基于P87C591的机车通风机节能控制系统

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。