技术领域

本发明涉及大电流设备控制领域，尤其涉及大 电流设备的驱动装置、 控制装置及控制方法。 发明背景

随着社会的发展， 特别是大电流设备控制技术的提高， 各种捆绑装 置或者起重装置都被设计成电动控制了， 例如货物捆绑中的电动绞车、 吉普车或越野车的电动绞盘、 直升机起落架等， 给物流运输、 吉普车或 越野车救援或自救、 直升机救援或货物运输带来了极大地方便， 使工作 效率大大提高。

现在市场上的货物捆绑用的电动绞车、 越野车的电动绞盘、 直升机 起落架等， 所使用的大电流设备的控制装置非常筒单， 控制装置使用电 磁继电器控制， 电磁继电器直接与大电流设备相连， 电磁继电器一般由 电磁铁、 衔铁、 弹簧片、 触点等组成， 其工作电路由控制电路和工作电 路两部分构成。 只要在线圏两端加上一定的电压， 线圏中就会流过一定 的电流， 从而产生电磁效应， 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服弹簧 的拉力吸向铁芯， 从而带动衔铁的动触点与静触点 （常开触点）吸合。 当线圏断电后， 电磁的吸力也随之消失， 衔铁就会在弹簧的拉力返回原 来的位置， 使动触点与原来的静触点 （常闭触点）释放。 这样吸合、 释 放， 从而达到了在电路中导通以驱动大电流设备运 转、 切断以停止大电 流设备运转的目的。 对于继电器的 "常开、 常闭" 触点， 可以这样来区 分： 继电器线圏未通电时处于断开状态的静触点， 称为 "常开触点"； 处于接通状态的静触点称为 "常闭触点"。 使用电磁继电器控制时， 由于大电流设备的工作温度范围比较窄， 在低于最低正常工作温度的环境下， 大电流设备的磁阻会增大， 启动扭 力会增大， 减速齿轮的摩擦力也会增大， 润滑油会变粘稠甚至凝固， 使 润滑作用减弱， 此时如果使用电磁继电器直接驱动大电流设备 正转或者 反转， 将会导致大电流设备无法转动。 而且， 电磁继电器的正常工作温 度范围也比较窄， 一般为 -20°C~70°C , 低于最低正常工作温度时， 电磁 继电器也无法工作。

此外， 电磁继电器在驱动大电流设备运转时会产生大 量的热， 若不 将热量散出， 则无法长时间使用。 现有的做法是使用巨大的散热片， 及 时将热量散出， 而无法做到控制装置的小型化。

而且， 采用电磁继电器控制时， 控制方式是按键控制。 例如， 越野 车的电动绞盘上面有一根引出控制线， 控制线的末端是按键， 按键有 3 个档， 收紧、 停止和放松， 按下收紧按钮， 则电动绞盘进行收紧动作， 松开该按键， 则按键自动回到停止位置， 按下放松按钮， 则电动绞盘进 行放松动作， 松开此按键， 则按键自动回到停止位置。 这样只能手动控 制， 且无法实现远程、 无线控制， 也无法精确测量拉力并根据拉力的大 小进行控制。

综上所述， 现有大电流设备及其控制装置无法在低温时使 用， 而且 控制装置体积大、 散热系统复杂， 只能实现手动控制， 不能实现远程无 线控制， 也无法实现精确的拉力测量并根据拉力的大小 进行控制。 发明内容

有鉴于此， 本发明提出一种大电流设备的控制装置， 使得大电流设 备可以在低温时使用。

本发明的另一目的是提出一种大电流设备的驱 动装置， 使得大电流 设备可以在低温时使用。

本发明还提出一种大电流设备的控制方法， 使得大电流设备可以在 低温时使用。

为达到上述目的， 本发明实施例的技术方案是这样实现的： 一种大电流设备的控制装置， 该装置包括： 第一温度传感器、 第二 温度传感器、 电源管理模块、 以及微控制器， 其中：

第一温度传感器， 用于检测大电流设备所处的环境温度， 并将所述 温度信号发送给微控制器；

第二温度传感器， 用于检测大电流设备驱动模块的温度， 并将所述 温度信号发送给微控制器；

电源管理模块， 用于对外部电源进行分压， 为控制装置的各部分提 供电压源；

微控制器， 用于在大电流设备启动过程中时， 采集电源管理模块输 入的电源电压， 当所采集的电源电压在其正常工作电压范围内 ， 且接收 到的第一温度传感器的环境温度小于预先设定 的环境温度阈值时， 输出 预先设定的脉沖宽度调制 PWM信号至大电流设备驱动模块；

大电流设备启动过程结束后， 定时接收来自第二温度传感器的温度 信号， 当所述温度值大于预先设定的驱动模块工作温 度阈值时， 逐次增 大当前 PWM信号的占空比， 直至达到预先设定的 PWM信号占空比最 大值。

一种大电流设备的驱动装置， 该装置包括： 受控于如上所述大电流 设备的控制装置的驱动模块、 电源输入模块、 以及印制电路板 PCB铝基 板， 其中：

驱动模块， 用于接收来自控制装置中的 PWM脉沖信号， 根据所述 PWM脉沖信号输出大电流设备所需的电压和电流 ； 电源输入模块， 用于将外部电源提供给大电流设备的驱动模块 和所 述控制装置中的电源管理模块；

所述大电流设备的驱动模块贴附在 PCB铝基板上。

一种大电流设备的控制方法， 包括以下步骤：

大电流设备启动过程中时， 采集外部电源电压， 当所采集的电源电 压在其正常工作电压范围内， 且检测到大电流设备所处环境的温度小于 预先设定的环境温度阈值时，输出预先设定的 脉沖宽度调制 PWM信号； 大电流设备启动过程结束后， 定时检测大电流设备驱动模块的温 度， 当所述温度值大于预先设定的驱动模块工作温 度阈值时， 逐次增大 当前 PWM信号的占空比， 直至达到预先设定的 PWM信号占空比最大 值。

本发明的有益效果为， 通过在大电流设备的运转过程中根据当前拉 力值、 环境温度值和电源电压来控制大电流设备的转 速或启动停止， 使 得大电流设备可以在低温时使用， 在电流出现异常时实现设备保护， 可 实现精确的拉力测量并根据拉力的大小控制大 电流设备的使用， 并且通 过使用 PCB铝基板散热结构可以减少控制装置的体积， 还可实现无线、 远程控制。 附图简要说明

图 1为本发明实施例的装置结构图；

图 2为本发明实施例的方法流程图。 实施本发明的方式

为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对 本发明实施方式作进一步地详细描述。 本发明通过检测大电流设备所处的环境温度， 并根据所述环境温度 来调整 PWM信号的输出， 使得大电流设备可以在低温时使用， 通过检 测流过大电流设备的电流大小， 来控制大电流设备运转， 可以在电流出 现异常时实现设备保护， 通过检测大电流设备的输出力矩， 可实现精确 的拉力测量并根据拉力的大小控制大电流设备 的使用， 并且， 通过使用 印制电路板 PCB铝基板散热结构可以减少控制装置的体积。 本发明还可 实现无线、 远程控制。

本发明实施例的装置结构如图 1所示，一种大电流设备的控制装置， 包括： 第一温度传感器、 第二温度传感器、 电源管理模块、 以及微控制 器， 其中：

第一温度传感器， 用于检测大电流设备所处的环境温度， 并将所述 温度信号发送给微控制器； 微控制器将所述温度信号换算成实际的温度 值。

较佳地， 第一温度传感器集成于微控制器， 可以精确测量驱动模块 的温度以及减少控制装置的体积。

第二温度传感器， 用于检测大电流设备驱动模块的温度， 并将所述 温度信号发送给微控制器。

较佳地， 所述第二温度传感器贴附在印制电路板 PCB铝基板上。 电源管理模块， 用于对外部电源进行分压， 为控制装置的各部分提 供电压源。

所述电源管理模块可由过压过流保护电路、 电源滤波电路和稳压电 路构成， 因为大电流设备的控制装置主要用于汽车或者 直升机上， 所以 电源管理模块经过了特殊设计， 可包含有负电压沖击保护电路、 高压脉 沖保护电路、 共模滤波电路、 DC-DC降压电路、 线性稳压电路， 以保证 该模块可以在比较恶劣的环境中工作。 微控制器， 用于在大电流设备启动过程中时， 采集电源管理模块输 入的电源电压， 当所采集的电源电压在其正常工作电压范围内 ， 且接收 到的第一温度传感器的环境温度小于预先设定 的环境温度阈值时， 输出 预先设定的脉沖宽度调制 PWM信号至大电流设备驱动模块；

大电流设备启动过程结束后， 定时接收来自第二温度传感器的温度 信号， 当所述温度值大于预先设定的驱动模块工作温 度阈值时， 逐次增 大当前 PWM信号的占空比， 直至达到预先设定的 PWM信号占空比最 大值。

其中， 所述电源管理模块输入的电源电压为外部电源 电压， 其正常 工作电压范围为 8V~16V。

所述环境温度阈值由大电流设备和大电流设备 驱动模块的特性标 定， 具体为：

若低于温度 X时，启动大电流设备正转或反转运行后会导� �大电流 设备的磁阻增大、 启动扭力增大、 减速齿轮的摩擦力增大、 润滑油变粘 稠甚至凝固使润滑作用减弱、 大电流设备驱动模块的驱动能力降低， 则 将温度 X设定为环境温度阈值。

例如， 若环境温度阈值为 -10°C , 当环境温度低于 -10°C时， 此时大 电流设备驱动系统的各项指标与高于- 10°C相比有很大变化， 包括： 大 电流设备的磁阻增大、 启动扭力增大和启动电流增大、 减速齿轮的摩擦 力增大、 润滑油变粘稠使润滑作用减弱、 大电流设备驱动模块的驱动能 力降低， 驱动模块中 MOS管或 IGBT管因为瞬间大电流导致封装无法 承受剧烈的温度变化而炸裂等， 此时如果直接驱动大电流设备正转或者 反转，将会导致大电流设备无法转动、瞬间电 流过大导致 MOS管或 IGBT 管炸裂或者烧毁线路等。

因此， 本发明使用低脉宽 PWM加热大电流设备和大电流设备驱动 模块， 使大电流设备和大电流设备驱动模块的温度上 升到正常温度， 然 后加宽 PWM脉沖的宽度使大电流设备低速平緩的启动， 待大电流设备 运行正常时继续加宽 PWM脉沖以增加大电流设备的输出力矩。

预先设定的 PWM信号就是上述的低脉宽 PWM, 用以加热大电流 设备和大电流设备驱动 MOS管或 IGBT管，预先设定的 PWM信号的占 空比为： 使大电流设备处于启动的临界状态下的 PWM信号占空比。 使 大电流设备处于启动的临界状态下运行可以保 护大电流设备驱动模块 不至损坏。

然后， 设定 PWM寄存器， 具体为：

当需要大电流设备正转运行时， 设定正转模式 PWM寄存器； 当需 要大电流设备反转运行时， 设定反转模式 PWM寄存器。

PWM脉沖是通过微处理器内部的 PWM脉沖发生器产生的， 可以 通过调整 PWM脉沖发生器的寄存器来调整 PWM脉沖的占空比。

大电流设备启动过程结束后， 按预先设定的时间长度， 定时接收来 自第二温度传感器的温度信号， 大电流设备运行时， 大电流设备驱动模 块的温度会逐渐升高， 当所述温度值大于预先设定的驱动模块工作温 度 阈值时， 多次增大 PWM信号占空比， 直至达到所述预先设定的 PWM 信号占空比最大值。

设定驱动模块工作温度阈值是为了保证驱动模 块中电子元器件有 较佳的工作性能， 所述驱动模块工作温度阈值由大电流设备驱动 模块中 电子元器件的性能标定， 具体为： 若高于温度 Y, 所述驱动模块中电子 元器件有较好的工作性能， 则将温度 Y设定为驱动模块工作温度阈值。

所述 PWM信号占空比最大值的设定方法为：

当拉力设定值小于预先设定的拉力阈值时， 所述 PWM信号占空比 最大值为所述拉力阈值对应的 PWM信号占空比； 当拉力设定值大于或等于预先设定的拉力阈值 时， 所述 PWM信号 占空比最大值为 100%;

所述拉力阈值为拉动次数最多的物体的重量。

例如， 大电流设备最常被使用来拉动 500kg左右的物体， 这时， 可 以设定拉力阈值为 500kg, 将 PWM信号占空比设定为 80%时， 刚好可 以产生 500kg的拉力，因此，若拉力设定值小于 500kg,此时，设定 PWM 信号占空比为 80%, 若拉力设定值大于 500kg, 此时， 需要设定 PWM 信号占空比为 100%, 才可以产生超过 500kg的拉力。

本发明装置若用在直升机和起重机上面不需要 拉力设定值， 或者设 定一个比实际需拉动的物体重量大的拉力值就 可以了。

PWM信号占空比最大值是根据实际测试得到的数 据， 例如， 根据 拉力设定值的大小设定 PWM信号占空比的最大值， 这样既可以保证绞 车能够拉到设定拉力值， 又不会因为 PWM信号占空比太大而导致绞车 转速过高， 可以节省用电。

所述多次增大 PWM信号占空比， 直至达到所述预先设定的 PWM 信号占空比最大值， 是为了保证逐步增加大电流设备的输出力矩， 避免 因为突然大幅度增大 PWM脉沖而导致大电流设备及其驱动模块损坏。

较佳地， 所述大电流的控制装置进一步包括电流传感器 ， 用于检测 流过大电流设备的电流， 并将所述电流信号发送给微控制器； 所述电流 传感器为霍尔型电流传感器；

所述微控制器， 进一步用于在所述定时接收来自第二温度传感 器的 温度信号之前， 当来自电流传感器的电流大于 0且小于大电流设备的最 小工作电流， 或者大于预先设定的大电流设备的最大工作电 流时， 关闭 PWM脉沖输出； 当来自电流传感器的电流大于大电流设备的最 小工作 电流且小于预先设定的大电流设备的最大工作 电流时， 定时接收来自第 二温度传感器的温度信号。

即在大电流设备运转时微控制器一直检测流过 大电流设备的电流， 当流过大电流设备的电流大于预先设定的大电 流设备的最大工作电流 时， 停止大电流设备并报警。 所述大电流设备的最小工作电流和最大工 作电流根据大电流设备的性能标定。

较佳地， 所述大电流的控制装置进一步包括：

拉力传感器， 用于检测大电流设备的拉力值， 并将拉力模拟信号输 出至信号调理模块；

信号调理模块， 用于为拉力传感器提供激励电压， 放大拉力传感器 发送的拉力模拟信号；

ADC采集器，用于从信号调理模块采集放大后的 拉力模拟信号并将 其转换为数字信号， 将所述拉力数字信号发送至微控制器供微处理 器分 析处理； ADC采集器就是模数转换器；

所述 控制器， 进一步用于在所述达到预先设定的 PWM信号占空 比最大值之后， 根据接收到的外部指令判断大电流设备当前在 正转还是 反转，

若正转， 当 ADC采集器发送的拉力值小于拉力设定值时， 定时接 收来自第二温度传感器的温度信号， 当所述温度值大于预先设定的驱动 模块工作温度阈值时， 逐次增大当前 PWM信号占空比， 直至达到预先 设定的 PWM信号占空比最大值；

若反转， 当反转时间超过预先设定的时间长度时， 关闭 PWM脉沖 输出， 当反转时间没有超过预先设定的时间长度时， 定时接收来自第二 温度传感器的温度信号， 当所述温度值大于预先设定的驱动模块工作温 度阈值时，逐次增大当前 PWM信号占空比，直至达到预先设定的 PWM 信号占空比最大值。 反转时， 大电流设备中有自动离合装置， 使大电流设备反转超过预 先设定的时间长度后停止转动， 对大电流设备起保护作用。

较佳地， 所述大电流的控制装置进一步包括输入输出模 块， 用于向 微控制器发送指令， 接收微控制器的指令并输出。

所述输入输出模块可以为： 按键、 数码管、 指示灯， 和 /或， 射频收 发模块， 其中：

按键， 用于向微控制器发送解锁指令、 拉力设定值和大电流设备正 转、 反转指令； 即可通过按键手动设定拉力值， 控制大电流设备正转、 反转等；

数码管， 用于显示微控制器发送的当前拉力值、 大电流设备控制的 状态、 控制的模式及拉力设定值的大小；

指示灯， 可在大电流设备正转时显示红色， 反转时显示绿色； 射频收发模块， 用于以远程、 无线的方式向微控制器发送拉力设定 值和大电流设备正转、 反转指令， 接收并显示微控制器发送的当前拉力 值。

其中， 射频收发模块可用于远程无线控制大电流设备 的控制装置， 通过上位机或手持的设备进行操作， 实现无线远程控制。 而按键、 数码 管、 指示灯可用于手动控制大电流设备的控制装置 ， 与包含微控制器的 控制板的接口可以为排线方式、 金手指焊接方式或者板对板接插件， 同 样也可以与控制板合在一起使用一块电路板进 行布局。

因为按键数量较少， 所以按键可能被分配有不同功能， 按键功能的 划分可以根据当前的运行状态进行， 例如， 在大电流设备的控制装置锁 定后， 可以设定一个解锁键， 一个数码管设定切换键， 一个数字增加键， 一个数字减小键， 这样就可以在按下解锁键之后输入密码， 数码管切换 键用来切换密码设定位或确认密码输入， 数字增减键用来输入数字； 在 该控制装置解锁后， 按键的功能也进行了切换， 这时可以设定一个力值 设定键， 一个数字增加键， 一个数字减小键， 按下力值设定键， 则进入 力值设定状态， 数字增减键用来增加或者减小所设定的力值； 在该控制 装置解锁后， 按键的功能还可以这样设定： 一个停止键， 一个大电流设 备正转键，一个大电流设备反转键，按下大电 流设备正转键或者反转键， 大电流设备进入正转或者反转状态， 按下停止键大电流设备停止。

较佳地， 所述微控制器， 进一步包括：

当所采集的电源电压不在其正常工作电压范围 内，和 /或所述环境温 度不在工业级芯片正常工作温度范围内时， 禁止启动大电流设备， 并输 出错误提示信息。 所述工业级芯片的正常工作温度范围为 -40°C~85°C。

本发明实施例的大电流设备的驱动装置结构如 图 1所示， 该装置包 括： 受控于本发明实施例的大电流设备控制装置的 驱动模块、 电源输入 模块、 以及印制电路板 PCB铝基板， 其中：

驱动模块， 用于接收来自控制装置中的 PWM脉沖信号， 根据所述

PWM脉沖信号输出大电流设备所需的电压和电 流。

所述驱动模块包括： MOS管或 IGBT管 H桥电路、 H桥驱动电路， 其中：

H桥驱动电路， 用于接收来自微控制器的 PWM脉沖信号并根据所 述 PWM脉沖信号生成 MOS管或 IGBT管 H桥电路所需的 PWM脉沖 信号， 自身内部的电荷泵将电源电压提升产生 H桥上臂所需的高电压， 还提供 MOS管或 IGBT管门极上升沿所需的瞬间大电流。

MOS管或 IGBT管 H桥电路，用于根据 H桥驱动电路输出的 PWM 脉沖信号控制大电流设备的运转， 并提供大电流设备运转所需的电压和 电流； MOS管或 IGBT管 H桥电路提供大电流设备运转所需的大电流， 并能通过不同上下臂的组合控制大电流设备的 正反转， MOS管或 IGBT 管 H桥电路是主要的大电流设备功率驱动部分，� �是发热量最严重的部 分。

电源输入模块， 用于将外部电源提供给大电流设备的驱动模块 和所 述控制装置中的电源管理模块。

所述大电流设备的驱动模块贴附在 PCB铝基板上。

因为 MOS管或 IGBT管在大电流设备运转时会产生大量的热， 现 有的做法是使用巨大的散热片， 及时将 MOS管或 IGBT管所产生的热 量散出， 而无法做到装置的小型化， 本发明使用 PCB铝基板， 可以将该 PCB固定在大电流设备的外壳上面或者散热片上 面，将 MOS管或 IGBT 管、 以及第二温度传感器贴附在 PCB铝基板上， 以保证及时将 MOS管 或 IGBT管所产生的热量散出， PCB板体积小， 安装方便， 易于与大电 流设备的外壳集成， 可减小设备的体积的同时保证 MOS管或 IGBT管 在提供大电流时可以正常工作。

使用本发明装置， 可以控制峰值电流达 120A的大电流设备， 而使 用大功率 MOS管或 IGBT管并联的 H桥电路，可以输出 300A甚至更大 的电流，本发明装置使用独特的 PCB铝基板散热结构， 与大电流设备融 为一体， 避免了添加大体积的散热装置。

本发明实施例的方法流程如图 2所示，一种大电流设备的控制方法， 包括以下步骤：

步骤 201 : 大电流设备启动过程中时， 采集外部电源电压， 当所采 集的电源电压在其正常工作电压范围内， 且检测到大电流设备所处环境 的温度小于预先设定的环境温度阈值时， 输出预先设定的脉沖宽度调制 PWM信号；

步骤 202: 大电流设备启动过程结束后， 定时检测大电流设备驱动 模块的温度， 当所述温度值大于预先设定的驱动模块工作温 度阈值时， 逐次增大当前 PWM信号的占空比， 直至达到预先设定的 PWM信号占 空比最大值。

较佳地， 步骤 202中所述定时检测大电流设备驱动模块的温度 之前 进一步包括：

检测流过大电流设备的电流， 当所述电流大于 0且小于大电流设备 运行的最小工作电流， 或者大于预先设定的大电流设备的最大工作电 流 时， 关闭 PWM脉沖输出； 当所述电流大于大电流设备运行的最小工作 电流且小于预先设定的大电流设备的最大工作 电流时， 定时检测大电流 设备驱动模块的温度。

较佳地， 步骤 202中所述达到预先设定的 PWM信号占空比最大值 之后进一步包括， 检测大电流设备的拉力值，

若大电流设备当前在正转， 当所述拉力值小于拉力设定值时， 定时 检测大电流设备驱动模块的温度， 当所述温度值大于预先设定的驱动模 块工作温度阈值时， 逐次增大当前 PWM信号占空比， 直至达到预先设 定的 PWM信号占空比最大值；

若大电流设备当前在反转， 当反转时间超过预先设定的时间长度 时， 关闭 PWM脉沖输出， 当反转时间没有超过预先设定的时间长度时， 定时检测大电流设备驱动模块的温度， 当所述温度值大于预先设定的驱 动模块工作温度阈值时， 逐次增大当前 PWM信号占空比， 直至达到预 先设定的 PWM信号占空比最大值。

较佳地， 步骤 201中所述采集外部电源电压之后进一步包括， 当所 述电源电压不在其正常工作电压范围内，和 /或所述环境温度不在工业级 芯片正常工作温度范围内时， 禁止启动大电流设备， 并输出错误提示信 息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡 在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均 应包含在本发明的保护范围之内。