CN104787057B - 蓄电池电动平车一体化智能控制系统及控制方法 - Google Patents

蓄电池电动平车一体化智能控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池电动平车一体化智能控制系统，包括整车控制模块、电池控制模块和电机控制模块，整车控制模块分别连接电池控制模块和电机控制模块。整车控制模块接收传感器信息，经过 A/D 转换后计算、编码为 CAN 报文，然后发送到总线上控制其它节点的工作，电池控制模块负责在电动车充放电过程中均衡电池电压，保证电池性能，电机控制模块控制直流电机实现正反转。本发明还公布了该蓄电池电动平车一体化智能控制系统的控制方法，用单片机控制器作为此系统的控制核心，具有运行距离不受限制、机动性灵活、对轨道无绝缘要求、施工方、费用低廉等优点。

Description

蓄电池电动平车一体化智能控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种智能测控系统及控制方法，具体涉及一种用于蓄电池电动平车一体化智能控制系统及控制方法。
背景技术
电动平车，是一种电动有轨厂内运输车辆。又称台车、过跨车。它具有结构简单、使用方便、容易维护、承载能力大、污染少等优点。广泛用于机器制造和冶金工厂，作为车间内部配合吊车运输重物过跨之用。蓄电池电动平车高度低，台面加强，改型容易，维修方便，它是以蓄电池供电，具有运行距离不受限制、机动性灵活、对轨道无绝缘要求、施工方、费用低廉等优点。
发明内容
发明目的
本发明是为了解决卷线电动平车在使用的过程中，由需拖动导线而造成的安全性能低、运行距离受限制的问题，提供了一种用于蓄电池电动平车一体化智能控制系统及控制方法，它是以蓄电池供电，具有运行距离不受限制、机动性灵活、对轨道无绝缘要求、施工方、费用低廉等优点。
技术方案
一种蓄电池电动平车一体化智能控制系统，其特征在于：包括整车控制模块、电池控制模块和电机控制模块，整车控制模块分别连接电池控制模块和电机控制模块。
所述整车控制模块包括整车控制器、模拟量驱动单元、数字量驱动单元、PWM驱动单元、总线驱动单元、供电单元和制动单元，模拟量驱动单元、数字量驱动单元、PWM驱动单元、总线驱动单元、供电单元和制动单元均连接整车控制器；所述电池控制模块包括电池控制器、电池充电接口、电池保护单元和电池信息采集单元，电池充电接口、电池保护单元和电池信息采集单元均连接电池控制器；所述电机控制模块包括电机控制器、电机降压启动单元、电机正反转控制单元和电机保护控制单元，电机降压启动单元、电机正反转控制单元和电机保护控制单元均连接电机控制器。
所述的模拟量驱动单元包括DA转换芯片、运算放大器和AD转换芯片，DA转换芯片和AD转换芯片连接运算放大器；所述的数字量驱动单元包括光耦隔离芯片、24V直流继电器、和NPN三极管，光耦隔离芯片连接三极管，三极管连接24V直流继电器；所述的PWM驱动单元包括PWM驱动接口和NPN三级管，PWM驱动接口连接NPN三级管；所述的总线驱动单元包括CAN总线收发器和高速光耦，CAN总线收发器连接高速光耦；所述的供电单元包括数字核心部分供电（+5V ）、低边驱动芯片（+5V ）、运算放大器供电（+15V 和-15V ）、CAN 通讯电路供电（+5V ）、传感器供电（+5V ），数字核心部分供电（+5V ）连接数字量驱动单元，低边驱动芯片（+5V ）连接模拟量驱动单元，运算放大器供电（+15V 和-15V ）连接运算放大器，CAN 通讯电路供电（+5V ）连接PWM驱动单元；所述的制动单元包括制动器接口和制动器驱动电路，制动器接口连接制动器驱动电路。
所述的电池保护单元包括过压/欠压保护接口和过流保护电路，过压/欠压保护接口和过流保护电路分别连接数字量驱动单元；所述的电池信息采集单元包括电池剩余电量采集单元、电池热管理单元、电池充放电管理单元，电池剩余电量采集单元和电池热管理单元连接模拟量驱动单元，电池充放电管理单元连接数字量驱动单元。
所述的电机降压启动单元包括降压启动电阻和直流继电器，直流继电器连接启动电阻；所述的电机正反转控制单元包括直流继电器和NPN三极管，NPN三极管分别连接直流继电器和数字量驱动单元；所述的电机保护控制单元包括电机过载保护单元和电机过流保护单元，电机过载保护单元和电机过流保护单元分别连接数字量驱动单元。
一种如上所述蓄电池电动平车一体化智能控制系统的控制方法，其特征在于：该方法步骤如下：
（1）选择系统的工作模式，本系统具有四种工作模式，分别为上电自检模式、前进行驶模式、倒车行驶模式及关机停车模式；
（2）将钥匙门从 OFF 切换到ON，系统自动进入自检模式；在该工作模式下，控制系统将对外围驱动电路进行自检，并完成对二级控制单元的上电操作，同时检测各动力总成上传的 CAN 信息，从而获取整车的当前状况；
（3）选择前进行驶模式或倒车行驶模式；若按下前进/后退按钮，系统进入前进/后退行驶模式，在该工作模式下，系统通过分析整车当前状态对驱动电机进行控制，从而驱动车辆前进/后退行驶；
（4）完成指定动作后，按下停止按钮，系统进入关机停车模式。
整车的当前状况包括电池包剩余电量估算、故障诊断以及处理功能。
关机停车是指在电动车停止运行的同时，对其进行制动。
电池包剩余电量估算是通过接收电池包底层信息及高压信息对其进行估算的。
优点及效果
本发明是一种蓄电池电动平车一体化智能控制系统及控制方法，具有如下优点和有益效果：
（1）采用一体化设计方案，能够有效减小控制系统的体积和成本，提高控制系统的通用性与可靠性。
（2）系统以单片机作为控制核心，通过蓄电池供电，具有运行距离不受限制、机动性灵活、对轨道无绝缘要求、施工方、费用低廉等优点。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明整车控制模块结构框图；
图3为本发明电池控制模块结构框图；
图4为本发明电机控制模块结构框图；
图5为本发明整车控制模块原理图；
图6为本发明总线驱动单元原理图；
图7为本发明电机控制模块原理图；
图8为本发明电池控制模块原理图。
附图标记说明：
10、电池控制模块；20、电机控制模块；30、整车控制模块；40、模拟量驱动单元；60、总线驱动单元；70、数字量驱动单元；80、供电单元；90、PWM驱动单元；100、制动单元；110、电池充电接口；120、电池保护单元；140、电池信息采集单元；150、电机正反转控制单元；160、电机降压启动单元；170、电机保护控制单元；180、整车控制器；190、电池控制器；200、电机控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，本发明提出了用于蓄电池电动平车一体化智能控制系统，包括整车控制模块30、电池控制模块10和电机控制模块20，整车控制模块30分别连接电池控制模块10和电机控制模块20；其中，整车控制模块30的作用是接收传感器信息，经过 A/D 转换后计算、编码为 CAN 报文，然后发送到总线上控制其它节点的工作，同时整车控制模块30还将一些整车相关信息（如车速、电池电量等信息）在组合仪表上显示出来；电池控制模块10主要负责在电动车充放电过程中均衡电池电压，保证电池性能。另外，电池控制模块10还通过采集电池包底层信息（包括单体电压、电流及温度等信息）供整车控制模块分析电池当前状态及可充放电能力的最大值；电机控制模块20主要控制直流电机实现正反转。
如图2和图5所示，整车控制模块30包括整车控制器180、模拟量驱动单元40、数字量驱动单元70、PWM驱动单元90、总线驱动单元60、供电单元80和制动单元100，驱动单元40、数字量驱动单元70、PWM驱动单元90、总线驱动单元60、供电单元80和制动单元100均连接整车控制器180。
如图3和图8所示，电池控制模块10包括电池控制器190、电池充电接口110、电池保护单元120和电池信息采集单元140，电池充电接口110、电池保护单元120和电池信息采集单元140均连接电池控制器190。
如图4和图7所示，电机控制模块20包括电机控制器200、电机降压启动单元160、电机正反转控制单元150、电机保护控制单元170，电机降压启动单元160、电机正反转控制单元150和电机保护控制单元170均连接电机控制器200；
如图5所示，模拟量驱动单元40包括DA转换芯片、运算放大器、AD转换芯片，DA转换芯片和AD转换芯片连接运算放大器。
数字量驱动单元70包括光耦隔离芯片，24V直流继电器和NPN三极管，光耦隔离芯片连接NPN三极管，NPN三极管连接24V直流继电器。PWM驱动单元90包括PWM驱动接口和NPN三级管，PWM驱动接口连接NPN三级管。
如图6所示，总线驱动单元60包括CAN总线收发器和高速光耦，CAN总线收发器连接高速光耦。
供电单元80包括数字核心部分供电（+5V ）、低边驱动芯片（+5V ）、运算放大器供电（+15V 和-15V ）、CAN 通讯电路供电（+5V ）、传感器供电（+5V ），数字核心部分供电（+5V）连接数字量驱动单元70，低边驱动芯片（+5V ）连接模拟量驱动单元40，运算放大器供电（+15V 和-15V）连接运算放大器，CAN 通讯电路供电（+5V ）连接PWM驱动单元90。
如图5所示，制动单元100包括制动器接口和制动器驱动电路，制动器接口连接制动器驱动电路。
电池保护单元120包括过压/欠压保护接口和过流保护电路，过压/欠压保护接口与过流保护电路分别连接数字量驱动单元70。
电池信息采集单元140包括电池剩余电量采集单元、电池热管理单元和电池充放电管理单元，电池剩余电量采集单元和电池热管理单元连接模拟量驱动单元40，电池充放电管理单元连接数字量驱动单元70。
电机降压启动单元160包括降压启动电阻和直流继电器，直流继电器连接启动电阻。
如图7所示，所述的电机正反转控制单元150包括直流继电器和NPN三极管，NPN三极管分别连接直流继电器和数字量驱动单元70；
如图8所示，电机保护控制单元170包括电机过载保护单元和电机过流保护单元，电机过载保护单元和电机过流保护单元分别连接数字量驱动单元70。
本发明所述的蓄电池电动平车一体化智能控制系统的控制方法，由蓄电池电动平车一体化智能控制系统执行，该方法步骤如下：
步骤一：选择系统的工作模式，本系统具有四种工作模式，分别为上电自检模式、前进行驶模式、倒车行驶模式及关机停车模式。
步骤二：将钥匙门从 OFF 切换到ON ，系统自动进入自检模式。在该工作模式下，控制系统将对外围驱动电路进行自检，并完成对二级控制单元的上电操作，同时检测各动力总成上传的 CAN 信息，从而获取整车的当前状况。
步骤三：选择前进行驶模式或倒车行驶模式；若按下前进/后退按钮，系统进入前进/后退行驶模式 在该工作模式下，系统通过分析整车当前状态对驱动电机进行控制，从而驱动车辆前进/后退行驶。
步骤四：完成指定动作后，按下停止按钮，系统进入关机停车模式。
整车的当前状况包括电池包剩余电量估算、故障诊断以及处理功能。
关机停车是指在电动车停止运行的同时，对其进行制动。
电池包剩余电量估算是通过接收电池包底层信息及高压信息对其进行估算的。
本发明这种用于蓄电池电动平车一体化智能控制系统的控制方法，它是以蓄电池供电，用单片机控制器（德州仪器的MSP430F149）作为此系统的控制核心，具有运行距离不受限制、机动性灵活、对轨道无绝缘要求、施工方、费用低廉等优点。
本发明的工作原理如下：
一体化智能控制系统作为蓄电池电动平车的核心部件之一，承担着外部信号的采集、信号的处理与分析、信号的输出等工作。蓄电池电动平车控制系统一般主要包括整车控制模块、电机控制模块以及电池控制模块，整车控制模块分别连接电池控制模块和电机控制模块，各控制模块之间通过 CAN 进行通讯。
整车控制模块相当于蓄电池电动平车的大脑，起到控制全局的作用。整车控制模块接收传感器信息，经过 A/D 转换后计算、编码为 CAN 报文，然后发送到总线上控制其它节点的工作，同时整车控制模块还将一些整车相关信息（如车速、电池电量等信息）在组合仪表上显示出来。其中最核心的任务是通过传感器的输入值与系统当前状态及汽车工况等条件计算出合适的电机扭矩值，然后通过 CAN 总线发送到电机控制模块，指挥电机正常工作。另外，整车控制模块还控制主继电器的开关，使整个系统上电和断电。
电机控制模块相当于蓄电池电动平车的四肢，它的主要任务是以整车控制模块发送的扭矩值为输入量，采用双闭环控制来调速电机，使电机工作在需求的转速下。另外，电机控制模块还将根据电机的温度变化控制电机的冷却风扇，从而有效地调节电机的温度。
电池控制模块负责在电动车充放电过程中均衡电池电压，保证电池性能。另外，电池控制模块还通过采集电池包底层信息（包括单体电压、电流及温度等信息）供整车控制模块分析电池当前状态及可充放电能力的最大值，同时整车控制模块还会根据电池状态信息修正电机扭矩的输出指令。
CAN 总线监控单元主要是在不干扰总线数据传输情况下，对总线上传输的数据进行实时监控、实时记录和实时报警。另外，CAN 总线监控单元还具有离线分析功能及在实车调试阶段对整车控制模块的主要计算参数进行标定的功能。
本发明的工作过程如下：
（1）选择系统的工作模式，打开钥匙门，系统进入自检，即电池控制模块将电池包底层信息送入到整车控制模块，由整车控制模块判断当前的电池电量是否允许启动。
（2）若电池电量能够达到整车启动的标准，整车控制模块将根据当前的电量给出最佳的运行方案，即自动设定电机的扭矩值并除对启动按钮和制动器的锁定。
（3）当整车启动后，电机控制模块会把电机的扭矩值以及温度作为输入量送入到整车控制模块，而后与设定值比较，对设定值进行修订，从而使的电机能始终工作在最佳状态。

Claims (6)

1.一种蓄电池电动平车一体化智能控制系统，其特征在于：包括整车控制模块（30）、电池控制模块（10）和电机控制模块（20），整车控制模块（30）分别连接电池控制模块（10）和电机控制模块（20）；
所述整车控制模块（30）包括整车控制器（180）、模拟量驱动单元（40）、数字量驱动单元（70）、PWM驱动单元（90）、总线驱动单元（60）、供电单元（80）和制动单元（100），模拟量驱动单元（40）、数字量驱动单元（70）、PWM驱动单元（90）、总线驱动单元（60）、供电单元（80）和制动单元（100）均连接整车控制器（180）；所述电池控制模块（10）包括电池控制器（190）、电池充电接口（110）、电池保护单元（120）和电池信息采集单元（140），电池充电接口（110）、电池保护单元（120）和电池信息采集单元（140）均连接电池控制器（190）；所述电机控制模块（20）包括电机控制器（200）、电机降压启动单元（160）、电机正反转控制单元（150）和电机保护控制单元（170），电机降压启动单元（160）、电机正反转控制单元（150）和电机保护控制单元（170）均连接电机控制器（200）；
所述的模拟量驱动单元（40）包括DA转换芯片、运算放大器和AD转换芯片，DA转换芯片和AD转换芯片连接运算放大器；所述的数字量驱动单元（70）包括光耦隔离芯片、24V直流继电器、和NPN三极管，光耦隔离芯片连接三极管，三极管连接24V直流继电器；所述的PWM驱动单元（90）包括PWM驱动接口和NPN三级管，PWM驱动接口连接NPN三级管；所述的总线驱动单元（60）包括CAN总线收发器和高速光耦，CAN总线收发器连接高速光耦；所述的供电单元（80）包括数字核心部分供电+5V、低边驱动芯片+5V、运算放大器供电+15V 和-15V、CAN 通讯电路供电+5V、传感器供电+5V，数字核心部分供电连接数字量驱动单元（70），低边驱动芯片连接模拟量驱动单元（40），运算放大器供电连接运算放大器，CAN 通讯电路供电连接PWM驱动单元（90）；所述的制动单元（100）包括制动器接口和制动器驱动电路，制动器接口连接制动器驱动电路；
所述的电池保护单元（120）包括过压/欠压保护接口和过流保护电路，过压/欠压保护接口和过流保护电路分别连接数字量驱动单元（70）；所述的电池信息采集单元（140）包括电池剩余电量采集单元、电池热管理单元、电池充放电管理单元，电池剩余电量采集单元和电池热管理单元连接模拟量驱动单元（40），电池充放电管理单元连接数字量驱动单元（70）。
2.根据权利要求1所述的蓄电池电动平车一体化智能控制系统，其特征在于：所述的电机降压启动单元（160）包括降压启动电阻和直流继电器，直流继电器连接启动电阻；所述的电机正反转控制单元（150）包括直流继电器和NPN三极管，NPN三极管分别连接直流继电器和数字量驱动单元（70）；所述的电机保护控制单元（170）包括电机过载保护单元和电机过流保护单元，电机过载保护单元和电机过流保护单元分别连接数字量驱动单元（70）。
3.一种如权利要求1所述蓄电池电动平车一体化智能控制系统的控制方法，其特征在于：该方法步骤如下：
（1）选择系统的工作模式，本系统具有四种工作模式，分别为上电自检模式、前进行驶模式、倒车行驶模式及关机停车模式；
（2）将钥匙门从 OFF 切换到ON，系统自动进入自检模式；在该工作模式下，控制系统将对外围驱动电路进行自检，并完成对二级控制单元的上电操作，同时检测各动力总成上传的 CAN 信息，从而获取整车的当前状况；
（3）选择前进行驶模式或倒车行驶模式；若按下前进/后退按钮，系统进入前进/后退行驶模式，在该工作模式下，系统通过分析整车当前状态对驱动电机进行控制，从而驱动车辆前进/后退行驶；
（4）完成指定动作后，按下停止按钮，系统进入关机停车模式。
4.根据权利要求3所述的蓄电池电动平车一体化智能控制系统的控制方法，其特征在于：整车的当前状况包括电池包剩余电量估算、故障诊断以及处理功能。
5.根据权利要求3所述的蓄电池电动平车一体化智能控制系统的控制方法，其特征在于：关机停车是指在电动平车停止运行的同时，对其进行制动。
6.根据权利要求4所述的蓄电池电动平车一体化智能控制系统的控制方法，其特征在于：电池包剩余电量估算是通过接收电池包底层信息及高压信息对其进行估算的。
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