（机械电子工程专业论文）机车车顶人孔盖高压告警联动接地装置的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 目前，我国电气化铁路运行的电力机车所使用的电源，是接触网提供的 2 5 k v 单相交流电。在电气化铁路区段运行和整各作业的机车，经常需要作业人 员通过人孔盖登上车顶，对机车进行检查维修工作。通常在上车顶工作前，作业 人员应当按照登顶作业程序，在地面对接触网断电，再打开车顶人孔盖登顶作业。 然而，因作业人员疏忽大意，未认真执行接触网断电的操作程序，在接触网 上仍带电的情况下，就盲目登车顶工作，已多次造成作业人员被电击伤亡的事故。 针对这一情况我们研制了机车车顶人孔盖安全报警联运接地装置，他可为登顶作 业的工作人员提供可靠、有效的人身安全保护，确保登顶作业人员的人身安全。 论文分析了目前国内机务段车顶登顶作业维护的现状及与之相关的事故原 因，设计了一种基于可靠稳定的高压检测、告警、安全接地等功能于一体的安全 告警系统，通过软件系统的管理和控制，实现了高压检测与告警，机电控制等一 系列功能。并详细介绍了系统硬件系统和抗干扰性设计。 整个系统人机对话方便简洁，系统构成灵活易扩展，系统可靠性高，具有通 用性和工程推广性。 由于此系统稳定可靠，能确实解决人为疏忽和管理上的漏洞带来的不安全问 题，因此高压告警联运接地装置的研制具有很大的实际和推广意义。 目前整套系统已在向塘机务段安全运行，各项设计功能和性能指标均达到鹰 潭务段安全管理控制要求，整个系统工作稳定可靠，维护方便。 关键词：接触网，高压检测，告警，人孔 武汉理工大学硕七学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h ep o w e rs o u r c eo fe l e c t r i c 珀i l w a yl o c o m o t i v ei st h e2 5 k va c w h i c hw o v i d eb yt h es t a g g e r 嘶l er e s p e c t sa n dr e p a i rt h el o c o m o t i v e , n d st h e w o r k e r sg ot h r o u g ht h em a n h o l et ot h et o po ft h el o c o m o t i v e , u s u a l l y , b e f o r ec a i r i e s 0 1 1t h el o c o m o t i v er o o fw o r k , t h ew o r k sm u s ta c c o r d m gt ot h eo p e r a t i o n a lp r o c e d u r e , c u to f f t h ep o w e rs o u l 0 0i ng r o u n dd o c k i n g , t h e no p e nt h el o c o m o t i v er o o fm a n h o l e c o v e rt oa s c e n dg o e sa g a i n s tt h ew o r k h o w 喊b e c a u s et h ec a r e l e s so ft h eo p e r a t i n gp e r s o n n e l ，e a r n e s t l yh a sn o tc u t o f f t h ep o w e rs 0 1 i l o e , b l i n d l yg o u pt ot h el o c o m o t i v et o pa n dc a l t i e so u ti n s p e c tw o r k , t h ew o r k e rh a sb e e ns h o c kt od e a t hb yt h ee l e c t r i cc a s u a l t i e sm a n yt i m e s i nv i e wo f t h i ss i t u a t i o n , w ed e v e l o p e dt h el o c o m o t i v em a n h o l ec o v e ra l e r ts y s t e ma n d c o m b i n e dw h i te a r t h i n ge q u i p m e n t ，i tc a n 目l 黝t et h ee f f e c t i v ep e r s o n a ls a f e t y p r o t e c t i o n 1 1 璩p a p e ra n a l y z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no f l o c o m o t i v et o pm a i n t e n a n c ea n dt h e c o r r e l a t i o na c c i d e n tc a i , 1 s cf a c t o r , d e s i 印c dar e l i a b l e 、s t a b l es y s t e mw h i c hh a s h i g h - v o l t a g ee x a m i n a t i o n , w a r n i n g , s a f ee a r t h i n gf u n c t i o ni nab o d y t h r o u g ht h e s o f t w a r es y s t e mm a n a g e m e n ta n dc o n t r o l ，h a sr e a l i z e dt h eh i g h - v o l t a g ee x a m i n a t i o n 、 a l e r t , m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lc o n t r o la n ds oo i la n di n t r o d u c e dt h eh a r d w a r e s y s t e m , s o f t w a r es y s t e ma n dt h ea n t i - j a m m i n gd 铭i g ni nd e t a i l 1 1 1 cw h o l es y s t e mm a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o nc o n v e n i e n c ei s s u c c i n c t , t h e s y s t e mi se a s yt o 暇p a n da n dt h er e l i a b i l i t yi sh i g h , h a st h ev e r s a t i l i t ya n dt h ep r o j e c t p r o m o t i o n b e c a u s et h i ss y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e , c a nt r u l ys o l v et h es e c u r i t yp r o b l e m w h i c hi nt h en e g l i g e n c ea n dt h em a n a g e m e n tl o o p h o l eb r i n g s , t h e r e f o r et h e h i g h - v o l t a g ea l e r tc o m b i n e de a r t h i n gs y s t e md e v e l o p m e n th a st h ev e r yb i gr e a l i t ya n d t h ep r o m o t e ds i g n i f i c a n c e a tp r e s e n t , t h ee n t i r ew r a ps y s t e ma l r e a d yi nt h ex i a n g t a n gm e c h a n i c a ls e c t i o n s a f eo p e r a t i o n , e a c hd e s i g nf u n c t i o na n dt h ep e r f o r m a n c ei n d e xa c h i e v e dx i a n g t a n g 武汉理工大学硕士学位论文 s e r v i c e $ 鳅i o ns a f e t yc o n t r o lr e q u e s t , o v e r a l ls y s t e mw o r ks t a b l er e l i a b l e , m a i n t a i n s c o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：s t a g g e r ；, h i g h - v o l t a g ee x a m i n a t i o n ；a l e r t ；m a n - h o l e i l l 第一章绪论 1 1 问题的提出 目前，我国电气化铁路运行的电力机车所使用的电源，是接触网提供的 2 5 k v 单相交流电。在电气化铁路区段运行和整备作业的机车，经常需要作业人 员通过人孔盖登上车顶，对机车进行检查维修工作。通常在上车顶工作前，作业 人员应当按照登顶作业程序，在地面对接触网断电，再打开车顶人孔盖登顶作业。 然而，因作业人员疏忽大意，未认真执行接触网断电的操作程序，在接触网 上仍带电的情况下，就盲目登车顶工作，已多次造成作业人员被电击伤亡的事故。 针对这一情况我们研制了机车车顶人孔盖安全报警联运接地装置，他可为登顶作 业的工作人员提供可靠、有效的人身安全保护，确保登顶作业人员的人身安全。 1 2 论文课题来源 本论文课题来自于武汉理工大学摩擦所与向塘机务段的横向合作项目“车项 人孔盖高压告警联动接地装置”。 1 3 主要研究内容 本文主要研究内容： 车顶人孔盖高压告警联动接地装置总体设计 根据向塘机务段的相关管理控制的要求进行了车顶人孔盖高压检测告警联 运接地装置的总体方案设计，阐述系统的工作原理和功能以及软件的设计方案， 并介绍了机械接地装置。 车顶人孔盖高压告警联动接地装置的硬件控制系统设计 包括了系统中的电气控制系统和计算机控制系统。整个电气控制系统原理， 强电弱电接口及其i o 接口电路设计与实现。这主要包括高压检测环节、频率检 测环节、电机驱动环节、电机电流检测环节、系统决策环节以及告警环节的设计 与实现。在子系统设计部分着重介绍了非接触高压检测的方法以及可靠准确的检 测途径。 车顶人孔盖高压告警联动接地装置的软件设计 介绍了车顶人孔盖高压告警联动接地装置软件的流程和功能，以及软件对硬件 控制的设计，提供方便快捷的人机交互界面。软件部分是系统的决策环节，它根 武汉理工大学硕士学位论文 据有没有检测到高压来决定系统的工作状态、告警方式与种类、人孔盖与联动接 造装置工作与否。 系统的抗干扰设计 介绍了干扰的来源和抑制的方法，提出了系统硬件电路抗干扰的具体措施。 包括硬件和软件的抗干扰设计。在硬件抗干扰措施中，着重讲述了对开关触电抖 动、感性负载引起的干扰以及外界因素引起的干扰的防治。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第二章总体设计方案 2 1 系统的设计任务 按照绪论提出的问题，系统的设计任务如下：设计并制做出一套可靠检测接 触网有无高电压的告警装置和一套受告警装置控制的联运接地装置。当检测到接 触网有高电压存在时，人孔盖电控锁处于原来的闭锁状态，接地装置不升起，高 压检测告警装置发出声光告警，提醒作业人员不可登顶作业；当高压检测告警装 景检测到接触网没有高电压存在时，在发出安全作业告警提示的情况下，打开人 孔盖、升起接地装置，使接触网对地短路( 防止接触网意外情况下出现高电压) 。 作业人员即可登顶机车实施作业任务。该检测装置的的高可靠性和高抗干扰性要 求是在设计时必须考虑的一个重要方面【3 】，因此必须在保证可行性的前提下，在 各种方案中选取最稳定、最可靠的方案。 2 2 系统的结构及组成 2 2 1 系统组成 本安全报警接地装置主要由三大部分组成( 如图2 - 1 ) ：高压检测与告警部分、 电控部分和机械接地装置部分等，下面分别予以介绍说明。 图2 1 2 2 2 高压检测与报警部分 高压检测及报警电路的结构框图如附图2 - 2 ，它由高压检测电路、信号处理 电路、告警、电机及电控锁驱动控制等组成。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 系统功能结构框图 为了提高系统检测的可靠性，高压检测电路采用了冗余设计 4 1 ，系统中有四 路高压检测通道，只有四路检测的状态一致时才表明整个高压检测电路正常工 作。传感器部分由结型场效应管来负责检测，利用其高输入阻抗及电压放大特性 作信号的检拾和放大。单片机读取4 个传感通道输出的信号，如果4 路输出电压 都为低电平，则接触网有高压存在，如果4 路输出电压都为高电平，则接触网没 有高压电存在；如果4 高压检测电路输出互不相同，则说明高压检测通道电路有 敖障，系统会给出相应的告警提示，以便对故障传感器通道进行检修和元件更换。 为保证系统告警的可靠性，在系统的传感通道中添加了相敏及锁相技术，使系 统只对工频5 0h z 左右的高压交流信号作出反应，从而减少错报、误报，以确保 安全，这个任务由锁相环l m 5 6 7 来完成。 2 2 3 灵敏度的调节 由工作原理可知，该高压感应报警控制电路的告警距离与感应天线的面积大 小、传感器的偏值电位有关。除此之外，还与所接近带电体的电压高低和频率大 小直接相关。具体在本高压感应报警控制电路中可通过调整传感器的偏值电位或 高压检测通道电压比较器的参考电压来调整告警距离，以达到调节报警灵敏度的 目的。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 电控部分 电控部分主要有电控锁、电机、终点开关和相关电路等组成。 电控锁负责人孔盖的解锁与闭锁；电机负责提供动力打开与关闭人孔盖并联 动带动接地装置升起与放下；终点开关负责提供接地装置升起与放下2 个极限位 置的信号。 为了防止电机在工作过程中发生堵转致使电机与减速机构的损坏，在系统中 还设计了电机电流检测环节，当电机电流超过某一设定值并超过一定时间，即认 为电机堵转”。电机电流的检测主要由m a x 4 7 2 来完成。图2 3 是m a x 4 7 2 的 引脚功能图及在系统中的应用。 2 4 接地装置 图2 - 3m a x 4 7 2 在系统中的应用 图2 _ 4 接地电流的通路 5 武汉理工大学硕士学位论文 接地装置为登顶作业人员提供最后一道安全防线，以确保他们的人身安全。 如果接触网上仍带电，在告警系统误报、失灵或工作人员疏忽误操作的情况下， 图2 5 只要机车车顶人孔盖打开，这时，与人孔盖联动的接地装置就会升起，强行将接 触网2 5 k v 的交流电通过接地装置与车体上已设计的固定接地点接地，接地电流 的顺序是( 图2 - 4 ) ：接地装置一机车车体一机车轮对一钢轨一变电所一强迫跳闸 一接触网断电，从而使接触网立即断电，以确保登项作业人员的人身安全。从而 有效地消除了作业人员未按作业程序操作断电，高压报警失效引起的安全死角。 图2 5 、2 6 是接地装置升起和放下的3 d 模型图，是一种可靠的菱形升降机构。 6 武汉理工大学硕十学位论文 图2 - 6 7 武汉理工大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 3 1 系统中单片机的选择 一般来说，为了在系统中实现复杂控制与算法，都会在系统中使用用单片 机，在我们这个系统也不例外，目前，单片机的种类繁多，为了提高系统的可靠 性和抗干扰性，我们选择了a t m e l 公司的a v r 单片机。 3 1 1a v r 单片机的主要特性 a v r 单片机具有高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位等特点，这些 重要指标已使a v r 单片机在单片机领域占领市场。 早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因， 所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行 速度慢。以后的c m o s 单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但 这种状态并未被彻底改观( 5 1 以及5 l 兼容) 。此间虽有某些精简指令集单片机 ( r i s c ) 问世，但依然沿袭对时钟分频的作法。 a v r 单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂 指令计算机( c i s c ) 追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单 位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中( 指令集中占大多数的单周期 指令都是如此) ，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指 令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。 a v r 单片机硬件结构采取8 位机与1 6 位机的折中策略，即采用局部寄存器 存堆( 3 2 个寄存器文件) 和单体高速输入输出的方案( 即输入捕获寄存器、输出 比较匹配寄存器及相应控制逻辑) 。提高了指令执行速度( 1 m i p s 删z ) ，克服了瓶 颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构， 降低了成本。故a v r 单片机在软硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了 优化平衡，是高性价比的单片机。 a v r 单片机内嵌高质量的f l a s h 程序存储器，擦写方便，支持i s p 和i a p ， 便于产品的调试、开发、生产、更新，这也是我们选用a v r 的一个主要原因。内 嵌长寿命的e e p r o m 可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的r a m 不 仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并 武汉理工大学硕士学位论文 可像m c s 一5 1 单片机那样扩展外部r a m 。 a v r 单片机的i o 线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入输出、 可设定( 初始) 高阻输入、驱动能力强( 可省去功率驱动器件) 等特性，使的得 i 0 口资源灵活、功能强大、可充分利用。 a v r 单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供u r a t 、1 2 c 、s p i 使用。 其中与8 1 6 位定时器配合的具有多达1 0 位的预分频器，可通过软件设定分频系 数提供多种档次的定时时间。a v r 单片机独有的“以定时器计数器( 单) 双向 计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、 相位可变方波的设计方法( 即脉宽调制输出p w m ) ”更是令人耳目一新。 增强性的高速同异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、 两级接收缓冲、波特率自动调整定位( 接收时) 、屏蔽数据帧等功能，提高了通 信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂 应用，串口功能大大超过m c s 一5 1 9 6 单片机的串口，加之a v r 单片机高速，中断 服务时间短，故可实现高波特率通讯。 面向字节的高速硬件串行接口t w i 、s p i 。t w i 与1 2 c 接口兼容，具备a c k 信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主从机的收发全部 4 种组合的多机通信。s p l 支持主从机等4 种组合的多机通信。 a v r 单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路b o d ， 多个复位源( 自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、b o d 复位) ，可设置的启 动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。 a v r 单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行( 5 - 2 7 v ) ，抗干扰能 力强，可降低一般8 位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。 a v r 单片机技术体现了单片机集多种器件( 包括f l a s h 程序存储器、看门狗、 e e p r o m 、同异步串行口、t w i 、s p i 、a d 模数转换器、定时器计数器等) 和多 种功能( 增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的 中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器计数器、具替换 功能的i o 端口) 于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片 上系统s 0 c ”过渡的发展方向。 总的来说，a v r 单片机博采众长，又具独特技术，现已成为为8 位机中的佼 佼者。 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 单片机系统的复位电路 为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位 电路的第一功能是上电复位，同时它还必需有一定的搞干扰性，一个单片机系 统是否能可靠工作，首先要看系统的复位电路是否能稳定可靠的工作。微机电路 在工作中受到干扰后，容易出现c p u 程序“跑飞”而盲目运行甚至出现死机现象。 此时若复位信号有效，可使微机系统重新恢复正常运行。所以还要监视c p u 的运 行情况，这种监视c p u 运行的电路称为w a t c h d o g 电路。 3 2 1 复位电路的复位功能和种类 第一种：通电复位。 在系统接上电源通电对，相关电路促使复位端产生几毫秒的复位脉冲，使复 位端从5 v o v 延时几毫秒( 或从5 v 一0 v ，看单片机种类) ，从而达到使单片机 复位启动的目的。 第二种：手动复位。 在复位电路上接的有一个有动复位按键，当按键按下时，会产生一个低电平 脉冲送，使系统复位。 第三种：电源下降复位 当电源电电压下降到一定值时，相关电路就在复位端输出低电平脉冲，达到 使单片机复位目的。 一个计算机系统一般会提供两种复位方法，第一种：通电复位。第二种： 手动复位。 3 2 2 常用的复位电路 下面给出一种资料中常介绍的复位电路。图3 一l 为一积分电路，当电源v c c 上电时，因电容c 两端电压不能突变，所以u 。在上电时会有一段时间为低电平， 复位有效。持续一段时间后，复位撤除，微机开始工作。该电路唯一优点是电路 简单，用在一般抗干扰性要求不高的电路中。常将r 、c 的值增大以提高时间常 数，并且应用具有斯密特输入的c m o s 反相器以提高抗干扰性。二极管d 是用来 消除复位电路常常在二次电源开关相对较短的时间间隔情况下出现异常。这主要 是由于放电回路与充电回路相同，导致放电时间常数较大，从而导致u c 电压下 降过度。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 d 图3 - 1 常用的积分复位电路 但它有很多缺点：( 1 ) 由于电路简单且是积分电路，容易引入干扰。( 2 ) 当 c p u 出现死机时，该电路不能引起复位，不具备w a t c h d o g 的功能。 看门狗型复位电路主要利用c p u 正常工作时，c p u 定时复位计数器，使得计 数器的值不超过某一值；当c p u 不能正常工作时，由于计数器不能被复位，因此 其计数会超过某一值，从而产生复位脉冲，使得c p u 恢复正常工作状态。 随着新器件的出现，电路的简化成为可能，而且性能稳定、功能齐全。目前， 微机控制系统中越来越广泛地应用单片u p 监控电路。如m a x i m 公司的 m a x 7 0 7 7 0 8 芯片，使用起来就很方便。所以，为了增强系统复位的可靠性和搞 干扰性，在这里我们采用m a ) ( 7 0 7 7 0 8 做系统的复位电路 3 2 3 由m a x 7 0 6 构成的复位电路 m a xm a x 7 0 6 是美国m a x i m 公司生产的一种带看门狗功能的微处理器复位芯 片，用于监控微控制器和其他逻辑系统的电源电压。它可以在上电、掉电和节电 情况下向微控制器提供复位信号。当电源电压低于预设的门槛电压时，器件会发 出复位信号，直到在一段时间内电源电压又恢复到高于门槛电压为止。 m a x 7 0 6 简化了和减少了器件个数，所构成的电路性能更可靠。m a x 7 0 6 提供 如下四种功能： ( 1 ) 上电、掉电以及降压情况下的复位输出。 ( 2 ) 独立的看门狗输出。如果在1 6 s 内看门狗输入端未被触发，看门狗输 出将变为低电平。 ( 3 ) 1 2 5 v 门限检测器，用于电源故障报警、低电池检测或+ 5 v 以外的电源 的监控。 ( 4 ) 低电平有效的人工复位输出。 武汉理工大学硕士学位论文 a x 7 0 6 在电源电压低于4 4 0 v 的情况下产生复位脉冲，此器件有8 脚的d i p 和s o 两种封装形式，管脚如图3 - 2 。 揪u 巨 创d 臣 阳厅 一 朋月朋 m a x 7 0 5 m a x 7 0 6 m a x 8 1 3 1 剑丽 , - 1 r 。c 。1 s e r ( r 芷s e o 习w o l 订丽 图3 - 2m a x 7 0 6 引脚图 引脚1 ：躲，手动复位输入。当躲输入信号低于0 8 v 时，产生复位脉冲 信号输出。当妇输入低电平时，会有2 5 0 u a 的内部拉出电流，该拉出电流可以 驱动连接在躲端的订l 或c m o s 逻辑门，也可以由开关短路到地。一般在趿 输入的手动复位信号是由开关或逻辑门产生，这时，手动开关应接到地，或逻辑 门应输出低电平。所以，姒x 7 0 7 7 0 8 的内部拉出电流会作为外部逻辑门的灌入 电流，或开关短路到地的电流。 引脚2 ：v c c ，+ s v 电源。 引脚3 ：g n d ，信号地。 引脚4 ：p f i ，电源电压下降监视输入端。当p f i 端输入低于1 2 5 v 时，就会 使p f o 端输出低电平。如果p f i 端不用时，把其接到g n d 或v c c 端。 引脚5 ：p f o ，电源电压下降监视输出端。当p f i 端输入低于1 2 5 v 时，会 使p f o 端输出低电平，同时接收灌入电流，其他状态p f o 输出高电平。 引脚6 ：空脚，无用。 引脚7 ：r e s e t ，低电平复位输出脉冲端，脉冲宽度为2 0 0 m s 。如果电源v c c 低于复位门槛4 6 5 v 时，则保持输出低电平而不是脉冲。要注意，m a x 7 0 7 的复 位门槛为4 6 5 v ，但m a x 7 0 8 的复位门槛为4 4 0 v ，两者有所不同。在接通电源 v c c 时，由于v c c 从0 5 v ，故会产生2 0 0 m s 的复位脉冲输出。在帜有低电平脉 冲输入时也会产生2 0 0 m s 复位脉冲输出。 引脚8 ：r e s e t ，高电平复位输出脉冲端。这个信号是r e s e t 的反相信号， 由r e s e t 通过一个内部的反相器产生。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 3 是一种以m a x 7 0 6 为核心的复位电路。这个复位电路具有上电掉电及 降压复位功能和看门狗功能。 图3 - 3m a x 7 0 6 在系统中的应用 上电掉电复位功能由芯片本身提供，而看门狗功能则由该电路保证。单片机 的程序稳定性和运行的安全性是设计者在不同的运行环境中所必须考虑的问题， 而最易遇到的问题是受干扰使c p u 进入死循环，这时硬件看门狗来重启c p u ，使 程序恢复正常运行。在程序执行中，保证在1 6 s 内由单片机发出一负脉冲，在 正常运行时，r e s e t 信号不会有变化。如果程序跳飞盲目运行，那么i 6 s 内没 有负脉冲，r e s e t 信号有效。 以m a x 7 0 6 为核心的复位电路能能使系统较可靠的工作，加强系统在强干扰 环境中工作的能力。 武汉理工大学顼上学位论文 3 3 直流电动机的驱动 为了驱动接地装置升起与放下并联动打开与关闭人孔盖，就必需驱动电机正 反转来作动，常用的直流电机的正反转控制电路是h 型桥式电机驱动电路。 3 3 1h 桥式电机驱动电路 直流电机的正反转控制，一般都是通过h 桥电路或类似的电路的驱动来实现 的，h 桥驱动电路的原理如下： lj r 【d l 】c 飘。 ：、1 i l 一 k ：户 j 靼| 0 80 4 j l 娩 t1 图l 图3 4h 桥式电机驱动电路 图3 5 中所示为一个典型的赢流电机控制电路。电路得名于“h 桥式驱动电 路”是因为它的形状酷似字母h ，4 个三极管组成h 的4 条垂直腿，而电机就是 h 中的横杠。 + ， + 图3 5 由晶体管构成的h 桥电路 如图所示，h 桥式电机驱动电路包括4 个三极管和一个电机。要使电机运转， 必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从 左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图3 - 6 所示， 当q l 管和q 4 管导通时，电流就从电源正极经q l 从左至右穿过电机，然后再 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 经q 4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转 动。 图3 - 6 h 桥电路驱动电机顺时针转动图3 7 h 桥电路驱动电机逆时针转动 当三极管q l 和q 4 导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特 定方向转动( 电机周围的箭头指示为顺时针方向) 。 图3 - 7 所示为另一对三极管q 2 和q 3 导通的情况，电流将从右至左流过电 机。当三极管q 2 和q 3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另 一方向转动( 电机周围的箭头表示为逆时针方向) 。 3 3 2 使能控制和方向逻辑 图3 8 具有使能控制和方向逻辑的h 桥电路 驱动电机时，保证h 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三 极管q l 和q 2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此 时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大 值( 该电流仅受电源性能限制) ，甚至烧坏三极管1 。 武汉理工大学硕士学位论文 基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开 关。 图3 - 8 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本h 桥电路的基础上增加 了4 个与门和2 个非门。4 个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一 个信号就能控制整个电路的开关。而2 个非门通过提供一种方向输人，可以保证 任何时候在h 桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。( 图3 - 8 所示也不是一个 完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。) 采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个 使能信号。如果d i r l 信号为0 ，d i r r 信号为1 ，并且使能信号是l ，那么三 极管q 1 和q 4 导通，电流从左至右流经电机；如果d i r l 信号变为1 ，而d i r r 信号变为0 ，那么q 2 和q 3 将导通，电流则反向流过电机。 3 3 3 专用直流电机驱动集成电路 实际使用的时候，用分立件制作h 桥式驱动电路是很麻烦的，一方面不太可 靠，元件多，造成电路板面积变大，另一方面，如果控制电机正反转的信号同时 出现，就会导致短路的发生。 由于直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点，至今仍然是大 多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择4 。为适应小型直流电动 机的使用需要，各国半导体厂商纷纷推出了大量的直流电动机控制专用集成电 路。这些专用的集成电路其实就是封装好的h 桥集成电路，接上电源、电机和控 制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的 t a 8 0 5 0 、l 2 9 3 d 、t a 7 2 5 7 p 、s n 7 5 4 4 1 0 等。 其中t a 8 0 5 0 集成电路是为直流电动机控制而专门设计的，利用它们可以构 成基于微处理器控制的直流电机伺服系统，并具有快速、精确、高效、低功耗等 特点，可方便地与微机直接交互。 3 3 4 直流电机驱动芯片t a 8 0 5 0 的特点及功能 t a 8 0 5 0 是t o s h i b a 公司专为控制和驱动电机设计的单通道推挽式功率放 大专用的集成电路器件“”，是一种7 脚h s i p 封装的集成电路( 如图3 9 ) ，其 将分立电路集成在单片i c 之中，并集成了芯片温度检测和管脚电流检测环节， 使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个t t l c m o s 兼容电平的 输入，具有良好的抗干扰性；数字逻辑控制器可接受微处理器发来的二进制码， 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 由它产生双极性的输出电流。两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有 较大的电流驱动能力，每通道能通过驱动的持续电流可高达l 。5 a ；同时它具有 较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，工作 温度范围宽广，宽达4 0 1 1 0 多摄氏度，使它在驱动继电器、直流电机、步进电 机或开关功率管的使用上安全可靠t a 8 0 5 0 现已被广泛应用于电机驱动、步 进电机驱动和开关功率管等电路上，控制方式灵活强大，它支持电机的正转、 反转、停止和刹车等几项功能。 图3 - 9t a 8 0 5 0 及封装 阱 睢 - 【l湘ne - jh 虹 图3 1 0t a 8 0 5 0 的内部结构图 芯片t a 8 0 5 0 的主要特点如下： 低静态工作电流； 宽电源电压范围：2 5 v 3 0 v ； 较低的饱和压降； 1 圮m o s 输出电平兼容，可直接连c p u ； 输出内置钳位二极管，适用于感性负载； 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 控制和驱动集成于单片i c 之中； 具备管脚高压保护功能； 集成温度过高保护功能； 工作温度：枷1 1 0 。 管脚定义如下： 引脚l 和2 ：控制信号输入端 引脚4 ：电源地 引脚3 和5 ：电机控制信号输出端 引脚6 ：空 引脚7 ：电源电压 2 3 4t a 8 0 5 0 在系统中的应用 t a 8 0 5 0 的应用相当简单，只要电路接线无误，系统便能正常工作，由于t a 8 0 5 0 采用的是单一电源供电，而且带的是感性负载，为了提高系统的抗干扰性，还必 需在数字控制信号前端加上光电隔离把数字系统和模拟及系统隔离开来。 机 图3 - 11t a b 0 5 0 在系统中的应用 3 4 电机电流的检测 为了监视电机的运行状况，还需要对电机的电流进行检测。如果电机在工作 中发生堵转，常会造成驱动电路烧毁、电机的烧毁和减速机构的损坏，并造成 严重后果。为了防止电机在工作中发生堵转，就有必要检测有否有堵转发生m ，。 堵转检测是通过检测电机工作时的电流来实现的，当电机的工作电流高于一定值 并超过一定时间，即认为电机堵转。 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 1 常用的电流检测方法 ( 1 ) 回路串入分流电阻法 以前通用的电机电流的检测方法是：在电机回路中加入一个标准电阻，靠检 测标准电阻上的分压来实现的( 检测原理如图3 - 1 2 ) ，采用这种方法，实现起 来比较简单方便。 图3 1 2 ( 2 ) 利用霍尔电流传感器法 以往检测电流的常用器件有分流器和电流互感器，分流器的最大问题是输 入和输出之间没有电隔离，而电流互感器不便于传递直流“”。 霍尔电流传感器是利用片状半导体器件的霍尔效应将线路中的电流产生的 磁场转化为霍尔电势，将该电势放大后输入传感器的补偿线圈，并达到补偿线圈 和主磁场之间的平衡，此时补偿线圈中的补偿电流和主线路中的电流产生了一个 比例关系“”。取出这个电流值即可作为霍尔电流传感器的输出。 霍尔电流传感器的接线方法如图3 1 3 所示，它需外接1 2 v 稳压直流电源， m 端外接取样电阻。被测电流输入时的不同接法可以形成不同的匝数比，这样可 适于具体电路的不同要求。但霍尔电流传感器的体积一般比较大。 图3 - 1 3 传感器接线图图3 - 1 4 传感器实物图 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 2 电流电压转换芯片m a x 4 7 2 m a x 4 7 1 在系统中应用 出于综合考虑，在我们这个系统中，我们用电流电压转换芯片i l i a x 4 7 2 来实 现电机电流的检测，其克服了一般常规方法的缺点，实现了电流的高精度测量， 而且电路简单可靠，大大缩小了系统的体积。 m a x 4 7 1 m a x 4 7 2 是美国m a x i m 公司生产的双向、精密电流传感放大器。 m a x 4 7 1 内置3 5 m q 精密传感电阻，可测量电流的上下限为3 a 。对于允许较大电 流的场合，则可选用m a x 4 7 2 。在这种情况下，用户可根据自己的需要配置外接 的传感电阻与增益电阻。m a x 4 7 1 m a x 4 7 2 都可通过一个输出电阻将电流输出转 化为对地电压输出。 m a x 4 7 1 m a x 4 7 2 所需的供电电压v b r v c c 为3 3 6 v ，所能跟踪的电流的变 化频率可达到1 3 0 1 d l z 。二者均采用8 脚封装。 m a x 4 7 1 m a x 4 7 2 可广泛应用于电流供电系统、便携式设备、监控系统及 能源管理系统等。 ( 1 ) m a ) ( 4 7 2 的工作原理及引脚说明 m “7 1 引脚图如图3 1 5 所示 m a x 4 7 2 引脚图如图 图3 - 1 6m a x 4 7 2 封装与引脚图 各引脚功能说明如下： s h d n 为关闭信号，正常操作时接地：当它为高电平时，供电电流小于5 肛a 。 r s + 为内传感电阻的电源端。 n c 表示无内部连接。 一固团团圈一 蛾 孙邛| 鼍l 孙 = ；。习叫目蝎颥于妾爿丑蝥嵇 武汉理工大学硕士学位论文 r g l 为增益电阻的连接端，增益电阻r g l 连接到传感电阻的电源端。 q d 为地端或电源负端。 s i g n 为集电极开路逻辑输出。对于m a x 4 7 l ，s i g n 为低电平表示电流由 r s 流向r s + ；对于m “7 2 ，s i g n 为低电平表示v s e m e ( 传感电阻两端的电 压) 为负。当s i g n 为高电平时，s i g n 呈高阻状态。 r s 为内传感电阻的负载端。 r g2 为增益电阻的连接端，增益电阻r g2 连接到传感电阻的负载端。 v c c 为i v i a x 4 7 2 的正电源连接端。连接传感电阻与增益电阻。 o l r r 为电流输出端，该电流的大小正比于流过传感电阻的电流。 ( 2 ) m a x 4 7 2 的工作原理 图3 1 7m a x4 7 1 的内部功能框图 m a x 4 7 1 的功能框图如图3 1 7 所示 m a x 4 7 2 的功能框图如图3 - 1 8 所示。 图3 - 1 8m a x 4 7 2 的内部功能框图 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 m a x 4 7 2 的工作原理如图3 1 8 所示。方框内的部分是该芯片的内部结构， 其中a 1 和a 2 两个运算放大器，构成差动输入，这样可以增强抗干扰能力，提 高小电流信号的测量准确度；q l 和q 2 是两个三极管；c o m p 是一比较器；r s c n c c 是电流采样电阻，采用热稳定性好、漂移小的。 m a x 4 7 1 和m a x 4 7 2 电流传感放大器的独特布局大大简化了电流监控的设计。 a x 4 7 1 m a x 4 7 2 包含两个放大器。传感电流i s e n s e 通过传感电阻r s e n s e 从 r s + 流向r s 一( 反之亦然) 。输出电流i o u t 流过r 6 1 和q 1 还是r g 2 和q 2 取决于 传感电阻中电流的方向。内部电路( 图中没有画出来) 不允许q 1 和q 2 同时打开。 g a x 4 7 2 除了传感电阻r s e n s e 、增益电阻r g l 和r g 2 外置外，其它用法和m a ) ( 4 7 1 是一样的。 若传感电流i s e n s e 从r s + 经精密传感电阻r s e n s e 流向r s 一，输出端o u t 通 过输出电阻r o u t 接地( g n d ) 。此时，q 2 断开，放大器a 1 工作，输出电流l o u t 从q l 的发射极流出。由于没有电流流过r g 2 ，a 1 的反向输入端的电位就等于 r s e n s e 和r g 2 交点的电位；因a 1 的开环增益很大，其正向输入端与反向输入端 基本上保持同一电位。所以，a 1 的正向输入端的电位也近似等于r s e n s e 和r g 2 交点的电位。因此，传感电流i s e n s e 流过r s e n s e 所产生的压降就等于输出电流 l o u t 流过r g l 所产生的压降，即 ，雌x 冠6l = ，一x 开一 ，。；( ，x r 一) r c l 矿罐= ( j 嘲x r _ ) = ( ，一矗。x 曰- ) r c l 同理，若传感电流i s e n s e 从r s 一经传感电阻r s n s e 流向r s + ，则可得 l ，。= ( ，。骨一x 胃_ ) r f f 2 综合上述两种情况，可得k 4 x 4 7 1 m a x 4 7 2 输出电压方程 矿哪= ( ，一x 群。瞳x 异_ ) r e 其中y o u t 一期望的实际输出电压 i s e n s e 所传感的实际电流 r s e n s e 一精密传感电阻 武汉理工大学硕士学位论文 r o u t 输出调压电阻 r 卜增益电阻( r g = r g i = r g 2 ) 对于m a x 4 7 1 ，所设定的电流增益为：r s e n s e r g = 5 0 0 x ，v o u t = 5 0 0 xx i s e n s e xr o u t 。 当输出电阻r o u t 2 ko 时，在传感电流i s e n s e 允许变化范围( - - 3 a i