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1 引言 無刷同步發電機勵磁控制裝置主要應用于DF11型和DF8B型鐵路內燃干線機車的交流輔助傳動系統。無刷勵磁控制裝置和交流輔助發電機共為一體，對發電機的勵磁機勵磁進行控制，從而達到控制發電機勵磁的目的，通過無刷勵磁控制裝置的控制信號，使交流輔助發電機在不同工況下保證U/f比恒定。當負載突然變化時，勵磁控制裝置能迅速調節勵磁電流，使發電機輸出特性變硬，保證輔助系統穩定工作。無刷同步發電機勵磁控制裝置的結構如圖1所示，無刷同步發電機勵磁控制裝置需采集發電機輸出交流電壓Va、Vb、Vc等模擬量，經過信號測量電路取得電壓信號和轉速信號，發電機轉速信號輸入到80C196MC型單片機，通過MAX504變換成模擬基準電壓信號，此信號即為上述電壓檢測信號與經過PI計算后輸出的控制信號，控制無刷同步發電機勵磁機的勵磁，從而控制其輸出電壓。 2 MAX504的引腳排列及功能 MAX504是由美信（Maxim）公司生產的一種低功耗、電壓輸出型10位串行數/模轉換器。MAX504既可用＋5V單電源工作，也可用±5V雙電源工作。該電路采用14引腳DIP型或SO型封裝，圖2示出它的引腳排列，表1介紹它的引腳功能。 圖3示出MAX504的結構框圖，MAX504內部的運算放大器增益可以設置成1或2，還可設置成單極性或雙極性輸出電壓，MAX504利用1個帶有單電源供電的運算放大器“倒轉的”R－2R梯形網絡，將10位數字信號轉換為模擬電壓信號，由于電流輸出型數/模轉換器的REFIN引腳是運算放大器求和的連接點或虛地，因此用“倒轉的”這個術語描述該梯形網絡，然而，相對參考電壓來說，這種應用會導致輸出電壓反向，MAX504的拓撲使得輸出的極性與參考電壓輸入極性相同。上電時，內部復位電路使DAC寄存器復位為零，此外，當CLR引腳保持低電平時，使寄存器都置零，CLR引腳的工作異步并獨立于片選CS端。 3 MAX504的工作模式 3.1 單極性配置 將BIPOFF和RFB連接到VOUT，MAX504可被配置成增益為1（0V到VREFIN的單位極性輸出）的模式，此配置中，D/A轉換器可工作于單電源或雙電源供電方式，將BIPOFF連接到AGND和RFB，則可被配置成增益為2（0V至2VREFIN的單極性輸出）的模式，在本模式中，MAX504既可以單電源工作，也可以雙電源工作。 3.2 雙極性配置 將BIPOFF連接到REFIN和RFB，雙電源（±5V）供電，使MAX504成為雙極性配置。 3.3 四象限乘法器 將BIPOFF連接至REFIN，RFB連接至VOUT，然后再用偏移二進制數字模式，電源供電，或在VSS＋2V至VDD－2V范圍內由REFIN輸入雙極性模擬信號，這樣，MAX504就可以作四象限乘法器。工作模式的3種配置具體連線圖可參考文獻。 4 工作時序 MAX504的工作時序如圖4所示，最大時鐘頻率由1/（tCH＋tCL）決定，大約是14MHz，數據更新率受片選周期限制，其周期為16×（tCH＋tCL）＋tCSW，相當于1.14μs，或者877kHz的更新率。然而，10位D/A轉換的建立時間為25μs，這樣，更新率限制為40kHz。 MAX504使用3線串行接口，這種接口與SPITM、QSPITM（CPOL＝CPHA＝0）和Microwire標準兼容，通過寫入2個8位字節對DAC進行編程（如圖2所示）,16位串行數據按下列順序進入D/A轉換器：4位填充（啞元）位、10位數據位、2位“0”。4位啞元位數據通常是無用的，然而2位“0”數據是需要的，這是因為要求其硬件和軟件必須與12位MAX531/MAX538/MAX539兼容。SCLK為低電平時，應該出現CS跳變，CS為低電平時，數據在SCLK的上升沿出現時輸入，串行輸入數據保持在16位串行移位寄存器中。CS出現上升沿時，10位數據被傳輸到DAC寄存器，更新DAC。隨著CS變為高電平，數據不能進入MAX504。MAX504以16位數據塊輸入數據，SPI和Microwire接口以8位數據塊輸出數據，因此，要求在2個寫周期輸入數據至DAC，QSPI接口要求8位到16位可變的數據輸入，且以一個寫周期載入DAC。 5 MAX504的應用 根據MAX504的工作原理及上述工作時序，采用MAX504（單極性輸出方式）增益為1的工作模式，可以設計無刷同步發電機勵磁控制裝置中80C196MC與MAX504的硬件接口電路，出圖5所示。將MAX504的DIN、SCLK和CS分別接到80C196MC的P2.5/COMPARE1、P2.6/COMPARE2和P2.7/COMPARE3，無刷同步發電機轉速信號FCPU輸入80C196MC后，經過控制軟件處理，然后通過P2.5/COMPARE1將數字信號輸出至MAX504的DIN，使MAX504產生所需電壓基準信號VOUT，使之與實際檢測電壓進行PI計算后產生無刷同步發電機勵磁機的勵磁控制信號，接口控制軟件如下： 6 結束語 筆者設計的無刷同步發電機勵磁控制裝置現已應用于DF8B型內燃機車的交流輔助傳動系統，運行試驗證明該控制裝置能夠滿足實際應用要求。 |
