CN103227499B - 铁路机车辅助发电机智能控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铁路机车的技术领域，尤其涉及一种铁路机车辅助发电机智能控制器。包括C51F020混合信号微控制器、UC3525？PWM控制器、电流电压采样电路、温度采样CAN接口电路、温度采样1-Wire接口电路、温度补偿基准值设定电路、五位电阻网络接口电路、功率调整管IGBT和LCM液晶显示器，实现了兼容数字系统结构简单、智能化程度高和专用PWM控制电路抗干扰能力强、实时性和动态响应特性好的特点，由此组成的智能控制器，具有结构简单、智能化程度高、实时性和动态特性好、可靠性高的显著特点。

Description

铁路机车辅助发电机智能控制器
技术领域
本发明涉及一种智能控制器，尤其涉及一种铁路机车辅助发电机智能控制器。
背景技术
阀控铅蓄电池具有少维护、酸污染小、功率密度大、使用寿命长等特点，目前在铁路机车上也已经广泛采用。
虽然阀控铅蓄电池仍属于铅酸蓄电池体系，由于氧循环技术和贫液技术的采用，对充放电技术和设备的要求与富液铅蓄电池完全不同。
富液铅蓄电池，当充电电流等于或小于蓄电池可接受充电电流时，充电电流全部用于充电电化学反应。当充电电流大于蓄电池可接受充电电流时，超过蓄电池可接受充电电流的部分，将以电解水的形式被消耗掉。随充电过程的的进行，电化学反应电流逐渐减小，电解水的电流逐渐加大，当充电完全结束后，从充电设备输入的充电电流将全部用于电解水。电解水产生的大量氢气和氧气从加液口排除，蓄电池的充电电压基本稳定于蓄电池的电动势与水解过电位之和的值，不再继续升高。这种特使富液铅蓄电池在充电过程中具有极强的自动均衡特性和自动恒压特性，采用简单的横流充电方法即可进行充电。
与富液铅蓄电池不同，阀控铅蓄电池由于采用了氧循环技术和贫液技术，实现了蓄电池的密封，在充电过程中，当充电电流大于蓄电池可接受充电电流时，过剩的电流虽然同样以电解水的形式被消耗，但电解水产生的氧气和氢气又被复合成水而实现了氧循环，由此实现了蓄电池的密封。
阀控铅蓄电池的过充电电流的严格受制于氧循环效率。当充电电流大于蓄电池可接受充电电流和氧循环能力可接受最大允许电解水电流之和后，氧循环条件将被破坏，氧循环效率将急剧降低，蓄电池内部由于氧气和氢气的积聚压力将急剧升高，最终导致排气阀被开启，氢气和氧通过排气阀被排除体外，使电解液逐渐丧失而干枯。阀控铅蓄电池与普通富液蓄电池比，在充电过程中主要有以下不同特点：
阀控铅蓄电池虽然仍具有一定的自动均衡特性，但受氧复合能力的限制，与富液铅蓄电池比相对很小，在充电过程中使充电电流等于或小于蓄电池可接受充电电流，对防止蓄电池使用寿命缩短至关重要。
充电电压对氧循环效率影响很大。满足氧循环高效进行的充电电压值远低于铅蓄电池电动势与水解过电位之和，而且随温度的升高而降低。温度每升高1℃，蓄电池的充电电压应降低约0.002V左右。从充电特性曲线分类，普通富液铅蓄电池属于自动恒压型充电特性，阀控铅蓄电池则属于电压增量型充电特性曲线。为维持氧循正常进行，应根据蓄电池的实际工作温度及时调整充电电压。
充电电流大小对阀控铅蓄电池的使用寿命影响很大。随充电电流的增加，蓄电池的使用寿命大幅缩短。为防止蓄电池的使用寿命过度缩短，应适当限制充电电流。
密封镉镍蓄电池在部分有特殊要求的铁路机车上仍有应用。密封镉镍蓄电池同样是基于氧循环技术和贫液技术实现密封的。与阀控铅蓄电池一样，为了维持氧循环的正常进行，充电电流应小于或等于最大允许充电电流。与阀控铅蓄电池不同，从充电特形曲线分类，密封镉镍蓄电池的充电电压特性曲线属于负增量型充电特性曲线。随充电过程的进行，蓄电池的电压逐渐上什升，当充电结束后，若不能保证充电电流小于蓄电池可接受充电电流，蓄电池的温度会快速升高，蓄电池的充电电压会随温度的快速升高而迅速下降，形成“蓄电池温度升高→蓄电池电压下降→充电电流随之增加→蓄电池温度进一步升高”的恶性循环。如此相互影响，使充电电流迅速增大，温度迅速升高，最终发生热失控。
现有铁路机车辅助发电机充电控制电路是基于传统富液铅蓄电池和传统富液镉镍蓄电池设计的，已经不能适应阀控铅蓄电池和密封镉镍蓄电池对充电的基本要求。研制适应阀控铅蓄电池和密封镉镍蓄电池特点的新型控制器，是铁路机车技术发展的迫切需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有铁路机车辅助发电机充电控制电路是基于传统富液铅蓄电池和传统富液镉镍蓄电池设计的，已经不能适应阀控铅蓄电池和密封镉镍蓄电池对充电的基本要求，研制适应阀控铅蓄电池和密封镉镍蓄电池特点的新型控制器，是铁路机车技术发展的迫切需求，提供一种铁路机车辅助发电机智能控制器。
为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种铁路机车辅助发电机智能控制器包括C51F020混合信号微控制器、UC3525PWM控制器、电流电压采样电路、温度采样CAN接口电路、温度采样1-Wire接口电路、温度补偿基准值设定电路、五位电阻网络接口电路、功率调整管IGBT和LCM液晶显示器，所述C51F020混合信号微控制器通过五位电阻网络接口电路连接UC3525PWM控制器，C51F020混合信号微控制器上连接温度采样CAN接口电路、温度采样1-Wire接口电路、温度补偿基准值设定电路和LCM液晶显示器，UC3525PWM控制器连接IGBT及驱动电路，功率调整管IGBT与辅助发电机的励磁电路连接，REFZ分流器连接隔离信号放大器，隔离信号放大器连接电流电压采样电路，电流电压采样电路的输出连接C51F020混合信号微控制器，电流电压采样电路经电阻器与蓄电池的正极连接。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括由C51F020混合信号微控制组成的数字控制电路通过五位电阻网络接口电路与由UC3525PWM控制器组成的模拟PWM控制电路的输入控制信号电路连接。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述五位电阻网络接口电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7相互并联连接，电阻R1连接开关K1，电阻R2连接开关K2，电阻R3连接开关K3，电阻R4连接开关K4，电阻R5连接开关K5。与现有数模转换电路（DAC）比，具有电路简单，控制可靠，相应速度快的特点。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述温度补偿基准值设定电路由负补偿BCD码拨码器和正补偿BCD码拨码器。用于根据不同厂牌和体系蓄电池对温度补偿要求的现场调整。
本发明的有益效果是：1、采用高性能嵌入式混合信号微控制器与PWM专用控制电路组成的“数字-模拟”混合电路技术，克服了模拟电路电路复杂、难以实现智能化和数字电路电磁兼容性、实时性和动态响应特性相对较差的缺点。具有数字系统结构简单、智能化程度高和专用PWM控制电路抗干扰能力强、实时性和动态响应特性好的特点。由此组成的智能控制器，具有结构简单、智能化程度高、实时性和动态特性好、可靠性高的显著特点。
2、具有标准和温度控制两种工作模式，不仅可满足阀控铅蓄电池、镉镍蓄电池等对充电系统的基本要求，也可直接替代基于富液铅蓄电池设计的现有标准控制器。利于产品的标准化和技术改进平稳过渡。
3、具有与远程多点温度采集装置连接的CAN接口和与远程单点温度传感器连接的1-Wire接口，可根据需要灵活配置温度采样设备。
4、微控制器与PWM控制电路之间采用了新颖的五位电阻网络接口，不仅可确保机车对电压变换范围的要求，在数字电路部分发生致命性错误时，也不会对PWM模拟电路产生致命性影响，有效提高了系统的安全性和容错能力。
5、温度补偿基准值设定电路的采用，可根据不同体系和厂牌蓄电池对充电的要求，对充电电压进行适当补偿，有效提高了对各种不同蓄电池的适应性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的结构示意图；
图2为C51F020混合信号微控制器的结构示意图；
图3为由UC3525A组成的PWM控制电路的结构示意图；
图4为电流电压采样电路的结构示意图；
图5为控制信号输入电路的结构示意图；
图6为五位电阻网络接口电路的结构示意图；
图7为温度采样CAN接口电路的结构示意图；
图8为温度采样1-Wire接口电路的结构示意图；
图9为温度补偿基准值设定电路负补偿的结构示意图；
图10为温度补偿基准值设定电路正补偿的结构示意图；
图11为LCM液晶显示器的结构示意图；
图12“数字-模拟”混合控制电路模型的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，图中包括C51F020混合信号微控制器、UC3525PWM控制器、电流电压采样电路、温度采样CAN接口电路、温度采样1-Wire接口电路、温度补偿基准值设定电路、五位电阻网络接口电路、功率调整管IGBT和LCM液晶显示器，所述C51F020混合信号微控制器通过五位电阻网络接口电路连接UC3525PWM控制器，C51F020混合信号微控制器上连接温度采样CAN接口电路、温度采样1-Wire接口电路、温度补偿基准值设定电路和LCM液晶显示器，UC3525PWM控制器连接IGBT及驱动电路，功率调整管IGBT与辅助发电机的励磁电路连接，REFZ分流器连接隔离信号放大器，隔离信号放大器连接电流电压采样电路，电流电压采样电路的输出连接C51F020混合信号微控制器，电流电压采样电路经电阻器与蓄电池的正极连接。
由C51F020混合信号微控制组成的数字控制电路通过五位电阻网络接口电路与由UC3525PWM控制器组成的模拟PWM控制电路的输入控制信号电路连接。
五位电阻网络接口电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7相互并联连接，电阻R1连接开关K1，电阻R2连接开关K2，电阻R3连接开关K3，电阻R4连接开关K4，电阻R5连接开关K5。五位电阻网络接口电路有效降低了数字电路部分安全运行对UC3525PWM控制器电路安全运行的影响。即便数字电路部分发生了致命性错误，也不可能对UC3525PWM控制器电路造成致命性影响，有效提高了系统的容错能力和系统安全性。
温度补偿基准值设定电路由负补偿BCD码拨码器和正补偿BCD码拨码器。
如图1，本发明采用高性能C51F020混合信号微控制器和UC3525PWM控制电路组成数字-模拟混合电路技术，充分利用了PWM控制电路抗干扰能力强、实时性和动态特性好的特点，及C51F020混合信号微控制器集成度高，电路简单、利于实现智能化控制的特点，使系统兼容了数字模拟两种电路的优势，克服了两种电路的不足。
C51F020混合信号微控制器与UC3525PWM控制电路之间采用如图6所示的五位电阻网络接口，有效降低了数字电路部分安全运行对UC3525PWM控制电路安全运行的影响。即便数字电路部分生了致命性错误，也不可能对UC3525PWM控制电路造成致命性影响，有效提高了系统的容错能力和系统安全性。
温度补偿基准值设定电路的采用，使充电电压与蓄电池组工作曲线可依据不同体系和厂牌的蓄电池的温度特性，在±10℃范围内任意设定，不仅可以适用于各种厂牌的阀控铅蓄电池，也可适用于密封镉镍蓄电池和金属氧化物-镍蓄电池，有效提高了智能控制器的适用范围。
具有标准工作模式和温度控制工作模式。设置为标准工作模式时，其控制性能与现有基于富液铅蓄电池设计的标准控制器完全相同，可以直接替代现有标准控制器，利于产品的相互替代和机车电路的升级改造。温度控制模式可根据蓄电池的实际工作温度自动调整充电电压。
具有充电电流控制功能。根据蓄电池供应商的要求，可以设定最大充电电流。
提供了温度采样CAN接口电路，兼容CAN2.A和CAN2.0B标准的CAN接口，还提供了温度采样1-Wire接口电路，根据用户需求可灵活选用。
本发明电源理图如图1，主要由隔离放大器、C51F020混合电路微控制器、UC3525APWM控制器、温度补偿基准值设定电路、温度采样CAN接口电路、温度采样1-Wire接口电路、LCM液晶显示器和功率调整管IGBT组成。
如图1，蓄电池组的充电电压Vc等于：
Vc=VF—（VD+I·R）（式1）
式中：VF是辅助发电机输出电压，单位V；
VD是二极管D两端的电压，单位V；
I是充电电流；
R是充电串联电阻。
式1说明蓄电池组的充电电压Vc低于辅助发电机输出电压VF。为此采用了充电电压和发电机电压两个控制环。
图1所述的“数字-模拟”混合电路智能控制器的控制模型如图11：
模拟电路部分由三个模拟控制环组成：充电电流控制环为内环，充电电压控制环为中环、发电机输出电压控制环为外环，模拟电路部分可无需数字电路部分干预，独立运行于标准工作模式。
模拟电路部分△Ui为输入电压，Roi为系统开环内阻；G为调整管IGBT的跨导，KI为充电电流采样误差放大器放大倍数，KC为充电电压采样误差放大器放大倍数，KF为发电机输出电压采样误差放大器放大倍数，Ri为充电电流采样电阻，RC为充电电压采样电阻，RF为放电电压采样电阻，I1为系统开环时转换电流，△I0是系统闭环时转换的电流，I2是△I0经反馈网络在调整管上转换的电流。
数字电路部分由三个数字控制环组成：充电电流控制环为内环，蓄电池工作温度对充电电压的控制环为第二环，发电机输出电压控制环为外环。
数字电路部分：Vc为蓄电池组充电端电压，IC为蓄电池的充电电流，VF为发电机输出电压，Temp为蓄电池的工作温度度，C51F020为嵌入式混合信号微控制，5RNET为五位电阻网络接口。采用工作选择设备，可以设置为标准工作模式或温度控制工作模式及CAN接口或1-Wire接口。
模拟电路部分描述：
发电机的输出电压和充电电流是通过调整发电机励磁电流大小控制的。当减小发电机励磁电流时，发电机输出电压和充电电流将随之减小。反之，发电机的输出电压和充电电流将增加。
如图3，发电机励磁电流由UC3525APWM控制器组成的励磁电路控制。充电电流从分流器（REFZ）两端取样，经隔离信号放大器隔离放大后，负端接地，正端与图5控制信号输入电路的2端连接，经电阻器R3和R4分压后，通过隔离二极管D2到连接到输出端4。
如图1，辅助发电机输出电压正极与图5控制信号输入电路的3端连接，经电阻器R5和R6分压后，通过隔离二极管D3连接到输出端4。
如图1，蓄电池组端电压正极与图6五位电阻网络接口电路的输入端6连接，经电阻器R6和R7分压后，由输出端7与图5控制信号输入电路的1端连接。
图5控制信号输入电路的输出端4与图3中UC3525APWM控制器电路的反相输入端1连接。
如图3，UC3525APWM控制器从11端和14端输出的PWM控制信号，经二极管D1、二极管D2与功率调整管IGBT的输入端连接，功率调整管IGBT的输出端与功率调整管IGBT的连接端子C、G、E连接。
数字电路部分描述:
图1中隔离信号放大器的正输出端同时与图4电流电压采样电路的输入端1连接，蓄电池组端电压正极与图4电流电压采样电路的输入端2连接。图4电流电压采样电路与图2C51F020混合信号微控制器的连接方法是：图4电流电压采样电路中3、4、5、6端经光电隔离后分别与C51F020混合信号微控制器的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3连接。其中，P1.0为选通信号、P1.1为接口时钟、P1.2为写数据输出、P1.3为读数据输入。电流电压采样电路为CS5460A高精度电能计量专用电路。上述电路组成了24位高精度充电电压和充电电流数字采样电路。电流电压采样精度优于千分之二。
温度采样CAN接口如图7，其中CAN控制器SJA1000的8位数据和地址总线并行接口1与图3中C51F020混合信号微控制器的P7端口连接，SJA1000的2（ALE）、4（RD）、5（WR）、3（CS）端子分别与C51F020混合信号微控制器的P4.5、P4.6、P4.7、P2.0连接，组成带地址锁存功能的8位并行数据接口。图7中SJA1000输出端TX、RX经总线驱动器82C250与CAN总线（CAN-H、CAN-L）连接，可与远程多点温度采样设备连接。多点温度采样设备可以根据用户需要设计为连接数字、热敏或半导体多种温度传感器。
如图8为温度采样1-Wire接口电路，其中输入接口1接数字电路电源VCC，2、3端分别与图3C51F020混合信号微控制器的P0.6、P0.7连接，输出端4、5、6与DS18B20数字温度传感器连接，组成远程单点温度采样1-Wire接口电路。
如图3的UC3525APWM控制器电路，其中输入端16与图2中C51F020混合信号微控制器的P3.5连接，通过UC3525APWM控制器电路的关断端10控制PWM电路的启动始运行和停止运行。
LCM液晶显示器如图10，其中数据接口端5与图2中C51F020混合信号微控制器的P7连接，连接端子1（RST）、2（CS1）、3（CS2）、4（WR）、5（RS）分别与图2中C51F020混合信号微控制器的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4连接，组成8位并行数据接口。在微控制器驱动下可是设置为中文显示或英文显示，实现人机交互。
图9为由两个压缩BCD码拨码器组成的温度补偿基准值设定电路。负温度补偿拨码码器的8、4、2、1连接端子连接到图2中C51F020混合信号微控制器的P5.7、P5.6、P5.5、P5.6，正温度补偿拨码器的8、4、2、1连接端子连接到图2中C51F020混合信号微控制器的P5.3、P5.2、P5.1、P5.0。补偿范围为±10℃。补偿值为负时，每补偿增加-1℃，单体蓄电池充电电压降低约0.002V，补偿值为正时，每补偿增加+1℃，单体蓄电池充电电压升高约0.002V。
由上述电路组成的数字控制电路，通过由图2中C51F020混合信号微控制器的P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7分别与图6中五位电阻网络接口电路的输入端1、2、3、4、5连接，组成光电隔离数字控制接口，用于对如图3由UC3525A组成的PWM控制电路的智能化控制。五位电阻网络接口，确保数字控制系统只能在充电电压在110V±5V的范围内实施控制。

Claims (3)

1.一种铁路机车辅助发电机智能控制器，包括C51F020混合信号微控制器、UC3525PWM控制器、电流电压采样电路、温度采样CAN接口电路、温度采样1-Wire接口电路、温度补偿基准值设定电路、五位电阻网络接口电路、功率调整管IGBT和LCM液晶显示器，其特征在于：所述C51F020混合信号微控制器通过五位电阻网络接口电路连接UC3525PWM控制器，C51F020混合信号微控制器上连接温度采样CAN接口电路、温度采样1-Wire接口电路、温度补偿基准值设定电路和LCM液晶显示器，UC3525PWM控制器连接IGBT及驱动电路，功率调整管IGBT与辅助发电机的励磁电路连接，REFZ分流器连接隔离信号放大器，隔离信号放大器连接电流电压采样电路，电流电压采样电路的输出连接C51F020混合信号微控制器，电流电压采样电路经电阻器与蓄电池的正极连接，所述五位电阻网络接口电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7相互并联连接，电阻R1连接开关K1，电阻R2连接开关K2，电阻R3连接开关K3，电阻R4连接开关K4，电阻R5连接开关K5。
2.如权利要求1所述的铁路机车辅助发电机智能控制器，其特征在于：由C51F020混合信号微控制组成的数字控制电路通过五位电阻网络接口电路与由UC3525PWM控制器组成的模拟PWM控制电路的输入控制信号电路连接。
3.如权利要求1所述的铁路机车辅助发电机智能控制器，其特征在于：所述温度补偿基准值设定电路由负补偿BCD码拨码器和正补偿BCD码拨码器组成。
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