基于集成电路的航空交流发电机电压调节器设计与实现

焦旭东，何金辉

（1.西安航空职业技术学院陕西西安710089；2.陕西中圣环境科技发现有限公司陕西西安710065）

飞机同步发电机在运行过程中会受到一些因素出现变化，这些因素主要有转速、功率以及负载等等，且电压也会受到相关影响而改变；为了保证用电设备的运行处于正常状态，因此必须保证同步发电机的电压合理，这就需要激磁机的激磁电流变化。有关航空交流发电机电压调节器的设计具有很大难度，以往许多相关领域的学者均进行了类似研究。胡岩等进行了航空用高速永磁发电机的设计，通过对不同永磁发电机的比较，选择科学的方案，采用Taguchi优化了设计方法，同时建立了实验正交矩阵，得出其电磁设计方案的合理，取得了一定的成果。然而从目前来看，航空交流发电机电压调节器在实际使用中仍存在一定不足，导致用电设备运行中存在一定程度的问题。而本次航空交流发电机电压调节器的设计是基于集成电路进行并实现，其优点在于设备的体积小，重量轻，同时价格低廉[1]，具有很强的使用效果。在实际使用中也具有非常高的经济效益、军事效益。

1 晶体管电压调节器的基本原理

调节器的基本原理相对简单，如图1所示，大功率晶体管和激磁机激磁线圈两者之串连，对激磁机的电流进行控制[2]。同时在运行中可控制大功率晶体管的运行状况，其等效图如图1（b）所示。

图1 晶体管电压调节原理图

将激磁机绕组的电感和电阻分别采用L、Rjj表示，其中电源电压采用E表示，将功率管的导通时间设为ti，则在此期间产生的电流则使用ion表示；将功率管的截止时间设为t2，以iof表示此期间的电流。可得到以下方程式：

将（1）（2）求解得到：

在求解出的结果中得出的结论是，发电机在被大功率晶体管控制下，激磁电流的变化呈现指数规律。

利用以上得出的结论，便计算一个工作周期时的激磁电流的平均值，其积分公式表示为：

Ijj为激磁电流的平均值，其与σ之间的关系在功率管的控制下呈现正比。在电机运行过程中，σ只要保证与电机运行状态的变化一致，便可对激磁电流进行控制，在固定的范围内，实现对发电机电压的合理调节。

2 硬件电路设计

针对三级式无刷交流发电机的调节器设计，由激磁机、发电机以及永磁式付激磁机组成。调压器原理电路如图2所示。

图2 调节器原理电路

利用大功率管和集成芯片设计，需要调节电路中的运行电压。设计过程中都须采用航空发动机的恒速转动装置，保持永磁机中永磁转子的旋转。三相电流由三相定子绕组中产生，继而利用全波整流器实施整流和降压[3-4]，此时出现的电压表现为直流稳定，可用于调压系统中。

2.1 比较电路的测量

变压器B对交流发电机输出的三相交流电实施降压，再由三相桥式整理器进行整流、阻容滤波，此时的三相电流便被加在电位计W、R2、R3的串连电路上。此时由于滤波电路时间较长，因此在之后的所得到的电压表现非常平稳。电位计W的活动触电为A点，电阻R4在A点连接了A1反相端，稳压管DZ1则连接到了其同相端，DZ1的稳定电压就是基准电压。

2.2 差动放大和电路的校正

比例放大环节连接到A1的外围电路，如果发电机端电压升高，作为电路测量比较的输出电压UAB也会增加，放大器的输出端D点的电位则随之减少。如果增加电路中放大器的倍数，那么则能够起到有效减少静态误差的作用。R8和R9两个电阻，与C2和C3两个电容形成串连电路，产生的作用除了可增强调压系统的性能之外，还可优化系统的动态性能。

2.3 三角波发生器

在初始情况下，t的值为0，那么Ub=UZ-A=-βUZ，得到常数A=（1+β）UZ，即

能够看出电压Ub的变化方式是依照指数曲线增高。Ub电压与A3的反向输入端相互连接，若Ub的升高情况超过β UZ时，A3则会出现翻转，此时E点电位的电压则为-UZ，F点的电位是UF=-βUZ。

Ub在t1时间内，电压由-β UZ提升为β UZ，通过（7）我们能够计算出t1，即

C5电容器经过R14电阻之后放电，b点电位出现降低趋势。在t1时间之后，降低为-β UZ，在A3输出端的电压UE也会随之变成+UZ。形成一个循环状态，且每一个循环的周期即可表达为：

在整个设计过程中，我们把参数控制在R14C5＞＞T的范围内，在这种情况下，得到的电压Ub曲线均表现的与直线相似。也正是优于这种情况导致三角波和电路输出电压波形几乎相同。

2.4 调压器的运行流程

若发动机出现端电压提升、负载电流下降，那么在比较电路中A点的电位则会呈现一定提升，A1的输出电压降低、A2输出的正脉冲宽度变大，BG2、BG3功率管的导通比降低，同时也会降低激磁机中的电流以及发电机的电压[6]，进而使得发电机的输出电压稳定；若发动机出现端电压降低，负载电流提升，则会出现与以上情况相反的运行状态。

3 仿真实验、系统对接调试

对于本次设计，我们采用Multisim 10软件工具进行仿真，能够得出各个模块电路的输出电压波形。

以UF、UFe分别为发电机实际输出电压、额定电压。在UF＞UFe的情况下，整形放大电路的输出波形宽度变窄，末级大功率晶体管σ降低，Ijj降低，达到降低发电机输出电压的目的；在UF＜UFe的情况下则出现与以上情况完全相反的运行，可实现调节电压的需求[12]。

我们对电路参数进行了重复计算，同时使用仿真手段将其不断优化，将信号输出强度在现有的基础上进一步提升16%左右。之后将电压调节器与三级式交流发电机尝试运行，运行的结果显示就算进行长时间的持续运行也能够保持良好的稳定性[13]，使其可靠性得到认可，满足了发电机输出电压的稳定需求。调压的精度范围是U额定±0.5 V。相比于之前基于风力元器件中的设计，此次设计的调压器具有以下特点和优势：

1）该调压器的调制电路是专门的电路所形成的三角波[14]，并未采用发电机电压经滤波整流后的三角波，所以就算在直流发电机电压中也可采用该调压器进行调节；

2）滤波电容器C1的电容量与三角波幅值之间并无关系[15]。所以若C1的电容量由于环境或者其他因素产生变化的情况，便能够避免产生温度误差的情况；

3）测量比较电路的变压器B接成Y/Δ的形式，次级绕组的输出电压中，有3次及3的倍数次谐波情况出现，所以波形相对较好，不会过多的受到负载变动[16]。在对比较电路的输出电压UAB测量的过程中，同样不会受到很大的负载影响而出现变动，可进一步提升调压的精确度。

4 结束语

通过分析当前有关航空交流发电机设计中集成电路的电压调节器的研究，在本次设计以及实现中，我们了解到集成运放设计飞机交流发电机电压调节器具有很大的使用优势，从表明上来看，设备体积小，同时重量较轻，不会使用昂贵的费用；从性能上来看，该调节器具有很强的抗干扰能力，具有较高的调压精确度以及可靠性。除此之外，该调节器的内部电路信号传递关系并不复杂，因此地面维护工作相对来说非常简单。总之，该调节器的制作费用较少，同时可带来非常明显的军事效益，在未来的相关研究中必将能产生更佳效果。