机车受电弓试验系统研究
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摘要
机车受电弓是电力机车重要的高压电器。针对目前机务部门传统检测方式和部分大型测试系统的局限，本论文论述和设计了新型的机车受电弓性能参数便携式检测系统。基于“上车在线检修”的思想，测试系统的小型化、便携化给系统的选型及构建提出了较高要求：系统采用直流蓄电池供电；研制了内置控制用110V直流电源；设计了基于上下位单片机的智能型混合式步进电机驱动回路；应用液晶显示技术配以小键盘为系统提供了便捷的人机对话接口；以MCU为核心的检测控制单元协调整个系统运作，提供了高精度的数据采集、分析和处理平台。
论文首先分析了目前机车受电弓检修方式存在的局限并概述了本论文研制的受电弓测试系统的体系架构；第二章对系统内置110V直流控制电源进行了分析和设计，结合试验对输出PWM振荡、输出电源噪声大、输出电压下跌等现象进行了分析并提出解决措施；第三章论述了步进电机的驱动，结合步进电机微步驱动技术研制了基于上下位单片机组的混合式步进电机智能驱动电路，并在试验中得以验证；第四章详述了液晶驱动及显示技术，利用一款液晶显示模块TLM12864H研制出本系统用液晶显示电路，设计了菜单式的程序结构并以Franklin C51编程方式给出部分子程序代码；第五章则将以上构建的整个系统应用在机车受电弓的实测中，并对测试分辨率进行了分析。最后则就该论文研制的测试系统进行了小结。总体来说，本论文设计的机车受电弓性能参数便携式测试系统拥有优化的系统结构，优良的操作平台，高精度的测试方案，集新颖性、实用性于一体。
Electric Bow is one of Locomotive's important high-voltage equipments. Aiming at the present detection limitations inherent in the traditional testing methods and some large scale testing systems,a new portable testing system on the parameter and capability of Locomotive's electric bow is dissertated and designed. According to the "On board-On line testing" idea,it brings developers a high requirement to construct and design a mini & portable detection system:to power the system using DC(Direct Current) storage battery;to develop an 110V DC power supply used for control in this system;to design an intelligent driving loop for Hybrid stepping motor based on the Main-Sub Microprocessor group;to provide workers a friendly interface using the LCD(Liquid Crystal Displaying) technology and a mini-keyboard;to Harmonize the whole system using MCU based detection and control cell to provide a high precise platform to the data acquisition,the data analysis,as well as the data saving.
Firstly,the current testing localization in the detection of electric bow is analyzed and the new system's whole construction developed in this thesis is introduced;In the 2rd chapter,the embedded 110V DC power supply is analyzed and constructed,and with experiments,some dissonant results such as the fluctuation of output PWM(Pulse Width Modulation) pulses,the power noise added to output voltage,and the drop of output voltage have been analyzed and the problems have been broken down one by one;In chapter 3,stepping motor's drive has been systematically dissertated,and combing stepping motor's subdivided drive technology,the author develops an intelligent mini-step driving circuit using a Main-Sub Microprocessor structure,which is validated in the hybrid stepper based system;In the 4th chapter,Liquid Crystal driving and displaying technology is specified in detail,with one sort of LCD modules (TLM12864H),the author develops an feasible circuit for the new testing system,designs a menu mode based program struc
ture and brings here some programming codes using Franklin C51 programming language;In chapter 5,the above built system is used in the electric bow's practical detection,and the differentiating rate of this system is analyzed. In the final parts of this thesis,the author retraces back to this system and draws a conclusion. In general,the portable testing system on the capability and parameter of Locomotive's electric bow possesses an optimized system structure,an excellent operating platform,high precise testing methods,and provides us a system with novelty as well as practicality.
论文首先分析了目前机车受电弓检修方式存在的局限并概述了本论文研制的受电弓测试系统的体系架构；第二章对系统内置110V直流控制电源进行了分析和设计，结合试验对输出PWM振荡、输出电源噪声大、输出电压下跌等现象进行了分析并提出解决措施；第三章论述了步进电机的驱动，结合步进电机微步驱动技术研制了基于上下位单片机组的混合式步进电机智能驱动电路，并在试验中得以验证；第四章详述了液晶驱动及显示技术，利用一款液晶显示模块TLM12864H研制出本系统用液晶显示电路，设计了菜单式的程序结构并以Franklin C51编程方式给出部分子程序代码；第五章则将以上构建的整个系统应用在机车受电弓的实测中，并对测试分辨率进行了分析。最后则就该论文研制的测试系统进行了小结。总体来说，本论文设计的机车受电弓性能参数便携式测试系统拥有优化的系统结构，优良的操作平台，高精度的测试方案，集新颖性、实用性于一体。
Electric Bow is one of Locomotive's important high-voltage equipments. Aiming at the present detection limitations inherent in the traditional testing methods and some large scale testing systems,a new portable testing system on the parameter and capability of Locomotive's electric bow is dissertated and designed. According to the "On board-On line testing" idea,it brings developers a high requirement to construct and design a mini & portable detection system:to power the system using DC(Direct Current) storage battery;to develop an 110V DC power supply used for control in this system;to design an intelligent driving loop for Hybrid stepping motor based on the Main-Sub Microprocessor group;to provide workers a friendly interface using the LCD(Liquid Crystal Displaying) technology and a mini-keyboard;to Harmonize the whole system using MCU based detection and control cell to provide a high precise platform to the data acquisition,the data analysis,as well as the data saving.
Firstly,the current testing localization in the detection of electric bow is analyzed and the new system's whole construction developed in this thesis is introduced;In the 2rd chapter,the embedded 110V DC power supply is analyzed and constructed,and with experiments,some dissonant results such as the fluctuation of output PWM(Pulse Width Modulation) pulses,the power noise added to output voltage,and the drop of output voltage have been analyzed and the problems have been broken down one by one;In chapter 3,stepping motor's drive has been systematically dissertated,and combing stepping motor's subdivided drive technology,the author develops an intelligent mini-step driving circuit using a Main-Sub Microprocessor structure,which is validated in the hybrid stepper based system;In the 4th chapter,Liquid Crystal driving and displaying technology is specified in detail,with one sort of LCD modules (TLM12864H),the author develops an feasible circuit for the new testing system,designs a menu mode based program struc
ture and brings here some programming codes using Franklin C51 programming language;In chapter 5,the above built system is used in the electric bow's practical detection,and the differentiating rate of this system is analyzed. In the final parts of this thesis,the author retraces back to this system and draws a conclusion. In general,the portable testing system on the capability and parameter of Locomotive's electric bow possesses an optimized system structure,an excellent operating platform,high precise testing methods,and provides us a system with novelty as well as practicality.
引文
[1] K. Mark Smith, Jr., Keyue Ma Smedley. Properties and Synthesis of Passice Lossless Soft-switching PWM Converters. IEEE Trans. Power Electronics Vol.14(5)
[2] K. D. T. Ngo. Generalization of resonant switches and quasiresonant DC-DC converters. IEEE PESC' 87.
[3] G. Hua, C. S. Leu and F. C. Lee. Novel zero-voltage-transition PWM converters. IEEE PESC'92.
[4] J. Pinto, A. Pereira, V. Farias, L Freitas, and J. Vieira Jr.. A new boost converter using a non-dissipative snubber. IEEEPESC' 96.
[5] D. Maksimovic and C. Cuk. General properties and synthesis of PWM DC-DC converters. PH. D Thesis, California Institute of Technology, 1989.
[6] I. Jitaru. Soft Transitions Power Factor Correction Circuit. HFPC' 93
[7]陈少屏，梁冠安，庞永强，一种新型无源无损软开关Boost变换器。电源技术应用，2001年12月第12期。
[8]欧阳长莲，一种新的PWMDC—DC变换器建模方法。南京航空航天大学学报，第33卷第3期。
[9]叶慧贞，杨兴洲，新颖开关稳压电源。国防工业出版社，1999。
[10]邵丙衡，电力电子技术。中国铁道出版社，1997。
[11]刘胜利，现代高频开关电源实用技术。电子工业出版社，2001。
[12]赵良炳，现代电力电子技术基础。清华大学出版社，1999。
[13]张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计。电子工业出版社，1999。
[14]顾卫东，完善受电弓检修中调试工艺的措施。电力机车技术，1996年第4期。
[15]郑利军，任天良，姜燕，PWM方式开关电源中IGBT的损耗分析。电力电子技术，1999年第5期。
[16]黄允千，俞建锋，部分谐振型DC-DC变换器高输出功率化的研究。上海海运学院学报，1999年第3期。
[17]宋军军，高频开关电源开关损耗的成因及改进方法。电信科学，1998年第12期。
[18]赵辉，王洪君，具有最小开关损耗的DC-DC升压变换器。山东工业大学学报，2000年6月第3期。
[19]李明，王晓宝，有效抑制IGBT模块应用中的过电压。电焊机，2001年3月。
[20]雷开卓，韦力，刘树林，DCM Buck-PFC电路的临界电感与波形畸变。西北工业大学学报，1999年11月。
[21]林波涛，工作于断续电感电流模式的PWM开关变换器的统一建模方法。电子学报，1999年2月。
[22]段红，单片机模拟量测量系统误差分析与自动调校方法。浙江丝绸工学院学报，1999年3月。
[23]王炜，基于8031单片机的多路数据采集系统。天津职业技术师范学院学报，2001年3月。
[24]陈小龙，庞国仲，王祥忠，实时单片机通讯网络中的内存管理。电子技术应用，2000年第1期。
[25]张晓强，于洪珍，徐立中，微机与单片机通讯接口电路。煤矿自动化，1996年第2期。
[26]王良润，主从分布式系统主单片机串行通讯管理的新方法。鞍山钢铁学院学报，2000年第6期。
[27]林波，李兴根，混合式步进电机SPWM微步驱动技术的研究。微电机，2000年第33卷第3期。
[28]刘宝廷，程树康，步进电动机及其驱动控制系统。哈尔滨工业大学出版社，1997。
[29]尚玲，功率步进电机的微机控制。西南交通大学硕士论文，1996。
[30]黄友锐，周绩贤，混合式步进电机的新型驱动电路。淮南矿业学院学报，1998年第18卷第1期。
[31]刘贤兴，混合式直线步进电机微机控制系统。江苏理工大学学报，1994年第15卷第6期。
[32]高海涛，五相混合式步进电机驱动电源的研制。1996年第6期。
[33]陈培民，新型五相混合式步进电机微机驱动。机械与电子，1995年第5期。
[34]吴世林，一种小功率混合式步进电机驱动器的开发。武汉科技学院学报，2000年第13卷第4期。
[35]孙建辉，最佳力矩跟随的混合式步进电机微机控制系统。微电机，1997年第30卷第2期。
[36]朱志坚，三种典型的步进电机驱动电路特性分析。新疆工学院学报，1999年第20卷第3期。
[37]张志利，步进电机超高分辨率细分控制函数发生器的设计与实现。微特电机，2001年第1期。
[38]华蕊，步进电机细分驱动技术综述。佛山科学技术学院学报，1999年第17卷第3期。
[39]叶树林，刘晋春，单片机控制的步进电机脉宽调制式细分驱动系统。机械与电子，1994年5月。
[40]宋文阁，王学俊，关翠苓，步进电机细分驱动控制系统。大连轻工业学院学报，1998年第17卷第4期。
[41]孔令山，熊坚，双极性步进电机细分驱动器的设计与实现。光电工程，1997年第24卷第6期。
[42]胡准庆，郭世勇，液晶显示器与单片机接口技术。电子工程师，1999年6月。
[43]夏代林，余本胜，单片机高级语言Franklin C51在LCD汉字显示程序设计中的应用。焦作工学院学报，2000年第19卷第1期。
[44]王华，王键琪，杨国胜，点阵式LCD在汉字显示中的应用。电子技术，1994年第8期。
[45]王会燃，马瑞芳，点阵式液晶显示系统的设计。微机发展，1999年第2期。
[46]王勋，黄益庄，点阵图形式液晶显示器的应用。华东交通大学学报，1998年第15卷第3期。
[47]蔡启仲，方华，点阵液晶显示模块的坐标与图形的绘制。电测与仪表，2001年第12期。
[48]张劲松，周永鹏，图形式LCD在应用中的汉字显示技术。现代电子技术，2000年6月。
[49]周箭，陈隆道，液晶显示技术在智能化测试仪中的应用。电测与仪表，1998年第10期。
[50]贺利洁，液晶显示器接口硬件的设计。哈尔滨科学技术大学学报，1995年第19卷第5期。
[51]雷有华，梁振波，中小规模点阵图形式液晶模块电路的分析和设计。清华大学学报，1995年第35卷第4期。
[52]徐家喜，字符点阵式LCD菜单化设计在便携式仪表中的应用。南京师范专科学校学报，1999年第15卷第4期。
[53]陈安凯，陈嘉，最新国外集成电路数据手册。人民邮电出版社，1995。
[54]马忠梅，籍顺心，张凯，马岩，单片机的C语言应用程序设计。北京航空航天大学出版社，1998。
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[36]朱志坚，三种典型的步进电机驱动电路特性分析。新疆工学院学报，1999年第20卷第3期。
[37]张志利，步进电机超高分辨率细分控制函数发生器的设计与实现。微特电机，2001年第1期。
[38]华蕊，步进电机细分驱动技术综述。佛山科学技术学院学报，1999年第17卷第3期。
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[40]宋文阁，王学俊，关翠苓，步进电机细分驱动控制系统。大连轻工业学院学报，1998年第17卷第4期。
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[42]胡准庆，郭世勇，液晶显示器与单片机接口技术。电子工程师，1999年6月。
[43]夏代林，余本胜，单片机高级语言Franklin C51在LCD汉字显示程序设计中的应用。焦作工学院学报，2000年第19卷第1期。
[44]王华，王键琪，杨国胜，点阵式LCD在汉字显示中的应用。电子技术，1994年第8期。
[45]王会燃，马瑞芳，点阵式液晶显示系统的设计。微机发展，1999年第2期。
[46]王勋，黄益庄，点阵图形式液晶显示器的应用。华东交通大学学报，1998年第15卷第3期。
[47]蔡启仲，方华，点阵液晶显示模块的坐标与图形的绘制。电测与仪表，2001年第12期。
[48]张劲松，周永鹏，图形式LCD在应用中的汉字显示技术。现代电子技术，2000年6月。
[49]周箭，陈隆道，液晶显示技术在智能化测试仪中的应用。电测与仪表，1998年第10期。
[50]贺利洁，液晶显示器接口硬件的设计。哈尔滨科学技术大学学报，1995年第19卷第5期。
[51]雷有华，梁振波，中小规模点阵图形式液晶模块电路的分析和设计。清华大学学报，1995年第35卷第4期。
[52]徐家喜，字符点阵式LCD菜单化设计在便携式仪表中的应用。南京师范专科学校学报，1999年第15卷第4期。
[53]陈安凯，陈嘉，最新国外集成电路数据手册。人民邮电出版社，1995。
[54]马忠梅，籍顺心，张凯，马岩，单片机的C语言应用程序设计。北京航空航天大学出版社，1998。