CN104085315A - 一种电动教练车控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动教练车控制系统，该控制系统包括单片机、电机驱动电路、电机转速测量电路、怠速调节电路、电子油门踏板、制动开关、空挡开关、点火开关，所述电机驱动电路、电机转速测量电路、怠速调节电路、电子油门踏板、制动开关、空挡开关、点火开关分别与单片机相连，本发明所述电动教练车控制系统根据驾驶者操作意图并结合操作过程中相应传感器信号，分析、计算输入信号，模拟燃油车运行工况，控制驱动信号输出，从而控制电机转速，满足电动教练车操作要求，保持其工作稳定性。该系统具有硬件结构简单，采集数据稳定可靠，信号时效性强，无滞后等特点，便于电机有效、稳定、快捷地控制，可以达到燃油教练车的驾驶感觉。

Description

一种电动教练车控制系统

技术领域

本发明涉及电动汽车的动力系统控制，特别涉及一种电动教练车控制系统。

背景技术

节能减排已是全球趋势，在各国相关政策的指导下，电动汽车的应用日益广泛。由于教练车的特殊运行工况，使得电动教练车的研发更加必要。电动汽车由具有良好牵引特性的电机和蓄电池来作为整个汽车的动力系统。控制器进行汽车的运行控制、行驶安全和能量分配等，实现车辆的可靠、安全行驶。现有电动教练车的控制系统去掉了离合器和变速器，无法满足学员对换挡过程的学习，同时，由于电机的特性，无法真实模拟燃油汽车所具有的驾驶感觉，例如，在起步过程中抬起离合器过快而使发动机熄火等情况，因此，亟需一种电动教练车专用的控制系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动教练车控制系统，可以保证电动教练车的正常平顺行驶状态、安全可靠，且使电动教练车可以达到燃油教练车的驾驶感觉。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电动教练车控制系统，该控制系统包括控制器、电机转速测量电路、电子油门踏板、制动开关、空挡开关以及点火开关，所述电机转速测量电路、电子油门踏板、制动开关、空挡开关以及点火开关分别与控制器相连。

所述控制器包括单片机以及与单片机相连的电机驱动电路、A/D接口和I/O接口。

所述电子油门踏板与所述控制器的A/D接口相连。

所述点火开关、制动开关以及空挡开关分别与所述控制器的I/O接口相连。

所述控制系统还包括与所述控制器的A/D接口相连的控制器温度传感器、电机温度传感器、电机电流采集电路以及电机电压采集电路。

所述控制系统还包括用于调节怠速转速的电位器、状态显示电路以及主接触器驱动电路，主接触器驱动电路以及状态显示电路分别与所述控制器的I/O接口相连，状态显示电路包括显示器以及指示灯，电位器与所述控制器的A/D接口相连。

所述电动教练车起动时，所述控制器通过空挡开关检测到变速箱挡位处于空挡状态时，由所述控制器通过电机驱动电路控制电机转动，并依据燃油车怠速工况控制电机维持怠速稳定运转。

所述控制器对电机转速变化进行实时监测，在电动教练车起步过程中，若电机转速下降速率超过阈值时，所述控制器控制电机停止转动。

当踩下或松开所述电子油门踏板时，所述控制器按照预先设定的加减速控制策略进行加速或减速。

所述控制系统设定有保护控制程序，包括对蓄电池进行欠压保护，对电机进行过流、过热保护和堵转保护以及对控制器进行过热保护。

本发明的有益效果体现在：

与现有技术相比，本发明可以根据用户操作意图并结合操作过程中相应传感器信号判断汽车运行状态，控制驱动信号输出，从而控制电机转速，满足电动教练车操作要求，保持其工作稳定性。该系统具有硬件结构简单，采集数据稳定可靠，信号时效性强，无滞后等特点，便于电机有效、稳定、快捷地控制，可以达到燃油教练车的驾驶感觉。

本发明获取电机电流、电压以及温度等检测信号，对电机以及控制器工作状况进行实时监控，有利于提高电机寿命，进一步保证行车安全。

本发明依靠电动机转速测量电路获取电机的实时转速，控制器根据实时转速模拟燃油车怠速运行状态，维持怠速稳定。通过在起步过程中监测电机的转速变化，模拟燃油车汽车起步中由于抬起离合器过快而出现的熄火现象。

附图说明

图1为本发明的控制系统框图；

图2为本发明的硬件设计图；

图3为本发明的程序流程图；

图中：1为控制器，2为电子油门踏板，3为用于调节怠速转速的电位器，4为温度传感器，5为主接触器驱动电路，6为点火开关，7为空挡开关，8为制动开关。

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。

参见图1-图2，本发明所述电动教练车控制系统包括控制器、电机转速测量电路、电子油门踏板、制动开关、空挡开关以及点火开关，所述电机转速测量电路、电子油门踏板、制动开关、空挡开关以及点火开关分别与控制器相连。所述控制器包括单片机以及与单片机相连的电机驱动电路、A/D接口和I/O接口。所述电子油门踏板与所述控制器的A/D接口相连。所述点火开关、制动开关以及空挡开关分别与所述控制器的I/O接口相连。所述控制系统还包括与所述控制器的A/D接口相连的控制器温度传感器、电机温度传感器、电机电流采集电路以及电机电压采集电路。所述控制系统还包括用于调节怠速转速的电位器、状态显示电路以及主接触器驱动电路，主接触器驱动电路以及状态显示电路分别与所述控制器的I/O接口相连，状态显示电路包括显示器以及指示灯，电位器与所述控制器的A/D接口相连。

所述电动教练车起动时，所述控制器通过空挡开关检测到变速箱挡位处于空挡状态时，由所述控制器通过电机驱动电路控制电机转动，并依据燃油车怠速工况控制电机维持怠速稳定运转。所述控制器对电机转速变化进行实时监测，在电动教练车起步过程中，若电机转速下降速率超过阈值时，所述控制器控制电机停止转动。当踩下或松开所述电子油门踏板时，所述控制器按照预先设定的加减速控制策略进行加速或减速。

所述控制系统设定有保护控制程序，包括对蓄电池进行欠压保护，对电机进行过流、过热保护和堵转保护以及对控制器进行过热保护。

该控制系统能够完全模拟燃油教练车的起动、怠速、起步、加减速等操作，使驾驶者拥有与燃油车相同的驾驶体验。

实施例

一种针对于72V、6.3kW直流串励式电动机、电池电压为72V的小型纯电动场地教练车控制系统，参见图1以及图2，所述控制系统的控制器基于PIC16F886型号的单片机，所述单片机具有中断系统功能、A/D接口、矩形脉冲处理模块(处于捕捉模式来测量转速和PWM的脉宽调制输出)、I/O接口、SPI模块(故障码存储模块)和串口模块等；

电子油门踏板(加速踏板信号)、怠速调节电位器(怠速调节信号)、控制器温度传感器以及驱动电机温度传感器(温度传感器信号)、驱动电机电流采集电路(检测驱动电机电流)和驱动电机电压采集电路(检测驱动电机电压)连接所述的A/D接口；

电机转速测量电路(驱动电机转速信号)连接控制器的矩形脉冲处理模块；

电机驱动电路连接控制器的矩形脉冲处理模块；

点火开关(点火开关信号：ACC信号、ON信号、ST信号)、手动复位信号、变速箱空挡开关(空挡信号)、指示灯、主接触器(主接触器驱动信号)以及制动踏板(制动踏板信号)连接所述的I/O接口；

电池管理系统通过串口模块与所述控制器连接。

所述A/D接口用于接收加速踏板信号以及驱动电机电流、驱动电机电压和温度传感器信号；电源模块用于电池电压的转换和能源分配；I/O接口接收主接触器驱动信号、点火开关信号、空挡信号、手动复位信号以及制动踏板信号；使用矩形脉冲处理模块的捕捉功能实现电机转速的测量，使用矩形脉冲处理模块的PWM脉宽调制功能输出方波完成电机转速的调整；SPI模块用于故障检测和故障码的存储；串口模块与电池管理系统实现通讯，获得能源电池的相关参数。

所述控制器的软件程序包括信号模拟量输入模块、开关量输入模块、驱动电机参数采集模块、脉宽调制模块、能源系统显示模块、主控制模块和主接触器控制模块。所述的信号模拟量输入模块用于接收加速踏板(电子油门踏板)以及怠速调节装置(电位器)等驾驶员操作命令；开关量输入模块用于接收点火开关、空挡信号和手动复位信号等各种开关量信号；驱动电机参数采集模块主要用于采集驱动电机的转速、电流、电压和温度，控制电流、电压的输出范围，并防止温度过高以保证控制器和蓄电池的使用寿命；脉宽调制模块用于输出PWM波形来改变电机转速。主控制模块用于根据驾驶员意图控制脉宽调制波形的输出，达到改变车速的目的，并将测得的电机实际转速反馈给控制器，以达到对电机转速的闭环控制；主接触器控制模块用来控制电机与控制系统的通断，以达到保护控制器和车辆正常行驶的目的。本发明所述控制器还包括补偿控制模块。所述补偿控制模块用于对所述A/D接口接收的信号进行去干扰处理、合理误差优化处理及器件老化参数偏移的补偿处理等。本发明所述控制器的主控制模块根据输入信号判别目前汽车的运行工况，如起步状态、怠速状态、加速状态及减速停车状态等，根据一定的控制策略算法分析、计算以调整电机驱动信号输出，并将测得的实际电机转速作为反馈信号，用于调整电机转速满足驾驶者操作指令要求。本发明所述控制器还包括隔离保护模块，隔离保护模块包括控制器保护模块和电机保护模块，将由各个传感器以及检测电路采集到的状态信号发送到所述主控制模块，若需要保护，则根据主控制模块预先设定好的保护策略采取相应的保护操作。所述主控制模块判断状态信号是否超出预定的范围、当前电池电量是否满足行驶要求、当前电机转速是否满足当前运行状况要求。该隔离保护模块设定了允许短时间内低压、过电流的运行指令，使得该控制器的控制逻辑更符合燃油教练车的运行要求。

如图3所示，鉴于教练车的用途，电动教练车保留了燃油汽车点火开关的三个挡位：ACC挡、ON挡和ST挡。各个挡位需要完成的功能如下：点火开关旋至ACC挡时，给控制器上电，并进行初始化，检测系统是否存在异常，若存在异常，存储故障码，进行异常处理；若无异常，等待指令信号。点火开关旋至ON挡时，控制器输出主接触器接通信号，主接触器吸合，接通动力蓄电池正极与控制器间的电路。点火开关旋至ST挡时，模拟燃油车起动，若车辆处于动力接合状态，电机短时转动之后停止，起动失败(注意：起动电机时，变速箱挡位应处于空挡状态，如果挡位不在空挡，能起动，冲一下，但电机转不起来)；起动成功后钥匙开关回到ON挡，进入怠速控制程序，将电机的实时转速作为反馈信号输入控制器，与预先设定的怠速转速比较，保证怠速稳定。汽车起步时，变速器挡位处于一挡，缓慢抬起离合器踏板接通电机与变速器间的动力连接，如电机转速下降的变化量小于400rpm，汽车才能起步成功，否则控制电机停止转动，汽车起步不成功。汽车起步后，处于正常运行状态，当踩下或松开电子油门踏板时，所述控制器按照预先设定的加减速控制策略进行增加或减小输出的占空比值，保证汽车实现平稳加速或减速，避免汽车突然蹿出。设计中保留了有五个挡位的变速箱，能够完成类似燃油汽车的换挡操作，通过操作电子式加速踏板位置使得控制器改变驱动信号的占空比来控制电机转速的大小，通过外设装置可以手动调节怠速目标转速，配置了电池电量过低警告显示装置。

所述控制器分有三种状态：

第一种状态为在汽车平地起步和半坡起步时能平稳起步，在起步过程中，能够实现模拟燃油教练车由于放松离合器过快或者挡位过高不能正常起步，或起步过程中熄火的状态。

第二种状态为能实现电机的怠速转速的闭环控制，保证怠速稳定，保证在电池电压变化、负载变化以及受到外界因素的影响时转速都应保持不变。怠速目标转速可手动调节。

第三种状态是汽车加速、减速的运行，当踩下或松开加速踏板时，按照预先设定的加速度(减速度)方案进行增加或减小输出信号占空比值，确保与驾驶燃油教练车的加减速感觉一致。

任何一种状态中电机保护功能持续工作，避免电机由于过热、过流、过压等原因导致损坏。

下面介绍控制方法具体内容：

1、点火开关操作

为了使电动教练车较高程度地模拟燃油教练车，本发明保留了原燃油车的点火开关装置，定义如下：off挡全车断电；ACC挡可以为车身附件如收音机等提供电源供给；ON挡车辆处于怠速、行驶等运行过程；ST挡车辆起动，电机以怠速转速运转。本发明点火开关操作要求如下：①off：开关处于该位置才能插入或取出钥匙。②ACC：控制器上电自检，电机不工作，辅助电源接通，如收音机、车灯、雨刷等装置供电。③ON：主接触器接通。④ST：模拟燃油车起动工况并使电机怠速运转(注意：起动电机时，变速箱挡位应处于空挡状态，如果挡位不在空挡，能起动，冲一下，但电机转不起来)，控制电机转速稳定在700r/min，模仿燃油车怠速工况，点火开关由ST挡位自动回位至ON挡，控制器此时方可接受驾驶操作指令。

2、车辆怠速、起步行驶、停车工况

(1)车辆怠速工况。怠速为电机处于无负载运转状态，离合器处于结合位置，变速箱处于空挡位置，加速踏板处于完全松开状态。车辆怠速过程中，应能保证一定的怠速转速不变(包括电池容量变化、负载变化以及受到外界因素的影响时转速都应保持不变)，应采用闭环控制，将电机转速与设定目标转速值比较，确保电机转速稳定。

(2)车辆起步过程。平地起步时，踩下离合器踏板，变速箱挂1挡，轻抬离合器踏板并缓慢踩下加速踏板，使车辆速度平稳增加，保证车辆平稳起步，避免汽车在起步过程中电流太大，瞬间窜出。起步过程中，当离合器踏板抬起过快时，造成驱动电机转速下降率很大(400r/min)时，控制器使电动机停止转动，模拟燃油汽车发动机熄火现象。

(3)加速过程。踩下加速踏板实现车辆加速，电机驱动电流随着加速踏板行程大小进行随动。

(4)车辆减速。在车辆的制动减速时，松开加速踏板或踩下制动踏板，电机转速高于设定的怠速转速时，控制器不输出PWM驱动信号；电机转速低于设定的怠速转速时，控制器输出怠速PWM驱动信号。

3、保护

(1)当动力电池电压过低时，应具有低压保护，避免损坏蓄电池，缩短蓄电池的寿命。若蓄电池有较大电流放电时即使电量充足，电压也会下降到低点(低电压设定值)，而此时应认为工作正常，充分发挥电池能力。

(2)当电路中的电流过大，超出上限时，应具有过流保护，避免元器件损坏，此期间的加速踏板信号视为无效，但应允许瞬间过电流。

(3)当控制器和电机温度过高时，应具有过热保护，防止控制器和电机烧毁。

(4)控制器应具有抗干扰能力。

(5)控制器应具有超速保护。

(6)当电机堵转时间超过设定值时，应具有堵转保护，避免损坏电机。

控制器上电后进行系统自检，内容有电机控制器AD模块、数据传感器、电压电路检测、是否可靠接地、控制器总线电压以及芯片的供电电压等，有异常时进行异常处理，无异常时等待指令信号，根据信号进入相应的模块控制程序。

模拟的车辆怠速工况如下：点火开关置于ST挡时起动电机开始转动，点火开关自动回位至ON挡，电机保持设定的怠速转速稳定运行，加速踏板无动作，电机控制器应能自动调节电机转速，将电机转速与预先设定的转速值进行比较，通过自适应调节器的PI控制算法对转速进行闭环调节，使怠速稳定，保证教练车怠速转速不受电池容量下降、负载变化的影响。

车辆起步时，变速箱挂一挡，踩下加速踏板，电机控制器使得输出转矩增大，保证汽车正常起步。在燃油车起步时，如果加速踏板的行程过小，离合器抬起过快，容易导致发动机熄火，相反，如果加速踏板的行程过大，离合器接合过快，容易使得汽车窜行，但对于纯电动教练车来说，电动机不会因为负载过大而停止运转，因此电动汽车在起步的过程中不会出现像燃油车的那种起步熄火。为了模拟此种情况，电动教练车在起步时，通过判断在抬离合器踏板的过程中电动机转速下降率来检测离合器踏板抬起是否过快。如果电机转速下降率超过设定值，则认为离合器抬起过快，电机瞬间载荷过大，此时电机控制器停止PWM波输出，电机停转，汽车不起步。若电机转速下降量小于设定值，则离合器踏板操作满足要求，离合器踏板松开后，踩加速踏板至一定开度，确定对应的PWM占空比，输出以定值进行自增的占空比至当前加速踏板开度相对应的PWM波，实现平稳起动，对电机转速进行PI调节，保证车辆能够满足当前加速踏板动作的要求。

保护控制包括对蓄电池实行欠压保护，对电机实行过流、过热和堵转保护，对控制器实行过热保护。

1)电流保护：MOS管的最大允许电流、功率都有限制，若电流过大或控制不及时，会烧毁MOS管，使得整个控制器损坏，因此当出现过流时，禁止PWM波输出，控制电机停止工作，期间的加速踏板视为无效。但为了满足汽车加速要求，能够允许瞬间过流。获取电流信号时应注意：①确保信号准确。本发明使用PWM脉冲来驱动电机，放大后的电流应与PWM波频率相等，只是相位上有一定时间滞后，要获得准确的电流转换值，使用中断，设定PWM周期与定时中断同步，设定好信号检测通道，进行采样和转换、滤波处理。②确保采样信号及时。若要及时获取电流信号，采样次数应越多越好。一个PWM周期内电流变化量会很大，理论上一周期内应采样多次，但PWM占空比只有在每个周期末才能接收到改变，因此占空比的改变值只能在下一个周期起作用，综合单片机运行速度和程序的运行效率，设置两个周期采样电流一次，获取电流值后，使用PI(Proportional/Integral比例/积分)进行控制。

2)电压保护：进行蓄电池欠压保护。采取实时响应，每个循环中获取蓄电池电压与设定值进行比较，当电压低于设定最小保护值时，若超过设定时间，则认为故障，禁止PWM波输出。由于蓄电池有内阻，大电流放电时会出现低电压的情况，因此允许一段时间低压运行，对于蓄电池电压的检测不能频繁进行。每隔10s进行一次A/D电压检测，将检测结果保存在变量中，等中断退出后进行处理。若为欠压，则软件控制逐渐减小PWM的输出值，直到输出系统设定的怠速时的PWM波。蓄电池组电压为72V，欠压保护点为60V，实际运行时，当蓄电池电压稍大于最低保护点时，由于负载的瞬时变化而使得蓄电池电压会偶尔小于保护点，其实蓄电池当前状态不需要进行低压保护，因此当连续5次检测到的蓄电池电压低于60V时，才进行欠压保护，否则不采取欠压保护措施，避免控制器过多的进入保护控制。

3)温度保护:包括电机过热保护和控制器过热保护。纯电动教练车使用单一电机驱动，工作环境差，为了满足汽车加速、爬坡需求，电机有时会过载运行。电机过载是指所需的输出功率超出电机自身的额定功率，此时电机发热量会急剧增加，避免烧毁电机应该限制电机超载运行的时间或者根据电机温度来限定其扭矩输出。本发明使用检测电机温度的控制手段，当电机温度传感器检测温度过高，限制或减少电机扭矩的输出。当电机温度高于75℃禁止PWM波输出，直到电机温度小于75℃，恢复正常运行状态，当控制器温度大于80℃时禁止PWM波输出，当温度低于80℃时恢复正常运行。

当出现蓄电池欠压、电机过流或过热、控制器过热时，置位保护标志位lowpower＝1，进入保护控制模块。若欠压(采样电压值vol＜0x3c)，则输出占空比为0的波；当电机过流(电枢电流I采样值大于0xa2)时，此刻禁止输出PWM波，控制主接触器断开，根据电机故障电流值表，若1.2I_e<I<1.5I_e，则为过载故障，电机停转，若5I_e<I<7I_e，则为堵转故障，电机停转，若I<8I_e，则为短路故障，停止电机输出；若电机温度采样值大于0x4b时，电机过热，禁止输出PWM波，电机停止转动。

控制系统具有的优点：

1、通过挡位信号、加速踏板信号和制动踏板信号判别教练车所处运行工况，并按照每个工况预先设定的控制策略运行。

2、在起步过程中，能够实现模仿燃油车由于放松离合器过快不能起步或起步时熄火的过程。

3、能实现汽车怠速转速的闭环控制，保证怠速稳定，即在电池电压下降、负载变化以及受到外界因素的影响时怠速转速保持不变。

4、所述控制器能够实现动态自检和静态自检，控制器上电状态和复位状态时，能够自动检测相关的接口和传感器故障，当检测到故障时，能够输出相应故障类型及故障码，并采取相应处理措施。

5、所述控制器具有各种保护措施。动力电池允许输出瞬间过电压，保证汽车短时间内的加速要求，但避免长时间的过压、低压，避免损坏蓄电池。电路中的过流保护，控制器、电机过热保护，控制器的抗干扰和超速保护以及电机的堵转保护。

6、具有车载显示装置，能够显示汽车当前运行状态的参数；警告指示装置，当出现故障时，给驾驶员以提醒作用。

Claims (10)

1.一种电动教练车控制系统，其特征在于：该控制系统包括控制器、电机转速测量电路、电子油门踏板、制动开关、空挡开关以及点火开关，所述电机转速测量电路、电子油门踏板、制动开关、空挡开关以及点火开关分别与控制器相连。

2.根据权利要求1所述一种电动教练车控制系统，其特征在于：所述控制器包括单片机以及与单片机相连的电机驱动电路、A/D接口和I/O接口。

3.根据权利要求1所述一种电动教练车控制系统，其特征在于：所述电子油门踏板与所述控制器的A/D接口相连。

4.根据权利要求1所述一种电动教练车控制系统，其特征在于：所述点火开关、制动开关以及空挡开关分别与所述控制器的I/O接口相连。

5.根据权利要求1所述一种电动教练车控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括与所述控制器的A/D接口相连的控制器温度传感器、电机温度传感器、电机电流采集电路以及电机电压采集电路。

6.根据权利要求1所述一种电动教练车控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括用于调节怠速转速的电位器、状态显示电路以及主接触器驱动电路，主接触器驱动电路以及状态显示电路分别与所述控制器的I/O接口相连，状态显示电路包括显示器以及指示灯，电位器与所述控制器的A/D接口相连。

7.根据权利要求1所述一种电动教练车控制系统，其特征在于：所述电动教练车起动时，所述控制器通过空挡开关检测到变速箱挡位处于空挡状态时，由所述控制器通过电机驱动电路控制电机转动，并依据燃油车怠速工况控制电机维持怠速稳定运转。

8.根据权利要求1所述一种电动教练车控制系统，其特征在于：所述控制器对电机转速变化进行实时监测，在电动教练车起步过程中，若电机转速下降速率超过阈值时，所述控制器控制电机停止转动。

9.根据权利要求1所述一种电动教练车控制系统，其特征在于：当踩下或松开所述电子油门踏板时，所述控制器按照预先设定的加减速控制策略进行加速或减速。

10.根据权利要求1所述一种电动教练车控制系统，其特征在于：所述控制系统设定有保护控制程序，包括对蓄电池进行欠压保护，对电机进行过流、过热保护和堵转保护以及对控制器进行过热保护。