内燃机车主发电机模拟器.pdf

本发明公开了一种内燃机车主发电机模拟器。该内燃机车主发电机模拟器中用于ISP的串行通信电路将主发电机额定参数、边界参数等通过串行通信传送至单片机，单片机采集模拟量输入电路输入的主发电机励磁电流信号，根据频率量输入电路、数字量输入电路输入的柴油机转速和机车速度信号、机车工况信号，按照其内部主发电机的数学模型计算主发电机的输出电压和电流并输出至模拟量输出电路。该装置全面模拟了主发电机在机车各种工况和负载变化的情形下输出的电压和电流，使得微机控制系统控制内燃机车主发电机模拟器就如同在机车上控制主发电机一样。既可以实现装车前地面试验，又不用直接控制主发电机，节约成本，经济实用。

1、  一种内燃机车主发电机模拟器，其特征在于：包括保存有主发电机数学模型、额定参数、边界参数的单片机和与其相连的模拟量输入电路、频率量输入电路、数字量输入电路、串行通信电路、模拟量输出电路；用于ISP的串行通信电路将主发电机额定参数、边界参数等通过串行通信传送至单片机，单片机采集模拟量输入电路输入的主发电机励磁电流信号，根据频率量输入电路、数字量输入电路输入的柴油机转速和机车速度信号、机车工况信号，按照其内部主发电机的数学模型计算主发电机的输出电压和电流并输出至模拟量输出电路。

2、  如权利要求1所述的内燃机车主发电机模拟器，其特征在于：所述的单片机U2STC12C5410AD的3脚经电阻R1接数字地，4脚和5脚分别接U1MAX232A的9脚和10脚，6脚和7脚分别经电容C6和C7接数字地，6脚和7脚间接有晶振XTAL1，11脚接U13A74HC14的2脚，12脚接U13B74HC14的4脚，14脚接数字地，15脚、16脚、17脚、19脚、26脚分别接DIN-1、DIN-2、AOUT-1、AIN-1、AOUT-2，28脚接5V电源。

3、  如权利要求1所述的内燃机车主发电机模拟器，其特征在于：所述的串行通信电路为：接插件J1的5脚接数字地，2脚和3脚分别接U1MAX232A的7脚和8脚，U1MAX232A的1脚和3脚间接有电容C1，U1MAX232A的4脚和5脚间接有电容C2，U1MAX232A的2脚和16脚间接有电容C3，U1MAX232A的6脚经电容C4接数字地，U1MAX232A的15脚接数字地，U1MAX232A的16脚接5V电源，16脚亦经串联的电容C17和电阻R1接数字地，U1MAX232A的9脚和10脚分别接片机U2STC12C5410AD的4脚和5脚。

4、  如权利要求1所述的内燃机车主发电机模拟器，其特征在于：所述的频率量输入电路为：接插件J2的1-4脚分别接F1-HI、F1-LO、F2-HI、F2-LO，柴油机转速信号F1-HI、F1-LO间串接有电阻R2和电容C5，F1-LO接模拟地，F1-HI经电阻R2接U3UA741的2脚，U3UA741的2脚分别经二极管D1、D2接15V、-15V电源，U3UA741的3脚经电阻R8接模拟地，U3UA741的6脚经串联的电阻R7和R8接模拟地，U3UA741的4脚接-15V电源，U3UA741的6脚经电阻R3接三极管Q1的基极，三极管Q1的基极经电容C8接模拟地，三极管Q1的发射极接模拟地，三极管Q1的集电极经串联的光电耦合器U7MOCD207M的输入二极管、电阻R4接15V电源，光电耦合器U7MOCD207M的输出集电极接5V电源，光电耦合器U7MOCD207M的发射极接U13A74HC14的1脚，U13A74HC14的1脚经电阻R5接数字地，U13A74HC14的2脚接U1MAX232A的11脚；机车速度信号F2-HI、F2-LO间串接有电阻R6和电容C9，F2-LO接模拟地，F2-HI经电阻R6接U4UA741的2脚，U4UA741的2脚分别经二极管D3、D4接15V、-15V电源，U4UA741的3脚经电阻R11接模拟地，U4UA741的6脚经串联的电阻R10和R11接模拟地，U4UA741的4脚接-15V电源，U4UA741的6脚经电阻R12接三极管Q2的基极，三极管Q2的基极经电容C10接模拟地，三极管Q2的发射极接模拟地，三极管Q2的集电极经串联的光电耦合器U8MOCD207M的输入二极管、电阻R9接15V电源，U8MOCD207M的集电极接5V电源，U8MOCD207M的发射极接U13B74HC14的1脚，U13B74HC14的1脚经电阻R13接数字地，U13B74HC14的4脚接U1MAX232A的12脚。

5、  如权利要求1所述的内燃机车主发电机模拟器，其特征在于：所述数字量输入电路为：接插件J3的1脚和2脚分别接牵引信号DINQY、制动信号DINZD，J3的3脚和4脚均接数字输入返回信号DINRET，信号DINQY和DINRET间接有串联的电阻R14和光电耦合器U9MOCD207M的输入二极管，信号DINZD和DINRET间接有串联的电阻R15和光电耦合器U10MOCD207M的输入二极管，U9MOCD207M和U10MOCD207M的输出三极管发射极均接数字地，U9MOCD207M的输出三极管集电极接U13C74HC14的5脚，亦经电阻R16接5V电源，U13C74HC14的6脚接单片机U2STC12C5410AD的15脚，U10MOCD207M的输出三极管集电极接U13D74HC14的9脚，亦经电阻R17接5V电源，U13D74HC14的6脚接单片机U2STC12C5410AD的16脚。

6、  如权利要求1所述的内燃机车主发电机模拟器，其特征在于：所述的模拟量输入电路为：接插件J5的1脚接主发电机励磁电流信号AINFL，2脚接数字地，AINFL信号经可调电阻R34的两固定端接地，R34的可调端接单片机U2STC12C5410AD的18脚。

7、  如权利要求1所述的内燃机车主发电机模拟器，其特征在于：所述的模拟量输出电路为：接插件J4的1脚和2脚分别接主发电机电压信号AOUTDY、主发电机电流信号AOUTDL，J4的3脚和4脚接数字地；5V电源和单片机U2STC12C5410AD的17脚间串接有电阻R18和光电耦合器U11MOCD207M的输入二极管，光电耦合器U11MOCD207M的输出三极管集电极接5V电源，光电耦合器U11MOCD207M的输出三极管发射极经串联的电阻R19和R20接模拟地，亦经串联的电阻R19、R21、R22、电容C13接模拟地，U5UA741的7脚接15V电源，U5UA741的3脚和6脚间串接有电阻R22和电容C11，U5UA741的3脚经电容C13接模拟地，U5UA741的2脚和6脚间接电阻R26，U5UA741的4脚接-15V电源，U5UA741的4脚和1脚间接可调电阻R35的可调端和一个固定端，U5UA741的1脚和5脚间接可调电阻R35的两个固定端，U5UA741的6脚经电阻R23输出AOUTDY信号，U5UA741的6脚亦经串联的电阻R23和电容C14接模拟地；5V电源和单片机U2STC12C5410AD的26脚间串接有电阻R24和光电耦合器U12MOCD207M的输入二极管，光电耦合器U12MOCD207M的输出三极管集电极接5V电源，光电耦合器U12MOCD207M的输出三极管发射极经串联的电阻R25和R28接模拟地，亦经串联的电阻R25、R29、R30、电容C15接模拟地，U6UA741的7脚接15V电源，U6UA741的3脚和6脚间串接有电阻R30和电容C12，U6UA741的3脚经电容C15接模拟地，U6UA741的2脚和6脚间接电阻R31，U6UA741的4脚接-15V电源，U6UA741的4脚和1脚间接可调电阻R36的可调端和一个固定端，U6UA741的1脚和5脚间接可调电阻R36的两个固定端，U6UA741的6脚经电阻R33输出AOUTDL信号，U6UA741的6脚亦经串联的电阻R33和电容C16接模拟地。

内燃机车主发电机模拟器
技术领域  本发明属于电子模拟装置，主要涉及一种内燃机车主发电机模拟器。
背景技术  内燃机车主发电机采用交流同步发电机。主发电机将柴油机产生的旋转机械能转换成交流电能，然后由主整流器组将交流电整流成直流电，供驱动装置使用。计算机控制技术应用于机车控制是机车现代化的重要标志，内燃机车微机控制系统的主要控制对象里就有主发电机。微机控制系统进行装车前地面试验时，如果采取直接控制主发电机，则既不现实，也不经济。因此需要一种内燃机车主发电机模拟装置，可模拟主发电机在机车各种工况和负载变化的情形下输出的电压和电流。但目前暂无这种装置。
发明内容  为解决上述现有技术中没有可模拟主发电机在机车各种工况和负载变化的情形下输出的电压和电流的模拟装置的问题，本发明提供了一种内燃机车主发电机模拟器。
发明内容  本发明的技术方案如下：一种内燃机车主发电机模拟器，其特征在于：包括保存有主发电机数学模型、额定参数、边界参数的单片机和与其相连的模拟量输入电路、频率量输入电路、数字量输入电路、串行通信电路、模拟量输出电路；用于ISP的串行通信电路将主发电机额定参数、边界参数等通过串行通信传送至单片机，单片机采集模拟量输入电路输入的主发电机励磁电流信号，根据频率量输入电路、数字量输入电路输入的柴油机转速和机车速度信号、机车工况信号，按照其内部主发电机的数学模型计算主发电机的输出电压和电流并输出至模拟量输出电路。
所述的单片机U2STC12C5410AD的3脚经电阻R1接数字地，4脚和5脚分别接U1MAX232A的9脚和10脚，6脚和7脚分别经电容C6和C7接数字地，6脚和7脚间接有晶振XTAL1，11脚接U13A74HC14的2脚，12脚接U13B74HC14的4脚，14脚接数字地，15脚、16脚、17脚、19脚、26脚分别接DIN-1、DIN-2、AOUT-1、AIN-1、AOUT-2，28脚接5V电源。
所述的串行通信电路为：接插件J1的5脚接数字地，2脚和3脚分别接U1MAX232A的7脚和8脚，U1MAX232A的1脚和3脚间接有电容C1，U1MAX232A的4脚和5脚间接有电容C2，U1MAX232A的2脚和16脚间接有电容C3，U1MAX232A的6脚经电容C4接数字地，U1MAX232A的15脚接数字地，U1MAX232A的16脚接5V电源，16脚亦经串联的电容C17和电阻R1接数字地，U1MAX232A的9脚和10脚分别接片机U2STC12C5410AD的4脚和5脚。
所述的频率量输入电路为：接插件J2的1-4脚分别接F1-HI、F1-LO、F2-HI、F2-LO，柴油机转速信号F1-HI、F1-LO间串接有电阻R2和电容C5，F1-LO接模拟地，F1-HI经电阻R2接U3UA741的2脚，U3UA741的2脚分别经二极管D1、D2接15V、-15V电源，U3UA741的3脚经电阻R8接模拟地，U3UA741的6脚经串联的电阻R7和R8接模拟地，U3UA741的4脚接-15V电源，U3UA741的6脚经电阻R3接三极管Q1的基极，三极管Q1的基极经电容C8接模拟地，三极管Q1的发射极接模拟地，三极管Q1的集电极经串联的光电耦合器U7MOCD207M的输入二极管、电阻R4接15V电源，光电耦合器U7MOCD207M的输出集电极接5V电源，光电耦合器U7MOCD207M的发射极接U13A74HC14的1脚，U13A74HC14的1脚经电阻R5接数字地，U13A74HC14的2脚接U1MAX232A的11脚；机车速度信号F2-HI、F2-LO间串接有电阻R6和电容C9，F2-LO接模拟地，F2-HI经电阻R6接U4UA741的2脚，U4UA741的2脚分别经二极管D3、D4接15V、-15V电源，U4UA741的3脚经电阻R11接模拟地，U4UA741的6脚经串联的电阻R10和R11接模拟地，U4UA741的4脚接-15V电源，U4UA741的6脚经电阻R12接三极管Q2的基极，三极管Q2的基极经电容C10接模拟地，三极管Q2的发射极接模拟地，三极管Q2的集电极经串联的光电耦合器U8MOCD207M的输入二极管、电阻R9接15V电源，U8MOCD207M的集电极接5V电源，U8MOCD207M的发射极接U13B74HC14的1脚，U13B74HC14的1脚经电阻R13接数字地，U13B74HC14的4脚接U1MAX232A的12脚。
所述数字量输入电路为：接插件J3的1脚和2脚分别接牵引信号DINQY、制动信号DINZD，J3的3脚和4脚均接数字输入返回信号DINRET，信号DINQY和DINRET间接有串联的电阻R14和光电耦合器U9MOCD207M的输入二极管，信号DINZD和DINRET间接有串联的电阻R15和光电耦合器U10MOCD207M的输入二极管，U9MOCD207M和U10MOCD207M的输出三极管发射极均接数字地，U9MOCD207M的输出三极管集电极接U13C74HC14的5脚，亦经电阻R16接5V电源，U13C74HC14的6脚接单片机U2STC12C5410AD的15脚，U10MOCD207M的输出三极管集电极接U13D74HC14的9脚，亦经电阻R17接5V电源，U13D74HC14的6脚接单片机U2STC12C5410AD的16脚。
所述的模拟量输入电路为：接插件J5的1脚接主发电机励磁电流信号AINFL，2脚接数字地，AINFL信号经可调电阻R34的两固定端接地，R34的可调端接单片机U2STC12C5410AD的18脚。
所述的模拟量输出电路为：接插件J4的1脚和2脚分别接主发电机电压信号AOUTDY、主发电机电流信号AOUTDL，J4的3脚和4脚接数字地；5V电源和单片机U2STC12C5410AD的17脚间串接有电阻R18和光电耦合器U11MOCD207M的输入二极管，光电耦合器U11MOCD207M的输出三极管集电极接5V电源，光电耦合器U11MOCD207M的输出三极管发射极经串联的电阻R19和R20接模拟地，亦经串联的电阻R19、R21、R22、电容C13接模拟地，U5UA741的7脚接15V电源，U5UA741的3脚和6脚间串接有电阻R22和电容C11，U5UA741的3脚经电容C13接模拟地，U5UA741的2脚和6脚间接电阻R26，U5UA741的4脚接-15V电源，U5UA741的4脚和1脚间接可调电阻R35的可调端和一个固定端，U5UA741的1脚和5脚间接可调电阻R35的两个固定端，U5UA741的6脚经电阻R23输出AOUTDY信号，U5UA741的6脚亦经串联的电阻R23和电容C14接模拟地；5V电源和单片机U2STC12C5410AD的26脚间串接有电阻R24和光电耦合器U12MOCD207M的输入二极管，光电耦合器U12MOCD207M的输出三极管集电极接5V电源，光电耦合器U12MOCD207M的输出三极管发射极经串联的电阻R25和R28接模拟地，亦经串联的电阻R25、R29、R30、电容C15接模拟地，U6UA741的7脚接15V电源，U6UA741的3脚和6脚间串接有电阻R30和电容C12，U6UA741的3脚经电容C15接模拟地，U6UA741的2脚和6脚间接电阻R31，U6UA741的4脚接-15V电源，U6UA741的4脚和1脚间接可调电阻R36的可调端和一个固定端，U6UA741的1脚和5脚间接可调电阻R36的两个固定端，U6UA741的6脚经电阻R33输出AOUTDL信号，U6UA741的6脚亦经串联的电阻R33和电容C16接模拟地。
采用上述技术方案后，本发明全面模拟了主发电机在机车各种工况和负载变化的情形下输出的电压和电流。使得微机控制系统控制内燃机车主发电机模拟器就如同在机车上控制主发电机一样。使用本发明既可以实现装车前地面试验，又不用直接控制主发电机，节约成本，经济实用。
附图说明  图1是本发明的原理框图
图2是本发明实施例的电路结构图的一部分
图3是本发明实施例的电路结构图的另一部分
具体实施方式  下面结合附图对本发明进行详细说明
如图1所示，本发明包括保存有主发电机数学模型、额定参数、边界参数的单片机和与其相连的模拟量输入电路、频率量输入电路、数字量输入电路、串行通信电路、模拟量输出电路；用于ISP的串行通信电路将主发电机额定参数、边界参数等通过串行通信传送至单片机，单片机采集模拟量输入电路输入的主发电机励磁电流信号，根据频率量输入电路、数字量输入电路输入的柴油机转速和机车速度信号、机车工况信号，按照其内部主发电机的数学模型计算主发电机的输出电压和电流并输出至模拟量输出电路。
本发明中单片机STC 12C5410AD中保存有主发电机的数学模型、额定参数和边界参数。本发明的输入量包括主发电机励磁电流(模拟量)、柴油机转速(频率量)、机车速度(频率量)和机车工况(数字量)；输出包括主发电机的电压(模拟量)和电流(模拟量)。单片机采集微机控制系统控制的主发电机励磁电流，根据柴油机转速、机车速度和机车工况，按照特有的主发电机的数学模型计算出主发电机的输出电压和电流，微机控制系统再依据输出电压和电流来调节主发电机励磁电流。
本发明实施例的电路结构如2、图3所示。
在本发明实施例中，单片机采用宏晶公司的STC 12C5410AD芯片。它是增强型80C51系列单片机，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。工作频率范围在0-35MHz，相当于普通8051的0—420MHz。用户程序空间10k，片上集成512字节RAM。ISP(在系统可编程)/IAP，无需专用仿真器，无需专用编程器，可通过串口直接下载用户程序，数秒即可完成。内置看门狗电路及专用复位电路，省去外部看门狗及复位电路。此芯片可进行A/D转换，10位精度ADC。片内还有EEPROM，可存储数据。
数字量输入电路中数字量输入2路，分别为牵引信号和制动信号，110VDC。其信号采集时利用光耦进行隔离，然后送至单片机。
频率量输入电路中频率量输入2路，分别为柴油机转速信号和机车速度信号，正弦波或方波。其信号采集时先进行信号变换整形，然后送至单片机。
模拟量输入电路中模拟量输入1路，为主发电机励磁电流信号。其信号采集时先进行信号放大整形，然后送至单片机。
模拟量输出电路中模拟量输出2路，分别为主发电机输出电压和电流信号。其信号由单片机输出给D/A转换成模拟量，然后送至外部电路。
串行通信电路主要用于ISP(在系统可编程)。主发电机的额定参数和边界参数等可通过串行通信传送给单片机并永久保存在EEPROM中。