基于单片机的机车功率恒定控制系统设计

闫璞

摘 要：本文基于AT89C52 单片机技术设计了的机车功率恒定控制系统。采用双闭环控制调节励磁电流，使机车能够始终运行在经济特性曲线上。霍尔传感器检测电流信号，然后转换为电压信号。ADC0808模数转换器对信号进行采样和模数转换。通过键盘输入电流和电压的给定值。隔离放大器能有效提高系统抗干扰性能。执行环节的功率场效应管，简化了驱动电路，提高了可靠性。系统软件采用模块化的设计结构，包括：主程序、采样子程序、运算子程序、键盘输入和液晶显示子程序。

关键词：功率恒定控制；单片机；PI 算法；内燃机车

中图分类号：TP391；TK422 文献标志码：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

随着计算机和大规模集成电路的发展，微机已经应用到机车检测、控制和管理。微机控制采用大规模集成电路，使系统体积更小，可靠性更高。利用微机实现机车的恒功率控制。对于提高机车的经济和性能具有实际意义。采用单片机作为控制器，使系统反应速度快，性能可靠和稳定性更高。本文根据负载电压和电流的变化，调整励磁电流进行，使柴油机按照它的经济曲线来调整柴油机的功率，提高柴油机的经济性能。系统采用八位微机处理器AT89C52为核心控制单元，通过ADC0808模数转换器对信号进行采样和模数转换，通过键盘输入电流和电压的给定值，由LCD1602液晶显示器对数据进行显示。

1 功率恒定控制系统

基于单片机的机车功率恒定控制系统以柴油机的供油量为控制目标，设置了PI调节的双闭环控制系统，内环主要用来调整牵引发电机的功率，外环调整柴油机的供油量。负载电流和电压的检测采用双路检测法。模数转换器ADC0808对信号进行采集和转换，将采集到的信号与给定值进行比较，输出结果显示在LCD1602显示器上。

1.1 系统结构

调节系统以调节牵引发电机的功率为目标，以电机的输出功率为反馈信号，通过比较、调节、执行环节，来控制牵引发电机的励磁电流，使牵引发电机的输出功率恒定。系统结构如图1所示。

1.2 工作原理

基于单片机的机车功率恒定控制系统的工作原理如图2所示。图2中的I、U、和P分别表示为负载电流、负载电压和载功率的值，IG、UG和PG分别表示为给定的电流值，给定的电压值和给定的功率值，Imax和Umax分别表示为负载电流和负载电压的最大限定值。在一個稳定的状态下，改变负载的状况，此时电流和电压的检测环节分别检测出负载电流I和负载电压U，这组负载信号通过A/D转换器进行模数转换，输入单片机中，通过软件乘法器，算出功率信号P值。单片机将检测到的负载电压和电流和键盘给定值比较，当大于相应的给定值，没有超过最大限定值，系统以保证电压或电流为目标，在给定值的闭环控制中进行恒压或恒流。负载电流和电压都小于给定值时，误差子程序求出偏差信号e=PG-P，偏差信号通过PI运算，控制斩波使偏差减小到零，使系统达到一个稳定状态，负载功率恒定在给定值。

2 单元模块设计

控制模块采用AT89C52单片机，模数转换器采用ADC0808，输入设备采用的是3×4行列式键盘，显示器采用的是LCD1602液晶显示屏。

2.2 检测模块

2.2.1 电压检测电路

如图3所示，电压检测电路采用线性放大器件GD315，其主要参数为IFmax=50mA，Icm=25mA，Vccs<0.3V，Pcm=15mV，Ice=8mA～10mA。

2.2.2 电流检测电路

如图4所示，电流检测电路采用精确的LEM霍尔传感器LA-50P，主要参数为：

（1）测量范围：0～±100A；（2）传感器的匝数比：1∶100；（3）额定原边电流：50A；（4）测量电流：对原边50A的电流来说，其额定测量电流为50mA，对原边70A电流，其最大测量值为70mA；（5）响应时间：小于1μs；（6）线性度：优于0.1%×IN；（7）绝缘电压：原副边间2kV有效值/50周/1分钟。设计中，负载电流小于5A，原边匝数为10匝，也就是说当Id=5A时，次边流过50mA的测量电流。

2.2.3 滤波环节

系统采用RC低通滤波器，在牵引发电机经整流输出的直流测电压的过程中，由于含有6倍于主发电机频率的交流成分，所以必须要在检测环节中加入一个滤波环节。电路中的参数为C=10μF，R=200Ω。滤波电路如图5所示。

2.3 执行模块

斩波器件以定频调宽方式控制同步发电机励磁电流大小，其工作频率是200Hz。斩波电路如图6所示。

3 系统软件设计

软件系统包括主程序、LCD显示子程序、功率运算子程序、键盘输入子程序、数字滤波子程序、求偏差子程序、数据采样子程序和PI运算子程序。

3.1 主程序

在中断子程序中调用数据采样子程序和功率运算子程序。主程序主要是对外围芯片进行初始化、设置参数、对键盘进行扫描和LCD液晶显示。外部中断1定义为报警，外部中断0定义为处理A/D转换的中断事件，定时器1中断定义为斩波，定时器0中断定义为开始采样。优先级定义：INT0→TM0→INT1→TM1。主程序流程如图7所示。

3.2 运算子程序

3.2.1 数字采样子程序

数字采样子程序主要完成定时采集过程变量。利用ADC0808的通道0用为电流检测口，通道1用为电压检测口。运行采样子程序，将对电压信号和电流信号采集4个值并保存。若在连续的工作状态下，相隔50ms将进行一次采样子程序，TM0给出采样中断信号，INT0处理采样中断信号。数字采样子程序流程图如图8所示。

3.2.2 数字滤波子程序

由于采样存在偶然性干扰，因此采用数字滤波子程序来清除干扰，使采样的数据更加接近实际值。数字滤波子程序如图9所示。

3.2.3 功率计算子程序

功率计算子程序采用乘法器，将采样到的负载电流和负载电压相乘得到負载功率。

3.2.4 偏差计算子程序

偏差计算子程序的功能是保护作用，达到限流、限压和报警功能。偏差计算子程序流程如图10所示。

3.2.5 PI运算子程序

PI运算子程序主要控制偏差，比例调节器，可以即时反映偏差。当偏差产生时，调节器会使被控量减小。在一定的情况下存在静差，为了消除可能出现的静差，设计中采用了PI调节器。

比例积分的运算表达式如式（1）所示。

T是采样周期，wn是脉冲宽度调制（PWM）波的宽度，Ti是积分时间常熟。PI算法子流程如图11所示。

结论

本文基于单片机技术设计了机车功率恒定控制系统。完成了硬件检测环节、各模块电路和系统软件设计。研究结果表明要保持柴油机的功率恒定，在限流和限压部之前要对牵引发电机的励磁电流进行调整。系统控制核心AT89C52单片机系统结构简单，功耗低。由于采用了单片机控制，由体积很小的部件和线路进行链接，系统体积小，可靠性高。设计了功能完善的系统软件程序，系统对于提高机车的经济和性能具有实际意义。protues和keil仿真实验表明系统能达到设计要求。

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