1 引言
由于機車牽引電動機在持續運行中存在的損耗會使電動機各部分的溫度升高。過高的溫度既影響電動機的運行壽命．也影響電動機的效率。牽引電動機大多采用強迫通風方式冷卻。然而處于工作狀態的牽引電動機的通風機均保持恒定的通風量，不能根據繞組溫升變化進行調節，造成電能浪費。因此，提出一種機車通風機節能控制系統。該系統設計采用P87C59l單片機作為控制核心，利用三相交流調壓模塊作為通風機的電動機控制模塊，并根據直流牽引電動機在持續運行中的溫升變化，控制通風機電動機的轉速，調節通風量，從而實現調節溫升和節能的目的，并具有良好的實用價值。
2 系統組成及工作原理
圖1給出基于P87C591的機車通風機節能控制系統結構框圖。其中，溫度信號和速度反饋信號作為輸入信號，經過P87C591計算處理產生電壓信號，控制三相調壓模塊，實現通風機電動機的調壓調速和牽引電動機的溫升調節。
2．1 P87C591控制電路
Philips公司的P87C591內置模數轉換器，是由80C5l微控制器派生而來的。它采用強大的80C51指令集，并實現了SJAl000CAN控制器的PiliCAN功能Ⅲ。其主要特性：①全靜態80C51中央處理單元。可提供OTP，ROM和無ROM型。②16 K字節內部程序存儲器。外部可擴展到64 K字節，512字節片內數據RAM。③3個16位定時，計數器T0，Tl(標準80C51)和附加的T2(捕獲＆比較)。④6路模擬輸入的A/D轉換器。包括10位和8位兩種模式的精度可供選擇；模擬輸入電路包括一個6路輸入模擬多路復用器和一個10位標準二進制逐次逼近式A／D轉換器。⑤2個8位分辨率的脈寬調制(PWM)輸出。⑥標準80C5l引腳有32個I／0口。⑦片內看門狗定時器T3。⑧CAN的擴展特性，其中含增強型驗收濾波器。支持系統維護、診斷、優化及接收。
P87C591是連接牽引電動機和通風機電動機的橋梁。溫度信號包括牽引電動機繞組溫度信號和環境溫度信號。溫度信號和速度反饋信號一起通過P87C59l的I／O口進入單片機，單片機據此產生調壓模塊控制信號，并且按溫升的變化調節通風量。
2．2 三相交流調壓模塊
在此選用集三相電位檢測、移相觸發電路和三組增強調相P型于一體的光電隔離三相交流調壓模塊，該模塊的應用簡單，只需結合配套的三相同步變壓器，便可按O～5V直流、4—20 mA或電位器3種控制模式實現調壓，以及三相負載電壓從0 V到電網全電壓的無級可調。該模塊內置RC吸收保護電路，同時具有抗干擾能力強，調壓線性好等優點。圖2給出其應用電路。三相調壓模塊與三相同步變壓器模塊LTB3的R，S，T端對應連接，組成的電路可用于260～420 V、50 Hz的電網。在機車通風機節能控制系統中選用0～5 V作為輸入控制信號，三相負載處連通風機電機。
3 硬件電路設計
該系統的硬件電路主要由溫度信號采集電路、速度信號采集電路和調壓模塊信號生成電路組成。
3．1 溫度信號采集電路
由于牽引電動機是旋轉機構，不能采用傳統的接觸式測量，加上許多溫升算法僅局限于溫升試驗，不能實現在線測量，因此選用紅外測溫傳感器IRt/c．5測量電動機的繞組溫度。該測溫傳感器的原理是將紅外輻射能量轉換為電信號，與熱電偶一樣無需電源，并內置吹氣系統，可滿足約200℃的工作環境溫度．其測溫范圍在一45℃～+650℃。該測溫傳感器的安裝簡便，只需將其安裝在牽引電動機的觀察孔上，調整好傳感器的探頭即可。圖3給出牽引電動機電樞溫度測量電路。
對環境溫度測量選用單線數字溫度傳感器DSl8820，可直接通過P87C591的測溫范圍(一55℃～+125℃)，抗干擾能力強，適合于惡劣環境的現場溫度測量。圖4給出DSl8820的引腳連接圖。
3．2 速度信號采集電路
圖5給出選用集成轉速傳感器KMIl5/16構成的轉速測量電路。其中，低通濾波器由R15，R16，C16構成，上限頻率為1 kHz。比較器LM393單獨供電，電源經分壓后，其參考電壓加至LM393的反相輸入端即引腳3；轉速信號加至同相輸入端即引腳2。利用R18，R19，R20設定比較器的滯后電壓。保護電路中的VD2可防止電源極性反接；箝位二極管VD3起保護作用；C13為電源濾波電容；C14為去噪電容。
3．3 調壓模塊信號生成電路
該電路利用數模轉換器將P87C591的數字信號轉換成調壓模塊適用的模擬信號。圖6給出調壓模塊信號生成電路。其中，輸出端口的電壓信號Uo為三相交流調壓模塊的控制電壓。
4 軟件設計
圖7給出系統軟件設計流程圖。其中，初始化主要包括設置模數轉換模式和模擬通道的選擇等。采用該方案可以靈活地通過軟件編程，簡單實現牽引電動機參數到通風機電機參數的轉換，且控制精確。
5 測試結果
表1給出該系統的試驗測量數據。由表1可知，通風機的電動機轉速可以隨溫升變化進行調節，由于通風機電動機的軸輸出功率正比于轉速的3次方，所以可實現功率調節，達到節能目的。該設計方案各硬件模塊問的連接簡單，可靠性強，控制精確，體積小，成本低，具有良好的實用價值。
