無軌道運動車輛電氣控制系統的設計與實現

摘 要： 為了實現無軌道運動車輛的遙控并控制車輛穩定可靠運行，設計了一種智能遙控系統。系統的電氣控制部分采用了電力拖動方式，使用常規的繼電器和接觸器控制，用幾種專用繼電器實現對過載、過流、零壓、欠壓等的保護。用大功率的無觸點開關來實現風門的開啟和關閉，保證了發電機可靠的啟動和關閉。通過對控制電機正轉，控制風門的效果反復檢驗和改進，取得了滿意的效果，體現了這種控制方式的可行性和有效性。

關鍵字： 電力拖動； 電樞電壓； 行程開關； 控制邏輯

中圖分類號： TN911?34； TP27 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）08?0163?03

0 引 言

實彈射擊是每個部隊每年都必須進行的訓練內容，僅就裝甲機械化部隊而言，目前的戰斗射擊場，尚沒有無人值守的控制目標隱顯、運動的系統。過去裝甲車輛戰斗射擊場的目標隱顯系統，均為地下鋼筋混凝土掩蔽工事，多采用人工或機械方式顯示目標；運動車輛則采用軌道結構封閉式靶道，使整個場地配套設施繁多，造價高，維護保養復雜。這里所研制的無軌道運動車輛結構簡單，方便易用；運動目標速度可調、設置簡便、自帶動力、無需軌道，不依賴場地設施，不需要保障人員在目標區操控，從而解決了長期困擾部隊實彈射擊訓練時的人員安全問題。

無軌道運動車輛的工作方式為[1]電力拖動方式，即采用直流電動機作為原動機，減速機和皮帶輪作為傳動機構，車體作為工作機構。它依靠車體內所附帶交流發電機產生電能，來驅動電動機以及電氣控制系統工作，從而把電能轉換成機械能。根據上面論述，它分為兩部分：電力拖動部分、電氣控制部分。由于電機不需要頻繁的正反轉，可以采用繼電器和接觸器實現換向，結合調速器實現調速的方案，實現系統的構架，這樣就可以簡化了系統的設計。拓展開來，具體可把運動目標的電控系統分為：電機正反轉電路、風門控制電路、電源電路及電機保護措施等。

1 電機正反轉電路

目標能夠實現前進、后退、停止等動作，靠的是電機的正反轉，為了實現電機的正反轉，本設計使用了常規的繼電器、接觸器控制系統。電機正反轉電路如圖1示。由于控制電路使用了交流電源，因此控制器件采用了交流繼電器和交流接觸器[2]，繼電器和接觸器的主要區別是接觸器有主、輔觸點之分，而繼電器只有主觸點；接觸器的觸點所能容許的負載電流大，而繼電器的觸點負載電流能力小，通常不能直接和負載相連。本設計中，考慮到車體運行時的大功率以及控制電路所需要的觸點分配，繼電器使用了3開1閉的觸點結構，接觸器使用了3開3閉的觸點結構。為了近距離控制的方便，直接使用了具有3位結構的鈕子開關作為前進、后退、停止的控制開關。

如果車體在高速運行的情況下失去控制，將會引起碰撞，后果將很嚴重，作為保護，設置了2個行程開關，一旦車體到了安全行程處，就會觸發行程開關動作，切斷電氣控制電路，電機停轉，保護了車體不受撞壞。

綜合上面的考慮，電機的正反轉控制電路便可以設計出來。零速繼電器的常閉觸點平時閉合，此時沒有速度，目標處于停止狀態。一旦系統接收到前進（或者后退）的命令，則1J（2J）繼電器線圈得電吸合，并自保持，從而接觸器1C （2C）線圈得電也吸合，調速器使能，輸出電壓提供給電機，電機開始轉動，目標就開始運動。一旦電機轉動，零速繼電器的常閉觸點斷開，從而零速繼電器觸點所控制的3J線圈也失去電壓，斷開，其常開觸點處于開的狀態，這時候如果系統得到停止的命令，只要把前進或者后退的控制點斷開，則1J（2J），1C（2C）也就相應的斷開，調速器使能關閉，提供給電機的電樞電壓為0，電機停轉，目標停止運動。

2 發電機啟動電路

發電機的工作可以提供交流220 V的電源供給系統作為工作電源。為了實現發電機的遠程遙控啟動和關閉，必須改造發電機的啟動機構，并設計出合理的風門控制電路進行控制，以實現發電機的啟動和關閉。

遠程的發電機啟動實際是采用繼電器來模仿人工啟動的過程。人工發電機的啟動包括拉風門、啟動、關閉3個動作，因此設計的電路必須能夠保證包括這3種功能。在實際的設計過程中，利用了永磁直流減速電機實現了拉風門、關風門動作，通過自行設計的轉接頭，把電機軸承的圓周轉動變為橫向的伸縮動作。當小電機正轉的時候，拉風門；當電機反轉的時候，關風門。從而把拉風門和關風門的實現變為設計一個控制電機正反轉的電路，整個思想就變得明朗化了。

小型繼電器屬于有觸點的開關器件，常用于小功率電路中。在此設計中，永磁電機正反轉時電流很大，因此決定采用大功率的場效應管MOSFET[3]，這是一種無觸點的電力電子開關器件。為了控制電機的正反轉，決定使用比較成熟的MOS橋電路來實現電機的電樞電源的正反切換，從而改變電機的轉動方向。考慮到永磁電機的工作電流和功率的因素，NMOS選擇了IRF540，PMOS采用了IRF9540。

MOS 橋電路如圖2所示。

MOS 橋電路中上面為P溝道的MOSFET，下面為N溝道的MOSFET，直流電機為永磁直流減速電機。由于采用的是12 V電壓，對于P溝道和N溝道的MOS管的驅動都可以簡單實現。另外，它不需要調速，也就不需要高頻的工作，它只有兩種運行狀態，要么電機正轉，要么電機反轉，如果拉風門是正轉，那么關閉風門就是反轉，而且在一個比較長的時間1～3 s內都是這個狀態。因此，驅動電路可以簡單的利用4000系列的CMOS邏輯器件就可以直接電壓驅動。

對于大功率的電力電子器件[4]，為了其良好的工作，需要注意兩點：

（1）要讓其在限定能力下工作，并留出大量的裕量，使其更加安全可靠的工作，一定保持外部條件，在大電流下長時間工作時，加散熱片是非常必須的；

（2）嚴把安裝和制作工藝，電力電子器件也屬于相對嬌氣的一種，如果不小心使用和安裝，就會對之造成損壞。

在運動目標的發電機啟動電路中[5]，風門控制電路的邏輯控制通過了CMOS門的與非門芯片4011，它的工作電壓可以在3～18 V，實際中使用12 V電源統一供電。這樣不采用TTL的5 V工作電源，就可以減小提供5 V電源的LM7805芯片的壓力，更能保證系統不會出現因為燒壞5 V電源芯片而導致電路不能用得可能。電路邏輯容易分析，在這里作者就不詳細說明了。

發電機啟動時，先啟動拉風門電路，使電機正轉，接下來就可以打火，發電機啟動成功后，關閉風門。當發電機啟動完畢，這部分電路就可以暫時休息。再使用時，切斷繼電器，就可以關閉發電機，實現發電機的熄火功能。

發電機瞬間啟動時電流很大，為了方便，在這里采用了2個12 V、10 A 的大功率、大電流的小繼電器實現發電機的點火功能。

無論是電機的正反轉還是發電機的點火和繼電器的工作，其控制都采用了負邏輯，“0”電平輸入控制有效。這樣容易避免誤動作。為了統一，通過了一個遙控和手動的轉換開關進行切換控制信號的類型，手動時靠手按按鈕，一旦按下，給電路輸入了一個“0”電平信號；遙控時靠單片機的輸出端口，并通過三極管把TTL電平轉換成12 V電平能與發電機啟動電路常用的工作電平匹配，一旦三極管導通，就有了控制信號“0”電平，電路就可以進行相應的工作。

3 電源設計

發電機啟動前主要靠蓄電池提供電源，本地控制時，操作人員可以直接按動相應按鈕實現發電機的啟動；遠程時靠單片機系統工作，接收命令來實現發電機的啟動。

從以上分析來看，發電機啟動前靠蓄電池提供電源，發電機啟動后就可以靠發電機提供電源并可以給蓄電池充電。

因此，必須考慮直流電源和交流電源的關系，把交流的220 V電源變為單片機系統的工作電源。在這里為了減少干擾，采用了電源模塊，直接把交流的220 V電源變為直流15 V電源，提供無線數傳模塊工作。直流15 V電源再經過7805的轉換，把15 V電壓變為5 V電壓提供單片機工作。

蓄電池電源和經發電機的轉換的電源的先后工作，通過一個二極管來切換。發電機啟動前靠蓄電池提供12 V電源，發電機啟動后向控制電路提供了15 V的電源，這樣15 V和12 V的壓差大于二極管的開啟壓差0.7 V，就自然的使蓄電池電源關斷。具體電路如圖3所示。

4 保護電路

運動目標的前進或者后退的驅動動力是電機和相應的減速裝置，而運動目標的靈魂是電氣控制系統。作為電氣控制系統，要想長期正常的無故障運行，必須有各種保護措施。保護環節是所有電氣控制系統不可缺少的組成部分，利用它來保護電動機、電氣控制設備、電氣控制線路以及人身安全等。

電氣控制系統中常用的保護環節有過載保護、短路電流保護、零電壓保護和欠電壓保護以及弱磁保護等[6]。在本設計中，由于系統的功能相對簡單，牽涉的電器系統器件不多，原理上可以使用熱熔斷器作短路保護；熱繼電器作過載保護；過流繼電器作過流保護；電壓繼電器作零壓保護；欠電壓繼電器作低壓保護。

5 結 語

在本文中，采用大功率的無觸點開關來實現風門的開啟和關閉，采用2個低電壓、大功率的繼電器來啟動發電機。這套電路單獨采用12 V電源供電，采用負邏輯工作。如果需要和單片機保持信號隔離，就需要解決隔離和共地這兩個問題。這里采用2級光電隔離，解決了干擾和共地問題，使得系統運行更加可靠。

參考文獻

[1] 胡虔生，胡敏強.電機學[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 陳立定.電氣控制與可編程序控制器的原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3] 梁南丁.電力電子技術[M].北京：北京大學出版社，2009.

[4] 丁堅勇，程建翼.電力系統自動化[M].北京：中國電力出版社，2006.

[5] 王躍進.機械原理[M].北京：北京大學出版社，2009.

[6] 張保會.電力系統繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2005.