基于P87C591的機(jī)車(chē)通風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)

1 引言
    由于機(jī)車(chē)牽引電動(dòng)機(jī)在持續(xù)運(yùn)行中存在的損耗會(huì)使電動(dòng)機(jī)各部分的溫度升高。過(guò)高的溫度既影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命．也影響電動(dòng)機(jī)的效率。牽引電動(dòng)機(jī)大多采用強(qiáng)迫通風(fēng)方式冷卻。然而處于工作狀態(tài)的牽引電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)機(jī)均保持恒定的通風(fēng)量，不能根據(jù)繞組溫升變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，造成電能浪費(fèi)。因此，提出一種機(jī)車(chē)通風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用P87C59l單片機(jī)作為控制核心，利用三相交流調(diào)壓模塊作為通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)控制模塊，并根據(jù)直流牽引電動(dòng)機(jī)在持續(xù)運(yùn)行中的溫升變化，控制通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)通風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)溫升和節(jié)能的目的，并具有良好的實(shí)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)組成及工作原理
    圖1給出基于P87C591的機(jī)車(chē)通風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中，溫度信號(hào)和速度反饋信號(hào)作為輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)P87C591計(jì)算處理產(chǎn)生電壓信號(hào)，控制三相調(diào)壓模塊，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速和牽引電動(dòng)機(jī)的溫升調(diào)節(jié)。

2．1 P87C591控制電路
    Philips公司的P87C591內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是由80C5l微控制器派生而來(lái)的。它采用強(qiáng)大的80C51指令集，并實(shí)現(xiàn)了SJAl000CAN控制器的PiliCAN功能Ⅲ。其主要特性：①全靜態(tài)80C51中央處理單元?？商峁㎡TP，ROM和無(wú)ROM型。②16 K字節(jié)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。外部可擴(kuò)展到64 K字節(jié)，512字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM。③3個(gè)16位定時(shí)，計(jì)數(shù)器T0，Tl(標(biāo)準(zhǔn)80C51)和附加的T2(捕獲＆比較)。④6路模擬輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。包括10位和8位兩種模式的精度可供選擇；模擬輸入電路包括一個(gè)6路輸入模擬多路復(fù)用器和一個(gè)10位標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器。⑤2個(gè)8位分辨率的脈寬調(diào)制(PWM)輸出。⑥標(biāo)準(zhǔn)80C5l引腳有32個(gè)I／0口。⑦片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器T3。⑧CAN的擴(kuò)展特性，其中含增強(qiáng)型驗(yàn)收濾波器。支持系統(tǒng)維護(hù)、診斷、優(yōu)化及接收。
    P87C591是連接牽引電動(dòng)機(jī)和通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的橋梁。溫度信號(hào)包括牽引電動(dòng)機(jī)繞組溫度信號(hào)和環(huán)境溫度信號(hào)。溫度信號(hào)和速度反饋信號(hào)一起通過(guò)P87C59l的I／O口進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)據(jù)此產(chǎn)生調(diào)壓模塊控制信號(hào)，并且按溫升的變化調(diào)節(jié)通風(fēng)量。
2．2 三相交流調(diào)壓模塊
    在此選用集三相電位檢測(cè)、移相觸發(fā)電路和三組增強(qiáng)調(diào)相P型于一體的光電隔離三相交流調(diào)壓模塊，該模塊的應(yīng)用簡(jiǎn)單，只需結(jié)合配套的三相同步變壓器，便可按O～5V直流、4—20 mA或電位器3種控制模式實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，以及三相負(fù)載電壓從0 V到電網(wǎng)全電壓的無(wú)級(jí)可調(diào)。該模塊內(nèi)置RC吸收保護(hù)電路，同時(shí)具有抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)壓線性好等優(yōu)點(diǎn)。圖2給出其應(yīng)用電路。三相調(diào)壓模塊與三相同步變壓器模塊LTB3的R，S，T端對(duì)應(yīng)連接，組成的電路可用于260～420 V、50 Hz的電網(wǎng)。在機(jī)車(chē)通風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)中選用0～5 V作為輸入控制信號(hào)，三相負(fù)載處連通風(fēng)機(jī)電機(jī)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)的硬件電路主要由溫度信號(hào)采集電路、速度信號(hào)采集電路和調(diào)壓模塊信號(hào)生成電路組成。
3．1 溫度信號(hào)采集電路
    由于牽引電動(dòng)機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，不能采用傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量，加上許多溫升算法僅局限于溫升試驗(yàn)，不能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，因此選用紅外測(cè)溫傳感器IRt/c．5測(cè)量電動(dòng)機(jī)的繞組溫度。該測(cè)溫傳感器的原理是將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，與熱電偶一樣無(wú)需電源，并內(nèi)置吹氣系統(tǒng)，可滿(mǎn)足約200℃的工作環(huán)境溫度．其測(cè)溫范圍在一45℃～+650℃。該測(cè)溫傳感器的安裝簡(jiǎn)便，只需將其安裝在牽引電動(dòng)機(jī)的觀察孔上，調(diào)整好傳感器的探頭即可。圖3給出牽引電動(dòng)機(jī)電樞溫度測(cè)量電路。
    對(duì)環(huán)境溫度測(cè)量選用單線數(shù)字溫度傳感器DSl8820，可直接通過(guò)P87C591的測(cè)溫范圍(一55℃～+125℃)，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。圖4給出DSl8820的引腳連接圖。

3．2 速度信號(hào)采集電路
    圖5給出選用集成轉(zhuǎn)速傳感器KMIl5/16構(gòu)成的轉(zhuǎn)速測(cè)量電路。其中，低通濾波器由R15，R16，C16構(gòu)成，上限頻率為1 kHz。比較器LM393單獨(dú)供電，電源經(jīng)分壓后，其參考電壓加至LM393的反相輸入端即引腳3；轉(zhuǎn)速信號(hào)加至同相輸入端即引腳2。利用R18，R19，R20設(shè)定比較器的滯后電壓。保護(hù)電路中的VD2可防止電源極性反接；箝位二極管VD3起保護(hù)作用；C13為電源濾波電容；C14為去噪電容。

3．3 調(diào)壓模塊信號(hào)生成電路
    該電路利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器將P87C591的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成調(diào)壓模塊適用的模擬信號(hào)。圖6給出調(diào)壓模塊信號(hào)生成電路。其中，輸出端口的電壓信號(hào)Uo為三相交流調(diào)壓模塊的控制電壓。

4 軟件設(shè)計(jì)
    圖7給出系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖。其中，初始化主要包括設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換模式和模擬通道的選擇等。采用該方案可以靈活地通過(guò)軟件編程，簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)牽引電動(dòng)機(jī)參數(shù)到通風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)的轉(zhuǎn)換，且控制精確。

5 測(cè)試結(jié)果
    表1給出該系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。由表1可知，通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以隨溫升變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率正比于轉(zhuǎn)速的3次方，所以可實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能目的。該設(shè)計(jì)方案各硬件模塊問(wèn)的連接簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，控制精確，體積小，成本低，具有良好的實(shí)用價(jià)值。