1 引言
由于機車牽引電動機在持續(xù)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(tài)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(jié)，造成電能浪費。因此，提出一種機車通風機節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(xù)運行中的溫升變化，控制通風機電動機的轉速，調節(jié)通風量，從而實現調節(jié)溫升和節(jié)能的目的，并具有良好的實用價值。
2 系統(tǒng)組成及工作原理
圖1給出基于P87C591的機車通風機節(jié)能控制系統(tǒng)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(jié)。
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(tài)80C51中央處理單元。可提供OTP，ROM和無ROM型。②16 K字節(jié)內部程序存儲器。外部可擴展到64 K字節(jié)，512字節(jié)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(tǒng)維護、診斷、優(yōu)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(huán)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(jié)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(fā)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(yōu)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(jié)能控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，可滿足約200℃的工作環(huán)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(huán)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)，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(jié)，達到節(jié)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。
