基于單片機(jī)的機(jī)車功率恒定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆璞

摘 要：本文基于AT89C52 單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了的機(jī)車功率恒定控制系統(tǒng)。采用雙閉環(huán)控制調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使機(jī)車能夠始終運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)特性曲線上。霍爾傳感器檢測(cè)電流信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)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(tǒng)抗干擾性能。執(zhí)行環(huán)節(jié)的功率場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路，提高了可靠性。系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，包括：主程序、采樣子程序、運(yùn)算子程序、鍵盤輸入和液晶顯示子程序。

關(guān)鍵詞：功率恒定控制；單片機(jī)；PI 算法；內(nèi)燃機(jī)車

中圖分類號(hào)：TP391；TK422 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微機(jī)已經(jīng)應(yīng)用到機(jī)車檢測(cè)、控制和管理。微機(jī)控制采用大規(guī)模集成電路，使系統(tǒng)體積更小，可靠性更高。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)車的恒功率控制。對(duì)于提高機(jī)車的經(jīng)濟(jì)和性能具有實(shí)際意義。采用單片機(jī)作為控制器，使系統(tǒng)反應(yīng)速度快，性能可靠和穩(wěn)定性更高。本文根據(jù)負(fù)載電壓和電流的變化，調(diào)整勵(lì)磁電流進(jìn)行，使柴油機(jī)按照它的經(jīng)濟(jì)曲線來(lái)調(diào)整柴油機(jī)的功率，提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。系統(tǒng)采用八位微機(jī)處理器AT89C52為核心控制單元，通過(guò)ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)鍵盤輸入電流和電壓的給定值，由LCD1602液晶顯示器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

1 功率恒定控制系統(tǒng)

基于單片機(jī)的機(jī)車功率恒定控制系統(tǒng)以柴油機(jī)的供油量為控制目標(biāo)，設(shè)置了PI調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)主要用來(lái)調(diào)整牽引發(fā)電機(jī)的功率，外環(huán)調(diào)整柴油機(jī)的供油量。負(fù)載電流和電壓的檢測(cè)采用雙路檢測(cè)法。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0808對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，將采集到的信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，輸出結(jié)果顯示在LCD1602顯示器上。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)系統(tǒng)以調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機(jī)的功率為目標(biāo)，以電機(jī)的輸出功率為反饋信號(hào)，通過(guò)比較、調(diào)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)，來(lái)控制牽引發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使?fàn)恳l(fā)電機(jī)的輸出功率恒定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

基于單片機(jī)的機(jī)車功率恒定控制系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。圖2中的I、U、和P分別表示為負(fù)載電流、負(fù)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(fù)載電流和負(fù)載電壓的最大限定值。在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下，改變負(fù)載的狀況，此時(shí)電流和電壓的檢測(cè)環(huán)節(jié)分別檢測(cè)出負(fù)載電流I和負(fù)載電壓U，這組負(fù)載信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入單片機(jī)中，通過(guò)軟件乘法器，算出功率信號(hào)P值。單片機(jī)將檢測(cè)到的負(fù)載電壓和電流和鍵盤給定值比較，當(dāng)大于相應(yīng)的給定值，沒(méi)有超過(guò)最大限定值，系統(tǒng)以保證電壓或電流為目標(biāo)，在給定值的閉環(huán)控制中進(jìn)行恒壓或恒流。負(fù)載電流和電壓都小于給定值時(shí)，誤差子程序求出偏差信號(hào)e=PG-P，偏差信號(hào)通過(guò)PI運(yùn)算，控制斬波使偏差減小到零，使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，負(fù)載功率恒定在給定值。

2 單元模塊設(shè)計(jì)

控制模塊采用AT89C52單片機(jī)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADC0808，輸入設(shè)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(cè)模塊

2.2.1 電壓檢測(cè)電路

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

2.2.2 電流檢測(cè)電路

如圖4所示，電流檢測(cè)電路采用精確的LEM霍爾傳感器LA-50P，主要參數(shù)為：

（1）測(cè)量范圍：0～±100A；（2）傳感器的匝數(shù)比：1∶100；（3）額定原邊電流：50A；（4）測(cè)量電流：對(duì)原邊50A的電流來(lái)說(shuō)，其額定測(cè)量電流為50mA，對(duì)原邊70A電流，其最大測(cè)量值為70mA；（5）響應(yīng)時(shí)間：小于1μs；（6）線性度：優(yōu)于0.1%×IN；（7）絕緣電壓：原副邊間2kV有效值/50周/1分鐘。設(shè)計(jì)中，負(fù)載電流小于5A，原邊匝數(shù)為10匝，也就是說(shuō)當(dāng)Id=5A時(shí)，次邊流過(guò)50mA的測(cè)量電流。

2.2.3 濾波環(huán)節(jié)

系統(tǒng)采用RC低通濾波器，在牽引發(fā)電機(jī)經(jīng)整流輸出的直流測(cè)電壓的過(guò)程中，由于含有6倍于主發(fā)電機(jī)頻率的交流成分，所以必須要在檢測(cè)環(huán)節(jié)中加入一個(gè)濾波環(huán)節(jié)。電路中的參數(shù)為C=10μF，R=200Ω。濾波電路如圖5所示。

2.3 執(zhí)行模塊

斬波器件以定頻調(diào)寬方式控制同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流大小，其工作頻率是200Hz。斬波電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括主程序、LCD顯示子程序、功率運(yùn)算子程序、鍵盤輸入子程序、數(shù)字濾波子程序、求偏差子程序、數(shù)據(jù)采樣子程序和PI運(yùn)算子程序。

3.1 主程序

在中斷子程序中調(diào)用數(shù)據(jù)采樣子程序和功率運(yùn)算子程序。主程序主要是對(duì)外圍芯片進(jìn)行初始化、設(shè)置參數(shù)、對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描和LCD液晶顯示。外部中斷1定義為報(bào)警，外部中斷0定義為處理A/D轉(zhuǎn)換的中斷事件，定時(shí)器1中斷定義為斬波，定時(shí)器0中斷定義為開(kāi)始采樣。優(yōu)先級(jí)定義：INT0→TM0→INT1→TM1。主程序流程如圖7所示。

3.2 運(yùn)算子程序

3.2.1 數(shù)字采樣子程序

數(shù)字采樣子程序主要完成定時(shí)采集過(guò)程變量。利用ADC0808的通道0用為電流檢測(cè)口，通道1用為電壓檢測(cè)口。運(yùn)行采樣子程序，將對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)采集4個(gè)值并保存。若在連續(xù)的工作狀態(tài)下，相隔50ms將進(jìn)行一次采樣子程序，TM0給出采樣中斷信號(hào)，INT0處理采樣中斷信號(hào)。數(shù)字采樣子程序流程圖如圖8所示。

3.2.2 數(shù)字濾波子程序

由于采樣存在偶然性干擾，因此采用數(shù)字濾波子程序來(lái)清除干擾，使采樣的數(shù)據(jù)更加接近實(shí)際值。數(shù)字濾波子程序如圖9所示。

3.2.3 功率計(jì)算子程序

功率計(jì)算子程序采用乘法器，將采樣到的負(fù)載電流和負(fù)載電壓相乘得到負(fù)載功率。

3.2.4 偏差計(jì)算子程序

偏差計(jì)算子程序的功能是保護(hù)作用，達(dá)到限流、限壓和報(bào)警功能。偏差計(jì)算子程序流程如圖10所示。

3.2.5 PI運(yùn)算子程序

PI運(yùn)算子程序主要控制偏差，比例調(diào)節(jié)器，可以即時(shí)反映偏差。當(dāng)偏差產(chǎn)生時(shí)，調(diào)節(jié)器會(huì)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(xiàn)的靜差，設(shè)計(jì)中采用了PI調(diào)節(jié)器。

比例積分的運(yùn)算表達(dá)式如式（1）所示。

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

結(jié)論

本文基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)車功率恒定控制系統(tǒng)。完成了硬件檢測(cè)環(huán)節(jié)、各模塊電路和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明要保持柴油機(jī)的功率恒定，在限流和限壓部之前要對(duì)牽引發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)控制核心AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低。由于采用了單片機(jī)控制，由體積很小的部件和線路進(jìn)行鏈接，系統(tǒng)體積小，可靠性高。設(shè)計(jì)了功能完善的系統(tǒng)軟件程序，系統(tǒng)對(duì)于提高機(jī)車的經(jīng)濟(jì)和性能具有實(shí)際意義。protues和keil仿真實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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