，但多功能调节器也有其局限性。因为独立设置三个励磁二极管的发电机由于技术成熟、稳定性强、成本相对较低等特点，因此国内外众多客车、货车仍然在大量采用基本调节功能的三线式电压调节器，这些电压调节器仍为单功能，使这些车型上未能实现负载软加载(lrc)功能，容易导致上述对发动机的运行平顺性造成影响。

因此需要设计出电路较为简单、成本较低的具有lrc功能的电压调节器，以适应汽车对发电机控制技术的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述技术问题，提供具有软加载lrc功能的三线式发电机电压调节器。

依据本发明的第一方面，提供了一种三线式非定频lrc功能电压调节器，其特殊之处在于包括采样单元1001、基准单元1002、比较单元1003、非对称rc网络1004、压控占空比单元1005和功率单元1006，其中：

所述采样单元1001与电压调节器的正负极连接，所述采样单元1001输出端与比较单元1003的第二输入端连接，所述比较单元1003的第一输入端连接基准单元1002的输出端，所述比较单元1003的输出端与非对称rc网络1004的输入端连接，所述非对称rc网络1004的输出端连接压控占空比单元1005的输入端，所述压控占空比单元1005的输出端与功率单元1006的输入端连接，所述功率单元1006的输出端用于连接励磁绕组并控制励磁电流；

当发电机的输出电压以设定目标值为中心上下变化时，在所述比较单元1003的输出端获得高低电平变化的脉冲信号，所述脉冲信号的高低电平经所述非对称rc网络1004进行非对称的rc充放电斜率差异化、使所述高低电平变化的脉冲信号转化为低斜率的斜坡波形渐变的电压信号和高斜率的斜坡波形骤变的电压信号，所述低斜率的斜坡波形渐变的电压信号用于通过所述压控占空比单元1005输出有效电平占空比递增的励磁控制脉冲，所述高斜率的斜坡波形骤变的电压信号用于通过所述压控占空比单元1005输出切断励磁的控制脉冲，使电压调节器实现对发电机的软加载lrc控制功能。

依据本发明的第二方面，提供了一种三线式非定频lrc功能电压调节器，其特征在于包括采样单元1001、基准单元1002、比较单元1003、非对称rc网络2004、压控占空比单元1005和功率单元1006，其中：

所述采样单元1001与电压调节器的正负极连接，所述采样单元1001输出端与比较单元1003的第二输入端连接，所述比较单元1003的第一输入端连接基准单元1002的输出端，所述比较单元1003的输出端与非对称rc网络2004的输入端连接，所述非对称rc网络2004的第一输出端连接压控占空比单元1005的输入端，所述压控占空比单元1005的输出端与功率单元1006的输入端连接，所述功率单元1006的输入端与所述非对称rc网络2004的第二输出端连接，所述功率单元1006的输出端用于连接励磁绕组并控制励磁电流；

当发电机的输出电压以设定目标值为中心上下变化时，在所述比较单元1003的输出端获得高低电平变化的脉冲信号，所述脉冲信号的高低电平经所述非对称rc网络2004进行非对称的rc充放电斜率差异化、使所述高低电平变化的脉冲信号转化为低斜率的斜坡波形渐变的电压信号和高斜率的斜坡波形骤变的电压信号，所述低斜率的斜坡波形渐变的电压信号用于通过所述压控占空比单元1005输出有效电平占空比递增的励磁控制脉冲，所述高斜率的斜坡波形骤变的电压信号用于通过所述压控占空比单元1005输出切断励磁的控制脉冲，使电压调节器实现对发电机的软加载lrc控制功能。

本发明的有益效果是：采用非对称rc充放电网络，使电压调节器实现占空比递增功能，在发电机转速低时，发电机输出电压对较大电气负荷的电压降弥补速度降低，发电机输出电压处于“欠压期”时间长、采用非对称rc充放电网络使励磁占空比增速减慢，实现负载延迟响应功能，在发电机转速高时，发电机输出电压对大电气负荷的电压降弥补速度加快，发电机输出电压处于“欠压期”时间短、采用非对称rc充放电网络使励磁占空比增速变快，负载延迟响应功能减弱，因为高速时发动机储备能量较多，可以不需要lrc功能。本发明解决了九管发电机没有三线式lrc功能电压调节器的技术瓶颈问题，提高了发电机整体运行平顺性、改善发动机低速区稳定性，本发明电路结构简单、易于实现、性能可靠、成本较低、易于推广。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的一种三线式非定频lrc功能电压调节器电路结构示意图；

图2是本发明实施方式的非对称rc网络1004、压控占空比单元1005电路结构示意图；

图3是本发明实施方式提供的另一种三线式非定频lrc功能电压调节器电路结构示意图；

图4是本发明实施方式的三线式非定频lrc功能电压调节器的非对称rc网络1004输出波形和压控占空比单元1005输出波形的波形对照示意图。

具体实施方式

根据本发明的设计思路，采用数目较少的元件，设计出具有lrc功能的三线式发电机电压调节器。

第一方面，本发明提供了一种三线式非定频lrc功能电压调节器。

实施例1

如图1所示，为一种三线式非定频lrc功能电压调节器，其结构包括采样单元1001、基准单元1002、比较单元1003、非对称rc网络1004、压控占空比单元1005和功率单元1006，其中：

采样单元1001与电压调节器的正负极连接，采样单元1001输出端与比较单元1003的第二输入端连接，比较单元1003的第一输入端连接基准单元1002的输出端，比较单元1003的输出端与非对称rc网络1004的输入端连接，非对称rc网络1004的输出端连接压控占空比单元1005的输入端，压控占空比单元1005的输出端与功率单元1006的输入端连接，功率单元1006的输出端用于连接励磁绕组并控制励磁电流。

当发电机输出电压低于设定值时，采样单元1001的输出电压和基准单元1002输出端的基准电压在比较单元1003的两个输入端进行比较，在其输出端输出第一电压，该第一电压经过非对称rc网络1004，该非对称rc网络内部的结构是阻容积分电路构成的充放电网络，但其中特殊之处是充电速度和放电速度不等，即：非对称的充放电结构，在发电机输出电压低于设定值即欠压时，从非对称rc网络1004输入端输入的第一电压经非对称rc网络1004内的电阻给电容缓慢充电，使非对称rc网络1004输出端电位逐渐升高(参见附图4中的波形曲线9002段)；随着发电机输出电压的升高，当升高至高于设定值时，采样单元的输出电压和基准单元的基准电压在比较单元1003的两个输入端进行比较，在比较单元1003的输出端输出第二电压，该第二电压经过非对称rc网络1004，使非对称rc网络1004内的电容快速放电，产生高斜率的斜坡波形骤变的电压信号(参见附图4中的波形曲线9001段)，这就是rc网络充放电过程的不对称性，可以是“缓充快放”也可以是“缓放快冲”，究竟采取何种“非对称形式”，取决于整体电路设计时的比较器极性选择，均可以使lrc功能得以实现。

如采取“缓充快放”的rc充放电模式，当发电机输出电压低于设定值，比较器1003输出高电平，为非对称rc网络1004的电容缓慢充电，一般根据lrc功能要求，充电时间在0.5s～15s之间选择，调整rc时间常数即可，在非对称rc网络1004输出端得到电位逐渐升高的低斜率的斜坡波形渐变的电压信号，该逐渐升高的电压信号输入给压控占空比单元1005，在压控占空比单元输出端得到占空比逐渐升高的脉冲信号(参见附图4的tw时段9003波形序列，如低占空比时ton为高电平有效的励磁脉冲信号，toff为励磁切断信号，随着占空比逐渐增加，实际上频率也是变化的，根据一实施例电路实测频率最高值在350hz)，随着占空比的递增，当发电机输出电压超过设定值时，比较器1003输出低电平，使非对称rc网络1004输出端电位骤降的“高斜率的斜坡波形骤变的电压信号”(参见附图4的9001段)，此时比较器1003输出低电平输入给压控占空比单元1005，使其输出低电平，该低电平使功率单元1006的功率管截止而切断励磁电流；需要补充说明的是，为简便起见，作为本技术领域的公知技术，发电机励磁控制所需要的续流电路从略，附图中亦未予示出。

当发电机的输出电压以设定目标值为中心上下变化时，在比较单元1003的输出端获得高低电平变化的脉冲信号，脉冲信号的高低电平经非对称rc网络1004进行非对称的rc充放电斜率差异化、使高低电平变化的脉冲信号转化为低斜率的斜坡波形渐变的电压信号和高斜率的斜坡波形骤变的电压信号，低斜率的斜坡波形渐变的电压信号用于通过压控占空比单元1005输出有效电平占空比递增的励磁控制脉冲，高斜率的斜坡波形骤变的电压信号用于通过压控占空比单元1005输出切断励磁的控制脉冲，这样实现了压控占空比单元输出渐增的占空比信号，再通过功率单元1006放大驱动发电机励磁绕组以渐增的电流进行励磁，使发电机输出电压逐渐升高。使电压调节器实现对发电机的软加载lrc控制功能，在发电机电力负载骤增导致发电机电压降低较多时，发电机励磁占空比逐渐增大、输出电压逐渐上升，发电机阻力转矩逐渐增大，减缓了对发动机的阻力波动，使发动机在小负荷的功率富余度低时的运转更为平稳、平抑转速波动、改善燃烧过程、减少尾气排放、提升发电机和发动机整体综合的优化控制功能。

附图2的左图示出了一种非对称rc网络1004的内部电路原理结构，可以看出：非对称rc网络1004包括电阻r1、电容c1和二极管d0，电阻r1的一端作为非对称rc网络1004的输入端，电阻r1的另一端作为非对称rc网络1004的输出端与电容c1的一端及二极管d0正极同时连接，电容c1的另一端连接电源负极或电源正极，二极管d0的负极与非对称rc网络1004的输入端连接，使充电过程经历r1c1，放电过程经历c1→d0，放电速度远快于充电速度。

附图2的右图示出了一种压控占空比单元1005的内部电路原理结构，显而易见这是一种非定频的压控占空比控制电路，由比较器和电阻r2、r3、r4、电容c2组成振荡电路，通过电阻r3左端的电压可以调控正反馈直流通路的回差电压范围，从而使电路输出的脉冲占空比变化，当r3上的电压降低时，输出高电平占空比减小，当r3上的电压升高时，输出高电平占空比增大，而且最低占空比可以达到0，即比较器输出低电平，最大占空比可以达到100％，即比较器输出高电平，再加上整个占空比从0到100％变化过程中，输出脉冲的频率以占空比居中(50％左右)范围为最高频率期，实测一实施例的最高频率在350hz，可以通过改变电容c2的大小来改变最高频率，同时相应的其他工况的频率也相应变化。

由上述可以得出：采用非对称rc充放电网络，使电压调节器实现占空比递增功能，在发电机转速低时，发电机输出电压对较大电气负荷的电压降弥补速度降低，发电机输出电压处于“欠压期”时间长、采用非对称rc充放电网络使励磁占空比增速减慢，实现负载延迟响应功能，在发电机转速高时，发电机输出电压对大电气负荷的电压降弥补速度加快，发电机输出电压处于“欠压期”时间短、采用非对称rc充放电网络使励磁占空比增速变快，负载延迟响应功能减弱，因为高速时发动机储备能量较多，可以不需要lrc功能，本发明电路结构简单、易于实现、性能可靠、成本较低、易于推广。

第二方面，本发明提供了另一种三线式非定频lrc功能电压调节器。

实施例2

如图3所示，为另一种三线式非定频lrc功能电压调节器，包括采样单元1001、基准单元1002、比较单元1003、非对称rc网络2004、压控占空比单元1005和功率单元1006，其中：

采样单元1001与电压调节器的正负极连接，采样单元1001输出端与比较单元1003的第二输入端连接，比较单元1003的第一输入端连接基准单元1002的输出端，比较单元1003的输出端与非对称rc网络2004的输入端连接，非对称rc网络2004的第一输出端连接压控占空比单元1005的输入端，压控占空比单元1005的输出端与功率单元1006的输入端连接，功率单元1006的输入端与非对称rc网络2004的第二输出端连接，功率单元1006的输出端用于连接励磁绕组并控制励磁电流。

当发电机的输出电压以设定目标值为中心上下变化时，在比较单元1003的输出端获得高低电平变化的脉冲信号，脉冲信号的高低电平经非对称rc网络2004进行非对称的rc充放电斜率差异化、使高低电平变化的脉冲信号转化为低斜率的斜坡波形渐变的电压信号和高斜率的斜坡波形骤变的电压信号，低斜率的斜坡波形渐变的电压信号用于通过压控占空比单元1005输出有效电平占空比递增的励磁控制脉冲，高斜率的斜坡波形骤变的电压信号用于通过压控占空比单元1005输出切断励磁的控制脉冲，使电压调节器实现对发电机的软加载lrc控制功能。

附图3的下图示出了一种非对称rc网络2004的内部电路原理结构，可以看出：非对称rc网络2004包括电阻r1、电容c1和二极管d1，电阻r1的一端作为非对称rc网络2004的输入端，电阻r1的另一端作为非对称rc网络2004的第一输出端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端连接电源负极或电源正极，二极管d1的负极与非对称rc网络2004的输入端连接，二极管d1的正极作为非对称rc网络2004的第二输出端与功率单元1006的输入端连接。

附图3和附图1的实施例区别在于：附图3的二极管d1的正极改接到功率单元1006的输入端，这样在每个有效励磁电平(即励磁电流被接通的控制电平)到来时，功率单元1006的输入端得到有效驱动电平，在有效截止电平(即励磁电流被切断的控制电平)到来时，功率单元1006的输入端驱动电平被斩波，从整体电路来看：有效励磁电平是非对称rc网络2004第一输出端渐变电压和基准锯齿波或基准三角波比较得到的占空比递增的，在发电机转速低时，发电机输出电压对较大电气负荷的电压降弥补速度降低，发电机输出电压处于“欠压期”时间长使励磁占空比增速减慢，实现了负载延迟响应功能，在发电机转速高时，发电机输出电压对大电气负荷的电压降弥补速度加快，发电机输出电压处于“欠压期”时间短使励磁占空比增速变快，负载延迟响应功能减弱，发电机输出电压高于设定值则通过二极管d1直接对功率单元输入端有效电平进行斩波，虽然单从rc积分电路上是充放电对称结构，但从整体电路性能和直接斩波效果测试，也是属于大环路的“非对称rc结构”，实际测试电容c1的电位波形来看，仍旧是在lrc期间表现为电压“缓升陡降”，因此整体效果仍旧是充放电网络的“效果非对称”，故本发明将本实施例及其所附权利要求也列入本发明总体技术方案中，属于同一思路的两种形式的发明。

附图4是本发明实施方式的三线式非定频lrc功能电压调节器的非对称rc网络1004输出波形和压控占空比单元1005输出波形的波形对照示意图。

需要说明的是，上述实施例中的二极管d0及d1的方向可以根据所接的电容接法而变化，如c1的接地端改接到电源正极、又如改变比较器两个输入端极性变换等均可根据电路实际适配更改二极管方向，目标是使发电机欠压时励磁占空比递增、过压时励磁立即截止，即实现了lrc功能、又确保发电机输出电压达到目标值时刻立即切断励磁，而不会出现像采用某些单片机做lrc电压调节器导致的占空比“缓升缓降”带来发电机“过压励磁”的危险工作状态，这些“过压励磁”的危险工作状态使发明人团队结合实际对国内外电压调节器综合检测得出的测试实际。由于采用了非对称结构的rc网络，使得本发明技术方案的lrc电压调节器只允许励磁占空比“缓升陡降”确保安全高性能的励磁控制。

本发明技术方案电路简单、易于制作、所用元器件较少、体积小、成本低，针对性和使用性较强，同时根据本发明的三线调节器附加远程取样s端子、b+端子等形成四线、五线调节器，但其电路已经包括本发明的整体技术方案，仍落属本发明变化范围。

本发明技术方案有效解决现有技术的三线式电压调节器无法实现lrc功能的技术瓶颈问题，提升了车辆供电质量和发动机运行稳定性。

本发明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，不是对本发明的限制，通过等同代换及非创造性劳动所得到的其他实施例或其他组合所得到的实施例均落入本发明保护范围，本发明的保护范围由权利要求书限定。