本發(fā)明屬于機車電機技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于MSP430的機車電機調(diào)速模擬裝置及其工作方法。

背景技術(shù)：

圖1為端轉(zhuǎn)向架單元的整流調(diào)壓簡化電路。牽引繞組a1-b1-x1、a2-x2電壓有效值均為686.8V，其中a1-b1、b1-x1為343.4V，與相應(yīng)的整流器構(gòu)成三段不等分整流橋。先開放由牽引繞組a2-x2供電的整流橋的晶閘管T5、T6，順序移相，整流電壓由零逐漸升至1/2Ud。整流電流由二極管D1、D2和D5、D6續(xù)流。在電源的正半周期時，電流由牽引繞組a2→T5→D2→導(dǎo)線71→平波電抗器→牽引電動機電樞→主極繞組→導(dǎo)線72→D5→D4→x2→a2，當(dāng)電源負半周期時，電流由牽引繞組x2→D3→D2→D1→導(dǎo)線71→平波電抗器→牽引電動機電樞→主極繞組→導(dǎo)線72→D6→T6→a2→x2。這時第二段橋的元件交替導(dǎo)電，第一段橋的整流管D1、D2起續(xù)流作用。當(dāng)晶閘管T5、T6將滿開放，但還未滿開放時，投入繞組a1—b1段的整流橋，觸發(fā)T1、T3，而T5、T6繼續(xù)維持滿開放。當(dāng)電源為正半周期時，若在相控角α?xí)r觸發(fā)T3，則電流由a1→D1→導(dǎo)線71→平波電抗器→牽引電動機電樞主極繞組→導(dǎo)線72→D5→D4→x2→a2→T5→T3→b1→a1。當(dāng)電源負半周期時，則電流由b1→T1→導(dǎo)線71→平波電抗器→牽引電動機電樞→主極繞組→導(dǎo)線72→D2→T6→a2→x2→D3→D2→a1→b1。與前面不同的是T1、D2導(dǎo)通，T3、D1截止。T1、T3順序移相。整流電壓在1/2Ud至3/4Ud之間調(diào)節(jié)。當(dāng)繞組a1—b1段整流橋?qū)M開放時，投入繞組b1—x1段的整流橋，其過程與前類似。T2、T4順序移相，整流電壓在3/4Ud至Ud之間調(diào)節(jié)。在整流器的輸出端并聯(lián)了電阻75R和76R，其電阻的作用有兩個：一是機車高壓空載做限壓實驗時，作整流器的負載，起續(xù)流作用；二是正常運行時，能夠吸收部分過電壓。

圖2中單相半波可控整流電路輸出電壓平均值為U＝0.45U2(1+cos@)/2。U2是變壓器的二次繞組，@是控制角，改變控制角就可以改變輸出電壓U。@愈小，U愈大，當(dāng)@＝0時，晶閘管全導(dǎo)通，輸出最大，當(dāng)@＝∏時，輸出為0。而@角度的的控制是由硅整流控制器控制的。控制的是10K給定端，從而控制@角，從而控制主電路的晶閘管的導(dǎo)通進而控制主電路的電壓輸出。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述不足提供一種基于MSP430的機車電機調(diào)速模擬裝置及其工作方法。

本發(fā)明基于MSP430的機車電機調(diào)速模擬裝置，包括MSP430單片機，還包括手柄級位采集模塊ADC0、第一段橋電壓輸出模塊ADC1、第二段橋電壓輸出模塊ADC2、第三段橋電壓輸出模塊ADC3、第一段橋PWM輸出及LED燈、第二段橋PWM輸出及LED燈、第三段橋PWM輸出及LED燈和用于顯示采集電壓及三段橋開通的液晶顯示器，所述手柄級位采集模塊ADC0的信號輸出端與MSP430單片機的信號輸入端相連，所述第一段橋電壓輸出模塊ADC1的信號輸出端與MSP430單片機的信號輸入端相連，所述第二段橋電壓輸出模塊ADC2的信號輸出端與MSP430單片機的信號輸入端相連，所述第三段橋電壓輸出模塊ADC3的信號輸出端與MSP430單片機的信號輸入端相連，所述MSP430單片機的信號輸出端與第一段橋PWM輸出及LED燈的信號輸入端相連，所述MSP430單片機的信號輸出端與第二段橋PWM輸出及LED燈的信號輸入端相連，所述MSP430單片機的信號輸出端與第三段橋PWM輸出及LED燈的信號輸入端相連，所述MSP430單片機的信號輸出端與液晶顯示器的信號輸入端相連。

進一步，還包括故障中斷及處理模塊，所述MSP430單片機的信號輸出端與故障中斷及處理模塊輸入端相連。

進一步，所述手柄級位采集模塊ADC0包括第十九電阻R19和第二十電阻R20，所述第十九電阻R19的1腳接3.3V電源，所述第十九電阻R19的2腳接第二十電阻R20的1腳，第二十電阻R20的2腳接地，第二十電阻R20的3腳接入MSP430單片機的P6.0口。

所述的基于MSP430的機車電機調(diào)速模擬裝置，其工作方法包括以下步驟：

步驟1:進行單片機程序初始化：定時器參數(shù)設(shè)置、液晶屏初態(tài)設(shè)置、定時器中斷端口參數(shù)設(shè)置以及指示燈輸出端口定義；

步驟2：輸入信號模-數(shù)轉(zhuǎn)換初始化參數(shù)設(shè)置；

步驟3：查詢是否符合系統(tǒng)啟動條件，如果滿足條件則進入相應(yīng)的中斷程序條件查詢，否則程序繼續(xù)等待；

步驟4：中斷條件查詢，滿足中斷條件則執(zhí)行步驟5，進入該程序首先進行中斷條件的查詢，并執(zhí)行滿足條件的中斷程序；否則執(zhí)行步驟6進入進行手柄級位參數(shù)值的信號采集程序；

步驟5：中斷子程序；

步驟6：清除液晶屏顯示；

步驟7：在采用子程序中執(zhí)行參數(shù)采集，查詢到符合程序設(shè)定的采樣次數(shù)則執(zhí)行采樣顯示子程序，否則回到步驟4。繼續(xù)步驟4開始的程序運行。

進一步，所述步驟4的中斷條件包括是否有故障以及是否有按鍵操作。

本發(fā)明是實時用單片機進行采集機車手柄級位的變化，再根據(jù)手柄級位的不同，單片機輸出3路PWM脈寬調(diào)制電壓，控制硅整流器，進而控制晶閘管的導(dǎo)通角@，控制機車三段橋的開斷，實現(xiàn)了控制機車電機的電壓，實現(xiàn)了機車的調(diào)速。

附圖說明

圖1為機車主電路原理圖；

圖2為硅整流控制器電路原理圖；

圖3為本發(fā)明裝置原理圖；

圖4為本發(fā)明所用的電源電路圖；

圖5為AMS1117產(chǎn)生3.3v電壓電路圖；

圖6為手柄級位采集模塊ADC0電路圖；

圖7為本發(fā)明工作方法流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明：

本發(fā)明基于MSP430的機車電機調(diào)速模擬裝置，包括MSP430單片機，還包括手柄級位采集模塊ADC0、第一段橋電壓輸出模塊ADC1、第二段橋電壓輸出模塊ADC2、第三段橋電壓輸出模塊ADC3、第一段橋PWM輸出及LED燈、第二段橋PWM輸出及LED燈、第三段橋PWM輸出及LED燈和用于顯示采集電壓及三斷橋開通的液晶顯示器，所述手柄級位采集模塊ADC0的信號輸出端與MSP430單片機的信號輸入端相連，所述第一段橋電壓輸出模塊ADC1的信號輸出端與MSP430單片機的信號輸入端相連，所述第二段橋電壓輸出模塊ADC2的信號輸出端與MSP430單片機的信號輸入端相連，所述第三段橋電壓輸出模塊ADC3的信號輸出端與MSP430單片機的信號輸入端相連，所述MSP430單片機的信號輸出端與第一段橋PWM輸出及LED燈的信號輸入端相連，所述MSP430單片機的信號輸出端與第二段橋PWM輸出及LED燈的信號輸入端相連，所述MSP430單片機的信號輸出端與第三段橋PWM輸出及LED燈的信號輸入端相連，所述MSP430單片機的信號輸出端與液晶顯示器的信號輸入端相連。本裝置還包括故障中斷及處理模塊，所述MSP430單片機的信號輸出端與故障中斷及處理模塊輸入端相連。

所述手柄級位采集模塊ADC0包括第十九電阻R19和第二十電阻R20，所述第十九電阻R19的1腳接3.3V電源，所述第十九電阻R19的2腳接第二十電阻R20的1腳，第二十電阻R20的2腳接地，第二十電阻R20的3腳接入MSP430單片機的P6.0口。

所述的基于MSP430的機車電機調(diào)速模擬裝置，其工作方法包括以下步驟：

步驟1:進行單片機程序初始化：定時器參數(shù)設(shè)置、液晶屏初態(tài)設(shè)置、定時器中斷端口參數(shù)設(shè)置以及指示燈輸出端口定義；

步驟2：輸入信號模-數(shù)轉(zhuǎn)換初始化參數(shù)設(shè)置；

步驟3：查詢是否符合系統(tǒng)啟動條件，如果滿足條件則進入相應(yīng)的中斷程序條件查詢，否則程序繼續(xù)等待；

步驟4：中斷條件查詢，滿足中斷條件則執(zhí)行步驟5，進入該程序首先進行中斷條件的查詢，并執(zhí)行滿足條件的中斷程序；否則執(zhí)行步驟6進入進行手柄級位參數(shù)值的信號采集程序；所述中斷條件包括是否有故障以及是否有按鍵操作。

步驟5：中斷子程序；

步驟6：清除液晶屏顯示；

步驟7：在采用子程序中執(zhí)行參數(shù)采集，查詢到符合程序設(shè)定的采樣次數(shù)則執(zhí)行采樣顯示子程序，否則回到步驟4。繼續(xù)步驟4開始的程序運行。

本發(fā)明是基于TI公司的MSP430單片機為控制系統(tǒng)核心，利用單片機內(nèi)部的AD對機車手柄級位進行實時采集，再根據(jù)手柄級位，利用單片機PWM脈寬輸出電壓控制機車主電路整流橋的電壓輸出，從而控制電機的速度。本設(shè)計的主要設(shè)計核心是用單片機取代10K給定端，從而實現(xiàn)實時采集手柄級位，根據(jù)級位控制電壓的輸出實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的智能控制與調(diào)節(jié)。

根據(jù)系統(tǒng)預(yù)定的基本要求，本系統(tǒng)要完成對手柄級位的實時采集，再根據(jù)手柄級位輸出相應(yīng)的電壓驅(qū)動電機，又要實時采集主電路實際輸出電壓，再判斷比較，同時要對故障進行相應(yīng)的處理，對系統(tǒng)的要求很高。而整個系統(tǒng)的實現(xiàn)，需要用到單片機和整個電路的供電電源。

MSP430F169功能齊全，功耗小。首先，MSP430系列單片機的電源電壓采用的是1.8～3.6V電壓。，MSP430系列單片機是超低功耗的混合型單片機，活動模式下為280uA，待機模式為1.1uA，因而其在8MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在200～400uA左右，時鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1uA。它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)備和方便靈活的開發(fā)手段。其次，MSP430單片機是16位的單片機，采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，125指令周期。眾多的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算。此外，430有眾多的模塊和中斷方式，而且，它內(nèi)部自帶8路12位ADC模塊和2路12位DAC模塊，還有timerA和timerB兩個定時器，timerA有3路，timerB有7路。它能實現(xiàn)定時、計數(shù)、脈寬調(diào)制輸出電壓，還有捕獲燈功能豐富功能。它還具有可編程點平檢測的供電電壓管理器/監(jiān)視器。而對于MSP430系列而言，不僅有這些的內(nèi)部模塊，還引進了Flash型程序存儲器和JIAG技術(shù)，可以實現(xiàn)在線編程。且其價格也比較低廉，正因為MSP430單片機有這些功能，MSP430系列產(chǎn)品能夠滿足本系統(tǒng)。綜合考慮我們選用(MSP430F169單片機)作為系統(tǒng)MCU。

MSP430單片機的工作電壓的1.8v～3.6v，需要提供3.3v的工作電壓，液晶顯示驅(qū)動電壓也需要3.3v的電壓，而級位電壓為3.3v。選用LM2576的開關(guān)電源。開關(guān)電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。PWM開關(guān)電源有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

線性電源的電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，開關(guān)電源是指用于電壓調(diào)整的管子工作在飽和和截至區(qū)即開關(guān)狀態(tài)的。從其主要特點上看：線性電源技術(shù)很成熟，制作成本較低，可以達到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒有開關(guān)電源具有的干擾與噪音，但其體積相對開關(guān)電源來說，比較龐大，且輸入電壓范圍要求高；而開關(guān)電源與之相反。開關(guān)電源是比較新的技術(shù)，它有很多的優(yōu)勢，它功耗小。效率比流行的三端穩(wěn)壓器要高的多，是理想的替代。對于本系統(tǒng)中，經(jīng)綜合考慮，本系統(tǒng)中的電源采用開關(guān)電源，芯片用LM2576和AMS1117。LM2576是單片集成電路，能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，LM2576的輸入電壓最大可以是40v，能驅(qū)動3A的負載。在指定輸入電壓和輸出負載條件下保證輸出電壓的±4﹪誤差，以及振蕩器頻率的±10﹪的誤差。其工作效率可達70﹪～90﹪內(nèi)部含固定頻率振蕩器(52KHz)和基準穩(wěn)壓器(1.23v)，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需要極少的外圍器件便可構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路。

本系統(tǒng)是實時用單片機進行采集機車手柄級位的變化，再根據(jù)手柄級位的不同，單片機輸出3路PWM脈寬調(diào)制電壓，控制硅整流器，進而控制晶閘管的導(dǎo)通角@，控制機車三斷橋的開斷，實現(xiàn)了控制機車電機的電壓，實現(xiàn)了機車的只能調(diào)速。

本發(fā)明由電源模塊、單片機模塊、復(fù)位按鍵模塊、液晶模塊、電鑰匙啟動和故障模擬按鍵模塊、手柄級位模塊、ADC采集輸出電壓模塊、輸出及顯示模塊等組成。

電源采用LM2576產(chǎn)生5v電壓，再經(jīng)AMS1117產(chǎn)生3.3v。經(jīng)過整流后得到的直流電源通過U2的1腳接入LM2576，1腳分別接C5的正極(1腳)、C6的1腳(C6為非電解電容)。U2的2腳位5V電源輸出端，接D5(6V穩(wěn)壓二極管)2腳(負極)，U2的4腳為電源反饋輸入端，其中2腳、4腳接入電感L1。L1的2腳為5V電源輸出端，接C7的1腳(C7為非電解電容)、C8的正極(1腳)。D7為電源工作指示燈，R3為限流電阻。其中D7正極(1腳)接5V電源，2腳(負極)接限流電阻R3的1腳。C5的負極(2腳)、C6的2腳、U2的3、5腳、D5的正極(1腳)、C8的負極(2腳)、C7的2腳、R3的2腳均接地。

經(jīng)前兩級濾波輸入芯片，再經(jīng)2腳輸出5v電壓，D5是穩(wěn)壓管。電感L1的選擇要根據(jù)LM2576的輸出電壓、最大輸入電源、最大的負載電流等參數(shù)選擇。據(jù)公式計算：B·T＝(Vin-Vout)×Vout/Vin×1000/f.據(jù)此來選擇電感，本設(shè)計電感值采用100uH。電容的濾波也根據(jù)輸出輸入的電壓值來計算的。

5v出來的電壓再經(jīng)AMS1117產(chǎn)生3.3v的電壓，

AMS1117穩(wěn)壓器設(shè)計用于提供1A輸出電流且工作壓差可低至1V。在最大輸出電流時，AMS1117器件的壓差保證最大不超過1.3V，并隨負載電流的減小而逐漸降低。

手柄級位用3.3v供電，經(jīng)33歐分壓，使電位器從0到2.5v的變化電壓給單片機采集，因為單片機的ADC采集電壓范圍是2.5v。手柄級位采集的時候用發(fā)光二極管來表示。根據(jù)手柄級位，要對單片機輸出PWM電壓輸出，進行實時采集。根據(jù)手柄級位，要對單片機輸出PWM電壓輸出，進行實時采集。將輸出的電壓經(jīng)電容和電阻進行濾波后，接進單片機的另兩個ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換進行采集。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)與手柄級位進行比較在控制輸出的電壓，實現(xiàn)了輸出電壓的閉環(huán)控制。這樣是系統(tǒng)更加的完善與穩(wěn)定。

單片機對手柄級位采集進來的數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后進行數(shù)據(jù)處理得到準確的電壓值。再把采集到的實際控制電壓的輸出值與手柄級位進行比較，把標準值、開通的整流橋和故障在液晶顯示屏上顯示出來，同時也用燈來顯示，當(dāng)某一斷橋電壓正在上升時，LED燈閃爍，三斷橋輸出滿電壓，就一直亮著。小故障和大故障用兩個按鍵來模擬。當(dāng)手柄級位上升時，單片機輸出控制電壓也上升；手柄級位下降時，單片機輸出電壓也下降；小故障時蜂鳴器報警，第二、三斷橋斷開；當(dāng)大故障時，蜂鳴器報警，三斷橋全斷。