專利名稱：鐵路機車輔助發電機智能控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種智能控制器，尤其涉及一種鐵路機車輔助發電機智能控制器。
背景技術：
閥控鉛蓄電池具有少維護、酸污染小、功率密度大、使用壽命長等特點，目前在鐵路機車上也已經廣泛采用。雖然閥控鉛蓄電池仍屬于鉛酸蓄電池體系，由于氧循環技術和貧液技術的采用，對充放電技術和設備的要求與富液鉛蓄電池完全不同。富液鉛蓄電池，當充電電流等于或小于蓄電池可接受充電電流時，充電電流全部用于充電電化學反應。當充電電流大于蓄電池可接受充電電流時，超過蓄電池可接受充電電流的部分，將以電解水的形式被消耗掉。隨充電過程的的進行，電化學反應電流逐漸減小，電解水的電流逐漸加大，當充電完全結束后，從充電設備輸入的充電電流將全部用于電解水。電解水產生的大量氫氣和氧氣從加液口排除，蓄電池的充電電壓基本穩定于蓄電池的電動勢與水解過電位之和的值，不再繼續升高。這種特使富液鉛蓄電池在充電過程中具有極強的自動均衡特性和自動恒壓特性，采用簡單的橫流充電方法即可進行充電。與富液鉛蓄電池不同，閥控鉛蓄電池由于采用了氧循環技術和貧液技術，實現了蓄電池的密封，在充電過程中，當充 電電流大于蓄電池可接受充電電流時，過剩的電流雖然同樣以電解水的形式被消耗，但電解水產生的氧氣和氫氣又被復合成水而實現了氧循環，由此實現了蓄電池的密封。閥控鉛蓄電池的過充電電流的嚴格受制于氧循環效率。當充電電流大于蓄電池可接受充電電流和氧循環能力可接受最大允許電解水電流之和后，氧循環條件將被破壞，氧循環效率將急劇降低，蓄電池內部由于氧氣和氫氣的積聚壓力將急劇升高，最終導致排氣閥被開啟，氫氣和氧通過排氣閥被排除體外，使電解液逐漸喪失而干枯。閥控鉛蓄電池與普通富液蓄電池比，在充電過程中主要有以下不同特點:閥控鉛蓄電池雖然仍具有一定的自動均衡特性，但受氧復合能力的限制，與富液鉛蓄電池比相對很小，在充電過程中使充電電流等于或小于蓄電池可接受充電電流，對防止蓄電池使用壽命縮短至關重要。充電電壓對氧循環效率影響很大。滿足氧循環高效進行的充電電壓值遠低于鉛蓄電池電動勢與水解過電位之和，而且隨溫度的升高而降低。溫度每升高rc，蓄電池的充電電壓應降低約0.002V左右。從充電特性曲線分類，普通富液鉛蓄電池屬于自動恒壓型充電特性，閥控鉛蓄電池則屬于電壓增量型充電特性曲線。為維持氧循正常進行，應根據蓄電池的實際工作溫度及時調整充電電壓。充電電流大小對閥控鉛蓄電池的使用壽命影響很大。隨充電電流的增加,蓄電池的使用壽命大幅縮短。為防止蓄電池的使用壽命過度縮短，應適當限制充電電流。密封鎘鎳蓄電池在部分有特殊要求的鐵路機車上仍有應用。密封鎘鎳蓄電池同樣是基于氧循環技術和貧液技術實現密封的。與閥控鉛蓄電池一樣，為了維持氧循環的正常進行，充電電流應小于或等于最大允許充電電流。與閥控鉛蓄電池不同，從充電特形曲線分類，密封鎘鎳蓄電池的充電電壓特性曲線屬于負增量型充電特性曲線。隨充電過程的進行，蓄電池的電壓逐漸上什升，當充電結束后，若不能保證充電電流小于蓄電池可接受充電電流，蓄電池的溫度會快速升高，蓄電池的充電電壓會隨溫度的快速升高而迅速下降，形成“蓄電池溫度升高一蓄電池電壓下降一充電電流隨之增加一蓄電池溫度進一步升高”的惡性循環。如此相互影響，使充電電流迅速增大，溫度迅速升高，最終發生熱失控。現有鐵路機車輔助發電機充電控制電路是基于傳統富液鉛蓄電池和傳統富液鎘鎳蓄電池設計的，已經不能適應閥控鉛蓄電池和密封鎘鎳蓄電池對充電的基本要求。研制適應閥控鉛蓄電池和密封鎘鎳蓄電池特點的新型控制器，是鐵路機車技術發展的迫切需求。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是:現有鐵路機車輔助發電機充電控制電路是基于傳統富液鉛蓄電池和傳統富液鎘鎳蓄電池設計的，已經不能適應閥控鉛蓄電池和密封鎘鎳蓄電池對充電的基本要求，研制適應閥控鉛蓄電池和密封鎘鎳蓄電池特點的新型控制器，是鐵路機車技術發展的迫切需求，提供一種鐵路機車輔助發電機智能控制器。為了克服背景技術中存在的缺陷，本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:這種鐵路機車輔助發電機智能控制器包括C51F020混合信號微控制器、UC3525 PWM控制器、電流電壓采樣電路、溫度采樣CAN接口電路、溫度采樣1-Wire接口電路、溫度補償基準值設定電路、五位電 阻網絡接口電路、功率調整管IGBT和LCM液晶顯示器，所述C51F020混合信號微控制器通過五位電阻網絡接口電路連接UC3525 PWM控制器，C51F020混合信號微控制器上連接溫度采樣CAN接口電路、溫度采樣1-Wire接口電路、溫度補償基準值設定電路和LCM液晶顯示器，UC3525 PWM控制器連接IGBT及驅動電路，功率調整管IGBT與輔助發電機的勵磁電路連接，REFZ分流器連接隔離信號放大器，隔離信號放大器連接電流電壓米樣電路，電流電壓米樣電路的輸出連接C51F020混合信號微控制器，電流電壓米樣電路經電阻器與蓄電池的正極連接。根據本實用新型的另一個實施例，進一步包括由C51R)20混合信號微控制組成的數字控制電路通過五位電阻網絡接口電路與由UC3525 PWM控制器組成的模擬PWM控制電路的輸入控制信號電路連接。根據本實用新型的另一個實施例，進一步包括所述五位電阻網絡接口電路包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6和電阻R7相互并聯連接，電阻Rl連接開關K1，電阻R2連接開關K2，電阻R3連接開關K3，電阻R4連接開關K4，電阻R5連接開關K5。與現有數模轉換電路(DAC)比，具有電路簡單，控制可靠，相應速度快的特點。根據本實用新型的另一個實施例，進一步包括所述溫度補償基準值設定電路由負補償B⑶碼撥碼器和正補償B⑶碼撥碼器。用于根據不同廠牌和體系蓄電池對溫度補償要求的現場調整。本實用新型的有益效果是:1、采用高性能嵌入式混合信號微控制器與PWM專用控制電路組成的“數字-模擬”混合電路技術，克服了模擬電路電路復雜、難以實現智能化和數字電路電磁兼容性、實時性和動態響應特性相對較差的缺點。具有數字系統結構簡單、智能化程度高和專用PWM控制電路抗干擾能力強、實時性和動態響應特性好的特點。由此組成的智能控制器，具有結構簡單、智能化程度高、實時性和動態特性好、可靠性高的顯著特點。2、具有標準和溫度控制兩種工作模式，不僅可滿足閥控鉛蓄電池、鎘鎳蓄電池等對充電系統的基本要求，也可直接替代基于富液鉛蓄電池設計的現有標準控制器。利于產品的標準化和技術改進平穩過渡。3、具有與遠程多點溫度采集裝置連接的CAN接口和與遠程單點溫度傳感器連接的1-Wire接口，可根據需要靈活配置溫度采樣設備。4、微控制器與PWM控制電路之間采用了新穎的五位電阻網絡接口，不僅可確保機車對電壓變換范圍的要求，在數字電路部分發生致命性錯誤時，也不會對PWM模擬電路產生致命性影響，有效提高了系統的安全性和容錯能力。5、溫度補償基準值設定電路的采用，可根據不同體系和廠牌蓄電池對充電的要求，對充電電壓進行適當補償，有效提高了對各種不同蓄電池的適應性。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為C51R)20混合信號微控制器的結構示意圖；圖3為由UC3525A組成的P WM控制電路的結構示意圖；圖4為電流電壓采樣電路的結構示意圖；圖5為控制信號輸入電路的結構示意圖；圖6為五位電阻網絡接口電路的結構示意圖；圖7為溫度采樣CAN接口電路的結構示意圖；圖8為溫度采樣1-Wire接口電路的結構示意圖；圖9為溫度補償基準值設定電路負補償的結構示意圖；圖10為溫度補償基準值設定電路正補償的結構示意圖；圖11為LCM液晶顯示器的結構示意圖；圖12 “數字-模擬”混合控制電路模型的結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，圖中包括C51F020混合信號微控制器、UC3525 PWM控制器、電流電壓采樣電路、溫度采樣CAN接口電路、溫度采樣1-Wire接口電路、溫度補償基準值設定電路、五位電阻網絡接口電路、功率調整管IGBT和LCM液晶顯示器，所述C51F020混合信號微控制器通過五位電阻網絡接口電路連接UC3525 PWM控制器，C51R)20混合信號微控制器上連接溫度采樣CAN接口電路、溫度采樣1-Wire接口電路、溫度補償基準值設定電路和LCM液晶顯示器，UC3525 PWM控制器連接IGBT及驅動電路，功率調整管IGBT與輔助發電機的勵磁電路連接，REFZ分流器連接隔離信號放大器，隔離信號放大器連接電流電壓采樣電路，電流電壓采樣電路的輸出連接C51F020混合信號微控制器，電流電壓采樣電路經電阻器與蓄電池的正極連接。由C51R)20混合信號微控制組成的數字控制電路通過五位電阻網絡接口電路與由UC3525 PWM控制器組成的模擬PWM控制電路的輸入控制信號電路連接。五位電阻網絡接口電路包括電阻Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6和電阻R7相互并聯連接，電阻Rl連接開關Kl，電阻R2連接開關K2，電阻R3連接開關K3，電阻R4連接開關K4，電阻R5連接開關K5。五位電阻網絡接口電路有效降低了數字電路部分安全運行對UC3525 PWM控制器電路安全運行的影響。即便數字電路部分發生了致命性錯誤，也不可能對UC3525 PWM控制器電路造成致命性影響，有效提高了系統的容錯能力和系統安全性。溫度補償基準值設定電路由負補償B⑶碼撥碼器和正補償B⑶碼撥碼器。如圖1，本實用新型采用高性能C51F020混合信號微控制器和UC3525 PWM控制電路組成數字-模擬混合電路技術，充分利用了 PWM控制電路抗干擾能力強、實時性和動態特性好的特點，及C51F020混合信號微控制器集成度高，電路簡單、利于實現智能化控制的特點，使系統兼容了數字模擬兩種電路的優勢，克服了兩種電路的不足。C51F020混合信號微控制器與UC3525PWM控制電路之間采用如圖6所示的五位電阻網絡接口，有 效降低了數字電路部分安全運行對UC3525PWM控制電路安全運行的影響。即便數字電路部分生了致命性錯誤，也不可能對UC3525PWM控制電路造成致命性影響，有效提高了系統的容錯能力和系統安全性。 溫度補償基準值設定電路的采用，使充電電壓與蓄電池組工作曲線可依據不同體系和廠牌的蓄電池的溫度特性，在±10°c范圍內任意設定，不僅可以適用于各種廠牌的閥控鉛蓄電池，也可適用于密封鎘鎳蓄電池和金屬氧化物-鎳蓄電池，有效提高了智能控制器的適用范圍。具有標準工作模式和溫度控制工作模式。設置為標準工作模式時，其控制性能與現有基于富液鉛蓄電池設計的標準控制器完全相同，可以直接替代現有標準控制器，利于產品的相互替代和機車電路的升級改造。溫度控制模式可根據蓄電池的實際工作溫度自動調整充電電壓。具有充電電流控制功能。根據蓄電池供應商的要求，可以設定最大充電電流。提供了溫度采樣CAN接口電路，兼容CAN2.A和CAN2.0B標準的CAN接口，還提供了溫度采樣1-Wire接口電路，根據用戶需求可靈活選用。本實用新型電源理圖如圖1，主要由隔離放大器、C51R)20混合電路微控制器、UC3525APWM控制器、溫度補償基準值設定電路、溫度采樣CAN接口電路、溫度采樣1-Wire接口電路、LCM液晶顯示器和功率調整管IGBT組成。如圖1，蓄電池組的充電電壓Vc等于:ye = Vf — ( V0 + I./ )(式 I)式中:I是輔助發電機輸出電壓，單位V ;V0是二極管D兩端的電壓，單位V ；/是充電電流；W是充電串聯電阻。式I說明蓄電池組的充電電壓Kc低于輔助發電機輸出電壓匕。為此采用了充電電壓和發電機電壓兩個控制環。圖1所述的“數字-模擬”混合電路智能控制器的控制模型如圖11:模擬電路部分由三個模擬控制環組成:充電電流控制環為內環，充電電壓控制環為中環、發電機輸出電壓控制環為外環，模擬電路部分可無需數字電路部分干預，獨立運行于標準工作模式。模擬電路部分Λ仍為輸入電壓，Zfoi為系統開環內阻{為調整管IGBT的跨導，U為充電電流米樣誤差放大器放大倍數，從' 為充電電壓米樣誤差放大器放大倍數，力77為發電機輸出電壓米樣誤差放大器放大倍數，Ri為充電電流米樣電阻，此'為充電電壓米樣電阻，W/7為放電電壓采樣電阻，/7為系統開環時轉換電流，Λ Λ 是系統閉環時轉換的電流，U是Δ IO經反饋網絡在調整管上轉換的電流。數字電路部分由三個數字控制環組成:充電電流控制環為內環，蓄電池工作溫度對充電電壓的控制環為第二環，發電機輸出電壓控制環為外環。數字電路部分:Vc為蓄電池組充電端電壓，IC為蓄電池的充電電流，VF為發電機輸出電壓，Temp為蓄電池的工作溫度度，C51F020為嵌入式混合信號微控制，5RNET為五位電阻網絡接口。采用工作選擇設備，可以設置為標準工作模式或溫度控制工作模式及CAN接口或1-Wire接口。模擬電路部分描述:發電機的輸出電壓和充電電流是通過調整發電機勵磁電流大小控制的。當減小發電機勵磁電流時，發 電機輸出電壓和充電電流將隨之減小。反之，發電機的輸出電壓和充電電流將增加。如圖3，發電機勵磁電流由UC3525APWM控制器組成的勵磁電路控制。充電電流從分流器(REFZ)兩端取樣，經隔離信號放大器隔離放大后，負端接地，正端與圖5控制信號輸入電路的2端連接，經電阻器R3和R4分壓后，通過隔離二極管D2到連接到輸出端4。如圖1，輔助發電機輸出電壓正極與圖5控制信號輸入電路的3端連接，經電阻器R5和R6分壓后，通過隔離二極管D3連接到輸出端4。如圖1，蓄電池組端電壓正極與圖6五位電阻網絡接口電路的輸入端6連接，經電阻器R6和R7分壓后，由輸出端7與圖5控制信號輸入電路的I端連接。圖5控制信號輸入電路的輸出端4與圖3中UC3525APWM控制器電路的反相輸入端I連接。如圖3，UC3525APWM控制器從11端和14端輸出的PWM控制信號，經二極管D1、二極管D2與功率調整管IGBT的輸入端連接，功率調整管IGBT的輸出端與功率調整管IGBT的連接端子C、G、E連接。數字電路部分描述:圖1中隔離信號放大器的正輸出端同時與圖4電流電壓采樣電路的輸入端I連接，蓄電池組端電壓正極與圖4電流電壓采樣電路的輸入端2連接。圖4電流電壓采樣電路與圖2C51R)20混合信號微控制器的連接方法是:圖4電流電壓采樣電路中3、4、5、6端經光電隔離后分別與C51F020混合信號微控制器的Pl.0,PL UPl.2,Pl.3連接。其中，Pl.0為選通信號、Pl.1為接口時鐘、Pl.2為寫數據輸出、Pl.3為讀數據輸入。電流電壓采樣電路為CS5460A高精度電能計量專用電路。上述電路組成了 24位高精度充電電壓和充電電流數字采樣電路。電流電壓采樣精度優于千分之二。溫度采樣CAN接口如圖7，其中CAN控制器SJA1000的8位數據和地址總線并行接口 I與圖3中C51R)20混合信號微控制器的P7端口連接，SJA1000的2 (ALE),4 (RD),5(WR)、3 (CS)端子分別與C51F020混合信號微控制器的P4.5、P4.6、P4.7、P2.0連接，組成帶地址鎖存功能的8位并行數據接口。圖7中SJA1000輸出端TX、RX經總線驅動器82C250與CAN總線(CAN-H、CAN-L)連接，可與遠程多點溫度采樣設備連接。多點溫度采樣設備可以根據用戶需要設計為連接數字、熱敏或半導體多種溫度傳感器。如圖8為溫度采樣1-Wire接口電路，其中輸入接口 I接數字電路電源VCC，2、3端分別與圖3C51R)20混合信號微控制器的P0.6,P0.7連接，輸出端4、5、6與DS18B20數字溫度傳感器連接，組成遠程單點溫度采樣1-Wire接口電路。如圖3的UC3525APWM控制器電路，其中輸入端16與圖2中C51R)20混合信號微控制器的P3.5連接，通過UC3525APWM控制器電路的關斷端10控制PWM電路的啟動始運行
和停止運行。LCM液晶顯示器如圖10，其中數據接口端5與圖2中C51R)20混合信號微控制器的 P7 連接，連接端子 I (RST)、2 (CS1)、3 (CS2)、4 (WR)、5 (RS)分別與圖 2 中 C51R)20 混合信號微控制器的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4連接，組成8位并行數據接口。在微控制器驅動下可是設置為中文顯示或英文顯示，實現人機交互。圖9為由兩個壓縮B ⑶碼撥碼器組成的溫度補償基準值設定電路。負溫度補償撥碼碼器的8、4、2、1連接端子連接到圖2中C51R)20混合信號微控制器的P5.7、P5.6、P5.5、P5.6，正溫度補償撥碼器的8、4、2、1連接端子連接到圖2中C51R)20混合信號微控制器的P5.3、P5.2、P5.1、P5.0。補償范圍為±10°C。補償值為負時，每補償增加_1°C，單體蓄電池充電電壓降低約0.002V，補償值為正時，每補償增加+1°C，單體蓄電池充電電壓升高約
0.002V。由上述電路組成的數字控制電路，通過由圖2中C51R)20混合信號微控制器的P2.3、Ρ2.4、Ρ2.5、Ρ2.6、Ρ2.7分別與圖6中五位電阻網絡接口電路的輸入端1、2、3、4、5連接，組成光電隔離數字控制接口，用于對如圖3由UC3525A組成的PWM控制電路的智能化控制。五位電阻網絡接口，確保數字控制系統只能在充電電壓在110V±5V的范圍內實施控制。
權利要求1.一種鐵路機車輔助發電機智能控制器，包括C51F020混合信號微控制器、UC3525PWM控制器、電流電壓采樣電路、溫度采樣CAN接口電路、溫度采樣1-Wire接口電路、溫度補償基準值設定電路、五位電阻網絡接口電路、功率調整管IGBT和LCM液晶顯示器，其特征在于:所述C51F020混合信號微控制器通過五位電阻網絡接口電路連接UC3525 PWM控制器，C51F020混合信號微控制器上連接溫度采樣CAN接口電路、溫度采樣1-Wire接口電路、溫度補償基準值設定電路和LCM液晶顯示器，UC3525 PWM控制器連接IGBT及驅動電路，功率調整管IGBT與輔助發電機的勵磁電路連接，REFZ分流器連接隔離信號放大器，隔離信號放大器連接電流電壓采樣電路，電流電壓采樣電路的輸出連接C51F020混合信號微控制器，電流電壓采樣電路經電阻器與蓄電池的正極連接。
2.如權利要求1所述的鐵路機車輔助發電機智能控制器，其特征在于:由C51R)20混合信號微控制組成的數字控制電路通過五位電阻網絡接口電路與由UC3525 PWM控制器組成的模擬PWM控制電路的輸入控制信號電路連接。
3.如權利要求1所述的鐵路機車輔助發電機智能控制器，其特征在于:所述五位電阻網絡接口電路包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6和電阻R7相互并聯連接，電阻Rl連接開關Kl，電阻R2連接開關K2，電阻R3連接開關K3，電阻R4連接開關K4，電阻R5連接開關K5。
4.如權利要求1所述的鐵路機車輔助發電機智能控制器，其特征在于:所述溫度補償基準值設定電路由負 補償BCD碼撥碼器和正補償BCD碼撥碼器。
專利摘要本實用新型涉及鐵路機車的技術領域，尤其涉及一種鐵路機車輔助發電機智能控制器。包括C51F020混合信號微控制器、UC3525PWM控制器、電流電壓采樣電路、溫度采樣CAN接口電路、溫度采樣1-Wire接口電路、溫度補償基準值設定電路、五位電阻網絡接口電路、功率調整管IGBT和LCM液晶顯示器，實現了兼容數字系統結構簡單、智能化程度高和專用PWM控制電路抗干擾能力強、實時性和動態響應特性好的特點，由此組成的智能控制器，具有結構簡單、智能化程度高、實時性和動態特性好、可靠性高的顯著特點。
文檔編號H02J7/14GK203151195SQ201320167778
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月7日 優先權日2013年4月7日
發明者吳宏軍, 王萬平, 孫宇, 錢良國 申請人:南車戚墅堰機車有限公司