基于P87C591的机车通风机节能控制系统

1 引言
    由于机车牵引电动机在持续运行中存在的损耗会使电动机各部分的温度升高。过高的温度既影响电动机的运行寿命．也影响电动机的效率。牵引电动机大多采用强迫通风方式冷却。然而处于工作状态的牵引电动机的通风机均保持恒定的通风量，不能根据绕组温升变化进行调节，造成电能浪费。因此，提出一种机车通风机节能控制系统。该系统设计采用P87C59l单片机作为控制核心，利用三相交流调压模块作为通风机的电动机控制模块，并根据直流牵引电动机在持续运行中的温升变化，控制通风机电动机的转速，调节通风量，从而实现调节温升和节能的目的，并具有良好的实用价值。

2 系统组成及工作原理
    图1给出基于P87C591的机车通风机节能控制系统结构框图。其中，温度信号和速度反馈信号作为输入信号，经过P87C591计算处理产生电压信号，控制三相调压模块，实现通风机电动机的调压调速和牵引电动机的温升调节。

2．1 P87C591控制电路
    Philips公司的P87C591内置模数转换器，是由80C5l微控制器派生而来的。它采用强大的80C51指令集，并实现了SJAl000CAN控制器的PiliCAN功能Ⅲ。其主要特性：①全静态80C51中央处理单元。可提供OTP，ROM和无ROM型。②16 K字节内部程序存储器。外部可扩展到64 K字节，512字节片内数据RAM。③3个16位定时，计数器T0，Tl(标准80C51)和附加的T2(捕获＆比较)。④6路模拟输入的A/D转换器。包括10位和8位两种模式的精度可供选择；模拟输入电路包括一个6路输入模拟多路复用器和一个10位标准二进制逐次逼近式A／D转换器。⑤2个8位分辨率的脉宽调制(PWM)输出。⑥标准80C5l引脚有32个I／0口。⑦片内看门狗定时器T3。⑧CAN的扩展特性，其中含增强型验收滤波器。支持系统维护、诊断、优化及接收。
    P87C591是连接牵引电动机和通风机电动机的桥梁。温度信号包括牵引电动机绕组温度信号和环境温度信号。温度信号和速度反馈信号一起通过P87C59l的I／O口进入单片机，单片机据此产生调压模块控制信号，并且按温升的变化调节通风量。
2．2 三相交流调压模块
    在此选用集三相电位检测、移相触发电路和三组增强调相P型于一体的光电隔离三相交流调压模块，该模块的应用简单，只需结合配套的三相同步变压器，便可按O～5V直流、4—20 mA或电位器3种控制模式实现调压，以及三相负载电压从0 V到电网全电压的无级可调。该模块内置RC吸收保护电路，同时具有抗干扰能力强，调压线性好等优点。图2给出其应用电路。三相调压模块与三相同步变压器模块LTB3的R，S，T端对应连接，组成的电路可用于260～420 V、50 Hz的电网。在机车通风机节能控制系统中选用0～5 V作为输入控制信号，三相负载处连通风机电机。

3 硬件电路设计
    该系统的硬件电路主要由温度信号采集电路、速度信号采集电路和调压模块信号生成电路组成。
3．1 温度信号采集电路
    由于牵引电动机是旋转机构，不能采用传统的接触式测量，加上许多温升算法仅局限于温升试验，不能实现在线测量，因此选用红外测温传感器IRt/c．5测量电动机的绕组温度。该测温传感器的原理是将红外辐射能量转换为电信号，与热电偶一样无需电源，并内置吹气系统，可满足约200℃的工作环境温度．其测温范围在一45℃～+650℃。该测温传感器的安装简便，只需将其安装在牵引电动机的观察孔上，调整好传感器的探头即可。图3给出牵引电动机电枢温度测量电路。
    对环境温度测量选用单线数字温度传感器DSl8820，可直接通过P87C591的测温范围(一55℃～+125℃)，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量。图4给出DSl8820的引脚连接图。

3．2 速度信号采集电路
    图5给出选用集成转速传感器KMIl5/16构成的转速测量电路。其中，低通滤波器由R15，R16，C16构成，上限频率为1 kHz。比较器LM393单独供电，电源经分压后，其参考电压加至LM393的反相输入端即引脚3；转速信号加至同相输入端即引脚2。利用R18，R19，R20设定比较器的滞后电压。保护电路中的VD2可防止电源极性反接；箝位二极管VD3起保护作用；C13为电源滤波电容；C14为去噪电容。

3．3 调压模块信号生成电路
    该电路利用数模转换器将P87C591的数字信号转换成调压模块适用的模拟信号。图6给出调压模块信号生成电路。其中，输出端口的电压信号Uo为三相交流调压模块的控制电压。

4 软件设计
    图7给出系统软件设计流程图。其中，初始化主要包括设置模数转换模式和模拟通道的选择等。采用该方案可以灵活地通过软件编程，简单实现牵引电动机参数到通风机电机参数的转换，且控制精确。

5 测试结果
    表1给出该系统的试验测量数据。由表1可知，通风机的电动机转速可以随温升变化进行调节，由于通风机电动机的轴输出功率正比于转速的3次方，所以可实现功率调节，达到节能目的。该设计方案各硬件模块问的连接简单，可靠性强，控制精确，体积小，成本低，具有良好的实用价值。