智能化驱动电机控制器的研制

1、智能化驱动电机控制器的研制崔宝军唐山机车车辆厂摘要：为保证驱动电机工作的可靠性，研制了一种基于单片机的智能化驱动电机控制器。该控制器以单片机AT89C51为核心，通过相应的传感器对驱动电机的工作电压、三相电流以及影响驱动设备的相关参数进行巡回检测，实现对驱动电机及驱动设备工作状态的监视，并可在出现故障时自动切断驱动电机的电源对驱动电机及驱动设备进行保护。该控制器还可将出现故障时的工作电压、三相电流值以及各种参数值保存下来，作为日后故障诊断及故障排除的依据。关键词：驱动电机 控制器 单片机 看门狗 监视Research of the Intellectualized Drive Electric

2、 Motor ControllerCui Bao JunAbstract：Be to swear to have driven electric motor job reliability , to have developed one kind of monolithic machine-based intellectualized drive electric motor controller. That controller is centering on monolithic machine AT89C51 , comes true to the surveillance drivin

3、g an electric motor and driving equipment duty, may break the power source driving an electric motor up voluntarily during the period of the malfunction appears carrying out protection on to driving an electric motor and to driving equipment together by the fact that the corresponding sensor carries

4、 out data logging on the parameter driving electric motor operating voltage, three-phase electric current and affecting the relevance driving equipment. Various parameters value such as operating voltage , three-phase electric current value that a controller when may malfunction appear on general pr

5、eserves down , the malfunction diagnose and the malfunction remove action in the futureKeywords：drive an electric motor controller monolithic machine dog acting as doorkeeper place under surveillance1 引言这里的驱动电机指三相交流电机。驱动电机在工农业设备和铁路机车特别是电力机车上占有相当的地位。它的可靠运行对工农业生产及安全和铁路行车安全有很大的影响。为保证驱动电机及其驱动设备能在正常的工作状态

6、下工作，防止驱动电机及其驱动设备在工作出现异常时发生重大事故，应该对驱动电机及其驱动设备的工作状态进行实时监控，这一功能需要通过驱动电机控制器来实现。为此，我们研制了一种基于单片机的智能化驱动电机控制器。此控制器也同样适用于各行业驱动电机的控制，只需更改程序中的一些参数。 2 硬件组成原理驱动电机控制器通过对电机驱动过程中的工作电压、三相工作电流等工作状态参数进行实时监测，实现保护设备、防止发生重大事故的目的。控制器由单片机系统、电压电流巡回检测的前向通道以及实现故障保护控制的后向通道组成，如图1所示（其它参数监控的硬件部分与之相似，仅传感部分不同）。图1 驱动电机控制器的硬件组成2.1 前向

7、通道前向通道的作用是对驱动电机的工作电压及三相电流进行检测，并将检测结果转换成可由A/D转换器进行模/数转换的直流模拟电压信号。前向通道由四个彼此独立、分别用来检测工作电压和三相电流的支路组成。图2所示为电流检测支路的原理示意图（电压检测支路与之相似，仅传感部分不同）。图2 前向通道中的电流检测支路被测电流（驱动电机的某相工作电流）经电流互感器按一定的比例（例如2005）转换成小电流i输入到支路中。由于运算放大器A1的输入阻抗极高，因此作用在其同相输入端上的交流电压u=i×R0将正比于被测电流。该电压经由A1组成的同相比例放大电路放大、A2组成的精密半波整流电路整流、R和C组成的低通

8、滤波网络滤波后，转换成与被测电流成比例的直流电压，送至ADC进行模/数转换，最终由单片机得到该相电流值。为保证测量转换的精度，设计中选用了高精度和高稳定性的转换电阻R0；选用了运算放大器和二极管组成的精密半波整流电路；选取了较大的低通滤波时间常数，以保证低通滤波后的纹波能与ADC的分辨率和转换精度相适应。2.2 单片机系统控制器的单片机系统主要用来完成驱动电机的工作电压、电流检测结果的A/D转换，根据得到的检测结果判断驱动电机的工作状态是否正常。此外，还可通过人机对话键盘/显示器进行参数的上下限设定、工作状态参数的显示与存储、故障保护及报警、故障参数的远程串行通信等。控制器的单片机系统以ATM

9、EL公司的8位单片机AT89C51为核心，根据控制器功能的需要进行了相应的扩展。图3为单片机系统的组成结构框图。图3 单片机系统A/D转换芯片ADC0809为8位8通道ADC，用来进行电压、电流检测结果的A/D转换，其转换时间为128 µs，可以保证约1 V/1 A的电压/电流分辨率和转换精度。一般情况下，由于AT89C51片内带有4 kB的 Flash ROM 和256B的RAM，系统不需要扩展存储器，但本控制器为了实时存储发生故障时的工作参数并保证断电后不丢失数据，因此扩展了能在线改写并能在断电时保存数据的E2PROM芯片NMC9346。把四个发光二极管接在P1的4根口

10、线上，分别用来指示驱动电机“过载”、“欠载”、“短路”、“无故障”等4种工作状态。考虑驱动电机距中心控制室较远的情况，扩展了基于MAX202的串行通信接口电路，通过无线电台实现数据的远距离传输（根据控制要求可选）。进一步考虑干扰较强的情况，为保证系统的可靠工作，控制器的机箱采取了屏蔽措施，同时为单片机系统配置了基于高速串行计数分频器CD4060BE的看门狗监视电路。当系统由于外界干扰等因素出现紊乱时，CD4060BE的Q14引脚产生一个高电平信号使系统在大约3分钟后复位，恢复控制器的正常工作。2.3 后向通道后向通道由继电器保护控制电路组成，通过单片机对继电器进行控制来实现对驱动电机的保护。本

11、控制器采用了如图4所示的晶体管直流负载功率驱动电路，控制信号来自单片机的P1.4。当控制信号为低电平时，晶体管T1截止、T2导通，直流继电器KD的励磁线圈上电，三相电源与控制电机接通；当控制信号为高电平时，晶体管T1导通、T2截止，KD的励磁线圈无电流通过，三相电源与控制电机被切断。正常工作时，单片机的P1.4为低电平；一旦出现故障，单片机将P1.4置为高电平，切断驱动电机的电源，从而实现了对驱动电机及驱动设备的保护。为保证晶体管在关断瞬间不被反向击穿，在励磁线圈上并联了一个续流二极管。图4 继电器保护控制电路3 单片机应用程序控制器的单片机应用程序按模块化程序设计思想进行设计，包括了主程序模

12、块、4个功能模块及若干个多次被调用的子程序，框图如图5所示。设计前，对RAM，ROM及I/O等进行了合理的规划。整个程序可读性好，便于调试、后续程序功能扩展以及用户的操作。图5 单片机应用程序框图1）主程序模块。主要用来进行单片机系统的初始化。初始化的内容包括堆栈设置、定时/计数器工作方式及定时时间常数设置、中断设置、8279显示方式设置及显示RAM清除等。初始化结束后，在LED显示器上显示系统工作提示符“P.”，等待键盘输入，根据键入将程序散转到不同的功能模块。2）设定上、下限模块。根据驱动设备现场的具体情况，对驱动电机正常工作时的上、下限电流值进行设定，在工作模块中根据这些设定值判断驱动电

13、机及驱动设备的工作状态是否正常。设定时首先显示旧设定值，最后将键入的新设定值保存到NMC9346中。3）工作模块。对ADC0809的四路模拟输入通道上输入的电压、A相电流、B相电流、C相电流信号进行巡回A/D转换，得到驱动电机的工作电压及三相电流值，根据它们以及相应的设定值对驱动电机及驱动设备的工作状态进行实时监视。为减小脉冲干扰及其他随机干扰的影响，程序中使用了防脉冲干扰数字滤波，每次检测时通过“连续采集10次剔除最大值和最小值取算术平均”得到A/D转换结果，再通过标度变换得到本次的检测结果。将得到的检测结果显示在数码显示器上，并与相应的设定值进行比较，判断驱动电机及驱动设备的工作状态是否正

14、常。为实现工作状态的判断，程序中用一个存储单元的5位作为四个工作参数的故障标志位和疑故障标志位。若驱动电机工作正常，则将故障标志位和相应的疑故障标志位置0，熄灭相应的工作状态指示灯，进行下一路检测。当检测结果超出设定值范围时，由于可能为瞬时干扰所致，因此首先将疑故障标志位置1，若下一次该路的检测结果仍然超出设定值范围，才表示真正出现了故障，程序使故障标志位置1。四路信号都检测完后，根据故障标志位判断驱动电机的工作是否正常。若故障标志位为0，表示工作正常，控制器继续工作；若故障标志位为1，则表示出现了故障，程序使P1.4置1，通过继电器保护控制电路使继电器动作，切断驱动电机的电源，根据检测结果判

15、断是何种故障点亮相应的指示灯进行示警，并将出现故障时的4个参数值保存到NMC9346中。正常状态下，控制器循环地显示当前的四个工作参数值，以便于操作者对驱动电机工作状态进行人工监视。4）查看故障参数模块。驱动电机及驱动设备出现故障后，执行此模块可以将发生故障时的四个工作参数值从NMC9346中调出并加以显示，以便分析故障原因。5）串行通信模块。通过AT89C51的串行通信口和MAX202接口电路，利用无线电台将工作参数等发送到远程中心控制室或机车司机室。6）其它子程序。包括延时子程序、显示8位数据子程序、清除显示RAM子程序、读键盘键入的键值子程序、写NMC9346子程序、读NMC9346子程序等。4 结束语本文介绍的基于单片机的智能化驱动电机控制器，通过对驱动电机及其驱动设备工作过程中驱动电机的工作电压、三相工作电流和驱动设备各参数进行巡回检测，实现了驱动电机及其驱动设备工作状态的自动监视和故障保护。控制器具有性能稳定、功能齐全、可靠性高、可维护性强、应用灵活、操作方便等特点，其设计成功与使