閆之峰，馬曉軍，魏曙光，袁 東

(裝甲兵工程學院控制工程系，北京100072)

在裝甲車輛中，傳統(tǒng)的開關為機械式接觸開關，在其開通和關斷的過程中，存在著火花、觸電燒蝕、電磁干擾較大等隱患，降低了裝甲車輛供電系統(tǒng)的可靠性［1］。全電化陸戰(zhàn)平臺是一個全新的理念，需要供電質量高、可靠性高及智能化程度高的供電網絡。因此，傳統(tǒng)的機械式接觸器、固態(tài)繼電器［2］等電路開關已不能滿足全電化陸戰(zhàn)平臺的需要。針對這種變化趨勢，本文設計了一種具有軟啟動/軟關斷功能的電子開關模塊，可以實現電機類感性負載的軟啟動/軟關斷功能，有利于抑制電動機的啟動電流，減小供電電網的電壓波動，改善供電質量［3－5］。同時，設計的采樣電路可以精確測量電壓、電流信號，有利于電網的智能化控制和故障自診斷。

1 總體結構

電子開關模塊以智能開關管BTS555為核心元器件，采用模塊化的設計思想，可以實現電子開關的通用和互換，有利于維護和調試，其結構框圖如圖1所示，主要包括電子開關模塊主電路、控制電路、軟啟動/軟關斷電路、保護和采樣電路等。主電路的輸入端直接和BTS555的金屬散熱面相連，可以保證電子開關模塊有較大的電流容量;控制電路采用光耦元件TLP521和主電路進行隔離，提高了電子開關模塊的電磁兼容性;軟啟動/軟關斷電路采用脈沖控制技術，在啟動和關斷時，脈沖占空比按照從小到大/從大到小的規(guī)律變化，直到完全開通/關斷;保護電路主要是對電子開關模塊進行過流保護，對BTS555內部的電流信號進行信號調理，通過撥碼開關改變信號的放大倍數，從而實現不同的過流保護值設定，過流保護信號光耦隔離后，上傳到控制上位機，指示故障;采樣電路包括電流采樣和電壓采樣，分別采用線性光耦LOC111對其進行線性隔離，采樣值上傳到控制上位機，可使系統(tǒng)實時監(jiān)視電路工作狀態(tài)。

圖1 電子開關模塊結構框圖

2 關鍵電路設計

2.1 軟啟動/軟關斷電路

全電化陸戰(zhàn)平臺中，有相當一部分的電氣負載為電機類感性負載，電動機在啟動瞬間相當于短路狀態(tài)，將會產生較大的電流尖峰，引起電網電壓較大的波動，對某些電氣設備的正常工作構成了威脅。因此，在電子開關設計中，充分考慮到這類負載的工作特點，添加了軟啟動/軟關斷電路。

圖2 軟啟動過程示意圖

軟啟動/軟關斷電路主要包括三角波產生電路、線性充電電路和比較電路3個部分。圖2為軟啟動過程示意圖，圖中三角波產生電路生成固定頻率的三角波，與線性充電電路中的電容電壓進行比較，在一個三角波周期中，當電容電壓＞三角波電壓時，比較器輸出為“正”;反之，比較器輸出為“零”。

圖3為三角波產生電路，其主要功能是產生頻率為1 kHz的三角波，三角波的幅值為2～8 V，三角波電壓接入比較器LM193的“負”輸入端。圖4為線性充電和比較電路，當控制信號為高電平時，Q2導通，從而電流經過RC對電容E1線性充電，電容電壓接入比較器LM193的“正”輸入端。經比較器比較之后，產生方波信號，以此驅動BTS555的控制信號端。工作時，電容電壓在0～10 V左右，可以保證控制信號的開通和關斷狀態(tài)的可靠性。

圖3 三角波產生電路

2.2 保護電路

圖4 線性充電電路、比較電路

當負載短路或過流時，電子開關模塊具備硬件保護和軟件保護功能［6］。通過BTS555內置的電流傳感器采集電流，經過運算放大，一路送到硬件保護電路。當出現過流時，硬件保護電路動作，鎖存保護信號，并拉低BTS555的驅動，實現電子開關模塊的硬件保護功能，同時，利用電子開關模塊的驅動電路實現解鎖功能。另一路電流信號通過線性光耦LOC111，實現線性放大，并送到上位機的A/D口，利用軟件程序判斷是否過流，同時決定驅動脈沖的高低。

考慮到每路負載情況的不同和電子開關模塊的通用性，采用撥碼開關實現不同的負載電流保護值。根據輸配電系統(tǒng)的需要，共設置了5種電流保護值，分別為5、10、30、50、80 A，具體電路如圖5 所示。

圖5 過流保護電路

2.3 散熱

BTS555具有很小的導通電阻，但當負載電流較大時，其發(fā)熱量仍然很大，必須采用散熱器進行散熱。為減小電子開關模塊的體積、質量，避免增加電子開關額外損耗，設計采用了散熱器作為導電介質，即散熱器作為電子開關模塊的主電輸入端。同時，為減小電子開關模塊的導通損耗和散熱器體積，對于額定負載電流超過50 A的電子開關模塊，采用了2只BTS555并聯使用的方案。

2.4 電壓、電流采樣電路

為實現電子開關模塊對坦克全車輸配電系統(tǒng)的智能化管理和用電設備的在線故障診斷技術，設計中采用了電壓、電流采樣電路(見圖6)，可以實時采集電子開關模塊的輸出電壓和輸出電流。為減小對控制電路的干擾，利用線性光耦LOC111，分別實現信號的線性隔離，并上傳到上位機的A/D接口。

3 實驗結果

為驗證軟啟動/軟關斷電子開關的優(yōu)越性，對某型號裝甲車輛增壓風機電動機分別進行了硬開啟/硬關斷和軟啟動/軟關斷試驗，檢測開通至關斷過程中的輸入電壓和電流的變化情況。

圖7為增壓風機電動機輸入電壓、電流波形。從圖7可看出:在增壓風機電動機負載電路中，電子開關模塊處于硬開啟/硬關斷狀態(tài)時，在開啟的瞬間，電路中瞬間電流達到150 A，是正常工作電流的15倍，電壓出現了7 V左右的波動;在關斷的瞬間，輸入電壓波形也出現了2 V左右的波動。因此，硬開啟/硬關斷的工作模式將會給電網帶來較大的波動。

圖8為軟啟動/軟關斷狀態(tài)時，增壓風機電動機輸入電壓、電流波形。從圖8可看出:在軟開啟時間為2.5 s和軟關斷時間為0.3 s時，電動機開啟瞬間的電流僅為20 A左右，是正常工作電流的2倍，相比硬開啟狀態(tài)下的啟動電流減小了約87%，同時開啟和關斷時電網電壓波動很小。但同時可以看出，在開啟過程中，由于電子開關處于高頻的開通、關斷狀態(tài)，輸入電壓波形的毛刺較大，存在一定的電磁干擾［7］。

圖6 電壓、電流采樣電路

圖7 硬開啟/硬關斷狀態(tài)時，增壓風機電動機輸入電壓、電流波形

圖8 軟啟動/軟關斷狀態(tài)時，增壓風機電動機輸入電壓、電流波形

4 結論

通過對電動機類感性負載的實驗，軟啟動/軟關斷電子開關的應用具有以下幾個方面的重要意義:1)相比傳統(tǒng)機械式開關，具有投切無火花和觸電燒蝕現象，提高了電網供電的可靠性;2)軟啟動/軟關斷技術可降低電機類負載啟動時的電流沖擊，減小電網的電壓波動，提高供電質量;3)電流沖擊的減小有助于提高功率器件的安全使用壽命;4)電流和電壓采樣電路為實現配電智能化控制與管理、故障診斷提供有效支撐。

［1］張豫南，謝永成.裝甲車輛電氣與電子綜合系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003:2－3.

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