专利名称：稳定发电机的输出电压的方法及发电机的电压调节电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种稳定发电机的输出电压的方法及发电机的电压调节电 路，特别涉及一种利用脉波宽度调变方式进行补偿来稳定发电机的输出电压 的方法及发电机的电压调节电路背景技术发电机所产生的电能以 一输出电压形式输出并存储于电瓶等电能储存装 置中，从而能够为负载所使用。发电机包括定子、转子、整流电路及电压调 节电路，其中定子用来发电，转子用来控制发电量的大小，整流电路将所发 出的电整流为直流电压，电压调节电路则通过控制转子的开关来调整输出电 压，并使其尽可能维持在预设电压。其中发电量的大小控制由控制转子的工作周期的方式进行；工作周期愈大时，转子所产生的激磁电流愈大，所发出 的电量亦愈大。一般而言，发电机的输出电压会随负载大小的不同而变化，因此常会导致 输出效率不佳、负载损毁以及电瓶充电不足等问题出现，所述这些情况必须 力口以改善。随着电子电路技术的发展，最早期的发电机中稳压电路上设有电子开关， 利用该电子开关控制转子的工作周期以及所产生的激磁电流，从而达到稳定 输出电压的目的。然而，该电子开关以较低频操作进行，所以在切换时会产 生低频噪音。所以，稳定发电机输出电压的技术已改为脉波宽度调变(Pulse Width Modulation, PWM)的方式，而且除去转子及定子之外的电路净皮制作成一集成 电路，以下将说明该种技术。图1所示为一种现有车用发电机的电路示意图。如图1所示，该车用发电 机100包括一电压调节电路102、 一电瓶104、 一转子106、 一定子108(为三 相发电机)以及一整流电路(未显示)。其中，电压调节电路102包括一脉波宽 度调变电路110、 一MOS晶体管112(如NMOS晶体管)以及一二才及管114。实 际操作时，电压调节电路102检测电瓶104的实时电压，并在处理过该检测 的实时电压后发出一控制信号，并以该控制信号控制转子106的作动，即透 过MOS晶体管112的闸极G控制MOS晶体管112的汲极D的场电压，产生 转子开或关所需要的激磁电流及磁场，从而输出稳定的输出电压并存储于电 瓶104中。事实上，图1为A类汽车发电机的电路示意图，B类汽车发电机 的电路与其类似，但其场电压的输出相位与A类车的输出相位反相，这些为 熟悉该项技术者所知，在此不再赘述。在上述技术中，电压调节电路102对电瓶104的实时电压的检测是利用脉 波宽度调变电路110对该实时电压与另一参考信号(通常为一斜波信号)的比较 得到。当该实时电压较该斜波信号的最高电压大时，电瓶104的电压比预设 电压高，故MOS晶体管112不导通，转子的激磁电流降低，输出电流也随之 降低，故能达到稳压的目的；当该实时电压介于该斜波信号的高低电压之间 时，转子106时开时关，发出特定的激磁电流，从而达到所需调整的输出电 压；当该实时电压较该斜波信号的最低电压小时，电瓶104的电压较该预设 电压低，此时脉波宽度调变电路110使MOS晶体管112导通，使转子106完 全导通(对定子108所发的电加以完全输出)，从而达到拉升电瓶104电压的目 的。在上述技术中，当负载(未显示)大而要全载输出时，电瓶104的实时电压 一定要完全小于斜波信号的最低电压，此时转子106才能被控制为全开，即全 载输出时的输出电压一定会低于平时的稳压。反之，在小负载时，若要发电 机100将激磁电流关闭(亦即使MOS晶体管112导通)，则电瓶104的实时电压一 定要完全高于该斜波信号，即无载输出时的电压一定会高于平时的稳压。因 此，此类电压调节电路本身就会造成发电机100的输出电压不能被稳定为预设 电压，其输出电压的大小仍依负载而有高低变化，故仍有上述输出效率不佳、 负载损毁以及电瓶充电不足等问题。发明内容本发明的主要目的，是提供一种稳定发电机的输出电压的方法及发电机的 电压调节电路，使其能在不大于发电机的最高输出功率的情况下，负载任意 变化时仍维持其输出电压于一预设电压值。本发明中稳定发电机输出电压的方法包括下列步骤A、产生一第一参考 电压信号；B、根据一预设电压产生第一输出电压；C、将所述第一输出电压 提供给一负载；D、接收并根据所述第一输出电压调整所述第一参考电压信号， 以产生第二参考电压信号；E、接收所述第二参考电压信号，并根据所述第一 输出电压及所述第二参考电压信号输出一控制信号；F、根据所述控制信号产 生一激磁电流；G、根据所述激磁电流将所述第一输出电压调整为第二输出电 压，使所述第二输出电压实质上等于所述预设电压，其中所述第二输出电压 被当作所述第一输出电压而反复执行上述步骤C至G，以使所述第一输出电 压被稳定为所述稳定的输出电压。本发明还提供了一种发电机的电压调节电路用以调节所述发电机的输出 电压，其中该发电机包括一发电装置及一发电控制装置，所述电压调节电路 包括一第一调节单元、 一第二调节单元以及一开关电路。所述第一调节单元 用以接收第一输出电压并根据所述第一输出电压调整第一参考电压信号，从 而产生第二参考电压信号；所述第二调节单元用以接收所述第二参考电压信 号，并根据所述第一输出电压及所述第二参考电压信号产生一控制信号；所 述开关电路为所述调节信号控制而提供开路或短路给该发电控制装置，其中 为所述发电控制装置根据所述开路及短路的时间比得到一特定工作周期，该 发电控制装置依照所述特定工作周期将所述第一输出电压调整为一第二输出 电压，且所述第二输出电压被当作所述输出电压提供至所述电储存装置。本发明中发电机输出电压的稳定方法及调节电路特别适合车用，其具有 下列优点(l)发电机在大负载时的输出电压不会下降，故可增加发电机的输 出效率；(2)发电机有稳定的输出电压，故可以降低车上电器的毁损机率；(3)象；(4)发电机提供的稳定的电压可提高行车的安全，甚至是燃油的效率。
图1为现有技术中一种发电机的电路示意图； 图2为本发明中发电机的电路示意图；图3为本发明中发电机的电压调节电路的实施例一的信号波形图； 图4为本发明中发电机的电压调节电路的实施例二的信号波形图； 图5为本发明中发电机的电压调节电路的实施例三的信号波形图； 图6为本发明中稳定发电机的输出电压的方法的流程图。 图中100、 200发电机102、 202 电压调节电路104、 204 电储存装置106、 206 转子108、 208 定子110、 210脉波宽度调变电路112、 212 MOS晶体管124、 214 二极管216 第一比较器218频率产生器220 第二比较器222 统计电路302、 402、 502 实时电压304、 404、 504 斜波信号305、 405、 505 场电压信号306、 406、 506控制信号具体实施方式
本发明在于提供一种稳定发电机的输出电压的方法及发电机的电压调节 电路，用以解决实际应用中发电机在负载变化时输出电压不稳定的缺陷。 首先说明本发明应用于发电机中的电路示意图，如图2所示。该车用发电 机200包括一调节电路202、 一电储存装置204、 一转子206、 一定子208(图 中为一三相发电机)以及一整流电路(未显示)。如前文所述，定子208用以发电，可为三相发电机及多相发电机等；转子 206可被加以开启及关闭，用以对发电量进行开关控制，开启时间愈长，该发 电量的愈大部份被转换为发电机200的输出电压。整流电路被用于将定子208及转子206所产生的交流电压转变为直流电 压，使其能被输入至电储装置中储存，并于必要时提供给负载(未显示)使用。电储存装置204通常为电瓶，其内部储存一电瓶电压。调节电路202与电储存装置204电性耦接，并包括一脉波宽度调变(PWM) 电路210、 一MOS晶体管212以及一二极管224,其中脉波宽度调变电路210 包括一第一比较器216、 一频率产生器218、 一第二比较器220以及一统计电 路222。统计电路222电性耦接至电储存装置204，用以接收该电储存装置204的 一实时电压，并对该实时电压与该电储存装置204的一前平均电压值(于先前 时间即已接收并取得平均值者)做平均运算，从而输出一新平均电压。在本发 明的较佳实施例中，统计电路222在得到电储存装置204的实时电压后可对 该实时电压加以噪声滤除与实际信号的进阶处理，其中该平均运算的处理方 式为移动平均法及加权平均法等。第一比较器216具有二个输入端及一个输出端，该二个输入端分别电性耦 接至统计电路222以及一预设的输入电压Vpre，该预设电压即为发电机输出电 压的期望设定值。实际操作中，该预设电压与该新平均电压在第一比较器216 上做比较，从而输出一调节信号Adj。在本发明的较佳实施例中，该第一比较 器216的比较可以是数字信号及模拟信号间的比较，其中前者在第一比较器 216为数字比较器时进行，后者在第一比较器216为模拟比较器时进行，此时 该的新平均电压与预设电压可配合需要而进行数字与模拟间的转换。时脉产生器218电性耦接至第一比较器216的输出端，接收调节信号Adj 并根据其调整参考信号(发电机内部提供者)的基础电压，然后输出一经调整位
准后的参考信号。其中时脉产生器218所输出的参考信号可为三角波或者斜 波(ramp)信号Rampadj,也可以是其它适用信号，其中该斜波信号的基础电压 的调整将于后文详细说明。第二比较器220同样具有二个输入端及一个输出端，该二个输入端分别电 性耦接至电储存装置204及时脉产生器218的输出端，用于对电储存装置204 的实时电压以及该经调整后的斜波信号做比较，并在输出端处输出 一控制信 号Ctrl。MOS晶体管212具有闸极G、汲极D及源极S，其中闸极G电性耦接至 第二比较器220的输出端，源极S接地，故MOS晶体管212的导通与否由控 制信号Ctrl所决定。以下将配合图3至图5详细说明转子206的运作控制及其对发电机200 的输出电压的影响。如图3所示，当实时电压302完全大于斜波信号304的最高电压时，控制 信号306将关闭MOS晶体管212,而MOS晶体管212的汲极D处的场电压 305为逻辑高位准。此时，转子206的激磁电流被关闭，而定子208不运转。如图4所示，当实时电压402介于斜波信号404的最高电压及最低电压之 间时，若实时电压402大于斜波信号404的电压，则MOS晶体管212被关闭， 转子206被关闭；反之，当实时电压402小于斜波信号404时，MOS晶体管 212被导通，故导致转子206时开时关。此时，场电压405及控制信号406的 波形分别如图中所示，其中控制信号406通过脉波宽度控制转子206的开关(即 工作周期)，所以此种控制转子206开关的技术被称作脉波宽度调变技术。如图5所示，当实时电压502完全小于斜波信号504的最低电压时，MOS 晶体管212被控制信号506(逻辑高准位)导通，而场电压505则为逻辑低准位。 此时，转子106保持为^皮开启状态，定子108^皮全载发电。通过上述图3至图5的说明可知，转子206可为电压调节电路202加以脉 波宽度调变，又因斜波的基础电压可获得自适性调整(如前文所述)，故其开关 周期可被调整成^^电机200的输出电压能稳定输出。上述自动调整转子206 工作周期的技术属于负反馈技术，而对斜波信号基础位准的调准也是采用负
反馈技术，所述斜波信号基础位准的调准方式说明如下当第一比较器216判断得知电瓶电压的新平均电压大于该预设电压时，该 调节信号Adj为一调降基础位准的信号。当接收到该调降信号时，时脉产生 器218调降该斜波信号的基础电压，并输出经调降基础电压后的斜波信号 Rampadj。当第一比较器216判断得知电瓶电压的新平均电压小于该预设电压时，该 调节信号Adj为一调升基础位准的信号。当接收到该调升信号时，时脉产生 器218调升该斜波信号的基础电压，并输出经调升基础电压的斜波信号 Rampadj。当第一比较器216判断得知电瓶电压的新平均电压等于该预设电压时，该 调节信号Adj为一维持基础位准的信号。当接收到该维持信号时，时脉产生 器218维持该斜波信号的基础电压，并输出一维持基础电压的斜波信号 Rampadj 。在本发明中发电机的电压调节电路中，由于对斜波信号的基础电压位准及 电瓶电压的调整都是在一个调整周期那利用负反馈方式实现，所以该电压调 节电路也可称为一具有同时性双负反馈功能的电压调节电路；又因为对斜波 信号的基础电压位准的调整能对脉波宽度调变技术加以补偿，故该电压调节 电路也可称作一具有参考信号补偿功能的电压调节电路。本发明中稳定发电机的输出电压的方法如图6所示。图6为本发明中稳定发电机的输出电压的方法的流程图，可利用软件或硬 件方式来达成，并可利用微控制单元(Micro controller Unit, MCU)以及更高阶 数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)完成。该方法包括下列步骤 首先，获取发电机所用的电储存装置的一实时电压，即该发电机的第一输出 电压(S602)。接着，将该电储存装置的实时电压与一前平均电压作平均运算， 得到一新平均电压(S604),其中平均运算的处理方式为移动平均法或加权平均 法等。接着，接收一预设电压(S606)，并比较新平均电压与预设电压的大小关 系，并将比较结果输出一调节信号(S608)。当判断得知新平均电压大于该预设 电压时，输出的该调节信号为一调降信号(S610)，同时调降该斜波信号的基础 电压(S612);当判断得知该新平均电压小于该预设电压时，输出该调节信号为 一调高信号(S614)，同时调高该斜波信号的基础电压(S616)。当判断得知该新 平均电压等于该预设电压时，输出该调节信号为一维持信号(S618)，并维持该 斜波信号的基础电压(620)。接着，接收该调整后的斜波信号，并将其与该实 时电压做比较，从而得到一控制信号(S622)。接着，以该控制信号控制一激磁 电流的产生，从而得到第二输出电压，并以该第二输出电压取代该第一输出 电压作为该发电机的输出电压(S624)。在本发明的较佳实施例中，补偿可以是渐进式、 一次补足或过补偿等方式。 以上所述的实施例仅为本发明的^_佳实施例，通过实施例il明本发明的施，并不是用来局限本发明实施的范围。因此凡运用本发明权利要求所述的 构造、形状、特征及精神所作的等同性变化及修饰，都应包括于本发明权利 要求范围内。
权利要求
1、一种稳定发电机的输出电压的方法，其特征在于，包括下列步骤A、产生一第一参考电压信号；B、根据一预设电压产生一第一输出电压；C、将所述第一输出电压提供给一负载；D、接收并根据所述第一输出电压调整所述第一参考电压信号，以产生第二参考电压信号；E、接收所述第二参考电压信号，并根据所述第一输出电压及所述第二参考电压信号输出一控制信号；F、根据所述控制信号产生一激磁电流；G、根据所述激磁电流将所述第一输出电压调整为一第二输出电压，使所述第二输出电压实质上等于所述预设电压，其中所述第二输出电压被当作所述第一输出电压而反复执行上述步骤C至G，以使所述第一输出电压被稳定为所述稳定的输出电压。
2、 如权利要求1所述稳定发电机的输出电压的方法，其特征在于，所述 步骤D包括下列步骤Dl、计算所述第一输出电压的一实时电压和一前平均电压，从而得到一 目前平均电压；D2、处理所述目前平均电压及所述预设电压，从而得到第一处理结果； D3、 4艮据所述第一处理结果产生第二参考电压信号，当所述第一处理结 果为所述目前平均电压大于所述预设电压时，调降所述第一参考电压信号； 当所述第一处理结果为所述目前平均电压小于所述预设电压时，调升所述第 一参考电压信号；当所述第一处理结果为目前平均电压等于所述预设电压时， 维持所述第一参考电压信号；并以所述经调降、调升或维持的第一参考电压 信号作为所述第二参考电压信号；且所述步骤E包括下列步骤处理所述第一输出电压以及所述第二参考电压信号，从而得到一第二处 理结果，并4艮据所述第二处理结果产生所述控制信号。
3、 如权利要求2所述稳定发电机的输出电压的方法，其特征在于，当所 述第二处理结果为所述第一输出电压大于所述第二参考电压信号时，所述控 制信号为一增大激^磁电流信号，用以增大所述激^磁电流；当所述第二处理结 果为所述第一输出电压小于所述第二参考电压信号时，所述控制信号为一减 小激磁电流信号，用以减小所述激磁电流信号；当所述第二处理结杲为所述 第一输出电压等于所述第二参考电压信号时，所述控制信号为一维持激磁电 流信号，用以维持所述激磁电流。
4、 如权利要求3所述稳定发电机的输出电压的方法，其特征在于，所述 第一参考电压信号为一斜波信号，且所述调降、调升或维持所述第一参考电 压信号以作为所述第二参考电压信号的步骤包括下列步骤调降、调升或维持所述第一参考电压信号的一基础电压。
5、 如权利要求1所述稳定发电机的输出电压的方法，其特征在于，所述 第一输出电压被输出至一电储存装置中储存，所述第一电压的接收是通过检 测所述电储存装置中的电压的方式，所述电储存装置为电瓶，所述发电机为 车用发电机。
6、 一种发电机的电压调节电路，其特征在于，所述发电机包括一发电装 置及一发电控制装置，且所述发电机输出一输出电压，所述电压调节电路调 节该输出电压，包括一第一调节单元，用以接收第一输出电压并根据所述第一输出电压调整 第一参考电压信号，从而产生第二参考电压信号；一第二调节单元，用以接收所述第二参考电压信号，并根据所述第一输出电压及所述第二参考电压信号产生一控制信号；一开关电路，为所述调节信号控制而提供开路或短路给所述发电控制装置，其中所述发电控制装置根据所述开路与短路的时间比得到一特定工作周 期，所述发电控制装置根据所述特定工作周期将所述第一输出电压调整为第 二输出电压，且所述第二输出电压被当作所述输出电压提供至所述电储存装置。
7、 如权利要求6所述发电机的电压调节电路，其特征在于，所述第一调 节单元包括 一计算电路，用以计算所述第一输出电压的一实时电压和一前平均电压，以产生一目前平均电压；一第一比较器，用以比较所述目前平均电压及所述预设电压，以得到一 第一比较结果；一时脉产生器，用以根据所述第一比较结果产生所述第二参考电压信号， 所述时脉产生器在所述第一比较结果为所述目前平均电压大于所述预设电压 时，调降所述第一参考电压信号；在所述第一比较结果为所述目前平均电压 小于所述预设电压时，调升所述第一参考电压信号；且当所述第一比较结果 为所述目前平均电压等于所述预设电压时，维持所述第一参考电压信号，并 以所述经调降、调升或维持的第一参考电压信号作为所述第二参考电压信号。所述第二调节单元包括一第二比较器，用以比较所述第一输出电压及所述第二参考电压信号， 以得到一第二比较结果；一开关控制单元，用以根据所述第二比较结果产生一控制信号，并以所 述控制信号控制定子产生所述第二输出电压。
8、 如权利要求7所述发电机的电压调节电路，其特征在于，当所述第一 输出电压大于所述第二参考电压信号时，所述控制信号为一增大激磁电流信 号，用以增大所述激磁电流；当所述第一输出电压小于所述第二参考电压信 号时，所述控制信号为一减小激磁电流信号，用以减小所述激磁电流信号； 当所述第一输出电压等于所述第二参考电压信号时，所述控制信号为一维持 激磁电流信号，用以维持所述激磁电流。
9、 如权利要求8所述发电机的电压调节电路，其特征在于，其中所述第 一参考电压信号为一斜波信号，且所述时脉产生器调降、调升或维持所述第 一参考电压信号的基础电压，从而调降、调升或维持所述第一参考电压信号。
10、 如权利要求6所述发电机的电压调节电路，其特征在于，所述第一 输出电压被输出至电储存装置中储存，所述第一电压的接收是通过检测该电 储存装置中的电压的方式，所述电储存装置为电瓶，所述发电装置为定子， 所述发电控制装置为转子，所述发电机为车用发电机。
全文摘要
一种稳定发电机的输出电压的方法及发电机的电压调节电路，该方法包括如下步骤产生一第一参考电压信号；根据一预设电压产生第一输出电压；将第一输出电压提供给一负载；接收并根据第一输出电压调整第一参考电压信号以产生第二参考电压信号；接收第二参考电压信号，并根据第一输出电压及第二参考电压信号输出一控制信号；根据控制信号产生一激磁电流；根据激磁电流将第一输出电压调整为一第二输出电压，使第二输出电压实质上等于预设电压；第二输出电压被当作第一输出电压而反复执行上述步骤，以使第一输出电压被稳定为稳定的输出电压。本发明保证了发电机在不大于自身最高输出功率的情况下，负载任意变化时仍可以维持其输出电压为预设电压值。
文档编号H02P9/14GK101127504SQ200610109690
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月18日 优先权日2006年8月18日
发明者余振邦 申请人:朋程科技股份有限公司