基于DSP的起動機用電磁開關數字化控制設計

黃前華+鄭世芳

摘 要： 簡要介紹直流起動機控制的基本原理， 在此基礎上提出當前起動機用電磁開關的控制弊端，并設計了新的數字化控制方法。該方法通過DSP和功率MOS實現將電磁開關控制電路中，開關信號部分與大電流的線圈控制部分分開，不僅有效的解決了當前起動機用電磁開關的控制開關過大電流的問題，而且解決了起動機為多種類型時電磁開關的控制問題。同時，該設計還具有控制方法簡單，容易實現等特點。實驗結果表明，該設計滿足控制要求，具有很好的應用推廣價值。

關鍵詞： 起動機； 電磁開關； 控制電路； 數字化控制

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

起動機是用于控制發動機由靜止狀態過渡到能自行運轉狀態的起動系統。目前國內市場上的起動機全為直流起動系統，主要由起動電機（串勵電機）、控制電路（蓄電池、電磁開關和起動控制開關等）及機械嚙合（撥叉、驅動齒輪、單向離合器及飛輪）三大部分組成。

1 目前廣泛使用的起動機用電磁開關控制電路

工作原理

1.1 起動機工作原理

直流起動機示意圖如圖1所示，其具體工作過程如下：接通起動開關（即圖1中的點火開關），電磁開關的吸拉線圈和保持線圈得電，電磁開關動、靜鐵芯產生吸拉力，動鐵芯向靜鐵芯方向移動，動鐵芯通過拉鉤拉動撥叉，在撥叉的推動作用下，轉子軸上的單相離合器移動到嚙合位置與發動機飛輪嚙合；在此同時，在電磁開關動鐵芯的作用下，電磁開關主觸點接通，起動機電機部分得電，電機轉速迅速上升，單向器小齒輪作為主動輪帶動發動機飛輪旋轉并達到發動機點火轉速。發動機起動后，斷開起動開關（即點火開關），電磁開關線圈失電，動鐵芯在復位簧的作用下復位，在動鐵芯復位時，斷開主觸點，與此同時拉鉤推動撥叉使單向離合器復位，整個起動過程結束。

圖1 起動機示意圖

1.2 目前起動機用電磁開關控制原理

現有起動機上電磁開關控制電路原理示意圖如圖2所示。

圖2 現有起動機用電磁開關控制電路原理示意圖

起動開關閉合后，電磁開關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、起動開關、保持線圈、蓄電池負極；吸拉線圈得電回路：蓄電池正極、起動開關、吸拉線圈、電機、蓄電池負極），電磁開關的觸點吸合，電機得電開始轉動，與此同時，吸拉線圈失電（由于電磁開關的觸點吸合，使得吸拉線圈兩端的電位相等），電磁開關觸點的吸合狀態僅靠保持線圈得電產生的磁場來維持，待起動結束后，起動開關斷開，保持線圈失電，電磁開關觸點斷開，電機供電回路斷開，電機停止轉動。

1.3 目前起動機用電磁開關控制弊端

（1） 起動開關易損壞。由現有起動機用電磁開關控制電路原理示意圖中可以看出，電磁開關的保持線圈電流（約12 A）及吸拉線圈工作電流（約90 A）經過起動開關，這么大的電流經過起動開關，容易造成在起動開關閉合瞬間，起動開關出現打火現象，從而損壞起動開關。

（2） 能源的浪費。由于起動時間是通過人手動控制起動開關的閉合時間來控制的，實際操作時，為了確保起動成功，往往會增加起動時間，另外，由于反應時間和感知判斷力的差別，也使得不可能在發動機剛剛完成起動后就立即斷開起動機，往往是在遠大于實際起動時間的情況下才斷開起動機，即起動機的工作時間過長，造成電池電能的浪費。

（3） 不適用于未來起動機的發展需求。目前使用的起動電機全為直流串勵電機，該類型的電機為直流有刷電機，不僅存在結構復雜、可靠性差、故障率高、維護麻煩等缺陷，也不能滿足以高速、高壓、高功率電機驅動為特征的未來裝備的起動需求。隨著控制技術的發展，未來的起動機必然會被交流異步電機所取代。從異步電機的控制電路可以看出，未來電磁開關的作用僅僅是控制異步電機控制電路的直流側供電，按照目前電磁開關的控制方法，電磁開關吸拉線圈已經不能構成得電回路，即目前的控制電路不再滿足控制要求，即不適用于未來起動機的發展需求。

2 基于DSP的新型起動機用電磁開關控制電

路工作原理

2.1 新型起動機用電磁開關控制電路原理示意圖

基于DSP的新型起動機用電磁開關控制電路原理示意圖如圖3所示。當起動開關閉合后，DSP控制吸拉線圈定時得電和保持線圈得電，并開始計時，電磁開關觸點吸合，直流串勵電機工作，待起動完成時間到時，DSP自動控制保持線圈失電，電磁開關觸點斷開，電機停止工作，起動完成。可以看出，此控制電路中起動開關只作為一個開關信號送DSP檢測，電流大小是毫安級的，有效地解決了起動開關過大電流的問題，同時，電磁開關的吸合時間是由DSP控制的，即起動時間是DSP控制的，所以也解決了起動時間控制問題。最后，由于電磁開關的閉合是由DSP單獨控制的，與后面的電機無關，所以不管后面的電機為何類型，電磁開關的控制都能隨意進行，所以解決了未來電機的發展需求。

圖3 新型起動機用電磁開關控制電路原理示意圖

2.2 基于DSP的電磁開關控制電路圖

電磁開關控制電路如圖4所示。當DSP發出起動控制信號（低電平）時，光耦導通，輸出一個低電平分別送比較器的反向輸入端和555定時器觸發電容端，555定時器被觸發，輸出一個高電平，經過2181驅動功率放大后，驅動MOS管Q1，Q1導通，吸拉線圈得電，與此同時，光耦輸出信號和參考電平比較輸出一個高電平，控制MOS管Q2導通，保持線圈得電。當555定時器定時時間到時，輸出低電平，關斷MOS管Q1，吸拉線圈失電，僅靠保持線圈維持電磁開關觸點吸合。當起動完成時間到時，DSP發出一個停止控制信號（高電平），光耦斷開，光耦輸出端為一個+5 V高電平，分別送比較器的反向輸入端和555定時器觸發電容端，555定時器未能觸發，輸出一個低電平，與此同時，比較器比較輸出一個低電平，MOS管Q1，Q2都關斷，吸拉線圈和保持線圈都失電，電磁開關觸點斷開。本方案中的MOS選取了IRF2907，該MOS的額定過流能力為209 A，很好地滿足了電磁開關線包的過流要求。

3 實驗波形

本實驗選取了強華的9 kW起動機（QDJ2943P）為對象，電磁開關控制板的控制芯片選用了Freescale的DSP 56F8013。經多次實驗測得該起動機用的電磁開關的吸拉線圈導通電流為95 A，保持線圈導通電流為12 A，最小吸拉時間約為40 ms，為了可靠，實驗時控制吸拉線圈的得電時間為45 ms，MOS管的驅動電壓為+12 V，MOS管的驅動波形圖如圖5所示。

圖5 電磁開關電路中MOS管的驅動波形圖

4 結 語

本文設計的新型起動機用電磁開關控制電路，不僅原理簡單，操作方便，而且有效地解決了傳統起動機的控制弊端，經過多次車上實驗驗證，該控制電路可靠性較高。

參考文獻

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