翟微

摘要：基于80C196KC的原動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)借鑒并發(fā)揚(yáng)了以往原動(dòng)機(jī)各個(gè)模塊仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的學(xué)術(shù)成果。該仿真系統(tǒng)通過(guò)采用相關(guān)的計(jì)算機(jī)模擬軟件來(lái)提高原動(dòng)機(jī)整體的穩(wěn)定性、可靠性和控制精確度，通過(guò)這些性能的提高簡(jiǎn)化原動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的硬件線路，包括電流調(diào)節(jié)器線路、觸發(fā)器線路、調(diào)速器線路等。我們通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行一系列的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，基于80C196KC的原動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)不僅比設(shè)計(jì)模擬電路具有更出色的效果，而且該系統(tǒng)能更精確地對(duì)原動(dòng)機(jī)的自動(dòng)平衡與原型調(diào)速器進(jìn)行仿真模擬。

關(guān)鍵詞：原動(dòng)計(jì)算機(jī)；仿真系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1 原動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，我們無(wú)法對(duì)真實(shí)的大型原動(dòng)機(jī)，如汽輪機(jī)和水輪機(jī)進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)試，必須借助原動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)對(duì)原動(dòng)機(jī)及其內(nèi)部的各個(gè)模塊進(jìn)行模擬，以便對(duì)原動(dòng)機(jī)電路系統(tǒng)中大規(guī)模的干擾問(wèn)題和機(jī)電暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬檢測(cè)?，F(xiàn)階段在我國(guó)為原動(dòng)機(jī)建立的系統(tǒng)仿真模型大多采用模擬電路方式，雖然這種全模擬方式因省去了計(jì)算步驟而具有很快的響應(yīng)速度，但模擬電路的相關(guān)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、電子元件容易老化與損壞、維修難度大且易受到外來(lái)干擾而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果缺乏可靠性。

本文介紹基于80C196KC原動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)，通過(guò)采用數(shù)字電路替代傳統(tǒng)的模擬電路的部分功能，除了能克服以上講到的模擬電路固有的缺點(diǎn)之外，還具備兼容性強(qiáng)、易于維護(hù)、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)在仿真模型上添加人機(jī)通信模塊來(lái)連接外部傳感設(shè)備與觸屏液晶面板，可以使實(shí)驗(yàn)人員能更直接地通過(guò)數(shù)字信號(hào)將各種運(yùn)行參數(shù)上傳到計(jì)算機(jī)。原動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)除了要對(duì)原動(dòng)機(jī)本身進(jìn)行數(shù)字化仿真模擬，還要對(duì)變速器進(jìn)行仿真模擬。原動(dòng)機(jī)通過(guò)串級(jí)連接將原動(dòng)機(jī)與調(diào)速器連成一個(gè)整體，這個(gè)整體包含一個(gè)速度與電流組成的雙閉環(huán)作為數(shù)字內(nèi)環(huán)和一個(gè)單獨(dú)速度環(huán)作為數(shù)字外環(huán)。

原動(dòng)機(jī)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)自平衡，通過(guò)采用勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)對(duì)原動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬。原動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字內(nèi)環(huán)中電樞電流與轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋形成雙反饋系統(tǒng)進(jìn)行自我控制。

2 80C196KC單片機(jī)

單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）簡(jiǎn)稱單片機(jī)。它在一塊芯片上集成了微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部件：微處理器（MPu）或中央處理器（CPU），存儲(chǔ)器（包括隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM）和各種I/O接口電路（如并行I/O接口電路、串行I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器電路等）。換句話說(shuō)，一塊芯片就是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。80C196KC具有以下特點(diǎn)：

（1）80C196KC采用通用寄存器組進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入與輸出，克服了由c-51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而引起的累加器瓶頸，提高了CPU數(shù)據(jù)的讀取與寫入速度。

（2）額外增加了PTS板塊，也就是外設(shè)事務(wù)服務(wù)器，PTS構(gòu)成的高精度交流采樣系統(tǒng)可以對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行采集，大大提高了CPU數(shù)據(jù)的隨機(jī)讀取能力。

3 控制系統(tǒng)硬件

3.1 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量

旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速通常是用光學(xué)編碼器測(cè)量的，光學(xué)編碼器通過(guò)向旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)射脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)對(duì)因旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的光隔進(jìn)行感應(yīng)，再通過(guò)施密特觸發(fā)器將脈沖波形組成整形電路，再將電路信號(hào)輸送給80C196KC單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并得出旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速。其他測(cè)量方法還包括通過(guò)M測(cè)速法計(jì)算在一定時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生裝設(shè)產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，適用于高速測(cè)量；T法測(cè)速通過(guò)兩個(gè)脈沖的間隔寬度來(lái)確定兩個(gè)脈沖的時(shí)間從而計(jì)算出旋轉(zhuǎn)速度，適用于低速測(cè)量；當(dāng)我們對(duì)測(cè)量精度沒(méi)有那么嚴(yán)格的要求時(shí)，可以采用M/T法進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)通過(guò)3個(gè)計(jì)數(shù)器與計(jì)時(shí)器對(duì)定時(shí)時(shí)間、高頻脈沖和輸入脈沖進(jìn)行測(cè)量。

3.2 主程序

主程序在啟動(dòng)時(shí)首先對(duì)數(shù)字內(nèi)環(huán)中電樞電池速度與信號(hào)速度進(jìn)行采集和測(cè)量，再通過(guò)閉環(huán)運(yùn)算得出控制量，根據(jù)延遲角將控制量轉(zhuǎn)化為脈沖觸發(fā)時(shí)刻。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換

霍爾電壓、電流傳感器具有比較高的精度和運(yùn)算速度等特點(diǎn)。霍爾傳感器將勵(lì)磁電流、電樞電流與端電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號(hào)，再通過(guò)精密測(cè)量電阻將電流信號(hào)最終傳輸?shù)絺鞲衅鱽?lái)完成A/D轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于80C196KC的原動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)，通過(guò)一系列軟件與硬件在最大程度上發(fā)揮了80C196KC單片機(jī)的強(qiáng)大性能，尤其是對(duì)SHI、HS0、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行充分調(diào)動(dòng)，使單片機(jī)通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)就可以得到比較快的運(yùn)算速度，使仿真系統(tǒng)能夠適應(yīng)更多的仿真參數(shù)。