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一种基于PC机和80196的智能充电机集群控制系统

时间:2017/7/14 9:44:00   来源:本网   添加人:admin

  铁道部电力机车研究所(株洲412001)马世宏株洲时代电气绝缘有限责任公司周志雄郑州铁路局汉西车站装卸所熊建新制系统的原理和设计方法。

  电动叉车轻便灵活,被广泛用于车站、码头、工矿企业的货物装卸、搬运,这些场所叉车上的电瓶更换频繁,因而往往设有充电间对更换下来的电瓶进行集中充电。以往这些充电间的多台充电机彼此独立,多台充电机对电瓶进行集中充电时,充电工必须对这些充电机进行不断的巡视,记录、调整各台充电机的充电参数。这种充电方法不但需要充电工有较丰富的工作经验,而且他们劳动强度也比较大,容易出差错。针对这些场所充电机相对集中的特点,我们研制了一套智能充电机集群控制系统,用一台PC机对多达256台充电机的状态进行监控、记录,并能自动形成打印报表文件。这样充电工只需坐在控制室监视PC机的屏幕,无需来回巡视,就能做到对充电间的所有充电机的工作状态一目了然,并能通过鼠标或键盘对各台充电机进行参数调整,开、关机控制。

  一、智能充电机集群控制系统设计要求1、通过PC机键盘、鼠标能对各充电机进行开、关机控制,在充电开始前和充过程中能对充电参数:充电模式、充电电压、充电电流、充电时间、充电安时数进行设置和修~改。

  控制电路PC机80C196KC串行通倍2、通过PC机同时对各充电机状态,包括充电模式,充电电流、电压、时间、安时数进行监视、记录,自动形成报表文件;充电机发生故时能报警,并显示相应充电机的故障状态。

  3、智能充电机能对单个30V或48V蓄电池充电,也能对3个30V或2个48V蓄电池串联组成的蓄电池组充电,电流075A连续可调。

  4、各充电机能单独工作,通过自身的键盘能进行开、关机控制,在充电开始前和充电过程中能对充电模式,充电电流、电压、时间、安时数进行设置,并能显示。

  5、充电机具备恒流、特性、快速等三种充电模式。

  6、充电机能在设置的充电时间或安时数到后自动停机,在出现缺相、过流、过压、无流等故障时能快速保护停机,并报警,显示相应的故障状态。

  二、集群控制系统的硬件结构1、智能充电机集群控制系统组成智能充电机集君控制系统由一台PC机,一台通信控制器,多台智能充电机(最多可达256台)组成,如所示:能充电机1 S―422率行通侑线智能充电机集群控制系统组成32微电脑应用集群控制系统实际上是一套由pc机和智能充电机群通过pc机的串口、通信控制器、各智能充电机的串行通信口、RS>422串行通信线组成的一个局域网,网上传送的信息有:(1)PC机发送给各智能充电机的控制命令和数据K2)各智能充电机送给PC机的自身状态和数据。

  2、智能充电机的硬件结构集群控制系统的核心是智能充电机,智能充电机的硬件包括主电路和控制电路。

  主电路的结构如所示。

  主电路由一个三相半控桥,三相变压器,同步变压器,交流接触器,电流传感器,充电电压取样电阻等组主电路的结构象柳趾taUMI馆今放:成。为了使充电机在对单个蓄电池充电时有较篼功率因数,产生较少的谐波,设计主电路变压器时,将次边电压分成两挡,分别为70V和140V,两挡通过接触器切换。

  (2)控制电路控制电路的结构如所示:智能充电机的控制电路是一套80C196KC为中心的单片机控制系统,系统硬件总体框图如所示。

  整个硬件系统包括80C196KC单片机,单片机复位电路,程序存储器,数据存储器,键盘、显示电路,过流、过压、缺相中断产生电路,中断源扩展电路,锁相同步电路,脉冲输出电路,接触器、峰鸣器控制电路,电流、电压反馈信号放大电路,串行通信电路等。下面就各部分电路进行介绍。

  80C196KC单片机是IN-TEL公司继8096KB推出的高性能CHMOS16位单片机系列之一,它在保留了8096所有功能基础上,提篼了运行速度(在采用相同频率晶振时80C196KC的操作速度至少比8096高1/3),并增加了许多新功能。

  单片机复位电路如所示。80C196KC的复位信息控制电路的结构溴相中产4键中t微电脑应用33申请中断,使这种RAM内有期维持存由2种情况产生:上电复位,监视定时器溢出以及执行复位指令RST.复位时,80C196KC的/RESET变低。CEW023是CMOS斯密特触发器,74LS05是集电极开路的非门。采用0C门可以使上电复位信号和内部复位信号通过“线或”加到单稳的触发端去复位8279. 80C196KC内部复位产生的低电平只维持2个状态周期,这个复位时间不足以使8279复位,故加一个单稳态触发器以延长8279的复位时间。

  程序存储器和数据存储器。程序存储器采用E-PROM27256以保证控制程序能根据需要进行最大限度的扩展;数据存储器采用了篼速数据不挥发RAM,内带锂电池,系统断电后,内部彦电池能长撤据,因此智能充电机关机后,设置的参数不会丢失,下次开机时不必重新设置。

  键盘、显示电路。智能充电机有16个LED显示器,分别显示充电电流、电压、时间、安时数,键盘上包括数字键、命令键共32个。为了减轻CPU的负担,我们采用8279专用键盘、显示接口来管理显示和键盘。

  8279对16位LED进行动态扫推,CPU只在更新显示数据时才访问8279.8279还自动对键盘矩阵进行动态扫推,能识别按下键的键号,当有键按下时即向CPU PU进人键盘中断务程序。8279与80C196KC之间的接口非常简单。

  过流、过压、极性反、断臂缺相中断产生电路。电流传感器送来的充电电流信号,分压电阻取来的蓄电池两端的电压信号经放大后送比较器比较,当充电电流大于90安培,蓄电池两端电压大于180伏时对应的比较器翻转为高电平,分别产生过流、过压中断信号;当取到的蓄电池两端的电压为负值时产生极性反中断信号;当三相电源缺相或整流桥上的整流元件开路损坏时,会引起三相负载不平衡,同时也加大了其它两个桥臂上元件的负担,长时间工作可能损坏元件,另外输出电压的脉动也随之增加,对蓄电池不利,为了避免这种情况产生,智能充电机增加了一套断臂缺相产生电路,一且出现缺相或断臂,立即向CPU申请中断,有效地保护充电机及电网。

  断臂缺相中断产生电路如所示。

  从可控整流电路输出靖取出的输出电压波头经电压比较器LM339变换为方波信号,经光耦、单稳触发器74LS123进行隔离、整形后输出脉宽―定的方波,输出的方波由LM311进行F/V变换后,其输出端输出与输人信号频率对应的电压。当三相半控桥工作正常时,取出的波头频率是150Hz,设此时LM311输出对应此频率的电压为U,若三相电源缺项或某一桥臂开路,此时取出的输出电压波头的频率为lHz,LM311输出的电压为2U/3,由运放组成的两路电压比较器均翻转为高电平,与非门输出一低电平作为中断申请信号。当可控硅满开放时,输出电压的脉动成分很小,难以取到输出电压的波头,LM311输出电压为零,第一路电压比较器翻转为高电平,而第二路电压比较器不翻转,仍持低电平,不产生中断申请。锁相同步电路。该电路使CPU向晶闸管输出的触发脉冲与三相电源电压保持严格的同步关系。锁相同步电路采用4046锁相环和外围分频电路、滤波电路产生锁相倍频脉冲(150Hz-三倍电网电压频率),该脉冲送到80196KC的篼速输人口0,同时输出36kHz的脉冲作为控制角的计数脉冲送到CPU内部计数器的输人脚,使晶闸管的触发精度可以控制在0.5度电角度以内。

  串行通信电路。80C196KC芯片内部包含有一个全双工的串行通信口,两片80C196KC之间不用任何外围电路即能通过串行口进行通信。但在本系统中各充电机(80C196KC)只与上位机(PC机)通信,80C196KC的串行口的电平为TTL电平,而上位机串行口采用的是RS232C电平,低电平为-15V,高电平为+15V,因此充电机和上位机(PC机)的串行口都必须接口电路才能进行通信。充电机的串行接口电路如(上接第16页)一直处于这种低电平的无效状态,内部计数并没停止;若有新的同步信号,则计数器立即重置篼低宇节初值,如前述规律计数,触发脉冲再产生一个单脉冲。根据上述过程用VHDL语言描述出来。

  从这里可以看到,计数器计满一个回合的时间为(N+1)个时钟周期,其中触发脉冲的有效时间为N个时钟周期(示意图如下,其中T为时钟周期)。可见,改变M、N值可改变定时长度,改变N值可使脉冲达到一定宽度。计数初值的装栽应在检测到同步信号时及计数期间计满后重新开始计数时发生。

  把以上VHDL语言描写的源文件综合、编译通过后,经功能仿真、物理连机测试证明设计正确。

  四、系统软件结构系统软件流程图如。软件程序是用51系列的汇编语言编写的。系统上电后,CPU给XC4010E内的计数器置计数初值、给控制寄存器置控制字,然后CPU平。该元件是符合美国电子工业协会(EIA)制定的RS422标准的串行接口芯片。它具有驱动能力强,传输速度快(可达2.5Mbps),抗干扰能力强,5V单电源供电,三态输出等特点,因而非常适用于多机通信的串行通信接口电路中。在本系统中,上位机每次只与一台充电机进行通信,其余充电机的串口输出端(MAX491的X,Z脚)应处于篼阻状态,故在接口电路中用80C196KC的一个输出信号控制MAX491的“使能”端,使其输出端在不通信时处于高阻状态,以免发生总线竞争。

  通信控制器的功能有两个:电平。在通信控制器中有一个与充电机中串行接口电路类似的电路;控制各充电机的开、关机。

  三、结束语由株洲电力机车研究所、长沙铁道学皖、株洲时代电气绝缘有限公司、郑州铁路局汉西车站联合研制的智能充电机集群控制系统已在汉西车站潮湿、酷热的环下稳定地运行了三年多。实践证明该系统设计思想新颖、外形美观、控制可靠,抗干扰能力强,充电效率篼,组态灵活,既能单台使用,又能大规模集群使用,适合于各种场所。

  键盘是否有功能键按下,根据功能键确定执行何作后分别调用相应的子程序。软件的重要部分就是转速的加减算法,它决定了可调的精度和步长以及每次预置的初值。

  五、结论本系统用于某高校的电工实验,实际中还要提供―路励磁用直流电源,一路辅助直流电源,所以XC4010E中有三组上述的棋块。经实际使用证明该系统工作稳定可靠。由于使用了单片FPGA芯片,系统的电路板面积较小,且由于采用了先进的EDA工具,整个系统设计周期大大缩短,设计修改过程简便。