基于單片機的機車功率恒定控制系統設計

閆璞

摘 要：本文基于AT89C52 單片機技術設計了的機車功率恒定控制系統。采用雙閉環控制調節勵磁電流，使機車能夠始終運行在經濟特性曲線上。霍爾傳感器檢測電流信號，然后轉換為電壓信號。ADC0808模數轉換器對信號進行采樣和模數轉換。通過鍵盤輸入電流和電壓的給定值。隔離放大器能有效提高系統抗干擾性能。執行環節的功率場效應管，簡化了驅動電路，提高了可靠性。系統軟件采用模塊化的設計結構，包括：主程序、采樣子程序、運算子程序、鍵盤輸入和液晶顯示子程序。

關鍵詞：功率恒定控制；單片機；PI 算法；內燃機車

中圖分類號：TP391；TK422 文獻標志碼：A

Abstract： A locomotive constant power control system （LCPCS） was designed based on AT89C52 microcomputer on a single chip （MSC） in this paper. The double-loop control mode was adopted to make the locomotive run along the curve of economic characteristic by adjusting the excitation current. The current was detected with Hall sensor， and converted into voltage signal. The signal was sampled and converted into digital one by ADC0808 analog-to-digital converter. The given values of current and voltage were input through a determinant keyboard. The performance of interference resistant of the system was effectively improved by designing an insulation amplifier. The use of power field effect transistor simplifies the driving circuit， and improves its reliability. The system software was designed with modularity， including main program， sampling， operation， keyboard input and displaying subroutines.

Keywords： Constant power control；Single chip； PI algorithm；Diesel locomotive

0 引言

隨著計算機和大規模集成電路的發展，微機已經應用到機車檢測、控制和管理。微機控制采用大規模集成電路，使系統體積更小，可靠性更高。利用微機實現機車的恒功率控制。對于提高機車的經濟和性能具有實際意義。采用單片機作為控制器，使系統反應速度快，性能可靠和穩定性更高。本文根據負載電壓和電流的變化，調整勵磁電流進行，使柴油機按照它的經濟曲線來調整柴油機的功率，提高柴油機的經濟性能。系統采用八位微機處理器AT89C52為核心控制單元，通過ADC0808模數轉換器對信號進行采樣和模數轉換，通過鍵盤輸入電流和電壓的給定值，由LCD1602液晶顯示器對數據進行顯示。

1 功率恒定控制系統

基于單片機的機車功率恒定控制系統以柴油機的供油量為控制目標，設置了PI調節的雙閉環控制系統，內環主要用來調整牽引發電機的功率，外環調整柴油機的供油量。負載電流和電壓的檢測采用雙路檢測法。模數轉換器ADC0808對信號進行采集和轉換，將采集到的信號與給定值進行比較，輸出結果顯示在LCD1602顯示器上。

1.1 系統結構

調節系統以調節牽引發電機的功率為目標，以電機的輸出功率為反饋信號，通過比較、調節、執行環節，來控制牽引發電機的勵磁電流，使牽引發電機的輸出功率恒定。系統結構如圖1所示。

1.2 工作原理

基于單片機的機車功率恒定控制系統的工作原理如圖2所示。圖2中的I、U、和P分別表示為負載電流、負載電壓和載功率的值，IG、UG和PG分別表示為給定的電流值，給定的電壓值和給定的功率值，Imax和Umax分別表示為負載電流和負載電壓的最大限定值。在一個穩定的狀態下，改變負載的狀況，此時電流和電壓的檢測環節分別檢測出負載電流I和負載電壓U，這組負載信號通過A/D轉換器進行模數轉換，輸入單片機中，通過軟件乘法器，算出功率信號P值。單片機將檢測到的負載電壓和電流和鍵盤給定值比較，當大于相應的給定值，沒有超過最大限定值，系統以保證電壓或電流為目標，在給定值的閉環控制中進行恒壓或恒流。負載電流和電壓都小于給定值時，誤差子程序求出偏差信號e=PG-P，偏差信號通過PI運算，控制斬波使偏差減小到零，使系統達到一個穩定狀態，負載功率恒定在給定值。

2 單元模塊設計

控制模塊采用AT89C52單片機，模數轉換器采用ADC0808，輸入設備采用的是3×4行列式鍵盤，顯示器采用的是LCD1602液晶顯示屏。

2.2 檢測模塊

2.2.1 電壓檢測電路

如圖3所示，電壓檢測電路采用線性放大器件GD315，其主要參數為IFmax=50mA，Icm=25mA，Vccs<0.3V，Pcm=15mV，Ice=8mA～10mA。

2.2.2 電流檢測電路

如圖4所示，電流檢測電路采用精確的LEM霍爾傳感器LA-50P，主要參數為：

（1）測量范圍：0～±100A；（2）傳感器的匝數比：1∶100；（3）額定原邊電流：50A；（4）測量電流：對原邊50A的電流來說，其額定測量電流為50mA，對原邊70A電流，其最大測量值為70mA；（5）響應時間：小于1μs；（6）線性度：優于0.1%×IN；（7）絕緣電壓：原副邊間2kV有效值/50周/1分鐘。設計中，負載電流小于5A，原邊匝數為10匝，也就是說當Id=5A時，次邊流過50mA的測量電流。

2.2.3 濾波環節

系統采用RC低通濾波器，在牽引發電機經整流輸出的直流測電壓的過程中，由于含有6倍于主發電機頻率的交流成分，所以必須要在檢測環節中加入一個濾波環節。電路中的參數為C=10μF，R=200Ω。濾波電路如圖5所示。

2.3 執行模塊

斬波器件以定頻調寬方式控制同步發電機勵磁電流大小，其工作頻率是200Hz。斬波電路如圖6所示。

3 系統軟件設計

軟件系統包括主程序、LCD顯示子程序、功率運算子程序、鍵盤輸入子程序、數字濾波子程序、求偏差子程序、數據采樣子程序和PI運算子程序。

3.1 主程序

在中斷子程序中調用數據采樣子程序和功率運算子程序。主程序主要是對外圍芯片進行初始化、設置參數、對鍵盤進行掃描和LCD液晶顯示。外部中斷1定義為報警，外部中斷0定義為處理A/D轉換的中斷事件，定時器1中斷定義為斬波，定時器0中斷定義為開始采樣。優先級定義：INT0→TM0→INT1→TM1。主程序流程如圖7所示。

3.2 運算子程序

3.2.1 數字采樣子程序

數字采樣子程序主要完成定時采集過程變量。利用ADC0808的通道0用為電流檢測口，通道1用為電壓檢測口。運行采樣子程序，將對電壓信號和電流信號采集4個值并保存。若在連續的工作狀態下，相隔50ms將進行一次采樣子程序，TM0給出采樣中斷信號，INT0處理采樣中斷信號。數字采樣子程序流程圖如圖8所示。

3.2.2 數字濾波子程序

由于采樣存在偶然性干擾，因此采用數字濾波子程序來清除干擾，使采樣的數據更加接近實際值。數字濾波子程序如圖9所示。

3.2.3 功率計算子程序

功率計算子程序采用乘法器，將采樣到的負載電流和負載電壓相乘得到負載功率。

3.2.4 偏差計算子程序

偏差計算子程序的功能是保護作用，達到限流、限壓和報警功能。偏差計算子程序流程如圖10所示。

3.2.5 PI運算子程序

PI運算子程序主要控制偏差，比例調節器，可以即時反映偏差。當偏差產生時，調節器會使被控量減小。在一定的情況下存在靜差，為了消除可能出現的靜差，設計中采用了PI調節器。

比例積分的運算表達式如式（1）所示。

T是采樣周期，wn是脈沖寬度調制（PWM）波的寬度，Ti是積分時間常熟。PI算法子流程如圖11所示。

結論

本文基于單片機技術設計了機車功率恒定控制系統。完成了硬件檢測環節、各模塊電路和系統軟件設計。研究結果表明要保持柴油機的功率恒定，在限流和限壓部之前要對牽引發電機的勵磁電流進行調整。系統控制核心AT89C52單片機系統結構簡單，功耗低。由于采用了單片機控制，由體積很小的部件和線路進行鏈接，系統體積小，可靠性高。設計了功能完善的系統軟件程序，系統對于提高機車的經濟和性能具有實際意義。protues和keil仿真實驗表明系統能達到設計要求。

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