基于DSP的起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)數(shù)字化控制設(shè)計(jì)

黃前華+鄭世芳

摘 要： 簡(jiǎn)要介紹直流起動(dòng)機(jī)控制的基本原理， 在此基礎(chǔ)上提出當(dāng)前起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)的控制弊端，并設(shè)計(jì)了新的數(shù)字化控制方法。該方法通過(guò)DSP和功率MOS實(shí)現(xiàn)將電磁開(kāi)關(guān)控制電路中，開(kāi)關(guān)信號(hào)部分與大電流的線圈控制部分分開(kāi)，不僅有效的解決了當(dāng)前起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)的控制開(kāi)關(guān)過(guò)大電流的問(wèn)題，而且解決了起動(dòng)機(jī)為多種類型時(shí)電磁開(kāi)關(guān)的控制問(wèn)題。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還具有控制方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿足控制要求，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 起動(dòng)機(jī)； 電磁開(kāi)關(guān)； 控制電路； 數(shù)字化控制

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）18?0143?03

Design of digitized control circuit for electromagnetic switch used on starting motor based on the DSP

HUANG Qian?hua1， ZHENG Shi?fang2

（1. Anhui JIYUAN Electric Power System Tech Co.， Ltd.， Hefei 230088， China； 2. Hefei TZ Electromechanical Control Technique Co.， Ltd.， Hefei 230088， China）

Abstracts： The basic control principle of the DC starting motor is introduced in this paper. The weakness of the control circuit of the electromagnetic switch used on the available starting motor is pointed out. A new digitized control circuit is put forward. DSP and MOSFET are used in this design to separate the switch signal from high?current coil control section in the control circuit of the electromagnetic switch， which can not only settle the problem that the high current pass through the control switch， but also settle the electromagnetic switch control problem when the starting motor pattern is various. This new control circuit has the characteristic of simple control and is easy to put into effect. The experimental results show that this design can satisfy the design requirements.

Keywords： starting motor； electromagnetic switch； control circuit； digitized control

起動(dòng)機(jī)是用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到能自行運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的起動(dòng)系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的起動(dòng)機(jī)全為直流起動(dòng)系統(tǒng)，主要由起動(dòng)電機(jī)（串勵(lì)電機(jī)）、控制電路（蓄電池、電磁開(kāi)關(guān)和起動(dòng)控制開(kāi)關(guān)等）及機(jī)械嚙合（撥叉、驅(qū)動(dòng)齒輪、單向離合器及飛輪）三大部分組成。

1 目前廣泛使用的起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)控制電路

工作原理

1.1 起動(dòng)機(jī)工作原理

直流起動(dòng)機(jī)示意圖如圖1所示，其具體工作過(guò)程如下：接通起動(dòng)開(kāi)關(guān)（即圖1中的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)），電磁開(kāi)關(guān)的吸拉線圈和保持線圈得電，電磁開(kāi)關(guān)動(dòng)、靜鐵芯產(chǎn)生吸拉力，動(dòng)鐵芯向靜鐵芯方向移動(dòng)，動(dòng)鐵芯通過(guò)拉鉤拉動(dòng)撥叉，在撥叉的推動(dòng)作用下，轉(zhuǎn)子軸上的單相離合器移動(dòng)到嚙合位置與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪嚙合；在此同時(shí)，在電磁開(kāi)關(guān)動(dòng)鐵芯的作用下，電磁開(kāi)關(guān)主觸點(diǎn)接通，起動(dòng)機(jī)電機(jī)部分得電，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，單向器小齒輪作為主動(dòng)輪帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)并達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，斷開(kāi)起動(dòng)開(kāi)關(guān)（即點(diǎn)火開(kāi)關(guān)），電磁開(kāi)關(guān)線圈失電，動(dòng)鐵芯在復(fù)位簧的作用下復(fù)位，在動(dòng)鐵芯復(fù)位時(shí)，斷開(kāi)主觸點(diǎn)，與此同時(shí)拉鉤推動(dòng)撥叉使單向離合器復(fù)位，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

圖1 起動(dòng)機(jī)示意圖

1.2 目前起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)控制原理

現(xiàn)有起動(dòng)機(jī)上電磁開(kāi)關(guān)控制電路原理示意圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)有起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)控制電路原理示意圖

起動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合后，電磁開(kāi)關(guān)的吸拉線圈和保持線圈得電（保持線圈得電回路：蓄電池正極、起動(dòng)開(kāi)關(guān)、保持線圈、蓄電池負(fù)極；吸拉線圈得電回路：蓄電池正極、起動(dòng)開(kāi)關(guān)、吸拉線圈、電機(jī)、蓄電池負(fù)極），電磁開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)吸合，電機(jī)得電開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，吸拉線圈失電（由于電磁開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)吸合，使得吸拉線圈兩端的電位相等），電磁開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的吸合狀態(tài)僅靠保持線圈得電產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)維持，待起動(dòng)結(jié)束后，起動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，保持線圈失電，電磁開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)斷開(kāi)，電機(jī)供電回路斷開(kāi)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3 目前起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)控制弊端

（1） 起動(dòng)開(kāi)關(guān)易損壞。由現(xiàn)有起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)控制電路原理示意圖中可以看出，電磁開(kāi)關(guān)的保持線圈電流（約12 A）及吸拉線圈工作電流（約90 A）經(jīng)過(guò)起動(dòng)開(kāi)關(guān)，這么大的電流經(jīng)過(guò)起動(dòng)開(kāi)關(guān)，容易造成在起動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合瞬間，起動(dòng)開(kāi)關(guān)出現(xiàn)打火現(xiàn)象，從而損壞起動(dòng)開(kāi)關(guān)。

（2） 能源的浪費(fèi)。由于起動(dòng)時(shí)間是通過(guò)人手動(dòng)控制起動(dòng)開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間來(lái)控制的，實(shí)際操作時(shí)，為了確保起動(dòng)成功，往往會(huì)增加起動(dòng)時(shí)間，另外，由于反應(yīng)時(shí)間和感知判斷力的差別，也使得不可能在發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛完成起動(dòng)后就立即斷開(kāi)起動(dòng)機(jī)，往往是在遠(yuǎn)大于實(shí)際起動(dòng)時(shí)間的情況下才斷開(kāi)起動(dòng)機(jī)，即起動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成電池電能的浪費(fèi)。

（3） 不適用于未來(lái)起動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求。目前使用的起動(dòng)電機(jī)全為直流串勵(lì)電機(jī)，該類型的電機(jī)為直流有刷電機(jī)，不僅存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、故障率高、維護(hù)麻煩等缺陷，也不能滿足以高速、高壓、高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)為特征的未來(lái)裝備的起動(dòng)需求。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的起動(dòng)機(jī)必然會(huì)被交流異步電機(jī)所取代。從異步電機(jī)的控制電路可以看出，未來(lái)電磁開(kāi)關(guān)的作用僅僅是控制異步電機(jī)控制電路的直流側(cè)供電，按照目前電磁開(kāi)關(guān)的控制方法，電磁開(kāi)關(guān)吸拉線圈已經(jīng)不能構(gòu)成得電回路，即目前的控制電路不再滿足控制要求，即不適用于未來(lái)起動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求。

2 基于DSP的新型起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)控制電

路工作原理

2.1 新型起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)控制電路原理示意圖

基于DSP的新型起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)控制電路原理示意圖如圖3所示。當(dāng)起動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合后，DSP控制吸拉線圈定時(shí)得電和保持線圈得電，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)吸合，直流串勵(lì)電機(jī)工作，待起動(dòng)完成時(shí)間到時(shí)，DSP自動(dòng)控制保持線圈失電，電磁開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)斷開(kāi)，電機(jī)停止工作，起動(dòng)完成。可以看出，此控制電路中起動(dòng)開(kāi)關(guān)只作為一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)送DSP檢測(cè)，電流大小是毫安級(jí)的，有效地解決了起動(dòng)開(kāi)關(guān)過(guò)大電流的問(wèn)題，同時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)的吸合時(shí)間是由DSP控制的，即起動(dòng)時(shí)間是DSP控制的，所以也解決了起動(dòng)時(shí)間控制問(wèn)題。最后，由于電磁開(kāi)關(guān)的閉合是由DSP單獨(dú)控制的，與后面的電機(jī)無(wú)關(guān)，所以不管后面的電機(jī)為何類型，電磁開(kāi)關(guān)的控制都能隨意進(jìn)行，所以解決了未來(lái)電機(jī)的發(fā)展需求。

圖3 新型起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)控制電路原理示意圖

2.2 基于DSP的電磁開(kāi)關(guān)控制電路圖

電磁開(kāi)關(guān)控制電路如圖4所示。當(dāng)DSP發(fā)出起動(dòng)控制信號(hào)（低電平）時(shí)，光耦導(dǎo)通，輸出一個(gè)低電平分別送比較器的反向輸入端和555定時(shí)器觸發(fā)電容端，555定時(shí)器被觸發(fā)，輸出一個(gè)高電平，經(jīng)過(guò)2181驅(qū)動(dòng)功率放大后，驅(qū)動(dòng)MOS管Q1，Q1導(dǎo)通，吸拉線圈得電，與此同時(shí)，光耦輸出信號(hào)和參考電平比較輸出一個(gè)高電平，控制MOS管Q2導(dǎo)通，保持線圈得電。當(dāng)555定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到時(shí)，輸出低電平，關(guān)斷MOS管Q1，吸拉線圈失電，僅靠保持線圈維持電磁開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)吸合。當(dāng)起動(dòng)完成時(shí)間到時(shí)，DSP發(fā)出一個(gè)停止控制信號(hào)（高電平），光耦斷開(kāi)，光耦輸出端為一個(gè)+5 V高電平，分別送比較器的反向輸入端和555定時(shí)器觸發(fā)電容端，555定時(shí)器未能觸發(fā)，輸出一個(gè)低電平，與此同時(shí)，比較器比較輸出一個(gè)低電平，MOS管Q1，Q2都關(guān)斷，吸拉線圈和保持線圈都失電，電磁開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)斷開(kāi)。本方案中的MOS選取了IRF2907，該MOS的額定過(guò)流能力為209 A，很好地滿足了電磁開(kāi)關(guān)線包的過(guò)流要求。

3 實(shí)驗(yàn)波形

本實(shí)驗(yàn)選取了強(qiáng)華的9 kW起動(dòng)機(jī)（QDJ2943P）為對(duì)象，電磁開(kāi)關(guān)控制板的控制芯片選用了Freescale的DSP 56F8013。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)得該起動(dòng)機(jī)用的電磁開(kāi)關(guān)的吸拉線圈導(dǎo)通電流為95 A，保持線圈導(dǎo)通電流為12 A，最小吸拉時(shí)間約為40 ms，為了可靠，實(shí)驗(yàn)時(shí)控制吸拉線圈的得電時(shí)間為45 ms，MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓為+12 V，MOS管的驅(qū)動(dòng)波形圖如圖5所示。

圖5 電磁開(kāi)關(guān)電路中MOS管的驅(qū)動(dòng)波形圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的新型起動(dòng)機(jī)用電磁開(kāi)關(guān)控制電路，不僅原理簡(jiǎn)單，操作方便，而且有效地解決了傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)的控制弊端，經(jīng)過(guò)多次車上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該控制電路可靠性較高。

參考文獻(xiàn)

[1] 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2] 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3] 劉和平，鄧力.DSP原理及電機(jī)控制應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4] 王嘵明，王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[5] RICHTER E， FERREIRA C A. Initial testing of a 250 kW starter/generator for aircraft application [R]. USA： SAE， 1994.

[6] ELBULUK M E， KANKAN M D. Potential starter/generator technologies for future aerospace application [J]. IEEE AES Systems， 1997， 21（5）： 24?31.