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電氣機(jī)車輔助系統(tǒng)中有劈相機(jī)、空氣壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)及制動風(fēng)機(jī)等各種類型的電機(jī)。運(yùn)行中為了防止出現(xiàn)短路、過流等異常情況而燒毀電機(jī)，通常配置輔助保護(hù)系統(tǒng)，起到及時監(jiān)測電機(jī)故障并加以處理的作用。目前電力機(jī)車上安裝的輔保系統(tǒng)都是模擬電路裝置，系統(tǒng)硬件復(fù)雜，又不方便司機(jī)使用和維修。因此，設(shè)計一種實(shí)時性高、性能可靠的智能輔保系統(tǒng)替代原有的模擬電路裝置勢在必行。本文將介紹筆者開發(fā)的用于韶山型電力機(jī)車的智能輔助保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)。 1 系統(tǒng)的主要功能與設(shè)計思想 1.1 系統(tǒng)的主要功能 （1）輔機(jī)保護(hù)功能，即在機(jī)車運(yùn)行過程中，對輔助系統(tǒng)內(nèi)的各電機(jī)出現(xiàn)的短路故障能及時給出故障狀態(tài)顯示，在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)，故障若不消失，對該電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)二次保護(hù)控制。 （2）機(jī)車輔助系統(tǒng)內(nèi)的各電機(jī)若出現(xiàn)了過流或單相故障，能及時給出相應(yīng)故障狀態(tài)顯示。在規(guī)定的過流或單相故障持續(xù)時間內(nèi)，檢測其故障是否消失，如果故障一直未消失消失，對該電機(jī)進(jìn)行一次保護(hù)控制。 （3）在對電機(jī)一次保護(hù)后的規(guī)定時間內(nèi)，若電機(jī)故障仍然未消除，則立即控制主接觸器斷開，實(shí)現(xiàn)對該電機(jī)的二次保護(hù)控制。 （4）輔助系統(tǒng)的劈相電機(jī)出現(xiàn)啟動電阻甩不開的故障時，能夠控制主接觸器斷開，以實(shí)現(xiàn)對該電機(jī)的二次保護(hù)。 （5）在啟動輔助系統(tǒng)各電機(jī)之前，能夠進(jìn)行檢查系統(tǒng)狀態(tài)顯示、輸出控制等功能的實(shí)驗(yàn)，確保系統(tǒng)硬件電路安全性及可靠性。 （6）對輔助系統(tǒng)各電機(jī)進(jìn)行實(shí)時故障檢測的各故障持續(xù)的延時時間可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，但不影響系統(tǒng)功能。 1.2 系統(tǒng)的設(shè)計思想 以高檔微控制器為核心構(gòu)成智能化輔保系統(tǒng)，符合電力機(jī)車發(fā)展的方向，既可充分發(fā)揮軟件的功能，又能簡化硬件構(gòu)成，無論在功能上還是在可靠性及安全性上，都可完全替代目前廣泛使用的模擬電路輔保裝置。 1.2.1 系統(tǒng)的微控制器芯片AT90S8535 美國ATMEL公司推出的90系列單片機(jī)是增強(qiáng)RISC內(nèi)載Flash的高性能八位單片機(jī)，通稱為AVR單片要同，設(shè)計上采用低功耗CMOS技術(shù)，而且在軟件上有效支持C高級(用IAR系統(tǒng)的ICC90C編譯器編譯)及匯編語言（用AVR匯編器編譯）。 其中，AT90S8535是功能較強(qiáng)的一種型號，它有40引腳PDIP和44引腳PLCC、TQFP等多種封裝形式，具有以下主要特征： （1）其片內(nèi)帶有一個8通道的A/D轉(zhuǎn)換器及一個模擬比較器。 （2）兩個帶預(yù)分頻及比較模式的8位定時器/計數(shù)器T/C0、T/C1；一個16位的帶預(yù)分頻及比較模式、捕獲模式及雙工8位、9位或10位的PWM輸出的定時器/計數(shù)器T/C1；而且定時器/計數(shù)器T/C2可作為帶單獨(dú)晶振的RTC使用。 （3）32條通用I/O線及32個通用8位寄存器R0～R31，64個I/O專用寄存器。 （4）片內(nèi)有8K字節(jié)可下載的Flash存儲器，程序下載采用其SPI串行接口，使用壽命為1000次。 （5）有512字節(jié)的EEPROM（使用壽命為10萬次）及512字節(jié)的內(nèi)部SRAM。 （6）帶片內(nèi)晶振器的可編程看門狗定時器；并有三種可通過軟件選擇的電源節(jié)電模式；閑置模式、掉電模式及省電模式。 （7）供電電壓Vcc為4.0～6.0V，可以全靜態(tài)工作，范圍為0～8MHz；具有118條功能強(qiáng)大的指令，大多數(shù)執(zhí)行時間為單時鐘周期，指令周期最短僅為125ns。 （8）提供16種不同的內(nèi)、外中斷源（其中有兩個外部中斷源）。 （9）可編程的全雙工串行通信接口UART及同步串行接口SPI。 以AT90S8535嵌入式高效微控制器構(gòu)成智能化輔保系統(tǒng)的主控制電路，無需外擴(kuò)多通道A/D轉(zhuǎn)換器及程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器，大大簡化了系統(tǒng)的硬件。尤其是其內(nèi)部又有硬件看門狗電路及相應(yīng)的看門狗指令控制，提高了系統(tǒng)的可靠性及安全性，選型相對以往的AT89系列單片機(jī)，在性能上要強(qiáng)得多，而且開發(fā)手段更為方便。 1.2.2 AT90S8535的ADC的主要特性和工作原理 AT90S8535的優(yōu)越性在于其片內(nèi)有一個8通道的10位ADC，ADC與一個模擬多路轉(zhuǎn)換器相連，還包含一個采樣保持器。該器件的A口的每一引腳（PA0～PA7）均可作為ADC的模擬輸入端，A口不用作模式輸入的個別引腳又可作為數(shù)字輸入使用。 ADC有兩個單獨(dú)的模擬供電引腳AVCC和AGND。使用時，AGND和GND必須相連，AVCC和Vcc的電壓必須保持±0.3V的不同，并通過RC網(wǎng)絡(luò)相連。外部參考基準(zhǔn)電壓通過AREF引腳加入。 ADC通過內(nèi)部預(yù)分頻器ADCPS保證將系統(tǒng)時鐘頻率轉(zhuǎn)化為50～200kHz之間的ADC可接受牟時鐘頻率。ADC一般至少需要13個時鐘周期完成一次轉(zhuǎn)換，因此轉(zhuǎn)換時間范圍為65～260μs。ADC為用戶提供了內(nèi)部中斷方式的處理，可以滿足實(shí)時性的要求。每次轉(zhuǎn)換完成時，ADC轉(zhuǎn)換器完成中斷就可以被激活。 ADC還有一個噪音清除器，通過正確的使用，確保在閑置模式轉(zhuǎn)換過程中減少包括從CPU核中出來的噪音。 ADC被使能后，可以選擇單一轉(zhuǎn)換和自由運(yùn)行兩種模式之一工作。要單一轉(zhuǎn)換模式下，每次轉(zhuǎn)換由用戶觸發(fā)；在自由運(yùn)行模式下，ADC連續(xù)取樣，并更新ADC的數(shù)據(jù)寄存器。建議用戶使用單一轉(zhuǎn)換模式。ADC產(chǎn)生的10位結(jié)果保存在數(shù)據(jù)寄存器ADCL和ADCH中，其內(nèi)部特殊數(shù)據(jù)保護(hù)邏輯要求讀取數(shù)據(jù)時，先讀ADCL，后讀ADCH。 1.3 系統(tǒng)監(jiān)測對象 本系統(tǒng)完成監(jiān)測對象主要有：（1）劈相機(jī)三相信號；（2）通風(fēng)機(jī)電機(jī)三相信號；（3）制動風(fēng)機(jī)電相三相信號；（4）各種電機(jī)接觸器信號。系統(tǒng)通過輸入電路完成對這些信號的調(diào)理，向系統(tǒng)主控制電路提供6模擬量輸入及5路數(shù)字開關(guān)量輸入，還提供5路條件標(biāo)志。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)檢測到各路電機(jī)對應(yīng)的模擬量輸入電壓在0.69V～4.5V之間時，可認(rèn)為電機(jī)發(fā)生了過流故障，而且規(guī)定的過流故障持續(xù)的時間隨輸入電壓范圍不同又分為多個不同區(qū)段，軟件應(yīng)保證按不同的時間區(qū)段對電機(jī)進(jìn)行一次保護(hù)；輸入電壓若在4.5V以上，可以為電機(jī)發(fā)生了短路故障，在0.5秒的持續(xù)時間內(nèi)，故障一直未消除，則對電機(jī)立即實(shí)施二次保護(hù)控制，防止電機(jī)實(shí)施二次保護(hù)控制，防止電機(jī)被燒毀；5路數(shù)字開關(guān)量通道的某路輸入出現(xiàn)高電平時，則認(rèn)為該路電機(jī)發(fā)生了單相故障，在3秒故障持續(xù)時間內(nèi)故障一直不消失，對電機(jī)實(shí)施一次保護(hù)控制。無論單相還是過流故障，在對電機(jī)一次保護(hù)后的0.5秒持續(xù)時間內(nèi)故障仍未消除，則實(shí)施二次保護(hù)控制。通過上述手段，能起到監(jiān)測電力機(jī)車輔助系統(tǒng)中的各電機(jī)是否正常工作、當(dāng)出現(xiàn)故障時及時發(fā)現(xiàn)并對電機(jī)加以保護(hù)的作用。 2 系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計 2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)主要由輸入調(diào)理電路、控制輸出部分及顯示電路、系統(tǒng)主控制電路組成。輸入信號的調(diào)理電路為系統(tǒng)主電路提供多路模擬量及數(shù)字開關(guān)量輸入通道，設(shè)計中主要考慮了信號與現(xiàn)場的隔離和抗干擾。輸出電路完成對各電機(jī)接觸器及主接觸器的控制，即能對出現(xiàn)故障的電機(jī)實(shí)現(xiàn)一次保護(hù)或二次保護(hù)，并提供各通道電機(jī)故障的顯示，確保電機(jī)的安全。 圖1給出了系統(tǒng)的主電路組成圖。圖中所示的各路信號分別表示輸出通道、故障顯示通道、開關(guān)數(shù)字量輸入通道及條件標(biāo)志輸入通道。 2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件采取模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)各任務(wù)模塊在功能上應(yīng)盡量保持獨(dú)立。將各任務(wù)模塊放在時鐘中斷服務(wù)程序中執(zhí)行，就可將系統(tǒng)各監(jiān)測任務(wù)所需的各不相同的眾多故障持續(xù)延時時間轉(zhuǎn)化為執(zhí)行頻率。 2.2.1 數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計 以通道0為例，系統(tǒng)利用其片內(nèi)10位ADC進(jìn)行模擬量采集的軟件初化程序段如下： .include "8535def.ine" .def count="r14" .def flag="r15" .def result="r16" .def temp="r17" .def ac_temp=r18 INIT:Idi AL,low(RAMEND) Out SPL,AL Idi AL,high(RAMEND) out SPH,AL ；初始化堆棧指針 ldi count,3 ；設(shè)置采集點(diǎn)數(shù) clr flag ；清采集標(biāo)志 ldi ZL,$65 clr ZH ；設(shè)置外部SRAM數(shù)據(jù)緩區(qū)首址為$0065H ldi result,$8d out ADCSR,result ；設(shè)置ADEN=1,ADSC=0,ADFR=0,ADIF=0,ADIE=0 ；設(shè)置ADPS2=1，ADPS=0，ADPS0=0 ；使ADC預(yù)分頻器選擇分頻系數(shù)為16，設(shè)置ADC時鐘頻率為115kHz sbi ADCSR,ADIE ；ADC中斷使能 ldi temp,$00 ；選擇PA0（模擬通道1） out ADMUX,temp sbi ADCSR,ADSC ；啟動ADC轉(zhuǎn)換 中斷采集程序段如下： ACONVERT：in ac_temp,SREG ;臨時保存狀態(tài)寄存器 in BL,ADCL in BH,ADCH andi BH,$03 st Z+,BL ；保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū) st Z+,BH dec cout ；采集點(diǎn)數(shù)到否？ breq ADC_a sbi ADCSR,ADSC ；啟動下一次A/D轉(zhuǎn)換 rjmp XX ADC_a: ldi flag,$aa ；置采集結(jié)束標(biāo)志 XX：out SREG,ac_temp ；恢復(fù)狀態(tài)寄存器 Reti 對A/D通道采集的模擬量數(shù)據(jù)采用防脈沖干擾的中值濾波法。 2.2.2 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計及實(shí)現(xiàn) 為了確保系統(tǒng)的實(shí)時性，系統(tǒng)的監(jiān)測掃描時間片設(shè)為100ms。在SRA嶇設(shè)置標(biāo)志及內(nèi)部軟件計時器單元，通過設(shè)定各路計時單元及計時啟動/結(jié)束標(biāo)志，來解決出現(xiàn)短路、過流及單相故障的電機(jī)所需的各不同故障持續(xù)延時時間，對電機(jī)在不同過流范圍區(qū)段的不同故障持續(xù)延時時間也可正確區(qū)分并記錄。這樣系統(tǒng)就不會因某一任務(wù)的延時而影響對系統(tǒng)其它任務(wù)的檢測，實(shí)現(xiàn)了對各路電機(jī)監(jiān)測的實(shí)時多任務(wù)處理。另外注意，對于與執(zhí)行頻率無關(guān)的模塊則可放在主程序中執(zhí)行。 圖2、圖3給出了T/C1定時中斷服務(wù)程序模式及主程序模塊的流程框圖。 該智能輔保系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，目前已投入運(yùn)營。實(shí)踐證明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，效果良好。 |
