（电力电子与电力传动专业论文）汽车交流发电机性能微机测试试验台的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t p r e s e n t ，m o s to ft h et e s t i n gs e to ft h eg e n e r a t o ro f t h ec a r ，i no u rc o u n t r y ，a r e t h ep r o d u c t so fs e v e n t i e sa n de i 【g h t i e s ，a l lo ft h e mm u s tb ei m p r o v e d 。m a k i n gu s i n go f m i c r o e l e c t r i c t e c h n i q u e ，t h ei m p r o v e m e n tm a y b ep o s s i b i e t h i st e x ti n t r o d u c e so n e k i n do fm a c h i n ew h i c hi nf u n c t i o nt e s t st h ea l t e r n a t e - c u r r e n tg e n e r a t o ro ft h ec a r i t i so f i ek e ym a c h i n et ot e s tt h ec h a r a c t e r i s t i co fa l ls o r t so fg e n e r a t o r sf o rc a r n i s m a c h i n ea i m st os t u d ya l lk i n d so fc h a r a c t e r i s t i ca n dt e s tt h ec h a r a c t e r i s t i c ，i n c l u d i n g t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h e g e n e r a t o r ，t h em a c h i n ec h a r a c t e r i s t i c ，h o t ，v o i c e m a g n e t i cf i e l d ，e l e c t r i c i t y t om e a s u r e ，a n a l y s i so ft h ee r r o rm a r g i na n dt h eh a n d l i n g o ft h ed a t a f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft h ea l t e r n a t e c u r r e n tg e n e r a t o r o ft h ec a r ，t h es o m en e wt e c h n i q u et h a tu s e ，a n dt h es o u r c e ，p u r p o s eo ft h i sl e s s o n ， c o n t e n t s n e ni n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a ro ft h ea l t e r n a t e - c u r r e n t g e n e r a t o ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a ti s t e s t e d i n t r o d u c e si m m e d i a t e l yt h eh a r d w a r e o ft h et e s t e de x p e r i m e n t ，a n dt h em a i ne l e c t r i cc i r c u i td i a g r a m so ft h es e t ，e x p l a i n i n g i nd e t a i la l lk i n d so fc o n d u c t o r sw h i c hc o l l e c tt h es i g n a l so ft h eg e n e r a t o r d a t a c o l l e c t e dc a r da n dd a t ai n p u t i n ga n do u t p u t t i n gc a r d t h ed a t a - c o l l e c t e dc a r dh g e s t h ep c l - 8 1 2 p go ft h e c o m p a n yo fa d v a n t e c h t h e c a r do fd a t a i n p u t i n g a n d o u t p u t i n gu s e st h e p c l - 7 2 4o ft h ec o m p a n yo ft h ea d v a n t e c h t h e nt h i s p a p e r d e s i g n st h ep r o g r a mi n d a t a c o l l e c t i n g e x p l a i n s h o wt oc o n t r o la l t e r n a t e c u r r e n t g e n e r a t o rw i t ht h es i e m e n sm i c r o m a s t e r4 4 0a n da l lk i n d so fp r o t e c t i n gt h ee l e c t r i c c i r c u i to ft h em a i nc i r c u i t i tc o n t r o l st h es p e e d i n go ft h e g e n e r a t o rb yp i do f s h u t t i n gt h ew r e a t h t h i st e s t i n gs e tc a ns h o wa n ds a v ei m m e d i a t e l yt h ev o l t a g e ，t h e c u r r e n t ，t h et e m p e r a t u r ea n dp o w e ro fr o t a t i o no ft h ea l t e r n a t e c u r r e n tg e n e r a t o ra n d r e a l i z e st h ef u n c t i o no fa l a r mi nt i m et ot h eb r e a k d o w na n da u t o m a t i c p a r k i n g k e y w o r d s ：a l t e r n a t e c u l t e n tg e n e r a t o ro ft h ec a r a u t o m a t i c c o n t r o l l i n g c h a r a c t e r i s t i ct e s t e db yc o m p u t e r s p e e dc o n t r o l l e db yc h a n g i n gf r e q u e n c y d a t a c o l l e c t i n g c a r d 湖北工业大学硕士学位论文 湖北工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导 下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 签名： 年月日 湖北工业大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本人完全了解湖北工业大学关于收集、保存、使用学位 论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论 文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者 部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提 下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：羲裕瑚 口f 年石月目 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着国民经济的发展，人们生活水平的提高，汽车作为一项消费品逐渐走 入了人们的家庭，它已成为一门重要的产业，尤其是一些家用小轿车为人们所 关注，所喜爱。汽车的性能为人们所看重。汽车上的各种电子设备也随之发展。 汽车交流发电机是汽车的主要电源之一，交流发电机问世以来，以其输出功率 大，可靠性好，使用寿命长等优点深甓广大用户欢迎。近几十年来，交流发电 机无论是在结构方面。加工工艺方面还是在原材料使用方面都有了较大的改 进。目前国内绝大多数汽车发电机生产厂家对汽车发电机的性能测试都是沿用 传统的测试方法，其测试精度低、误差大、效率低、数据不能存贮。给产品质 量追溯带来很大的不便m 。而国外发达国家的汽车发电机生产厂家已经把微机 引入到这一领域。近几年来国内几家大型汽车电器企业也陆续引进了此类设 备，但价格昂贵，因此，在我国研制性能稳定、测试精度高的汽车发电机性能 微机测试系统，是一件很有意义而又迫切的工作。本文介绍的就是汽车发电机 性能微机测试系统。 1 1 汽车交流发电机的作用 汽车用的交流发电机问世以来，以其独特的优点深受广大用户的欢迎。但 随着汽车技术的不断发展，车内设备的不断完善和增加，对交流发电机的要求 也越来越高：输出功率大、可靠性好、使用寿命长，体积小、重量轻、维护方 便。2 0 多年来交流发电机单位重量的输出功率增加了近8 倍，外径减小了3 0 左右，在结构和加工工艺方面，都有了很大的改进。随着汽车上各种电子设备 的增多，特别是照明设备，空调设备、信号系统、闭路电视，音响的引进，要 求的电源的功率越来越大，对发电机的要求也越来越高。发电机运转时既对各 种用电设备供电，也对蓄电池充电。当发电机停止运转发电时，由蓄电池向各 用电设备供电。 1 2 汽车交流发电机性能测试的现状及趋势 在电机的生产运行和科研过程中，需要对电机的性能，参数等进行必要的 湖北工业大学硕士学位论文 _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - i _ _ _ - - l _ _ _ i - - _ l _ - - _ - _ _ _ - l _ _ - _ _ l - - - i - - - _ _ _ - - i _ _ - i - _ _ _ _ _ 一 测试，以检验电机是否满足有关技术要求的规定，或寻求改进设计工艺的途径 和方法。电机性能测试台主要是研究电机各种特性及参数的测试，包括电机的 工作特性，机械特性，热，声，磁场，电量及电参数的测试，误差分析和试验 数据处理2 l 。 汽车交流发电机性能测试台的发展与电机工业的发展是密切相关的。科学 技术的发展对电机的发展提出了越来越高的性能和质量指标。由于电机容量的 不断增长以及电机性能指标的要求日益提高，有些常用的测试方法或者受到试 验站电源容量及安装条件的限制。或因钡i l 试精度及速度不自满足要求近年来 国内外对试验中非电量传感器仪器的研制以及新的电机测试方法做了大量工 作，使测试的精度和速度有了显著的提高。 随着电子技术和计算机的发展，仪器仪表业发生了历史性的变化仪器仪 表参数的数字化和智能化，也使得电机测试技术有了长足的进步。数字化电压 表，数字转矩转速仪，光电数字测遮仪，智能型温控仪，以及数字存储示波器 等一系列现代测试仪表的出现促进了电机自动测试技术的发展，解决了过去难 以解决的电机测试技术课题，测试系统的精度和可靠性也大大提商。 国内外已研发出些先进的数据采集卡以及数据输入输出卡，如研华公司 的数据采集卡p c l 一8 1 2 p g ，p c l 一8 1 8 1 t 数据输入输出卡p c l 一7 2 4 等等。利用这些嵌 入式卡把采集到的各种传感器信号输入到计算机中进行处理。 测试系统与自动控制系统一体化是现代电机测试技术的主要特征之。近 年来，单片微机应用的大量推广为自动测试系统开拓了发展的新途径。单片微 机在自动测试系统中的功能为【”：进行程序控制监视测试过程记录整理并 分析测试结果，即将测得的数据进行分析处理，最后以数字显示打印或绘制 图表，也可以信息方式存储。单片微机在测试系统中以作为测试设备的一部分。 充当于一部分电子测量仪器的作用。但单片机也存在一些难以克服的缺点。出 于速度慢内存小，执行一些大点的程序就显得不足了。另外单片机也存在着 程序失控的现象。程序失控是指系统受某种干扰后。p c 值偏离了给定的唯一变 化历程，导致程序运行偏离了正常的运行路径。程序失控因素及后果往往不可 预计。程序失控后的非正常运行会造成各种损害。很多情况下都进入死循环 而导致死机。单片机容易受到电磁干扰，抗干扰的能力差。 国外可编程控制器已引入了电机的数字化测试中。因为可编程控制器具有 与计算机、单片机一样的编程能力，编程语。言简单、易学、抗干扰能力强它 湖北工业大学硕士学位论文 可将中间继电器、时间继电器之间大量的控制逻辑关系变成简单的程序，输入 给p l c 中的c p u 进行运算和处理。然后只将结果输出给执行单元，使得控制系统 在中间控制逻辑的环节中不会出现任何问题，从而大大提高了系统的可靠性。 在继电器控制系统中，如果要对一台已设计好的控制器作一些原理上的变动。 那就的变动连线，甚至增加元件。但使用可编程控制嚣就方便多了，只要改变 一下程序或增加几条程序就可圆满解决问题。但如果控制对象的输入输出接口 数量和内存容量大，可编程控制器比较昂贵，不易实现对发电机的参数模拟量 的检测。 采用通用工业p e 微机控制系统是一种比较好的控制方法。工控机系统是指 对机电设备进行测量和控制的自动化系统，是检测、判断、处理、通讯的总称。 通用工业p c 微机具有良好的开发性、能降低控制系统的成本，且具备良好的安 全性、灵活性和联网性，并简化了维护和培训。它的外部坚固，耐冲击能力和 震动：具有工业标准电源。高可靠，高性能，开放式架构，具备升级扩展能力。 选用通用工业p c 微机，再配以有关功能卡。使用相关系统及应用软件可完成电 机的自动测量和控制。 综上所述，研究开发和使用工业控制计算机来测量控制电机是当前国内外 的主流和发展方向。 1 3 本课题的目的意义及内容 汽车交流发电机性能试验台是对各类汽车用各种规格交流发电机的性能 测试的关键设备，为完成产品开发，试制，试验以及货源鉴定等任务，同时应 东风汽车公司的要求，湖北机电研究院研制出一台能满足各项要求并能对轿 车、轻型车的开发，试制及鉴定而服务的试验装置，以解决应用需要。本人也 加入了其中的工作。 本文主要讲述了汽车交流发电机的基本原理。要测试的一些参数。讲述了 汽车交流发电机测试台的硬件主电路图，用到一些智能化卡片，如数据采集卡 和数据输入输出卡，介绍了采集信号用到的一些传感器件。本测试台用到了变 频器来驱动异步电机来拖动交流发电机，介绍了变频器拖动交流异步电机的使 用方法。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章汽车交流发电机的性能 2 1汽车交流发电机的结构及基本原理 汽车发电机是用来对蓄电池进行充电和供给汽车上各种用电设备所需的 电能，它输出的必须是直流电。交流发电机作为汽车的一种电源，是由三相同 步发电机，硅整流器及电压调节器三部分组成的。交流发电机在没有达到工作 电压时，即在很低速度运转时它的磁场是它激的，由蓄电池供给激磁绕组电 流当开始发电后是自激的。 汽车用的三相交流发电机的基本原理同三相交流发电机，它在结构上与 般工业用凸极式交流发电机不同汽车用三相同步发电机的磁场是采用鸟嘴形 磁极，它的形状像鸟嘴。这种磁极是可以使定子感应的交流电动势近似于j 下弦 曲线。每个磁极的磁通经转子的铁芯回合形成发电机的总磁通。总磁通等于 一个极性所有磁极的磁通总和。这样就可以采用一个简单的激磁绕组。绕在转 子的铁芯上。所以只消耗少量的铜线。发电机的转子是电机的磁场部分。它主 要由激磁绕组，磁极和滑环组成。单个磁极的形状像鸟嘴形，但它的整体像一 个爪子。所以一个极性的整体磁极也称爪极“】。磁极数目有4 对，5 对。6 对，7 对等，各个工厂设计的不一样。我国目前生产的汽车交流发电机大多采用6 对 磁极，即转子每旋转一转，定子的每相电路上能产生6 个周期的交流电动势。 转予的滑环也称集电环，是由2 个彼此绝缘的铜环组成中间的绝缘材料一般 使用玻璃纤维塑料。滑环可以用铜管加工而成，也可以用铜板拉伸冲制而成， 与玻璃纤维塑料或其他有一定机械强度并能耐热的塑料压成一体后。再压装到 轴上。这个滑环与装在炭刷端盖上的2 个炭刷接触，用接线柱引到发电机外部。 要使交流发电机定子绕组中产生电动势，就必须对其磁极进行激磁。激磁 的方法，一般分为他激和自激两种。_ 般工业用的交流发电机的源磁大都采用 他激的，即完全由另外的电源对发电机的磁级进行激磁；另一种是自激的，即 利用本身定子绕组中发出的电，供给本身的磁极。另外也有一种是永磁式即 磁极是预先充好磁的，这种激磁方法一般用于1 0 0 瓦以下的小型交流发电机。 例如小型拖拉机采用这种永磁交流发电机。 汽车用的交流发电机的激磁方法与一般工业用交流发电机不同，它在低速 湖北工业大学硕士学位论文 运转时，即还未达到蓄电池充电电压时，是他激的，即用蓄电池的电流供给发 电机的激磁绕组；当高速运转时，即发电机的转速已达到蓄电池充电电压的转 速时，发电机是自激的，即利用定子绕组本身产生的、经过整流的直流电流 供给发电机本身的激磁绕组。 汽车交流发电机的使用条件与一般工业用的交流发电机不同。一般工业用 的交流发电机的使用转速是固定的，而汽车交流发电机是安装在发动机上，按 固定的传动比( 即发动机曲轴皮带轮直径与发电机皮带轮直径之比) 由发动机 曲轴带动；所以，发电机的转速在很大的范围内变化，即在相当于发动机最低 速度( 即发动机怠转时) 到相当于发动机最高转速的范围内变化。对般现代 汽油发动机来说，它的转速变化为l ：8 ；对柴油发动机来说，可以为1 ：3 5 。所 以，表示汽车交流发电机特性的方法也不同，一般以速度变化为基准，表示出 各变量之间的关系，并且要求在这么大的转速范围内发电机的电压保持在一定 的数值，这要通过电压调节器来达到。 大多数的汽车交流发电机的整流器是由6 只硅二极管组成，3 只负极管子装 在后端盖上，另三只正极管子装在一块整体的散热板上，称为元件板。6 只二 极管组成三相桥式全波整流线路。 、 汽车交流发电机是三相同步电机转子的转速和定子绕组中产生的感应电 动势的频率成一定的比例。他们的关系7 1 是： f = p n 6 0 式中：f 一发电机的频率， p 一发电机磁极对数 n 一转子的转速， 下图表示鸟嘴形磁极的交流发电机的磁路部分 上图中磁极绕组2 绕在磁上面，磁极3 和4 压在轴7 上，轴上也有一部分磁通 会通过。图中6 是安放在定子中的星形连接的三相绕组，他们在定子中的位置 彼此相差2 3 极距。每相绕组是若干匝线圈串联而成。 每极每相槽数q 是定子绕组的重要特性。 q - - z ( 2 p m ) 式中：z 一定子总的槽数， 2 卜发电机的极数， j r 发电机的相数 湖北工业大学硕士学位论文 目前国产的汽车交流发电机采用的三相绕组，其每极每相槽数q 为1 。发电 机的转子旋转时，在其激磁绕组中形成的磁通切割定子绕组的导线，于是定予 的三相绕组就感应出三相交流电动势。 当汽车的点火开关闭合时，蓄电池电流通过调节器触点流向发电机的激磁 绕组，激磁绕组周围就产生磁通。大部分的磁通通过磁轭1 分部在爪极3 上，这 个爪极是北极。磁通通过北极后，穿过转予与定予之间的空气隙，经过定子的 齿部与轭部，再经过空气隙，进入另一爪极4 ，这个磁极是南极，再从南极回 到磁轭1 ，形成磁回路，极磁绕组所产生的磁通没有全部通过定子的齿部和轭 部，而有一部分从定子旁边的空气中及n 极与s 极之间通过，这部分磁通成为漏 磁通。 如果己知发电机的空气隙中的磁通，则可以求得发电机一相绕组所产生的 电动势。 e = 4 4 4 k a o w o 式中：f - 感应电动势的频率 w 一定子的每相绕组的串联匝数 m 一电机空气隙中磁通 k 一绕组系数 q = t 时三相交流发电机的绕组系数k = l 发电机是汽车主要电器设备之一，它与蓄电池并联共同承担汽车上所有用 电设备的供电任务。其工作过程“如下； 起动机起动时，由蓄电池向起动系、点火系、仪表系等供电，并向发 电机提供励磁电流； 起动机起动后，通过传动装置带动发电机旋转，当发电机达到一定转速 后，发电机输出电能： 当发电机转速继续升高。发电机的端电压高于蓄电池的电动势时，发电 机不仅独自向用电设备供电，而且对蓄电池充电，多余电能由蓄电池储存起来， 以备起动机起动时用电； 当发电机转速较低或发电机高速运转出现超载现象时由发电机和蓄 电池共同向用电设备供电。 自本世纪二十年代以来，汽车上采用的是换向器式直流发电机。在五十年 代到六十年代，工业发达的国家把半导体整流的发电机应用到汽车上，并取代 湖北工业大学硕士学位论文 了老式直流发电机，国内从六十年代中期丌始设计制造交流发电机。发电机生 产成品后必须经过严格的测试各项性能指标达到规格值后才能出厂。 2 2 汽车交流发电机的新技术 六、七十年代、国际上汽车发电机技术取得了许多突破性的发展，车用发 电机全部更新换代，如带调节器的整体式交流发电机，适用于柴油机的带真空 泵交流发电机，适用于工程机械及野外作业的无刷交流发电机，以及适用于工 具车的充电电焊两用大功率发电机等相继研制成功并投入使用。进入八十年 代，随着汽车技术的发展，车内设备不断完善。包括各种小型电动机，照明设 备、空调设备、信号系统、闭路电视、音响等五十余种用电设备，用电量正以 每年2 3 a 的速度增长，迫使发电机的输出功率不断增大，另一方面，汽车技 术的发展要求汽车( 主要是轿车) 整体重量减轻，汽车发动机室集成度提高，要 求发电机小型化，轻量化，由于发动机室布局日趋紧凑，发电机所处环境的温 度有继续上升的倾向，所以，对发电机零部件的耐热性能要求越来越高，因此 减少发电机体积，降低重量，提高输出功率和耐热等级，并设法提高发电机的 寿命是八十年代汽车发电机技术进步的主要方面9 l 。经过不断的改进，在过去 的二十年内，交流发电机单位输出重量减少了1 3 ，某些发电机的发电能力增 加了2 3 倍，而重量只有原来的3 4 。例如成为美国通用公司l9 9 6 年七项技 术精华之一的改进后的交流发电机输出增加了( 最大的8 5a ) 而重量减少了 3 0 ，直径减小1 0 一2 0 毫米，内部紧固件减少6 0 ，1 9 8 9 年北京国际汽车 零部件工业展览会上展出的韩国与通用公司台作生产的9 a 2 0 型交流发电机， 比功达到2 5 0 w k g 。 汽车用途交流发电机问世以来，以其独特的优点深受广大用户的欢迎。但 随着汽车技术的不断发展，车内设备的不断完善和增加，对交流发电机的要求 也越来越高：输出功率大、可靠性好、使用寿命长，体积小、重量轻、维护方 便。2 0 年来交流发电机单位重量的输出功率增加了近8 倍，外径减小了3 0 左右，在结构和加工工艺方面，都有了很大的改进。 1 结构方面的改迸m 1 ( 1 ) 调节器内装 就是把集成电路调节器( i c 调节器) 安装在发电机的内部，使其与发电机成 7 湖北工业大学硕士学位论文 为一体，既减少了汽车上的布线提高了可靠性，又可以具有多种功能，如充 电指示、故障报警与判断等。现在美国摩托罗拉公司等都已系列化生产了这种 类型的调节器。 ( 2 ) 风扇内装 将风扇叶焊在前后半壳的爪极上，使前后端盖的两端形成两个独立的散热 风道。前端盖风道主要冷却定子线圈及激磁线圈通过磁爪散发热量；后端盖风 道主要冷却并带走整流器、调节器、定子线圈及激磁线圈通过磁爪散发出来的 热量。这种结构不仅能增加通风量，提高冷却效果，还可以降低风扇高速旋转 时所产生的噪声和所消耗的功率。 ( 3 ) 采用多齿v 形皮带轮 为了增加发电机的输出功率，要适当地提高发电机的转速，因而需要增大 传动比，并解决由于皮带的包角减小、高速运转打滑、皮带易损坏等问题。多 齿v 形皮带轮能较好地解决这问题。它是一种经冷锻与旋压成形的皮带轮，因 而可减小重量，并提高强度。 ( 4 ) 整体直焊式整流器 整流二极管管芯直接焊在散热板上，形成一个整体，有利于散热，并降低 成本。为了增大交流发电机的输出电流，其整流器加了中性点整流二极管，输 出电流可增大1 5 左右。一些交流发电机上还采用了具有齐纳特性的整流二极 管防止过电压产生以保护车用电子设备及减小电磁干扰，提高其可靠性。 ( 5 ) 采用专用滚动轴承 为了适应发电机的高速运转及免维护性滚动轴承采用非接触式双面密封 轴承，其内部为迷宫式结构。润滑油用高温高速润滑脂，增加了可靠性。 ( 6 ) 采用小直径滑环、电刷增加添加剂，增加了使用寿命 2 改进加工工艺方面 ( 1 ) 定子铁芯带料卷绕 定子铁芯采用低碳钢带料给高速冲槽、自动卷绕成形叠压及焊接工艺可 大大提高材料的利用率( 从原来的3 0 提高到9 0 ) 。 ( 2 ) 定子线圈的自动嵌线 随着交流发电机输出电流的不断增大定子线圈的线径也要相应地加粗。 人工嵌线不仅无法保证质量，而且劳动强度大，工效低，无法大批量生产。采 用自动嵌线工艺可以克服上述缺点，使嵌线质量稳定可靠。 湖北工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 转子磁爪采用冷挤 新型的交流发电机采用导磁性能好的电工纯铁冷挤而成。使磁爪具有平衡 度好、材质均匀、强度好、导磁性能佳、加工工效高的优点，而且，由于极爪 分布均匀爪极的拐弯处由圆弧过渡。因而，使极爪磁通密度逐渐变化，电磁 噪声小。 ( 4 ) 用拉伸工艺制作风扇叶 这种扇叶的厚度从风扇中心到外圆逐渐减薄，并且各叶片之间采用不等距 分布，具有风量大，噪声小、重量轻等优点。 3 调节器的改进 随着汽较流发电机的广泛使用，在发电机中起输出电压调节作用的调节 器也得到不断发展，尤其是电子电压调节器，因为它与机械式电压调节器相比 具有体积更小、调节更精确、性能更可靠的特点，所以几乎在所有车用发电机 中得到了使用，基本取代了机械式调节器。作为发电机的电压输出管理器件电 压调节器最主要的功能就是在整个工作温度范围内( 一般为一4 0 9 0 ) ，通过 采样交流发电机的输出电压，经内部逻辑电路的判断结果来控制转子绕组的 电流，继而调节磁场强度来控制发电机的输出以防止蓄电池的过充电。调节 器的作用见图2 1 。 图2 1 调节器的主要功能模块 所谓的多功能电子电压调节器就是在此基础上，增加了远端电压采样、电 位警示及自动保护等功能，以方便驾驶和维修人员对发电机状态进行更好的监 湖北工业大学硕士学位论文 控，也提高了发电机的可靠性。几大汽车电机制造商，如博世、电装、德尔福、 法雷奥和摩托罗拉等都根据自己对交流发电机的工作方式环境的理解以及各 自的制造水平，分别推出了各具特色的电子电压调节器，并结合同时代汽车技 术的发展不断改进，演变出新的型号。摩托罗拉较早推出的调节器限于当时的 制造工艺水平和设计思路，把除磁场功率管外的模块集成在一块厚膜电路板 上，称为厚膜型调节器，如图2 2 所示。 囝2 - - 2 厚膜型调节器 图2 - - 3 单片调节器 后来，随着集成电路技术的发展和批量生产的需要，摩托罗拉又推出了集 成度更高的单片电路具有与厚膜型调节器相同的功能。 在更本质性的变化发生在近十年智能网络等先进技术在运输工具上的应 0 湖北工业大学硕士学位论文 用。第一代的发电机调节器只具有最基本的输出电压控制功能。从第二代开始， 调节器已经进化到具有一些“原始智能”的汽车电子部件，它可以在示警提醒 的同时进行自我保护和调节，给汽车的整个控制系统增添了一个较和谐的节 点。第三代调节器有了一个更大的跨越。它在自控的同时，还向发动机的大 脑e c u 汇报发电机的状态“”。即对应转速的频率、磁场开通周期比。从“小 我”开始溶入大我，现在，第四代“未来型”的调节器已经在许多制造商的 实验室里孕育了数个寒暑，呼之欲出。发动机e c u 采集备端信号，并发布指令 让各器件做出相应的动作。新一代调节器也溶入了这个网络。输出电压由e c u 根据蓄电池和用电器状态决定：发生故障后也由e c u 决定调节器如何动作，并 由e c u 记录故障代码。驾驶和维修人员可以根据读码器直观地知道发电机发生 过什么现在怎么了。也许以后发电机会被称作起动发电一体机或别的什么， 但调节器成行使调节器职能的器件将会成为e c u 的一个有感知和动作功能的“腕 足”，并有很多“兄弟姊妹”在汽车的控制网络中和它一起倾听“大脑e c u ” 的召唤，使人们可以更安全地驾驶汽车。 2 3 汽车交流发电机要测试的性能 汽车交流发电机的使用条件与一般工业用的交流发电机不同。一般工业用 的交流发电机的使用转速是固定的，而汽车交流发电机是安装在发动机上，按 固定的传动比( 即发动机曲轴皮带轮直径与发电机皮带轮直径之比) 由发动机 曲轴带动；所以，发电机的转速在很大的范围内变化，即在相当于发动机最低 速度( 即发动机怠转时) 到相当于发动机最高转速的范围内变化。对一般现代 汽油发动机来说，它的转速变化为1 ：8 ：对柴油发动机来说，可以为l ：3 5 。所 以，表示汽车交流发电机特性的方法也不同，一般以速度变化为基准，表示出 各变量之间的关系，并且要求在这么大的转速范围内发电机的电压保持在一定 的数值这要通过电压调节器来达到。 l 空载特性测试。 检测发电机在不带负载的情况下的转速，也即测试发电机的起始充电转 速。给变频器送出一电压值，使拖动发电机带动发电机旋转。发电机输出电压 不断上升，当发电机输出电压等于蓄电池电压时，充电指示灯泡熄灭，此后发 电机开始对蓄电池充电，记录此时的转速即为发电机起始充电转速，判断其是 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 否与规格值相符“”。 2 负载特性测试。 输出特性即保持发电机输出电压一定时( 对1 2 伏的发电机规定为1 4 伏，对2 4 伏发电机规定为2 8 伏) ，转速与输出电流之间的关系。这是汽车交 流发电机最重要的特性，因为从它可以看出发电机在不同转速时输出功率的情 况。发电机与发动机传动比的选择，要考虑发电机起始发电的转速( 使发动机 在低速运转时，发电机已开始建立起蓄电池充电的电压) 及当发动机在常用转 速运转时发电机是否能达到额定的输出功率。因此，汽车交流发电机的特性， 常常用一条输出特性曲线来表示“。 检测发电机在带负载的情况下的电流。给变频器送出一电压值，使拖动发 电机带动发电机旋转，通过数字控制器将其调节至设定值。发电机丌始发电后， 其输出电流将迅速上升，为使其电压稳定在设定值，通过数字控制器调节电子 负载，使发电机输出电流上升，从而发电机输出电压下降，同时检测发电机输 出电压与发电机输出电流。当发电机输出电压调节至设定值时，记录此时发电 机输出电流，判断其是否与规格值相符。 3 调节电压特性测试。 检测发电机在额定转速下和额定电流状态下运转发电机输出电压。测试的 过程与负载特性测试基本相似，也即给变频器送出一电压值，使拖动发电机带 动发电机旋转，通过数字控制器将其调节至设定值，发电机开始发电后，其输 出电流将迅速上升，通过数字控制器调节电子负载，使发电机输出电流稳定在 设定值，检测发电机输出电压并记录此时的发电机输出电压，判断其是否与规 格值相符。 4 汽车交流发电机的耐久性测试 在室内专业试验台上进行耐久性试验时，交流发电机在室温，3 0 0 0 r m i n 和2 3 t r 输出条件下运行，每次连续运行时间不小于4 小时。试验2 0 0 0 d 、时后， 允许更换电刷，保养集电环和轴承各一次。 交流发电机耐久性试验也允许按下面的方案进行“”。 ( 1 ) 定速定载实验 在室温，3 0 0 0 d m i n 和2 1 3l r 输出条件下。每次连续运行 = 4 h ( 2 ) 变速变载实验见表2 一l 所示， 湖北工业大学硕士学位论文 表2 1 变速变载试验 循 环 输出电 工作转速及时间 周期 周流( a ) ( h ) 2 5 。 5 0 n1 n 。停 期 1 2 0 l r 8 0 m i n8 0 m i n1 5 m i n，m l n3 2 5 0 1 r 8 0 m i n8 0 r a i n1 5 r a i n5 r a i n3 3 1 0 0 i r 8 0 m i n8 0 m i n1 5 m i n5 r a i n3 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章汽车交流发电机微机测试试验台的硬件结构 及原理 3 1 汽车交流发电机测试台的基本组成 1 基本组成： 交流发电机测试台由机械系统、测量控制系统、工业控制计算机及变频调 速控制等组成n 6 1 。 ( 1 ) 机械系统 该系统由操作台、夹具、传动及升速等三部分组成。操作台包括机座、机 箱、支架和夹具座等，应具有其美观、牢固、防爆、隔热等能力。传动采用皮 带传动，两级升速。 结构设计基本布局如图3 1 所示： 交蠢发电机性麓试验台 计算机外匿板卡 显示器 键盘 电源及附件 j - l f j 胃 一c 图3 1 结构设计布局 ( 2 ) 工控测量控制系统 该系统由控制柜、温度测量传感器、转速测量传感器、扭矩仪等组成。控 制柜柜体采用专用型材骨架，使其坚固而轻便。机柜由上向下依次安装工控机、 湖北工业大学硕士学位论文 计算机、外围板卡、显示器、键盘、稳压电源及继电器、接触器等控制设备： 温度测量传感器分为环境温度测量和转子温度测量两类。环境温度测量采用普 通热电阻或热电偶式，转子温度测量采用红外测温传感器，具有非接触，精度 高等特点；转速测量传感器选用军品传感器，耐高温，响应速度快，采样精确。 ( 3 ) 工控机及辅助条件控制 整个系统的检测与控制是由一台工业控制计算机利用研华p c l 8 1 2 p g 数据 采集卡来完成。系统传感器的信号经数据采集卡直接送到计算机采集、记录。 工控机除了自动检测、打印电压、电流、转速、温度等参数外。并根据要求自 动控制发电机的环境温度及润滑油的温度、自动调节负载的工作方式及电压、 电流的大小；i 还与变频器、转速传感器构成闭环控制系统，自动调节发电机的 转速“”。辅助条件控制由加热器、润滑及真空稳压部分、电阻负载箱及仪器 仪表等部分组成。加热器采用板式加热器，配以温控仪表控制环境温度，电 阻负载能很好的与各种发电机相容降低干扰，增加测量精度及稳定性。 其原理图如图3 2 ： 删拳 i 算 叫一 | f 1 l 一变频器 一卜五葑研 l | = 4 h 。 ( 2 ) 变速变载实验 变速变载试验可按以下循环进行见表3 1 ： 表3 1 变速变载试验方法 循 环输出电 工作转速及时间 周期 周流( a ) ( h ) 2 5 n 5 0 n 岫x1 0 0 n 。 停 期 1 2 0 i r 8 0 m i n8 0 m i n1 5 m i n，m i n3 2 5 0 i r 8 0 r a i n8 0 r a i n1 5 r a i n5 m i n3 3 1 0 0 i r 8 0 r a i n8 0 r a i n1 5 m i n5 r a i n3 转速控制采用闭环控制。 即由计算机送呻设定转速信号一变频器工作_ 计算机采样信号_ 修正参数 一至稳定状态。 3 2 汽车交流发电机测试台的主电路 系统的具体电路如下： 汽车交流发电机试验台的照明电路见图3 4 ： s 2 是总启动开关，s 2 按下，电路就开始启动了。此时k m l 接触器通电接 通。常闭触电断开，常开触电闭合。各电器设备接通电源了此时是绿灯亮了。 s 1 是总停止开关，s l 被按下的话，此时k m l 接触器由于断电，常闭触电 闭合，常开触电断开。各用电设备因此失去电源。电路不能工作。此时是红灯 亮了。 s 3 是照明用的开关。按下一次，照明灯就亮了，再按一次，照明灯就熄灭。 湖北工业大学硕士学位论文 g 1 闰3 4 照明部分电路 主电路如下2 们，见图3 - - 5 ，图3 - - 6 ，图3 - - 7 ，图3 8 ，图3 9 ，图3 一l o 图3 1 1 ，图3 1 2 。 g 2 u 2 图3 5 电源电路 本系统由于用到变频器来控制拖动电机带动交流发电机运转，采用了微机 的闭环交流调速方案。对系统的电源要求也比较高。所以采用了净化电源和滤 波器来提高电源的质量，从而向工控机和开关电源供电。 湖北工业大学硕士学位论文 国3 - - 6 变频器起停电鼯 本系统采用了智能型温控仪加以电阻温度传感的配合来自动的测量，显示， 控制交流发电机试验台内真空的温度。 k l 继电器是手动继电器。当k 1 接通带电时表示此时控制操作采用的足 人为的手动操作测试。当k 1 继电器掉电时，表示操作类型是计算机自动控制 来测量电机的参数。 k 2 继电器是监控继电器，监控电路的正常运行的。当k 2 不带电时，表示 电路出现了故障，切断变频器和加热器的电源。当k 2 带电时，表明此时电路 工作正常。 k 3 是向变频器提供电源的继电器。k m 2 是向变频器提供电源的接触器。当 k 3 带电，接通k m 2 向变频器供电。 k 4 是向加热器提供电源的继电器。k m 3 是向加热器提供电源的接触器。当 k 4 带电接通时，接通k m 3 向加热器供电。 s 5 是变频器启动的手动按钮。 s 6 是加热器启动的手动按钮。s 7 是手动按钮。当s 7 没有按下时，计算机 采集到的是手动操作信号。表示测量操作将采取手动控制的方法。当s 7 按下 时，计算机采集到的是自动操作信号。表示测量操作将采取计算机自动控制的 方案。 湖北工业大学硕士学位论文 m m b 埴一、 1 7 1j - 一寸i 盘 丘 f 夺 广 l 自动1 雨封f 罚h “3i d i o蔼i i l rlf 1 】i 审品s i c 一 s 1 1 lil | i 海 i饪 d 2id j j 电帛按蠲 l i l i f 圈3 7 启动电路 d i o 表示计算机的输入端口0 ，若为1 ， d 1 1 表示计算机的输入端口1 。若为1 ， 黜 手动 载 则计算机采用自动的控制方法。 则计算机不动作，操作采用手动进 行e d 1 2 表示计算机的输入端口2 ，若为l ，则表示发电机输出的直流电电压为 2 8 v 。 d 1 3 表示计算机的输入端口3 。若为1 ，则表示发电机输出的直流电压为 1 4 v 。 k 2 4 是报警继电器。 s 8 是取消变频器和加热器电源的手动按钮。 s 9 是决定发电机输出电压种类的按钮。当s 9 被按下时，表示交流发电机 输出的电压是2 8 v ；当s 9 没有被按下时，表示交流发电机输出的电压是1 4 v 。 s i o 是启动电平的手动按钮。 s l l 是接通负载的手动按钮。 k 5 是负载电流调节继电器。k 5 控制k m l 3 ，k m l 4 ，k m l 5 三个接触器。达到改 变负载电流的目的。当k 5 带电接通时，控制k m l 3 。k m l 4 ，k m l 5 三个接触器接通， 使负载的电阻减小一半，达到调节电流的目的。 k 6 是启动蓄电池电平的继电器，k w 4 是启动蓄电池电平的接触器。当k 6 带电接通时，控制k m 4 的接通，从而将蓄电池接入到电路中。当k 6 失电不接 2 0 湖北工业大学硕士学位论文 通时，k m 4 接触器失电，从而将蓄电池与电路断开。 k 7 是接通负载的继电器，k m 5 是接通负载的接触器。当k 7 带电接通时， 控制k m 5 的接通，从而将负载按入到电路中。当k 7 失电不接通时，k m 5 接触器 失电，从而将负载与电路断开。 d 0 2 是启动蓄电池的计算机输出信号。 d 0 3 是接通负载的计算机输出信号。 继电器k 1 2 控制接触器k m 6 的接通，而k m 6 控制负载支路5 a 的接通。 继电器k 1 3 控制接触器k m 7 的接通，而k m 7 控制负载支路l o a 的接通。 继电器k 1 4 控制接触器聊8 的接通，而k m 8 控制负载支路2 0 a 的接通。 继电器k 1 5 控制接触器k m 9 的接通，而k m 9 控制负载支路2 0 a 的接通。 继电器k 1 6 控制接触器k l d l o 的接通，而k k t l o 控制负载支路2 0 h 的接通。 继电器k 1 7 控制接触器k m l l 的接通，而k m l l 控制负载支路2 6 a 的接通。 继电器k 1 8 控制接触器j ( m 1 2 的接通，而k m l 2 控制负载支路2 6 a 的接通。 220v蜘啦 接通蓄电池接通6 电流通2 0 h 通2 0 a 通2 0 a 通2 6 a 通2 6 a 接通负载 i $ 1 0 h 图3 - - 8 负载电流 如下图3 9 所示： s 1 2 是负载支路1 a 电流的接通按钮， 出信号端 s 1 3 是负载支路2 a 电流的接通按钮， 出信号端 s 1 4 是负载支路2 a 电流的接通按钮， 出信号端 d 0 4 是负载支路l a 电流的计算机输 d 0 5 是负载支路2 a 电流的计算机输 0 0 6 是负载支路2 a 电流的计算机输 湖北_ 7 - 业大学硕士学位论文 s 1 5 是负载支路5 a 电流的接通按钮，d 0 7 是负载支路5 a 电流的计算机输 出信号端 $ 1 6 是负载支路i o a 电流的接通按钮