一种充电电机励磁调压控制器、系统及使用方法
阅读说明：本技术 一种充电电机励磁调压控制器、系统及使用方法 (Excitation voltage regulation controller and system for charging motor and use method ) 是由 杨运 邓世刚 吴杰 高俊 唐福 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种充电电机励磁调压控制器、系统及使用方法；励磁调压控制器包括电源电路、采样电路、参考电压电路、比较电路、驱动电路、功率电路和泄放吸收电路；系统包括电源、充电发电机、开关K、励磁调压控制器、发光二极管D和电阻R12。使用方法步骤为：1)为充电发电机提供起励电流；2)接收到起励电流后,充电发电机开始旋转。3)二极管D16、二极管D17、二极管D18的输出电压通过励磁调压控制器D+端为励磁调压控制器供电,并为励磁绕组G供电；4)调节励磁电流,实现充电发电机的稳压和调压。本发明对电池端和励磁整流桥端加入隔离电阻等方式,使励磁调压控制器能可靠工作,减小了电路电磁干扰。(The invention discloses a charging motor excitation voltage regulation controller, a system and a use method; the excitation voltage regulation controller comprises a power circuit, a sampling circuit, a reference voltage circuit, a comparison circuit, a driving circuit, a power circuit and a leakage absorption circuit; the system comprises a power supply, a charging generator, a switch K, an excitation voltage regulation controller, a light emitting diode D and a resistor R12. The using method comprises the following steps: 1) providing excitation current for the charging generator; 2) after receiving the excitation current, the charging generator starts to rotate. 3) The output voltages of the diode D16, the diode D17 and the diode D18 supply power to the excitation voltage regulating controller through the D + end of the excitation voltage regulating controller and supply power to the excitation winding G; 4) and regulating the exciting current to realize the voltage stabilization and the voltage regulation of the charging generator. The invention adds isolation resistors to the battery end and the excitation rectifier bridge end, so that the excitation voltage-regulating controller can work reliably, and the electromagnetic interference of the circuit is reduced.)
技术领域
本发明涉及调压控制领域，具体是一种充电电机励磁调压控制器、系统及使用方法。
背景技术
爪极交流充电发电机以其结构简单，维护方便，工作可靠被广泛应用于生产生活及军事的各种场所。转速变化范围大的爪极发电机，需要输出恒定的直流电压，采用输出端DC-DC调压稳压，调压控制器体积大，成本高，不利于安装。
现有技术采用的输出端DC-DC调压，需要和发电机相同功率的调压控制器，体积大，成本高，不利于安装；采用调节励磁电流的调压控制器，一种方式是整流桥输出电压经调压器调节后再进入励磁绕组，调压电路的上桥臂导通，需要较复杂的驱动和检测电路。另一种方式是整流输出电压经励磁绕组后再进行调压，此方式起励时，起励电流大，关闭时，励磁绕组上的电压将倒流回电源电路产生一个小电压，小电压致使MOSFET管工作于放大区迅速发热，若较长时间不旋转电机发电，存在烧毁核心器件MOSFET管的可能性。
因此，需要一种可靠性高，可调压转速范围大的调压稳压控制器。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种充电电机励磁调压控制器，包括电源电路、采样电路、参考电压电路、比较电路、驱动电路、功率电路和泄放吸收电路。
所述电源电路为比较电路供电。所述电源电路串联采样电路的一端记为B+端。
所述电源电路包括电源U1、滤波电容C1、平波电容C2、电阻R1、泄放电阻R9和滤波电容C4。
电源电路的电路结构如下：
记电源U1正极所在一端为Vin，负极所在一端为Vout，接地端为GND。
GND端接地。
Vin端串联滤波电容C1后接地。
Vin端串联电阻R1后连接功率电路的D+端。电阻R1用于隔离电源U1电压和充电发电机励磁整流桥输出电压，并限制电源U1流入充电发电机励磁绕组的最大电流。
Vin端依次串联电阻R1、泄放电阻R9后接地。
Vin端依次串联电阻R1和滤波电容C4后接地。
Vout端串联平波电容C2后接地。
所述采样电路对电源电路B+端采样，得到采样电压值。所述采样电路根据采样电压调整电源电路输出至比较电路的电源电压信号。
所述采样电路包括电阻R3、电阻R5和可调电阻R4。
所述电阻R3一端连接B+端，另一端依次串联电阻R4和电阻R5后接地。
所述可调电阻R4的滑动触点串联比较电路。
所述参考电压电路向比较电路输出恒定的参考电压信号。
所述参考电压电路包括低温漂电源芯片U3、电容C3、电位计R6。
低温漂电源芯片U3的IN端口串联电容C3后接地。
低温漂电源芯片U3的TRIM端口串联电位计R6的滑动触点。
低温漂电源芯片U3的OUT端口串联电位计R6后接地。
低温漂电源芯片U3的OUT端口串联比较电路。
低温漂电源芯片U3的GND端口接地。
所述电位计R6调节低温漂电源芯片U3输出的参考电压信号。
所述比较电路在接收到参考电压信号和电源电压信号后，产生带滞回的高低电平信号，并输出至驱动电路。
所述比较电路包括比较器U2、电阻R2、电阻R7、电容C6和二极管D1。
比较器U2的反向输入端共接点串联参考电压电路的OUT端口。
比较器U2的反向输入端共接点接地。
比较器U2的正向输入端共接点串联采样电路电阻R4的滑动触点。
比较器U2的正向输入端共接点串联电容C6后接地。
比较器U2的正向输入端共接点依次串联电阻R2和二极管D1的阴极。二极管D1的阳极串联比较器U2的输出端。二极管D1的阳极串联电阻R2。
比较器U2的输出端连接驱动电路。
所述高低电平信号控制驱动电路中三极管Q1和三极管Q2的通断，进而控制功率电路中MOSFET管U4的通断。
当高低电平信号为高电平信号时，驱动电路三极管Q1导通，三极管Q2关断，进而令MOSFET管U4导通。
当高低电平信号为低电平信号时，驱动电路三极管Q1关断，三极管Q2导通，进而令MOSFET管U4关断。
所述驱动电路包括NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、电阻R8和电阻R10。
三极管Q1的基极串联比较器U2的输出端。
三极管Q1的发射极串联三极管Q2的发射极。
三极管Q1的发射极依次串联电阻R8和电阻R10后接地。
三极管Q1的发射极串联电阻R8后连接MOSFET管U4的栅极。
三极管Q2的基极串联比较器U2的输出端。
三极管Q2的集电极接地。
三极管Q2的发射极依次串联电阻R8和电阻R10后接地。
三极管Q2的发射极串联电阻R8后连接MOSFET管U4的栅极。
所述功率电路包括MOSFET管U4和快恢复二极管D3。
功率电路的电路结构如下：
MOSFET管U4的栅极串联驱动电路，源极接地。
MOSFET管U4漏极所在一端记为DF端。DF端串联快恢复二极管D3的阳极。
二极管D3的阴极所在一端记为D+端。D+端串联电源电路。
所述泄放吸收电路吸收并泄放MOSFET管U4的开关尖峰电压。
所述泄放吸收电路包括电阻R11、二极管D2和电容C5。
电阻R11的一端串联MOSFET管U4的漏极，另一端串联电容C5后接地。
二极管D2的阴极串联MOSFET管U4的漏极，阳极串联电容C5后接地。
电容C5接地一端记为D-。
一种应用充电电机励磁调压控制器的系统，包括充电发电机、开关K、励磁调压控制器、发光二极管D和电阻R12。
所述电源U1正极所在一端的电流通过开关K和励磁调压控制器B+端流入充电电机励磁调压控制器。
所述励磁调压控制器的外接端子包括B+端、D+端、DF端和D-端。
所述励磁调压控制器的B+端串联发光二极管D的负极。发光二极管D串联电阻R12后连接励磁调压控制器的D+端。充电发电机工作时，发光二极管D灯灭，不工作时，发光二极管D灯亮。
所述励磁调压控制器的D+端向充电发电机的励磁绕组G提供电流。电流流经充电发电机后，回到励磁调压控制器的DF端。
所述励磁调压控制器的DF端接收到电流后，利用电源电路、采样电路、参考电压电路、比较电路、驱动电路、功率电路和泄放吸收电路对电流进行调节，并通过D-端输出至电源U1负极所在一端。
所述励磁调压控制器的D-端接地。
所述充电发电机包括U相绕组、V相绕组、W相绕组、励磁绕组G、电容C、电阻R13、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D14、二极管D15、二极管D16、二极管D17和二极管D18。
V相绕组串联二极管D6的阴极。二极管D6的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
V相绕组串联二极管D7的阴极。二极管D7的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
V相绕组串联二极管D17的阳极。二极管D17的阴极连接励磁调压控制器的D+端。二极管D17的阳极C串联励磁绕组G后连接励磁调压控制器的DF端。
V相绕组串联二极管D12的阳极。二极管D12的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
V相绕组串联二极管D13的阳极。二极管D13的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
U相绕组串联二极管D8的阴极。二极管D8的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
U相绕组串联二极管D9的阴极。二极管D9的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
U相绕组串联二极管D16的阳极。二极管D16的阴极连接励磁调压控制器的D+端。二极管D16的阳极C串联励磁绕组G后连接励磁调压控制器的DF端。
U相绕组串联二极管D14的阳极。二极管D14的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
U相绕组串联二极管D15的阳极。二极管D15的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
W相绕组串联二极管D4的阴极。二极管D4的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
W相绕组串联二极管D5的阴极。二极管D5的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
W相绕组串联二极管D18的阳极。二极管D18的阴极连接励磁调压控制器的D+端。二极管D18的阳极C串联励磁绕组G后连接励磁调压控制器的DF端。
W相绕组串联二极管D10的阳极。二极管D10的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
W相绕组串联二极管D11的阳极。二极管D11的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
W相绕组的一端串联电阻R后连接W相绕组另一端。
一种应用充电电机励磁调压控制器的系统的使用方法，包括以下步骤：
1)闭合开关K。
2)电源的电流经过开关K，再经过励磁调压控制器的B+流入励磁调压控制器，从励磁调压控制器的D+端流入充电发电机的励磁绕组G，再回到励磁调压控制器的DF端，经励磁调压控制器调节后流入电源U1负极，为充电发电机提供起励电流。
3)接收到起励电流后，充电发电机开始旋转，充电发电机U相绕组、V相绕组、W相绕组的电压升高。充电发电机U相绕组的电压通过二极管D8、二极管D9、二极管D14和二极管D15整流后流入电源，为电源充电。充电发电机V相绕组的电压通过二极管D6、二极管D7、二极管D12和二极管D13整流后流入电源，为电源充电。充电发电机W相绕组的电压通过二极管D4、二极管D5、二极管D10和二极管D11整流后流入电源，为电源充电。
4)当充电发电机二极管D16、二极管D17、二极管D18输出电压值u>udc+ε时，断开开关K。udc为电源电压。ε为预设的阈值。二极管D16、二极管D17、二极管D18的输出电压通过励磁调压控制器D+端为励磁调压控制器供电，并为励磁绕组G供电。
5)励磁调压控制器的采样电路实时采样励磁调压控制器B+端的电压，并根据采样电压值调节励磁调压控制器DF端的占空比，进而调节励磁电流，实现充电发电机的稳压和调压。
调节励磁调压控制器DF端的占空比的方法为：在励磁调压控制器B+端采样电压值小于预设电压阈值Umax时，导通应用充电电机励磁调压控制器的系统中的励磁调压控制器，在励磁调压控制器B+端采样电压值大于等于预设电压阈值Umax时，断开应用充电电机励磁调压控制器的系统中的励磁调压控制器，从而令充电发电机工作于恒定电压。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明公开的励磁调压控制器，可用于多种功率等级的充电发电机中，参数略微调整还可用于多种电压等级的充电发电机中。基于电路参数值选择对性能影响大的特点，本发明采用合理选取采样电路采样点、比较电路滞回正反馈、增加开关泄放吸收电路，对电池端和励磁整流桥端加入隔离电阻等方式，使励磁调压控制器能可靠工作，减小了电路电磁干扰，达到充电发电机在900rpm～7000rpm的转速范围内都能输出恒定24V电压。
本发明电压采样电路的采样端R3采样充电电池端B+而不是D+端，使输出电压更稳定，空载和负载间电压差异更小，本发明的电池充电端B+和励磁输入端D+加一330欧姆电阻，使起励时电流更小，发电机运转后无电流不发热，本发明在励磁绕组的输出端加入R11、D2、C5的开关尖峰吸收电路，大大提高系统的电磁兼容性；本发明在比较器上加入680K欧姆的电阻和D1二极管1N4148使比较器产生滞回，从而不会使开关管在电压接近的临界点频繁振荡。
附图说明
图1为系统整体原理图；
图2为调压控制器电路原理图；
图3为PCB电路图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图2和图3，一种充电电机励磁调压控制器，包括电源电路、采样电路、参考电压电路、比较电路、驱动电路、功率电路和泄放吸收电路。
所述电源电路为比较电路供电。所述电源电路串联采样电路的一端记为B+端。
所述电源电路包括电源U1、滤波电容C1、平波电容C2、电阻R1、泄放电阻R9和滤波电容C4。
电源电路的电路结构如下：
记电源U1正极所在一端为Vin，负极所在一端为Vout，接地端为GND。
GND端接地。
Vin端串联滤波电容C1后接地。
Vin端串联电阻R1后连接功率电路的D+端。R1为一关键电阻，有力的隔离了电池电压和励磁整流桥输出电压，当起励时，限制了电池端流入励磁绕组的最大电流，使开关器件和线路较小，起励后进入工作状态，电阻两端电压基本相等，电阻中电流很小，避免了运行中的大量发热和耗能。
Vin端依次串联电阻R1、泄放电阻R9后接地。电阻R9为滤波电容C4的泄放电阻。
Vin端依次串联电阻R1和滤波电容C4后接地。
Vout端串联平波电容C2后接地。
所述采样电路对电源电路B+端采样，得到采样电压值。所述采样电路根据采样电压调整电源电路输出至比较电路的电源电压信号。
所述采样电路包括电阻R3、电阻R5和可调电阻R4。
所述电阻R3一端连接B+端，另一端依次串联电阻R4和电阻R5后接地。
所述可调电阻R4的滑动触点串联比较电路。可调电阻R4的阻值通过滑动触点的位置进行调节。
所述参考电压电路向比较电路输出恒定的参考电压信号。
所述参考电压电路包括低温漂电源芯片U3、电容C3、电位计R6。
低温漂电源芯片U3的IN端口串联电容C3后接地。
低温漂电源芯片U3的TRIM端口串联电位计R6的滑动触点。电位计R6的阻值通过滑动触点的位置进行调节。
低温漂电源芯片U3的OUT端口串联电位计R6后接地。
低温漂电源芯片U3的OUT端口串联比较电路。
低温漂电源芯片U3的GND端口接地。
所述电位计R6调节低温漂电源芯片U3输出的参考电压信号。
所述比较电路在接收到参考电压信号和电源电压信号后，产生带滞回的高低电平信号，并输出至驱动电路。
所述比较电路包括比较器U2、电阻R2、电阻R7、电容C6和二极管D1。
比较器U2的反向输入端共接点串联参考电压电路的OUT端口。
比较器U2的反向输入端共接点接地。
比较器U2的正向输入端共接点串联采样电路电阻R4的滑动触点。
比较器U2的正向输入端共接点串联电容C6后接地。
比较器U2的正向输入端共接点依次串联电阻R2和二极管D1的阴极。二极管D1的阳极串联比较器U2的输出端。二极管D1的阳极串联电阻R2。
比较器U2的输出端连接驱动电路。
所述高低电平信号控制驱动电路中三极管Q1和三极管Q2的通断，进而控制功率电路中MOSFET管U4的通断。
当高低电平信号为高电平信号时，驱动电路三极管Q1导通，三极管Q2关断，进而令MOSFET管U4导通。
当高低电平信号为低电平信号时，驱动电路三极管Q1关断，三极管Q2导通，进而令MOSFET管U4关断。
在比较器上加入680K欧姆的电阻和D1二极管1N4148使比较器产生滞回，从而不会使开关管在电压接近的临界点频繁振荡。
比较电路采用LM193比较器，并用电阻R7和二极管D1提供输出正反馈及滞回，用R2对输出端上拉，避免输出振荡。
所述驱动电路包括NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、电阻R8和电阻R10。
三极管Q1的基极串联比较器U2的输出端。
三极管Q1的发射极串联三极管Q2的发射极。
三极管Q1的发射极依次串联电阻R8和电阻R10后接地。
三极管Q1的发射极串联电阻R8后连接MOSFET管U4的栅极。
三极管Q2的基极串联比较器U2的输出端。
三极管Q2的集电极接地。
三极管Q2的发射极依次串联电阻R8和电阻R10后接地。
三极管Q2的发射极串联电阻R8后连接MOSFET管U4的栅极。
所述功率电路包括MOSFET管U4和快恢复二极管D3。
功率电路的电路结构如下：
MOSFET管U4的栅极串联驱动电路，源极接地。
MOSFET管U4漏极所在一端记为DF端。DF端串联快恢复二极管D3的阳极。
MOSFET管U4导通时，电流经过图1的整流管D16～D18、励磁绕组、DF端、U4管然后流入负极，关断时由于励磁绕组电感较大，电流不能突变，励磁绕组的电流经DF端，再经过快恢复二极管D3，然后经D+流回励磁绕组。
二极管D3的阴极所在一端记为D+端。D+端串联电源电路。
所述泄放吸收电路吸收并泄放MOSFET管U4的开关尖峰电压，大大提高了系统的电磁兼容性。
所述泄放吸收电路包括电阻R11、二极管D2和电容C5。
电阻R11的一端串联MOSFET管U4的漏极，另一端串联电容C5后接地。
二极管D2的阴极串联MOSFET管U4的漏极，阳极串联电容C5后接地。
电容C5接地一端记为D-。
励磁调压器尺寸仅有65mm*65mm，体积小，重量轻，PCB大小如图3所示。
实施例2：
参见图1，一种应用充电电机励磁调压控制器的系统，包括电源、3.5kW的充电发电机、开关K、励磁调压控制器、发光二极管D和电阻R12。
所述电源U1正极所在一端的电流通过开关K和励磁调压控制器B+端流入充电电机励磁调压控制器。
所述励磁调压控制器的外接端子包括B+端、D+端、DF端和D-端。
所述励磁调压控制器的B+端串联发光二极管D的负极。发光二极管D串联电阻R12后连接励磁调压控制器的D+端。发光二极管D指示充电发电机是否工作，充电发电机工作时，发光二极管D灯灭，不工作时，发光二极管D灯亮。
所述励磁调压控制器的D+端向充电发电机的励磁绕组G提供电流。电流流经充电发电机后，回到励磁调压控制器的DF端。
所述励磁调压控制器的DF端接收到电流后，利用电源电路、采样电路、参考电压电路、比较电路、驱动电路、功率电路和泄放吸收电路对电流进行调节，并通过D-端输出至电源U1负极所在一端。
所述励磁调压控制器的D-端接地。
所述充电发电机包括U相绕组、V相绕组、W相绕组、励磁绕组G、电容C、电阻R13、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D14、二极管D15、二极管D16、二极管D17和二极管D18。
V相绕组串联二极管D6的阴极。二极管D6的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
V相绕组串联二极管D7的阴极。二极管D7的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
V相绕组串联二极管D17的阳极。二极管D17的阴极连接励磁调压控制器的D+端。二极管D17的阳极C串联励磁绕组G后连接励磁调压控制器的DF端。
V相绕组串联二极管D12的阳极。二极管D12的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
V相绕组串联二极管D13的阳极。二极管D13的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
U相绕组串联二极管D8的阴极。二极管D8的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
U相绕组串联二极管D9的阴极。二极管D9的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
U相绕组串联二极管D16的阳极。二极管D16的阴极连接励磁调压控制器的D+端。二极管D16的阳极C串联励磁绕组G后连接励磁调压控制器的DF端。
U相绕组串联二极管D14的阳极。二极管D14的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
U相绕组串联二极管D15的阳极。二极管D15的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
W相绕组串联二极管D4的阴极。二极管D4的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
W相绕组串联二极管D5的阴极。二极管D5的阳极连接励磁调压控制器的D-端。
W相绕组串联二极管D18的阳极。二极管D18的阴极连接励磁调压控制器的D+端。二极管D18的阳极C串联励磁绕组G后连接励磁调压控制器的DF端。
W相绕组串联二极管D10的阳极。二极管D10的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
W相绕组串联二极管D11的阳极。二极管D11的阴极串联电容C后连接励磁调压控制器的D-端。
W相绕组的一端串联电阻R后连接W相绕组另一端。
实施例3：
一种应用充电电机励磁调压控制器的系统的使用方法，包括以下步骤：
1)闭合开关K。
2)电源的电流经过开关K，再经过励磁调压控制器的B+流入励磁调压控制器，从励磁调压控制器的D+端流入充电发电机的励磁绕组G，再回到励磁调压控制器的DF端，经励磁调压控制器调节后流入电源U1负极，为充电发电机提供起励电流。
3)接收到起励电流后，充电发电机开始旋转，充电发电机U相绕组、V相绕组、W相绕组的电压升高。充电发电机U相绕组的电压通过二极管D8、二极管D9、二极管D14和二极管D15整流后流入电源，为电源充电。充电发电机V相绕组的电压通过二极管D6、二极管D7、二极管D12和二极管D13整流后流入电源，为电源充电。充电发电机W相绕组的电压通过二极管D4、二极管D5、二极管D10和二极管D11整流后流入电源，为电源充电。
4)当充电发电机二极管D16、二极管D17、二极管D18输出电压值u>udc+ε时，断开开关K。udc为电源电压。ε为预设的阈值。二极管D16、二极管D17、二极管D18的输出电压通过励磁调压控制器D+端为励磁调压控制器供电，并为励磁绕组G供电。
5)励磁调压控制器的采样电路实时采样励磁调压控制器B+端的电压，并根据采样电压值调节励磁调压控制器DF端的占空比，进而调节励磁电流，实现充电发电机的稳压和调压。
调节励磁调压控制器DF端的占空比的方法为：在励磁调压控制器B+端采样电压值小于预设电压阈值Umax时，导通应用充电电机励磁调压控制器的系统中的励磁调压控制器，在励磁调压控制器B+端采样电压值大于等于预设电压阈值Umax时，断开应用充电电机励磁调压控制器的系统中的励磁调压控制器，从而令充电发电机工作于恒定电压。
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