基于AVR微控制器的電力機車智能輔保系統(tǒng)的實現(xiàn)

電氣機車輔助系統(tǒng)中有劈相機、空氣壓縮機、通風(fēng)機及制動風(fēng)機等各種類型的電機。運行中為了防止出現(xiàn)短路、過流等異常情況而燒毀電機，通常配置輔助保護系統(tǒng)，起到及時監(jiān)測電機故障并加以處理的作用。目前電力機車上安裝的輔保系統(tǒng)都是模擬電路裝置，系統(tǒng)硬件復(fù)雜，又不方便司機使用和維修。因此，設(shè)計一種實時性高、性能可靠的智能輔保系統(tǒng)替代原有的模擬電路裝置勢在必行。本文將介紹筆者開發(fā)的用于韶山型電力機車的智能輔助保護系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)的主要功能與設(shè)計思想

1.1 系統(tǒng)的主要功能

(1)輔機保護功能，即在機車運行過程中，對輔助系統(tǒng)內(nèi)的各電機出現(xiàn)的短路故障能及時給出故障狀態(tài)顯示，在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)，故障若不消失，對該電機能夠?qū)崿F(xiàn)二次保護控制。

(2)機車輔助系統(tǒng)內(nèi)的各電機若出現(xiàn)了過流或單相故障，能及時給出相應(yīng)故障狀態(tài)顯示。在規(guī)定的過流或單相故障持續(xù)時間內(nèi)，檢測其故障是否消失，如果故障一直未消失消失，對該電機進行一次保護控制。

(3)在對電機一次保護后的規(guī)定時間內(nèi)，若電機故障仍然未消除，則立即控制主接觸器斷開，實現(xiàn)對該電機的二次保護控制。

(4)輔助系統(tǒng)的劈相電

機出現(xiàn)啟動電阻甩不開的故障時，能夠控制主接觸器斷開，以實現(xiàn)對該電機的二次保護。

(5)在啟動輔助系統(tǒng)各電機之前，能夠進行檢查系統(tǒng)狀態(tài)顯示、輸出控制等功能的實驗，確保系統(tǒng)硬件電路安全性及可靠性。

(6)對輔助系統(tǒng)各電機進行實時故障檢測的各故障持續(xù)的延時時間可以根據(jù)實際情況進行相應(yīng)調(diào)整，但不影響系統(tǒng)功能。

1.2 系統(tǒng)的設(shè)計思想

以高檔微控制器為核心構(gòu)成智能化輔保系統(tǒng)，符合電力機車發(fā)展的方向，既可充分發(fā)揮軟件的功能，又能簡化硬件構(gòu)成，無論在功能上還是在可靠性及安全性上，都可完全替代目前廣泛使用的模擬電路輔保裝置。

1.2.1 系統(tǒng)的微控制器芯片AT90S8535

美國ATMEL公司推出的90系列單片機是增強RISC內(nèi)載Flash的高性能八位單片機，通稱為AVR單片要同[1～2]，設(shè)計上采用低功耗CMOS技術(shù)，而且在軟件上有效支持C高級(用IAR系統(tǒng)的ICC90C編譯器編譯)及匯編語言(用AVR匯編器編譯)。

其中，AT90S8535是功能較強的一種型號，它有40引腳PDIP和44引腳PLCC、TQFP等多種封裝形式，具有以下主要特征：

(1)其片內(nèi)帶有一個8通道的A/D轉(zhuǎn)換器及一個模擬比較器。

(2)兩個帶預(yù)分頻及比較模式的8位定時器/計數(shù)器T/C0、T/C1;一個16位的帶預(yù)分頻及比較模式、捕獲模式及雙工8位、9位或10位的PWM輸出的定時器/計數(shù)器T/C1;而且定時器/計數(shù)器T/C2可作為帶單獨晶振的RTC使用。

(3)32條通用I/O線及32個通用8位寄存器R0～R31，64個I/O專用寄存器。

(4)片內(nèi)有8K字節(jié)可下載的Flash存儲器，程序下載采用其SPI串行接口，使用壽命為1000次。

(5)有512字節(jié)的EEPROM(使用壽命為10萬次)及512字節(jié)的內(nèi)部SRAM。

(6)帶片內(nèi)晶振器的可編程看門狗定時器;并有三種可通過軟件選擇的電源節(jié)電模式;閑置模式、掉電模式及省電模式。

(7)供電電壓Vcc為4.0～6.0V，可以全靜態(tài)工作，范圍為0～8MHz;具有118條功能強大的指令，大多數(shù)執(zhí)行時間為單時鐘周期，指令周期最短僅為125ns。

(8)提供16種不同的內(nèi)、外中斷源(其中有兩個外部中斷源)。

(9)可編程的全雙工串行通信接口UART及同步串行接口SPI。

以AT90S8535嵌入式高效微控制器構(gòu)成智能化輔保系統(tǒng)的主控制電路，無需外擴多通道A/D轉(zhuǎn)換器及程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器，大大簡化了系統(tǒng)的硬件。尤其是其內(nèi)部又有硬件看門狗電路及相應(yīng)的看門狗指令控制，提高了系統(tǒng)的可靠性及安全性，選型相對以往的AT89系列單片機，在性能上要強得多，而且開發(fā)手段更為方便。

1.2.2 AT90S8535的ADC的主要特性和工作原理

AT90S8535的優(yōu)越性在于其片內(nèi)有一個8通道的10位ADC，ADC與一個模擬多路轉(zhuǎn)換器相連，還包含一個采樣保持器。該器件的A口的每一引腳(PA0～PA7)均可作為ADC的模擬輸入端，A口不用作模式輸入的個別引腳又可作為數(shù)字輸入使用。

ADC有兩個單獨的模擬供電引腳AVCC和AGND。使用時，AGND和GND必須相連，AVCC和Vcc的電壓必須保持±0.3V的不同，并通過RC網(wǎng)絡(luò)相連。外部參考基準電壓通過AREF引腳加入。

ADC通過內(nèi)部預(yù)分頻器ADCPS保證將系統(tǒng)時鐘頻率轉(zhuǎn)化為50～200kHz之間的ADC可接受牟時鐘頻率。ADC一般至少需要13個時鐘周期完成一次轉(zhuǎn)換，因此轉(zhuǎn)換時間范圍為65～260μs。ADC為用戶提供了內(nèi)部中斷方式的處理，可以滿足實時性的要求。每次轉(zhuǎn)換完成時，ADC轉(zhuǎn)換器完成中斷就可以被激活。

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ADC還有一個噪音清除器，通過正確的使用，確保在閑置模式轉(zhuǎn)換過程中減少包括從CPU核中出來的噪音。

ADC被使能后，可以選擇單一轉(zhuǎn)換和自由運行兩種模式之一工作。要單一轉(zhuǎn)換模式下，每次轉(zhuǎn)換由用戶觸發(fā);在自由運行模式下，ADC連續(xù)取樣，并更新ADC的數(shù)據(jù)寄存器。建議用戶使用單一轉(zhuǎn)換模式。ADC產(chǎn)生的10位結(jié)果保存在數(shù)據(jù)寄存器ADCL和ADCH中，其內(nèi)部特殊數(shù)據(jù)保護邏輯要求讀取數(shù)據(jù)時，先讀ADCL，后讀ADCH。

1.3 系統(tǒng)監(jiān)測對象

本系統(tǒng)完成監(jiān)測對象主要有：(1)劈相機三相信號;(2)通風(fēng)機電機三相信號;(3)制動風(fēng)機電相三相信號;(4)各種電機接觸器信號。系統(tǒng)通過輸入電路完成對這些信號的調(diào)理，向系統(tǒng)主控制電路提供6模擬量輸入及5路數(shù)字開關(guān)量輸入，還提供5路條件標志。

經(jīng)實驗可知，當檢測到各路電機對應(yīng)的模擬量輸入電壓在0.69V～4.5V之間時，可認為電機發(fā)生了過流故障，而且規(guī)定的過流故障持續(xù)的時間隨輸入電壓范圍不同又分為多個不同區(qū)段，軟件應(yīng)保證按不同的時間區(qū)段對電機進行一次保護;輸入電壓若在4.5V以上，可以為電機發(fā)生了短路故障，在0.5秒的持續(xù)時間內(nèi)，故障一直未消除，則對電機立即實施二次保護控制，防止電機實施二次保護控制，防止電機被燒毀;5路數(shù)字開關(guān)量通道的某路輸入出現(xiàn)高電平時，則認為該路電機發(fā)生了單相故障，在3秒故障持續(xù)時間內(nèi)故障一直不消失，對電機實施一次保護控制。無論單相還是過流故障，在對電機一次保護后的0.5秒持續(xù)時間內(nèi)故障仍未消除，則實施二次保護控制。通過上述手段，能起到監(jiān)測電力機車輔助系統(tǒng)中的各電機是否正常工作、當出現(xiàn)故障時及時發(fā)現(xiàn)并對電機加以保護的作用。