CN104442445B - 一种基于可编程控制器的电动客车整车控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可编程控制器技术的电动客车整车控制系统，包括可编程控制逻辑运行单元和复数个执行单元，可编程控制逻辑运行单元执行整车厂制定的PLC指令，通过执行单元控制电动客车整车控制系统的外设。本发明的优点在于：基于可编程控制器技术的电动客车整车控制系统使得整车厂按照自己的整车控制策略进行编程、测试；一款控制系统适应不同款型或者功能的车型，整车厂只需在PLC程序上作简单修改即能满足要求，移植性和通用性好。

Description

一种基于可编程控制器的电动客车整车控制系统

技术领域

本发明涉及乘用电动客车的整车控制系统，尤其涉及一种基于可编程控制器的电动客车整车控制系统。

背景技术

为响应国家提出的新能源汽车策略和响应市场发展需求，国内各个整车厂相继推出自己的电动客车。区别于常规汽车，电动客车的动力来源于电池，整车厂需要整车控制器按电池电量向车内各个单元分配能源，管理电池的充放电，车型不同，整车的控制策略也都不同。目前各个整车厂向高等院校、科研机构、科技公司等定制控制器，结果就是一款控制器只能实现一种整车控制策略，系统的可移植性、通用性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种移植性和通用性好的，基于可编程控制器的电动客车整车控制系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是，一种基于可编程控制器的电动客车整车控制系统，包括可编程控制逻辑运行单元和复数个执行单元，可编程控制逻辑运行单元执行整车厂制定的PLC指令，通过执行单元控制电动客车整车控制系统的外设。

以上所述的电动客车整车控制系统，所述的执行单元包括通信协议单元和参考电源输出单元，可编程控制逻辑运行单元和通信协议单元进行通信，通过通信协议单元获取外设的信息，发送控制指令可编程控制逻辑运行单元控制参考电源输出单元输出设定供电电压，为车辆的比例输出传感器供电。

以上所述的电动客车整车控制系统，可编程运行指令运行单元在上电的第一个扫描周期，将程序中整车厂设定的PGN参数传递给通信协议单元，通过通信协议单元与外设中基于CAN通信方式的设备进行数据交互。

以上所述的电动客车整车控制系统，执行单元包括输入输出端子单元和端子复用控制单元，输入输出端子单元的每个点在运行过程中只能完成单一的功能，端子复用控制单元负责完成输入输出端子单元点的功能切换；端子复用控制单元在收到可编程控制逻辑运行单元的指令后，按照约定协议解析指令，控制晶体管切换开关组，完成每个点的功能选择。在系统运行过程中，端子复用控制单元不再响应可编程控制逻辑运行单元的配置指令。

以上所述的电动客车整车控制系统，整车厂根据电动车控制信号特征配置输入输出端子单元点的功能，由整车厂控制程序中写PLC特殊寄存器SD元件实现。可编程控制逻辑运行单元在上电的第一个周期将配置指令发送到端子复用控制单元。

以上所述的电动客车整车控制系统，包括模拟量输入输出单元，输入输出端子单元的输入端子为电压输入类型时，若可编程控制逻辑运行单元检测到某输入点模拟量信号超限，即发送指令至端子复用控制单元，令其将该输入点的测量量程调整至更宽一级，同时系统报警，该输入点的模拟量信号回落到原量程的以内后，可编程控制逻辑运行单元令端子复用控制单元将该点测量量程切换到该输入点原量程，系统报警取消；输入输出端子单元的输入端子为电流输入类型时，若可编程控制逻辑运行单元检测到某输入点输入电流过大，可编程控制逻辑运行单元发送指令至端子复用控制单元，令其切换该输入点的输入类型为电压输入模式，系统报警；该输入点电流信号回落到电流输入类型的量程之内后，切换该输入点为原类型，报警取消。

以上所述的电动客车整车控制系统，包括控制器运行监控单元，可编程控制逻辑运行单元与控制器运行监控单元进行数据交互，实现两者的运行状态相互监控和对系统输出点的监控，保障系统正常运行。

以上所述的电动客车整车控制系统，可编程控制逻辑运行单元和控制器运行监控单元交换各自的启动状态，若有一方启动状态不正常，系统停止工作；可编程控制逻辑运行单元向控制器运行监控发送配置信息，启动整车系统；配置信息包含整车厂设定紧急情况下的整车控制方法和系统正常运行时需要监控的关键输入点和关键输出点；整车运行过程中，可编程控制逻辑运行单元定期与控制器运行监控单元交互各自的状态数据；若可编程控制逻辑运行单元判断控制器运行监控单元的状态异常，可编程控制逻辑运行单元报警，系统继续运行；若控制器运行监控单元判断可编程控制逻辑运行单元状态异常，控制器运行监控单元报警，切断可编程控制逻辑运行单元的工作电源，并运行可编程控制逻辑运行单元提供的配置信息中由整车厂设定的异常工作逻辑；整车运行过程中，控制器运行监控单元实时监控配置信息中约定的关键输出点；可编程控制逻辑运行单元实时发送关键输出点的状态至控制器运行监控单元，运行监控单元将关键输出点的状态和关键输出点的实际状态进行对比，若发现异常，运行监控单元通知可编程逻辑运行单元停止运行PLC指令，按配置信息中异常工作逻辑控制整车运行。

以上所述的电动客车整车控制系统，所述的PLC指令由整车厂按照整车控制逻辑编程制定，并存储在PLC的存储器中。

本发明的优点在于：基于可编程控制器的电动客车整车控制系统使得整车厂按照自己的整车控制策略进行编程、测试；一款控制系统适应不同款型或者功能的车型，整车厂只需在PLC程序上作简单修改即能满足要求，移植性和通用性好；整车厂只需按照自己的需求进行PLC逻辑编程，就能实现不同款型客车的控制策略，而无需更换控制系统。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明基于可编程控制器的电动客车整车控制系统图；

图2是本发明SAE J1939协议单元流程图；

图3是本发明端子复用控制单元控制输入输出端子单元框图；

图4是本发明输入端子模拟量输入时保护流程图；

图5是本发明输入端子数字量输入时短路、断路检测，输出过载保护流程图；

图6是本发明可编程逻辑运行单元和控制器运行监控单元相互监控流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行解释和说明。

图1是本发明基于可编程控制器的电动客车整车控制系统的系统框图。基于可编程控制器的电动客车整车控制系统18包括可编程控制逻辑运行单元10、SAE J1939通信协议单元12、模拟量输入输出单元15、IO单元14、端子复用控制单元16、控制器运行监控单元11、参考电源输出单元13、输入输出端子单元17。

可编程控制逻辑运行单元(可编程指令运行单元)执行PLC指令。整车厂按照整车控制逻辑进行编程，控制本系统的外设。

如图1所示，可编程控制逻辑运行单元和SAE J1939通信协议单元进行通信，由此获取车辆电池管理单元信息、驾驶仪表信息、电机信息等，并发送控制指令、控制信息至车辆各个部件。

整车厂在电动客车整车控制系统的逻辑程序中通过写PLC特殊寄存器的方式对系统的IO单元进行配置，可编程控制逻辑运行单元在第一个扫描周期，通过端子复用控制单元，对IO单元进行功能配置。

IO单元14为每路输入点提供高边输入信号电路和低边输入信号电路，电路的输入接端子复用控制单元，输出接可编程控制逻辑运行单元；IO单元14为每路输出点提供高边输出信号电路和低边输出信号电路，电路的输入接可编程控制逻辑运行单元，输出接端子复用控制单元。可编程控制逻辑运行单元控制端子复用控制单元的切换开关，选择输入输出点的信号输入电路，实现配置。

整车厂通过写PLC特殊寄存器的方式，控制参考电源输出单元13输出的特定供电电压，给车辆的比例输出传感器提供稳定的模拟量转换参考电压

可编程控制逻辑运行单元在每一个扫描周期都通过高速接口和控制器运行监控单元进行数据交互，实现两者的运行状态监控和系统输出点的监控，保障系统正常运行。

SAE J1939通信协议单元的工作流程如图2所示。SAE J1939通信协议单元确保整车控制系统适用所有电动车型及未来其他场合。SAE J1939协议是基于CAN通信技术的上层应用协议，SAE J1939通信协议单元按照此协议实现各通信功能。整车厂在编程时，采用SAEJ1939规定的PGN参数或者按照SAE J1939协议约定的规则自定义PGN参数，每一个PGN参数对应特定的参数特性、唯一物理意义、状态等信息。

可编程控制逻辑运行单元在第一扫描周期中，将程序中整车厂设定的PGN参数传递给SAE J1939协议单元，SAE J1939协议单元按照哈希算法建立PGN注册表。控制系统运行过程中，每隔10ms调度一次J1939任务，查询PGN注册表中各PGN状态，并参考本PGN参数特性对本PGN状态进行修改。若某发送PGN发送条件被触发，SAE J1939协议单元将本单元的特殊寄存器中的数据通过CAN通信口发送出数据帧。根据数据帧发送结果，SAE J1939协议单元修发送PGN参数状态，并处理下一条参数。若某接收PGN的状态为“接收到数据”，SAE J1939协议单元将接收到的数据传递给可编程控制逻辑运行单元，并修改本PGN状态，处理下一条参数；若某接收PGN的状态为“接收超时”，SAE J1939协议单元修改本PGN状态，通过特殊寄存器通知可编程控制逻辑运行单元结果，并处理下一条参数。发送PGN的触发条件可以是定时时间到、外部请求帧、外部事件触发。接收PGN的触发条件同发送PGN。

SAE J1939协议单元被动接收CAN总线上的PGN参数。单元每10ms查询一次接收驱动缓冲区，若无数据帧，退出本次查询；若有数据帧，本单元依据特定算法，将24位PGN计算成唯一索引，按照哈希查找表法快速定位该PGN在PGN注册表中的位置。若定位成功，SAEJ1939协议单元将接收数据搬移至对应的数据缓冲，并修改PGN状态；若定位失败，丢弃该PGN，并开始下一条接收到的PGN的处理。

端子复用控制单元控制输入输出端子单元的原理如图3所示。输入输出端子单元外接控制信号设备，电动客车整车控制系统的输入输出端子单元有多种功能，输入端子完成高边输入、低边输入、模拟量电压输入、模拟量电流输入；输出端子完成电流输出，高边输出、低边输出功能。

输入端子的高边输入功能相当于无源输入，区别在于硬件连线，高边输入的某点直接接入无源信号，如车辆空挡信号；输入端子的低边输入功能相当于有源输入，接有源信号，如开/关门按键信号；输入端子的模拟量电压输入、电流输入功能完成模拟量信号采集，如油门大小、车厢温度。输出端子的高边输出功能相当于有源输出，直接控制车辆无源器件，如LED灯；输出端子的低边输出功能相当于无源输出，直接控制车辆有源器件。这样，输入输出端子单元的功能简化了整车布线布局、整车信号点测试。

输入输出端子单元的某点在运行过程中只能完成某种功能，端子复用控制单元负责完成输入输出端子单元的点的功能切换。整车厂根据电动车控制信号特征配置输入输出端子单元某个点的功能，配置方法通过在整车厂控制程序中写PLC特殊寄存器SD元件实现。可编程控制逻辑运行单元在上电的第一个周期将配置指令发送到端子复用控制单元，端子复用控制单元在收到指令后，按照约定协议解析指令，控制晶体管切换开关组，完成某点功能选择。在系统运行过程中，端子复用控制单元不再响应可编程控制逻辑运行单元的配置指令。

输入端子模拟量输入时保护流程如图4所示。输入端子做电压输入类型时，若可编程控制逻辑运行单元检测到某输入点模拟量信号超限，可编程控制逻辑运行单元发送指令至端子复用控制单元，令其将该输入点的测量量程调整至更宽一级，如从0～5伏调整到0～10伏，从0～10伏调整至0～32伏，系统报警，保护了系统硬件电路。可编程控制逻辑运行单元继续判断采集信号，待信号回落到原量程的97％以内，可编程控制逻辑运行单元令端子复用控制单元将该点测量量程切换到该输入点为原量程，系统报警被取消。输入端子作电流输入类型时，若可编程控制逻辑运行单元检测该点输入电流过大，可编程控制逻辑运行单元发送指令至端子复用控制单元，令其切换该输入点的输入类型为0～5V电压输入模式，系统报警，保护了系统硬件电路。可编程控制逻辑运行单元继续判断采集信号，待判定该点电流信号回落到电流输入类型的量程的97％以内，切换该输入点为原类型，报警被取消。输入输出端子单元的所有的输入点都具有该项功能。

输入端子数字量输入时短路、断路检测，输出过载保护流程如图5所示。电动客车运行过程中，难免出现线路短路/断路现象，造成电流过大或者瞬间动力消失。电动客车整车控制系统提供数字量输入保护功能。输入端子数字量输入时有高边输入和低边输入两种模式。输入端子的高边输入功能相当于无源输入，高边输入的某点直接接入无源信号；输入端子的低边输入功能相当于有源输入，接有源信号。输入端子某点作高边输入时，可编程控制逻辑运行单元不断地通过SD元件检测该输入点的电流值，当检测到的电流值小于设定安全值，输入断路；当检测到的电流值大于设定安全值，输入短路。当输入发生短路或断路故障时，可编程控制逻辑运行单元报警，并指示何处出错。输入端某点做低边输入时，可编程控制逻辑运行单元不断地通过SD元件检测输入点的电流值，若输入电流值超过设定值，输入短路，可编程控制逻辑运行单元报警，并指示何处出错。

输出端子作高边数字量输出时，对应的点能够最大输出4A的电流值。工作过程中若负载或者线路发送短路，输出点电流瞬间过载，易烧毁设备。系统提供数字量高边输出过载保护功能，当输出端子逻辑为“1”，输出端子上有电流流出，可编程运行指令单元通过SD元件检测输出点的电流，若检测到的电流值超过系统设定值，可编程运行指令单元立即将该输出端子置逻辑“0”，输出端子不再输出电流。

可编程逻辑运行单元和控制器运行监控单元相互监控流程如图6所示。可编程逻辑运行单元在系统上电时需检测系统供电是否正常，若不正常，系统停止工作，若正常，则开始运行接下来的工作。

可编程控制逻辑运行单元和控制器运行监控单元交换各自的启动状态，若有一方启动状态不正常，系统停止工作，电动车整车不能运行。若双方都正常，才能运行接下来的工作，可编程控制逻辑运行单元向控制器运行监控发送配置信息，启动整车系统。配置信息包含整车厂设定紧急情况下的整车控制方法和系统正常运行时需要监控的关键输入输出点。

整车运行过程中，可编程控制逻辑运行单元每个周期和控制器运行监控单元交互各自的状态数据。状态数据为一个字节的数据，低四位为0x05，表示单元处于运行状态，字节最高位反转，表示单元运行正常，即每交互一次，双方各自的状态值就在0x05和0x85之间切换一次。若可编程控制逻辑运行单元判断控制器运行监控单元的状态异常，即控制器运行监控单元的状态数据保持在0x05或0x85不变，可编程控制逻辑运行单元报警，但是系统继续运行，运行的逻辑程序为整车正常控制逻辑或是异常控制逻辑，保障整车安全；若控制器运行监控单元判断可编程控制逻辑运行单元状态异常，即可编程控制逻辑运行单元状态数据保持在0x05或0x85不变，控制器运行监控单元报警，切断可编程控制逻辑运行单元的工作电源，并运行可编程控制逻辑运行单元提供的配置信息中异常工作逻辑，该逻辑由电动整车厂设定。

整车运行过程中，控制器运行监控单元实时监控配置信息中约定的关键输出点。可编程控制逻辑运行单元实时发送关键输出点的状态至控制器运行监控单元，运行监控单元将关键输出点的状态和关键输出点的实际状态进行对比，若异常，通知可编程逻辑运行单元停止运行PLC指令，报警，接管控制系统IO的运行，并运行配置信息中异常工作逻辑，控制整车运行。

系统通过系统指示灯报警，约定指示灯不同的颜色组合、不同闪烁频率代表不同的错误信息。可编程控制逻辑运行单元和运行监控单元都通过系统指示灯报警。可编程控制逻辑运行单元检测到故障信息时，将故障信息存储在控制系统的永久存储介质中，为整车厂做整车性能分析、事故分析提供可能；可编程控制逻辑运行单元通过J1939协议单元向整车仪表，变频器，电池管理单元等发送故障信息，这些设备在接收到故障信息后按照车厂约定执行某动作，如整车仪表收到故障信息后，通过仪表指示灯向驾驶员传递信息；电池管理单元收到某故障信息后，控制电池电流输出。

Claims (8)

1.一种基于可编程控制器的电动客车整车控制系统，其特征在于，包括可编程控制逻辑运行单元和复数个执行单元，可编程控制逻辑运行单元执行整车厂制定的PLC指令，通过执行单元控制电动客车整车控制系统的外设；执行单元包括输入输出端子单元和端子复用控制单元，输入输出端子单元的每个点在运行过程中只能完成单一的功能，端子复用控制单元负责完成输入输出端子单元点的功能切换；端子复用控制单元在收到可编程控制逻辑运行单元的指令后，按照约定协议解析指令，控制晶体管切换开关组，完成每个点的功能选择；在系统运行过程中，端子复用控制单元不再响应可编程控制逻辑运行单元的配置指令。

2.根据权利要求1所述的电动客车整车控制系统，其特征在于，所述的执行单元包括通信协议单元和参考电源输出单元，可编程控制逻辑运行单元和通信协议单元进行通信，通过通信协议单元获取外设的信息，发送控制指令；可编程控制逻辑运行单元控制参考电源输出单元输出设定供电电压，为车辆的比例输出传感器供电。

3.根据权利要求2所述的电动客车整车控制系统，其特征在于，可编程运行指令运行单元在上电的第一个扫描周期，将程序中整车厂设定的PGN参数传递给通信协议单元，通过通信协议单元与外设中基于CAN通信方式的设备进行数据交互。

4.根据权利要求1所述的电动客车整车控制系统，其特征在于，整车厂根据电动车控制信号特征配置输入输出端子单元点的功能，由整车厂控制程序中写PLC特殊寄存器SD元件实现；可编程控制逻辑运行单元在上电的第一个周期将配置指令发送到端子复用控制单元。

5.根据权利要求1所述的电动客车整车控制系统，其特征在于，包括模拟量输入输出单元，输入输出端子单元的输入端子为电压输入类型时，若可编程控制逻辑运行单元检测到某输入点模拟量信号超限，即发送指令至端子复用控制单元，令其将该输入点的测量量程调整至更宽一级，同时系统报警，该输入点的模拟量信号回落到原量程的以内后，可编程控制逻辑运行单元令端子复用控制单元将该点测量量程切换到该输入点原量程，系统报警取消；输入输出端子单元的输入端子为电流输入类型时，若可编程控制逻辑运行单元检测到某输入点输入电流过大，可编程控制逻辑运行单元发送指令至端子复用控制单元，令其切换该输入点的输入类型为电压输入模式，系统报警；该输入点电流信号回落到电流输入类型的量程之内后，切换该输入点为原类型，报警取消。

6.根据权利要求1所述的电动客车整车控制系统，其特征在于，包括控制器运行监控单元，可编程控制逻辑运行单元与控制器运行监控单元进行数据交互，实现两者的运行状态相互监控和对系统输出点的监控，保障系统正常运行。

7.根据权利要求6所述的电动客车整车控制系统，其特征在于，可编程控制逻辑运行单元和控制器运行监控单元交换各自的启动状态，若有一方启动状态不正常，系统停止工作；可编程控制逻辑运行单元向控制器运行监控发送配置信息，启动整车系统；配置信息包含整车厂设定紧急情况下的整车控制方法和系统正常运行时需要监控的关键输入点和关键输出点；整车运行过程中，可编程控制逻辑运行单元定期与控制器运行监控单元交互各自的状态数据；若可编程控制逻辑运行单元判断控制器运行监控单元的状态异常，可编程控制逻辑运行单元报警，系统继续运行；若控制器运行监控单元判断可编程控制逻辑运行单元状态异常，控制器运行监控单元报警，切断可编程控制逻辑运行单元的工作电源，并运行可编程控制逻辑运行单元提供的配置信息中由整车厂设定的异常工作逻辑；整车运行过程中，控制器运行监控单元实时监控配置信息中约定的关键输出点；可编程控制逻辑运行单元实时发送关键输出点的状态至控制器运行监控单元，运行监控单元将关键输出点的状态和关键输出点的实际状态进行对比，若发现异常，运行监控单元通知可编程逻辑运行单元停止运行PLC指令，按配置信息中异常工作逻辑控制整车运行。

8.根据权利要求1所述的电动客车整车控制系统，其特征在于，所述的PLC指令由整车厂按照整车控制逻辑编程制定，并存储在PLC的存储器中。