CN102897175B - 一种电动式山地果园单轨运输车的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动式山地果园单轨运输车的控制装置及控制方法，包括车载控制装置和手持遥控器，所述车载控制装置包括带有霍尔传感器的无刷直流电机、无刷直流电机控制器、直流电源、电压转换电路、电机转向控制电路、调速电路、停车电路、电磁式失电制动器和单片机。本发明利用霍尔传感器测量行驶速度，单片机根据霍尔传感器测量出的速度决定控制电磁式失电制动器是否进行减速制动，同时利用手持遥控器控制单轨运输车的前进、后退、加速、减速和停车，从而实现在无人驾驶的情况下对单轨运输车的安全、灵活控制。

Description

一种电动式山地果园单轨运输车的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及单轨运输车，具体涉及一种电动式山地果园单轨运输车的控制装置及控制方法。

背景技术

我国果园栽培区主要集中在地形复杂、多为丘陵的山地，立地条件差，传统的机械很难进入果园开展作业，果品和农资的运送主要依靠人工肩担背负的运送方式，这种运输方式劳动强度大、效率低、成本高。而且随着越来越多的青壮年跑到大城市工作，造成果园的青壮年劳动力的减少，同时劳动成本提高，都严重制约了山地果园的发展。

山地果园单轨车因其轨道轻便、架设简单、占地面积小、爬坡能力强、运输效率高、可拆卸反复利用等特点广泛应用于日本、韩国和我国台湾等多山多丘陵地区。我国内陆单轨运输车起步较晚，目前尚未开发出较成熟的单轨果园运输车，仍处于试运行阶段。目前大多数的单轨运输车都以柴油机或者汽油机作为动力源。在运行过程中会造成一定的污染，柴油机或汽油机的工作噪声大，机车的油耗量大，经济性一般。大多数此类单轨运输车仍需人手动驾驶，在大坡度的山地果园运行时存在一定的人身安全威胁。农村地区加油站一般位于村镇中心，而果园离村镇中心距离较远，加油不便，难以大量使用汽、柴油动力的运输机械。

因此针对现有山地单轨车的不足设计了一种电动式山地单轨运输车，为其提供一种能够实现无人驾驶的可遥控式山地单轨运输车的控制装置显得尤为重要。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种能够远距离控制、智能化高、安全系数高的电动式山地果园单轨运输车的控制装置及控制方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本电动式山地果园单轨运输车的控制装置，包括车载控制装置和手持遥控器，所述车载控制装置包括带有霍尔传感器的无刷直流电机、无刷直流电机控制器、电源、电压转换电路、电机转向控制电路、调速电路、停车电路、电磁式失电制动器和单片机；所述电源通过电压转换电路与单片机连接，电源通过无刷直流电机控制器与无刷直流电机连接；霍尔传感器与单片机连接；电磁式失电制动器安装于无刷直流电机的转轴，同时连接于单片机和电源；所述调速电路与无刷直流电机控制器连接，同时与单片机连接；电机转向控制电路同时连接于无刷直流电机控制器和单片机；停车电路同时连接无刷直流电机控制器和单片机；手持遥控器与单片机信号连接。车载控制装置设置有遥控接收模块，此遥控接收模块与单片机连接，从而单片机可以接收手持遥控器发出的控制信号，实现远距离控制单轨运输车的行驶。

所述电源为48V电源，且由四个12V，28A·h的胶体蓄电池串联组成，利用电源箱安装于单轨运输车的车体前方。48V电源通过无刷直流电机控制器向无刷直流电机提供电力驱动；48V电源通过电源电路中的稳压电路和电压转换电路转换为5V电压，为单片机、数控电位器、限位开关、继电器等提供电力。

所述电机转向控制电路包括三极管和继电器，三极管的基极与单片机的P0.4接口连接，集电极连接地，发射极与继电器连接，同时此电机转向控制电路设置有一个二极管与继电器并联，从而二极管对继电器起保护作用，防止电流换向时逆转对继电器造成烧毁。

所述停车电路包括三极管和继电器，三极管的基极与单片机的P0.2接口连接，集电极连接地，发射极与继电器连接，同时此停车电路设置有一个二极管与继电器并联，从而二极管对继电器起保护作用，防止电流换向时逆转对继电器造成烧毁。

作为一种优选，所述电动式山地果园单轨运输车的控制装置还包括刹车开关，所述电磁式失电制动器通过刹车开关分别连接于单片机和电源。48V电源向电磁式失电制动器供电，通过刹车开关控制电磁式失电制动器的电流通断。

所述刹车开关包括三极管和继电器，三极管的基极与单片机的P0.3接口连接，集电极连接地，发射极与继电器连接，同时此刹车开关设置有一个二极管与继电器并联，从而二极管对继电器起保护作用，防止电流换向时逆转对继电器造成烧毁。当单轨运输车的行驶速度超过安全速度时，单片机控制三极管处于低电平，继电器断电，从而电磁式失电制动器的电磁线圈产生的磁场消失，弹簧复位，则电磁式失电制动器的电磁滑块与无刷直流电机的摩擦块摩擦，使电机减速转动；经过电磁式失电制动器刹车后，单轨运输车的行驶速度低于安全速度后，单片机控制三极管处于高电平，继电器通过电，从而电磁式失电制动器的电磁线圈产生磁场吸附衔铁，摩擦片与制动器分离，此时电机不受到摩擦阻力作用，运行速度不受影响。通过对继电器的电流通断，控制装置实现在无人驾驶的情况下对单轨运输车的安全、灵活控制。

所述电动式山地果园单轨运输车的控制装置还包括限位电路，所述限位电路包括限位开关和限位档杆，限位开关安装于单轨运输车的下方，限位档杆安装于单轨运输车行驶的轨道。限位电路可令单轨运输车自动停车。在行驶过程中，当限位开关与限位档杆接触时，限位开关向单片机发出停车的命令，单片在接收到此命令后控制停车电路，使无刷直流电机控制器控制无刷直流电机停止，从而令单轨运输车停止运行。而限位档杆的安装位置和安装数量可根据需要而定，可以安装在单轨运输车常需要停止的地方。如水果的装载处、肥料的下放处等。

所述限位档杆的数目为2根，2根限位档杆分别安装于轨道的始末端。从安全的角度考虑，将限位档杆安装于始末端可防止单轨运输车驶出轨道。从而即使操作人员在遥控时不能及时的按停止命令按钮，单轨道运输车也不会驶出轨道造成翻车。避免单轨运输车的水果翻在地上，造成成本的浪费。

所述单片机为stc89c52单片机。

所述调速电路包括AD5241数控电位器，AD5241数控电位器与单片机信号连接，同时连接无刷直流电机控制器的调速端口。单片机可通过I2C总线写入相应设定数值，调节数控电位器AD5241的输出电阻值，替代了传统机械电位器，实现可遥控式连续数字化调速。

所述电动式山地果园单轨运输车的控制装置还包括手动控制装置，所述手动控制装置设置有三个分别与单片机连接并分别用于控制单轨运输车前进、后退和停止的按键；手动控制装置安装于单轨运输车的车体上。

所述无刷直流电机为带霍尔传感器的三相永磁无刷直流电机。选用48V，600W的三相永磁无刷直流电机，用于将电能转换成机械能，从而驱动单轨运输车在轨道上运行。

所述三相永磁无刷直流电机内部霍尔传感器的数目为三个，用于测定当前电机内部转子的位置信息，当电机转子转到A、B或C相时，位于A、B或C相的相应霍尔传感器输出高电平信号，选用A相霍尔传感器输出信号，当电机转过一圈时输出一个周期的方波信号，将此信号反馈给单片机，计算1s内电机转过的圈数，即可计算出当前电机的转速信息。

本发明的电动式山地果园单轨运输车的控制方法：

所述的单轨运输车在固定的轨道上运行；

当单轨运输车处于遥控状态时，手持遥控器对单轨运输车发出前进、后退、加速、减速和停止中的任意一种控制命令；当单片机接收到手持遥控器发出的前进命令时，单片机通过电机转向控制电路使无刷直流机控制器正相序驱动无刷直流电机的功率管，令无刷直流电机正转，单轨运输车向前行驶；当单片机接收到手持遥控器发出的后退命令时，单片机通电机转向控制电路使无刷直流控制器反相序驱动无刷直流电机的功率管，令无刷直流电机反转，单轨运输车向后行驶；当单片机接收到加速或减速的命令时，单片机控制调速电路中的数控电位器，调节数控电位器的输出电阻值，改变输出电压，无刷直流电机控制器根据数控电位器的输出电压大小调节PWM脉宽，从而控制无刷直流电机的转速；当单片机接收到停止命令时，单片机通过停车电路向无刷直流电机控制器控制指令，无刷直流电机控制器控制无刷直流电机停止转动，令单轨运输车停止行驶；

当单轨运输车处于手动状态时，操作人员通过按动手动控制装置中的前进、后退和停止中的任意一个按键，向单片机发出控制指令，单片机控制单轨运输车执行相应的命令，令单轨运输车前进或后退或停止；

在单轨运输车在运行的过程中，霍尔传感器检测无刷直流电机的转动速度，并将检测到的速度数值发送单片机；单片机接收到此数值后，将此数值与单片机设定的安全数值进行对比；当接收到的数值大于安全数值时，单片机通过刹车开关控制电磁式失电制动器刹车，使电机减速转动，实现自动减速；当接收到的数值小于平地运行安全数值时，单片机通过刹车开关控制电磁式失电制动器停止刹车，使电机正常转动，从而减少刹车带来的能源消耗，同时提高运行车速。

当单轨运输车行驶到轨道的始末端时，限位开关与限位档杆接触，令单轨运输车停止，实现自动停车。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本发明的电动式山地果园单轨运输车的控制装置通过手持遥控器控制单轨运输车，从而可令操作人员远距离控制在果园中行驶的单轨运输车的前进、后退、加速、减速和停止，大大提高了安全性。

2、本发明的电动式山地果园单轨运输车的控制装置采用直流无刷电动机为单轨运输车的动力源，从而减少空气污染，同时避免动力源发出非常大的噪音。

3、本发明的电动式山地果园单轨运输车的控制装置通过自动控制电磁式失电制动器，令单轨运输车超过安全速度后会进行自动减速，大大提高了运输车的智能化和安全性。

附图说明

图1是本发明的电动式山地果园单轨运输车的控制装置的结构示意图。

图2是本发明的电动式山地果园单轨运输车的控制装置结构框图。

图3是本发明的电动式山地果园单轨运输车的控制装置的总电路图。

图4是本发明的速度闭环控制电路框图。

图5是本发明的电磁式失电制动器的连接电路图。

图6是本发明的电机转向控制电路图。

图7是本发明的停车电路图。

图8是本发明的限位开关的电路图。

图9是本发明的数控电位器的电路图。

图10是本发明的速度反馈电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示的一种电动式山地果园单轨运输车3的控制装置，包括车载控制装置6和手持遥控器，所述车载控制装置6包括带有霍尔传感器的无刷直流电机、无刷直流电机控制器、电源、电压转换电路、电机转向控制电路、调速电路、停车电路、电磁式失电制动器和单片机；所述电源通过电源电路与单片机连接，电源通过无刷直流电机控制器与无刷直流电机连接；霍尔传感器与单片机连接；电磁式失电制动器安装于无刷直流电机的转轴，同时连接于单片机和电源；所述调速电路与无刷直流电机控制器连接，同时与单片机连接；电机转向控制电路同时连接于无刷直流电机控制器和单片机；停车电路同时连接无刷直流电机控制器和单片机；手持遥控器与单片机信号连接。车载控制装置6设置有遥控接收模块5，此遥控接收模块5与单片机连接，从而单片机可以接收手持遥控器发出的控制信号，实现远距离控制单轨运输车3在轨道2上的行驶。

所述电源为48V电源，且由四个12V，28A·h的胶体蓄电池串联组成，利用电源箱4安装于单轨运输车3的车体前方。48V电源通过无刷直流电机控制器向无刷直流电机提供电力驱动；48V电源通过电源电路中的稳压电路和电压转换电路转换为5V电压为单片机、数控电位器、限位开关7、继电器等提供电力。

如图6，所述电机转向控制电路包括三极管Q1和继电器K1，三极管Q1的基极与单片机的P0.4接口连接，集电极连接地，发射极与继电器连接，同时此电机转向控制电路设置有一个二极管D1与继电器K1并联，从而二极管D1对继电器K1起保护作用，防止电流换向时逆转对继电器K1造成烧毁。

如图7，所述停车电路包括三极管Q2和继电器K2，三极管Q2的基极与单片机P0.2的接口连接，集电极连接地，发射极与继电器K2连接，同时此停车电路设置有一个二极管D2与继电器K2并联，从而二极管D2对继电器K2起保护作用，防止电流换向时逆转对继电器K2造成烧毁。

如图3、图4和图5，所述电动式山地果园单轨运输车3的控制装置还包括刹车开关，所述电磁式失电制动器通过刹车开关分别连接于单片机和电源。48V电源向电磁式失电制动器供电，通过刹车开关控制电磁式失电制动器的电流通断。

所述刹车开关包括三极管Q3和继电器K3，三极管Q3的基极与单片机连接，集电极连接地，发射极与继电器K3连接，同时此刹车开关设置有一个二极管D6与继电器K3并联，从而二极管D6对继电器K3起保护作用，防止电流换向时对继电器K3造成烧毁。当单轨运输车3的行驶速度超过安全速度时，单片机控制三极管处于低电平，继电器断电，从而电磁式失电制动器的电磁线圈产生的磁场消失，弹簧复位，则电磁式失电制动器的电磁滑块与无刷直流电机的摩擦块摩擦，使电机减速转动；经过电磁式失电制动器刹车后，单轨运输车3的行驶速度低于安全速度后，单片机控制三极管处于高电平，继电器通过电，从而电磁式失电制动器的电磁线圈产生磁场吸附衔铁，摩擦片与制动器分离，此时电机不会受到摩擦阻力作用，运行速度不受影响。通过对继电器的电流通断，控制装置实现在无人驾驶的情况下对单轨运输车3的安全、灵活控制。

如图1和图8所述电动式山地果园单轨运输车3的控制装置还包括限位电路，所述限位电路包括限位开关7和限位档杆1，限位开关7安装于单轨运输车3的下方，限位档杆1安装于单轨运输车3行驶的轨道2。所述限位开关7使用利用集成电路74LS11与单片机P3.3接口连接。当限位开关7与限位档杆1接触时，限位开关7向单片机发出控制信号，单片在接收到此信号后控制停车电路，使无刷直流电机控制器控制无刷直流电机停止，从而令单轨运输车3停止运行。

所述限位档杆1的数目为2根，2根限位档杆1分别安装于轨道2的始末端。操作人员的操作时可能会出现分神的情况，当单轨运输车3行驶到轨道2的始末端时，操作人员即使忘按手持遥控器的停止功能按钮，单轨运输车3也会因为限位电路的设置而不会跑出轨道造成翻车。

所述单片机为stc89c52单片机。

如图3和图9，所述调速电路包括AD5241数控电位器，AD5241数控电位器与单片机信号连接，同时连接无刷直流电机控制器的调速端口。AD5241数控电位器中的SCL和SDA端口2分别连接于单片机的P1.6和P1.7端口，单片机通过模拟I²C总线的方式实现控制信号的传递，同时AD5241数控电位器连接无刷直流电机控制器的调速端口。单片机可通过I²C总线写入相应设定数值，调节数控电位器AD5241的输出电阻值，替代了传统机械电位器，实现数字化可遥控连续调速。

所述电动式山地果园单轨运输车3的控制装置还包括手动控制装置，所述手动控制装置设置有三个分别与单片机连接并分别用于控制单轨运输车前进、后退和停止的按键；手动控制装置安装于单轨运输车3上。当手持遥控器无法工作时，手动控制装置将作为备用控制单轨运输车3。因为本发明的电动式山地果园单轨运输车3的行驶速度较慢，所以操作人员可以跑到单轨运输车3的旁边按动手动控制装置的按键，从而保证手持摇控器无法工作时单轨运输车3还可以正常行驶。

所述无刷直流电机为带霍尔传感器的三相永磁无刷直流电机。选用48V，600W的三相永磁无刷直流电机，用于将电能转换成机械能，从而驱动单轨运输车3在轨道2上运行。

所述三相永磁无刷直流电机内部霍尔传感器的数目为三个，用于测定当前电机内部转子的位置信息，当电机转子转到A、B或C相时，位于A、B或C相的相应霍尔传感器输出高电平信号。选用A相霍尔传感器输出信号，当电机转过一圈时输出一个周期的方波信号，将此信号反馈给单片机，计算1s内电机转过的圈数，即可计算出当前电机的转速信息。

如图3和图10，所述霍尔传感器与速度反馈电路中的运算放大器的同相输入端口连接，而运算放大器的输出端口与单片机的P3.5接口连接，从而实现速度信息的传输。

本发明的电动式山地果园单轨运输车3的控制方法：

所述的单轨运输车3在固定的轨道2上运行；

当单轨运输车3处于遥控状态时，手持遥控器对单轨运输车3发出前进、后退、加速、减速和停止中的任意一种控制命令；当单片机接收到手持遥控器发出的前进命令时，单片机通过电机转向控制电路使无刷直流机控制器正相序驱动无刷直流电机的功率管，令无刷直流电机正转，单轨运输车3向前行驶；当单片机接收到手持遥控器发出的后退命令时，单片机通电机转向控制电路使无刷直流控制器反相序驱动无刷直流电机的功率管，令无刷直流电机反转，单轨运输车3向后行驶；当单片机接收到加速或减速的命令时，单片机控制调速电路中的数控电位器，调节数控电位器的输出电阻值，改变接入无刷直流电机控制器的输出电压，无刷直流电机控制器根据数控电位器输出电压大小调节PWM脉宽，从而控制无刷直流电机的转速；当单片机接收到停止命令时，单片机通过停车电路向无刷直流电机控制器控制指令，无刷直流电机控制器控制无刷直流电机停止转动，令单轨运输车3停止行驶；

当单轨运输车3处于手动状态时，操作人员通过按动手动控制装置中的前进、后退和停止中的任意一个按键，向单片机发出控制指令，单片机控制单轨运输车3执行相应的命令，令单轨运输车3前进或后退或停止；

在单轨运输车3在运行的过程中，霍尔传感器检测无刷直流电机的转动速度，并将检测到的速度数值发送单片机；单片机接收到此数值后，将此数值与单片机设定的安全数值进行对比；当接收到的数值大于安全数值时，单片机通过刹车开关控制电磁式失电制动器刹车，使电机减速转动，实现自动减速；当接收到的数值小于平地运行安全数值时，单片机通过刹车开关控制电磁式失电制动器停止刹车，使电机正常转动，从而减少刹车带来的能源消耗，同时提高运行车速。

当单轨运输车3行驶到轨道的始末端时，限位开关7与限位档杆1接触，令单轨运输车3停止，实现自动停车。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动式山地果园单轨运输车的控制装置，其特征在于：包括车载控制装置和手持遥控器，所述车载控制装置包括带有霍尔传感器的无刷直流电机、无刷直流电机控制器、直流电源、电压转换电路、电机转向控制电路、调速电路、停车电路、电磁式失电制动器和单片机；所述电源通过电源电路与单片机连接，电源通过无刷直流电机控制器与无刷直流电机连接；霍尔传感器与单片机连接；电磁式失电制动器安装于无刷直流电机的转轴，同时连接于单片机和电源；所述调速电路与无刷直流电机控制器连接，同时与单片机连接；电机转向控制电路同时连接于无刷直流电机控制器和单片机；停车电路同时连接无刷直流电机控制器和单片机；手持遥控器与单片机信号连接；

所述电机转向控制电路包括三极管Q1、继电器K1和二极管D1，三极管Q1的基极与单片机的P0.4接口连接，集电极连接地，发射极与继电器K1连接，所述二极管D1与继电器K1并联；

所述停车电路包括三极管Q2、继电器K2和二极管D2，三极管Q2的基极与单片机的P0.2接口连接，集电极连接地，发射极与继电器K2连接，所述二极管D2与继电器K2并联。

2.根据权利要求1所述的电动式山地果园单轨运输车的控制装置，其特征在于：还包括刹车开关，所述电磁式失电制动器通过刹车开关分别连接于单片机和电源。

3.根据权利要求2所述的电动式山地果园单轨运输车的控制装置，其特征在于：还包括限位电路，所述限位电路包括限位开关和限位档杆，限位开关安装于单轨运输车的下方，限位档杆安装于单轨运输车行驶的轨道。

4.根据权利要求3所述的电动式山地果园单轨运输车的控制装置，其特征在于：所述限位档杆的数目为2根，2根限位档杆分别安装于轨道的始末端。

5.根据权利要求4所述的电动式山地果园单轨运输车的控制装置，其特征在于：所述调速电路包括AD5241数控电位器，AD5241数控电位器与单片机信号连接，同时连接无刷直流电机控制器的调速端口。

6.根据权利要求5所述的电动式山地果园单轨运输车的控制装置，其特征在于：还包括手动控制装置，所述手动控制装置设置有三个分别与单片机连接并分别用于控制单轨运输车前进、后退和停止的按键；手动控制装置安装于单轨运输车上。

7.根据权利要求1所述的电动式山地果园单轨运输车的控制装置，其特征在于：所述单片机为stc89c52单片机。

8.根据权利要求1所述的电动式山地果园单轨运输车的控制装置，其特征在于：所述无刷直流电机为带霍尔传感器的三相永磁无刷直流电机。