CN1077925A

CN1077925A - 智能型电动轿车的控制系统

Info

Publication number: CN1077925A
Application number: CN92103216A
Authority: CN
Inventors: 赵杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1992-04-30
Publication date: 1993-11-03

Abstract

本发明提供了一种智能型电动轿车控制系统，它包括指令单元、中央处理单元、斩波驱动单元、牵引电机、蓄电池和正反转和再生控制单元，中央处理单元接收上述指令单元的指令信号并通过斩波驱动单元对直流电机的运转进行控制，同时，中央处理单元通过斩波驱动单元和正反转及再生制动控制单元可对蓄电池的进行充电以及对牵引电机的正反转和制动过程进行控制。该控制系统对汽车的运行控制灵活且智能化，另外，并使汽车在蓄电池一次充电所行走的距离更长。

Description

本发明涉及一种自动控制系统，特别涉及到一种智能型电动轿车的控制系统。

目前世界上轿车大多数采用内燃机（汽动机或柴油机）驱动，这是因为在通常情况下，内燃机功率大，车速快，加上燃料使用和购买方便。但是，采用内燃机驱动的轿车在使用时排放出对人体有害的废气，加剧城市污染，并且该种车振动大、噪声大、维修和运行的费用也较大。为此，世界各国都在加紧研制采用蓄电池作为动力的轿车-电动轿车。例如日本北电力公司已研制出2座位的电动轿车，该轿车充电一次可行驶200公里;日本丰田汽车公司生产了由镍/镉电池驱动的HIACE型小货车，最高时速为53公里，活动范围100英里;意大利菲亚特公司最近生产的“电力熊猫”电动汽车，可载两人，最高时速为70公里。上述电动汽车由于一次充电所能行驶的距离较短，给使用带来了不便。

为了克服上述缺点，本发明的一个目的是提供一种能对牵引电机的起动、制动等进行自动控制的智能型的电动轿车控制系统。

本发明的另一目的是提供一种一次充电行驶距离较长的电动轿车控制系统。

本发明提供的电动轿车控制系统能对汽车的起动、调速等实现了自动化且每次充电行走的距离较长，达到200多公里。

为了实现上述目的，本发明提供的电动轿车控制系统包括：

一发出指令信号的指令单元;

一接收上述指令信号并输出第一控制信号的中央控制单元（CPU）;

一接收上述第一控制信号并输出一第二控制信号的斩波驱动单元;

一接收上述第二控制信号以便驱动轿车运行的牵引电机;

与上述牵引电机进行能量交换的蓄电池;以及

一接收上述中央处理单元（CPU）的第三控制信号以便使上述牵引电机对蓄电池进行充电的正反转和再生制动控制单元。

图1是本发明的原理方框图;

图2是本发明的一个实施例的原理方框图;

图3是本发明的图2所示的指令单元、中央处理单元的一个实施例的电路图;

图4是图2所述的电流检测器、电压检测器和逆变电源的一个实施例的电路图;

图5是图2所示的斩波驱动单元、直流电机、蓄电池及正反转和再生控制单元的一个实施例的电路图;

图6是本发明所述的第一控制信号的波形图;

图7是图2所示的中央处理单元的主程序流程图;

图8是图2所示的中央处理单元的制动处理程序的流程图;

图9是图2所示的中央处理单元的起动及调速处理程序的流程图;以及

图10是图2所示的中央处理单元的中断程序流程图。

下面结合附图，对本发明作进一步描述。

图1是本发明的原理方框图。如图所示，指令单元1向中央处理单元（CPU）2提供指令信号，上述中央处理单元（CPU）2输出第一控制信号给斩波驱动单元3，使其输出第二控制信号去控制用来驱动轿车运行的牵引电机4，而上述牵引电机4又与蓄电池5进行能量交换，也就是说，一方面，蓄电池5可带动牵引电机4转动;另一方面，牵引电机4又可在某一种情况下例如制动条件下对蓄电池5充电，补充能量，而上述能量交换是由中央处理单元2（CPU）通过正反转和再生制动单元6控制的，上述中央处理单元（CPU）2向正反转和再生制动控制单元6提供第三控制信号，于是正反转和再生制动控制单元6控制上述能量交换。

图2是本发明的一个实施例的原理电路图。在该实施例中，牵引电机4采用直流电机，斩波驱动单元3包括一VMOS功率管。如图所示，指令单元1由主令控制器11、正反转指令控制器12以及再生制动指令控制器13组成。主令控制器11向中央处理单元（CPU）2提供用来控制轿车运行方式（例如加速、稳速、滑行或制动等状态）的速度变化的控制信号;正反转指令控制器12向中央处理单元（CPU）2提供用来控制轿车前进或倒退的方向指令;再生制动指令控制器13向中央控制单元（CPU）2提供再生制动指令，以便在轿车在减速、下坡滑行或制动时将轿车的一部分动能通过正反转和再生制动控制单元6使直流电机4转换为发电机来对蓄电池5进行充电，以提高轿车一次充电所走的路程。温度检测器31用来检测斩波器VMOS功率管的温度，当其达到设定温度时，中央处理单元发出控制信号（中断信号）给斩波驱动单元，使其停止工作，以便降低VMOS功率管的温度，在低于另一设定温度时，再使其恢复运行。电流检测器41用来检测直流电机4的工作电流大小，当电流达到设定值时，中央处理单元3发出另一控制信号给斩波驱动单元3。使其发出相应的斩波信号，使直流电机4的电流减小，使电机恒流工作，达到保护直流电机4和VMOS功率管的目的。蓄电池电压检测器51用来检测蓄电池5两端的电压，当蓄电池5两端的电压低于设定值时，该电压检测器51向中央控制单元（CPU）2提供一电压控制信号，于是中央控制单元（CPU）2中断整个系统的工作，以保护蓄电池5不因过过放电而损坏。全速旁路控制器43接收中央控制单元（CPU）2的全速信号使斩波驱动单元3中的斩波器VMOS停止工作，从而降低VMOS功率管的温度，降低电耗。

上述单元或器件由逆变电源52供电也可自备电源。

图3是本发明的一个实施例的指令单元1、中央处理单元2及斩波器的温度检测器31的电路图。在图所示，主令控制器11、正反转指令控制器12以及再生制动指令控制器13构成图1中的指令单元1。再生制动指令控制器13由电阻R₁₃和开关K₁₂组成;正反转指令控制器12由电阻R₁₄和开关K₁₁组成，主令控制器11用来发出调速信号，使直流电机4以某一速度运转。它共有4档速度信号，其中第一档速度由开关K₁和电阻R₁控制，由此类推，第四档速度由开关K₄和电阻R₄控制。主令控制器11发出的是一种低电平信号，其电平高低由开关K₁、K₂、K₃和₄分别控制。如果汽车要以第一档速度运动，那么合上开关K₁，于是主令控制器11发出一低电平信号，该信号输入到中央处理单元2的P₀₀端，其P₁₃端输出相应的第一脉冲宽度调制信号（PWM）;其波形图如图6（a）所示。依此类推，如合开关K₂，则P₁₃端输出第二脉冲宽度调制信号（如图6（b）所示），以便汽车以第二档速度运行;如合上开关K₃，则P₁₃端输出第三脉冲宽度调制信号（如图6（c）所示），以便汽车以第三档速度运行;如合上开关K₄，则P₁₃端输出第四脉冲宽度调制信号（如图6（d）所示），以便汽车以第四档速度运行。这些脉冲宽度调制信号的频率相等，脉冲宽度不同。

正反转指令控制器12由开关K₁₁和电阻R₁₄组成。当开关K₁₁闭合时，给中央处理单元（CPU）2的P₀₆端输入一低电平信号，于是中央处理单元2的P₁₂输出一高电平信号，继电器J₂通电。

再生制动指令控制13采用开关K₁₂和电阻R₁₃。当开关K₁₂闭合时，中央处理单元（CPU）2的P₀₇端输入一低电平信号，于是中央处理单元2的P₁₀口输入低电平，T₁截止，J₁断电，这样直流电机对应制动或停车状态（以后将要描述）。于是P₁₂口输出一信号，从而改变原来状态即车辆从原前进或倒车的状态转变成制动状态。

当车辆接近全速时，中央处理单元2的P₁₁端发出一高电平脉冲，通过三极管T₂放大后使继电器J₃接通。

当主令控制器11中的开关K₁（当然也可是K₂或K₃或K₄）闭合时，中央处理单元2的P₁₀端发出一高电平信号，经三极管T₁放大后使继电器J₁通电。随后中央处理单元2在P₁₃端输出相应的PWM信号，直流电机4以相应的速度运行。

当光电耦合器GD′₁输出一高电平信号（即电流控制信号）给中央处理单元2的P₀₄端，于是中央处理单元通过P₁₃口发出相应的PWM信号使牵引电机两端的电压降低，从而起到限流作用。在该实施例中，是通过减少PWM信号的脉宽λi，使牵引电机的电压降低。

当光电耦合器GD′₄接收到蓄电池欠压信号（以后要描述），其输入一高电平信号给中央处理单元2的P₀₅端，于是中央处理单元的P₁₄端输出一高电平脉冲信号，经三极管T₅输入到发光二极管GD₇上，从而表明蓄电池有欠压（电压低于设定值）现象，同时中央处理单元（CPU）2的P₁₀端发出一控制信号使继电器J₁断电，从而中断整个系统的工作以便保护蓄电池。

图4是本发明的一个实施例的电流检测器41、蓄电池电压检测器51和逆变电源52的电路图。如图所示，光电耦合器GD′₃接收到图3中发光二极管GD₃发出的PWM信号，于是PWM信号输入到集成块555的“6”端和“2”端，其“3”端输出放大后的脉冲宽度调制信号（PWM），经G端输入到斩波驱动单元3中（以后描述），以便直流电机4以相应的速度运转。光电耦合器GD′₂接收到图3中与中央处理单元2的P₁₅口相接的发光二极管GD₂发出的高电平信号，通过电容C₉作用产生制动电流，从而控制直流电机4的制动电流的大小。

另外，图1、2中的蓄电池5两端的电压U_s（通常为108V）经逆变电源52变成低压直流电压（例如5V）通过c、d端给图3所示的中央处理单元（CPU）2供电，通过a、b端给电流检测器41供电。

当蓄电池5两端的电压V_s下降到某一设定值V_d时，蓄电池电压检测器51的光电耦合器GD₄截止，于是图3所示的光电耦合器GD₄产生一电压信号并输入到中央处理单元2的P₀₆端，于是中央处理单元的P₁₅口输出一电压信号，发光二极管GD′₂发光，表明蓄电池欠压。同时，中央处理单元2通过P₁₀口发出控制信号使继电器J₁断电，于是直流电机4停止工作。

直流电机4的工作电流I_f由电流检测器41测定，当I_f大于一设定值I_d时，发光二极管GD₁截止，图3所示的光电耦合器GD'₁产生一电平信号给中央处理单元2，于是中央处理单元2通过P₁₃口调整PWM信号的脉宽λ_i，使得直流电机4两端的电压下降，从而减少直流电机4的工作电流I_f使其降到设定值以下。

图5是本发明的斩波驱动单元3、直流电机4、蓄电池5及正反转和再生控制单元6的电路图的一个实施例。正反转和再生控制单元6由继电器J₁的常开触点J_i、接触器QC和其常开触头QC₁、常闭触头QC₂、接触器RC及它的常开触头RC₁、常闭触头RC₂、接触器FC及其它的常开触头FC₁、常闭触头FC₂、继电器J₂、J₃、J₄的常开触点J₂、J₃、J₄构成。驱动单元3由VMOS功率管和二极管D₁₀构成。为了保护VMOS功率管，在VMOS功率管的附近设置一斩波器的温度检测器31的温度传感器（未标出），当其温度超过一设定值T_d时，上述温度传感器发出电信号给中央处理单元2的P₉端，于是中央处理单元的P₁₆端发出一控制信号使开关J_t接通，于是一风扇（未画出）开始运转，从而使上述VMOS功率管的温度降低，达到保护功率管的目的。

蓄电池5可对直流电机4进行供电，相反，如果直流电机4的工作状态为发电机状态，那么它可对蓄电池5进行充电。该实施例的斩波驱动单元3由VMOS大功率管构成，当来自G端的脉冲宽度调制信号（PWM）来驱动直流电机以一定的速度运转，每一设定的脉冲宽度对应着直流电机4的某一设定速度;例如，如果CPU2的P₁₃端发出第一脉冲信号，则直流电机4以第一档速度运算。改变上述PWM3信号的脉冲宽度，就可改变直流电机4的运转速度。分流器F用来对直流电机4的工作电流进行取样，以便电流检测器41检测电机4的工作电流。

当继电器J₁的常开触点J₁闭合时，接触器QC通电，于是其常开触点QC₁接通，常闭触点QC₂打开，接触器J₂通电，接触器RC通电，RC₁接通，RC₂断开，于是直流电机正向通电，带动车轮（未画出）转动，汽车开始前进。

全速旁路控制器43采用接触器HC、其常开触头HC以及继电器J₃的常开触点J₃。

当继电器J₃的常开触点J₃闭合时，接触器HC的常开触头HC闭合，于是蓄电池5的全部电压加在直流电机4的两端，从而使电机达到全速运转，并且提高了调速系统的效率，该效率可接近100%。

当继电器J₂的常开触点J₂闭合而J₄断开时，接触器RC通电，于是其常开触点RC₁闭合，常闭触点RC₂断开，此时，常闭触点FC₂接通，常开触点FC₁断开，于是蓄电池5给直流电机4正向供电，直流电机4带动车轮向前滚动。

当继电器J₄的常开触点J₄闭合而J₂断开时，接触器FC的常闭触头FC₂断开，常开触头FC₁闭合，此时RC的常开触头RC₁断开，常闭触头RC₂闭合，因此，直流电机4反向供电，从而带动车轮向后滚动，汽车则在倒退行走。

当J₁接通时，QC的常开触头QC₁断开、常闭触头QC₂闭合时，J₂断开，J₄接通接触器RC断开，FC吸合，于是，直流电机4反接，其电动势也反向，该电动势E通过续流二极管D₁₀反馈给蓄电池5，从而对蓄电池5充电，通过控制VMOS管的导通比就可控制馈入电流以及电机电流的大小，也就可控制制动力的大小，从而进行再生制动过程。由于采用了上述再生制动过程，因而可使电动汽车的蓄电池不断补充能量，于是使用本发明提供的控制系统可使电动汽车一次充电后行驶的距离较长。

图6是本发明的一个实施例所述的PWM信号的波形图（指VMOS相力极的电压信号）图6（a）是第一方波信号的波形图，它的占空比为λ₁，对应的直流电机4的转速（也就是汽车的运行速度）为第一档速度;图6（b）是第二方波信号的波形图，它的占空比为λ₂，对应的直流电机4的转速为第二档速度;图6（c）是第三方波信号的波形图，它的占空比为λ₃，对应的直流电机4的转速为第三档速度;图6（d）是第四方波信号的波形图，它的占空比为λ₄，对应的直流电机4的转速为第四档速度，上述方波信号的周期相等。调节上述方波信号的占空比λ可改变直流电机4的转速。上述占空比λ过中央处理单元来改变的，它采用定频调宽方式。

由此可知，本发明提供的电动轿车控制系统一方面通过频中央处理单元2对脉冲宽度调制信号（PWM）的占空比进行调节来对直流电机4的转速进行调节，另一方面又通过中央处理单元2对直流电机的正反转、制动及蓄电池的再生过程以及斩波驱动单元的保护等进行控制，并具有欠压保护、过流保护、温度保护、软起动等自动调节功能，从而使该系统实现智能化。

实现上述“智能”控制，中央处理单元2是通过下列程序来实现的，为了进一步了解本发明的整个工作过程，下面对中央处理单元2的主程序、制动处理程序、起动及调速处理程序和中断处理程序作详细说明。

图7是本发明的实施例所述的主程序的流程图表。如图所示，它按下列步骤进行：

步骤1，中央处理单元2开始工作（即开机）;

步骤2，初始化;

步骤3，根据来自P₀₅端的反映电压V_s大小的电信号，如果电压V_s低于设定值V_d，则进行步骤4，即其P₁₄端发出一欠压指示信号使发光二极管GD′₂发光，同时，继续对电压V_s进行检测;如果电压V_s等于或大于上述设定值V_d，则进行步骤5即消除上述欠压指示信号（高电平信号）;

步骤6，进行正反转控制，使直流电机4正向或反向旋转。从而使汽车前进或后退，上述控制通过图5所示的一系列继电器或接触器来完成;

步骤7，判断控制系统是否处于制动状态，如处于制动状态，则进行步骤8即制动处理，如果不是处于制动状态，则进行步骤9;

步骤9，判断汽车控制系统是否处于起动状态，如果已经处于起动状态，则进行步骤10，即进行起动及调速处理;如果没有处于起动状态，则重新回到步骤3。

图8是本发明提供的实施例所述的制动处理程序的流程图。如图所示，它按下列步骤进行：

步骤21，进入制动处理程序;

步骤22，通过控制一组接触器或继电器，使直流电机4进入制动准备状态;

步骤23，根据要求（通常是为了使用户感到很自然进入制动状态），将制动处理的进行延时一定时间T₁例如0.5秒;

步骤24，中央处理单元的定时器“0”开中即有PWM输出;

步骤25，判断直流电机4对电源的充电的工作电流（负载电流）Ii是否大于设定的电流Id;如果电流Ii不大于Id，则将此时CPU2发出的PWM信号的占空比λi增加一设定值△λ，然后进入步骤27;如果上述电流Ii大于上述设定值Id，则将PWM信号的占空比λi减少△λ;

步骤26，判断工作电流Ii是否“溢出”，如果溢出，则设定其占空比λi为零;如果没溢出，则进行下一步骤;

步骤27：判断汽车的控制系统是否处于制动状态，如处于制动状态，则回到步骤25，进行循环;如不处于制动状态，则进行步骤28即设定PWM信号的占空比λi为零;

步骤29：关中断即停止PWH输出。

图9是本发明提供的实施例所述的起动及调整处理程序的流程图，如图所示，它按下列步骤进行：

步骤31，进入该程序，

步骤32，通过控制接触器或继电器，使系统进入起动状态;

步骤33，根据需要，使起动及调速处理延时一设定时间T₂（约0.5S）;

步骤34，中央处理单元2的定时器“0”开中;

步骤35，判断汽车是否处于制动状态，如果处于制动状态，则进行步骤50，定时器“0”关中;

步骤36，判断蓄电池两端的电压Vi是否低于设定值Vd，如果低于设定值，则进行步骤39，如果不低于设定值，则进行下一步;

步骤37，判断直流电机4的工作电流Ii是否大于设定的电流值Id;如果不大于设定的值，则进行步骤38，即将PWM信号的占空比λi增加△λ;如果大于设定的值，则进行步骤39，即将PWM信号的占空比λ减少△λ;

步骤40，判断PWM信号的占空比λi是否溢出，如果是溢出，则进行步骤41即设定λ＝0，然后再进行步骤42;如果没有溢出，则进行步骤42;

步骤42，判断是否有第四档速度，如果有，则进行步骤43，反之，则进行步骤44;

步骤43，判断PWM信号的占空比λi是否大于或等于第四档速度所设定的占空比λ₄，如果是，则闭合旁路接触器;反之，则回到步骤35;

步骤44，判断直流电机4是否有第三档速度，如果有，则进行步骤45;反之，则进行步骤46;

步骤45，判断PWM信号的占空比λi是否大于或等于第三档速度所设定的占空比λ₃，如果是，则回到步骤35;否则就设定占空比λi为λ₃;

步骤46，判断直流电机4是否有第三档速度，如果有，则进行步骤47，反之则进行步骤48;

步骤47，判断PWM信号的占空比λi是否大于或等于第二档速度所设定的占空比λ₂，如果是则回到步骤35，反之则设定其占空比λi为λ₂;

步骤48，判断直流电机4是否有第一档速度即起动，如果有，则进行步骤49，反之则进行步骤50;

步骤49，判断PWM信号的占空比λi是否大于或等于第一档速度所设定的占空比λ₁，如果是，则回到步骤35;

步骤50，定时器“0”关中即停止PWM输出;

步骤51，设定PWM信号的占空比λ为零;

步骤52，返回主程序。

图10是本发明的实施例中中央处理单元2的中断处理程序。图10（a）是所述定时器“0”的中断程序，如图所示;

步骤61，进入中断;

步骤62，PWM信号置“0”;

步骤63，定时器“1”开中;

步骤64，设置常数（占空比）λ，

步骤65，启动定时器“1”;

步骤66，返回。

图10（b）是所述定时器“1”的中断程序，其中。

步骤71，进入中断;

步骤72，PWM信号置“1”（高电平）;

步骤73，定时器“1”关中;

步骤74，返回。

在本发明的实施例中，如果牵引电机采用交流电机，对一般技术人员来说也可以实现本发明的目的。

如果本发明采用对脉冲信号进行定宽调频的方法，同样可实现对直流电机转速的调节。

在本发明所述的实施例中，控制信号的传递采用光电耦合器来进行隔离和传送，减少了电路之间的信号干扰，提高了整个控制系统的性能。当然，采用线路控制，也能实现本发明的目的。

对于本领域内的一般技术人员，本发明的实施例可作多种改变，同样能实现本发明的目的，本发明的保护范围正如权利要求书所概括的。

Claims

1、一种电动轿车控制系统，其特征在于，它包括：

用来发出指令信号的指令单元；

用来接收上述指令信号并输出第一控制信号的中央处理单元(CPU)；

接收上述第一控制信号并输出一第二控制信号的斩波驱动单元；

接收上述第二控制信号以便驱动电动轿车运行的牵引电机；

与上述牵引电机进行能量交换的蓄电池；以及

接收上述中央处理单元的第三控制信号以便使上述牵引电机对蓄电池进行充电的正反转和再生制动控制单元。

2、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，上述指令单元包括主令控制器、正反转指令控制器及再生制动指令控制器，所述指令单元中各控制器输出一低电平信号给上述中央处理单元，以便牵引电机进行加速、稳速、滑行或再生制动;上述正反转指令控制器输出低电平信号给中央处理单元，以便牵引电机进行正反转运行;上述再生制动指令控制器输出一低电平信号给中央处理单元，以便牵引电机对上述蓄电池进行充电。

3、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于它还包含一电流检测器，它检测上述牵引电机的工作电流，并输出一电流控制信号给中央处理单元以便使牵引电机在一定的工作电流范围内工作。

4、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于它还包含电压检测器，它检测上述蓄电池两端的电压，如果该电压小于某一设定值，则上述电压检测器输出一电压控制信号给中央处理单元以便使蓄电池在欠压的条件下停止工作。

5、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于还包含一斩波器的温度检测器，它用来测定斩波驱动单元6的温度，当其温度超过一设定温度时输出温度控制信号给中央处理单元，于是中央处理单元使斩波驱动单元停止工作。

6、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于一逆变电源可将蓄电池的高电压变成低电压，以便为中央处理单元、斩波驱动单元、电流检测器和电压检测器提供电源。

7、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于一全速旁路控制器43接收中央处理单元的旁路控制信号，以便使蓄电池电压全部加给牵引电机从而保护了斩波驱动单元并提高其效率。

8、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述牵引电机是直流电机。

9、如权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述牵引电机是交流电机。