专利名称：电动轮自卸车电脑测控仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种工业自动化控制领域的电动轮自卸车电脑测控仪，用于矿用108吨电动轮自卸车。
矿用108吨自卸车的基本运行原理为用一台柴油发动机带动一台交流发电机，将发电机发出的三相交流电经桥式整流变为直流，将直流电送自卸车的两后轮轮电机，自卸车的两后轮为两台直流电动机，直流电动机将电能转换为机械能，通过太阳齿轮、行星齿轮等机械传动，使左右后轮转动，带动整车行走、运行。108吨自卸车的电气系统由一台同步发电机、两台直流串激电动机、一台中频充电励磁辅助发电机。一个电气柜、一个整流柜和两箱制动电阻、一套司机室电气仪表装置及散装在车上的各种传感器、控制电磁阀、照明灯和蓄电池等装置组成。系统运行时，柴油机带动同步发电机，发出三相交流电，通过桥式整流，变成直流电，向直流串激电动机供电，以驱动车轮运转。通过调节发电机的励磁，可以控制车速和牵引力的大小。同步发电机的励磁由中频励磁辅助发电机发出的三相交流电经桥式整流后提供。而中频励磁机的励磁由励磁系统来控制。在108吨自卸车进行减速制动时，左、右轮电机，即两台直流串激电动机变成他激发电机，其电枢与制动电阻联接，车轮带动他激发电机旋转，发出电流通过电阻消耗能量，电机内产生与旋转方向相反的力矩，即为制动力，阻碍车轮旋转，就是所谓电阻制动。控制他激磁电流的大小，可控制制动力的大小。激磁电流由处于中速运转(与柴同机高怠速1400转/分钟相同)的同步发电机供电，其电流的大小由励磁系统来控制。励磁系统的职能在于控制中频励磁机的磁场，从而控制同步发电机的磁场，使自卸车获得理想的牵引和制动特性。由此可见，励磁系统是整个自卸车的运行中枢，励磁系统的功能、可靠性、精确度等是决定整车运行状况好坏及故障率高低的关键。励磁系统的基本原理是通过磁场开关调整励磁机磁场电流的大小，而磁场开关实际上是个大功率晶体管，利用脉宽调制(PWM)的方波脉冲控制大功率晶全管交替地导通和截止，改变导通时间和截止时间的比率，就可以调整励磁机磁场内的平均电流，从而达到控制发电机磁场电流的目的。脉宽调制的方波脉冲是由牵引或制动工况、主电路电压、电流、轮电机电流、车速及柴油机转速等一系列信号经综合处理后产生并决定其脉冲宽度。过去由于电子技术滞后，国产第一代电动轮自卸车的励磁控制系统采用磁放大器制作，体积庞大、构造繁复、调节困难。随着电子技术的发展，以集成运放为主体的第二代励磁控制系统有了长足的进步，第二代励磁控制系统安装在电动轮自卸车的电控柜内，称为励磁屏，它由14块大的各自独立的线路板组成，即1#信号接口板、2#牵引基准板、3#制动基准板、4#负荷控制板、5#制动电位器板、6#整形稳定板、7#励磁调节板、8#脉宽调制板、9#波形变换板、10#速度继电器板、11#逆变电源板、12#±15V板、13#试验板、14#调整板，这些线路板以插板的形式互相平行插在同一底盘上。做为整体的控制系统，结构过于松散，且不具备密封和抗震的环境要求，各块插板与外部信号要通过底盘后面的插接件联接，插接件过多，抗干扰性能较差，而且现场维护很不方便。由于电动轮自卸车的运行环境条件比较恶劣，颠簸较大，所以现有的第一代第二代励磁屏控制系统都有分立元件多、可靠性差、精确度较低、故障率高等缺点。
本实用新型的目的在于提供一种以单片机为主体的，功能更加完善、运行可靠、稳定性强、控制精确、更具灵活性的电动轮自卸车电脑励磁测控系统，适用于国产108吨电动轮自卸车。
实现本实用新型的技术方案是电脑励磁测控系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件由电脑板、电源板、驱动板、显示板构成。电脑板采用美国英特尔公司的8098芯片为中央处理器，采用压频转换器为模一数转换电路，用光电隔离将单片机基本外围电路与外围接口电路完全隔离，单片机用隔离的+5V单独供电，以防外部干扰。其基本输入信号共八路，包括五路模拟信号发电机主回路电压信号、发电机主回路电流信号、左轮电动机电流信号、右轮电动机电流信号、制动量信号；三路开关信号牵引信号、制动信号、励磁接触器信号；三路转速信号发动机转速信号、左轮转速信号、右轮转速信号。基本输出信号总共六路，包括励磁输出信号及五路继电器输出信号防误反向继电器、紧急转向泵继电器、弱磁继电器、牵引切除继电器、自动减速继电器。电源板为自行开发，专为电脑励磁控制系统设计的一路输入三路输出的开关电源。输入直流电压15-70V，输出直流电压±15V及+5V。其中输入电压由车上充电发电机经调压器后提供。输出电压送电脑板及外部一些器件使用。+5V供给单片基本电路，±15V供给外围接口电路。该电源采用国际最新开关电源集成电路做为主芯片，构造精巧，功能稳定，体积只有原电源的六分之一。驱动板接收电脑板的励磁信号，将此信号进行功率放大，做为励磁机的励磁。该电路采用复合二极管放大电路，并带有过载保护电路，以防电流过大产生不良影响。显示板产生各输入输出信号的模拟显示，由电脑板将信号处理后送入该板，通过发光二极管光的强弱或发光路数的多少来判断各种故障和运行状态。电脑励磁控制系统的全部软件采用单片机专用高级语言--由美国英特尔公司推出的PLM语言编写，用计算机和仿真器联合调试，语句共2000余条。软件由牵引模块、制动模块、励磁输出模块、继电器输出模块等部分组成。其中，牵引模块产生发动机、发电机与电动机之间的关系特性曲线，使电动轮自卸车安全、可靠、稳定、高效的运行。制动模块产生电动机的特性曲线，在制动时，电动机转予电枢与制动电阻联接而变为发电机，直流串激电动机变成它激发电机，车轮带动它激发电机旋转，制动力的大小受电脑给出的励磁信号控制，励磁信号由该模块产生。显示模块为显示板提供各种显示信号，以便工作人员可以对车况进行跟踪检测，为排除各种故障提供方便。比如转速，由CPU接收后，将频率信号转换为脉宽调制信号，并分不同的速度段加以修正，这样经驱动后送给发光二极管，可根据发光二极管的发光个数判断速度，直观准确。励磁输出模块综合外部各输入信号及其它模块软件的运算结果，加以分析后产生最终的励磁输出信号。继电器输出模块经检测、运算、分析后，产生继电器输出信号，这些信号经放大后驱动外部继电器。电脑励磁控制系统对十一种输出信号的检测、采样，经过外围电路及单片机的运算处理产生脉宽调制的(PWM)励磁输出信号及五种继电器信号，以达到以下七种功能1.自动控制励磁发电机功率，以使发电机的功率与发动机的功率相匹配。
2.采用过流过压保护，以保证电机与电器系统的安全运行。
3.具有恒速控制，可以自动控制电动轮自卸车的下坡速度。
4.对两轮电机转子的转速进行检测，以避免转子飞转造成损坏。
5.在制动工况时，可自动限制制动电流的大小，以避免损坏电机。
6.保证原车各项性能不变，微机控制系统与原来的插板兼容，即可互为备份。
7、具有故障查找程序，可自动进行故障查找。
本实用新型设计的电动轮自卸车电脑测控仪已由申请人制成产品，安装在湖南湘潭电机厂生产的十四台SF108吨电动轮自卸车上，其中在包头钢铁公司白云鄂博铁矿运行十二台，最长的运行时间已有一年。在鞍钢矿山公司大孤山铁矿运行两台，已运行两个半月。两矿的运行报告一致认为运行效果良好，达到设计要求，故障率大幅度下降，大大降低了维护成本，使整车的生产效率有较大的提高。实践证明，本实用新型设计的电动轮自卸车电脑测控仪同第一代磁放大器式励磁控制系统以及第二代以集成运放为主的励磁控制系统相比，具有以下几大优点1.整个系统电器部件少，线路简单，电器故障率下降，运行可靠性高。
2.由电脑软件进行恒功率调节，易于根据每台车的不同功率特性进行调节，精度高，调试方便，以“软”代“硬”，调整时硬件系统不动，便于生产第一线使用。
3.输入输出部分光电隔离技术，中央处理系统与外接口系统采用双地技术，整个系统的抗干扰能力强，整车运行可靠性提高。
4.软件编制采用PLM语言简单易学、易编、易修改。
5.软件系统采用数字滤波，自复位等先进技术，提高系统运行可靠性。
6.双路独立接地开关电源，体积小、重量轻、过载能力强。
以下结合附图对本实用新型的实施方案做进一步的描述。
图1是本实用新型实施方案的硬件总框图。
图2是本实用新型实施方案的电脑板原理框图。
图3是本实用新型实施方案的软件总流程图。
图4是本实用新型实施方案的显示板板面示意图。
参照图1电动轮自卸车测控仪的硬件部分由电脑板(1)、电源板(2)、驱动板(3)和显示板(4)组成。自卸车上的充电发电机发出的+28V供电电源(16)输入到电源板(2)，输出±15v电源(7)和+5v电源(8)到电脑板(1)做为电脑板(1)及整个硬件系统的工作电源。电脑板(1)的输入信号有三个、速度传感器(5)输入的三路转速信号(14)、制动量输入信号(12)、三路开关量(励磁、牵引、制动)输入信号(13)和一路电压、三路电流的模拟量输入信号(10)。模拟量输入信号(10)是三路分流器电流(主回路电流、左轮电流、右轮电流)输出(18)和一路分压器电压(主回路电压)输出(19)，输入到隔离放大器(6)(一个电压隔离放大器，三个电流隔离放大器)，经隔离放大输出到电脑板(1)的。电脑板利用软件对这些输入信号进行综合运算处理，判断运行工况，通过励磁信号(PWM)输出(9)和五路继电器信号输出(11)对运行工况进行控制和调整。其中励磁信号(PWM)输出(9)在驱动板(3)经复合三极管功放后直接输出中频励磁机(20)的励磁电流(7)。五路继电器信号输出(11)控制防误反向、自动制动、牵引切除、弱磁、紧急转向泵等运行工况控制。同时，电脑板输出20路显示信号(15)到显示板(4)，在显示板(4)上通过发光二极管进行显示，以供对运行工况和电脑运行状态进行监视、观察。电脑板(1)的原理框图见图2，其中的中央处理系统为包括8098、6264、27256、74LS138、741S373等芯片的CPU系统(21)。五路模拟量输入(10)(12)(主电压、主电流、左轮电流、右轮电流、制动量)的输入通道为经模拟运放电路(22)(LM124)、压频转换电路(23)(AD650)、光电隔离电路(31)、计数器(24)(8253)输入到CPU系统(21)。三路转速信号(14)(发动机转速、左轮转速、右轮转速)的输入通道为经滤波整形电路(25)(电阻、电容、钳位二板管)、比较放大电路(26)(LM4124)、光电隔离电路(31)、缓冲电路(27)(74LS14)输入到CPU系统(21)。三路开关量输入信号(13)(励磁、牵引、制动)的输入通道为经光电隔离电路(31)、并行接口(28)(8255)输入到CP)U系统(21)。五路继电器输出信号(11)的输出通道为CPU系统(21)由并行接口(28)经光电隔离(31)、继电器(32)(NEC、12V、1A)输出。励磁信号(PWM)输出(9)的输出通道为由CPU系统(21)经缓冲电路(29)(4069)、光电隔离(31)输出。电脑板(1)上还设计有死机恢复电路(30)(74LS123)。本实用新型的软件系统采用PLM语言编写，用486计算机和仿真器联合调试，语句共2000余条，软件流程见图3，软件完成了原来由集成运放电路所完成的各项功能，软件由开始(33)进入初始化(34)后，从输入信号对电动轮的运行状态进行状态解析，判断为牵引状态(36)、制动状态(38)，还是无动作，牵引模块(37)包含牵引工况的特性曲线。制动模块(39)包含制动工况的特性曲线。牵引工况由运转到结束或相互之间转换的运行，软件判断为恢复状态(40)，由恢复模块(41)控制。速度测试模块(42)将外来的传感器频率信号换成速度量，提供给其它模块使用。励磁输出模块(43)综合各模块运算结果，给出最终的励磁PWM输出值显示模块(44)产生显示板(4)显示所要求的输出形式，以使工作人员便于监视。继电器输出模块(45)产生防误反向，牵引切除，自动制动、弱磁、等继电器动作信号。微机工作状态检测(47)检查微机工作状态正常与否，正常(47)则继续进行状态解析(35)，运行程序；不正常(48)则重新进行程序初始化(34)，然后继续运行程序。
电脑板(1)在输出励磁信号(9)和继电器信号(11)的同时，还向显示板(4)输出20路显示信号(15)，在显示板(4)上显示出自卸车的运行工况各信号、电源状况和电脑工作状况以及电脑板(1)的输出状况，显示板(4)上除此之外，还有几项测试端子和cpu复位键(66)。显示板(4)的各项显示及渊试端位置如图4，显示内容有+5v电源显示(40)、+15v电源显示(50)、-15v电源显示(51)、励磁电流显示(52)(该项显示共有5个发光二极管、发光数越多，电流越大)，发动机转速显示(53)(该项显示共有5个发光二极管、发光数越多，转速越高)，牵引状态显示(54)、制动状态显示(55)、励磁状态显示(56)、右轮转速显示(57)、左轮转速显示(58)、制动量显示(59)、继电器输出显示(60)、右轮电流显示(61)、左轮电流显示(62)、主回路电流显示(63)、主回路电压显示(64)、CPU工作状态显示(65)、CPU复位键(66)、励磁测试端(67)、±15V测试端(68)、+5V测试端(69)。
权利要求1.一个由电脑板(1)、电源板(2)、驱动板(3)、显示板(4)组成的电动轮自卸车电脑测控仪，其特征是由电脑板(1)将输入的五路模拟量信号(10)(12)、三路转速信号(14)、三路开关量信号(13)通过模拟运放电路(22)、压频转换电路(23)、滤波整形电路(25)、比较放大电路(26)进行整形、放大、转换，并经光电隔离电路(31)、缓冲电路(27)、计数器(24)和并行接口(28)输入CPU系统(21)，由CPU系统(21)进行综合运算处理后输出励磁控制信号(9)，经驱动板(3)放大后输出；同时输出五路继电器控制信号(11)，由电脑板(1)直接输出，通过这些输出信号，控制电动轮自卸车发电机励磁及其它运行工况。
2.根据权利要求1所述的电动轮自卸车电脑测控仪，其特征在于五路模拟量信号输入电脑板(1)后，通过由LM124及电阻、电容组成的模拟运放电路(22)对输入信号放大后，经由AD650及电阻、电容、稳压管组成的压频转换电路(23)转换为频率信号，经光电隔离电路(31)、缓冲电路(27)输入到计数器(24)(即8253)，由计数器(24)输出信号到CPU系统(21)。
3.根据权利要求1所述的电动轮自卸车电脑测控仪，其特征在于三路转速信号(14)输入电脑板(1)后，通过由电阻、电容、钳位二极管组成的滤波整形电路(25)整形后，经由LM124及电阻组成的比较放大电路(26)整形放大后输出方波信号，再经光电隔离电路(31)、缓冲电路(7)输入到CPU系统(21)。
专利摘要本实用新型涉及的是一种电动轮自卸车电脑测控仪，可通过对运行工况信号及电路中各种信号进行综合运算处理后输出的脉宽调制(PWM)励磁输出信号和继电器控制信号对电动轮自卸车的运行调节控制。可取代原来的第一代磁放大器励磁控制系统和第二代以集成运放为主的励磁控制系统。以软件调节代替硬件调节，具有线路简单、分立元件少、体积小、可靠性高、维护方便、故障率低、行车效率高等优点。适用于108吨电动轮自卸车。
文档编号G06F19/00GK2263805SQ9620508
公开日1997年10月1日 申请日期1996年3月18日 优先权日1996年3月18日
发明者王国凡 申请人:北京市雄霸科技开发公司