电控发动机启动保护电路的改进

传统数字电路启动保护继电器在发生内部触点粘连或卡死时，即使数字电路已经输出一个断开信号，也不能将启动机与发动机脱开，这样很容易造成启动机烧毁或飞轮齿圈损坏问题。

康明斯原装进口欧Ⅲ电控发动机都装有ECU(电控模块)。ECU对整机电源质量要求比较高，当电源电压不足时发动机不能正常工作。因此需要在正常启动保护电路中，增加发电机状况检测电路，以保证只有在发电机正常发电的情况下才能启动。

经笔者改进后的启动保护电路，通过MCU(单片机)控制的2个启动保护继电器，可将这2路保护信号同时采集和分析。它与传统数字电路相比保护更全面、迅速，使用性能更可靠。现介绍如下。

1　保护信号的采集与设置

发电机状况检测电路分别负责对发电机励磁电压输出端D+、发动机转速脉冲信号W、空挡开关信号K以及MCU内部2个时间计时数值(即每次启动持续时间T1和2次启动间隔时间T2数值)进行采集，并在此基础上进行信号设置。

(1)发电机D+端信号

如图1所示，集成电路电压调节器有4个输出端子：S为自检取样端子，与发电机电枢相连；D+为接发电机励磁电压、充电指示灯及磁场绕组端子；F为接磁场绕组的另一端子：E为接蓄电池负极端子。

启动开关ON挡接通后，蓄电池给发电机预励磁电阻提供80mA电流，同时接通充电指示灯电路(充电指示灯功率2W)，即相当于给预励磁电阻并联了一个近似等效的电阻。这时预励磁电流达到160mA，预励磁电压达到1.6V(即D+端子信号电压为1.6V)。

正常发电后，发电机D+端子信号电压由1.6V变为28V，由此可将D+端信号的低电压1.6V设置为“O”，高电压28V设置为“1”。

(2)发动机转速W信号

发动机飞轮齿圈的齿数为173个，即发动机每转动1圈输出173个脉冲。发动机启动时，其转速由0逐渐增加到怠速状态的700～750r／min，脉冲由O增加到121100～129750个。根据发动机技术参数，其空载最高转速为2400r／min左右时，最大脉冲为415200个左右。司机正常启动时都会加大一点油门，因此启动时的转速一般会大于怠速时的转速。为了使发动机转速W信号准确有效，电路将415200个脉冲判定为发动机已经正常启动，取脉冲值大于4.2万个时为“1”，低于4.2万个时为“0”。

(3)空挡K信号

发动机在启动之前，要求将挡位置于空挡位置才允许启动，因此在挡位选择器上增加了1路空挡K信号触动开关。根据触动开关的通断，即可判定挡位选择器是否在空挡位置。触动开关闭合，处于空挡位置，空挡K信号设置为“0”；触动开关断开，处于非空挡位置，该信号设置为“1”。

(4)启动持续及间隔时间信号

为保证蓄电池能够向启动机提供足够的电能，在发动机2次启动时需要至少间隔5s，以留给蓄电池足够的恢复时间。同时启动机为直流短时工作电动机，每次启动持续时间不能超过10s，否则启动机会因为长时间工作发热而烧坏。但在实际使用过程中，尤其在冬季或天气寒冷的季节，司机很难做到这点。基于以上情况，将启动持续时间T1设置为10s，T1达到10s为“1”，不到10s为“0”；将间隔启动时间T2设置为3s，T2达到3s为“1”，不到3s为“0”。

2　启动保护控制原理

启动保护控制原理如图2所示。MCU对比采集到的D+、W、K、T1、T2信号及设定值，只要有1个信号为“1”，其输出即由高电平变为低电平。MCU输出低电平，便切断了启动机电源，启动机即停止启动。

启动控制过程如下：将挡位选择器置于空挡位置，并将启动开关接通ON挡，使MCU与外部线圈端通电；启动开关接通START挡，使P1.1端口得电，P2.1和P2.2端口高电平输出，2个MOS管开关导通，分别控制继电器J1和J2吸合，启动机随即启动。

MCU根据设定值，有以下几种情况会断开启动机电源：挡位选择器未置于空挡位置，导致P1.4端口未检测到高电平；P1.1端口连续2次通电启动时，最短时间间隔小于3s；发电机D+和转速W都没有高电平输入(即发动机没有完全启动)；P1.1端口检测到START挡持续启动时间T1达到10s。另外，当发电机、D+线路出现故障以及P1.2端口处于悬空状态时，MCU通过对P1.3端口发动机转速信号的检测，也可实现启动机断电保护。

当P1.2端口检测到发电机D+为高电平信号，或MCU内部高速计数判断转速信号W达到4.2万个脉冲(高电平)时，MCU的P2.1和P2.2端口便会立即变为低电平输出，将2个MOS管开关截止，从而切断J1和J2继电器电源，使启动机停止启动。

3　改进后的效果

(1)促进充电系统正常工作

发动机启动保护采用MCU集成控制模块，不仅能实现启动机保护功能，同时在充电系统发生故障时，也能保证发动机不能启动。充电系统不能正常充电时，预励磁电路将处于空载状态，预励磁电路和充电指示电路的电源电压叠加在MCU信号输入端，使输入端的电压接近24V电源电压。MCU检测到P1.2端口高电平信号，便认为发电机已工作正常，发动机也运转正常，从而将P2.1和P2.2端口变为低电平输出，使2个MOS管开关截止，启动机电源即被切断。只有当充电系统故障排除后，P1.2端口检测到低电平信号时，启动机才能启动。

(2)促进启动机正确使用

MCU通过计算，可在启动机每次启动持续时间T1达到10s和2次启动间隔时间T2达到3s时停止其工作，能对启动机和蓄电池起到保护作用，以避免启动机和蓄电池过早损坏。我们选取的10s和3s是结合启动机和蓄电池自身技术参数要求和实际启动经验的平均值得出的。在天气寒冷的季节，每次启动10s可能不会使发动机实现运转，但加装预热装置则问题不大。

(3)有效降低启动故障

MCU输出的2路信号分别控制启动机的电源线圈和励磁线圈，可以有效减少传统数字控制模块的缺陷。采用这种双回路控制方式，2个继电器同时出现卡滞或粘连的概率很低，这样可以有效降低继电器自身引起的启动故障。