基于A(yíng)VR微控制器的電力機車(chē)智能輔保系統的實(shí)現

電氣機車(chē)輔助系統中有劈相機、空氣壓縮機、通風(fēng)機及制動(dòng)風(fēng)機等各種類(lèi)型的電機。運行中為了防止出現短路、過(guò)流等異常情況而燒毀電機，通常配置輔助保護系統，起到及時(shí)監測電機故障并加以處理的作用。目前電力機車(chē)上安裝的輔保系統都是模擬電路裝置，系統硬件復雜，又不方便司機使用和維修。因此，設計一種實(shí)時(shí)性高、性能可靠的智能輔保系統替代原有的模擬電路裝置勢在必行。本文將介紹筆者開(kāi)發(fā)的用于韶山型電力機車(chē)的智能輔助保護系統的設計及實(shí)現。

1 系統的主要功能與設計思想

1.1 系統的主要功能

(1)輔機保護功能，即在機車(chē)運行過(guò)程中，對輔助系統內的各電機出現的短路故障能及時(shí)給出故障狀態(tài)顯示，在規定的持續時(shí)間內，故障若不消失，對該電機能夠實(shí)現二次保護控制。

(2)機車(chē)輔助系統內的各電機若出現了過(guò)流或單相故障，能及時(shí)給出相應故障狀態(tài)顯示。在規定的過(guò)流或單相故障持續時(shí)間內，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(jìn)行一次保護控制。

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

(4)輔助系統的劈相電

機出現啟動(dòng)電阻甩不開(kāi)的故障時(shí)，能夠控制主接觸器斷開(kāi)，以實(shí)現對該電機的二次保護。

(5)在啟動(dòng)輔助系統各電機之前，能夠進(jìn)行檢查系統狀態(tài)顯示、輸出控制等功能的實(shí)驗，確保系統硬件電路安全性及可靠性。

(6)對輔助系統各電機進(jìn)行實(shí)時(shí)故障檢測的各故障持續的延時(shí)時(shí)間可以根據實(shí)際情況進(jìn)行相應調整，但不影響系統功能。

1.2 系統的設計思想

以高檔微控制器為核心構成智能化輔保系統，符合電力機車(chē)發(fā)展的方向，既可充分發(fā)揮軟件的功能，又能簡(jiǎn)化硬件構成，無(wú)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內載Flash的高性能八位單片機，通稱(chēng)為AVR單片要同[1～2]，設計上采用低功耗CMOS技術(shù)，而且在軟件上有效支持C高級(用IAR系統的ICC90C編譯器編譯)及匯編語(yǔ)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)其片內帶有一個(gè)8通道的A/D轉換器及一個(gè)模擬比較器。

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

(3)32條通用I/O線(xiàn)及32個(gè)通用8位寄存器R0～R31，64個(gè)I/O專(zhuān)用寄存器。

(4)片內有8K字節可下載的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字節的EEPROM(使用壽命為10萬(wàn)次)及512字節的內部SRAM。

(6)帶片內晶振器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器;并有三種可通過(guò)軟件選擇的電源節電模式;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，大多數執行時(shí)間為單時(shí)鐘周期，指令周期最短僅為125ns。

(8)提供16種不同的內、外中斷源(其中有兩個(gè)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成智能化輔保系統的主控制電路，無(wú)需外擴多通道A/D轉換器及程序存儲器、數據存儲器，大大簡(jiǎn)化了系統的硬件。尤其是其內部又有硬件看門(mén)狗電路及相應的看門(mén)狗指令控制，提高了系統的可靠性及安全性，選型相對以往的AT89系列單片機，在性能上要強得多，而且開(kāi)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)越性在于其片內有一個(gè)8通道的10位ADC，ADC與一個(gè)模擬多路轉換器相連，還包含一個(gè)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(gè)別引腳又可作為數字輸入使用。

ADC有兩個(gè)單獨的模擬供電引腳AVCC和AGND。使用時(shí)，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(guò)RC網(wǎng)絡(luò )相連。外部參考基準電壓通過(guò)AREF引腳加入。

ADC通過(guò)內部預分頻器ADCPS保證將系統時(shí)鐘頻率轉化為50～200kHz之間的ADC可接受牟時(shí)鐘頻率。ADC一般至少需要13個(gè)時(shí)鐘周期完成一次轉換，因此轉換時(shí)間范圍為65～260μs。ADC為用戶(hù)提供了內部中斷方式的處理，可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。每次轉換完成時(shí)，ADC轉換器完成中斷就可以被激活。

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

ADC被使能后，可以選擇單一轉換和自由運行兩種模式之一工作。要單一轉換模式下，每次轉換由用戶(hù)觸發(fā);在自由運行模式下，ADC連續取樣，并更新ADC的數據寄存器。建議用戶(hù)使用單一轉換模式。ADC產(chǎn)生的10位結果保存在數據寄存器ADCL和ADCH中，其內部特殊數據保護邏輯要求讀取數據時(shí)，先讀ADCL，后讀ADCH。

1.3 系統監測對象

本系統完成監測對象主要有：(1)劈相機三相信號;(2)通風(fēng)機電機三相信號;(3)制動(dòng)風(fēng)機電相三相信號;(4)各種電機接觸器信號。系統通過(guò)輸入電路完成對這些信號的調理，向系統主控制電路提供6模擬量輸入及5路數字開(kāi)關(guān)量輸入，還提供5路條件標志。

經(jīng)實(shí)驗可知，當檢測到各路電機對應的模擬量輸入電壓在0.69V～4.5V之間時(shí)，可認為電機發(fā)生了過(guò)流故障，而且規定的過(guò)流故障持續的時(shí)間隨輸入電壓范圍不同又分為多個(gè)不同區段，軟件應保證按不同的時(shí)間區段對電機進(jìn)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秒的持續時(shí)間內，故障一直未消除，則對電機立即實(shí)施二次保護控制，防止電機實(shí)施二次保護控制，防止電機被燒毀;5路數字開(kāi)關(guān)量通道的某路輸入出現高電平時(shí)，則認為該路電機發(fā)生了單相故障，在3秒故障持續時(shí)間內故障一直不消失，對電機實(shí)施一次保護控制。無(wú)論單相還是過(guò)流故障，在對電機一次保護后的0.5秒持續時(shí)間內故障仍未消除，則實(shí)施二次保護控制。通過(guò)上述手段，能起到監測電力機車(chē)輔助系統中的各電機是否正常工作、當出現故障時(shí)及時(shí)發(fā)現并對電機加以保護的作用。