基于DSP的起动机用电磁开关数字化控制设计

摘 要： 简要介绍直流起动机控制的基本原理， 在此基础上提出当前起动机用电磁开关的控制弊端，并设计了新的数字化控制方法。该方法通过DSP和功率MOS实现将电磁开关控制电路中，开关信号部分与大电流的线圈控制部分分开，不仅有效的解决了当前起动机用电磁开关的控制开关过大电流的问题，而且解决了起动机为多种类型时电磁开关的控制问题。同时，该设计还具有控制方法简单，容易实现等特点。实验结果表明，该设计满足控制要求，具有很好的应用推广价值。

关键词： 起动机； 电磁开关； 控制电路； 数字化控制

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

起动机是用于控制发动机由静止状态过渡到能自行运转状态的起动系统。目前国内市场上的起动机全为直流起动系统，主要由起动电机（串励电机）、控制电路（蓄电池、电磁开关和起动控制开关等）及机械啮合（拨叉、驱动齿轮、单向离合器及飞轮）三大部分组成。

1 目前广泛使用的起动机用电磁开关控制电路

工作原理

1.1 起动机工作原理

直流起动机示意图如图1所示，其具体工作过程如下：接通起动开关（即图1中的点火开关），电磁开关的吸拉线圈和保持线圈得电，电磁开关动、静铁芯产生吸拉力，动铁芯向静铁芯方向移动，动铁芯通过拉钩拉动拨叉，在拨叉的推动作用下，转子轴上的单相离合器移动到啮合位置与发动机飞轮啮合；在此同时，在电磁开关动铁芯的作用下，电磁开关主触点接通，起动机电机部分得电，电机转速迅速上升，单向器小齿轮作为主动轮带动发动机飞轮旋转并达到发动机点火转速。发动机起动后，断开起动开关（即点火开关），电磁开关线圈失电，动铁芯在复位簧的作用下复位，在动铁芯复位时，断开主触点，与此同时拉钩推动拨叉使单向离合器复位，整个起动过程结束。

图1 起动机示意图

1.2 目前起动机用电磁开关控制原理

现有起动机上电磁开关控制电路原理示意图如图2所示。

图2 现有起动机用电磁开关控制电路原理示意图

起动开关闭合后，电磁开关的吸拉线圈和保持线圈得电（保持线圈得电回路：蓄电池正极、起动开关、保持线圈、蓄电池负极；吸拉线圈得电回路：蓄电池正极、起动开关、吸拉线圈、电机、蓄电池负极），电磁开关的触点吸合，电机得电开始转动，与此同时，吸拉线圈失电（由于电磁开关的触点吸合，使得吸拉线圈两端的电位相等），电磁开关触点的吸合状态仅靠保持线圈得电产生的磁场来维持，待起动结束后，起动开关断开，保持线圈失电，电磁开关触点断开，电机供电回路断开，电机停止转动。

1.3 目前起动机用电磁开关控制弊端

（1） 起动开关易损坏。由现有起动机用电磁开关控制电路原理示意图中可以看出，电磁开关的保持线圈电流（约12 A）及吸拉线圈工作电流（约90 A）经过起动开关，这么大的电流经过起动开关，容易造成在起动开关闭合瞬间，起动开关出现打火现象，从而损坏起动开关。

（2） 能源的浪费。由于起动时间是通过人手动控制起动开关的闭合时间来控制的，实际操作时，为了确保起动成功，往往会增加起动时间，另外，由于反应时间和感知判断力的差别，也使得不可能在发动机刚刚完成起动后就立即断开起动机，往往是在远大于实际起动时间的情况下才断开起动机，即起动机的工作时间过长，造成电池电能的浪费。

（3） 不适用于未来起动机的发展需求。目前使用的起动电机全为直流串励电机，该类型的电机为直流有刷电机，不仅存在结构复杂、可靠性差、故障率高、维护麻烦等缺陷，也不能满足以高速、高压、高功率电机驱动为特征的未来装备的起动需求。随着控制技术的发展，未来的起动机必然会被交流异步电机所取代。从异步电机的控制电路可以看出，未来电磁开关的作用仅仅是控制异步电机控制电路的直流侧供电，按照目前电磁开关的控制方法，电磁开关吸拉线圈已经不能构成得电回路，即目前的控制电路不再满足控制要求，即不适用于未来起动机的发展需求。

2 基于DSP的新型起动机用电磁开关控制电

路工作原理

2.1 新型起动机用电磁开关控制电路原理示意图

基于DSP的新型起动机用电磁开关控制电路原理示意图如图3所示。当起动开关闭合后，DSP控制吸拉线圈定时得电和保持线圈得电，并开始计时，电磁开关触点吸合，直流串励电机工作，待起动完成时间到时，DSP自动控制保持线圈失电，电磁开关触点断开，电机停止工作，起动完成。可以看出，此控制电路中起动开关只作为一个开关信号送DSP检测，电流大小是毫安级的，有效地解决了起动开关过大电流的问题，同时，电磁开关的吸合时间是由DSP控制的，即起动时间是DSP控制的，所以也解决了起动时间控制问题。最后，由于电磁开关的闭合是由DSP单独控制的，与后面的电机无关，所以不管后面的电机为何类型，电磁开关的控制都能随意进行，所以解决了未来电机的发展需求。

图3 新型起动机用电磁开关控制电路原理示意图

2.2 基于DSP的电磁开关控制电路图

电磁开关控制电路如图4所示。当DSP发出起动控制信号（低电平）时，光耦导通，输出一个低电平分别送比较器的反向输入端和555定时器触发电容端，555定时器被触发，输出一个高电平，经过2181驱动功率放大后，驱动MOS管Q1，Q1导通，吸拉线圈得电，与此同时，光耦输出信号和参考电平比较输出一个高电平，控制MOS管Q2导通，保持线圈得电。当555定时器定时时间到时，输出低电平，关断MOS管Q1，吸拉线圈失电，仅靠保持线圈维持电磁开关触点吸合。当起动完成时间到时，DSP发出一个停止控制信号（高电平），光耦断开，光耦输出端为一个+5 V高电平，分别送比较器的反向输入端和555定时器触发电容端，555定时器未能触发，输出一个低电平，与此同时，比较器比较输出一个低电平，MOS管Q1，Q2都关断，吸拉线圈和保持线圈都失电，电磁开关触点断开。本方案中的MOS选取了IRF2907，该MOS的额定过流能力为209 A，很好地满足了电磁开关线包的过流要求。

3 实验波形

本实验选取了强华的9 kW起动机（QDJ2943P）为对象，电磁开关控制板的控制芯片选用了Freescale的DSP 56F8013。经多次实验测得该起动机用的电磁开关的吸拉线圈导通电流为95 A，保持线圈导通电流为12 A，最小吸拉时间约为40 ms，为了可靠，实验时控制吸拉线圈的得电时间为45 ms，MOS管的驱动电压为+12 V，MOS管的驱动波形图如图5所示。

图5 电磁开关电路中MOS管的驱动波形图

4 结 语

本文设计的新型起动机用电磁开关控制电路，不仅原理简单，操作方便，而且有效地解决了传统起动机的控制弊端，经过多次车上实验验证，该控制电路可靠性较高。

参考文献

[1] 康华光，陈大钦.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2] 康华光，陈大钦.电子技术基础（数字部分）[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3] 刘和平，邓力.DSP原理及电机控制应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4] 王哓明，王玲.电动机的DSP控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，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.