專利名稱：用于可控整流器的脈沖發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在機(jī)械能與電能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的諸如無刷AC發(fā)電機(jī)的機(jī)器 的電壓和電流控制系統(tǒng)，尤其涉及緊湊型永磁體大功率交流發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，諸 如適于汽車用的緊湊型永磁體大功率交流發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
交流發(fā)電機(jī)通常包括安裝在旋轉(zhuǎn)軸上并相對(duì)于固定定子同軸設(shè)置的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn) 子通常被置于定子內(nèi)部。然而，定子可有選擇地同軸設(shè)置在轉(zhuǎn)子內(nèi)部。諸如電機(jī)或 渦輪機(jī)的外部能源一般直接或者經(jīng)由諸如傳動(dòng)帶的中間系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)元件。定子 和轉(zhuǎn)子兩者都具有一系列磁極。轉(zhuǎn)子或定子產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與另一結(jié)構(gòu)的磁極上 的繞組相互作用。當(dāng)磁場(chǎng)被繞組截?cái)鄷r(shí)，產(chǎn)生提供給適當(dāng)負(fù)載的電場(chǎng)。通常將感生 電場(chǎng)(一般稱為電壓源)施加到整流器一有時(shí)也加以調(diào)節(jié)，并且用作DC輸出電源。 通常將感生電流施加到整流器一有時(shí)也加以調(diào)節(jié)，并且提供為DC輸出電源。在一 些實(shí)例中，經(jīng)調(diào)節(jié)的DC輸出信號(hào)被施加到DC-AC逆變器以提供AC輸出。按照慣例，機(jī)動(dòng)車輛應(yīng)用中所采用的交流發(fā)電機(jī)通常包括外殼，安裝在發(fā) 動(dòng)機(jī)的外部；具有3相繞組的定子，裝在外殼中；皮帶傳動(dòng)爪極型(例如倫德爾式 (Lundell))轉(zhuǎn)子，可旋轉(zhuǎn)地支承于外殼中的定子內(nèi)。然而，為了增加功率輸出， 必須顯著增加常規(guī)交流發(fā)電機(jī)的大小。因此，車輛中的空間限制往往使得難以在諸 如對(duì)空調(diào)、致冷或通信裝置供電的諸如5kW的大輸出應(yīng)用中使用這種交流發(fā)電機(jī)。另外，承載繞組的爪極型轉(zhuǎn)子相對(duì)較重(常常構(gòu)成重達(dá)交流發(fā)電機(jī)的總重的 四分之三)，并且產(chǎn)生相當(dāng)大的慣性。實(shí)際上，每次發(fā)動(dòng)機(jī)被加速時(shí)，這種慣性就 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)形成負(fù)載。這往往降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，從而導(dǎo)致附加燃料消耗。另外，這 種慣性在諸如電氣或混合機(jī)動(dòng)車的應(yīng)用中可能會(huì)產(chǎn)生問題?；旌蠙C(jī)動(dòng)車?yán)闷桶l(fā) 動(dòng)機(jī)來以例如30Kph (通常與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最有效的RPM范圍相對(duì)應(yīng))的高于預(yù)定閾值的速率推進(jìn)車輛。類似地，在所謂"輕度混合"中，采用起動(dòng)器-發(fā)電機(jī)在駕 駛員壓下加速器踏板時(shí)提供一個(gè)初始推進(jìn)脈沖，從而便于在交通中車輛停止時(shí)關(guān)閉 車輛發(fā)動(dòng)機(jī)以節(jié)省燃料并降低排放。這種輕度混合系統(tǒng)通常考慮使用高壓(例如 42伏特)電氣系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中的交流發(fā)電機(jī)必須能夠使蓄電池再充電至足以驅(qū) 動(dòng)起動(dòng)器-發(fā)電機(jī)在連續(xù)停止之間一特別是在啟停之間提供初始推進(jìn)脈沖的程度。 因而，需要相對(duì)大功率低慣性的交流發(fā)電機(jī)。通常，需要用于向車輛中的控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)裝置和附屬設(shè)備供電的附 加電源。這對(duì)用于娛樂、諸如致冷的工業(yè)運(yùn)輸應(yīng)用、建筑應(yīng)用和軍事應(yīng)用的車輛而 言是特別切實(shí)的。例如，機(jī)動(dòng)車行業(yè)中的一種趨勢(shì)是采用智能電氣的而不是機(jī)械或液壓的控制 和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來降低車輛發(fā)動(dòng)機(jī)上的功率負(fù)載和增長燃料經(jīng)濟(jì)性。例如，可結(jié)合轉(zhuǎn)向 伺服機(jī)構(gòu)(通常僅在要求轉(zhuǎn)向校正時(shí)有效)、減震器(使用反饋來根據(jù)道路和速度 情況調(diào)節(jié)減震器的剛度)和空調(diào)裝置(以維持恒溫所需的最小速度操作壓縮機(jī))來 使用這種系統(tǒng)。這種電控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用往往提高了對(duì)車輛電源系統(tǒng)的要求。類似地，期望汽車致冷系統(tǒng)可被電驅(qū)動(dòng)。例如，以可變速度驅(qū)動(dòng)致冷系統(tǒng)(不 依賴于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)rpm)可提高效率。另外，使用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，連接有例如壓縮機(jī)(在發(fā)動(dòng)機(jī)上)、冷凝器(設(shè)置成暴露于空氣)和蒸發(fā)單元(位于冷 凍室中)的各種元件的軟管可被替換成與家用冰箱或空調(diào)裝置相似的電驅(qū)動(dòng)密封系 統(tǒng)。因此，期望這種應(yīng)用中的車輛電源系統(tǒng)能向電驅(qū)動(dòng)單元提供所必需的功率電平。還特別需要一種"拆換"大功率交流發(fā)電機(jī)來改進(jìn)現(xiàn)有車輛。通常僅在車輛 的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)提供有限空間來容納交流發(fā)電機(jī)。除非替換交流發(fā)電機(jī)能裝在此可用 空間內(nèi)，否則即使如果可能安裝也是相當(dāng)復(fù)雜的，而且通常需要拆卸諸如散熱器、 保險(xiǎn)桿等的主要元件并安裝附加支架、傳動(dòng)帶和配件。因此，期望替換交流發(fā)電機(jī) 能裝在所提供的原有空間內(nèi)，并且連接原有配件。通常，永磁體交流發(fā)電機(jī)是眾所周知的。這種交流發(fā)電機(jī)使用永磁體來生成必需磁場(chǎng)。永磁體發(fā)電機(jī)往往比傳統(tǒng)繞線磁極式發(fā)電機(jī)更輕更小得多。在1997年 4月29日授予Scott等人的美國專利5,625,276、 1998年1月6日授予Scott等人的 美國專利5, 705,917、 1999年3月23日授予Scott等人的美國專利5,886,504、 1999 年7月27日授予Scott等人的美國專利5,92,611、 2000年3月7日授予Scott等人 的美國專利6,034,511、 2002年8月27日授予Scott的美國專利6,411,522中描述 了永磁體交流發(fā)電機(jī)的多個(gè)示例。
特別輕且緊湊的永磁體交流發(fā)電機(jī)可通過采用"外部"永磁體轉(zhuǎn)子和"內(nèi)部" 定子來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)子包括空心圓柱外殼，并且高能永磁體被置于該圓柱體的內(nèi)表面。 定子被同軸設(shè)置于轉(zhuǎn)子外殼內(nèi)，并且適當(dāng)?shù)匕ㄜ洿判竞蛯?dǎo)電繞組。磁芯通常是具 有帶預(yù)定數(shù)量等距的齒和槽孔的軸向鋸齒狀外周邊表面的圓柱體。導(dǎo)電繞組(由諸 如涂漆電動(dòng)機(jī)銅線的適當(dāng)絕緣導(dǎo)體構(gòu)成)穿過一個(gè)相應(yīng)槽孔在外表沿磁芯側(cè)面繞著 預(yù)定數(shù)量的齒巻繞，然后穿過另一個(gè)槽孔返回。沿磁芯的側(cè)面在鋸齒狀槽孔的外部 延伸的繞組部分在本文中稱為端匝。轉(zhuǎn)子繞著定子旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致從轉(zhuǎn)子磁鐵發(fā)出的磁通 量與定子繞組相互作用并在其中感生電流。例如，在前述1998年1月6日授予Scott 等人的美國專利5,705,917和1999年7月27日授予Scott等人的美國專利5,92,611 中描述了這種交流發(fā)電機(jī)的一個(gè)示例。由永磁體發(fā)電機(jī)提供的功率根據(jù)轉(zhuǎn)子的速度顯著地變化。在許多應(yīng)用中，由 于例如汽車中發(fā)動(dòng)機(jī)速度的變化或負(fù)載特性的改變，常常引起轉(zhuǎn)子速度的改變。因此，通常采用電子控制系統(tǒng)。因此，在前述1997年4月29日授予Scott等人的美 國專利5,625,276中描述了永磁體交流發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)的一個(gè)示例。在2000年1 月25日授予Anderson等人的美國專利6,018,200中描述了其它控制系統(tǒng)的示例。 在由Quazi等人共同擁有的、題為"Controller For Permanent Magnet Alternator (永 磁體交流發(fā)電機(jī)的控制器)"并在2004年6月6日提交的待批美國專利申請(qǐng)No. 10/860,393中描述了控制系統(tǒng)的其它示例。前述Quazi等人的申請(qǐng)通過如在本文中 逐字闡述般的引用結(jié)合于此。在機(jī)動(dòng)車輛應(yīng)用中，對(duì)適應(yīng)寬泛范圍轉(zhuǎn)子速度的需求特別強(qiáng)烈。例如，大型 柴油機(jī)貨車發(fā)動(dòng)機(jī)通常工作于從空轉(zhuǎn)下的600 RPM到高速公路速度下的2600 RPM，并且當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)被用來減速運(yùn)貨車的速度時(shí)偶爾猝發(fā)至3000RPM。因而，交 流發(fā)電機(jī)的RPM進(jìn)行5:1的變化。輕型柴油機(jī)在例如從600到4,000 RPM的略寬 范圍內(nèi)工作。與汽油車輛發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用的交流發(fā)電機(jī)通常必須適應(yīng)例如從600 到6500 RPM的更寬范圍RPM。另外，交流發(fā)電機(jī)必須適應(yīng)負(fù)載變化，即從無負(fù) 載到滿負(fù)載。因而，與汽油車輛發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用的永磁體交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓可 進(jìn)行12:1的變化。因此，如果常規(guī)永磁體交流發(fā)電機(jī)在空轉(zhuǎn)且有給定負(fù)載時(shí)需要 提供工作電壓(例如12伏特)，則在承載此負(fù)載的滿發(fā)動(dòng)機(jī)RPM時(shí)需要提供多 倍的工作電壓，例如10倍一即120伏特。其中例如用于電驅(qū)動(dòng)空調(diào)裝置或通信裝 置時(shí)，空轉(zhuǎn)時(shí)的電壓為120V，則滿發(fā)動(dòng)機(jī)RPM時(shí)的電壓可能為例如1200伏特。 操縱這種電壓電平將是困難且危險(xiǎn)的。另外，電壓和電流中的這種極端變化可能需
要更昂貴的元件；用于在高速發(fā)動(dòng)機(jī)RPM (例如高速公路速度)下產(chǎn)生高電壓和 電流的標(biāo)稱元件比用于較適度電壓的標(biāo)稱元件要昂貴得多。已經(jīng)對(duì)適應(yīng)來自永磁體交流發(fā)電機(jī)的寬泛范圍輸出電壓進(jìn)行了各種嘗試。例 如，前述Scott等人的美國專利5,625,276描述了選擇性地激活各個(gè)繞組以獲得所 需輸出的控制器。繞組可全并聯(lián)配置地連接以在相對(duì)較低的電壓電平下提供強(qiáng)電 流，或者串聯(lián)連接以提供高電壓容量。隨著驅(qū)動(dòng)RPM增加，實(shí)際上各個(gè)繞組與控 制輸出電壓和/或電流的工作電路斷開。然而，具體在諸如機(jī)動(dòng)車輛的緊湊大功率 高速率應(yīng)用中，繞組之間的開關(guān)切換具有有害效應(yīng)，特別在RPM范圍的高位。其它嘗試涉及控制交流發(fā)電機(jī)的RPM，以及因而不依賴發(fā)動(dòng)機(jī)RPM控制其 電壓。1987年9月22日授予Dishner的美國專利4,695,776中描述了這種嘗試的一 個(gè)示例。這些解決方案往往涉及大型的、需要維護(hù)并且易受磨損的機(jī)械元件。其它嘗試涉及使交流發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的磁通量的一部分偏轉(zhuǎn)以調(diào)制輸出電壓。 1989年12月5日授予Gokhale的美國專利4,885,493中描述了系統(tǒng)的一個(gè)示例。 然而，通量偏轉(zhuǎn)通常要求附加機(jī)械元件，并且可能反應(yīng)緩慢。整流和調(diào)節(jié)可使用具有負(fù)載周期的相角控制的開關(guān)電橋(例如SCR電橋)來 實(shí)現(xiàn)為單個(gè)處理。電橋包括被選擇性地致動(dòng)以在電橋的輸入端與輸出端之間提供傳 導(dǎo)路徑的相應(yīng)控制開關(guān)器件(例如SCR)。本質(zhì)上，AC信號(hào)的每個(gè)半周期(不考 慮極性)在電橋的輸出端生成一個(gè)預(yù)定極性(通常為正)的脈沖。傳導(dǎo)的持續(xù)時(shí)間 和定時(shí)可能控制電橋的輸出。這種開關(guān)電橋可以是"半控的"，包括用于每個(gè)相的 相應(yīng)可控開關(guān)器件(例如SCR)和二極管，或者是"全控的"，包括用于每個(gè)相、 且每個(gè)極性一個(gè)的兩個(gè)開關(guān)器件(例如SCR)。按照慣例，電橋中的開關(guān)器件根據(jù)"負(fù)載周期的相角控制"來致動(dòng)以提供預(yù) 定電壓輸出電平。通到開關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)由控制器生成，該控制器檢測(cè)AC信號(hào) 的各個(gè)相中的零交叉、并由此生成觸發(fā)信號(hào)(通常在名義上與AC信號(hào)中的預(yù)定相 角相對(duì)應(yīng)的延遲之后，并且伴隨有期望DC輸出電平)。更具體地，在常規(guī)系統(tǒng)中， 當(dāng)在特定相中檢測(cè)到零交叉，則控制器延遲與期望負(fù)載周期(該周期又對(duì)應(yīng)于期望 輸出電壓電平)相對(duì)應(yīng)的一時(shí)間間隔。延遲通常通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或常規(guī)定時(shí)電路 來形成。例如，當(dāng)電容器上的電壓超出基準(zhǔn)電壓時(shí)用電流對(duì)電容充電，生成對(duì)SCR 的與相相關(guān)聯(lián)的觸發(fā)，然后電容器放電。響應(yīng)于觸發(fā)信號(hào)，SCR接通(造成導(dǎo)電) 并保持接通直至通過其的電流變成零，此時(shí)造成SCR不導(dǎo)電直至下一觸發(fā)信號(hào)。 響應(yīng)于適當(dāng)極性的下一零交叉，重復(fù)該循環(huán)。
在半控系統(tǒng)中，在AC信號(hào)的與可控開關(guān)器件相關(guān)聯(lián)的半周期期間，輸出占 空比的相角控制通過選擇性地致動(dòng)可控開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)；在相的整個(gè)相關(guān)聯(lián)(相反 極性)的半周期期間，使引腳的二極管部分變成導(dǎo)電。因此，與全控系統(tǒng)相比，可 從給定AC信號(hào)電平生成的輸出信號(hào)的范圍(以及因而輸入AC信號(hào)的范圍)受到 限制。當(dāng)提供全控制時(shí)，SCR各自與相關(guān)聯(lián)相的特定半周期(極性)相關(guān)聯(lián)。響應(yīng)于(例如在相位延遲之后)從相的相關(guān)聯(lián)半周期開始的零交叉，生成觸發(fā)信號(hào)。因 此，必須對(duì)區(qū)分正向與負(fù)向零交叉做出規(guī)定。當(dāng)結(jié)合振幅和交變頻率快速變化的AC電源(與機(jī)動(dòng)車交流發(fā)電機(jī)的情況一 樣)使用具有占空比的相角控制的開關(guān)電橋(例如SCR電橋)時(shí)，電壓輸出和紋 波含量中的變化可能是相當(dāng)大的。這在全控系統(tǒng)中特別切實(shí)。電橋輸出中紋波含量 的變化可生成不可接受的輸出紋波諧波并需要大范圍的濾波。例如，許多交流發(fā)電 機(jī)的輸出并非均勻的正弦波。振幅和持續(xù)時(shí)間的不均勻性常常存在于半周期之間， 以及輸入到電橋的AC輸入信號(hào)的相之間，并且反映在電橋電路與相應(yīng)相相關(guān)聯(lián)的 部分(引腳)的輸出中。交流發(fā)電機(jī)輸出中的這種失真和不均勻性可因許多原因的 任一個(gè)而產(chǎn)生，比如繞組匝數(shù)相對(duì)彼此的設(shè)置的變化、以及在永磁體交流發(fā)電機(jī)情 形中相對(duì)磁鐵的設(shè)置的變化。進(jìn)一步的變化在于電橋與相應(yīng)相相關(guān)聯(lián)的部分(引 腳)的輸出的變化(由于例如容限、溫度等)、與各個(gè)相相關(guān)聯(lián)的電路之間的元件 值的變化、由于發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸點(diǎn)火而產(chǎn)生的頻率的周期性變化、磁性氣隙的變化、定 子齒部的飽和度隨著磁鐵靠近的變化等。另外，發(fā)電機(jī)的輸出常常包括可能被檢測(cè)器電路誤認(rèn)為是零交叉的寄生分量 (例如尖峰)。因而，需要使用可適應(yīng)AC電源的頻率和振幅中的寬泛變化、同時(shí)最小化輸 出紋波諧波和濾波要求的相對(duì)剛性半導(dǎo)體(諸如SCR)的相對(duì)便宜且有效的控制 系統(tǒng)。在一些應(yīng)用中，可能用相對(duì)較長的電纜將變換器的輸出連接到負(fù)載。例如， 變換器與蓄電池(負(fù)載)之間的電纜線路可能足以導(dǎo)致變換器與蓄電池之間的壓降。也存在可影響交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行的許多其它因素。例如，交流發(fā)電機(jī)系 統(tǒng)的運(yùn)行可受到系統(tǒng)元件溫度的相當(dāng)大的影響，而且有時(shí)會(huì)失靈。需要包括用于檢 測(cè)對(duì)交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)有害的溫度的機(jī)構(gòu)的一種交流發(fā)電機(jī)控制。在用來對(duì)蓄電池充電的交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，蓄電池溫度對(duì)最佳蓄電池充電電 壓具有直接影響，而蓄電池硫化作用是縮短蓄電池壽命的主要因素。需要可針對(duì)最 優(yōu)化充電電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出并動(dòng)態(tài)處理蓄電池硫化的交流發(fā)電機(jī)充電系統(tǒng)(特別在 機(jī)動(dòng)車應(yīng)用中)。需要一種包括用于智能控制的機(jī)構(gòu)(例如微處理器)的交流發(fā)電機(jī)充電系統(tǒng)， 從而提供例如監(jiān)視電氣系統(tǒng)性能；提供電氣系統(tǒng)保護(hù)；以及系統(tǒng)操作參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng) 調(diào)節(jié)。常規(guī)強(qiáng)電流機(jī)動(dòng)車交流發(fā)電機(jī)的定子被構(gòu)造成具有有效串聯(lián)連接的大橫截面積的導(dǎo)體。這種巻繞方法存在一些問題。例如因?yàn)槊看艠O相位線圈的匝數(shù)較小(在一些實(shí)例中僅為單匝)，所以難以或不可能通過改變相位磁極線圈的匝數(shù)來使設(shè)計(jì)輸出電壓有微小變化；導(dǎo)體的大橫截面積使得定子難以巻繞；以及線圈之間的短路通常會(huì)燒壞整個(gè)定子，并且可能使交流發(fā)電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可能損壞 或使車輛發(fā)動(dòng)機(jī)過載。通常，結(jié)合了預(yù)定數(shù)量組獨(dú)立繞組的永磁體交流發(fā)電機(jī)是公知的，這些繞組 穿過槽孔繞著預(yù)定數(shù)量的齒巻繞，其中由各組繞組所提供的功率相對(duì)而言不受其它 組的狀況的影響。例如，在1999年5月4日授予Scott等人的美國專利5,900,722 中描述了這種交流發(fā)電機(jī)及其控制器。在專利5,900,722所述的交流發(fā)電機(jī)中，繞 組的組數(shù)等于磁極數(shù)量的整數(shù)部分，并且控制器電路選擇性地使電流通路連到各組 繞組以獲得期望輸出。然而，仍需要其中可通過改變相位磁極線圈的匝數(shù)來獲得期望輸出電壓的緊 湊型大功率交流發(fā)電機(jī)，這些線圈相對(duì)易于巻繞、并且最小化短路的后果、同時(shí)易 于冷卻。還需要一種可適應(yīng)這種交流發(fā)電機(jī)的變換器。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，提供可適應(yīng)諸如永磁體交流發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)的輸出 中的寬泛變化、同時(shí)提供相對(duì)均勻的相位紋波的相對(duì)便宜的控制系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，開關(guān)器件(例如SCR)的觸發(fā)信號(hào)根據(jù)相應(yīng)AC相 半周期的電壓的時(shí)間積分(例如伏秒)來啟動(dòng)。例如，當(dāng)表示相關(guān)聯(lián)AC信號(hào)相中 的伏秒的斜坡信號(hào)達(dá)到預(yù)定電平時(shí)，生成觸發(fā)信號(hào)。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過使用表 示來自交流發(fā)電機(jī)自身的電壓的信號(hào)對(duì)電容器充電來生成斜坡。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，僅響應(yīng)于出現(xiàn)在與AC信號(hào)的頻率相關(guān)(例如跟 蹤)的預(yù)定時(shí)間窗內(nèi)的零交叉啟動(dòng)開關(guān)器件(例如SCR)的觸發(fā)信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，使用自動(dòng)增益系統(tǒng)來補(bǔ)償相應(yīng)通道之間元件值的差異。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，控制可補(bǔ)償變換器與蓄電池之間的長電纜敷設(shè)路 徑中存在的損耗或者其它類似損耗。補(bǔ)償可通過感測(cè)遠(yuǎn)離變換器的一例如在蓄電池 附近、或者變換器內(nèi)部的電壓來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，蓄電池充電電壓可參照蓄電池溫度來最優(yōu)化。 根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供一種機(jī)構(gòu)來降低蓄電池極板硫化。 根據(jù)本發(fā)明的其它方面，提供機(jī)構(gòu)來監(jiān)視各種系統(tǒng)參數(shù)并實(shí)地最優(yōu)化各種系 統(tǒng)參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，已實(shí)現(xiàn)了各種系統(tǒng)保護(hù)方法。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，使用較佳地與磁極數(shù)量相等的預(yù)定數(shù)量的磁極相 位線圈來巻繞定子繞組。各個(gè)磁極相位線圈被巻繞成具有足以生成交流發(fā)電機(jī)的所 需輸出電壓、且輸出電流除以磁極的數(shù)量之比等于1的匝數(shù)。然后，這些單獨(dú)的磁 極相位線圈并聯(lián)連接。根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，與每個(gè)輸出相相對(duì)應(yīng)的各個(gè)導(dǎo)電相環(huán)被安裝在交 流發(fā)電機(jī)內(nèi)，并且與相關(guān)聯(lián)相相對(duì)應(yīng)的各個(gè)線圈被電連接到這些導(dǎo)電相環(huán)以便于冷 卻以及便于分組和傳輸要控制的輸出相。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，導(dǎo)電相環(huán)通過不導(dǎo)電支承結(jié)構(gòu)夾持到位。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，導(dǎo)電相環(huán)被設(shè)置成通過暴露于流過該導(dǎo)電相環(huán)的 諸如空氣的冷卻流體來提供有效冷卻。


以下將結(jié)合附圖中的示圖來描述本發(fā)明，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同元件 (除非另有說明)。圖1是用于在機(jī)械能與電能之間轉(zhuǎn)換的一個(gè)系統(tǒng)的框圖。 圖2A是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面的控制器的框圖。圖2B (與圖2A—起統(tǒng)稱為圖2)是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面的控制器2A內(nèi)的 單個(gè)通道的框圖。圖3是適于用在圖2控制器中的零交叉檢測(cè)器的示意圖。圖4A是適于用在圖2A控制器中的可調(diào)斜坡發(fā)生器、觸發(fā)脈沖發(fā)生器和緩沖 器的示意圖。 圖4B是圖2A控制器中生成SCR觸發(fā)信號(hào)時(shí)所涉及的各種信號(hào)的波形的相對(duì)定時(shí)的示圖。圖5是適于用在圖2A控制器中的可調(diào)斜坡發(fā)生器、觸發(fā)脈沖發(fā)生器和自動(dòng)增 益控制電路的示意圖。圖6是適于用在圖2A控制器中的誤差信號(hào)放大器和可調(diào)基準(zhǔn)電壓源的示意圖。圖7是適于用在圖2A控制器中的系統(tǒng)使能電路和緩沖光耦合器的示意圖。 圖8是適于用在圖2A控制器中的不點(diǎn)火(No-Fire)檢測(cè)電路的示意圖。 圖9A和9B (統(tǒng)稱為圖9)是適于用在圖2A控制器中的示例性狀態(tài)讀出電路 的示意圖。圖IOA和10B (統(tǒng)稱為圖10)是適于結(jié)合圖2A控制器使用的開關(guān)電橋的簡(jiǎn) 化示意圖。圖IIA和11B (統(tǒng)稱為圖II)是適于結(jié)合圖2A控制器使用的替代開關(guān)電橋 的簡(jiǎn)化示意圖。圖12A-12Z以及圖12AA-12AG (統(tǒng)稱為圖12)是用于有效操作圖2A控制器 的微控制器程序的示意性流程圖。圖13是適于用在圖2A控制器中的消弧電路的示意圖。圖14是適于用在圖2A控制器中的繼電器指示電路的示意圖。圖15是適于由圖2A控制器使用的輔助12V饋電電路的示意圖。圖16是適于用在圖2A控制器中的微控制器的框圖。圖17A—17e統(tǒng)稱為圖17。圖17A是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面的交流發(fā)電機(jī)的外部側(cè)視圖。 圖17B是沿圖17A交流發(fā)電機(jī)的A-A線取得的截面視圖。 圖17C是圖17A交流發(fā)電機(jī)中的一端子的截面視圖。圖17D是沿圖17A交流發(fā)電機(jī)的B-B線取得的、示出了交流發(fā)電機(jī)內(nèi)的導(dǎo)電 相環(huán)的相對(duì)設(shè)置的簡(jiǎn)化截面視圖。圖17E是示出了導(dǎo)電相環(huán)的可能變化的示圖。 圖18A是示出了單個(gè)磁極相位線圈的示圖。圖18B是定子磁芯以及圖17A交流發(fā)電機(jī)的導(dǎo)電相環(huán)的簡(jiǎn)化立體圖，它示出 了導(dǎo)電相環(huán)與相應(yīng)組的繞組(略去繞組端匝)之間的連接。圖18C是具有各個(gè)磁極組的繞組巻繞其上的定子的側(cè)視圖。
圖18D是定子磁芯以及圖17A交流發(fā)電機(jī)的導(dǎo)電相環(huán)的立體圖，它示出導(dǎo)電相環(huán)與所有相應(yīng)組的繞組(略去繞組端匝)之間的連接。
具體實(shí)施方式
'現(xiàn)在參看圖1，根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面的、用于在機(jī)械能與電能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)100包括控制器110和開關(guān)電橋112。系統(tǒng)100適于與諸如交流發(fā)電機(jī)102 的AC電源和例如渦輪或發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能量源(例如驅(qū)動(dòng)器)104、諸如電動(dòng)機(jī)的 負(fù)載106，以及如有需要，諸如蓄電池、電容器或飛輪的能量存儲(chǔ)器件108合作。 如有需要，也可提供逆變器(有時(shí)分類為包括負(fù)載106的一部分)來生成恒定預(yù)定 頻率和振幅(例如60Hz、 120V)的AC信號(hào)。通常，響應(yīng)于來自能量源104的機(jī)械輸入交流發(fā)電機(jī)102生成AC電源。交 流發(fā)電機(jī)102較佳地提供多相(例如三相、六相等)AC輸出信號(hào)，例如相A(118)、 相B(120)和相C(122)。那些輸出信號(hào)通常未經(jīng)調(diào)節(jié)，并且會(huì)根據(jù)驅(qū)動(dòng)RPM(源104) 顯著變化。較佳地通過輸入保險(xiǎn)絲128將來自交流發(fā)電機(jī)102的AC相信號(hào)施加到系統(tǒng) 100。系統(tǒng)100對(duì)來自交流發(fā)電機(jī)102的AC信號(hào)進(jìn)行整流，即將其變換成DC信 號(hào)并將該信號(hào)的電壓調(diào)節(jié)至例如28V的預(yù)定電平。響應(yīng)于來自控制器110的控制 信號(hào)，開關(guān)電橋112選擇性地在來自交流發(fā)電機(jī)102的AC信號(hào)的各個(gè)相與負(fù)載 106之間提供導(dǎo)電路徑。圖10 (經(jīng)典全控SCR電橋)和圖11 (獨(dú)立電橋陣列)中 示出了示例性開關(guān)電橋112?？刂破鱅IO選擇性地對(duì)開關(guān)電橋112生成控制信號(hào)， 以便產(chǎn)生預(yù)定電壓下的經(jīng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)。如后面將更全面描述的，控制器110在本 地的輸入端114或較遠(yuǎn)的輸入端140處采樣經(jīng)調(diào)節(jié)輸出、并調(diào)整輸入到電橋112 的信號(hào)以便保持適當(dāng)輸出。另外，在輸出端116讀出輸出電流，以便進(jìn)一步修正對(duì) 電橋112的控制信號(hào)。然后，適于通過輸出保險(xiǎn)絲136將經(jīng)調(diào)節(jié)DC信號(hào)一電壓經(jīng)調(diào)節(jié)輸出(VRO) 一施加到負(fù)載106和能量存儲(chǔ)器件108。負(fù)載106可以是使用電源的任意設(shè)備，比 如燈、電動(dòng)機(jī)、加熱器、電氣設(shè)備、例如逆變器或DC到DC變換器的功率變換器。 能量存儲(chǔ)器件108對(duì)控制系統(tǒng)110的輸出進(jìn)行濾波或平滑(盡管在各個(gè)實(shí)施例中， 控制器110可自身結(jié)合或以其它方式提供充分濾波)。另外，如后面將更全面描述的，也可提供其它輸出150和160。也提供消弧電 路142來用于系統(tǒng)保護(hù)。
交流發(fā)電機(jī)102可以是響應(yīng)于機(jī)械輸入生成AC電源的任意適當(dāng)設(shè)備，諸如 無刷AC發(fā)電機(jī)或永磁體交流發(fā)電機(jī)，以及較佳地為Charles Y. Lafontaine和Harold C. Scott共同擁有的、題為"Compact High Power Alternator (緊湊型大功率交流發(fā) 電機(jī))"并在2004年7月12日提交的待批美國專利申請(qǐng)No. 10/889,980中所述的 一類交流發(fā)電機(jī)。由此，前述Lafontaine等人的申請(qǐng)通過如在本文中逐字闡述般的 引用結(jié)合于此。如將進(jìn)一步描述的，在優(yōu)選實(shí)施例中，交流發(fā)電機(jī)102是緊致大功 率一類的，但是對(duì)于各個(gè)磁極包括相應(yīng)組的繞組(包括與每個(gè)相相對(duì)應(yīng)的至少一個(gè) 繞組)，并且所有這些與給定相相對(duì)應(yīng)的繞組并聯(lián)連接。較佳地，與同一相相對(duì)應(yīng) 的線圈之間并聯(lián)連接通過相應(yīng)的導(dǎo)電相環(huán)138起作用，并且包括設(shè)置于導(dǎo)電相環(huán) 138與交流發(fā)電機(jī)的輸出端126之間的熔線連接124。導(dǎo)電相環(huán)是有效地將各個(gè)單 獨(dú)線圈的輸出采集到相應(yīng)導(dǎo)電相環(huán)的裝置，該相環(huán)進(jìn)而附連到其相應(yīng)輸出端。隨著 磁極數(shù)量的增加，單個(gè)線圈的數(shù)量也增加。聚集線圈的常規(guī)方法涉及將電動(dòng)機(jī)電線 焊接到常規(guī)絕緣的電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線。隨著交流發(fā)電機(jī)的額定輸出增加，也要求相應(yīng)地增 加電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線的負(fù)荷能力。可用于滿足電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線的增加負(fù)載要求的唯一手段是通 過增加單條電線的直徑或使用并聯(lián)的多條電線來增加電線的累計(jì)直徑。實(shí)際結(jié)果是 電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線的橫截面積變得越來越大。當(dāng)考慮到線圈的總數(shù)量及其相應(yīng)端匝、以及 導(dǎo)線及其相關(guān)聯(lián)的絕緣時(shí)，導(dǎo)體和電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線捆綁在一起所得到的定子組件使各個(gè) 端匝相互絕緣，從而不利于冷卻。結(jié)果所得的組件也限制了端匝上唯一存在氣流， 從而進(jìn)一步延緩冷卻。將結(jié)合圖17描述交流發(fā)電機(jī)102的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。簡(jiǎn)言之，交流發(fā)電機(jī)102適當(dāng)?shù)匕ò惭b在旋轉(zhuǎn)軸上并相對(duì)于固定定子同軸 設(shè)置的轉(zhuǎn)子。定子適當(dāng)?shù)匕ㄔ谝欢?中性)'以星形配置連接在一起的各個(gè)相繞組 A、 B和C。在工作時(shí)，轉(zhuǎn)子通過外部能量源404直接或經(jīng)由諸如傳送帶的中間系 統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。在機(jī)動(dòng)車應(yīng)用中，交流發(fā)電機(jī)102通常安裝在防護(hù)罩之下，并由車輛發(fā)動(dòng) 機(jī)皮帶傳動(dòng)。轉(zhuǎn)子與定子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致繞組中感生電壓。交流發(fā)電機(jī)102 較佳地被設(shè)計(jì)成在空轉(zhuǎn)時(shí)生成預(yù)定最小電壓，或者在滿載狀態(tài)下生成最小RPM。 如上所述，在機(jī)動(dòng)車應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)RPM可寬泛地變化，例如從空轉(zhuǎn)時(shí)的600RPM 到大型柴油貨車的3000 RPM和輕型柴油機(jī)的600到4000 RPM，以及汽油車發(fā)動(dòng) 機(jī)的600到6500 RPM。另外，交流發(fā)電機(jī)必須適應(yīng)負(fù)載變化，即從空載到滿載。 因而，在與汽油車發(fā)動(dòng)機(jī)一起使用時(shí)，永磁體交流發(fā)動(dòng)機(jī)102的輸出電壓發(fā)生12:1 的變化。因此，如果需要常規(guī)永磁體交流發(fā)電機(jī)在給定負(fù)載下處于空轉(zhuǎn)速度時(shí)提供 工作電壓(例如18伏特)，則在該負(fù)載的滿發(fā)動(dòng)機(jī)RPM下，將需要提供多倍的工作電壓，例如電壓的十二(12)倍(例如216伏特)?，F(xiàn)在參看圖2A和2B，控制器110適當(dāng)?shù)匕ㄡ槍?duì)由交流發(fā)電機(jī)102提供的 輸出信號(hào)的每個(gè)相的電路通道。每個(gè)電路通道包括相應(yīng)的相隔離變壓器204 (例 如分別針對(duì)三相AC信號(hào)的相A(118)、相B(120)和相C(122)的變壓器204A、 204B 和204C);相應(yīng)零交叉檢測(cè)器206 (例如分別針對(duì)相A(118)、相B(120)和相C(122) 的206A、 206B和206C);相應(yīng)可調(diào)斜坡發(fā)生器208 (例如分別針對(duì)相A(118)、 相B(120)和相C(122)的208A、 208B和208C);以及相應(yīng)觸發(fā)脈沖發(fā)生器210 (例 如分別針對(duì)相A(118)、相B(120)和相C(122)的210A、 210B和210C)。參看圖2B， 零交叉檢測(cè)器206各自適當(dāng)?shù)匕V波比較器212、可調(diào)熄滅裝置214和復(fù)位脈沖 發(fā)生器216。觸發(fā)脈沖發(fā)生器210各自適當(dāng)?shù)匕ū容^器218和適當(dāng)?shù)臄?shù)字路徑選 擇邏輯220。參看圖2，相之一 (例如相A(118)，也可參見圖4)被指定為基準(zhǔn)相，并包括 接收可調(diào)斜坡發(fā)生器208的輸出的適當(dāng)?shù)木彌_放大器224。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 與其它相(例如相B(120)和C(122)，也可參見圖5)相關(guān)聯(lián)的各個(gè)電路通道各自包 括自動(dòng)增益控制(AGC)放大器222 (例如針對(duì)相B(120)的222B;針對(duì)相C(122)的 222C) 。 AGC放大器222與相關(guān)聯(lián)電路通道的可調(diào)斜坡發(fā)生器208合作，(通過 緩沖器224)被引到基準(zhǔn)通道的可調(diào)斜坡發(fā)生器208 (例如可調(diào)斜坡發(fā)生器208A) 的輸出，由可調(diào)斜坡發(fā)生器208 (例如208A、 208B和208C)生成的斜坡的平均 電壓值通過AGC放大器222 (例如222B和222C)處理成相等。控制器110適當(dāng)?shù)剡€包括例如誤差信號(hào)放大器226和可調(diào)基準(zhǔn)電壓發(fā)生器 228的電路，用于生成與相關(guān)聯(lián)可調(diào)斜坡發(fā)生器208的輸出作比較的、表示對(duì)觸發(fā) 脈沖發(fā)生器210 (例如210A、 210B、 210C)的所需點(diǎn)火角的基準(zhǔn)信號(hào)；與系統(tǒng)100 的各個(gè)其它元件合作的常規(guī)微處理器或微控制器248 (例如PIC18F242)，用于生 成表示各種操作條件或?qū)ζ渥鞒龇磻?yīng)的信號(hào)(例如響應(yīng)于系統(tǒng)溫度控制各個(gè)風(fēng)扇、 由于過高溫度狀態(tài)而限制電流或關(guān)閉系統(tǒng)、由于過電壓或欠電壓狀態(tài)而關(guān)閉系統(tǒng) 等)；光使能電路250，用于選擇性地允許和禁止對(duì)開關(guān)電橋112施加觸發(fā)信號(hào)； 不點(diǎn)火電路252，用于在禁止對(duì)開關(guān)電橋112施加觸發(fā)信號(hào)期間生成表示特定指定 狀態(tài)的信號(hào)；系統(tǒng)啟動(dòng)電路254，用于所有相都不產(chǎn)生信號(hào)時(shí)禁止操作；適當(dāng)?shù)倪?輯電源256;以及過電壓檢測(cè)電路258?，F(xiàn)在參看圖2B，通常，隔離變壓器204的每一個(gè)都具有一個(gè)由相關(guān)聯(lián)相對(duì)相 電壓驅(qū)動(dòng)的初級(jí)繞組和多個(gè)相隔離的次級(jí)繞組(230A、 230B和230C)。零交叉
檢測(cè)器206各自檢查相關(guān)聯(lián)變壓器204的次級(jí)繞組之一 (例如230A)，并確定電 壓波形何時(shí)零交叉。如前所述，零交叉檢測(cè)器206各自適當(dāng)?shù)匕V波比較器212、可調(diào)熄滅裝置 214和復(fù)位脈沖發(fā)生器216。濾波比較器212確定電壓何時(shí)超出或低于基準(zhǔn)點(diǎn)一例 如0伏特到3.5伏特，較佳地為2.5伏特。轉(zhuǎn)換點(diǎn)被認(rèn)為是一潛在零交叉。向相關(guān) 聯(lián)觸發(fā)脈沖發(fā)生器210提供信號(hào)極性標(biāo)記?？烧{(diào)熄滅裝置214提供等于零交叉-零 交叉周期的一預(yù)定部分一例如為30%到％70%之間，較佳地為50%—的熄滅脈沖， 從而可能由跟隨真實(shí)零交叉的噪聲所導(dǎo)致的寄生零交叉信號(hào)不會(huì)觸發(fā)復(fù)位脈沖發(fā) 生器216。可調(diào)斜坡發(fā)生器208各自生成具有形狀特性的、表示出現(xiàn)在相關(guān)聯(lián)變壓 器的次級(jí)繞組(232A、 232B、 232C)上的伏秒的斜坡。將此斜坡與來自誤差信號(hào) 放大器226的斜坡基準(zhǔn)電壓(RAMP—REF)相比較。比較器218上的一致性斷言 輸入到數(shù)字路徑選擇電路220的一個(gè)信號(hào)，該數(shù)字路徑選擇電路220生成接通電橋 112中適當(dāng)開關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)。斜坡通過相關(guān)聯(lián)復(fù)位脈沖發(fā)生器216來復(fù)位。更具體地，相隔離變壓器204的每一個(gè)(例如變壓器204A、 204B和204C) 適當(dāng)?shù)匕ǔ跫?jí)繞組和多個(gè)(例如3個(gè))次級(jí)繞組(230、 232和234)，并且生成 一些隔離的成比例的電壓波形，這些波形體現(xiàn)了相應(yīng)初級(jí)繞組上相關(guān)聯(lián)相電壓的特 性。初級(jí)繞組通過交流發(fā)電機(jī)相A(118)-B(120)、 B(120)-C(122)或C(122)- A(118) 來驅(qū)動(dòng)。次級(jí)繞組向相關(guān)聯(lián)零交叉檢測(cè)器206和斜坡發(fā)生器208、以及向系統(tǒng)啟動(dòng) 電路254提供信號(hào)。相隔離變壓器204是能夠?yàn)榫唧w應(yīng)用提供充分隔離的適當(dāng)?shù)目?購買的變壓器，諸如在優(yōu)選實(shí)施例中為Tamura公司的3FS-248變壓器。將表示來自各個(gè)變壓器204的次級(jí)繞組之一的相關(guān)聯(lián)相(例如A(230A)、 B(230B)或C(230C))的波形的信號(hào)施加到相關(guān)聯(lián)零交叉檢測(cè)器206 (例如206A、 206B和206C)。零交叉檢測(cè)器206檢測(cè)信號(hào)中電壓零交叉的出現(xiàn)和極性，并生成 波形極性信息和斜坡復(fù)位信號(hào)。將每個(gè)零交叉檢測(cè)器206 (例如206A、 206B和 206C)的輸出信號(hào)提供給相關(guān)聯(lián)可調(diào)斜坡發(fā)生器208 (例如208A、 208B和208C) 和觸發(fā)脈沖發(fā)生器210 (例如210A、 210B和210C)。如果通過光耦合使能電路 250啟用，觸發(fā)脈沖發(fā)生器的輸出被施加以啟動(dòng)SCR。如果INHIBIT信號(hào)通過微 控制器248或不點(diǎn)火電路252斷言，則光耦合使能電路將不啟用觸發(fā)脈沖發(fā)生器。如前所述，零交叉檢測(cè)器206各自適當(dāng)?shù)匕V波比較器212、可調(diào)熄滅裝置 214和復(fù)位脈沖發(fā)生器216?，F(xiàn)在參看圖3，濾波比較器212適當(dāng)?shù)匕ǖ屯ㄇ爸?濾波器308和比較器310 (具有較佳地在0.1與0.3伏特之間、更佳為0.28伏特的
輕微DC磁滯)。濾波器308從來自變壓器204的AC相信號(hào)中有效地消除高頻尖 峰。比較器310生成表示AC相信號(hào)的極性的信號(hào)；比較器310輸出中的躍遷表示 零交叉。比較器310的輸出(表示相關(guān)聯(lián)AC相中的零交叉和極性)被施加到相關(guān) 聯(lián)可調(diào)熄滅裝置214，并且在名義連接點(diǎn)304上提供以施加到相關(guān)聯(lián)觸發(fā)脈沖發(fā)生 器210?？烧{(diào)熄滅裝置214 (與觸發(fā)脈沖發(fā)生器210合作)在比較器輸出中有效地防止 可能以其它方式導(dǎo)致生成SCR觸發(fā)信號(hào)的寄生躍遷。防止在比較器半周期的預(yù)定 部分內(nèi)發(fā)生的躍遷(例如在零交叉之后的預(yù)定數(shù)量的相位角內(nèi))生成SCR觸發(fā)信 號(hào)。仍參看圖3，可調(diào)熄滅裝置214適當(dāng)?shù)匕▎畏€(wěn)態(tài)多諧振蕩器(單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器) 312、濾波器314和可調(diào)電流源316。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器312通過比較器310輸出中的 正向或負(fù)向躍遷兩者來觸發(fā)。由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器312生成的脈沖的持續(xù)時(shí)間是觸發(fā)脈 沖之間的時(shí)間的一預(yù)定部分(例如適當(dāng)?shù)卦?0%到70%的范圍內(nèi)，并且較佳地為 50%)，即比較器310輸出的半周期的持續(xù)時(shí)間。在優(yōu)選實(shí)施例中，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間通過對(duì)定時(shí)電容器(例 如318)充電所需的時(shí)間來控制。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器312被觸發(fā)時(shí)，定時(shí)電容器通常 被放電，并且單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器312的輸出被保持在預(yù)定電平(例如單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器312 的輸出Q保持高電平)直到電容器318再充電至預(yù)定電平(此時(shí)Q輸出變成低電 平)。在常規(guī)應(yīng)用中，定時(shí)電容器通常經(jīng)由一電阻器進(jìn)行充電，并且單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間恒定。然而，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，定時(shí)電容器通過由與 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的占空比(以及由此比較器輸出的頻率)成比例的信號(hào)所驅(qū)動(dòng)的 電流源316來充電，從而對(duì)定時(shí)電容器充電所需的時(shí)間與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的占空 比成反比。更具體地，反相輸出(單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器312的g)被施加到對(duì)電流源316 生成與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的占空比成比例的DC信號(hào)的濾波器314。因而，如果Q 輸出脈沖的占空比(比較器輸出半周期的百分?jǐn)?shù))減小，則提供給定時(shí)電容器的電 流也將減小。隨著充電電流的減小，需要更多的時(shí)間來將電容器充電至預(yù)定電平， 從而增加了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間。相反，如果單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號(hào) 的占空比增加，則通向定時(shí)電容器的電流將增加，從而加速定時(shí)電容器的充電。濾 波器314的元件值被選擇成使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的占空比等于給定比較器輸出頻 率下的預(yù)定值。最終結(jié)果是不管觸發(fā)器輸入的速率如何，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號(hào)的 占空比都將自調(diào)節(jié)到預(yù)定值。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器312的輸出被提供給復(fù)位脈沖發(fā)生器 216，并且在連接點(diǎn)320上被施加到相關(guān)聯(lián)觸發(fā)脈沖發(fā)生器210。
響應(yīng)于預(yù)定極性(例如上升沿)的躍遷，復(fù)位脈沖發(fā)生器216生成適于施加到斜坡發(fā)生器208中的開關(guān)元件(例如圖4晶體管414)來復(fù)位斜坡(例如圖4放 電電容器412)的一持續(xù)時(shí)間短的均勻脈沖。如圖3所示，脈沖發(fā)生器216適當(dāng)?shù)?包括在名義連接點(diǎn)306上提供用于施加到相關(guān)聯(lián)斜坡發(fā)生器208和相關(guān)聯(lián)觸發(fā)脈沖 發(fā)生器210的脈沖的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器320。因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器320僅響應(yīng)來自單穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器312的可調(diào)熄滅裝置脈沖的上升沿，所以在由可調(diào)熄滅裝置定義的時(shí)段內(nèi)僅 生成復(fù)位脈沖一次。可調(diào)斜坡發(fā)生器208 (例如208A、 208B、 208C)生成表示相關(guān)聯(lián)相電壓(伏 秒)的時(shí)間積分的電壓斜坡。該斜坡在相零交叉復(fù)位。更具體地，響應(yīng)于來自相關(guān) 聯(lián)隔離變壓器204的第二次級(jí)繞組(例如232A)的信號(hào)，可調(diào)斜坡發(fā)生器208各 自生成伏特/秒斜坡。斜坡發(fā)生器208在相關(guān)聯(lián)相的零交叉上復(fù)位(并開始新的斜 坡)，如通過來自相關(guān)聯(lián)零交叉檢測(cè)器206 (復(fù)位脈沖發(fā)生器216)的復(fù)位脈沖所 指示。因而，斜坡發(fā)生器208的瞬時(shí)輸出電壓表示相關(guān)聯(lián)相半周期的伏秒?？烧{(diào)斜 坡發(fā)生器208向相關(guān)聯(lián)觸發(fā)脈沖發(fā)生器210 (210A、 210B、 210C)提供伏/秒斜坡。 如將進(jìn)一步描述的，相關(guān)聯(lián)觸發(fā)脈沖發(fā)生器210將斜坡脈沖與基準(zhǔn)脈沖作比較，并 且除非被光耦合使能電路250禁用，將因此生成SCR觸發(fā)脈沖信號(hào)(例如當(dāng)斜坡 電壓等于基準(zhǔn)電壓時(shí))。在與指定基準(zhǔn)相(例如相A)相關(guān)聯(lián)的通道的情況下，斜坡也經(jīng)由緩沖放大 器224被施加到與其它通道相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)AGC放大器222 (222B、 222C)。如將 更全面描述的，為了便于自動(dòng)增益控制，與指定基準(zhǔn)相(例如208A)相關(guān)聯(lián)的斜 坡發(fā)生器208的特定元件(例如圖4電阻器410)的值較佳地與和其它相相關(guān)聯(lián)的 類似元件的值相關(guān)，從而與基準(zhǔn)相相關(guān)聯(lián)的斜坡發(fā)生器208的輸出斜坡大于由其它 通道生成的斜坡。圖4中示出了適于與指定基準(zhǔn)相結(jié)合使用的示例性斜坡發(fā)生器 208 (例如斜坡發(fā)生器208A)。圖5中示出了適于與其它相結(jié)合使用的示例性斜坡 發(fā)生器208 (例如斜坡發(fā)生器208B、 208C)。參看圖4和5，斜坡發(fā)生器208適當(dāng)?shù)匕ㄕ髌麟姌?08、與電容器412合 作的電阻(例如電阻器或電阻網(wǎng)絡(luò))410、以及開關(guān)器件414 (例如晶體管)。整 流器電橋408生成DC信號(hào)(表示相關(guān)聯(lián)AC相的電壓大小)，該信號(hào)通過電阻410 施加到充電電容器412。開關(guān)器件414被設(shè)置成向電容器412提供可控放電路徑(例 如在電容器412上進(jìn)行分流)。響應(yīng)于來自復(fù)位脈沖發(fā)生器216、被施加到名義連 接點(diǎn)306的復(fù)位脈沖(在零交叉生成)，開關(guān)器件414導(dǎo)通，以便對(duì)電容器412 放電。因而，從啟動(dòng)瞬時(shí)半周期的零交叉開始，電容器412通過表示AC相電壓的電流充電，從而電容器412上的電壓表示在此半周期期間AC相的累計(jì)伏秒。生成作為交流發(fā)電機(jī)自身電壓的函數(shù)的斜坡(例如波形的伏秒)適應(yīng)寬泛范 圍的交流發(fā)電機(jī)RPM。在半周期期間，由交流發(fā)電機(jī)的給定繞組生成的電壓的時(shí) 間積分(伏秒)在任意RPM下是恒定的。隨著交流發(fā)電機(jī)RPM (并且因此由變壓 器204所提供信號(hào)的頻率)增加，半周期的持續(xù)時(shí)間減小，但是信號(hào)的電壓增加， 從而半周期的伏秒保持恒定。因而，對(duì)于每個(gè)半周期，在任意rpm下斜坡是相同 的峰值(總伏秒)。斜坡發(fā)生器208較佳地也包括與濾波比較器212中的前置濾波器308相對(duì)應(yīng) 的補(bǔ)償濾波器416。如前所述，較佳地在濾波比較器212中使用前置濾波器來消除 相關(guān)聯(lián)相隔離變壓器204輸出中的寄生高頻瞬變。前置濾波器308往往將相移插入 到從中生成零交叉(和復(fù)位脈沖)的信號(hào)。期望在斜坡(例如斜坡間隔)和復(fù)位脈 沖的生成之間保持合理的保真度。因此，濾波器416被設(shè)置成在獲得斜坡的信號(hào)中 生成類似相移。再次參看圖2，觸發(fā)脈沖發(fā)生器210 (例如210A、 210B、 210C)將施加到名 義連接點(diǎn)404的、表示相關(guān)聯(lián)相的伏秒的斜坡(來自相關(guān)聯(lián)斜坡發(fā)生器208)與例 如RAMP一REF的表示期望點(diǎn)火角(即AC信號(hào)中與期望占空比相對(duì)應(yīng)的相位角以 及伴隨的期望DC輸出電平)的控制電壓作比較。在電壓相等時(shí)，生成SCR觸發(fā) 信號(hào)，并且除非被光耦合使能電路250禁用，將被路由到適當(dāng)?shù)腟CR。圖4中示 出了一示例性觸發(fā)脈沖發(fā)生器210。觸發(fā)脈沖發(fā)生器210適當(dāng)?shù)匕ū容^器218和 適當(dāng)?shù)臄?shù)字路徑選擇邏輯220。比較器218生成表示何時(shí)來自斜坡發(fā)生器208的伏 秒斜坡(在名義連接點(diǎn)404上提供)超出表示期望點(diǎn)火角的基準(zhǔn)信號(hào)(RAMP—REF) (在優(yōu)選實(shí)施例中，由與基準(zhǔn)電壓發(fā)生器228合作的誤差信號(hào)放大器226提供)的 信號(hào)。數(shù)字路徑選擇邏輯220適當(dāng)?shù)匕≧C網(wǎng)絡(luò)450、相應(yīng)D型(例如74HC74) 觸發(fā)器456和458、增強(qiáng)時(shí)鐘電路464、或非門452、異或門454以及相應(yīng)光耦合 器460和462。響應(yīng)于比較器218的輸出(表示何時(shí)來自斜坡發(fā)生器208的伏秒斜坡超出基準(zhǔn)信號(hào) (RAMPJREF));在名義連接點(diǎn)304上提供的、濾波比較器212的輸出(表示瞬時(shí)半周期的極 性)；在名義連接點(diǎn)302上提供的、可調(diào)熄滅裝置214的輸出(表示半周期的AC
相中躍遷被視為寄生并被忽略的預(yù)定部分)；以及在名義連接點(diǎn)306上提供的復(fù)位脈沖(表示AC相中的零交叉躍遷)；以及來自光使能電路250的ENABLE信號(hào)， 數(shù)字路徑選擇電路220在被激活時(shí)，對(duì)關(guān)聯(lián)于伏秒斜坡與基準(zhǔn)信號(hào)(RAMP一REF) 之間的電壓相等時(shí)的相的正或負(fù)SCR生成觸發(fā)信號(hào)。在正常操作期間，斜坡信號(hào) (在名義連接點(diǎn)404)將超出基準(zhǔn)信號(hào)RAMP_REF，從而比較器218A生成輸出信 號(hào)，該輸出信號(hào)通過門452和454以便將數(shù)據(jù)從觸發(fā)器456時(shí)鐘輸入到觸發(fā)器458。 觸發(fā)器456的輸出g作為信號(hào)ZC一SIG被提供給微控制器。觸發(fā)器458的輸出被施加到緩沖光耦合器460和462 (在圖7中更具體地示出)。當(dāng)觸發(fā)器458的輸出改 變狀態(tài)時(shí)，光耦合器(如果被啟用)被激活，從而向相關(guān)聯(lián)SCR發(fā)送信號(hào)以啟動(dòng)。 不存在由微控制器或不點(diǎn)火電路252斷言的INHIBIT信號(hào)時(shí)，光耦合器460和462 被光使能電路250啟用。由觸發(fā)器456保持的極性信息從比較器310 (零交叉檢測(cè) 器206中)在名義連接點(diǎn)304上提供的輸出導(dǎo)出，并且通過點(diǎn)302上的可調(diào)熄滅裝 置信號(hào)來進(jìn)行時(shí)鐘控制(適當(dāng)?shù)赝ㄟ^RC網(wǎng)絡(luò)450延遲)。在信號(hào)404從不超出 RAMP_REF的情況中，將不生成任何時(shí)鐘信號(hào)。在沒有時(shí)鐘信號(hào)生成的情況中， 在零交叉(信號(hào)306 RAMP RESET)時(shí)，晶體管對(duì)464對(duì)觸發(fā)器458啟動(dòng)增強(qiáng)時(shí) 鐘。圖4B的時(shí)序圖中示出了生成SCR觸發(fā)信號(hào)時(shí)所涉及的各種信號(hào)的波形。AGC放大器222B和222C將來自與指定基準(zhǔn)相相關(guān)聯(lián)的斜坡發(fā)生器208 (例 如208A)的平均電壓與來自相關(guān)聯(lián)斜坡發(fā)生器的(例如20犯或208C)平均電壓 作比較，并調(diào)節(jié)相關(guān)聯(lián)斜坡發(fā)生器(208B或208C)的增益，從而使輸出斜坡大小 與208A的輸出斜坡大小相匹配。圖5中示出了適于結(jié)合指定基準(zhǔn)相(例如斜坡發(fā) 生器208B、 208C)使用的示例性AGC放大器218。如前所述，由于與各相相關(guān)聯(lián)的電路之間的元件值中的變化、由于例如容限、 溫度差異、繞組電壓變化等，與各個(gè)相相關(guān)聯(lián)的電橋的部分(引腳)的輸出中往往 存在變化。AGC放大器222的使用為這些差異提供了補(bǔ)償。參照?qǐng)D5， AGC放大 器222較佳地包括差分放大器502;可調(diào)電阻器件504，比如4N25光耦合隔離 器；相應(yīng)濾波器501和508，以及緩沖器506 (類似于圖4中的緩沖器224)。差 分放大器502接收表示來自與指定基準(zhǔn)相相關(guān)聯(lián)的通道的伏秒斜坡(例如斜坡發(fā)生 器208A的輸出)的時(shí)間積分(平均值)、以及表示來自相關(guān)聯(lián)通道的斜坡輸出(例 如斜坡發(fā)生器208B或208C的輸出)的時(shí)間積分(平均值)的信號(hào)。更具體地， 名義連接點(diǎn)402上表示由緩沖器224 (圖4)提供的基準(zhǔn)相斜坡的信號(hào)被施加到濾
波器501。濾波器501生成表示基準(zhǔn)相伏秒斜坡的時(shí)間積分(平均值)的DC信號(hào)， 該信號(hào)被施加到差分放大器502的一 (例如正)輸入端。名義連接點(diǎn)404上來自相 關(guān)聯(lián)通道的伏秒斜坡(例如斜坡發(fā)生器208B或208C的輸出)通過緩沖器506并 被施加到濾波器508。濾波器508生成表示相關(guān)聯(lián)相伏秒斜坡的時(shí)間積分的DC信 號(hào)，該信號(hào)被施加到差分放大器502的其它(例如反相)輸入端。使用伏秒斜坡的 積分允許不管相之間的相角差(例如120°)而進(jìn)行比較。各個(gè)伏秒斜坡的積分之 間的由放大器502生成的差異被用來控制可調(diào)電阻504的電阻值。可調(diào)電阻504 被連接成使這種調(diào)節(jié)改變電阻410的有效電阻，從而控制相關(guān)聯(lián)斜坡發(fā)生器208 (208B或208C)中電容器412的時(shí)間常數(shù)，使相關(guān)聯(lián)伏秒斜坡(例如來自208B 或208C)的時(shí)間積分等于基準(zhǔn)相伏秒斜坡(例如來自208A)的時(shí)間積分(平均值)。 因而，與相應(yīng)相相關(guān)聯(lián)的類似元件之間的變化的影響被最小化。如前所述，當(dāng)表示相關(guān)聯(lián)相的伏秒斜坡與表示期望點(diǎn)火角的控制電壓一致時(shí)， 觸發(fā)脈沖發(fā)生器210 (例如210A、 210B、 210C)對(duì)適當(dāng)?shù)腟CR生成觸發(fā)信號(hào)。控 制信號(hào)可以是固定(恒定)的，或者例如在有助于保持預(yù)定調(diào)節(jié)輸出電壓的反饋回 路中是可變的。在優(yōu)選實(shí)施例中，基準(zhǔn)信號(hào)被構(gòu)建為控制回路的一部分。通過比較 輸出電壓的一部分與來自可調(diào)基準(zhǔn)電壓228的基準(zhǔn)電壓，誤差信號(hào)放大器222提供 最終改變SCR觸發(fā)等待時(shí)間并由此調(diào)節(jié)輸出電壓的控制電壓。參看圖1、2和6，負(fù)載106上的電壓通過適當(dāng)連接饋送回誤差信號(hào)放大器226 的電壓反饋輸入端(將在后面更全面描述的本地114或遠(yuǎn)程140)。誤差信號(hào)放大 器226根據(jù)反饋信號(hào)與表示期望輸出電壓的基準(zhǔn)電壓偏差生成控制信號(hào) RAMP_REF。誤差信號(hào)放大器226較佳地包括適當(dāng)?shù)谋壤糯笃?02、差分放大器 604和適當(dāng)?shù)哪孀兤?電平移動(dòng)器606。由控制器內(nèi)的內(nèi)部連接提供本地反饋電壓 (114)、或者遠(yuǎn)程反饋電壓(140)通過放大器602來適當(dāng)?shù)匕幢壤s放，并且經(jīng)縮放 電壓作為一個(gè)輸入被施加到差分放大器604。另外，此信號(hào)作為V—SENSE被提供 給微控制器。差分放大器604生成表示經(jīng)縮放反饋信號(hào)與表示期望輸出電壓的基準(zhǔn) 電壓(在優(yōu)選實(shí)施例中由可調(diào)基準(zhǔn)電壓源228提供)的偏差的信號(hào)。差信號(hào)按需通 過逆變器/電平移動(dòng)器606來反相或電平移動(dòng)，并且作為控制信號(hào)RAMP一REF施加 到觸發(fā)脈沖發(fā)生器210。如后面將更全面說明的，RAMP_REF信號(hào)也通過施加在 610的上升充電信號(hào)、施加在608的蓄電池溫度信號(hào)、以及響應(yīng)于電流信號(hào)116及 電流監(jiān)聽信號(hào)FOLD_30與FOLD_60的電流控制求和放大器612來調(diào)制?？烧{(diào)基準(zhǔn)電壓源228提供基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓可以是固定(恒定)的，或者與優(yōu)選實(shí)施例中一樣，根據(jù)環(huán)境參數(shù)來動(dòng)態(tài)調(diào)制。例如，在其中連接變換器的輸 出與負(fù)載的相對(duì)較長電纜會(huì)足以導(dǎo)致顯著壓降的應(yīng)用中，基準(zhǔn)電壓被調(diào)制以解決這 種壓降。當(dāng)流入負(fù)載的電流增加(并且敷設(shè)電纜壓降增加)時(shí)，電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)被向上 調(diào)節(jié)成在負(fù)載上保持期望穩(wěn)定電壓。在特定應(yīng)用中，適當(dāng)?shù)姆笤O(shè)電纜可被安裝在期望調(diào)節(jié)點(diǎn)(例如蓄電池電極) 與遠(yuǎn)程感測(cè)輸入(140)之間。然而，在其它應(yīng)用(特別是改進(jìn)應(yīng)用)中，適當(dāng)電壓 感測(cè)敷設(shè)電纜的安裝可能是不實(shí)用的。為了在遠(yuǎn)程感測(cè)不實(shí)用的應(yīng)用中適應(yīng)這種調(diào) 節(jié)，使用電流傳感器(例如霍爾效應(yīng)器件、分流器或類似器件)116以及包括并聯(lián)分壓器VR1和VR2的可調(diào)基準(zhǔn)電壓源228。分壓器VR1和VR2最初被調(diào)節(jié)成空 載狀態(tài)(零電流)以便提供表示期望輸出電壓的基準(zhǔn)電壓(例如分壓器VR1的電 刷被設(shè)定成產(chǎn)生期望基準(zhǔn)電壓，而分壓器VR2的電刷被設(shè)定成接地)。然后，增 加系統(tǒng)負(fù)載，并且VR2被調(diào)節(jié)成將負(fù)載(或蓄電池)上的電壓恢復(fù)成期望標(biāo)稱電 壓。其后，在操作中，從傳感器I16施加到分壓器VR2的電流反饋信號(hào)有效地調(diào) 制基準(zhǔn)電壓以補(bǔ)償電纜中的電阻下降，從而不管電纜中的電流和電壓降如何，負(fù)載 106上的電壓都基本上恒定。或者，遠(yuǎn)程感測(cè)輸入140可被用來確保調(diào)節(jié)感測(cè)點(diǎn)(例 如蓄電池或敏感負(fù)載應(yīng)用)上的電壓被保持，從而消除諸如長電纜的固有系統(tǒng)損耗。 為了利用遠(yuǎn)程感測(cè)，適當(dāng)?shù)姆笤O(shè)電纜應(yīng)當(dāng)被安裝成在調(diào)節(jié)點(diǎn)(例如蓄電池電極)與 遠(yuǎn)程感測(cè)輸入(140)之間形成連接。由于本地感測(cè)輸入114上的電阻，施加到輸入 140上的遠(yuǎn)程感測(cè)信號(hào)將自動(dòng)地覆蓋114上的本地感測(cè)輸入。當(dāng)使用遠(yuǎn)程感測(cè)時(shí)， 分壓器VR2的電刷被設(shè)定成接地。因此，不管輸出與感測(cè)點(diǎn)之間的任意損耗，系 統(tǒng)都將調(diào)節(jié)VRO以在感測(cè)點(diǎn)(例如蓄電池電極)保持期望電壓。期望調(diào)節(jié)電壓輸出設(shè)定點(diǎn)(VRO)以適應(yīng)蓄電池溫度的變化。如圖6所示， 可包括標(biāo)稱地提供給輸入連接點(diǎn)608的、用于生成表示蓄電池溫度的信號(hào)的溫度傳 感器的輸出。施加到名義連接點(diǎn)608的蓄電池溫度傳感器的輸出與輸入和比例放大 器602的輸出進(jìn)行求和。因此，蓄電池溫度控制對(duì)RAMP—REF信號(hào)的振幅進(jìn)行調(diào) 節(jié)的反饋信號(hào)，由此根據(jù)蓄電池溫度(例如對(duì)于鉛殼硫酸蓄電池，每升高1°C對(duì) 應(yīng)充電電壓中約10mV的下降)調(diào)制開關(guān)電橋112(VR0)的輸出。這將使得蓄電池 充電電壓可根據(jù)蓄電池溫度來最優(yōu)化。還期望周期性地使系統(tǒng)充電電壓即VRO升高以便使蓄電池極板脫硫。為了實(shí) 現(xiàn)這個(gè)，微控制器248周期性地對(duì)基準(zhǔn)放大器604斷言一信號(hào)(在名義連接點(diǎn)610 上提供)，從而導(dǎo)致RAMP—REF變低，由此使期望輸出電壓(VRO)升高
期望保護(hù)系統(tǒng)電路免遭過電流狀態(tài)以防止系統(tǒng)元件發(fā)生故障。再次參看圖6，提供常規(guī)加法放大器612來對(duì)電流感測(cè)監(jiān)視器116的輸出和來自微控制器248的限 流信號(hào)進(jìn)行求和。微控制器248適當(dāng)?shù)仨憫?yīng)于超溫度狀態(tài)生成表示所需限流功能一 即限制輸出電流達(dá)例如30%或60%的選定百分比一的信號(hào)。微控制器248將對(duì)加 法放大器612的適當(dāng)縮放輸入(例如減小輸入的30%，F(xiàn)OLD—30或60%，F(xiàn)OLD—60) 斷言一低邏輯電平信號(hào)。加法放大器612的輸出進(jìn)而與逆變器/電平漂移放大器606 的輸入進(jìn)行求和，由此調(diào)制RAMP—REF信號(hào)，從而在過電流或電流監(jiān)聽狀態(tài)期間 減小VRO設(shè)定點(diǎn)。在非12伏系統(tǒng)(例如24伏系統(tǒng))中，可能期望向輔助系統(tǒng)提供12伏電源。 在一些24伏的汽車應(yīng)用中，交流發(fā)電機(jī)提供12伏信號(hào)，該信號(hào)通常通過對(duì)連接到 報(bào)警燈的繼電器供電來控制交流發(fā)電機(jī)報(bào)警指示器。因此，簡(jiǎn)要地參看圖l和14， 電路150可被包括在系統(tǒng)100中來提供適于對(duì)繼電器或提供系統(tǒng)操作(例如系統(tǒng)操 作正常)指示的指示器供電。電路150由來自微控制器248的RELAY_ENABLE 來激活。在一些應(yīng)用中，可能期望提供足以操作系統(tǒng)100內(nèi)的12伏子系統(tǒng)的12伏電 源來代替或添加到圖14的電路?，F(xiàn)在參看圖1和15，電路160可被包括到系統(tǒng)100 中以提供足以從開關(guān)電橋112的輸出(VRO)獲得高達(dá)10安培的電流的12伏電源。 電源160由來自系統(tǒng)啟動(dòng)電路254的SYSTEM—START信號(hào)來啟用。或者，在機(jī) 動(dòng)車應(yīng)用中，來自車輛點(diǎn)火開關(guān)的信號(hào)可用來啟用電路160。按照應(yīng)用需要指定，電源150和160兩者都不、或者之一或兩者可包括在系 統(tǒng)100中，或者可用不同電壓源替代。期望提供各種失效保險(xiǎn)系統(tǒng)來在異常運(yùn)行狀態(tài)中防止對(duì)元件的可能損害。如 圖2中所示，控制器110適于包括各種子系統(tǒng)(例如微控制器248、系統(tǒng)啟動(dòng)電路 254、過電壓電路258等)來在特定狀態(tài)下有效禁用控制器110，諸如當(dāng)來自交流 發(fā)電機(jī)的輸入未被檢測(cè)到時(shí)、來自誤差信號(hào)放大器226的控制電壓RAMP一REF接 近或超過指定基準(zhǔn)相(來自例如名義連接點(diǎn)402上的可調(diào)斜坡發(fā)生器208A和緩沖 器224)的伏秒斜坡值、或者超出溫度限制。這些狀態(tài)通過由微控制器248或不點(diǎn) 火電路252生成INHIBIT信號(hào)來指示。參看圖2A、 4和7，在不施加來自微控制 器248或不點(diǎn)火電路252的使控制器正常操作的INHIBIT信號(hào)的情況下，光使能 電路250適當(dāng)?shù)匕ㄓ糜趯?duì)光耦合器460和462施加啟動(dòng)電壓的常規(guī)開關(guān)。在 INHIBIT信號(hào)開始時(shí)，電路250消除光耦合器ENABLE信號(hào)。 圖8中示出了示例性不點(diǎn)火電路252。不點(diǎn)火電路252將基準(zhǔn)信號(hào)RAMP一REF 與緩沖器224的輸出作比較，該輸出表示由指定基準(zhǔn)相通道生成的伏秒斜坡(在名 義連接點(diǎn)402處提供)。超過點(diǎn)402處的緩沖斜坡信號(hào)的RAMP一REF信號(hào)表示誤 差信號(hào)放大器226對(duì)極小負(fù)載或空載狀態(tài)作出響應(yīng)。當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)RAMP—REF超出 緩沖器224的輸出(點(diǎn)402處)時(shí)，不點(diǎn)火電路252斷言INHIBIT信號(hào)。這防止 啟動(dòng)SCR，直到RAMP—REF信號(hào)降至低于緩沖器224的輸出(點(diǎn)402處)的值， SCR在該值開始重新啟動(dòng)。圖9B中示出了一示例性過電壓檢測(cè)電路258。過電流檢測(cè)電路258監(jiān)視開關(guān) 電橋112的輸出(VRO)，并且當(dāng)VRO超出預(yù)定電壓值(例如VR0+15。/c))時(shí)生成 OVER—VOLT信號(hào)。OVER一VOLT信號(hào)被傳遞給微控制器248，該控制器進(jìn)而通過 斷言INHIBIT信號(hào)來響應(yīng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，系統(tǒng)啟動(dòng)電路254防止系統(tǒng)在從交流發(fā)電機(jī)102輸入的AC 的所有相都不存在的情況下工作。參看圖2A和9A，系統(tǒng)啟動(dòng)電路254從各個(gè)隔 離變壓器204A、 204B和204C的第三次級(jí)繞組(例如分別為234A、 234B、 234C) 處接收表示各個(gè)相的輸出的信號(hào)，并且僅當(dāng)所有相都存在時(shí)生成控制信號(hào) SYSTEM_START。 5V邏輯電源256 (圖15)的激活取決于所有3個(gè)隔離變壓器 204A、 204B和204C,這些隔離變壓器提供表示交流發(fā)電機(jī)102的所有三個(gè)相存 在的各個(gè)標(biāo)稱輸出。如果任何相可能發(fā)生故障，則系統(tǒng)將停止運(yùn)行。為了保護(hù)免受過電流狀態(tài)(例如電流短路)，熔線124被設(shè)置在交流發(fā)電機(jī) 102的相線路中，輸入保險(xiǎn)絲128和輸出保險(xiǎn)絲136被設(shè)置在控制系統(tǒng)100中(例 如用于350安培系統(tǒng)的350安培熔線、350安培輸入保險(xiǎn)絲和400安培輸出保險(xiǎn)絲)。 另外，為了保護(hù)電氣系統(tǒng)元件免受過電壓狀態(tài)，短路消弧電路142 (圖1和13)被 設(shè)置在開關(guān)電橋112的電壓調(diào)節(jié)輸出上。如果發(fā)生災(zāi)難性的過電壓(例如VRO的 130%)，則消弧電路142短接系統(tǒng)100的輸出。在另一個(gè)實(shí)施例中，消弧電路可 被用來接通所有開關(guān)電橋112 SCR，由此短接交流發(fā)電機(jī)的輸出。圖13中示出了 一示例性消弧電路142。提供表示其它操作參數(shù)的信號(hào)的其它傳感器電路可用來對(duì)微控制器248生成 輸入作為與生成INHIBIT信號(hào)相關(guān)的參數(shù)。例如，參看圖16，來自傳感器電路(未 示出)的表示比如交流發(fā)電機(jī)102的溫度、安裝有各種元件的散熱片的溫度、蓄電 池的溫度及其流入或流出蓄電池的電流、干線電壓(VRO，負(fù)載106的DC電壓， 通過釆樣輸入和比例放大器602的輸出，例如圖6中的V—SENSE)、輸出電流信
號(hào)116和表示交流發(fā)電機(jī)RPM的來自零交叉檢測(cè)器的緩沖信號(hào)(例如圖4中的ZC—SIG)的各種系統(tǒng)參數(shù)的信號(hào)被施加到微控制器248作為輸入。響應(yīng)于這些輸 入，微控制器248執(zhí)行程序來生成 各種操作參數(shù)的標(biāo)記，以及用于包括可用于延長壽命的變速風(fēng)扇的各個(gè)風(fēng)扇(未示出)(例如交流發(fā)電 機(jī)冷卻風(fēng)扇、控制系統(tǒng)冷卻風(fēng)扇)的控制信號(hào)周期性地將開關(guān)電橋112的輸出(VRO)增大至足以通過將硫從蓄電池極板驅(qū) 趕到電解質(zhì)的溶液中來降低蓄電池中的硫化的電平。當(dāng)系統(tǒng)靜默(例如關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)) 時(shí)，根據(jù)基于蓄電池溫度、電壓和放電速率的蓄電池容量的計(jì)算可斷言此增大的充 電電壓。例如，可將任意給定溫度下的蓄電池電壓與所使用電池類型(例如Pb-Pb 或Pb-Ca)的標(biāo)稱電壓的查找表作比較。另外，可計(jì)算蓄電池上任意給定耗用電流 的電壓下降速率以提供蓄電池容量指示。然后，可在名義連接點(diǎn)610斷言下一次啟 動(dòng)系統(tǒng)的上升充電電壓信號(hào)。另外，基于上述蓄電池容量計(jì)算，可激活報(bào)警指示器(例如儀表板燈)來向 操作人員指示蓄電池接近壽命末期，以便防止在使用時(shí)失靈。可激活另一個(gè)指示器 作為蓄電池充電接近損耗至不能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)的報(bào)警。其它報(bào)警指示器可向操作人員提醒極端系統(tǒng)溫度(例如交流發(fā)電機(jī)溫度、控 制系統(tǒng)溫度)，以便操作人員可減小系統(tǒng)負(fù)載從而防止系統(tǒng)停止運(yùn)行。響應(yīng)于升高的系統(tǒng)溫度，提供首先將電流輸出減小30%(FOLD—30)、然后減小 60。/。(FOLD—60)以及最后減至關(guān)閉系統(tǒng)的信號(hào)(INHIBIT)。將INHIBIT信號(hào)施加到光使能電路250來去除數(shù)字?jǐn)?shù)字路徑選擇電路220中 光耦合器460和462 (圖4和7)的ENABLE信號(hào)，從而當(dāng)微控制器248檢測(cè)到系 統(tǒng)故障時(shí)禁用SCR啟動(dòng)。圖12A-12AG中提供了由微控制器248執(zhí)行的程序流程圖。通常，程序由啟 動(dòng)中斷和時(shí)序線程及例程構(gòu)成，如下
中斷ISR—Extlnt—1: OVER-VOLTAGE (過電壓)此中斷是對(duì)通過過電流檢測(cè)電路258 (圖9B)檢測(cè)到的表示為信號(hào) OVER_VOLT的過電壓狀態(tài)的響應(yīng)。這是錯(cuò)誤狀態(tài)，并且所有禁止被斷言，例如 微控制器248生成INHIBIT信號(hào)。ISR—Extlnt—0: ZERO-CROSS (零交叉)此中斷是對(duì)交流發(fā)電機(jī)相輸入經(jīng)歷零電壓的零交叉的響應(yīng)。表示零交叉的信 號(hào)適當(dāng)?shù)厥┘拥轿⒖刂破?ZC—SIG，圖4)。監(jiān)視零交叉周期來指示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。ISR—Extlnt—0: ZERO-CROSS TIMER ROLL-OVER (零交叉定時(shí)器翻轉(zhuǎn))此中斷是對(duì)根據(jù)內(nèi)部時(shí)鐘遞增并基于零交叉的翻轉(zhuǎn)復(fù)位(零交叉計(jì)數(shù)器)的 內(nèi)部計(jì)數(shù)器Timer_0。這是表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過低的錯(cuò)誤狀態(tài)。ISR— Timer_2: TIME-BASE (時(shí)基)此中斷是對(duì)通用系統(tǒng)延遲的響應(yīng)。它是在固件內(nèi)保持延遲的重復(fù)事件。 線程和例程UpdatePeriodBuffer (更新周期緩沖器)此線程負(fù)責(zé)緩沖每個(gè)零交叉周期。每次讀出新周期，就測(cè)試表示新值是否有 效的標(biāo)記，如果被置位，則存儲(chǔ)"full—count"。此值被存儲(chǔ)在緩沖器中，并計(jì)算 其平均值。對(duì)其它線程置位一標(biāo)記以指示平均值已被更新。GetAnalogI叩uts (取得模擬輸入)
此線程負(fù)責(zé)對(duì)所有模擬通道進(jìn)行采樣。各個(gè)通道通過芯片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集。 這些讀數(shù)被存儲(chǔ)在各個(gè)通道的緩沖器中。計(jì)算各個(gè)緩沖器的平均值來由其它線程使 用。對(duì)其它線程置位一標(biāo)記以指示平均值已被更新。TestAnalog (測(cè)試模擬)此線程測(cè)試模擬平均值是否已被更新。如果已被更新，則對(duì)開關(guān)電橋的輸出 (干線電壓，VRO)、散熱片溫度和交流發(fā)電機(jī)溫度執(zhí)行一系列邊界檢驗(yàn)。TestVoltage (測(cè)試電壓)此線程對(duì)照一系列限制來測(cè)試表示系統(tǒng)的平均干線電壓(VRO)(例如圖6的 V—SENSE)以說明以下狀態(tài)之一過低、正常和過高。TestAlternatorTemp (測(cè)試交流發(fā)電機(jī)溫度)此例程對(duì)照一系列限制來測(cè)試平均交流發(fā)電機(jī)溫度以說明以下狀態(tài)之一正 常、限流電平l (例如FOLD—30)、限流電平2 (例如FOLD一60)和系統(tǒng)禁用。TestHeatSinkTemp (測(cè)試散熱片溫度)此例程對(duì)照一系列限制來測(cè)試平均散熱片溫度以說明以下狀態(tài)之一正常、限流電平l (例如FOLD—30)、限流電平2 (例如FOLD—60)和系統(tǒng)禁用。 TestPeriod (測(cè)試周期)此例程對(duì)照一系列限制來測(cè)試交流發(fā)電機(jī)的平均周期(根據(jù)連續(xù)零交叉之間 的時(shí)間段來確定)以說明以下狀態(tài)之一過低、正常和過高。BoostControl (升壓控制)
此例程對(duì)照指定升壓?jiǎn)?dòng)和結(jié)束時(shí)間來測(cè)試流逝時(shí)間。施加于名義連接點(diǎn)610 的升高充電電壓信號(hào)(例如減小蓄電池中的硫化)通過此例程來控制。UpdateControls (更新控制)此例程負(fù)責(zé)基于各個(gè)測(cè)試說明的故障控制處理器的輸出。此例程還控制散熱 片和交流發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇。TestEndStartUp (測(cè)試結(jié)束啟動(dòng))此例程負(fù)責(zé)掛起系統(tǒng)使其停止運(yùn)行直至清除各個(gè)測(cè)試中的所有故障。現(xiàn)在參看圖IOA。如前所述，響應(yīng)于來自控制器110的控制信號(hào)，開關(guān)電橋 112選擇性地在交流發(fā)電機(jī)102的AC信號(hào)的各個(gè)相與負(fù)載106之間提供導(dǎo)電路 徑?？刂破?10選擇性地對(duì)開關(guān)電橋112生成控制信號(hào)以生成預(yù)定電壓下的調(diào)節(jié)輸 出信號(hào)。圖IO示出了常規(guī)三相全控SCR電橋。此電路的顯著特征包括連接到(三相)交流發(fā)電機(jī)的3條導(dǎo)線。不管繞組連接成"三角形"還是如 這里所示的"Y形"，僅需要3條輸出線來進(jìn)行操作。或者，在"Y形"交流發(fā)電 機(jī)配置中，取決于應(yīng)用需要(例如多段供電操作)，可從交流發(fā)電機(jī)導(dǎo)出中性線。傳導(dǎo)到輸出要求2個(gè)SCR處于導(dǎo)電狀態(tài)。因此，由于2個(gè)SCR上的電壓降而 存在傳導(dǎo)損耗。因?yàn)橛山涣靼l(fā)電機(jī)生成的相電壓的旋轉(zhuǎn)特性(相隔120度)，所以正確的SCR 必須以正確的次序啟動(dòng)以便適當(dāng)?shù)乜刂苽鲗?dǎo)。因而，對(duì)于給定交流發(fā)電機(jī)相次序和 交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，SCR觸發(fā)的次序只有一種解決方案。方向性是由這樣的事 實(shí)導(dǎo)致如果交流發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，則相的輸出次序也反轉(zhuǎn)，從而需要SCR觸 發(fā)定時(shí)的反轉(zhuǎn)。參看圖10B，替代電橋可由單個(gè)SCR與二極管成對(duì)構(gòu)成。這個(gè)實(shí)施例在輸出中導(dǎo)致了更大的紋波，但是由于二極管的導(dǎo)通電壓通常小于SCR的導(dǎo)通電壓，從 而具有較小熱損耗的優(yōu)點(diǎn)。圖11A示出了替代3相全控SCR電橋。值得注意的是，交流發(fā)電機(jī)中的所有 繞組是完全獨(dú)立的，且沒有公共連接點(diǎn)。此外，4個(gè)SCR被用來形成各個(gè)繞組的 獨(dú)立全波電橋。將交流發(fā)電機(jī)連接到電橋需要六條導(dǎo)線。雖然表面上常規(guī)3相電橋 中的3條導(dǎo)線有缺點(diǎn)，但是通過將電流分配到多個(gè)導(dǎo)體可使較大功率的電路獲益。結(jié)合使用并聯(lián)連接的多個(gè)繞組線圈的交流發(fā)電機(jī)102的實(shí)施例，這樣的全控SCR電橋的實(shí)施例具有特別的效用。圖11B示出了替代3相部分受控SCR電橋。類似于圖IIA中所示實(shí)施例，結(jié) 合使交流發(fā)電機(jī)中的所有繞組完全獨(dú)立且沒有公共連接點(diǎn)的交流發(fā)電機(jī)，圖11B 的SCR電橋具有特別的效用。然而，6個(gè)二極管被用來替代SCR，從而2個(gè)SCR 和2個(gè)二極管被用來形成各個(gè)繞組的獨(dú)立全波電橋部分。這種配置的特征是與圖11A的實(shí)施例一樣，將交流發(fā)電機(jī)連接到電橋需要六條導(dǎo)線。再一次， 雖然表面上常規(guī)3相電橋中的3條導(dǎo)線有缺點(diǎn)，但是通過將電流分配到多個(gè)導(dǎo)體可 使較大功率的電路獲益。由于較小的傳導(dǎo)下降而產(chǎn)生較小的損耗。通常二極管的傳導(dǎo)下降比SCR的小。 因?yàn)樵谳敵龅碾娏髀窂街袃H涉及一個(gè)SCR及一個(gè)二極管，所以傳導(dǎo)損耗將比2個(gè) SCR的小。在圖11A和11B中，各個(gè)全波電橋部分都獨(dú)立地起作用。雖然各個(gè)電橋的觸 發(fā)信號(hào)需要正確定時(shí)以傳導(dǎo)所需電流，但是由于相旋轉(zhuǎn)而無需定時(shí)協(xié)調(diào)。因而不需 要在全系統(tǒng)內(nèi)以正確次序觸發(fā)SCR。此外，由于這種定時(shí)獨(dú)立性，交流發(fā)電機(jī)繞 組可任意地連接到電橋的任一個(gè)。另外，各個(gè)繞組與各個(gè)電橋之間連接的極性也可 以是任意的，因?yàn)楦鱾€(gè)電橋內(nèi)的兩個(gè)SCR可同時(shí)觸發(fā)，并且僅用于傳導(dǎo)的具有適 當(dāng)極性的設(shè)備會(huì)這樣做。這降低了安裝復(fù)雜性并避免連接錯(cuò)誤。另外，在不用重新 分配SCR觸發(fā)的情況下，交流發(fā)電機(jī)也可在任一方向旋轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)注意在不進(jìn)行任何更改的情況下，先前公開的用于常規(guī)3相可控電橋 的控制電路可控制圖11B的替代配置。大多數(shù)差異存在于提升對(duì)哪個(gè)繞組與哪個(gè) 電橋相關(guān)聯(lián)以確保適當(dāng)操作的限制、以及提升交流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向限制等中?，F(xiàn)在參看圖16，通用形式的微控制器248具有許多輸入和輸出。輸入和輸出 可以是模擬或數(shù)字的，并且反映與外部獨(dú)立計(jì)算裝置的通信、芯片外輔助設(shè)備的接 口或板外硬件的接口。模擬輸入的示例包括例如表示溫度、電壓和電流的信號(hào)。被 測(cè)量的溫度的示例是交流發(fā)電機(jī)、散熱片、蓄電池和環(huán)境。電壓讀出的示例是VRO 和能量存儲(chǔ)器件(例如蓄電池)108上的電壓。電流的示例是控制器輸出電流 (CUR一SIG)和蓄電池電流。模擬輸出示例包括可變電流限制和可變電壓升壓電平。 示例數(shù)字輸入包括來自258的過電壓(OVER一VOLT)、來自214的零交叉(ZC一SIG)、 交流發(fā)電機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)、確保風(fēng)扇不停止的散熱片風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計(jì)(例如涉水(water fording)操作)。示例數(shù)字輸出包括固定電流限制(例如FOIXL60)、固定電壓升 壓、散熱片風(fēng)扇控制、SCR啟動(dòng)禁止、繼電器輸出電路啟用、諸如速率誤差、電 壓誤差、交流發(fā)電機(jī)溫度狀態(tài)、散熱片溫度狀態(tài)的一些板上指示器的控制、交流發(fā) 電機(jī)風(fēng)扇控制、散熱片風(fēng)扇控制。交流發(fā)電機(jī)速率誤差的示例是低速(例如發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)但尚不起動(dòng))和高速(例如發(fā)動(dòng)機(jī)超速)。示例VRO電壓誤差是通過比較 V—SENSE和預(yù)編程設(shè)定點(diǎn)確定的低電壓和高電壓。交流發(fā)電機(jī)溫度的示例包括由 于升高的溫度而減小30。/o的電流限制(FOLD一30)、由于進(jìn)一步升高的溫度而減小 6(P/。的電流限制(F0LD—60)、以及由于交流發(fā)電機(jī)具有破壞性(毀壞性)的溫度而 引起系統(tǒng)禁用。散熱片溫度的示例包括由于升高的溫度而減小30%的電流限制 (FOLD_30)、由于進(jìn)一步升高的溫度而減小60M的電流限制(FOLD一60)、以及由于 散熱片具有破壞性(毀壞性)的溫度而引起的系統(tǒng)禁用。與外部獨(dú)立計(jì)算裝置的通 信的示例可包括RS232、通用串行總線、火線(Fire-Wire)。芯片外輔助設(shè)備的示例 包括非易失性存儲(chǔ)器、附加輸入輸出能力、附加模數(shù)轉(zhuǎn)換器、附加數(shù)模轉(zhuǎn)換器、獨(dú) 立實(shí)時(shí)時(shí)鐘。板外硬件包括顯示模塊、按鍵板和狀態(tài)指示器。如前所述，需要一種緊湊型大功率交流發(fā)電機(jī)，其中可通過改變相位磁極線 圈的匝數(shù)來獲得所需輸出電壓，這些線圈相對(duì)而言較易于巻繞并且使短路后果最小 化，同時(shí)易于冷卻。根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，這通過以下來實(shí)現(xiàn)使用預(yù)定數(shù)量(較 佳地等于磁極的數(shù)量)的磁極相位線圈，并且?guī)喞@足夠匝數(shù)的磁極相位線圈[相對(duì) 較小直徑的導(dǎo)線]以便生成交流發(fā)電機(jī)的所需輸出電壓，而且輸出電流除以磁極數(shù) 量之比為l;以及并聯(lián)連接各個(gè)磁極相位線圈，較佳地使用導(dǎo)電相環(huán)138。使用導(dǎo) 電相環(huán)138不僅極大地簡(jiǎn)化了交流發(fā)電機(jī)102的裝配，而且還便于冷卻這些繞組?，F(xiàn)在參看圖17A、 B和C，交流發(fā)電機(jī)102較佳地包括前部端板1702、外 部汽缸1704、后部端板1706、輸出端子126 (每相一個(gè))，然后各條導(dǎo)線可附連 到該端子以向控制系統(tǒng)IOO傳輸相輸出。如最佳地在圖17B (沿圖17A中的剖面 A-A的詳細(xì)視圖)中可見的，交流發(fā)電機(jī)102包括具有置于其內(nèi)表面上的永磁體的 圓柱體轉(zhuǎn)子(為了易于說明起見，未示出)、定子1708和各個(gè)相的各個(gè)導(dǎo)電相環(huán) 138。定子同軸設(shè)置在轉(zhuǎn)子外殼內(nèi)，并且適當(dāng)?shù)匕ㄜ洿判竞蛯?dǎo)電繞組。磁芯通常 是具有帶預(yù)定數(shù)量的等距的齒和槽孔的軸向鋸齒狀外周邊表面的圓柱體。導(dǎo)電繞組(由適當(dāng)?shù)慕^緣導(dǎo)體構(gòu)成，諸如涂漆電動(dòng)機(jī)銅線)穿過相應(yīng)槽孔沿磁芯側(cè)面向外繞
著預(yù)定數(shù)量的齒巻繞，然后穿過另一個(gè)槽孔返回。沿磁芯的側(cè)面在鋸齒狀槽孔的外 部延伸的繞組部分在本文中稱為端匝。轉(zhuǎn)子繞著定子旋轉(zhuǎn)使得從轉(zhuǎn)子磁鐵發(fā)出的磁 通量與定子繞組相互作用，并在定子繞組中感生電流。輸出端子126和熔線124繞著導(dǎo)電相環(huán)138徑向設(shè)置。導(dǎo)電相環(huán)138由例如 黃銅或電鍍銅的適當(dāng)材料制成。導(dǎo)電相環(huán)138可由線材坯形成，或者從一片適當(dāng)材 料沖壓而成。在優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)電相環(huán)是例如需要將成形導(dǎo)電相環(huán)的端部焊接或 硬釬焊在一起的一連續(xù)部分(例如單片)。導(dǎo)電相環(huán)138被固定到不導(dǎo)電的、較佳 地由例如聚酰胺酰亞胺的高抗沖擊和化學(xué)穩(wěn)定的材料制成的導(dǎo)電相環(huán)安裝結(jié)構(gòu) 1712，各個(gè)導(dǎo)電相環(huán)(每相輸出一個(gè))彼此電絕緣，并且與后部端部1706電絕緣。 導(dǎo)電相環(huán)138被定位于通氣道1710中以便最大程度地暴露于交流發(fā)電機(jī)102產(chǎn)生 的氣流，并且定位在定子1708的正上方。沿剖面B-B的詳細(xì)視圖一圖17C示出了輸出端子組件126，該組件由較佳地 為高導(dǎo)電抗蝕材料(例如黃銅或電鍍銅)的導(dǎo)電螺栓1716、以及用來與交流發(fā)電 機(jī)后部端板1716的輸出端子電隔離的、較佳地為高抗沖擊和化學(xué)穩(wěn)定的材料(例 如聚酰胺酰亞胺)的電絕緣套管1714構(gòu)成。在優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)電螺栓1716具有 用作基座的一體化軸肩1720，交流發(fā)電機(jī)后部端板1706從內(nèi)部固定螺母1718，從 而在后部端板1706中鎖住組件。熔線124由例如適當(dāng)直徑和長度的導(dǎo)線(較佳地為電鍍銅)的適當(dāng)材料制成， 當(dāng)遭受很可能損壞交流發(fā)電機(jī)102、控制系統(tǒng)IOO或由所述裝置進(jìn)行供電的電氣系 統(tǒng)的負(fù)載時(shí)，該熔線熔化。在優(yōu)選實(shí)施例中，熔線124被焊接或硬釬焊到導(dǎo)電螺栓 1716和導(dǎo)電相環(huán)138。另一種固定熔線方法是將適當(dāng)?shù)慕泳€片附連到熔線124的端 部，然后通過螺母將該熔線機(jī)械地固定到螺栓1716?，F(xiàn)在參看沿剖面C-C (圖17A)的詳細(xì)局部視圖一圖17D。導(dǎo)電相環(huán)138被固 定到結(jié)構(gòu)1712。導(dǎo)電相環(huán)暴露于氣流1722，從而冷卻導(dǎo)電相環(huán)138。定子1708被 裝入外部汽缸1704中并被固定到后部端板1706。導(dǎo)體1724從定子1708引出，并 被焊接或硬纖焊到它們各自的導(dǎo)電相環(huán)。在優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)體1724暴露于氣流 1722。在特定情況中，可能期望將導(dǎo)體1724插入到例如諾梅克斯(Nomex)的薄 壁電絕緣材料1726中以避免接地?，F(xiàn)在參看圖17E。另一種制造導(dǎo)電相環(huán)138的方法是通過使其形成呈現(xiàn)用于鉆 出和開出孔1728的適當(dāng)表面的矩形坯料來實(shí)現(xiàn)。在此實(shí)施例中，熔線124的端部 可附連(通過例如帶螺紋緊固件1732緊固的適當(dāng)接線片1730)到導(dǎo)電相環(huán)138。同樣地，導(dǎo)體1724也可配備類似接線片，并使用緊固件1734固定到導(dǎo)電相環(huán)138。 導(dǎo)電相環(huán)138進(jìn)而使用類似于1712的適當(dāng)結(jié)構(gòu)以類似方式固定到后部端板1706。現(xiàn)在參看圖18A。單個(gè)磁極相位線圈1802被巻繞在定子1708的槽孔1804中。 包括線圈1802的導(dǎo)體1724的匝數(shù)等于生成交流發(fā)電機(jī)一個(gè)相的標(biāo)稱輸出電壓所需 的匝數(shù)。單個(gè)相位線圈的輸出電流除以交流發(fā)電機(jī)的磁極數(shù)量等于1。因而，單個(gè) 磁極相位線圈由相對(duì)大匝數(shù)的相對(duì)較小導(dǎo)線制成。這種構(gòu)造在交流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造期間以及交流發(fā)電機(jī)工作期間形成了許多優(yōu)點(diǎn)。1. 因?yàn)閱蝹€(gè)磁極相位線圈由相對(duì)較大匝數(shù)制成，所以設(shè)計(jì)電壓中的小變化可 通過改變?cè)褦?shù)來實(shí)現(xiàn)。例如，以常規(guī)方式巻繞且所有磁極相線圈串聯(lián)連接的特定 12極交流發(fā)電機(jī)可能需要等于線規(guī)為6.285的1.0417匝導(dǎo)體來在1940 rpm下產(chǎn)生 14 VDC (在適當(dāng)?shù)恼髦?、300安培。匝數(shù)和等效的線規(guī)都不是制造用的實(shí) 際數(shù)字。通過構(gòu)造磁極相位線圈并聯(lián)連接的示例交流發(fā)電機(jī)，各個(gè)單磁極相位線圈 可以是線規(guī)為17的12.5匝。(注意半匝通過端接在定子層壓疊層一側(cè)的單磁極 相位線圈的一端即起點(diǎn)，和在定子層壓疊層另一側(cè)的另一端即終點(diǎn)來構(gòu)造。圖18A 中示出了這種結(jié)構(gòu)。)此外，在此示例中，將原始設(shè)計(jì)增至1.0833匝(再次為非 實(shí)際數(shù)字)會(huì)使rpm減至1894。在替代結(jié)構(gòu)中，這可通過將各個(gè)并聯(lián)磁極相位線 圈增至13匝來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)體的相對(duì)較小橫截面積使得線圈的巻繞更容易。2. 單個(gè)磁極相位線圈的各匝之間的短路導(dǎo)致了交流發(fā)電機(jī)中生成的大多數(shù)電 能流入短接線圈中。因?yàn)榫€圈由相對(duì)較大匝數(shù)的相對(duì)較小橫截面積的導(dǎo)體構(gòu)成，所 以短接匝數(shù)將極快速地熔化，從而消除短路。 一個(gè)磁極相位線圈開路所導(dǎo)致的輸出 功率的減少量約為1/(磁極數(shù)量+相數(shù)量)。例如， 一個(gè)磁極相位線圈短接且然后自 消除的12極三相交流發(fā)電機(jī)的功率輸出減少量約為3%。3. 參看以上的示例3，單磁極相位線圈的各匝之間的短路通常在少于兩秒的 時(shí)間內(nèi)被消除。對(duì)交流發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的損壞被消除，發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作且無附加負(fù) 載，并且交流發(fā)電機(jī)繼續(xù)對(duì)所連接的負(fù)載產(chǎn)生功率?，F(xiàn)在參看圖18B，導(dǎo)電相環(huán)138單獨(dú)地標(biāo)識(shí)為A環(huán)1806、 B環(huán)1808和C環(huán) 1810。為了清晰起見，三個(gè)單磁極相位線圈導(dǎo)體一A相1812、 B相1814和C相 1816 —被示出為不帶它們各自的線圈。在此實(shí)例中，構(gòu)成磁極相位線圈組的三磁極 相位線圈的每一個(gè)連接成"Y形"連接1824。如先前所述，也可使用相集電環(huán)實(shí) 現(xiàn)"三角形"連接的使用。
現(xiàn)在參看圖18C，三相交流發(fā)電機(jī)的三個(gè)單磁極相位線圈包括共同構(gòu)成磁極相位線圈組1826的A磁極相位線圈1818、 B磁極相位線圈1820和C磁極相位線 圈1822。交流發(fā)電機(jī)的每一個(gè)磁極有一個(gè)磁極相位線圈組(例如12極交流發(fā)電機(jī) 中有12個(gè)磁極相位線圈組)。4.現(xiàn)在參看圖18D， 12極交流發(fā)電機(jī)的所有磁極相位線圈導(dǎo)體1724被示為 附連到它們各自的導(dǎo)電相環(huán)1806、 1808和1810。還示出了各個(gè)磁極組的"Y形" 連接1824。為了清晰起見，未示出線圈本身。圖18D部分地示出了以不妨礙冷卻 的有效方式集合各個(gè)相位線圈導(dǎo)體時(shí)存在的問題。相位線圈導(dǎo)體以90度離開相位 線圈端匝到定子1708的表面，則端匝暴露于最大可能氣流，進(jìn)而可能向例如所述 端匝提供最佳的可能冷卻。盡管已結(jié)合各個(gè)示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于所示具體形 式，并且可構(gòu)想可創(chuàng)建本發(fā)明的其它實(shí)施例而不背離本發(fā)明的精神。如以下權(quán)利要 求中所表示的，根據(jù)本發(fā)明可對(duì)設(shè)計(jì)和配置的元件、材料、數(shù)值、結(jié)構(gòu)以及其它方 面做出變化。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，響應(yīng)于AC信號(hào)的至少一相，用于生成對(duì)開關(guān)整流器的控制信號(hào)從而生成調(diào)節(jié)DC信號(hào)，所述系統(tǒng)包括零交叉檢測(cè)器，響應(yīng)于表示所述AC相的第一信號(hào)，用于生成所述AC相中的零交叉的標(biāo)記；可調(diào)斜坡發(fā)生器，響應(yīng)于表示所述AC相的第二信號(hào)和零交叉的所述標(biāo)記，用于生成表示從出現(xiàn)零交叉時(shí)起累積并基于所出現(xiàn)的下一相繼零交叉復(fù)位的所述AC相的電壓的時(shí)間積分的斜坡信號(hào)；觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器，響應(yīng)于所述時(shí)間積分斜坡信號(hào)和表示保持設(shè)定DC輸出的所需點(diǎn)火角的基準(zhǔn)信號(hào)，用于根據(jù)所述時(shí)間積分斜坡信號(hào)與所述基準(zhǔn)信號(hào)的比較生成對(duì)所述開關(guān)整流器的所述控制信號(hào)。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，表示所述AC相的所述第一和第 二信號(hào)是不同的相隔離信號(hào)。
3. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，表示所述AC相的所述第一和第 二信號(hào)由初級(jí)線圈通過所述AC相驅(qū)動(dòng)的隔離變壓器的各個(gè)次級(jí)繞組生成。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述零交叉檢測(cè)器包括 比較器，響應(yīng)于表示所述AC相的所述第一信號(hào)，用于生成表示所述AC相信號(hào)的極性，以及指示零交叉的所述極性信號(hào)中的躍遷的信號(hào)；可調(diào)熄滅裝置，用于生成響應(yīng)于所述極性信號(hào)中的躍遷啟動(dòng)的熄滅脈沖，并 且具有與連續(xù)零交叉之間的預(yù)定周期部分相等的持續(xù)時(shí)間；以及復(fù)位脈沖發(fā)生器216，用于響應(yīng)于所述極性信號(hào)中預(yù)定極性的躍遷，生成預(yù)定 持續(xù)時(shí)間的脈沖作為所述AC相中零交叉的所述標(biāo)記。
5. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)熄滅裝置包括具有相關(guān)聯(lián)定時(shí)電容器的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由所述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器生成的所述脈 沖具有受對(duì)所述定時(shí)電容器充電所需的時(shí)間控制的持續(xù)時(shí)間，設(shè)置成對(duì)所述定時(shí)電容器充電的電流源，所述電流源通過與所述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā) 器輸出的占空比成比例的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)，從而對(duì)所述定時(shí)電容器充電所需的時(shí)間與所 述單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的所述占空比成反比。
6. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，響應(yīng)于AC信號(hào)的多個(gè)相，所述 系統(tǒng)包括針對(duì)各個(gè)相的零交叉檢測(cè)器，響應(yīng)于表示所述AC相的第一信號(hào)，用于生成所述AC相中的 零交叉的標(biāo)記；可調(diào)斜坡發(fā)生器，響應(yīng)于表示所述AC相的第二信號(hào)和零交叉的所述標(biāo)記， 用于生成表示從出現(xiàn)零交叉時(shí)起累積并基于所出現(xiàn)的下一相繼零交叉復(fù)位的所述 AC相的電壓的時(shí)間積分的斜坡信號(hào)；觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器，響應(yīng)于所述時(shí)間積分斜坡信號(hào)和表示保持設(shè)定DC輸出的 所需點(diǎn)火角的基準(zhǔn)信號(hào)，用于根據(jù)所述時(shí)間積分斜坡信號(hào)與所述基準(zhǔn)信號(hào)的比較生 成對(duì)所述開關(guān)整流器的所述控制信號(hào)。
7. 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，響應(yīng)于所述AC信號(hào)的第一相， 以及至少一其它相，還包括針對(duì)各個(gè)其它相的相應(yīng)AGC放大器，它用于將來自與 所述第一相相關(guān)聯(lián)的所述斜坡發(fā)生器的斜坡的平均電壓和來自與所述其它相相關(guān) 聯(lián)的所述斜坡發(fā)生器的斜坡的平均電壓作比較，并且調(diào)節(jié)與所述其它相相關(guān)聯(lián)的所 述斜坡發(fā)生器的增益，使得與所述其它相相關(guān)聯(lián)的所述斜坡發(fā)生器的所述斜坡的所 述時(shí)間積分等于與所述第一相相關(guān)聯(lián)的所述斜坡發(fā)生器的所述斜坡的所述時(shí)間積 分。
全文摘要
一種可適應(yīng)諸如永磁體交流發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)的輸出中的寬泛變化、同時(shí)提供具有相對(duì)較均勻的相位紋波的輸出的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括零交叉檢測(cè)器(206B)和可調(diào)斜坡發(fā)生器(208A)，以生成對(duì)開關(guān)整流器的控制信號(hào)，從而生成調(diào)節(jié)DC信號(hào)。
文檔編號(hào)H02M7/162GK101156307SQ200680008421
公開日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月2日
發(fā)明者C·Y·拉弗塔尼, D·E·威廉姆斯, H·C·斯科特, I·S·法伯曼, S·C·考齊 申請(qǐng)人:磁應(yīng)用股份有限公司