鐵道部電力機(jī)車研究所（株洲412001）馬世宏株洲時(shí)代電氣絕緣有限責(zé)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(shè)計(jì)方法。

電動(dòng)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(yùn)，這些場(chǎng)所叉車上的電瓶更換頻繁，因而往往設(shè)有充電間對(duì)更換下來的電瓶進(jìn)行集中充電。以往這些充電間的多臺(tái)充電機(jī)彼此獨(dú)立，多臺(tái)充電機(jī)對(duì)電瓶進(jìn)行集中充電時(shí)，充電工必須對(duì)這些充電機(jī)進(jìn)行不斷的巡視，記錄、調(diào)整各臺(tái)充電機(jī)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(yàn)，而且他們勞動(dòng)強(qiáng)度也比較大，容易出差錯(cuò)。針對(duì)這些場(chǎng)所充電機(jī)相對(duì)集中的特點(diǎn)，我們研制了一套智能充電機(jī)集群控制系統(tǒng)，用一臺(tái)pc機(jī)對(duì)多達(dá)256臺(tái)充電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、記錄，并能自動(dòng)形成打印報(bào)表文件。這樣充電工只需坐在控制室監(jiān)視pc機(jī)的屏幕，無需來回巡視，就能做到對(duì)充電間的所有充電機(jī)的工作狀態(tài)一目了然，并能通過鼠標(biāo)或鍵盤對(duì)各臺(tái)充電機(jī)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，開、關(guān)機(jī)控制。

一、智能充電機(jī)集群控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求1、通過pc機(jī)鍵盤、鼠標(biāo)能對(duì)各充電機(jī)進(jìn)行開、關(guān)機(jī)控制，在充電開始前和充過程中能對(duì)充電參數(shù)：充電模式、充電電壓、充電電流、充電時(shí)間、充電安時(shí)數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修~改。

控制電路pc機(jī)80c196kc串行通倍2、通過pc機(jī)同時(shí)對(duì)各充電機(jī)狀態(tài)，包括充電模式，充電電流、電壓、時(shí)間、安時(shí)數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、記錄，自動(dòng)形成報(bào)表文件；充電機(jī)發(fā)生故時(shí)能報(bào)警，并顯示相應(yīng)充電機(jī)的故障狀態(tài)。

3、智能充電機(jī)能對(duì)單個(gè)30v或48v蓄電池充電，也能對(duì)3個(gè)30v或2個(gè)48v蓄電池串聯(lián)組成的蓄電池組充電，電流075a連續(xù)可調(diào)。

4、各充電機(jī)能單獨(dú)工作，通過自身的鍵盤能進(jìn)行開、關(guān)機(jī)控制，在充電開始前和充電過程中能對(duì)充電模式，充電電流、電壓、時(shí)間、安時(shí)數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并能顯示。

5、充電機(jī)具備恒流、特性、快速等三種充電模式。

6、充電機(jī)能在設(shè)置的充電時(shí)間或安時(shí)數(shù)到后自動(dòng)停機(jī)，在出現(xiàn)缺相、過流、過壓、無流等故障時(shí)能快速保護(hù)停機(jī)，并報(bào)警，顯示相應(yīng)的故障狀態(tài)。

二、集群控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)1、智能充電機(jī)集群控制系統(tǒng)組成智能充電機(jī)集君控制系統(tǒng)由一臺(tái)pc機(jī)，一臺(tái)通信控制器，多臺(tái)智能充電機(jī)（最多可達(dá)256臺(tái)）組成，如所示：能充電機(jī)1 s―422率行通侑線智能充電機(jī)集群控制系統(tǒng)組成32微電腦應(yīng)用集群控制系統(tǒng)實(shí)際上是一套由pc機(jī)和智能充電機(jī)群通過pc機(jī)的串口、通信控制器、各智能充電機(jī)的串行通信口、rs>422串行通信線組成的一個(gè)局域網(wǎng)，網(wǎng)上傳送的信息有：（1）pc機(jī)發(fā)送給各智能充電機(jī)的控制命令和數(shù)據(jù)k2）各智能充電機(jī)送給pc機(jī)的自身狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

2、智能充電機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)集群控制系統(tǒng)的核心是智能充電機(jī)，智能充電機(jī)的硬件包括主電路和控制電路。

主電路的結(jié)構(gòu)如所示。

主電路由一個(gè)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(jié)構(gòu)象柳趾taumi館今放：成。為了使充電機(jī)在對(duì)單個(gè)蓄電池充電時(shí)有較篼功率因數(shù)，產(chǎn)生較少的諧波，設(shè)計(jì)主電路變壓器時(shí)，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(jié)構(gòu)如所示：智能充電機(jī)的控制電路是一套80c196kc為中心的單片機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件總體框圖如所示。

整個(gè)硬件系統(tǒng)包括80c196kc單片機(jī)，單片機(jī)復(fù)位電路，程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，鍵盤、顯示電路，過流、過壓、缺相中斷產(chǎn)生電路，中斷源擴(kuò)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(hào)放大電路，串行通信電路等。下面就各部分電路進(jìn)行介紹。

80c196kc單片機(jī)是in-bbb公司繼8096kb推出的高性能chmos16位單片機(jī)系列之一，它在保留了8096所有功能基礎(chǔ)上，提篼了運(yùn)行速度（在采用相同頻率晶振時(shí)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(jī)復(fù)位電路如所示。80c196kc的復(fù)位信息控制電路的結(jié)構(gòu)溴相中產(chǎn)4鍵中t微電腦應(yīng)用33申請(qǐng)中斷，使這種ram內(nèi)有期維持存由2種情況產(chǎn)生：上電復(fù)位，監(jiān)視定時(shí)器溢出以及執(zhí)行復(fù)位指令rst.復(fù)位時(shí)，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(fù)位信號(hào)和內(nèi)部復(fù)位信號(hào)通過“線或”加到單穩(wěn)的觸發(fā)端去復(fù)位8279. 80c196kc內(nèi)部復(fù)位產(chǎn)生的低電平只維持2個(gè)狀態(tài)周期，這個(gè)復(fù)位時(shí)間不足以使8279復(fù)位，故加一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以延長(zhǎng)8279的復(fù)位時(shí)間。

程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。程序存儲(chǔ)器采用e-prom27256以保證控制程序能根據(jù)需要進(jìn)行最大限度的擴(kuò)展；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用了篼速數(shù)據(jù)不揮發(fā)ram，內(nèi)帶鋰電池，系統(tǒng)斷電后，內(nèi)部彥電池能長(zhǎng)撤據(jù)，因此智能充電機(jī)關(guān)機(jī)后，設(shè)置的參數(shù)不會(huì)丟失，下次開機(jī)時(shí)不必重新設(shè)置。

鍵盤、顯示電路。智能充電機(jī)有16個(gè)led顯示器，分別顯示充電電流、電壓、時(shí)間、安時(shí)數(shù)，鍵盤上包括數(shù)字鍵、命令鍵共32個(gè)。為了減輕cpu的負(fù)擔(dān)，我們采用8279專用鍵盤、顯示接口來管理顯示和鍵盤。

8279對(duì)16位led進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃推，cpu只在更新顯示數(shù)據(jù)時(shí)才訪問8279.8279還自動(dòng)對(duì)鍵盤矩陣進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃推，能識(shí)別按下鍵的鍵號(hào)，當(dāng)有鍵按下時(shí)即向cpu pu進(jìn)人鍵盤中斷務(wù)程序。8279與80c196kc之間的接口非常簡(jiǎn)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(hào)，分壓電阻取來的蓄電池兩端的電壓信號(hào)經(jīng)放大后送比較器比較，當(dāng)充電電流大于90安培，蓄電池兩端電壓大于180伏時(shí)對(duì)應(yīng)的比較器翻轉(zhuǎn)為高電平，分別產(chǎn)生過流、過壓中斷信號(hào)；當(dāng)取到的蓄電池兩端的電壓為負(fù)值時(shí)產(chǎn)生極性反中斷信號(hào)；當(dāng)三相電源缺相或整流橋上的整流元件開路損壞時(shí)，會(huì)引起三相負(fù)載不平衡，同時(shí)也加大了其它兩個(gè)橋臂上元件的負(fù)擔(dān)，長(zhǎng)時(shí)間工作可能損壞元件，另外輸出電壓的脈動(dòng)也隨之增加，對(duì)蓄電池不利，為了避免這種情況產(chǎn)生，智能充電機(jī)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(qǐng)中斷，有效地保護(hù)充電機(jī)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(hào)，經(jīng)光耦、單穩(wěn)觸發(fā)器74ls123進(jìn)行隔離、整形后輸出脈寬―定的方波，輸出的方波由lm311進(jìn)行f/v變換后，其輸出端輸出與輸人信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)的電壓。當(dāng)三相半控橋工作正常時(shí)，取出的波頭頻率是150hz，設(shè)此時(shí)lm311輸出對(duì)應(yīng)此頻率的電壓為u，若三相電源缺項(xiàng)或某一橋臂開路，此時(shí)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(yùn)放組成的兩路電壓比較器均翻轉(zhuǎn)為高電平，與非門輸出一低電平作為中斷申請(qǐng)信號(hào)。當(dāng)可控硅滿開放時(shí)，輸出電壓的脈動(dòng)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(zhuǎn)為高電平，而第二路電壓比較器不翻轉(zhuǎn)，仍持低電平，不產(chǎn)生中斷申請(qǐng)。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(yán)格的同步關(guān)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(shí)輸出36khz的脈沖作為控制角的計(jì)數(shù)脈沖送到cpu內(nèi)部計(jì)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(nèi)。

串行通信電路。80c196kc芯片內(nèi)部包含有一個(gè)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(jìn)行通信。但在本系統(tǒng)中各充電機(jī)（80c196kc）只與上位機(jī)（pc機(jī)）通信，80c196kc的串行口的電平為ttl電平，而上位機(jī)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(jī)和上位機(jī)（pc機(jī)）的串行口都必須接口電路才能進(jìn)行通信。充電機(jī)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(nèi)部計(jì)數(shù)并沒停止；若有新的同步信號(hào)，則計(jì)數(shù)器立即重置篼低宇節(jié)初值，如前述規(guī)律計(jì)數(shù)，觸發(fā)脈沖再產(chǎn)生一個(gè)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(jì)數(shù)器計(jì)滿一個(gè)回合的時(shí)間為（n+1）個(gè)時(shí)鐘周期，其中觸發(fā)脈沖的有效時(shí)間為n個(gè)時(shí)鐘周期（示意圖如下，其中t為時(shí)鐘周期）?？梢?，改變m、n值可改變定時(shí)長(zhǎng)度，改變n值可使脈沖達(dá)到一定寬度。計(jì)數(shù)初值的裝栽應(yīng)在檢測(cè)到同步信號(hào)時(shí)及計(jì)數(shù)期間計(jì)滿后重新開始計(jì)數(shù)時(shí)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(jī)測(cè)試證明設(shè)計(jì)正確。

四、系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)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(nèi)的計(jì)數(shù)器置計(jì)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(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（eia）制定的rs422標(biāo)準(zhǔn)的串行接口芯片。它具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，傳輸速度快（可達(dá)2.5mbps），抗干擾能力強(qiáng)，5v單電源供電，三態(tài)輸出等特點(diǎn)，因而非常適用于多機(jī)通信的串行通信接口電路中。在本系統(tǒng)中，上位機(jī)每次只與一臺(tái)充電機(jī)進(jìn)行通信，其余充電機(jī)的串口輸出端（max491的x，z腳）應(yīng)處于篼阻狀態(tài)，故在接口電路中用80c196kc的一個(gè)輸出信號(hào)控制max491的“使能”端，使其輸出端在不通信時(shí)處于高阻狀態(tài)，以免發(fā)生總線競(jìng)爭(zhēng)。

通信控制器的功能有兩個(gè)：電平。在通信控制器中有一個(gè)與充電機(jī)中串行接口電路類似的電路；控制各充電機(jī)的開、關(guān)機(jī)。

三、結(jié)束語由株洲電力機(jī)車研究所、長(zhǎng)沙鐵道學(xué)皖、株洲時(shí)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(jī)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(yùn)行了三年多。實(shí)踐證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想新穎、外形美觀、控制可靠，抗干擾能力強(qiáng)，充電效率篼，組態(tài)靈活，既能單臺(tái)使用，又能大規(guī)模集群使用，適合于各種場(chǎng)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(diào)用相應(yīng)的子程序。軟件的重要部分就是轉(zhuǎn)速的加減算法，它決定了可調(diào)的精度和步長(zhǎng)以及每次預(yù)置的初值。

五、結(jié)論本系統(tǒng)用于某高校的電工實(shí)驗(yàn)，實(shí)際中還要提供―路勵(lì)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(shí)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(jìn)的eda工具，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期大大縮短，設(shè)計(jì)修改過程簡(jiǎn)便。