電控發動機啟動保護電路的改進

傳統數字電路啟動保護繼電器在發生內部觸點粘連或卡死時，即使數字電路已經輸出一個斷開信號，也不能將啟動機與發動機脫開，這樣很容易造成啟動機燒毀或飛輪齒圈損壞問題。

康明斯原裝進口歐Ⅲ電控發動機都裝有ECU(電控模塊)。ECU對整機電源質量要求比較高，當電源電壓不足時發動機不能正常工作。因此需要在正常啟動保護電路中，增加發電機狀況檢測電路，以保證只有在發電機正常發電的情況下才能啟動。

經筆者改進后的啟動保護電路，通過MCU(單片機)控制的2個啟動保護繼電器，可將這2路保護信號同時采集和分析。它與傳統數字電路相比保護更全面、迅速，使用性能更可靠。現介紹如下。

1 保護信號的采集與設置

發電機狀況檢測電路分別負責對發電機勵磁電壓輸出端D+、發動機轉速脈沖信號W、空擋開關信號K以及MCU內部2個時間計時數值(即每次啟動持續時間T1和2次啟動間隔時間T2數值)進行采集，并在此基礎上進行信號設置。

(1)發電機D+端信號

如圖1所示，集成電路電壓調節器有4個輸出端子：S為自檢取樣端子，與發電機電樞相連；D+為接發電機勵磁電壓、充電指示燈及磁場繞組端子；F為接磁場繞組的另一端子：E為接蓄電池負極端子。

啟動開關ON擋接通后，蓄電池給發電機預勵磁電阻提供80mA電流，同時接通充電指示燈電路(充電指示燈功率2W)，即相當于給預勵磁電阻并聯了一個近似等效的電阻。這時預勵磁電流達到160mA，預勵磁電壓達到1.6V(即D+端子信號電壓為1.6V)。

正常發電后，發電機D+端子信號電壓由1.6V變為28V，由此可將D+端信號的低電壓1.6V設置為“O”，高電壓28V設置為“1”。

(2)發動機轉速W信號

發動機飛輪齒圈的齒數為173個，即發動機每轉動1圈輸出173個脈沖。發動機啟動時，其轉速由0逐漸增加到怠速狀態的700～750r／min，脈沖由O增加到121100～129750個。根據發動機技術參數，其空載最高轉速為2400r／min左右時，最大脈沖為415200個左右。司機正常啟動時都會加大一點油門，因此啟動時的轉速一般會大于怠速時的轉速。為了使發動機轉速W信號準確有效，電路將415200個脈沖判定為發動機已經正常啟動，取脈沖值大于4.2萬個時為“1”，低于4.2萬個時為“0”。

(3)空擋K信號

發動機在啟動之前，要求將擋位置于空擋位置才允許啟動，因此在擋位選擇器上增加了1路空擋K信號觸動開關。根據觸動開關的通斷，即可判定擋位選擇器是否在空擋位置。觸動開關閉合，處于空擋位置，空擋K信號設置為“0”；觸動開關斷開，處于非空擋位置，該信號設置為“1”。

(4)啟動持續及間隔時間信號

為保證蓄電池能夠向啟動機提供足夠的電能，在發動機2次啟動時需要至少間隔5s，以留給蓄電池足夠的恢復時間。同時啟動機為直流短時工作電動機，每次啟動持續時間不能超過10s，否則啟動機會因為長時間工作發熱而燒壞。但在實際使用過程中，尤其在冬季或天氣寒冷的季節，司機很難做到這點。基于以上情況，將啟動持續時間T1設置為10s，T1達到10s為“1”，不到10s為“0”；將間隔啟動時間T2設置為3s，T2達到3s為“1”，不到3s為“0”。

2 啟動保護控制原理

啟動保護控制原理如圖2所示。MCU對比采集到的D+、W、K、T1、T2信號及設定值，只要有1個信號為“1”，其輸出即由高電平變為低電平。MCU輸出低電平，便切斷了啟動機電源，啟動機即停止啟動。

啟動控制過程如下：將擋位選擇器置于空擋位置，并將啟動開關接通ON擋，使MCU與外部線圈端通電；啟動開關接通START擋，使P1.1端口得電，P2.1和P2.2端口高電平輸出，2個MOS管開關導通，分別控制繼電器J1和J2吸合，啟動機隨即啟動。

MCU根據設定值，有以下幾種情況會斷開啟動機電源：擋位選擇器未置于空擋位置，導致P1.4端口未檢測到高電平；P1.1端口連續2次通電啟動時，最短時間間隔小于3s；發電機D+和轉速W都沒有高電平輸入(即發動機沒有完全啟動)；P1.1端口檢測到START擋持續啟動時間T1達到10s。另外，當發電機、D+線路出現故障以及P1.2端口處于懸空狀態時，MCU通過對P1.3端口發動機轉速信號的檢測，也可實現啟動機斷電保護。

當P1.2端口檢測到發電機D+為高電平信號，或MCU內部高速計數判斷轉速信號W達到4.2萬個脈沖(高電平)時，MCU的P2.1和P2.2端口便會立即變為低電平輸出，將2個MOS管開關截止，從而切斷J1和J2繼電器電源，使啟動機停止啟動。

3 改進后的效果

(1)促進充電系統正常工作

發動機啟動保護采用MCU集成控制模塊，不僅能實現啟動機保護功能，同時在充電系統發生故障時，也能保證發動機不能啟動。充電系統不能正常充電時，預勵磁電路將處于空載狀態，預勵磁電路和充電指示電路的電源電壓疊加在MCU信號輸入端，使輸入端的電壓接近24V電源電壓。MCU檢測到P1.2端口高電平信號，便認為發電機已工作正常，發動機也運轉正常，從而將P2.1和P2.2端口變為低電平輸出，使2個MOS管開關截止，啟動機電源即被切斷。只有當充電系統故障排除后，P1.2端口檢測到低電平信號時，啟動機才能啟動。

(2)促進啟動機正確使用

MCU通過計算，可在啟動機每次啟動持續時間T1達到10s和2次啟動間隔時間T2達到3s時停止其工作，能對啟動機和蓄電池起到保護作用，以避免啟動機和蓄電池過早損壞。我們選取的10s和3s是結合啟動機和蓄電池自身技術參數要求和實際啟動經驗的平均值得出的。在天氣寒冷的季節，每次啟動10s可能不會使發動機實現運轉，但加裝預熱裝置則問題不大。

(3)有效降低啟動故障

MCU輸出的2路信號分別控制啟動機的電源線圈和勵磁線圈，可以有效減少傳統數字控制模塊的缺陷。采用這種雙回路控制方式，2個繼電器同時出現卡滯或粘連的概率很低，這樣可以有效降低繼電器自身引起的啟動故障。