車載變頻機模擬量的檢測與定標方法

孫 波，郭偉勝

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

車載變頻機模擬量的檢測與定標方法

孫 波，郭偉勝

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

針對車載變頻機控制系統(tǒng)中待測模擬量較多的問題，設(shè)計了模擬量檢測多通道擴展電路，采用遠程定標方法，編制嵌入式模擬量檢測程序，完成對多路模擬量的測量工作。該定標方法具有定標過程快速、簡便、精確等特點，適用于工業(yè)現(xiàn)場模擬量測量的定標及校驗，易于相關(guān)工程技術(shù)人員掌握。

變頻機；嵌入式系統(tǒng)；集散控制系統(tǒng)；模擬量檢測

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，為提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等目的，普遍要求實現(xiàn)電氣設(shè)備的自動化和智能化[1-4]。為了解決復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場控制類問題，電氣設(shè)備一般選擇嵌入式集散控制系統(tǒng)設(shè)計方案[5-8]。嵌入式模擬量檢測技術(shù)是集散控制系統(tǒng)的核心技術(shù)之一[9-16]。

1 變頻機控制系統(tǒng)模擬量檢測電路

車載變頻機控制系統(tǒng)是為野外電氣設(shè)備供電的發(fā)電、配電系統(tǒng)。該系統(tǒng)可依據(jù)負載的大小控制4臺變頻機組單獨或并列對外供應(yīng)電能。為保證變頻機控制系統(tǒng)的正常工作，安全供電，系統(tǒng)需要對供電電壓及電流進行實時精確檢測，完成對供電繼電器的自動投切，實現(xiàn)過載保護等功能。

變頻機控制系統(tǒng)現(xiàn)場需要檢測的模擬量均為0～5 V的電壓信號，采用英飛凌公司生產(chǎn)的XC2365微處理器為核心，配置外圍電路構(gòu)成控制終端，組成車載變頻機嵌入式集散控制系統(tǒng)。由于變頻機控制系統(tǒng)控制終端需檢測的模擬量為24路，而XC2365僅帶有15路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，為保證模擬量的檢測精度，降低系統(tǒng)成本，設(shè)計了多通道模擬量檢測電路。

1.1 車載變頻機控制系統(tǒng)構(gòu)成

車載變頻機嵌入式集散控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，由1塊主控制板、1塊主控面板、2塊分控制板和2塊分控面板通過MAX487組網(wǎng)而成，控制板帶有相應(yīng)的執(zhí)行器，完成開關(guān)量的控制、檢測及模擬量的檢測功能。主控制板檢測的模擬量為8路，2塊分控制板各需檢測24路模擬量。多通道模擬量檢測電路為分控制板而設(shè)計。

圖1 車載變頻機控制系統(tǒng)框圖

圖1中的監(jiān)控計算機與主控制板、主控面板、分控制板和分控面板通過MAX487組網(wǎng)，構(gòu)成集散監(jiān)控系統(tǒng)(圖中虛線連接的部分，不用時移除)，可實現(xiàn)對控制板模擬量檢測的遠程定標，并對車載變頻機控制系統(tǒng)全部的開關(guān)量輸入和輸出狀態(tài)及模擬量檢測值進行監(jiān)控。該系統(tǒng)可在車載變頻機控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程中測試各塊電路板的質(zhì)量，完成主控制板和分控制板的定標，進行車載變頻機控制系統(tǒng)的在線測試等工作。

1.2 單路模擬量檢測電路

多通道模擬量檢測電路如圖2所示，其中電阻R1、R2、R3和2個電壓跟隨器構(gòu)成隔離分壓單路模擬量檢測電路，C1、C2為濾波電容，D為保護開關(guān)二極管。圖中單路模擬量輸出信號VO與輸入信號VI的關(guān)系為

(1)

保護電壓VD與輸入信號VI的關(guān)系為

(2)

選擇合適的電阻R1、R2、R3的值，要求當輸入信號VI為5 V時，VO在運算放大器組成的電壓跟隨器線性范圍內(nèi)，使VO跟隨VI做線性變化；當VD高于5 V，開關(guān)二極管擊穿時，VO被限制在5 V以內(nèi)，對XC2365起到保護作用。

圖2 多通道模擬量檢測電路

1.3 模擬量測量的多通道擴展

因分控制板待檢測的模擬量較多，采用8選1模擬開關(guān)4051芯片分時對8路模擬量進行檢測，構(gòu)成模擬量測量的多通道擴展電路，如圖2所示。用XC2365的3個開關(guān)量輸出端子驅(qū)動高速HC373鎖存器，根據(jù)4051芯片內(nèi)置的地址選擇端A、B、C的取值選擇模擬通道，與XC2365的1路A/D轉(zhuǎn)換器連接，分時完成8路模數(shù)轉(zhuǎn)換。4051芯片內(nèi)置的地址選擇端A、B、C與通道的關(guān)系如表1所示。采用多通道擴展電路，檢測24路模擬量僅占用XC2365的3路模數(shù)轉(zhuǎn)換器資源，其它12路A/D轉(zhuǎn)換器可做開關(guān)量輸入端子使用。

表1 A、B、C與通道的關(guān)系

考慮到模擬開關(guān)4051芯片通道轉(zhuǎn)換需要一定時間，并且其它硬件電路也有延遲時間，XC2365向HC373鎖存器發(fā)出通道選擇指令后，需延遲一段時間，待選定模擬量通道穩(wěn)定后，再進行A/D轉(zhuǎn)換。車載變頻機控制系統(tǒng)設(shè)計的延遲時間為10 ms。

2 模擬量檢測的定標方法

定標是制定對應(yīng)的模擬量測量標準，把待測模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，便于微處理器進行數(shù)據(jù)處理。定標過程是制作一把尺子，用其測量對應(yīng)的模擬量。

2.1 兩點定標方法

車載變頻機控制系統(tǒng)模擬量檢測電路的設(shè)計使VO與VI之間滿足線性關(guān)系，如圖2及式(1)所示，則待測模擬量VI與分壓模擬量VO的A/D轉(zhuǎn)換值Lzy之間也滿足線性關(guān)系。由兩點定一條直線的原理，可確定待測模擬量VI與VO的A/D轉(zhuǎn)換值Lzy之間的線性關(guān)系，定制測量標準，對其檢測。

VI與Lzy之間的線性關(guān)系如圖3所示。令單路模擬量檢測電路的輸入端電壓VI分別等于基準電壓Uzmax、Uzmin，設(shè)與其相對應(yīng)的XC2365的A/D轉(zhuǎn)換值Lzy分別為邏輯滿值Lzmax和邏輯零值Lzmin，如

VI=Uzmax時，Lzy=Lzmax
VI=Uzmin時，Lzy=Lzmin

(3)

圖3 模擬量A/D轉(zhuǎn)換的線性關(guān)系

在XC2365中編制C語言程序，將Lzmax和Lzmin的值寫入Flash存儲器的定標數(shù)組中，則該路模擬量檢測的定標過程結(jié)束。

2.2 模擬量的測量

在微處理器初始化程序中，把邏輯滿值Lzmax和邏輯零值Lzmin由Flash存儲器的定標數(shù)組中讀出，則可對模擬量VI檢測。對輸入端電壓VI進行A/D轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換值Lzy，定義邏輯斜率KL為

(4)

則模擬量VI的測量值Uzy為

Uzy=KL×(Uzmax-Uzmin)+Uzmin

(5)

測量值Uzy與待測模擬量的相對誤差δ為

(6)

3 模擬量檢測的遠程定標方法

遠程定標是監(jiān)控計算機與控制終端之間通過信息交換，下達定標指令，完成定標過程的一種定標方式。

編制計算機程序，與車載變頻機控制系統(tǒng)的主控制板和分控制板實現(xiàn)串行通信，數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。為防止誤操作，實現(xiàn)模擬量檢測的遠程定標需要3個嚴格條件：

(1)在模擬量檢測電路的輸入端連接基準電壓Uzmax或Uzmin，Uzmax用于邏輯滿值Lzmax定標，Uzmin用于邏輯零值Lzmin定標；

(2)主控制板或分控制板必須自身要求模擬量檢測定標，例如特定的帶有上拉電阻的數(shù)字輸入端子被拉到低電平。車載變頻機控制系統(tǒng)的模擬量定標采取了該方式；

(3)監(jiān)控計算機對主控制板或分控制板按表2的數(shù)據(jù)幀格式下達了定標指令，并指明是邏輯滿值或邏輯零值定標。

表2 遠程定標數(shù)據(jù)幀格式

當以上3個條件都滿足時，主控制板或分控制板將按照兩點定標方法實現(xiàn)模擬量定標過程，并應(yīng)答監(jiān)控計算機。

4 車載變頻機模擬量檢測實驗

車載變頻機控制系統(tǒng)實驗裝置如圖4所示。車載變頻機嵌入式集散控制系統(tǒng)由主控制箱和2個分控箱組成；集散監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控計算機與主控制箱和2個分控箱組通過MAX487組網(wǎng)而成。

圖4 車載變頻機控制系統(tǒng)實驗裝置

監(jiān)控計算機采用VB(Visual Basic)編程，與各控制箱串行通信，可對車載變頻機控制系統(tǒng)實施監(jiān)控，并實現(xiàn)主控制板和分控制板模擬量檢測的遠程定標。

遠程定標時，基準電壓Uzmax設(shè)定為5 V，Uzmin設(shè)定為2.5 V。經(jīng)實際測試，采用本文的模擬量定標方法，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為10位時，主控制板的相對誤差δ達到0.4%，分控制板的相對誤差δ達到0.6%以內(nèi)。

5 結(jié)束語

通過車載變頻機嵌入式集散控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)工作，對模擬量遠程定標方法進行了研究和總結(jié)，得出以下結(jié)論：

(1) 模擬量測量的多通道擴展節(jié)省了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的資源，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。通過實踐，只要程序編制合理，可以獲得較高的模擬量檢測精度；

(2) 兩點定標方法突出軟件定標過程，當模擬量檢測的硬件電路設(shè)計完成后，不再對其調(diào)整。該方法適用于嵌入式系統(tǒng)對模擬量的檢測；

(3) 模擬量的遠程定標方法具有定標過程快速、簡便、精確等特點，適合于工業(yè)現(xiàn)場模擬量測量的定標及校驗，便于設(shè)備檢修，易于相關(guān)工程技術(shù)人員掌握。

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The Method of Analog Quantity Measure and Calibrate of Mobile Frequency Convertor

SUN Bo,GUO Weisheng

(School of Automation and Electrical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

There were too many required measurement analog quantities in the control system of Mobile Frequency Convertor, design the extended circuit of multi-channel analog quantity measurement can complete the job accurately and promptly to this problem. Use remote-calibrate method, written analog quantity measure program of the embedded system to accomplish the measurement job of multiple channel analog quantity. The process of calibrate was fast, simple and preciseness, it can be applied to calibrate and check of measure analog quantity in the industry field. It’s easy to master for the relative engineering and technical personnel.

frequency convertor; embedded system; distributed control system; analog quantity measure

2016- 11- 17

孫波(1963-)，男，博士，副教授。研究方向：模擬量測控。郭偉勝(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：模擬量測控。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.023

TN710.4;TP273

A

1007-7820(2017)09-082-04