電動教練車控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種電動教練車控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括單片機、電機驅(qū)動電路、電機轉(zhuǎn)速測量電路、怠速調(diào)節(jié)電路、電子油門踏板、制動開關(guān)、空擋開關(guān)、點火開關(guān)，所述電機驅(qū)動電路、電機轉(zhuǎn)速測量電路、怠速調(diào)節(jié)電路、電子油門踏板、制動開關(guān)、空擋開關(guān)、點火開關(guān)分別與單片機相連，本實用新型所述電動教練車控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛者操作意圖并結(jié)合操作過程中相應(yīng)傳感器信號，分析、計算輸入信號，模擬燃油車運行工況，控制驅(qū)動信號輸出，從而控制電機轉(zhuǎn)速，滿足電動教練車操作要求，保持其工作穩(wěn)定性。該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，信號時效性強，無滯后等特點，便于電機有效、穩(wěn)定、快捷地控制，可以達(dá)到燃油教練車的駕駛感覺。
【專利說明】電動教練車控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及電動汽車的動力系統(tǒng)控制，特別涉及一種電動教練車控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 節(jié)能減排已是全球趨勢，在各國相關(guān)政策的指導(dǎo)下，電動汽車的應(yīng)用日益廣泛。由 于教練車的特殊運行工況，使得電動教練車的研發(fā)更加必要。電動汽車由具有良好牽引特 性的電機和蓄電池來作為整個汽車的動力系統(tǒng)?？刂破鬟M行汽車的運行控制、行駛安全和 能量分配等，實現(xiàn)車輛的可靠、安全行駛。現(xiàn)有電動教練車的控制系統(tǒng)去掉了離合器和變速 器，無法滿足學(xué)員對換擋過程的學(xué)習(xí)，同時，由于電機的特性，無法真實模擬燃油汽車所具 有的駕駛感覺，例如，在起步過程中抬起離合器過快而使發(fā)動機熄火等情況，因此，亟需一 種電動教練車專用的控制系統(tǒng)。 實用新型內(nèi)容
[0003] 本實用新型的目的在于提供一種電動教練車控制系統(tǒng)，可以保證電動教練車的正 常平順行駛狀態(tài)、安全可靠，且使電動教練車可以達(dá)到燃油教練車的駕駛感覺。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本實用新型采用了以下技術(shù)方案：
[0005] -種電動教練車控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括控制器、電機轉(zhuǎn)速測量電路、電子油門 踏板、制動開關(guān)、空擋開關(guān)、點火開關(guān)、控制器溫度傳感器、電機溫度傳感器、電機電流采集 電路以及電機電壓采集電路，所述電機轉(zhuǎn)速測量電路、電子油門踏板、制動開關(guān)、空擋開關(guān)、 點火開關(guān)、控制器溫度傳感器、電機溫度傳感器、電機電流采集電路以及電機電壓采集電路 分別與控制器相連。
[0006] 所述控制器包括單片機以及與單片機相連的電機驅(qū)動電路、A/D接口和I/O接口。
[0007] 所述電子油門踏板、控制器溫度傳感器、電機溫度傳感器、電機電流采集電路以及 電機電壓采集電路與所述控制器的A/D接口相連。
[0008] 所述點火開關(guān)、制動開關(guān)以及空擋開關(guān)分別與所述控制器的I/O接口相連。
[0009] 所述控制系統(tǒng)還包括用于調(diào)節(jié)怠速轉(zhuǎn)速的電位器、狀態(tài)顯示電路以及主接觸器驅(qū) 動電路，主接觸器驅(qū)動電路以及狀態(tài)顯示電路分別與所述控制器的I/O接口相連，狀態(tài)顯 示電路包括顯示器以及指示燈，電位器與所述控制器的A/D接口相連。
[0010] 本實用新型的有益效果體現(xiàn)在：
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型可以根據(jù)用戶操作過程中相應(yīng)檢測信號或狀態(tài)信號 獲取汽車運行狀態(tài)，并控制驅(qū)動信號輸出，從而控制電機轉(zhuǎn)速，滿足教練車操作要求，保持 其工作穩(wěn)定性。該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，信號時效性強，無滯后等特 點，便于電機有效、穩(wěn)定、快捷地控制，可以達(dá)到燃油教練車的駕駛感覺。
[0012] 本實用新型獲取電機電流、電壓以及溫度等檢測信號，對電機以及控制器工作狀 況進行實時監(jiān)控，有利于提高電機壽命，保證行車安全。
[0013] 本實用新型依靠電動機轉(zhuǎn)速測量電路獲取電機的實時轉(zhuǎn)速，控制器根據(jù)實時轉(zhuǎn)速 模擬燃油車怠速運行狀態(tài)，維持怠速穩(wěn)定。通過在起步過程中監(jiān)測電動機的轉(zhuǎn)速變化，模擬 燃油車汽車起步中由于抬起離合器過快而出現(xiàn)的熄火現(xiàn)象。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型的控制系統(tǒng)框圖；
[0015] 圖2為本實用新型的硬件設(shè)計圖；
[0016] 圖3為本實用新型的程序流程圖；
[0017] 圖中：1為控制器，2為電子油門踏板，3為用于調(diào)節(jié)怠速轉(zhuǎn)速的電位器，4為溫度傳 感器，5為主接觸器驅(qū)動電路，6為點火開關(guān)，7為空擋開關(guān)，8為制動開關(guān)。

【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0019] 參見圖1-圖2,本實用新型所述電動教練車控制系統(tǒng)包括控制器、電機轉(zhuǎn)速測量 電路、電子油門踏板、制動開關(guān)、空擋開關(guān)以及點火開關(guān)，所述電機轉(zhuǎn)速測量電路、電子油門 踏板、制動開關(guān)、空擋開關(guān)以及點火開關(guān)分別與控制器相連。所述控制器包括單片機以及與 單片機相連的電機驅(qū)動電路、A/D接口和I/O接口。所述電子油門踏板與所述控制器的A/D 接口相連。所述點火開關(guān)、制動開關(guān)以及空擋開關(guān)分別與所述控制器的I/O接口相連。所 述控制系統(tǒng)還包括與所述控制器的A/D接口相連的控制器溫度傳感器、電機溫度傳感器、 電機電流采集電路以及電機電壓采集電路。所述控制系統(tǒng)還包括用于調(diào)節(jié)怠速轉(zhuǎn)速的電位 器、狀態(tài)顯示電路以及主接觸器驅(qū)動電路，主接觸器驅(qū)動電路以及狀態(tài)顯示電路分別與所 述控制器的I/O接口相連，狀態(tài)顯示電路包括顯示器以及指示燈，電位器與所述控制器的 A/D接口相連。
[0020] 所述電動教練車起動時，所述控制器通過空擋開關(guān)檢測到變速箱擋位處于空擋狀 態(tài)時，由所述控制器通過電機驅(qū)動電路控制電機轉(zhuǎn)動，并依據(jù)燃油車怠速工況控制電機維 持怠速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。所述控制器對電機轉(zhuǎn)速變化進行實時監(jiān)測，在電動教練車起步過程中，若 電機轉(zhuǎn)速下降速率超過閾值時，所述控制器控制電機停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)踩下或松開所述電子油 門踏板時，所述控制器按照預(yù)先設(shè)定加速度或減速度進行加速或減速。
[0021] 所述控制系統(tǒng)設(shè)定有保護控制程序，包括對蓄電池進行欠壓保護，對電機進行過 流、過熱保護和堵轉(zhuǎn)保護以及對控制器進行過熱保護。
[0022] 該控制系統(tǒng)能夠完全模擬燃油教練車的起動、怠速、起步、加減速等操作，使駕駛 者擁有與燃油車相同的駕駛體驗。
[0023] 實施例
[0024] 一種針對于72V、6. 3kW直流串勵式電動機、電池電壓為72V的小型純電動場地教 練車控制系統(tǒng)，參見圖1以及圖2,所述控制系統(tǒng)的控制器基于PIC16F886型號的單片機， 所述單片機具有中斷系統(tǒng)功能、A/D接口、矩形脈沖處理模塊（處于捕捉模式來測量轉(zhuǎn)速和 PWM的脈寬調(diào)制輸出）、I/O接口、SPI模塊（故障碼存儲模塊）和串口模塊等；
[0025] 電子油門踏板（加速踏板信號）、怠速調(diào)節(jié)電位器（怠速調(diào)節(jié)信號）、控制器溫度 傳感器以及驅(qū)動電機溫度傳感器（溫度傳感器信號）、驅(qū)動電機電流采集電路（檢測驅(qū)動電 機電流）和驅(qū)動電機電壓采集電路（檢測驅(qū)動電機電壓）連接所述的A/D接口；
[0026] 電機轉(zhuǎn)速測量電路（驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速信號）連接控制器的矩形脈沖處理模塊；
[0027] 電機驅(qū)動電路連接控制器的矩形脈沖處理模塊；
[0028] 點火開關(guān)（點火開關(guān)信號：ACC信號、0N信號、ST信號）、手動復(fù)位信號、變速箱空 擋開關(guān)（空擋信號）、指示燈、主接觸器（主接觸器驅(qū)動信號）以及制動踏板（制動踏板信 號）連接所述的I/O接口；
[0029] 電池管理系統(tǒng)通過串口模塊與所述控制器連接。
[0030] 所述A/D接口用于接收加速踏板信號以及驅(qū)動電機電流、驅(qū)動電機電壓和溫度傳 感器信號；電源模塊用于電池電壓的轉(zhuǎn)換和能源分配；I/O接口接收主接觸器驅(qū)動信號、點 火開關(guān)信號、空擋信號、手動復(fù)位信號以及制動踏板信號；使用矩形脈沖處理模塊的捕捉功 能實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的測量，使用矩形脈沖處理模塊的PWM脈寬調(diào)制功能輸出方波完成電機轉(zhuǎn) 速的調(diào)整；SPI模塊用于故障檢測和故障碼的存儲；串口模塊與電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)通訊，獲 得能源電池的相關(guān)參數(shù)。
[0031] 如圖3所示，鑒于教練車的用途，電動教練車保留了燃油汽車點火開關(guān)的三個擋 位：ACC擋、0N擋和ST擋。各個擋位需要完成的功能如下：點火開關(guān)旋至ACC擋時，給控制 器上電，并進行初始化，檢測系統(tǒng)是否存在異常，若存在異常，存儲故障碼，進行異常處理； 若無異常，等待指令信號。點火開關(guān)旋至0N擋時，控制器輸出主接觸器接通信號，主接觸器 吸合，接通動力蓄電池正極與控制器間的電路。點火開關(guān)旋至ST擋時，模擬燃油車起動，若 車輛處于動力接合狀態(tài)，電機短時轉(zhuǎn)動之后停止，起動失?。ㄗ⒁猓浩饎与姍C時，變速箱擋 位應(yīng)處于空擋狀態(tài)，如果擋位不在空擋，能起動，沖一下，但電機轉(zhuǎn)不起來）；起動成功后鑰 匙開關(guān)回到0N擋，進入怠速控制程序，將電機的實時轉(zhuǎn)速作為反饋信號輸入控制器，與預(yù) 先設(shè)定的怠速轉(zhuǎn)速比較，保證怠速穩(wěn)定。汽車起步時，變速器擋位處于一擋，緩慢抬起離合 器踏板接通電機與變速器間的動力連接，如電機轉(zhuǎn)速下降的變化量小于400rpm，汽車才能 起步成功，否則控制電機停止轉(zhuǎn)動，汽車起步不成功。汽車起步后，處于正常運行狀態(tài)，當(dāng)踩 下或松開電子油門踏板時，所述控制器按照預(yù)先設(shè)定的加速度或減速度進行增加或減小輸 出的占空比值，保證汽車實現(xiàn)平穩(wěn)加速或減速，避免汽車突然躥出。設(shè)計中保留了有五個擋 位的變速箱，能夠完成類似燃油汽車的換擋操作，通過操作電子式加速踏板位置使得控制 器改變驅(qū)動信號的占空比來控制電機轉(zhuǎn)速的大小，通過外設(shè)裝置可以手動調(diào)節(jié)怠速目標(biāo)轉(zhuǎn) 速，配置了電池電量過低警告顯示裝置。
[0032] 所述控制器分有三種狀態(tài)：
[0033] 第一種狀態(tài)為在汽車平地起步和半坡起步時能平穩(wěn)起步，在起步過程中，能夠?qū)?現(xiàn)模擬燃油教練車由于放松離合器過快或者擋位過高不能正常起步，或起步過程中熄火的 狀態(tài)。
[0034] 第二種狀態(tài)為能實現(xiàn)電機的怠速轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，保證怠速穩(wěn)定，保證在電池電 壓變化、負(fù)載變化以及受到外界因素的影響時轉(zhuǎn)速都應(yīng)保持不變。怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速可手動調(diào) 節(jié)。
[0035] 第三種狀態(tài)是汽車加速、減速的運行，當(dāng)踩下或松開加速踏板時，按照預(yù)先設(shè)定的 加速度（減速度）方案進行增加或減小輸出信號占空比值，確保與駕駛?cè)加徒叹氒嚨募訙p 速感覺一致。
[0036] 任何一種狀態(tài)中電機保護功能持續(xù)工作，避免電機由于過熱、過流、過壓等原因?qū)?致?lián)p壞。
[0037] 下面介紹控制方法具體內(nèi)容：
[0038] 1、點火開關(guān)操作
[0039] 為了使電動教練車較高程度地模擬燃油教練車，本實用新型保留了原燃油車的點 火開關(guān)裝置，定義如下：〇ff擋全車斷電；ACC擋可以為車身附件如收音機等提供電源供給； 0N擋車輛處于怠速、行駛等運行過程；ST擋車輛起動，電機以怠速轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。本實用新型點 火開關(guān)操作要求如下：①off :開關(guān)處于該位置才能插入或取出鑰匙。②ACC :控制器上電 自檢，電機不工作，輔助電源接通，如收音機、車燈、雨刷等裝置供電。③0N:主接觸器接通。 ④ST :模擬燃油車起動工況并使電機怠速運轉(zhuǎn)（注意：起動電機時，變速箱擋位應(yīng)處于空擋 狀態(tài)，如果擋位不在空擋，能起動，沖一下，但電機轉(zhuǎn)不起來），控制電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在700r/ min，模仿燃油車怠速工況，點火開關(guān)由ST擋位自動回位至ON擋，控制器此時方可接受駕駛 操作指令。
[0040] 2、車輛怠速、起步行駛、停車工況
[0041] (1)車輛怠速工況。怠速為電機處于無負(fù)載運轉(zhuǎn)狀態(tài)，離合器處于結(jié)合位置，變速 箱處于空擋位置，加速踏板處于完全松開狀態(tài)。車輛怠速過程中，應(yīng)能保證一定的怠速轉(zhuǎn)速 不變（包括電池容量變化、負(fù)載變化以及受到外界因素的影響時轉(zhuǎn)速都應(yīng)保持不變），應(yīng)采 用閉環(huán)控制，將電機轉(zhuǎn)速與設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值比較，確保電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。
[0042] (2)車輛起步過程。平地起步時，踩下離合器踏板，變速箱掛1擋，輕抬離合器踏板 并緩慢踩下加速踏板，使車輛速度平穩(wěn)增加，保證車輛平穩(wěn)起步，避免汽車在起步過程中電 流太大，瞬間竄出。起步過程中，當(dāng)離合器踏板抬起過快時，造成驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速下降率很大 (400r/min)時，控制器使電動機停止轉(zhuǎn)動，模擬燃油汽車發(fā)動機熄火現(xiàn)象。
[0043] (3)加速過程。踩下加速踏板實現(xiàn)車輛加速，電機驅(qū)動電流隨著加速踏板行程大小 進行隨動。
[0044] (4)車輛減速。在車輛的制動減速時，松開加速踏板或踩下制動踏板，電機轉(zhuǎn)速高 于設(shè)定的怠速轉(zhuǎn)速時，控制器不輸出PWM驅(qū)動信號；電機轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的怠速轉(zhuǎn)速時，控制 器輸出怠速PWM驅(qū)動信號。
[0045] 3、保護
[0046] (1)當(dāng)動力電池電壓過低時，應(yīng)具有低壓保護，避免損壞蓄電池，縮短蓄電池的壽 命。若蓄電池有較大電流放電時即使電量充足，電壓也會下降到低點（低電壓設(shè)定值），而 此時應(yīng)認(rèn)為工作正常，充分發(fā)揮電池能力。
[0047] (2)當(dāng)電路中的電流過大，超出上限時，應(yīng)具有過流保護，避免元器件損壞，此期間 的加速踏板信號視為無效，但應(yīng)允許瞬間過電流。
[0048] (3)當(dāng)控制器和電機溫度過高時，應(yīng)具有過熱保護，防止控制器和電機燒毀。
[0049] (4)控制器應(yīng)具有抗干擾能力。
[0050] (5)控制器應(yīng)具有超速保護。
[0051] (6)當(dāng)電機堵轉(zhuǎn)時間超過設(shè)定值時，應(yīng)具有堵轉(zhuǎn)保護，避免損壞電機。
[0052] 控制器上電后進行系統(tǒng)自檢，內(nèi)容有電機控制器AD模塊、數(shù)據(jù)傳感器、電壓電路 檢測、是否可靠接地、控制器總線電壓以及芯片的供電電壓等，有異常時進行異常處理，無 異常時等待指令信號，根據(jù)信號進入相應(yīng)的模塊控制程序。
[0053] 模擬的車輛怠速工況如下：點火開關(guān)置于ST擋時起動電機開始轉(zhuǎn)動，點火開關(guān)自 動回位至0N擋，電機保持設(shè)定的怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，加速踏板無動作，電機控制器應(yīng)能自 動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，將電機轉(zhuǎn)速與預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速值進行比較，通過對轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，使 怠速穩(wěn)定，保證教練車怠速轉(zhuǎn)速不受電池容量下降、負(fù)載變化的影響。
[0054] 車輛起步時，變速箱掛一擋，踩下加速踏板，電機控制器使得輸出轉(zhuǎn)矩增大，保證 汽車正常起步。在燃油車起步時，如果加速踏板的行程過小，離合器抬起過快，容易導(dǎo)致發(fā) 動機熄火，相反，如果加速踏板的行程過大，離合器接合過快，容易使得汽車竄行，但對于純 電動教練車來說，電動機不會因為負(fù)載過大而停止運轉(zhuǎn)，因此電動汽車在起步的過程中不 會出現(xiàn)像燃油車的那種起步熄火。為了模擬此種情況，電動教練車在起步時，通過判斷在抬 離合器踏板的過程中電動機轉(zhuǎn)速下降率來檢測離合器踏板抬起是否過快。如果電機轉(zhuǎn)速下 降率超過設(shè)定值，則認(rèn)為離合器抬起過快，電機瞬間載荷過大，此時電機控制器停止PWM波 輸出，電機停轉(zhuǎn)，汽車不起步。若電機轉(zhuǎn)速下降量小于設(shè)定值，則離合器踏板操作滿足要求， 離合器踏板松開后，踩加速踏板至一定開度，確定對應(yīng)的PWM占空比，輸出以定值進行自增 的占空比至當(dāng)前加速踏板開度相對應(yīng)的PWM波，實現(xiàn)平穩(wěn)起動，對電機轉(zhuǎn)速進行PI調(diào)節(jié)，保 證車輛能夠滿足當(dāng)前加速踏板動作的要求。
【權(quán)利要求】
1. 一種電動教練車控制系統(tǒng)，其特征在于：該控制系統(tǒng)包括控制器、電機轉(zhuǎn)速測量電 路、電子油門踏板、制動開關(guān)、空擋開關(guān)、點火開關(guān)、控制器溫度傳感器、電機溫度傳感器、電 機電流采集電路以及電機電壓采集電路，所述電機轉(zhuǎn)速測量電路、電子油門踏板、制動開 關(guān)、空擋開關(guān)、點火開關(guān)、控制器溫度傳感器、電機溫度傳感器、電機電流采集電路以及電機 電壓采集電路分別與控制器相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種電動教練車控制系統(tǒng)，其特征在于：所述控制器包括單片 機以及與單片機相連的電機驅(qū)動電路、A/D接口和I/0接口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種電動教練車控制系統(tǒng)，其特征在于：所述電子油門踏板、控 制器溫度傳感器、電機溫度傳感器、電機電流采集電路以及電機電壓采集電路與所述控制 器的A/D接口相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種電動教練車控制系統(tǒng)，其特征在于：所述點火開關(guān)、制動開 關(guān)以及空擋開關(guān)分別與所述控制器的I/O接口相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種電動教練車控制系統(tǒng)，其特征在于：所述控制系統(tǒng)還包括 用于調(diào)節(jié)怠速轉(zhuǎn)速的電位器、狀態(tài)顯示電路以及主接觸器驅(qū)動電路，主接觸器驅(qū)動電路以 及狀態(tài)顯示電路分別與所述控制器的I/O接口相連，狀態(tài)顯示電路包括顯示器以及指示 燈，電位器與所述控制器的A/D接口相連。
【文檔編號】B60L15/00GK203902317SQ201420316740
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】林廣宇, 仇世侃, 蹇小平, 郭金剛, 段艷妮 申請人:長安大學(xué)