專利名稱：一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字微機(jī)控制裝置，尤其是涉及一種應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車直流輔助發(fā) 電機(jī)輸出電壓控制的裝置。
背景技術(shù)：
長期以來內(nèi)燃機(jī)車上的直流輔助發(fā)電機(jī)的輸出電壓一直采用模擬電路的控制方 法，即采用運(yùn)算放大器、電阻、電容等分離器件構(gòu)成的電路來完成輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓的控 制。這種模擬控制方法有很多缺陷電阻、電容、運(yùn)算放大器等模擬器件會(huì)隨著溫度的變化、 時(shí)間的增加，其參數(shù)會(huì)產(chǎn)生漂移，從而降低控制器的性能。而且現(xiàn)有的模擬控制電路采用了 繼電器等體積較大、壽命較短的器件導(dǎo)致產(chǎn)品的體積較大，維護(hù)工作量大。隨著鐵路機(jī)車控 制技術(shù)的發(fā)展，鐵路機(jī)車產(chǎn)品向著小型化、集約化、智能化的方向發(fā)展。因此用戶也對產(chǎn)品 的性能、體積和價(jià)格都提出了更為嚴(yán)格的要求。而且現(xiàn)有的模擬控制電路很難升級(jí)換代，一 旦用戶提出新的需求，往往伴隨著大幅度硬件的更換，這樣導(dǎo)致成本迅速增加，產(chǎn)品的競爭 力下降很多?，F(xiàn)有的模擬控制方式存在以下缺點(diǎn)體積較大，占用了較多的內(nèi)燃機(jī)車上寶貴的安裝空間。由于模擬控制采用PID(比 例積分微分)調(diào)節(jié)是依靠電阻、電容等模擬器件的參數(shù)，由于電阻、電容尤其是電容參數(shù)偏 差較大，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)一致性不太好，同時(shí)易受元器件溫漂、老化、電磁干擾的影響，從而降 低了控制器的性能。模擬控制設(shè)計(jì)周期長，調(diào)試起來比較困難。產(chǎn)品升級(jí)困難，用戶提出新 的需求后，一般都伴隨著大幅度硬件的更換，這樣導(dǎo)致產(chǎn)品成本增加，升級(jí)困難。很難實(shí)現(xiàn) 先進(jìn)的控制算法及各種保護(hù)(如蓄電池保護(hù))。沒有軟啟動(dòng)功能，對用戶的一些重要敏感負(fù) 載沖擊較大，模擬控制方法沒有做蓄電池溫度檢測，無法通過蓄電池溫度檢測來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié) 輔助發(fā)電機(jī)電機(jī)勵(lì)磁電流來保護(hù)蓄電池，延長蓄電池的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，該發(fā)明可以很好地解決現(xiàn)有技術(shù)存在的 輔機(jī)控制裝置體積較大，占用了較多的內(nèi)燃機(jī)車上寶貴的安裝空間，電阻、電容等模擬器件 參數(shù)偏差較大，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)一致性不太好，同時(shí)易受元器件溫漂、老化、電磁干擾的影響， 從而降低了控制器的性能的技術(shù)問題。本發(fā)明提供一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的具體實(shí)施方式
，一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制 裝置，包括CPU、電源電路、晶振電路、差分濾波電路、通訊電路、過壓保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路， 電源電路為輔機(jī)控制裝置提供電源；晶振電路與CPU相連，為CPU提供時(shí)鐘脈沖；通訊電路 與CPU相連，輔機(jī)控制裝置通過串口與機(jī)車上的控制和顯示裝置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，同時(shí)通過 串口下載控制程序；輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓反饋通過差分濾波電路將輸入的直流電壓變換成 小信號(hào)的直流電壓，然后將反饋電壓送給CPU的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器；過壓保護(hù)電路與CPU相 連，通過調(diào)節(jié)輔助發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流使輔助發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定的電壓；驅(qū)動(dòng)電路與CPU相連，驅(qū)動(dòng)輔助發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。作為本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方式，所述的內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置包括蓄電池環(huán)境溫 度檢測電路，蓄電池裝置通過安裝溫度傳感器來檢測蓄電池的環(huán)境溫度，通過I2C總線與 CPU進(jìn)行通訊，如果溫度過高則對輔助發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)蓄電池的保護(hù)。作為本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方式，蓄電池為所述的電源電路提供110V直流電壓，由 一個(gè)開關(guān)電源P1通過DC/DC變換為直流5V，經(jīng)過DC/DC開關(guān)電源P3把直流5V變成直流 12V，供電給驅(qū)動(dòng)電路，開關(guān)電源P2把直流5V變換成直流士 15V供電給輔機(jī)控制裝置電路 板上的運(yùn)算放大器，直流5V的地和直流士 15V的地通過兩個(gè)磁珠連接在一起，由開關(guān)電源 芯片P4實(shí)現(xiàn)直流5V隔離變成直流5V，提供通訊電路的隔離電源。作為本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方式，當(dāng)輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓信號(hào)在20V-137. 5V范圍 內(nèi)變化時(shí)，通過差分濾波電路進(jìn)行信號(hào)采集，20V-137. 5V差分直流電壓輸入信號(hào)經(jīng)差分濾 波電路后進(jìn)行高阻隔離差分濾波，通過放大電路進(jìn)行放大，進(jìn)入低通濾波電路，濾除高次頻 率諧波，輸出至電壓跟隨器，最終輸出穩(wěn)定的直流電壓。作為本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方式，當(dāng)輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓在0-123V范圍內(nèi)時(shí)，輔機(jī) 控制裝置工作在正常的PWM脈沖寬度調(diào)制方式，通過光耦隔離電路進(jìn)行光電隔離，且經(jīng)過 信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后進(jìn)入M0S管驅(qū)動(dòng)電路，以PWM方式驅(qū)動(dòng)輔助發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電 流的大?。划?dāng)輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓大于123V時(shí)，輔助發(fā)電機(jī)過壓反饋驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過光耦隔 離且進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后進(jìn)入M0S管驅(qū)動(dòng)電路，以關(guān)斷M0S管的方式切除輔助發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電 流。作為本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方式，所述的內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置包括一路電流信號(hào) 輸入電路，當(dāng)傳感器的0-20mA電流信號(hào)輸入時(shí)，通過取樣電阻和信號(hào)調(diào)理電路使產(chǎn)生0-5V 范圍內(nèi)的電壓信號(hào)送給CPU的A/D轉(zhuǎn)換器輸入口進(jìn)行處理。作為本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方式，所述的內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置包括一路分流器檢 測電壓信號(hào)輸入電路，來自分流器的輸入信號(hào)，經(jīng)過濾波整形電路，并通過電能計(jì)量芯片進(jìn) 行采集處理，再通過I2C總線通訊送給CPU。作為本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方式，所述的過壓保護(hù)電路包括軟件過壓保護(hù)模塊，當(dāng) CPU檢測到輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓大于直流125V的時(shí)候，CPU產(chǎn)生外部中斷，外部中斷封鎖 CPU輸出的PWM信號(hào)，直到輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓減小到直流0-125V范圍內(nèi)，CPU立即開始通 過檢測到的輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓的反饋值，通過比例積分微分動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輔助發(fā)電機(jī)輸出電 壓的大小直至輸出電壓穩(wěn)定在直流110V士2V正常范圍內(nèi)。作為本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方式，所述的過壓保護(hù)電路包括硬件過壓保護(hù)模塊，輔 助發(fā)電機(jī)輸出電壓反饋通過信號(hào)調(diào)理電路濾波整形后送入電壓比較電路，當(dāng)輔助發(fā)電機(jī)輸 出電壓反饋大于用戶設(shè)定的保護(hù)值時(shí)，電壓比較電路輸出一個(gè)高電平，該高電平分為兩路 信號(hào)一路經(jīng)過濾波整形電路后送給CPU，CPU產(chǎn)生一個(gè)外部中斷，限制勵(lì)磁電流輸出或是 關(guān)斷勵(lì)磁輸出，直至輔助發(fā)電機(jī)回到正常的范圍內(nèi)后，CPU開始動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輔助發(fā)電機(jī)輸出電 壓的大??；另一路信號(hào)經(jīng)過隔離放大電路后送給外部110V直流過壓指示燈。作為本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方式，所述的內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置包括狀態(tài)指示裝 置，狀態(tài)指示裝置包括電源狀態(tài)指示燈、程序運(yùn)行狀態(tài)指示燈、程序下載狀態(tài)指示燈、故障 顯示指示燈和報(bào)警狀態(tài)指示燈。
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通過應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施方式所描述的一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，可以大幅度提高 產(chǎn)品的可靠性、靈活性等性能。本發(fā)明的關(guān)鍵器件都沒有壽命敏感型器件，這樣減小了產(chǎn)品 維護(hù)的工作量，延長了產(chǎn)品的使用壽命。電路板上大量采用表面貼器件后，產(chǎn)品的體積相比 原來的輔機(jī)控制裝置顯著減小，節(jié)省安裝空間。本發(fā)明采用的脈寬調(diào)制(PWM)控制方法可 以方便地實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，這樣可以避免對用戶的重要敏感負(fù)載帶來沖擊，為用戶增加了 效益。相對于傳統(tǒng)的輔機(jī)控制裝置增加了采集蓄電池的表面溫度，蓄電池充放電電流實(shí)時(shí) 監(jiān)測，輔機(jī)軟啟動(dòng)功能，這樣可以通過軟件算法實(shí)現(xiàn)對蓄電池充電電流控制，放電電流的檢 測和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)蓄電池溫度保護(hù)，提高蓄電池的使用壽命，為用戶帶了客觀的經(jīng)濟(jì)效益。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的PID控制系統(tǒng)原理框圖；圖3為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的電源電路結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的差分濾波電路原理框圖；圖5為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的通訊電路原理框圖；圖6為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的過壓保護(hù)電路原理框圖；圖7為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的光耦驅(qū)動(dòng)隔離電路原理框圖；圖8為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的溫度檢測電路原理框圖；圖9為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的一路備用電流信號(hào)檢測電路原理框 圖；圖10為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的電流信號(hào)檢測電路原理框圖；其中1-CPU，2_電源電路，3-晶振電路，4-差分濾波電路，5-通訊電路，6-過壓保 護(hù)電路，7-驅(qū)動(dòng)電路。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其 他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。作為本發(fā)明一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置的具體實(shí)施方式
，如圖1所示，一種內(nèi)燃 機(jī)車輔機(jī)控制裝置，包括CPU 1、電源電路2、晶振電路3、差分濾波電路4、通訊電路5、過壓 保護(hù)電路6和驅(qū)動(dòng)電路7，電源電路2為輔機(jī)控制裝置提供電源；晶振電路3與CPU 1相連， 為CPU 1提供時(shí)鐘脈沖；通訊電路5與CPU相連，輔機(jī)控制裝置通過串口與機(jī)車上的控制和 顯示裝置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，同時(shí)串口下載控制程序；輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓反饋通過差分濾波 電路4將輸入的直流電壓變換成小信號(hào)的直流電壓，然后將反 電壓送給CPU的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器；過壓保護(hù)電路6與CPU相連，通過調(diào)節(jié)輔助發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流使輔助發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn) 定的電壓；驅(qū)動(dòng)電路7與CPU相連，驅(qū)動(dòng)輔助發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。本發(fā)明硬件電路的CPU采用以ATEMEGA128單片機(jī)微處理器為控制核心的電路，單 片機(jī)通過檢測輔助發(fā)電機(jī)電壓和蓄電池充電電流以及蓄電池溫度通過PID控制方式驅(qū)動(dòng) M0S管，通過PWM脈寬調(diào)節(jié)輔助發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小，從而控制輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定 在目標(biāo)值，以實(shí)現(xiàn)對輔助發(fā)電機(jī)電壓的恒壓控制。同時(shí)對蓄電池充電電流實(shí)行過流保護(hù)和 蓄電池溫度保護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)硬件電路原理框圖見附圖1，PID控制框圖見附圖2。電源電路主要是給輔機(jī)控制裝置各部分電路提供電源。電源由蓄電池提供直流 110V電壓，由一個(gè)開關(guān)電源P1通過DC/DC變換為直流5V(典型值)，輸入輸出地隔離。該 電源供整個(gè)裝置模擬電路和部分?jǐn)?shù)字電路使用。經(jīng)過DC/DC開關(guān)電源P3把直流5V變成直 流12V(典型值)，供電給光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路。開關(guān)電源P2把直流5V變換成直流士 15V供 電給電路板上運(yùn)算放大器，直流5V的地和直流士 15V的地通過兩個(gè)磁珠連接在一起。由開 關(guān)電源芯片P4實(shí)現(xiàn)直流5V隔離變成直流5V，提供串口通訊隔離電源。晶振電路采用外部 16M晶振。電源電路框圖如圖3所示。差分濾波信號(hào)采集電路輔助發(fā)電機(jī)輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓反饋通過差分濾波電路 將輸入的直流電壓變換成小信號(hào)的直流電壓，然后將反饋電壓送給ATEMEGA128的內(nèi)部模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，當(dāng)電壓信號(hào)在20V-137. 5V范圍內(nèi)變化時(shí)，通過運(yùn)放構(gòu)成的差分濾波電路進(jìn)行信 號(hào)采集，單端輸出經(jīng)運(yùn)放組成的阻容低通濾波和電壓跟隨器送入后級(jí)處理電路。該電路的 兩個(gè)輸入端信號(hào)之間的差值，為電路有效輸入信號(hào)，電路的輸出是對這兩個(gè)輸入信號(hào)之差 的放大。如果兩個(gè)輸入信號(hào)存在相同的干擾，通過二者之差，干擾信號(hào)的有效輸入為零，這 就達(dá)到了抗共模干擾的目的。差分信號(hào)經(jīng)差分濾波電路后進(jìn)入低通濾波電路，濾除高次頻 率諧波，使輸出結(jié)果穩(wěn)定。輔機(jī)控制裝置通過RS422/485串口與機(jī)車上其他控制、顯示裝置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊， 同時(shí)控制程序也可通過RS422/485串口下載，通訊電路示意圖見附圖5。本設(shè)計(jì)的目的是把 通過調(diào)節(jié)輔助發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流使輔助發(fā)電機(jī)的輸出電壓穩(wěn)定在直流110V 士 2V，但當(dāng)輔助 發(fā)電機(jī)輸出電壓大于125V時(shí)，通過減小勵(lì)磁電流直至勵(lì)磁電流為0來實(shí)現(xiàn)輔助發(fā)電機(jī)輸出 電壓的過壓保護(hù)。軟件過壓保護(hù)當(dāng)單片機(jī)檢測到輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓大于直流125V的時(shí)候，單片 機(jī)會(huì)立即產(chǎn)生一個(gè)外部中斷，外部中斷會(huì)立即封鎖單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)，即PWM信號(hào)的占 空比封鎖為0，起到軟件過壓保護(hù)的作用。直到輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓減小到直流(0-125V) 的范圍內(nèi)后，單片機(jī)立即開始通過檢測到的輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓的反饋值，通過PID(比例 積分微分)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小直至輸出電壓穩(wěn)定在直流110V士2V正常范圍內(nèi)。硬件過壓保護(hù)如圖6所示，輔助發(fā)電機(jī)電壓反饋通過信號(hào)調(diào)理電路濾波整形后 送入電壓比較電路，當(dāng)輔助發(fā)電機(jī)電壓反饋大于用戶設(shè)定的保護(hù)值時(shí)，電壓比較電路輸出 一個(gè)高電平，該高電平分為兩路信號(hào)一路經(jīng)過濾波整形電路后送給CPU，CPU會(huì)立即產(chǎn)生一個(gè)外部中斷限制勵(lì)磁電流 輸出或是立即封鎖脈沖，關(guān)斷勵(lì)磁輸出。直至輔助發(fā)電機(jī)電回到正常的范圍內(nèi)后，CPU開始 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輔助發(fā)電機(jī)電壓大小。另一路信號(hào)經(jīng)過隔離放大電路后送給外部110V直流過壓指示燈，這樣用戶可以很直觀地了解到輔機(jī)控制裝置的工作情況。當(dāng)輔助發(fā)電機(jī)電壓在0-123V范圍內(nèi)時(shí)，輔機(jī)控制裝置工作在正常的PWM脈沖寬度 調(diào)制方式，通過光耦隔離且進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后進(jìn)入M0S管驅(qū)動(dòng)電路，以PWM方式驅(qū)動(dòng)輔助 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流大小。當(dāng)輔助發(fā)電機(jī)電壓大于123V時(shí)，輔助發(fā)電機(jī)過壓反饋驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過 光耦隔離且進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后進(jìn)入M0S管驅(qū)動(dòng)電路，以關(guān)斷M0S管的方式切除輔助發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁電流。在面板上作8個(gè)指示燈，分別用來指示各種狀態(tài)信號(hào)。電源狀態(tài)、程序運(yùn)行狀態(tài)、 程序下載狀態(tài)、故障顯示及報(bào)警狀態(tài)?？梢酝ㄟ^軟件編程靈活定義指示燈的狀態(tài)，方便用戶 和技術(shù)支持人員在現(xiàn)場第一時(shí)間了解裝置的工作狀況以及快速定位故障信息等。蓄電池裝置通過安裝溫度傳感器TMP175來檢測蓄電池的環(huán)境溫度，通過I2C與單 片機(jī)進(jìn)行通訊，如果溫度過高則進(jìn)行限制輔助發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)蓄電池的保護(hù)。1路電流信號(hào)輸入電路。當(dāng)傳感器0_20mA電流信號(hào)輸入時(shí)，通過取樣電阻和信號(hào) 調(diào)理電路使產(chǎn)生0-5V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)送給單片機(jī)A/D輸入口進(jìn)行處理。1路分流器檢測電壓信號(hào)(直流0_75mV)輸入電路。分流器上0_75mV級(jí)信號(hào)檢 測，通過電能計(jì)量芯片ADE7753進(jìn)行采集處理，再通過I2C通訊送給單片機(jī)Atmegal28。本發(fā)明采用以單片機(jī)ATEMEGA128為核心的全數(shù)字控制技術(shù)，采用軟件控制算法 來實(shí)現(xiàn)對輔助發(fā)電機(jī)電機(jī)輸出電壓的精確控制。大量采用表面貼器件，減小了產(chǎn)品的體積， 同時(shí)提高產(chǎn)品可靠性，為用戶節(jié)省了寶貴的機(jī)車上的安裝空間。實(shí)現(xiàn)了對輔助發(fā)電機(jī)電壓 的閉環(huán)控制，控制方式靈活，控制速度快。能夠很容易實(shí)現(xiàn)輔助發(fā)電機(jī)電壓的過壓保護(hù)、蓄 電池充、放電電流的監(jiān)測、蓄電池表面溫度的監(jiān)測等?？梢酝ㄟ^軟件升級(jí)的方式應(yīng)對用戶提 出的不同的新需求，靈活性高。可以通過面板上的連接器由串口下載程序，進(jìn)行升級(jí)或更 換程序等操作。同時(shí)也可以通過串口與電腦通訊很方便進(jìn)行現(xiàn)場故障在線診斷、調(diào)試等操 作。同時(shí)預(yù)留了 2路電壓輸入、1路電流輸入、1路溫度輸入接口，此設(shè)計(jì)可以方便以后用戶 提出新需求的時(shí)候靈活擴(kuò)展，這種擴(kuò)展不需要改動(dòng)任何硬件電路而只需要升級(jí)軟件即可。 RS422/485串口通訊電路，如圖5所示，可以很方便通過計(jì)算機(jī)串口通訊實(shí)現(xiàn)程序下載和程 序在線故障診斷功能，不需要拆卸裝置就可以完成在線故障診斷和程序下載升級(jí)功能。解 決了模擬電路調(diào)參數(shù)困難的缺陷。采用8位ATMEGA128單片機(jī)為控制核心的硬件電路，通 過軟件算法實(shí)現(xiàn)對輔助發(fā)電機(jī)電壓的閉環(huán)控制，控制方式靈活，控制速度快。模擬控制設(shè)計(jì) 周期長，調(diào)試起來比較困難。產(chǎn)品升級(jí)困難，用戶提出新的需求后，一般都伴隨著大幅度硬 件的更換，這樣導(dǎo)致產(chǎn)品成本增加，升級(jí)困難。本裝置采用全數(shù)字的控制方法，只需要更換軟件就可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級(jí)換代。一 旦用戶提出了新的需求，本裝置預(yù)留的接口電路可以給用戶提供豐富的擴(kuò)展，這些擴(kuò)展只 需要更換軟件即可，不需要更改任何硬件電路。由于本裝置的關(guān)鍵器件都沒有采用繼電器 等壽命敏感器件所以產(chǎn)品的維護(hù)工作量很小，給用戶和產(chǎn)品供應(yīng)商都帶來了極大的效益。 采用輔助發(fā)電機(jī)電壓的硬件和軟件雙重過壓保護(hù)，產(chǎn)品的可靠性更高。微處理器通過采集 蓄電池的溫度和蓄電池充電電流對輔助發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓進(jìn)行限制，從而可以限制蓄電池的 充電電流，延長蓄電池的使用壽命。解決了模擬電路調(diào)參數(shù)困難的缺陷，調(diào)試簡單方便，易 于升級(jí)。可以采用其它型號(hào)的單片機(jī)或微處理器做為CPU來設(shè)計(jì)硬件電路，ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換
8器)，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部ADC參考電壓，內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)輔機(jī)反饋電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，其它方 案可以采用外部12位或是更高位數(shù)的ADC芯片，參考電壓可以采用外部精密基準(zhǔn)電壓芯 片作為參考。本發(fā)明的目的是采用以單片機(jī)為核心的微處理器去取代傳統(tǒng)的模擬控制電 路。本裝置發(fā)明的目的以用戶為需求，在不明顯增加成本的前提下給用戶帶來體積更為小 巧，靈活性更高，可靠性更高，壽命更長的產(chǎn)品。具體來說本發(fā)明就是用性能穩(wěn)定的單片機(jī) ATEMEGA128為控制核心，用軟件算法實(shí)現(xiàn)的數(shù)字PID(比例積分微分)去取代傳統(tǒng)的模擬 PID(比例積分微分)控制。充分體現(xiàn)了數(shù)字電路設(shè)計(jì)靈活、擴(kuò)展性好、升級(jí)換代容易、產(chǎn)品 維護(hù)工作量小、能最大程度在不更改硬件電路的前提下充分滿足用戶的需求。而且一旦有 新的算法出現(xiàn)并經(jīng)過市場驗(yàn)證成熟，本發(fā)明還可以隨時(shí)通過軟件的升級(jí)提高產(chǎn)品的性能。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，其特征在于包括CPU(1)、電源電路(2)、晶振電路(3)、差分濾波電路(4)、通訊電路(5)、過壓保護(hù)電路(6)和驅(qū)動(dòng)電路(7)，電源電路(2)為輔機(jī)控制裝置提供電源；晶振電路(3)與CPU(1)相連，為CPU(1)提供時(shí)鐘脈沖；通訊電路(5)與CPU(1)相連，輔機(jī)控制裝置通過串口與機(jī)車上的控制和顯示裝置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，同時(shí)通過串口下載控制程序；輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓反饋通過差分濾波電路(4)將輸入的直流電壓變換成小信號(hào)的直流電壓，然后將反饋電壓送給CPU(1)的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器；過壓保護(hù)電路(6)與CPU(1)相連，通過調(diào)節(jié)輔助發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流使輔助發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定的電壓；驅(qū)動(dòng)電路(7)與CPU(1)相連，驅(qū)動(dòng)輔助發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，其特征在于所述的內(nèi)燃機(jī)車 輔機(jī)控制裝置包括蓄電池環(huán)境溫度檢測電路，蓄電池裝置通過安裝溫度傳感器來檢測蓄電 池的環(huán)境溫度，通過I2C總線與CPU進(jìn)行通訊，如果溫度過高則對輔助發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn) 行限制，實(shí)現(xiàn)蓄電池的保護(hù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，其特征在于蓄電池為所 述的電源電路⑵提供IlOV直流電壓，由一個(gè)開關(guān)電源Pl通過DC/DC變換為直流5V，經(jīng)過 DC/DC開關(guān)電源P3把直流5V變成直流12V，供電給驅(qū)動(dòng)電路，開關(guān)電源P2把直流5V變換 成直流士 15V供電給輔機(jī)控制裝置電路板上的運(yùn)算放大器，直流5V的地和直流士 15V的地 通過兩個(gè)磁珠連接在一起，由開關(guān)電源芯片P4實(shí)現(xiàn)直流5V隔離變成直流5V，提供通訊電路 的隔離電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，其特征在于當(dāng)輔助發(fā)電 機(jī)輸出電壓信號(hào)在20V-137. 5V范圍內(nèi)變化時(shí)，通過差分濾波電路(4)進(jìn)行信號(hào)采集， 20V-137. 5V差分直流電壓輸入信號(hào)經(jīng)差分濾波電路(4)后進(jìn)行高阻隔離差分濾波，通過放 大電路進(jìn)行放大，進(jìn)入低通濾波電路，濾除高次頻率諧波，輸出至電壓跟隨器，最終輸出穩(wěn) 定的直流電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，其特征在于當(dāng)輔助 發(fā)電機(jī)輸出電壓在0-123V范圍內(nèi)時(shí)，輔機(jī)控制裝置工作在正常的PWM脈沖寬度調(diào)制方式， 通過光耦隔離電路進(jìn)行光電隔離，且經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后進(jìn)入MOS管驅(qū) 動(dòng)電路，以PWM方式驅(qū)動(dòng)輔助發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小；當(dāng)輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓大于123V時(shí)， 輔助發(fā)電機(jī)過壓反饋驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過光耦隔離且進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后進(jìn)入MOS管驅(qū)動(dòng)電路， 以關(guān)斷MOS管的方式切除輔助發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，其特征在于所述的內(nèi)燃機(jī)車 輔機(jī)控制裝置包括一路電流信號(hào)輸入電路，當(dāng)傳感器的0-20mA電流信號(hào)輸入時(shí)，通過取樣 電阻和信號(hào)調(diào)理電路使產(chǎn)生0-5V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)送給CPU (1)的A/D轉(zhuǎn)換器輸入口進(jìn)行 處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，其特征在于所述的內(nèi)燃機(jī)車 輔機(jī)控制裝置包括一路分流器檢測電壓信號(hào)輸入電路，來自分流器的輸入信號(hào)，經(jīng)過濾波 整形電路，并通過電能計(jì)量芯片進(jìn)行采集處理，再通過I2C總線通訊送給CPU(I)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，其特征在于所述的過壓保護(hù) 電路(6)包括軟件過壓保護(hù)模塊，當(dāng)CPU(I)檢測到輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓大于直流125V的 時(shí)候，CPU(I)產(chǎn)生外部中斷，外部中斷封鎖CPU(I)輸出的PWM信號(hào)，直到輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓減小到直流0-125V范圍內(nèi)，CPU(I)立即開始通過檢測到的輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓的反 饋值，通過比例積分微分動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓的大小直至輸出電壓穩(wěn)定在直流 IlOV士2V正常范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，其特征在于所述的過壓保護(hù) 電路(6)包括硬件過壓保護(hù)模塊，輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓反饋通過信號(hào)調(diào)理電路濾波整形后 送入電壓比較電路，當(dāng)輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓反饋大于用戶設(shè)定的保護(hù)值時(shí)，電壓比較電路 輸出一個(gè)高電平，該高電平分為兩路信號(hào)一路經(jīng)過濾波整形電路后送給CPU(I)，CPU(I)產(chǎn)生一個(gè)外部中斷，限制勵(lì)磁電流輸出 或是關(guān)斷勵(lì)磁輸出，直至輔助發(fā)電機(jī)回到正常的范圍內(nèi)后，CPU(I)開始動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輔助發(fā)電 機(jī)輸出電壓的大?。涣硪宦沸盘?hào)經(jīng)過隔離放大電路后送給外部IlOV直流過壓指示燈。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，其特征在于所述的內(nèi)燃機(jī)車 輔機(jī)控制裝置包括狀態(tài)指示裝置，狀態(tài)指示裝置包括電源狀態(tài)指示燈、程序運(yùn)行狀態(tài)指示 燈、程序下載狀態(tài)指示燈、故障顯示指示燈和報(bào)警狀態(tài)指示燈。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)燃機(jī)車輔機(jī)控制裝置，包括CPU、電源電路、晶振電路、差分濾波電路、通訊電路、過壓保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，電源電路為輔機(jī)控制裝置提供電源；晶振電路與CPU相連，為CPU提供時(shí)鐘脈沖；通訊電路與CPU相連，通過串口與機(jī)車上的控制和顯示裝置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，下載控制程序；輔助發(fā)電機(jī)輸出電壓反饋通過差分濾波電路將輸入的直流電壓變換成小信號(hào)直流電壓，將反饋電壓送給CPU的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器；過壓保護(hù)電路與CPU相連，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使輔助發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定的電壓；驅(qū)動(dòng)電路與CPU相連，驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁電流。該發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的體積較大，占用安裝空間，模擬器件參數(shù)偏差較大，易受各種干擾影響的技術(shù)問題。
文檔編號(hào)H02H7/18GK101951217SQ20101025226
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者劉智聰, 劉松柏, 張文輝, 林建平, 肖孟英, 趙軍偉 申請人:株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司