鐵道部電力機車研究所（株洲412001）馬世宏株洲時代電氣絕緣有限責任公司周志雄鄭州鐵路局漢西車站裝卸所熊建新制系統(tǒng)的原理和設計方法。
電動叉車輕便靈活，被廣泛用于車站、碼頭、工礦企業(yè)的貨物裝卸、搬運，這些場所叉車上的電瓶更換頻繁，因而往往設有充電間對更換下來的電瓶進行集中充電。以往這些充電間的多臺充電機彼此獨立，多臺充電機對電瓶進行集中充電時，充電工必須對這些充電機進行不斷的巡視，記錄、調整各臺充電機的充電參數(shù)。這種充電方法不但需要充電工有較豐富的工作經(jīng)驗，而且他們勞動強度也比較大，容易出差錯。針對這些場所充電機相對集中的特點，我們研制了一套智能充電機集群控制系統(tǒng)，用一臺pc機對多達256臺充電機的狀態(tài)進行監(jiān)控、記錄，并能自動形成打印報表文件。這樣充電工只需坐在控制室監(jiān)視pc機的屏幕，無需來回巡視，就能做到對充電間的所有充電機的工作狀態(tài)一目了然，并能通過鼠標或鍵盤對各臺充電機進行參數(shù)調整，開、關機控制。
一、智能充電機集群控制系統(tǒng)設計要求1、通過pc機鍵盤、鼠標能對各充電機進行開、關機控制，在充電開始前和充過程中能對充電參數(shù)：充電模式、充電電壓、充電電流、充電時間、充電安時數(shù)進行設置和修~改。
控制電路pc機80c196kc串行通倍2、通過pc機同時對各充電機狀態(tài)，包括充電模式，充電電流、電壓、時間、安時數(shù)進行監(jiān)視、記錄，自動形成報表文件；充電機發(fā)生故時能報警，并顯示相應充電機的故障狀態(tài)。
3、智能充電機能對單個30v或48v蓄電池充電，也能對3個30v或2個48v蓄電池串聯(lián)組成的蓄電池組充電，電流075a連續(xù)可調。
4、各充電機能單獨工作，通過自身的鍵盤能進行開、關機控制，在充電開始前和充電過程中能對充電模式，充電電流、電壓、時間、安時數(shù)進行設置，并能顯示。
5、充電機具備恒流、特性、快速等三種充電模式。
6、充電機能在設置的充電時間或安時數(shù)到后自動停機，在出現(xiàn)缺相、過流、過壓、無流等故障時能快速保護停機，并報警，顯示相應的故障狀態(tài)。
二、集群控制系統(tǒng)的硬件結構1、智能充電機集群控制系統(tǒng)組成智能充電機集君控制系統(tǒng)由一臺pc機，一臺通信控制器，多臺智能充電機（最多可達256臺）組成，如所示：能充電機1 s―422率行通侑線智能充電機集群控制系統(tǒng)組成32微電腦應用集群控制系統(tǒng)實際上是一套由pc機和智能充電機群通過pc機的串口、通信控制器、各智能充電機的串行通信口、rs>422串行通信線組成的一個局域網(wǎng)，網(wǎng)上傳送的信息有：（1）pc機發(fā)送給各智能充電機的控制命令和數(shù)據(jù)k2）各智能充電機送給pc機的自身狀態(tài)和數(shù)據(jù)。
2、智能充電機的硬件結構集群控制系統(tǒng)的核心是智能充電機，智能充電機的硬件包括主電路和控制電路。
主電路的結構如所示。
主電路由一個三相半控橋，三相變壓器，同步變壓器，交流接觸器，電流傳感器，充電電壓取樣電阻等組主電路的結構象柳趾taumi館今放：成。為了使充電機在對單個蓄電池充電時有較篼功率因數(shù)，產(chǎn)生較少的諧波，設計主電路變壓器時，將次邊電壓分成兩擋，分別為70v和140v，兩擋通過接觸器切換。
（2）控制電路控制電路的結構如所示：智能充電機的控制電路是一套80c196kc為中心的單片機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件總體框圖如所示。
整個硬件系統(tǒng)包括80c196kc單片機，單片機復位電路，程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤、顯示電路，過流、過壓、缺相中斷產(chǎn)生電路，中斷源擴展電路，鎖相同步電路，脈沖輸出電路，接觸器、峰鳴器控制電路，電流、電壓反饋信號放大電路，串行通信電路等。下面就各部分電路進行介紹。
80c196kc單片機是in-bbb公司繼8096kb推出的高性能chmos16位單片機系列之一，它在保留了8096所有功能基礎上，提篼了運行速度（在采用相同頻率晶振時80c196kc的操作速度至少比8096高1/3），并增加了許多新功能。
單片機復位電路如所示。80c196kc的復位信息控制電路的結構溴相中產(chǎn)4鍵中t微電腦應用33申請中斷，使這種ram內有期維持存由2種情況產(chǎn)生：上電復位，監(jiān)視定時器溢出以及執(zhí)行復位指令rst.復位時，80c196kc的/reset變低。cew023是cmos斯密特觸發(fā)器，74ls05是集電極開路的非門。采用0c門可以使上電復位信號和內部復位信號通過“線或”加到單穩(wěn)的觸發(fā)端去復位8279. 80c196kc內部復位產(chǎn)生的低電平只維持2個狀態(tài)周期，這個復位時間不足以使8279復位，故加一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以延長8279的復位時間。
程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序存儲器采用e-prom27256以保證控制程序能根據(jù)需要進行最大限度的擴展；數(shù)據(jù)存儲器采用了篼速數(shù)據(jù)不揮發(fā)ram，內帶鋰電池，系統(tǒng)斷電后，內部彥電池能長撤據(jù)，因此智能充電機關機后，設置的參數(shù)不會丟失，下次開機時不必重新設置。
鍵盤、顯示電路。智能充電機有16個led顯示器，分別顯示充電電流、電壓、時間、安時數(shù)，鍵盤上包括數(shù)字鍵、命令鍵共32個。為了減輕cpu的負擔，我們采用8279專用鍵盤、顯示接口來管理顯示和鍵盤。
8279對16位led進行動態(tài)掃推，cpu只在更新顯示數(shù)據(jù)時才訪問8279.8279還自動對鍵盤矩陣進行動態(tài)掃推，能識別按下鍵的鍵號，當有鍵按下時即向cpu pu進人鍵盤中斷務程序。8279與80c196kc之間的接口非常簡單。
過流、過壓、極性反、斷臂缺相中斷產(chǎn)生電路。電流傳感器送來的充電電流信號，分壓電阻取來的蓄電池兩端的電壓信號經(jīng)放大后送比較器比較，當充電電流大于90安培，蓄電池兩端電壓大于180伏時對應的比較器翻轉為高電平，分別產(chǎn)生過流、過壓中斷信號；當取到的蓄電池兩端的電壓為負值時產(chǎn)生極性反中斷信號；當三相電源缺相或整流橋上的整流元件開路損壞時，會引起三相負載不平衡，同時也加大了其它兩個橋臂上元件的負擔，長時間工作可能損壞元件，另外輸出電壓的脈動也隨之增加，對蓄電池不利，為了避免這種情況產(chǎn)生，智能充電機增加了一套斷臂缺相產(chǎn)生電路，一且出現(xiàn)缺相或斷臂，立即向cpu申請中斷，有效地保護充電機及電網(wǎng)。
斷臂缺相中斷產(chǎn)生電路如所示。
從可控整流電路輸出靖取出的輸出電壓波頭經(jīng)電壓比較器lm339變換為方波信號，經(jīng)光耦、單穩(wěn)觸發(fā)器74ls123進行隔離、整形后輸出脈寬―定的方波，輸出的方波由lm311進行f/v變換后，其輸出端輸出與輸人信號頻率對應的電壓。當三相半控橋工作正常時，取出的波頭頻率是150hz，設此時lm311輸出對應此頻率的電壓為u，若三相電源缺項或某一橋臂開路，此時取出的輸出電壓波頭的頻率為lhz，lm311輸出的電壓為2u/3，由運放組成的兩路電壓比較器均翻轉為高電平，與非門輸出一低電平作為中斷申請信號。當可控硅滿開放時，輸出電壓的脈動成分很小，難以取到輸出電壓的波頭，lm311輸出電壓為零，第一路電壓比較器翻轉為高電平，而第二路電壓比較器不翻轉，仍持低電平，不產(chǎn)生中斷申請。鎖相同步電路。該電路使cpu向晶閘管輸出的觸發(fā)脈沖與三相電源電壓保持嚴格的同步關系。鎖相同步電路采用4046鎖相環(huán)和外圍分頻電路、濾波電路產(chǎn)生鎖相倍頻脈沖（150hz-三倍電網(wǎng)電壓頻率），該脈沖送到80196kc的篼速輸人口0，同時輸出36khz的脈沖作為控制角的計數(shù)脈沖送到cpu內部計數(shù)器的輸人腳，使晶閘管的觸發(fā)精度可以控制在0.5度電角度以內。
串行通信電路。80c196kc芯片內部包含有一個全雙工的串行通信口，兩片80c196kc之間不用任何外圍電路即能通過串行口進行通信。但在本系統(tǒng)中各充電機（80c196kc）只與上位機（pc機）通信，80c196kc的串行口的電平為ttl電平，而上位機串行口采用的是rs232c電平，低電平為-15v，高電平為+15v，因此充電機和上位機（pc機）的串行口都必須接口電路才能進行通信。充電機的串行接口電路如（上接第16頁）一直處于這種低電平的無效狀態(tài)，內部計數(shù)并沒停止；若有新的同步信號，則計數(shù)器立即重置篼低宇節(jié)初值，如前述規(guī)律計數(shù)，觸發(fā)脈沖再產(chǎn)生一個單脈沖。根據(jù)上述過程用vhdl語言描述出來。
從這里可以看到，計數(shù)器計滿一個回合的時間為（n+1）個時鐘周期，其中觸發(fā)脈沖的有效時間為n個時鐘周期（示意圖如下，其中t為時鐘周期）。可見，改變m、n值可改變定時長度，改變n值可使脈沖達到一定寬度。計數(shù)初值的裝栽應在檢測到同步信號時及計數(shù)期間計滿后重新開始計數(shù)時發(fā)生。
把以上vhdl語言描寫的源文件綜合、編譯通過后，經(jīng)功能仿真、物理連機測試證明設計正確。
四、系統(tǒng)軟件結構系統(tǒng)軟件流程圖如。軟件程序是用51系列的匯編語言編寫的。系統(tǒng)上電后，cpu給xc4010e內的計數(shù)器置計數(shù)初值、給控制寄存器置控制字，然后cpu平。該元件是符合美國電子工業(yè)協(xié)會（eia）制定的rs422標準的串行接口芯片。它具有驅動能力強，傳輸速度快（可達2.5mbps），抗干擾能力強，5v單電源供電，三態(tài)輸出等特點，因而非常適用于多機通信的串行通信接口電路中。在本系統(tǒng)中，上位機每次只與一臺充電機進行通信，其余充電機的串口輸出端（max491的x，z腳）應處于篼阻狀態(tài)，故在接口電路中用80c196kc的一個輸出信號控制max491的“使能”端，使其輸出端在不通信時處于高阻狀態(tài)，以免發(fā)生總線競爭。
通信控制器的功能有兩個：電平。在通信控制器中有一個與充電機中串行接口電路類似的電路；控制各充電機的開、關機。
三、結束語由株洲電力機車研究所、長沙鐵道學皖、株洲時代電氣絕緣有限公司、鄭州鐵路局漢西車站聯(lián)合研制的智能充電機集群控制系統(tǒng)已在漢西車站潮濕、酷熱的環(huán)下穩(wěn)定地運行了三年多。實踐證明該系統(tǒng)設計思想新穎、外形美觀、控制可靠，抗干擾能力強，充電效率篼，組態(tài)靈活，既能單臺使用，又能大規(guī)模集群使用，適合于各種場所。
鍵盤是否有功能鍵按下，根據(jù)功能鍵確定執(zhí)行何作后分別調用相應的子程序。軟件的重要部分就是轉速的加減算法，它決定了可調的精度和步長以及每次預置的初值。
五、結論本系統(tǒng)用于某高校的電工實驗，實際中還要提供―路勵磁用直流電源，一路輔助直流電源，所以xc4010e中有三組上述的棋塊。經(jīng)實際使用證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。由于使用了單片fpga芯片，系統(tǒng)的電路板面積較小，且由于采用了先進的eda工具，整個系統(tǒng)設計周期大大縮短，設計修改過程簡便。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
|
|
|
|
|
|
|
|