基于集成電路的航空交流發電機電壓調節器設計

（海軍裝備部 航空技術保障部，北京 100083）

飛機同步發電機的轉速、負載（負載的大小或功率因素）變化時，其電壓將隨之變化。為保證用電設備的正常工作，就需要通過改變激磁機的激磁電流來調節同步發電機的電壓。集成運算放大器式的電壓調節器是航空發電機電壓調節的發展趨勢。

1 晶體管電壓調節器的基本原理

集成運算放大器式的電壓調節器以晶體管電壓調節為基礎，其基本原理如圖1a）所示。[1]圖中大功率晶體管BG 串聯在激磁機激磁線圈Wjj電路中，用來控制激磁機的激磁電流。通過合理設置大功率晶體管的工作條件，使其工作在開關狀態，等效電路如圖1b）所示。

圖1 晶體管電壓調節器原理圖

設Rjj和L為激磁機繞組的電阻和電感，E為電源電壓，t1為功率管導通時間，導通期間的電流為ion，t2為功率管截止時間，截止期間的電流為iof，則功率管導通和截止期間的電壓平衡方程式為：

上面方程的解為：

式中：T=t1+t2；A、B為積分常數。

式(3)、(4)反映了發電機在大功率晶體管的控制作用下，激磁電流按照指數規律變化。

在一個工作周期內，激磁電流的平均值可由以下積分公式求出：

在功率管的控制下，激磁電流的平均值Ijj與功率管的導通比σ成正比。只要使功率管導通比隨發電機工作狀態的變化而作相應的改變，就可以控制激磁機的激磁電流，從而使發電機的端電壓在一定范圍內可調。

2 硬件電路設計

該調節器針對三級式無刷交流發電機進行設計。

所謂三級式交流發電機，即是指交流發電機由永磁式付激磁機、激磁機、發電機組成。所設計的調壓器原理電路如圖2所示。圖中，A1、A2、A3采用一片集成運放LM124[2]進行設計。

圖2 基于集成電路航空交流發電機電壓調節器原理電路

由于采用集成芯片和大功率管進行電路的設計，首先必須解決整個電路的工作電壓。本設計利用航空發動機經過恒速傳動裝置帶動永磁機的永磁轉子旋轉，在三相定子繞組中產生三相交流電，再由全波整流器進行整流、降壓，為調壓系統提供所需的直流工作電源。

2.1 測量比較電路

飛機交流發電機輸出的三相交流電經變壓器B降壓，三相橋式整流器整流和阻容濾波后，加在R2、R3和電位計W的串聯電路上。由于濾波電路的時間常數較大，濾波后的電壓基本上是平穩的直流。電位計W的活動觸點A 經電阻R4接在集成運算放大器A1的反相端，穩壓管DZ1接在集成運算放大器A1的同相輸入端，穩壓管DZ1的穩定電壓作為基準電壓。該電路檢測三相電壓的平均值。

2.2 差動放大和校正電路

A1的外圍電路聯接成比例放大環節，發電機端電壓越高，測量比較電路的輸出電壓UAB越高，放大器輸出端D點的電位越低。該電路提高放大器前向通道的放大倍數，減小系統調壓的靜態誤差。

電阻R8、R9和電容C2、C3組成串聯超前校正電路，提高調壓系統的穩定性和反應的快速性，改善系統的動態性能。

2.3 三角波發生器

因為測量比較電路輸出電壓UAB為平穩的直流電壓，為了進行調制而設計該電路。A3輸出端E點的電位被穩壓管DZ2和DZ3限制在UZ的范圍內，F點的電位為UZ為穩壓管DZ2、DZ3的穩定電壓。假定開始瞬間E點電位為+UZ，F點的電位為+βUZ，b點的電位為?βUZ。集成運算放大器A3由E點經電阻R14向電容C9充電，使b點電位不斷升高。b點電位與時間的關系是則：

由初始條件t=0時，Ub=UZ?A=?βUZ可得A=(1 +β) UZ，所以：

可見電壓Ub是按指數曲線上升的。

電壓Ub加在A3的反相輸入端，當Ub上升到略大于βUZ時，A3立即翻轉，E點電位變為?UZ，F點電位為UF=?βUZ。

Ub由?βUZ上升到βUZ的時間t1，由式(7)求出：

此后電容器C5通過電阻R14放電，b點電位逐漸降低。在經過時間t1后，b點電壓又降低為?βUZ，A3輸出端電壓UE又返回到+UZ。如此不斷循環，每個循環的周期為：

設計過程中，使參數R14C5＞＞T，電壓Ub的上升曲線與下降曲線近似直線，所以該電路的輸出電壓的波形近似為三角波。參看圖3a）。三角波發生器的輸出電壓加在比較放大器A2的同相輸入端。

2.4 比較放大器

集成運放A2用作比較放大器。差動放大器的輸出電壓UD加在A2的反相輸入端，三角波的輸出電壓Ub加在A2的同相輸入端。A2的輸出電壓UH取決于兩個輸入電壓的相對大小。當Ub＞UD時，A2輸出電壓UH為正，當Ub＜UD時，A2輸出電壓UH為負。該電路完成對差動放大器輸出電壓的調制作用，即把數值不同的UD轉變為不同寬度的輸出脈沖。輸入電壓UD越高，比較放大器輸出的正脈沖的寬度越窄；反之則越寬。比較放大器的輸入與輸出電壓波形參看圖3b）。

2.5 整形放大和功率放大電路

晶體管BG1對前級輸入的脈沖信號進行整形，輸出標準的矩形波，參看圖3c）。

大功率晶體管BG2、BG3采用達林頓聯接[3]，串聯在激磁機激磁線圈Wjj的電路中，改變其導通比，即可控制激磁電流的大小。二極管D13為續流二極管，在功率管截止期間，它為激磁電流提供續流通路，以防止功率管由導通轉為截止時，在激磁繞組中產生過高的自感電勢將功率管擊穿，同時又可使激磁電流平滑。R12為加速電阻，改善調壓系統的動態性能。

2.6 調壓器的工作過程

當發電機負載電流減小，端電壓升高時，測量比較電路的電位計W 活動觸點A的電位升高，差動放大器A1的輸出電壓UD降低，比較放大器A2輸出的正脈沖寬度增大，使功率管BG2、BG3的導通比下降，激磁機的激磁電流下降，發電機電壓降低，從而使發電機的輸出電壓穩定在額定范圍內；當發電機負載電流增大，發電機端電壓降低時，調節過程與上述過程相反。

3 仿真試驗、系統對接調試

新研制的電壓調節器采用Multisim 10 軟件工具對所設計的調壓器電路進行仿真驗證，[4]該軟件作為電路設計的輔助設計工具，得到了廣泛的應用，具備以下突出特點：① 集成環境簡潔易用；② 虛擬實驗儀器豐富；③分析功能多樣；④ 輸入輸出接口具有廣泛的兼容性；⑤可自定義設計環境。

另外，Multisim 10 還支持VHDL 和Verilog 語言的電路仿真與設計。

通過仿真，系統中各模塊電路的輸出電壓波形見圖3，其中，左側為UF＞UFe時波形，右側為UF＜UFe時波形（UF為發電機的實際輸出電壓、UFe為發電機的額定電壓）。當UF＞UFe時，整形放大電路輸出波形寬度變窄，末級大功率晶體管σ減小，Ijj減小，從而使發電機輸出電壓降低；當 UF＜UFe時，與UF＞UFe的調壓過程相反，滿足了電壓調節的要求。

電路參數經反復計算和利用仿真手段選優，保證了信號輸出的精度。所設計的電壓調節器與某型三級式交流發電機配套工作，長時間工作穩定可靠，達到穩定發電機輸出電壓的要求。調壓精度穩定在U額定±0.5 V 內。

該調壓器與以往基于分立元器件所設計的電壓調節器相比，具有以下特點：

1）因為它的調制電路不是利用發電機電壓經濾波整流后的三角波，而是由專門的電路產生的三角波來完成調制，因此這種調壓器也可用于直流發電機電壓的調節。

2）三角波的幅值與濾波電容器C1的電容量無關。因此，當環境溫度變化引起C1的電容量變化時，不會造成溫度誤差。[5]

3）測量比較電路的變壓器B 接成Y/△形式，次級繞組輸出電壓中出現3次及3的倍數次諧波，因此其波形較好，受負載變動的影響小，因而測量比較電路的輸出電壓UAB受負載變動的影響小，有利于提高調壓精度。

4 結束語

基于集成運放設計飛機交流發電機電壓調節器，不僅使設備的體積小、重量輕、價格低廉，而且具有抗干擾能力強、可靠性好、調壓精度高等特點；同時，由于調壓器內部電路信號傳遞關系簡單，便于地面維護人員的校驗和維修，因此具有顯著的經濟和軍事效益。

[1]劉愛元,盧建華.飛機電源與電氣控制[M].北京:海潮出版社,2008:63-64.

[2]龍忠琪,金燕.模擬集成電路教程[M].北京:科學出版社,2004:224.

[3]沃爾夫岡?施姆希.基本電路[M].北京:科學出版社,1997:97.

[4]常華,袁剛,常敏嘉.仿真軟件教程—Multisim 和MATLAB[M].北京:清華大學出版社,2006:35-75.

[5]PHILLIP E ALLEN,DOUGLAS R HOLBERG.CMOS模擬集成電路設計[M].北京:電子工業出版社,2005:163.