技术领域
[0001] 本
发明涉及一种数字微机控制装置，尤其是涉及一种应用于内燃
机车直流辅助发
电机输出电压控制的装置。
背景技术
[0002] 长期以来
内燃机车上的直流辅助发电机的输出电压一直采用模拟
电路的控制方法，即采用
运算放大器、
电阻、电容等分离器件构成的电路来完成辅助发电机输出电压的控制。这种模拟控制方法有很多
缺陷：电阻、电容、
运算放大器等
模拟器件会随着
温度的变化、时间的增加，其参数会产生漂移，从而降低
控制器的性能。而且现有的模拟控制电路采用了继电器等体积较大、寿命较短的器件导致产品的体积较大，维护工作量大。随着
铁路机车控制技术的发展，铁路机车产品向着小型化、集约化、智能化的方向发展。因此用户也对产品的性能、体积和价格都提出了更为严格的要求。而且现有的模拟控制电路很难升级换代，一旦用户提出新的需求，往往伴随着大幅度
硬件的更换，这样导致成本迅速增加，产品的竞争
力下降很多。
[0003] 现有的模拟控制方式存在以下缺点：
[0004] 体积较大，占用了较多的内燃机车上宝贵的安装空间。由于模拟控制采用PID（比例积分微分）调节是依靠电阻、电容等模拟器件的参数，由于电阻、电容尤其是电容参数偏差较大，导致产品生产一致性不太好，同时易受元器件温漂、老化、
电磁干扰的影响，从而降低了控制器的性能。模拟控制设计周期长，调试起来比较困难。产品升级困难，用户提出新的需求后，一般都伴随着大幅度硬件的更换，这样导致产品成本增加，升级困难。很难实现先进的控制
算法及各种保护（如
蓄电池保护）。没有软启动功能，对用户的一些重要敏感负载冲击较大，模拟控制方法没有做
蓄电池温度检测，无法通过蓄电池温度检测来实时调节辅助发电机电机励磁
电流来保护蓄电池，延长蓄电池的寿命。
发明内容
[0005] 本发明提供一种内燃机车辅机控制装置，该发明可以很好地解决
现有技术存在的辅机控制装置体积较大，占用了较多的内燃机车上宝贵的安装空间，电阻、电容等模拟器件参数偏差较大，导致产品生产一致性不太好，同时易受元器件温漂、老化、电磁干扰的影响，从而降低了控制器的性能的技术问题。
[0006] 本发明提供一种内燃机车辅机控制装置的具体实施方式，一种内燃机车辅机控制装置，包括CPU、电源电路、晶振电路、差分滤波电路、通讯电路、过压保护电路和驱动电路，电源电路为辅机控制装置提供电源；晶振电路与CPU相连，为CPU提供时钟脉冲；通讯电路与CPU相连，辅机控制装置通过串口与机车上的控制和显示装置进行网络通讯，同时通过串口下载控制程序；辅助发电机输出电压反馈通过差分滤波电路将输入的直流电压变换成小
信号的直流电压，然后将反馈电压送给CPU的内部
模数转换器；过压保护电路与CPU相连，通过调节辅助发电机的励磁电流使辅助发电机输出稳定的电压；驱动电路与CPU相连，驱动辅助发电机的励磁电流。
[0007] 作为本发明进一步的实施方式，所述的内燃机车辅机控制装置包括蓄电池环境温2
度检测电路，蓄电池装置通过安装温度
传感器来检测蓄电池的
环境温度，通过IC总线与CPU进行通讯，如果温度过高则对辅助发电机的励磁电流进行限制，实现蓄电池的保护。
[0008] 作为本发明进一步的实施方式，蓄电池为所述的电源电路提供110V直流电压，由一个
开关电源P1通过DC/DC变换为直流5V，经过DC/DC
开关电源P3把直流5V变成直流12V，供电给驱动电路，开关电源P2把直流5V变换成直流±15V供电给辅机控制装置
电路板上的运算放大器，直流5V的地和直流±15V的地通过两个
磁珠连接在一起，由开关电源芯片P4实现直流5V隔离变成直流5V，提供通讯电路的隔离电源。
[0009] 作为本发明进一步的实施方式，当辅助发电机输出电压信号在20V-137.5V范围内变化时，通过差分滤波电路进行信号采集，20V-137.5V差分直流电压
输入信号经差分滤波电路后进行高阻隔离差分滤波，通过放大电路进行放大，进入低通滤波电路，滤除高次
频率谐波，输出至电压跟随器，最终输出稳定的直流电压。
[0010] 作为本发明进一步的实施方式，当辅助发电机输出电压在0-123V范围内时，辅机控制装置工作在正常的PWM脉冲宽度调制方式，通过光耦隔离电路进行光
电隔离，且经过信号调理电路进行信号调理，然后进入MOS管驱动电路，以PWM方式驱动辅助发电机励磁电流的大小；当辅助发电机输出电压大于123V时，辅助发电机过压反馈驱动信号通过光耦隔离且进行信号调理，然后进入MOS管驱动电路，以关断MOS管的方式
切除辅助发电机励磁电流。
[0011] 作为本发明进一步的实施方式，所述的内燃机车辅机控制装置包括一路电流信号输入电路，当传感器的0-20mA电流信号输入时，通过取样电阻和信号调理电路使产生0-5V范围内的电压信号送给CPU的A/D转换器输入口进行处理。
[0012] 作为本发明进一步的实施方式，所述的内燃机车辅机控制装置包括一路分流器检测电压信号输入电路，来自分流器的输入信号，经过滤波整形电路，并通过
电能计量芯片进2
行采集处理，再通过IC总线通讯送给CPU。
[0013] 作为本发明进一步的实施方式，所述的过压保护电路包括
软件过压保护模
块，当CPU检测到辅助发电机输出电压大于直流125V的时候，CPU产生外部中断，外部中断封
锁CPU输出的PWM信号，直到辅助发电机输出电压减小到直流0-125V范围内，CPU立即开始通过检测到的辅助发电机输出电压的反馈值，通过比例积分微分动态调节辅助发电机输出电压的大小直至输出电压稳定在直流110V±2V正常范围内。
[0014] 作为本发明进一步的实施方式，所述的过压保护电路包括硬件过压保护模块，辅助发电机输出电压反馈通过信号调理电路滤波整形后送入电压比较电路，当辅助发电机输出电压反馈大于用户设定的保护值时，电压比较电路输出一个高电平，该高电平分为两路信号：一路经过滤波整形电路后送给CPU，CPU产生一个外部中断，限制励磁电流输出或是关断励磁输出，直至辅助发电机回到正常的范围内后，CPU开始动态调节辅助发电机输出电压的大小；另一路信号经过隔离放大电路后送给外部110V直流过压指示灯。
[0015] 作为本发明进一步的实施方式，所述的内燃机车辅机控制装置包括状态指示装置，状态指示装置包括电源状态指示灯、程序运行状态指示灯、程序下载状态指示灯、故障显示指示灯和报警状态指示灯。
[0016] 通过应用本发明实施方式所描述的一种内燃机车辅机控制装置，可以大幅度提高产品的可靠性、灵活性等性能。本发明的关键器件都没有寿命敏感型器件，这样减小了产品维护的工作量，延长了产品的使用寿命。电路板上大量采用表面贴器件后，产品的体积相比原来的辅机控制装置显著减小，节省安装空间。本发明采用的
脉宽调制（PWM）控制方法可以方便地实现软启动功能，这样可以避免对用户的重要敏感负载带来冲击，为用户增加了效益。相对于传统的辅机控制装置增加了采集蓄电池的表面温度，蓄电池充放电电流实时监测，辅机软启动功能，这样可以通过软件算法实现对蓄电池充电电流控制，放电电流的检测和报警，实现蓄电池温度保护，提高蓄电池的使用寿命，为用户带了客观的经济效益。
附图说明
[0017] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018] 图1为本发明一种内燃机车辅机控制装置的系统结构
框图；
[0019] 图2为本发明一种内燃机车辅机控制装置的PID控制系统原理框图；
[0020] 图3为本发明一种内燃机车辅机控制装置的电源电路结构框图；
[0021] 图4为本发明一种内燃机车辅机控制装置的差分滤波电路原理框图；
[0022] 图5为本发明一种内燃机车辅机控制装置的通讯电路原理框图；
[0023] 图6为本发明一种内燃机车辅机控制装置的过压保护电路原理框图；
[0024] 图7为本发明一种内燃机车辅机控制装置的光耦驱动隔离电路原理框图；
[0025] 图8为本发明一种内燃机车辅机控制装置的温度检测电路原理框图；
[0026] 图9为本发明一种内燃机车辅机控制装置的一路备用电流信号检测电路原理框图；
[0027] 图10为本发明一种内燃机车辅机控制装置的电流信号检测电路原理框图；
[0028] 其中：1-CPU，2-电源电路，3-晶振电路，4-差分滤波电路，5-通讯电路，6-过压保护电路，7-驱动电路。
具体实施方式
[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030] 作为本发明一种内燃机车辅机控制装置的具体实施方式，如图1所示，一种内燃机车辅机控制装置，包括CPU 1、电源电路2、晶振电路3、差分滤波电路4、通讯电路5、过压保护电路6和驱动电路7，电源电路2为辅机控制装置提供电源；晶振电路3与CPU 1相连，为CPU 1提供时钟脉冲；通讯电路5与CPU相连，辅机控制装置通过串口与机车上的控制和显示装置进行网络通讯，同时串口下载控制程序；辅助发电机输出电压反馈通过差分滤波电路4将输入的直流电压变换成小信号的直流电压，然后将反馈电压送给CPU的内部模数转换器；过压保护电路6与CPU相连，通过调节辅助发电机的励磁电流使辅助发电机输出稳定的电压；驱动电路7与CPU相连，驱动辅助发电机的励磁电流。
[0031] 本发明硬件电路的CPU采用以ATEMEGA128
单片机微处理器为控制核心的电路，单片机通过检测辅助发电机电压和蓄电池充电电流以及蓄电池温度通过PID控制方式驱动MOS管，通过PWM脉宽调节辅助发电机励磁电流的大小，从而控制辅助发电机输出电压稳定在目标值，以实现对辅助发电机电压的恒压控制。同时对蓄电池充电电流实行过流保护和蓄电池温度保护。整个系统硬件电路原理框图见附图1，PID控制框图见附图2。
[0032] 电源电路主要是给辅机控制装置各部分电路提供电源。电源由蓄电池提供直流110V电压，由一个开关电源P1通过DC/DC变换为直流5V（典型值），输入输出地隔离。该电源供整个装置模拟电路和部分数字电路使用。经过DC/DC开关电源P3把直流5V变成直流12V（典型值），供电给光耦隔离驱动电路。开关电源P2把直流5V变换成直流±15V供电给电路板上运算放大器，直流5V的地和直流±15V的地通过两个磁珠连接在一起。由开关电源芯片P4实现直流5V隔离变成直流5V，提供串口通讯隔离电源。晶振电路采用外部
16M晶振。电源电路框图如图3所示。
[0033] 差分滤波信号采集电路：辅助发电机辅助发电机输出电压反馈通过差分滤波电路将输入的直流电压变换成小信号的直流电压，然后将反馈电压送给ATEMEGA128的内部模数转换器。当电压信号在20V-137.5V范围内变化时，通过运放构成的差分滤波电路进行信号采集，单端输出经运放组成的阻容低通滤波和电压跟随器送入后级处理电路。该电路的两个输入端信号之间的差值，为电路有效输入信号，电路的输出是对这两个输入信号之差的放大。如果两个输入信号存在相同的干扰，通过二者之差，
干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的。
差分信号经差分滤波电路后进入低通滤波电路，滤除高次频率谐波，使输出结果稳定。
[0034] 辅机控制装置通过RS422/485串口与机车上其他控制、显示装置进行网络通讯，同时控制程序也可通过RS422/485串口下载，通讯电路示意图见附图5。本设计的目的是把通过调节辅助发电机的励磁电流使辅助发电机的输出电压稳定在直流110V±2V，但当辅助发电机输出电压大于125V时，通过减小励磁电流直至励磁电流为0来实现辅助发电机输出电压的过压保护。
[0035] 软件过压保护：当单片机检测到辅助发电机输出电压大于直流125V的时候，单片机会立即产生一个外部中断，外部中断会立即封锁单片机输出的PWM信号，即PWM信号的占空比封锁为0，起到软件过压保护的作用。直到辅助发电机输出电压减小到直流（0—125V）的范围内后，单片机立即开始通过检测到的辅助发电机输出电压的反馈值，通过PID（比例积分微分）动态调节输出电压的大小直至输出电压稳定在直流110V±2V正常范围内。
[0036] 硬件过压保护：如图6所示，辅助发电机电压反馈通过信号调理电路滤波整形后送入电压比较电路，当辅助发电机电压反馈大于用户设定的保护值时，电压比较电路输出一个高电平，该高电平分为两路信号：
[0037] 一路经过滤波整形电路后送给CPU，CPU会立即产生一个外部中断限制励磁电流输出或是立即封锁脉冲，关断励磁输出。直至辅助发电机电回到正常的范围内后，CPU开始动态调节辅助发电机电压大小。
[0038] 另一路信号经过隔离放大电路后送给外部110V直流过压指示灯，这样用户可以很直观地了解到辅机控制装置的工作情况。
[0039] 当辅助发电机电压在0-123V范围内时，辅机控制装置工作在正常的PWM脉冲宽度调制方式，通过光耦隔离且进行信号调理，然后进入MOS管驱动电路，以PWM方式驱动辅助发电机励磁电流大小。当辅助发电机电压大于123V时，辅助发电机过压反馈驱动信号通过光耦隔离且进行信号调理，然后进入MOS管驱动电路，以关断MOS管的方式切除辅助发电机励磁电流。
[0040] 在面板上作8个指示灯，分别用来指示各种状态信号。电源状态、程序运行状态、程序下载状态、故障显示及报警状态。可以通过软件编程灵活定义指示灯的状态，方便用户和技术支持人员在现场第一时间了解装置的工作状况以及快速
定位故障信息等。
[0041] 蓄电池装置通过安装温度传感器TMP175来检测蓄电池的环境温度，通过I2C与单片机进行通讯，如果温度过高则进行限制辅助发电机励磁电流，实现蓄电池的保护。
[0042] 1路电流信号输入电路。当传感器0-20mA电流信号时，通过取样电阻和信号调理电路使产生0-5V范围内的电压信号送给单片机A/D输入口进行处理。
[0043] 1路分流器检测电压信号（直流0—75mV）输入电路。分流器上0-75mV级信号检2
测，通过电能计量芯片ADE7753进行采集处理，再通过IC通讯送给单片机Atmega128。
[0044] 本发明采用以单片机ATEMEGA128为核心的全数字控制技术，采用软件控制算法来实现对辅助发电机电机输出电压的精确控制。大量采用表面贴器件，减小了产品的体积，同时提高产品可靠性，为用户节省了宝贵的机车上的安装空间。实现了对辅助发电机电压的闭环控制，控制方式灵活，控制速度快。能够很容易实现辅助发电机电压的过压保护、蓄电池充、放电电流的监测、蓄电池表面温度的监测等。可以通过软件升级的方式应对用户提出的不同的新需求，灵活性高。可以通过面板上的连接器由串口下载程序，进行升级或更换程序等操作。同时也可以通过串口与电脑通讯很方便进行现场故障在线诊断、调试等操作。同时预留了2路电压输入、1路电流输入、1路温度输入
接口，此设计可以方便以后用户提出新需求的时候灵活扩展，这种扩展不需要改动任何硬件电路而只需要升级软件即可。RS422/485串口通讯电路，如图5所示，可以很方便通过计算机串口通讯实现程序下载和程序在线故障诊断功能，不需要拆卸装置就可以完成在线故障诊断和程序下载升级功能。解决了模拟电路调参数困难的缺陷。采用8位ATMEGA128单片机为控制核心的硬件电路，通过软件算法实现对辅助发电机电压的闭环控制，控制方式灵活，控制速度快。模拟控制设计周期长，调试起来比较困难。产品升级困难，用户提出新的需求后，一般都伴随着大幅度硬件的更换，这样导致产品成本增加，升级困难。
[0045] 本装置采用全数字的控制方法，只需要更换软件就可以实现产品的升级换代。一旦用户提出了新的需求，本装置预留的接口电路可以给用户提供丰富的扩展，这些扩展只需要更换软件即可，不需要更改任何硬件电路。由于本装置的关键器件都没有采用继电器等寿命敏感器件所以产品的维护工作量很小，给用户和产品供应商都带来了极大的效益。采用辅助发电机电压的硬件和软件双重过压保护，产品的可靠性更高。微处理器通过采集蓄电池的温度和蓄电池充电电流对辅助发电机励磁电压进行限制，从而可以限制蓄电池的充电电流，延长蓄电池的使用寿命。解决了模拟电路调参数困难的缺陷，调试简单方便，易于升级。
[0046] 可以采用其它型号的单片机或微处理器做为CPU来设计硬件电路，ADC（模数转换器），本设计采用内部ADC参考电压，内部ADC实现辅机反馈电压的
数模转换功能，其它方案可以采用外部12位或是更高位数的ADC芯片，参考电压可以采用外部精密基准电压芯片作为参考。本发明的目的是采用以单片机为核心的微处理器去取代传统的模拟控制电路。本装置发明的目的以用户为需求，在不明显增加成本的前提下给用户带来体积更为小巧，灵活性更高，可靠性更高，寿命更长的产品。具体来说本发明就是用性能稳定的单片机ATEMEGA128为控制核心，用软件算法实现的数字PID（比例积分微分）去取代传统的模拟PID（比例积分微分）控制。充分体现了数字电路设计灵活、扩展性好、升级换代容易、产品维护工作量小、能最大程度在不更改硬件电路的前提下充分满足用户的需求。而且一旦有新的算法出现并经过市场验证成熟，本发明还可以随时通过软件的升级提高产品的性能。
[0047] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
