智能电动车模拟设计论文

智能电动车模拟设计论文（通用8篇）

智能电动车模拟设计论文 篇1

本设计是采用单片机智能控制方式,设计一个在跷跷板上运动的智能电动车,设计的电动车能在跷跷板上按要求运动。在跷跷板起始端一侧装有可移动的配重物体,配重物体位置可调范围≥400 mm。电动车从起始端出发,按要求自动在跷跷板上行驶。跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别,如图1和图2所示。

1 方案比较与选择

1.1 电机驱动模块

考虑到效率和性能,比较H桥驱动电路和集成芯片L298N,L298N驱动电机的能力强,电路简单,能减轻电动车负担,提高电动车速度且功耗低(同速情况下电流120 mA)、操作方便、稳定性好、性能优良,因此选择采用集成芯片L298N电机的驱动。

1.2 传感器模块

(1)寻迹检测。

采用反射式红外发射、接收对管。对管发射、接收都有一定频段,受外界光源影响较小,而且外围电路简单、检测效果好、成本低。

(2)平衡检测。

市售角度传感器可以精确的检测角度的变化,但是价格昂贵、成本较高,为节约成本,采用自制摆陀与光耦合器构成的角度传感器,检测平衡状态。器件外围电路简单、成本低,灵敏度虽不太高,但基本能达到设计的要求。

1.3 显示与输入模块

基于本系统要显示小车的行驶时间和行驶距离的要求且需要适时显示,使用LCD液晶显示屏来显示运行时间。LCD液晶显示屏具有轻薄短小、耗电量低、无辐射危险、平面直角显示、画面效果好、可视面积大、抗干扰能力强、显示信息量多,适用于适时显示。

1.4 电源模块

采用双电源供电,虽然可以消除电动机驱动所导致的干扰,但会使电动车重量增大,影响电动车的速度。而单电源供电使电动车总重量不会过大,便于控制速度,滤波电路稳定地向单片机提供所需电压,可以达到理想效果。考虑系统稳定的重要性,采用单电源供电方式。

2 系统组成、原理和电路图

2.1 系统组成框图

2.2 硬件电路各部分电路原理及电路图

2.2.1 ATC89S52单片机

本设计采用ATC89S52单片机为系统控制核心,ATC89S52单片机电路,如图4所示。单片机利用传感器检测路面黑带的信号以触发,控制电机、液晶显示等模块来实现各种功能。A到D这4个按键分别对应题目的4个要求,由P2.0～P2.3输入,完成相应功能。中心线黑带寻迹检测到的左右两侧信号分别输入P1.6和P1.7,黑带寻迹的起点和终点信号利用P3.1选通数据选择器,输入单片机P3.3。单片机经过分析,对两个电机做出相应的快慢处理。电机的正反转动分别由P1.2～P1.5输出,而PWM信号则由P1.0和P1.1输出。电动车行使的时间由单片机时钟计算,并输出到LCD液晶显示,P0.0～P0.7的8个端口分别是LCD液晶显示的双向数据线端口,P2.5是LCD寄存器选择端,P2.6是LCD读写端,P2.7是LCD显示使能端。

2.2.2 液晶显示与键盘电路

如图5所示,A～D4个按键分别对应题目的4个要求,每按一个按键就可以实现一个功能,LCD用于电动车往返间的适实显示。

2.2.3 L298N电机驱动电路

本设计采用高电压、大电流的L298N全桥驱动芯片,外围电路,如图6示。它响应频率高,一片L298N可以分别控制两个直流电机。两个电机的4个正反向信号和两个PWM信号经L298N后能够很好的控制电机正反转动和较大范围的控制电机电压。

2.2.4 7805电源电路

本设计采用7805稳压电路,如图7所示。12 V电源输入,供电机使用,经7805稳压后的5 V电压,供单片机、传感器、液晶显示和其它一些外围电路使用。

2.2.5 寻迹检测电路

如图8所示,寻迹检测电路的作用是用来分辨地面的寻迹黑带,不需要很远的距离,使用电压比较器便可满足要求。当遇到黑线时,D3发出信号不能从黑线上反射回来,D4不能导通,从而使LM393中的一个电压比较器的同相端电压为高,电压比较器输出高电平;反之输出低电平。简单来说,遇到黑带输出“1”,无黑带输出“0”。在本设计中,直线寻迹黑带两侧各有两对红外传感器,经与非门能判断是否遇到黑带,这样能很好的保证检测的效果。

2.2.6 平衡检测电路

自制一个摆陀,利用摆陀的摆动对光耦合器信号进行检测,判断是否达到平衡。如图9所示,发射管始终输出高电平,接收管信号被摆陀阻挡时电动车不平衡,输出低电平;反之,平衡时输出高电平。

2.3 软件流程图

系统实现题目要求的基本功能主程序流程图,如图10所示。

3 系统控制的关键代码

(1)以下是电动车从起始端出发到达终点后停车返回的关键代码:

(2)小车行进时间显示的代码

4 系统测试数据与结果分析

在平面板行驶和在跷跷板上行驶的10次测量记录分别,如表1和表2所示。

以上测试数据表明智能电动车可以完成基本功能,水平状态及跷跷板上运行时间均较短,效果良好。

5 结束语

本设计在硬件电路上,充分利用了ATC89S52单片机的内部资源,灵活地运用红外传感器的特性获取相关模拟量,合理使用PWM技术驱动直流电机,利用单片机的强大功能,结合丰富的程序指令,对各个模块进行相关的控制,各尽其职,构成一个有机的稳定系统。在选材过程中,尽可能以高效益为准,废物改装重新利用,既环保又实际。在软件设计上,利用汇编语言,以简洁的语言实现相关的功能。从整体上看,电动车能够较好的在平面板和跷跷板上行驶并保证行驶时间用的最短。

参考文献

[1]谢自美.电子线路设计[M].武汉:华中科技大学出版社,2000.

[2]张培仁.MCS-51单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2003.

[3]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4]陈汝全.电子技术常用器件应用手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

智能电动车模拟设计论文 篇2

关键词：明暗度；智能控制；BH1750；LED数码管；遮阳板

中图分类号：S129 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）07-0025-02

机动车遮阳板明暗度智能控制基于对外界光强度采集，液晶屏明暗度随之变化。BH1750数字输出的光照度传感器，可以应用于大范围照度检测，且功耗低，应用电路简单、易于制作。该系统可以在阳光直射时遮挡射向驾驶员的炫目光线，且不在眼前形成大块阴影物体，能够改善驾驶员驾驶视感，从而提高安全性。

1 明暗度智能控制系統的功能及结构

机动车遮阳板明暗度智能控制系统主要为开环系统，结构简单，且结构顺序固定，测日照强度时BH1750静态误差比较小，遇到天阴、日照不足等情况变化较快，利于行车。

该系统实现的主要功能是：1） 通过BH1750测附近光强大小，并通过I2C传送给AT89C51单片机；2） 经过单片机处理、计算、输出控制信号，并利用LED数码管随时显示光强的大小；3） 通过PCF8591和CD4053转化控制数字信号，并控制液晶屏驱动电压的的模拟信号，进而控制液晶屏明暗度。

机动车遮阳板明暗度智能控制系统使用AT89C51单片机作为CPU管理器，根据环境光强度传感器BH1750的特点，基于BH1750FV传感器的光强度测量装置设计系统硬件原理如图1所示。

2 明暗度智能控制系统硬件设计

2.1 单片机控制电路

所设计的机动车遮阳板的液晶屏系统是基于AT89C51单片机开发板的，利用AT89C51单片机、火牛程序下载调试端口等资源。系统设计中，不仅使用AT89C51单片机资源，还外接BH1750控制芯片、LED数码管和液晶显示屏。选择LED数码管的原因是，LED数码管具有显示质量高、体积小、价格便宜等优良特性，可以降低整个系统造价且操作简单。

2.2 LCD亮度原理

根据控制方式不同，液晶显示器可分为主动矩阵式LCD和被动矩阵式LCD。市场上使用比较多的是LCD（TFT-LCD或称薄膜晶体管LCD）。TFT-LCD的特点是每个像素内部都有晶体管，亮度比被动矩阵式更明亮而且色彩更丰富。TFT-LCD液晶显示器采用“背透式”照射的显像原理，当光源照射时，利用液晶分子传导光线。由于上下夹板之间有FET电极，当FET电极导通时，液晶分子的排列状态同样会发生改变，实现透光和遮光目的。

2.3 光强度传感器BH1750设计

BH1750FVI是一种不区分光源的数字型环境光强度传感器，由日本RHOM株式会社进行研发，拥有两线式串行总线接口的集成电路，可以根据光强度对外界环境进行随时监测，具有高分辨率（已达到1～65 535 lx），可以监测收集比较广范围内的光照强度变化。BH1750FVI的结构如图2所示。

从结构框图2可看出，光敏二极管PD是与人眼反应相近的高精度光敏二极管，该二极管探测到光照后，利用集成运算放大器将PD电流转换为PD电压，由模数转换器获取16位数字数据，这些数字数据被逻辑和IC界面处理与存储，再通过相应指令操作读取内部存储的光照数据。OSC是内部振荡器，主要提供内部逻辑时钟。光照数据通过标准的I2C总线进行传输，整个过程操作简单方便。

3 明暗度智能控制系统软件设计

3.1 系统主程序设计

系统通过BH1750对外界环境的光强度信号进行采集，并转换为数字信号，通过I2C总线传送给单片机AT89C51。AT89C51读取到测量数据后，通过一系列计算处理，把光强度数值利用LED显示器显示出来，并控制LCD显示屏亮度。

3.2 LED显示子程序设计

LED显示子程序流程见图3。

4 样机性能测试

机动车遮阳板明暗度智能控制系统的硬件软件设计完成后，着手制作样机。样机试验测试结果表明，系统可以准确采集外界光强度，且自动控制调节功能灵敏，LCD屏明暗度变化精准度高，能够达到预期效果。

5 结论

机动车遮阳板明暗度智能控制系统基于外界光强度采集，液晶屏明暗度随之变化，通过试验验证了系统的可靠性和稳定性。该系统的特点是智能化，跟随光照强度改变液晶屏的明暗程度；能在电池供电条件下较长时间运行，具有低功耗、高灵敏的特点，有很强的实用价值。

参考文献

[1] 王建，毛腾飞，陈英革.基于BH1750芯片的测光系统设计与实现[J].常熟理工学院学报，2011（2）：117-120.

[2] 王海燕，陈贵斌，熊志成.基于BH1750芯片的智能窗帘控制系统设计[J].现代建筑电气， 2015（3）：48-50.

[3] 胡娜，田小明.基于DS18B20的单片机控制测温电路的设计及仿真[J].天津中德职业技术学院学报， 2015（3）：93-95.

“电动车”智能充电器设计 篇3

“铅酸蓄电池”是现今为止世界上广泛使用的一种无机化学电源,该产品具有良好的可逆性,电压特性平稳,使用寿命长,适用范围广,原材料丰富(且可再生使用)及造价低廉等优点,因此广泛应用于国防、通信、铁路、交通、工农业生产部门。目前,我国的电动车用动力蓄电池大多也采用了铅酸蓄电池。但是,如果蓄电池使用不当,会导致其寿命大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素有很多,通过研究发现:由于充电方法不正确,充电技术不能适应铅蓄电池的特殊需求,造成电池很难达到规定的循环寿命。也就是说,绝大多数的蓄电池不是用坏的,而是“充坏”的!由此可见,一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用!虽然近年来蓄电池自身的技术有了不小的进步,但作为其能量再次补充的充电器的发展却非常缓慢,传统的充电器只能进行简单的恒压或者恒流充电——以致充电时间很长,充电效率降低。除此之外,充电结束时,传统的充电器不能在电池充满后自动断电,人们往往忘记将充电器拔下从而导致蓄电池过冲,影响其使用寿命,更甚会将产生爆炸现象,直接报废。针对上述问题,我们设计了这种新型的“智能”充电器。

1 设计方案

智能充电器系统设计方案框如表1所示。主要包括充电电路、检测电路、控制电路、显示电路和定时电路五部分组成。

2 电路设计

2.1 电源充电电路设计

充电电路如图1所示,220v交流电经过整流变为为脉动直流,再经电容滤波形成稳定的300V左右的直流电。U1为UC3842脉宽调制集成电路。其5脚为电源负极,7脚为电源正极,6脚为脉冲输出直接驱动场效应管5N60T,3脚为最大电流限制,通过调节相连电阻的阻值来调整充电器的最大电流。2脚为电压反馈,可以调节充电器的输出电压。4脚外接振荡电阻和振荡电容。T为高频脉冲变压器,其作用有三个。第一是把高压脉冲将压为低压脉冲。第二是起到隔离高压的作用,以防触电。第三是为各种芯片及其外围电路提供工作电源。D9(TL431)为基准电压源,配合U2(光耦合器JC817)起到自动调节充电器电压的作用。通电开始时,经整流和滤波得到的300V左右的直流电通过大功率电阻降压送到U1的第7脚,使U1启动。U1的6脚输出方波脉冲,送到VMOS管5N60T的栅极,同时300V左右的高压直流经过变压器T的原边送到5N60T的漏极,6脚的振荡信号控制5N60T的导通与关断。同时T输出线圈的第一路电压为U1提供可靠电源。第二路电压经整流滤波得到稳定的电压,经快恢复二极管UGP50G(此二极管起到防止电池的电流倒灌给充电器的作用)给电池充电。第三路电压经整流二极管FR104输出,为LM324(四运算放大器,4脚为电源正,11脚为电源地)及其外围电路提供12V工作电源。同时再流经78p05降压至5V,来为单片机及其外围电路提供5V工作电源。

正常充电时,充电电流在取样电阻上形成负极性电流取样电压此负电压加在lm324第9脚,使8脚输出高电平,使红色LED(充电)的指示灯亮,表示正在恒流充电;为确保充电器具有恒流恒压特性,必须根据蓄电池的充放电曲线作闭环控制,蓄电池组放电完毕后处于欠压状态,再充电时,初充电流会很大,如不加限制,对电池组及充电器均不利。此模块的恒流控制利用VMOS管源极电阻上的压降控制UC3842d 3脚(电流敏感端),当输出端的电流过大时,源极限流电阻压降增大,送给3脚的电压也增大,当3脚的电压达到1V时,会迫使6脚的脉宽变窄,最终使输出电流降下来,达到原先设定值,也即达到恒流目的。必须指出,当输出端短路或极性反接时,源极的限流电阻压降会远超过1V,这时6脚的输出脉宽会变得极窄,最终会使输出电压、电流均处在最小值,保护了充电器本身。当电池电压上升到44.2V左右时,充电器进入恒压充电阶段。充电器输出端得到的电压必须严格控制在蓄电池组标称电压的1.3倍左右,本这部分主要由可调基准源TL431承担。当充电器的输出电压偏高时,TL431的控制端电压也偏高,当高到某一点时,会使它的输出端控制的信号幅度下降,从而使光耦中的发光二极管增亮,光敏三极管集电极控制信号下降,即UC3842的1脚电位降低。6脚的调制脉宽变窄,最终使输出电压回落到原来的数值,充电器进入恒压充电阶段,电流逐渐减小。当充电电流减小到200m A—300m A时,取样电阻两端的电压下降,LM358的10脚电压低于9脚,8脚输出低电压使红色LED(充电)熄灭。同时7脚输出高电压,此电压一路使绿色LED点亮,另一路到达反馈电路,使电压降低。充电器进入涓流充电阶段。半小时后结束。

2.2 自动检测电路设计

检测电路如图3所示,当充电器在未接入蓄电池以及恒压充电阶段后期电流减少到一定程度时,取样电阻两端电压为低,LM324第8脚输出低电压,将此电压信号接在OP07(此处当电压比较器使用)的反向输入端,正向输入端接地。由于OP07外加5V直流电压,此时输出端会输出一个5V左右的高电平信号(OP07在输入两端都为低时默认输出电源电压)。将此高信号反馈给单片机的P0.4口,当单片机检测到该信号时,会自动执行相应的程序,作用于继电器,进而切断充电器正极输出端,实现正确充电保护及充满自动断电功能。考虑到电池的老化和损耗问题我们设定了有效时间为8小时的充电时间,如果在8小时内单片机没有检测到OP07输出端的高信号,此时将会执行防过充保护程序,使继电器切断正极输出端电源,从而有效地对电池进行保护。为了防止插上交流电再插充电插头时电池端产生的火花对电池造成损害,系统也将对先插电源插头,或先插电池插头进行判断,当先插电源插头时,充电器不工作,OP07检测到的是低电平信号,输出高电平作用于单片机的P0.0口,进而作用继电器切断正向输出端,不对蓄电池进行充电。

2.3 定时、显示电路设计

为了满足不同人群对充电时间及充电方式的需求,例如有的人不管电池是否充满,就想充电2小时或3小时,我们设定了一个自动定时功能,只对电池按设定的时间来充电。此模块由AT89S52单片机检测按键来设定定时时间,然后执行倒计时程序,同时由数码管显示即时数值,当倒计时停止时单片机控制继电器切断正向输出端,实现自动断电,电路如图4所示。

用单片机编程控制数码管显示,数码管的段选占用单片机P1口,位选占用单片机的P3口。实时显示自动功能时的充电时间以及定时功能的倒计时时间。

2.4 控制电路设计

控制电路如图5所示,此模块由单片机输出高低电平来控制继电器的开合以实现自动断电功能。继电器由两个三极管9014来驱动,两个三极管接在继电器的一端,另一端接5V直流电源,作用于充电器的正向输出端。由单片机的P0.0口输出高低电平信号来控制三极管的通断以实现继电器的开合。

3 单片机软件编程

3.1 软件功能

当工作在自动模式时,其软件的目的是控制电池在充满电之后自动断电,当工作在定时模式时,其软件目的是在设定的时间结束之后自动断电。当电池用该智能充电器充电时,我们可以在无人看管的情况下让充电器自由充电,充满后自动切断充电电源,防止蓄电池过充。而且使用价格便宜的数码管来显示充电时间,实时显示充电的时间。

3.2 主程序流程图

4 安装与调试

用万能板对比电路原理图进行焊接,安装好后,然后用C语言源程序和KEICL51编译成HEX文件,再用下载器将HEX文件写入AT89S52芯片去检验校对。

5 结论

本着延长蓄电池使用寿命的设计理念出发,针对充电过程中出现的问题,我们提出了一种电池充满自动断电以及具有手动定时充电功能的实际应用型充电器设计方案并以此设计完成了制作。采用AT89S52单片机为控制核心,实时将OP07所采集的信号接收并处理并配合继电器实现相应的断电功能。我们还以UC3842驱动场效应管的单管开关电源配合LM324运放电路为充电模块,智能采集电压、电流信号,并以红绿灯显示充电状态和充满状态。我们还添加了正确充电保护功能,确保充电器与电池先连接后,再将充电器与市电连接才能对电池充电,顺序错误将导致不能对电池进行充电。由于我们前期准备不足,我们的作品还有很多需要完善的东西和预期功能有一些差距。在调试电路板时,硬件布局也出现一些问题,不过经过我们的改进最终能够实现我们所介绍的功能。我们还考虑到成本方面,我们力求降低成本,以符合实际生产的需求。

参考文献

[1]康华光,等.模拟电子技术基础部分[M].北京:人民教育出版社,1963:40-50.

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[6]谭浩强.C程序设计,第三版[M].清华大学出版社,2206:10-29.

[7]唐颖.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京大学出版社,2008.

[8]王水平,等.单片机开关电源集成电路应用设计实例[M].人民邮电出版社,2008.

智能采煤机电动系统设计 篇4

1.1 模块化设计,方便维修与维护

采煤机是大型煤矿生产加工的重要设备,采煤机设备运行是否正常直接影响到大型煤矿生产加工的产量品质与操作过程的安全度。在煤矿生产中,操作环境较恶劣,很容易因多尘、多粉、高温等外界影响导致机器设备运行出现障碍,因此,要格外注意设备的维修与保护。智能采煤机电动系统采用模块化设计,将整个运行分成一个个独立但是被总系统所制约与管理的模块,通过每个模块的分工合作,提升各模块的运行效率。另外,各个模块在出现受损情况时能自动检测与修复,若是受损情况严重,存在问题的模块能单独的将具体受损部位指示出来,以便工作人员进行针对维修,从而方便对采煤机设备的维护。

1.2 智能化对实际操作情况实时监控

智能采煤机电动系统能将采煤机的实际运行情况进行实时监控,通过各模块的协同合作,及时将工作情况反映至管理人员,便于相关管理人员在第一时间就能获取采煤机的运行状态以及工作的实际情况。主要利用的原理有采煤机内的各智能控制系统,通过CAN系统将整个设备的各结构统一起来,各结构中又分为各个独立运行的模块,在具体操作时,各模块负责对应的部分,然后由整个CAN系统管理,另外,模块能将实际的运行状况发送至主控制系统内部中,系统再将相关资料反映出来,实现对设备的及时监控。

1.3 采煤机进行远程资料传输

利用采煤机内的监控系统,能将所检测到的大量实时数据进行分析、整理与统计,并且能够入档保存。在引进国外先进的煤矿监管的技术上加强对监管资料的管理,以及提高采煤机实际操作资料的管理技术层次,实现远程资料的控制与反映,达到地面工作人员对现场采煤机操作进行控制的目的,避免了工作人员进入实际的工作区间内,减少了人力物力,也降低了会影响到人身安全的风险。远程资料传输的技术实现,让无人式管理成为现实,相关工作人员只需远程调控设备运行即可,观察资料反映的情况,了解设备最新的运行情况,从而也利于对设备的维护与控制。

2 智能采煤机电动系统存在问题

2.1 电动系统陈旧

由于智能采煤机发展已久,使用期限较长,许多设备比较陈旧,一部分电动系统机型相对较老。设备的技术水平跟不上当下对采煤产量的需要与质量的要求,导致影响了采煤机的效益,有一些老旧的设备结果还容易出现损害等现象,严重制约了采煤机的正常运行。电动系统陈旧也会妨碍采煤机进行实时数据传递,甚至有可能在资料传送中出现错误,未能真实反映采煤机运行情况,使得工作人员处理不及时或者错过了问题产生且需要处理的时候,给设备带来很大影响。

2.2 电动系统配件供应不及时

由于相关工作人员的疏忽和对设备管理还未引起足够的注意,导致采煤机出现电动系统配件供应不及时的问题,这也是管理部门没有加大资金投入力度、未足够关注采煤机设备电动系统控制与管理所导致的结果之一。电动系统需要定期进行维修与更换,防止系统老化影响设备的正常运行,而配件供应不及时,直接影响到了设备结构的维修进度,若设备性能产生问题,自然是难以正常运行的,这也间接导致了煤矿生产产量以及质量受到影响。

3 智能采煤机电动系统设计

为提升目前采煤机的工作效率,减轻相关工作人员的工作压力与工作强度,实现采煤机的自动化使用,增强采煤行业的经济收益,在采煤机中加入了智能化的系统设计。通过模块化的管理方式,使得对采煤机的维修和使用更方便。

3.1 电动系统按功能划分模块

智能采煤机电动系统设计通过按照功能将系统划分为各模块,每个模块有着具体的功能属性以及工作内容,大大加强了采煤机设备的工作效率,相比于传统的在设备出现障碍时,要对整个设备进行结构分析与检查,模块化的智能采煤机只用研究出问题的模块,从而缩短了对设备的维修与维护时间。另外,各模块间采用独特的滑道式结构连接,拆卸也很容易,不会影响到其他模块的正常运行,这也是有利于对采煤机设备进行管理和定期维修的主要技术支持之一。

3.2 采用DCS控制方式

整个智能采煤机电动系统都采用DCS控制方式进行,能够保证设备内各功能模块在独立工作的情况下不会干扰到其他结构运行,各模块既相互独立也相互连接,独立在实际工作运行上,一个模块出现问题,不会影响与其功能不同的模块正常使用,但各个模块会受到整个电动系统的控制,避免模块单独运行却不受管理的现象出现,通过一个大系统将整个模块统一起来,提高了设备的实际运行效率,也保证了设备运行始终都处在最佳的运行状态中。DCS控制方式主要原理是在模块互不影响的情况下也要受到统一的系统支配。

3.3 模块间通讯方式采用CANBUS协议

智能采煤机电动系统设计中,将设备内各功能模块的通讯方式采用CANBUS协议,使得模块能够参照其他功能模块的运行状态,结合实际的操作情况,反映自身运行现状,并进行自我诊断与控制。保证了模块能实时反映操作结果,若遇到障碍,比如工作进度与其他模块不同,模块会进行自我功能修复,若在自我恢复范围外,则反映至人工干预。模块自我修复很好地体现了采煤机电动系统的智能性,另外,CANBUS协议也确保了设备内各模块的正常运行效果,起到对设备的保障作用。

4 总结

智能采煤机电动系统能实现采煤机自动化,对采煤机的实际操作有极大的改进作用,通过优化的设备机构与技术层次提升,使得采煤机在实际操作中更能适应目前对煤矿急剧需求的现状。在今后研究中,还需要深入探究设备内部结构,提升各元件的工作性能,为不断增强采煤机的工作效率以及提高产品质量做努力。

摘要：采煤机是综采设备中的重要设备,在采煤生产过程中,采煤机发挥着不可小觑的作用,直接影响煤炭产量与质量。对采煤机进行技术改革,通过智能化电动系统设计,能满足当下对煤炭的产量、质量等的要求。

关键词：智能采煤机电动系统设计,功能特点,存在问题,控制方式

参考文献

[1]徐鹏,郭凤仪.薄煤层综采工作面液压支架电液控制系统的研究[A].煤矿自动化与信息化——第20届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨第2届中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集[C].2010.

智能电动车模拟设计论文 篇5

负载模拟器用来模拟飞行器飞行过程中受到的空气铰链力矩, 是重要的半实物仿真设备。目前根据驱动方式的不同, 负载模拟器可以分为机械式、电液式和电动式。随着力矩电机技术的进步, 电动式负载模拟器已经可以实现大扭矩、高精度的负载模拟, 并且由于电动式负载模拟器与电液式负载模拟器相比具有成本低、系统简单、污染小、易于维护、可靠性高等优点。因此电动负载模拟器逐渐成为国内负载模拟设备的主流研究方向[1]。文献[2]中对小扭矩电动负载进行了分析研究, 提出了一种小扭矩电动负载模拟器的设计方案。文献[3]中设计了一款大扭矩负载模拟器, 对大扭矩电动负载模拟器如何降低噪声干扰, 提高系统加载精度提出了一种解决方法, 最大输出扭矩为200N·m, 最高加载频率为10Hz。

针对某型号舵机的测试需要, 设计了一种大扭矩输出的负载模拟器, 其主要的性能指标如下:

1) 最大扭矩:500N·m

2) 最大转角:±20°

3) 加载频率:0~20Hz

4) 加载梯度:25 N·m/!, 20 N·m/!, 15 N·m/!, 10 N·m/!, 5N·m/!

5) 静态加载误差:≤5%

6) 动态加载误差:

5Hz时, 幅值差<5%, 相位差<5%

10Hz时, 幅值差<10%, 相位差<10%

系统的难点在于设计的负载模拟器能输出大扭矩并具有高频宽, 并且需要对多余力矩、噪声干扰进行有效的抑制, 提高加载精度。目前国内尚没有加载扭矩达到500N·m、加载频率达到20Hz的电动负载模拟设备, 因此系统对大扭矩加载设备的设计具有一定参考意义, 本文将对系统软硬件设计、加载精度保证、多余力矩抑制等方面进行说明。

1 系统硬件结构及工作原理

1.1 系统的硬件组成及工作原理

负载模拟器的硬件组成如图1所示, 实物平台如图2所示。主要硬件包括工业计算机、PMAC运动控制卡、力矩电机、力矩电机驱动器、弹簧杆、外部编码器、扭矩传感器。

工业计算机为加载系统的上位机, 负责加载命令的设置与数据的采集、处理与显示工作。工业计算机通过与PMAC卡进行通信, 将控制信号传输到PMAC, 并把PMAC采集到的传感器数据存储到工业计算机中并进行后期离线处理。

PMAC运动控制卡为加载系统的下位机, 负责与上位机通信、控制力矩电机以及数据采集传感器数据的工作。PMAC运动控制卡是功能强大的高性能伺服运功控制器, 能够执行运动程序、PLC程序, 进行伺服环更新、换相更新、资源管理, 可以大大提高系统的控制性能并缩短开发周期。

力矩电机选用大扭矩直驱力矩电机, 可以缩短传动链, 减小传动间隙引起的误差, 减小机械尺寸, 其最大输出扭矩可以达到500N·m。

力矩电机内部集成一个编码器 (内部编码器) , 在本系统中用于力矩电机的闭环控制。

力矩电机驱动器为线性驱动器, 以减少对传感器、外围电路的干扰[3]。

外部编码器安装在图2中弹簧杆靠近舵机一端, 负责采集舵机运动位置信号, 在系统中用于消除因舵机运动产生的多余力矩。

扭矩传感器安装在到舵机轴输出端, 以测量实际加载到舵机上的力矩。PMAC同时利用采集到的扭矩传感器信息进行力矩闭环控制, 以消除加载力矩的偏差, 进一步消除加载系统的多余力矩。

弹簧杆为加载系统增加弹性环节, 用来消除系统的高频干扰及噪声, 减小多余力矩[4]。

2 系统软件结构

2.1 上位机软件功能与实现

系统上位机采用Lab Windows/CVI虚拟仪器平台进行开发。该平台以ANSI C为核心, 将C语言平台与数据采集、分析和表达的测控专业工具邮寄结合起来。该平台的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的空间和库函数大大增加了C语言的功能。

系统上位机软件主要功能为设置加载方式以及参数、监控加载状态、对下位机采集数据进行处理、存储和显示等。系统的上位机软件流程图如图3所示。

首先, 软件启动时需要对系统进行自检, 以确认系统力矩电机、舵机、力矩电机编码器、外部编码器、扭矩传感器工作正常。

待自检完成后进行对舵机归零, 即将舵机运动到零点位置。

舵机归零完成后则进行系统参数的设置, 包括加载方式的选择、加载参数的设置等, 并开始进行加载。

在加载过程中, 上位机可以对加载状态进行监控, 包括加载状态、加载扭矩和位置实时参数等, 并在上位机中进行显示。

加载完成后, 上位机软件将提取存储在PMAC运动控制卡中的加载数据, 对实验数据的离线处理, 包括数据分析、数据回放、数据计算与显示等。

2.2 下位机软件功能与实现

系统下位机软件为PMAC运动控制卡程序, 下位机软件主要包括PLC程序和运动程序两部分。PLC程序负责PMAC参数设置、程序状态监控、报警等功能。运动程序负责力矩电机和舵机的运动控制, 在运动程序中采用PVT曲线、S曲线进行运动曲线插补, 从而获得平滑的控制效果。下位机软件结构如图4所示。

下位机软件运行过程中, 受到上位机软件的监控, 如控制参数的设置、运动方式的选择等, 通过上下位机软件的数据传送, 达到预定的目标。

2.3 上下位机软件通信实现

Delta Tau公司开发的Pcomm32 Pro Library为LabWindows/CVI在Windows XP系统下开发人机界面提供了强大丰富的动态链接库 (Dynamic Link Library) , 如图5所示。提供所有通讯驱动, 包括ISA、PCI总线驱动, 最终形成Active X控件。

上位机软件系统基于动态链接库技术对PMAC运动控制卡进行操作, 实现上位机软件和下位机的通信, 从而实现PMAC运动参数的设置、运动状态的监控、传感器数据采集等功能。

3 多余力矩的抑制措施

多余力矩是在加载过程中由于舵机运动带动加载电机运动而产生[5]。多余力矩会影响加载系统的加载精度, 降低加载系统的稳定性, 因此对于加载系统而言, 必须对多余力矩进行抑制。

为了保证加载精度, 抑制多余力矩对加载精度的影响, 系统采用基于PMAC的混合控制方式, 即利用PAMC多轴运动控制卡中多个电机轴混合控制模式实现力、位置混合控制。混合控制方式框图如图6所示。

系统中, 利用PMAC运动控制卡中混合控制原理, 将本系统中的内部编码器、外部编码器、扭矩传感器分别输入到不同的轴通道中, 再将三个通道轴的控制信息依次混合, 最终叠加到输出轴上。

首先, 图6中最内环反馈轴为力矩电机内部编码器反馈轴, 用于反馈力矩电机位置信息, 此轴为实际输出轴。此轴利用力矩电机内部编码器控制力矩电机运动加载力矩对应角度, 即加载力矩除以弹簧杆刚度所对应的角度。

其次, 图6中中间环反馈轴外部编码器位置反馈轴, 用于反馈舵机位置信息, 此轴为虚拟轴。此位置信息用于实现力矩电机和舵机的同步运动, 从而消除因舵机运动产生的多余力矩。

最后, 图6中最外环反馈轴为扭矩传感器反馈轴, 用于反馈实际加载在舵机上的力矩信息, 此轴为虚拟轴。此轴用于消除命令力矩和实际力矩的差值, 从而进一步消除加载过程中的多余力矩。

系统中, 通过PMAC设置混合控制方式, 将三个电机轴反馈信息叠加输出, 控制力矩电机运动, 从而达到抑制多余力矩的效果。

4 实验结果与分析

实验在自主研制的反操纵负载模拟设备上进行, 如图2所示。对系统进行了静态加载测试以及动态负载模拟测试。为了测试加载系统的性能指标, 排除舵机性能对加载系统的影响, 在进行测试实验室舵机端不连接舵机, 直接连接到舵机支座上。

静态加载时命令力矩为500N·m, 为了防止系统突然加载较大力矩对系统造成冲击, 采用步长10N·m逐渐加载到命令扭矩后再按照步长10N·m逐渐卸载的方式进行加载测试。

动态加载测试考虑到项目指标的要求以及舵机加载的实际需要, 采用加载幅值为5°, 加载梯度为32N·m/, 命令扭矩为160N·m选择不同加载频率进行加载测试。

加载测试曲线如图7、图8、图9、图10所示。

对系统加载实验数据进行归纳总结, 如表1、表2、表3所示。

表1为静态加载数据参数, 静态加载时命令扭矩分别为100N·m, 200N·m, 300N·m, 400N·m, 480N·m, 加载过程中最大误差为1.82%, 实验结果表明加载系统具有较高的加载精度。

表2为无扰情况下 (即舵机轴固定不动) , 测试系统的动态频响测试结果。实验数据表明, 在无舵机扰动情况下, 加载系统具有较高的加载精度和较高的加载带宽。

表3为有扰情况下 (舵机轴运动) , 测试加载系统动态品项结果。有扰情况需要对舵机进行实际加载测试, 考虑到舵机实际最高频率及最大负载扭矩的限制, 加载频率最高到10Hz, 加载扭矩为50N·m, 即加载梯度为25N·m/°, 加载幅值为2°。实验结果表明, 在有舵机扰动的情况下加载系统性能指标和无扰情况接近, 表明系统消除舵机干扰、噪声等方面具有较高的性能, 均能达到设计指标要求。

5 结语

所设计的大扭矩电动舵机测试系统, 通过混合控制策略抑制多余力矩的影响, 经过静动态加载测试, 可以实现大扭矩、高精度、高频率加载, 最高静态加载扭矩达到500N·m, 最高加载频率达到20Hz, 静态加载误差最大为1.82%;动态加载5Hz时相位差为2.65!, 幅值差为1.5N·m, 10Hz时相位差为4.73!, 幅值差为3.69N·m。

经过试验验证表明, 文中的加载系统具有较高的加载精度和加载频率比, 可以满足目前国内先进舵机的测试需要。

参考文献

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新一代电动汽车智能车载终端设计 篇6

随着电动汽车产业的发展,电动汽车运营管理系统已逐渐开始进行建设,从而为电动汽车的运营提供支撑。在电动汽车运营管理系统中,为了实现动力电池实时信息展示、车辆及电池位置信息展示等功能,需对动力电池进行实时信息采集。同时,充换电站也需对前来进行充换电的电动汽车进行合理有序的充电导引。这些功能都对车载终端提出了新的要求,即不仅需要实时采集电池信息,还要与管理系统及站内设施进行通信[1]。

对于电动汽车用户,车载终端应能像市场中普通的终端产品一样实时显示当前剩余电量,并在电量过低时进行报警提示。此外,现有充换电站的建设仍在进行,站点覆盖面积较小,用户充换电不便,因此车载终端还应具有最近充换电站(桩)位置导航功能。

本文根据对电动汽车车载终端的功能需求分析,设计了一种可以全面满足管理系统、充换电站及用户三方使用需求的电动汽车车载终端。

1 车载终端研究现状

电动汽车车载终端设计基础来源于传统车载终端[2],而早在20世纪80年代欧盟15个成员国就制定了相关法规,规定客货运输车辆必须安装和使用车载终端。日本全国有7 000多万辆机动车使用车载终端,由于终端的广泛使用,使得年交通事故死亡率低于1万人。

国际上的车载终端技术分为2类,即日本提倡并发展的汽车导航技术和欧美广泛普及的远程信息技术。日本市场上的车载终端的电子地图导航功能已经成为标配,并随着图形功能的进一步强化,将逐渐向简易型音频和视频(Austere Version,AV)导航发展。欧美市场上的车载终端则把主要目光集中在紧急通报等服务上,这样的系统中,声音向导与声音识别、紧急通报、个人助手等功能就成为了必需。

对国内电动汽车用户而言,车辆导航与远程信息功能都是迫切需要的,因此要求车载终端既不是单纯跟随日式,也不能简单吸收欧美远程信息技术,而应该是集合二者优点,并根据国内电动汽车发展水平及用户个性需求来研究开发。正如引言所分析的,电动汽车车载终端在导航方面应针对现有充换电站覆盖面积小的现状,首先实现充换电站的导航功能;在远程信息方面,终端应能为管理平台提供必要的数据,同时可接收管理平台推送的车辆相关信息。

2 新型车载终端概述

在电动汽车运营管理系统中,电池热模型、实时信息GIS、电池电压模型展示等功能均需要实时电池数据的支撑。而动力电池具有3种工作状态:在库状态、在架状态、投运状态。在库状态是电池在仓库进行保存时的状态,在架状态是电池被放置在充电架进行充电时的状态,投运状态是电池被安装至车内进行使用时的状态。其中电池处于在库及在架状态时的信息采集,可以通过对库房、充电室进行改造,安装无线传感网络实现。然而,当电池处于投运状态时就必须依赖车载终端作为电池信息采集、通信的载体。

当电动汽车进入充换电站进行充换电时,站内的工作人员应能对到站车辆进行合理的充换电导引。这一功能的实现需要站内及车辆均安装相应的无线感知模块,通过采集并上传站内充换电车辆的方向、位置信息至站内管理终端,实现导引功能。所以,车载终端应具有无线感知功能,站内设施通过感知车辆位置实现充换电的导引。同时对于用户而言,车载终端应能显示当前剩余电量,进行低电量或异常报警。当需要进行充换电时,可以提示最近充换电站的位置,为用户的驾驶提供方便。

考虑到电动汽车作为未来的代步工具,其功能应具有一定的超前性,因此,综合多方对车载终端的需求及功能的先进性要求,本文将车载终端的功能划分为基础功能及扩展功能。

2.1 基础功能

电动汽车车载终端基础功能包含以下4个方面:电池实时监测、站内导引、充换电站(桩)位置导航、后台系统交互。车载终端基础功能架构如图1所示。

2.1.1 电池实时监测

电池实时监测主要为满足2方面的需求:一是运营管理平台相关应用对于电池数据的远程采集;二是为用户实时展示剩余电量,为低电量报警及异常报警提供依据。车载终端通过控制器局域网(Controller Aera Network,CAN)总线收发器采集电池管理系统(Battery Management System,BMS)的电池实时数据,通过GPRS网络将数据上传至管理平台前置机,并将剩余电量显示在终端屏幕上。当电池状态发生异常或电量过低时,终端将通过声光进行报警。通过该功能可实现电动汽车动力电池运行数据的实时采集与监控,实时为司机提示当前电池电量及异常信息[3]。

2.1.2 站内导引

站内导引主要是为方便站内工作人员对充换电车辆进行疏导,高效、快捷地进行充换电而开发的功能。车载终端通过短距无线通信如Zig Bee等与站内设施、手持终端进行通信,站内管理机通过采集的数据展示当前车辆站内的方位信息及入站车辆的先后信息,进而指导工作人员对驶入车辆进行有序管理。对于司机而言,只需按照工作人员或站内大屏的指引就能轻松地找到空闲充电机或换电机,而入站先后顺序信息也避免了因插队充换电而引发的纠纷[4]。

2.1.3 充换电站(桩)位置导航

由于当前充换电站(桩)的建设还未全面完成,相比为传统汽车建设的加油站的覆盖程度而言,充换电站(桩)的覆盖面较小,这就为电动汽车的充换电带来了不便。同时由于动力电池的技术瓶颈,导致电动汽车一次充电行驶里程较短(约150~200 km),用户在日常使用中经常要对车辆进行充换电。为方便用户的使用,车载终端应具有充换电站(桩)位置导航功能。该功能的实现不仅可以方便用户的使用,同时通过采集车辆的地理位置信息,还可以开展远程救援等增值服务。

2.1.4 后台系统交互

相比传统汽车,电动汽车具有的最大优势就是其动力能源的补给依托全面建设信息化的智能电网。近几年来,各网省公司在全面建设充换电设施的同时也在推进电动汽车的信息化管理。如北京、天津、青岛、杭州,电动汽车智能运营管理平台的建设已基本完成。通过该管理平台电力公司不仅可以对电池、充换电设备进行资产管理,还可以实现电池运行状态的监控、电动汽车的轨迹回放、电动汽车相关服务及资费短消息推送等功能。车载终端对于电动汽车的信息化管理具有至关重要的作用,车载终端不仅是管理平台所依赖实时数据的提供者,还是管理平台为用户提供电动汽车服务的窗口。用户通过车载终端可以获取最新的充换电套餐资费、远程救援申请、预约充换电提醒等一系列服务信息。通过车载终端与管理平台的交互为电动汽车提供全面的服务是车载终端最基础、最重要的功能之一。

2.2 扩展功能

相比传统汽车,电动汽车从生产规模到辅助外设的功能及种类都处于初级阶段。但诸如宝马公司的i Drive、通用公司的G-Star系统等车辆综合服务平台的出现,为电动汽车车载终端的发展提供了宝贵的经验和发展方向。新一代车载终端在实现基础功能的同时还应为用户提供更加全面、更加丰富的扩展服务。从用户、电力公司及充换电站三方进行考虑,本文提出了以下4种扩展功能需求:多媒体娱乐、充换电预约及缴费、用户身份识别、车辆行驶安全控制。

2.2.1 多媒体娱乐

多媒体娱乐已成为传统汽车不可或缺的一部分,从早期的收音机到卡带收音机再到现今的多媒体影音播放器,用户在体会驾驶乐趣的同时也通过车载终端的发展将多媒体娱乐移植到了车内。新一代电动汽车车载终端不但要具有多媒体播放器的功能,还应依托高速发展的无线通信网络实现用户视频点播、网上冲浪等娱乐需求,更可以通过自组无线网络,实现车内移动办公、移动会议的工作需求。

2.2.2 充电预约及缴费

未来离散充电桩将成为社区、高速公路休息站、停车场等地的基础设施之一。为方便用户进行充电,车载终端应具有充电预约及缴费功能。通过车载终端,用户可查找最近的充电桩,通过管理平台对该充电桩进行充电预约,用户得知预约时间后可以视等待时间的长短决定前往充电时间。当用户抵达充电桩进行充电时,充电桩将通过与车载终端的通信确认用户身份,而后按照用户输入的充电电量或充电金额进行充电。充电结束后,充电桩再次与车载终端通信确认本次充电信息,用户确认后既可以刷卡进行缴费,也可以通过预存金额缴费。缴费结束后车载终端与管理平台通信,将此次充电信息上传,并更新账户信息。

2.2.3 用户身份识别

用户身份识别功能是对现有智能电卡功能的扩展,车载终端对智能电卡进行识别并将卡内用户基本信息上传管理平台,信息确认后显示用户信息。此后车载终端采集的有关本车电池使用信息、充换电信息、充换电缴费信息都将上传并储存在后台系统用户档案中。此外用户身份识别还可以成为车辆防盗措施之一,用户的智能电卡与电动汽车及车载终端一一对应,非本车对应的车载终端或智能电卡被识别后都将触发防盗报警,后台系统将通过用户预留的手机号进行短信通知。

2.2.4 车辆行驶安全控制

保障人员安全一直是汽车领域研究的关键方向之一,同样也是电动汽车需解决的问题。新一代电动汽车车载终端将针对安全控制功能进行设计,终端在安全控制中有2个主要作用:安全隐患预防和事故发生时的报警及控制。通过采集车内各式传感器数据,对车辆进行诸如胎压、电池箱体工作环境信息(温湿度)等可能出现安全隐患的位置进行监测,将检测结果及时反馈给司机,提醒司机进行排查。在故障或事故发生时,终端将报警信息及时反馈给后台系统,切断电池动力供给并开启车门门锁。防止用户因紧张而进行误操作,保证用户可以及时逃生。

3 车载终端架构设计

在车载终端设计中,将基础功能作为终端核心功能,相应功能单元的设计及选型都以满足基础功能需求为最低要求。考虑扩展功能的实现,预留必要的总线接口,对主控单元、存储单元等具有设计延续性的元件选型时,综合考虑扩展功能的性能指标进行选择[5]。

终端软件系统的设计中,主要对实现基础功能的应用程序进行设计,保证终端可完成电池信息实时采集、充电导引、充换电导航及与管理平台交互。

车载终端的硬件架构如图2所示,整个终端分为以下几个主要单元:主控单元、电源供应单元、汽车接口单元、存储单元、通信单元、人机交互单元(显示、I/O、音频)。

1)主控单元。终端的处理核心,通过集成的多种外设控制单元及总线控制单元将终端内不同的功能单元紧密、高效地连接为一个整体,保证各模块合理、有序协同工作。综合终端数据处理要求及多媒体应用要求,选择使用ARM9内核So C控制芯片。

2)电源供应单元。终端的电源供给相比其他手持嵌入式产品而言,应具有更广泛的输入电压范围及更高的稳定性。终端的外部电源输入来自车内12 V铅酸蓄电池,蓄电池的输出电压与车辆行驶状况有着密切的联系。车辆行驶过程中,铅酸蓄电池输出电压范围是10~12 V;汽车启动过程中,电压可升至14~16 V。因此为防止输入电压的突变导致终端工作异常,应按照汽车工业相关标准进行电源单元的设计。

3)汽车接口单元。终端与电动汽车之间进行通信的接口。在汽车工业中,CAN总线已得到了广泛应用,已成为车用总线的代名词。终端需要采集已挂载到车内总线上的电池的工作状态信息、工作环境信息。因而该功能单元是终端最重要的基础单元,也是通信单元通信数据的主要来源。

4)存储单元。存储单元有内部存储及外部存储2种存储方式。内部存储是指终端内部集成的存储设备,例如SDRAM、FLASH;外部存储指扩展存储器,如SD、TF卡等。存储单元负责存储Bootloader、操作系统、用户参数、应用程序及其他用户数据及资料。同时为保障实验用电动汽车不丢失宝贵的实验数据,还可将电池历史信息存储在外部存储中,技术人员定期对数据进行维护。

5)通信单元。通信单元包含GPRS通信、GPS通信及Zig Bee通信。通过GPRS通信模块,终端将采集的电池信息定时上传至后台管理系统,接收后台系统推送的服务信息。通过GPS模块确定车辆位置信息,导航软件依据这些数据为用户提供最近充换电站信息及导航信息。Zig Bee模块是为实现充换电站站内导引所设计的功能单元,通过与站内设备通信,将电动汽车导引到相应充换电设备。

6)人机交互单元。人机交互单元包含显示、I/O及音频单元。该单元实现终端与用户的信息交互。同时,用户通过该单元对终端进行控制。

4 结语

随着节能与新能源汽车示范推广应用工程的广泛深入开展,以及新能源汽车产业成为七大战略性新兴产业之一,电动汽车受到公众越来越多的关注并逐渐参与社会运营,电动汽车车载终端是为电动汽车运营提供相关服务的重要设备。

通过借鉴传统车载终端的设计思路,并考虑电动汽车的特性,分析了电动汽车车载终端在当前应用中应实现的电池实时监测、站内导引、充换电站(桩)位置导航、同后台系统的交互等基本功能以及未来的多媒体娱乐、充电预约及缴费、用户身份识别、车辆行驶中的安全控制等扩展功能。

在功能需求分析的基础上,设计了新一代电动汽车智能车载终端的软件及硬件架构;为电动汽车车载终端在电动汽车产业中的应用提出了新的思路,并为当前电动汽车及动力电池的研究提供宝贵的实验数据。

摘要：为支撑当前电动汽车的运营,需要设计新一代的电动汽车智能车载终端。通过借鉴传统车载终端的设计思路,并考虑电动汽车的特性,分析了电动汽车车载终端在当前应用中应实现的基本功能以及未来的功能愿景;在功能需求分析的基础上,设计并实现了新一代电动汽车智能车载终端的软件及硬件架构;为电动汽车车载终端在电动汽车产业中的应用提出了新的思路,为当前电动汽车及动力电池的研究提供了宝贵的实验数据。

关键词：电动汽车,动力电池,车载终端

参考文献

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智能电动车模拟设计论文 篇7

关键词：电动汽车,充电预约,路线规划,智能服务平台

0 引言

随着电力公司电动汽车充换电站、充换电设施的规模化建设以及逐步成网, 一些城市如北京、天津、山东、浙江的充换电站及充换电设施已经面向用户运营, 虽然计量、计费上仍然存在一些问题, 但随着国家对清洁能源产业的推进, 这些政策层面的问题解决之后, 作为产业链末端的电动汽车用户即将进入电动汽车生态圈中。当前, 电动汽车已经面向公交、环卫、出租车公司进行运营, 这些公司已经逐步提出网络化运营的需求, 即各公司的监控系统、政府的相关监控系统、电力公司的运营管理系统等共享各自需要的数据, 并将公共信息、公共数据发布到互联网, 供终端用户浏览与查询[1]。

因此, 建设一个电动汽车智能服务平台, 为电动汽车用户提供一个互联网访问渠道, 实现电动汽车用户的核心业务查询功能, 以及充电预约、路线规划、政策法规展示、网上客服等辅助功能, 并提供用户手机客户端访问, 是电动汽车运营管理系统推广之后的必然应用。此外, 通过平台建设, 还可以进行清洁能源的宣传, 针对用户行为推出拓展用户习惯的业务模式, 为后续电动汽车的网上商城、社交网络及其他增值服务的推广奠定基础。

1 电动汽车运营管理系统研究现状

2013 年, 国家电网公司多个网省公司大力推广电动汽车运营管理系统, 使得各电力公司内部对电动汽车充换电设施及电池、车载终端等的监控、运营成为可能。但在用户侧, 如何为电动汽车用户提供方便快捷的服务, 提供何种业务, 如何使运营管理系统、95598 核心业务系统、政府的车载终端采集与监控系统、各充换电站的站内监控系统等数据共享、协调运营, 则尚未开展研究。在当前电动汽车产业发展的大环境下, 立足电动汽车产业及业务发展的现实情况, 进行适当超前的研究是十分必要的。

当前, 由于充换电业务主要针对公交、环卫、出租车公司等集团用户进行, 在车辆运营的状态下, 电池的数据被上送到政府的电动汽车车载终端相关运行监控系统中, 而在充换电状态下, 电池的数据被上送到电力公司的运营管理系统中, 使得电池的全寿命周期数据从管理上被分为2 部分存储;同时, 在目前电动汽车充换电价格尚未确定的情况下, 各集团用户的充换电信息、电量信息在充换电站监控系统中存储, 后续将上送到运营管理系统中, 而集团用户与电力公司进行查询、对账等, 也需要电力公司提供相应的数据;一些已经为乘用车用户提供充换电服务的电力公司, 则同样面临服务公开的需求。因此, 本文设计了一个电动汽车的互联网服务平台, 从业务上涵盖客户、车辆、电池、充换电网络、用户卡的管理与查询, 以及电动汽车客户服务、充电预约等服务。

2 建设目标

平台的建设目标是部署全省集中的电动汽车智能服务平台, 功能涵盖电动汽车核心业务的信息查询、服务咨询、充电预约、出行路线规划、服务监督、政策法规展示、信息公告等功能模块。平台作为一个公共展示中心, 从电力内网获取充电设施状态等实时信息, 并在互联网地图上进行展示, 供用户浏览查询。同时, 也可以从平台发起预约请求, 为用户预约充电设施、充电时间等。由于涉及到电力内网数据的外网展示, 需要着重处理信息安全事宜, 满足国家电网公司信息安全相关规范与标准。

3 系统架构设计

3.1 总体架构设计

从电动汽车的用户属性来看, 无论公交、环卫、出租等集团用户, 还是即将要进入市场的乘用车用户, 都不是电力公司内部用户。因此, 系统应当是面向公众的服务系统。由于平台不是电力公司内网数据的对外展示, 而是采用B/S架构整体部署在互联网的服务平台, 因此, 电力内网数据只是平台的一个数据来源[2]。

平台根据需求设计了网上营业厅、服务监督、网站访问、系统管理四大模块。网上营业厅主要包括用户注册、用户登录、用户积分、站内消息、站内留言、客户管理、咨询、出行路线、充电预约、查询、信息公告等功能;服务监督主要包括投诉、举报、表扬、建议等功能;网站访问主要包括使用手机客户端或PC通过互联网访问网站、查看相应宣传信息等功能;系统管理主要包括组织机构及权限管理、网站结构管理、网站运行管理、系统参数管理等功能。

平台需要前端展示的数据分为2 部分, 一部分来自电动汽车智能充换电服务网络运营管理系统 (电力内网) , 一部分来自车载终端信息采集与管理系统 (互联网) , 因此, 需要设计接口和2 个系统进行数据交互[3]。

平台与电动汽车智能充换电服务网络运营管理系统进行交互的数据有:客户档案信息、充电记录信息、电池档案信息、电池历史信息、电池实时信息、充电状态信息、充换电服务网络信息、车辆档案信息、设备档案及实时信息、卡信息、充值记录信息等。

平台与车载终端信息采集与管理系统进行交互的数据有:充电记录信息、车辆位置信息、车辆里程信息、电池档案信息、电池历史信息、电池实时信息、充电状态信息、设备档案及实时信息、充换电服务网络信息等。

智能服务平台总体架构设计如图1 所示。

3.2 业务功能设计

平台功能从业务上分为前端和后端2 部分。前端功能包括用户注册、用户积分、充电预约、出行路线、咨询、出行线路、业务查询和信息公告等;后端功能包括网络座席服务、客户维系、运营分析、运行管理和系统管理等。同时, 还应将部分业务进行划分, 提供给手机用户使用。智能服务平台业务模型如图2 所示。

其中, 网上营业厅是核心业务, 实现公共用户服务、查询与咨询、充电预约、出行路线规划等功能, 而查询功能又包括客户信息查询、电动汽车信息查询、电池信息查询、智能电卡信息查询、充值信息查询、充换电信息查询等。

在图2 中, 车载终端指通过移动网关或者VPN通道直接接入智能服务平台的终端设备, 车载终端信息采集与管理系统是指由政府建设的在市政、公交、环卫等车辆上安装的车载终端的采集与管理系统。

3.3 部署架构设计

由于电动汽车智能服务平台涉及到电力内网的数据在互联网发布, 同时系统完全部署在互联网中, 对安全问题需要着重考虑。在系统内部采用防病毒、防篡改、漏洞扫描服务器进行网页防护, 对交换机采用IPS进行防护, 对于系统内部操作, 采用审计服务器进行日志审计。

平台与第三方边界的接口有电动汽车运营管理系统接口 (电力内网) 以及车载终端信息采集与管理系统 (互联网) 的接口。运营管理系统由于部署在信息内网, 与信息外网之间通过防火墙和逻辑强隔离装置进行连通, 只允许SQL穿透, 确保信息内网安全。同时对信息内外网交换的数据进行加密, 以增强通道的健壮性。而车载终端信息采集与管理系统是北京市政府所建, 部署在互联网上, 通过VPN专线贯通, 在智能平台中则以防火墙进行隔离防护。

部署架构如图3 所示。

前置、接口服务器用来与充电桩、充换电站、车载终端进行通信[5], 以获取充换电实时信息与车辆行驶中车辆与电池实时信息。考虑到充换电设施的数量以及“十二五”期间电动汽车数量增长规划, 系统采用共享存储来存储实时数据。

4 关键业务实现

4.1 关键业务介绍

对用户而言, 除了信息查询之外, 比较重要的业务是充电预约和出行路线规划, 以下详细描述充电预约和出行路线规划的业务实现。

4.2 充电预约

充电预约是平台的关键功能, 预约可以通过95598、平台互联网界面、手机客户端等提交, 平台获取预约请求后, 查询用户所预约地区充电桩预约状态, 如有可用的充电桩及空闲充电时段, 则向充电桩发送预约指令, 并将预约结果通过短信返回给用户。同时, 将预约成功的充电桩向运营管理系统报备。充电预约业务流程如图4 所示。

对充电预约业务而言, 除了技术上的实现, 关键在于管理手段的到位。由于用户充电过后, 可能并不及时将车开走, 或者将充电位当停车位使用[4], 或者在其他用户预约时间开始前不久到该充电桩充电, 都需要及时将情况上报到智能平台, 由平台选择附近其他充电桩进行调剂, 并及时以短信或电话形式通知用户。

4.3 出行路线规划

对电动汽车用户而言, 由于行驶里程的限制, 相比燃油汽车, 在电池电量不足或者长距离驾驶时, 需要进行合理的路线规划, 使出行路线靠近充电桩、充换电站等地点进行行驶。

当前地理信息系统采用的搜索算法主要为A*算法[2], 即在当前搜索结点往下选择下一步结点时, 通过一个启发函数来进行选择, 选择代价最小的结点作为下一步搜索结点。因此, 对电动汽车路线规划而言, 可以从数据层面对充电桩、充换电站本身以及相邻的节点的估价值进行调整, 越靠近充换电设施的地方, 其估价值越低, 反之越高。

同时, 对搜索算法进行优化, 在电动汽车电量不足或者起点与终点距离过大时, 将充换电站设为必经节点, 从而确保推荐的路径为电动汽车出行的最佳路径。

5 结语

本文所设计的电动汽车智能服务平台为电动汽车运营的进一步实用化进行了探索, 是一种直接面向终端用户的服务系统。在当前环境污染日益严重、清洁能源推广成为国家战略的背景下, 智能服务平台将充当电动汽车用户、电力公司、政府管理部门之间的桥梁, 为用户提供一个方便的业务办理渠道, 为电力公司提供一个与用户互动的平台, 增强用户对电动汽车的认同, 也可为政府相关决策提供基础数据支撑。

参考文献

[1]贺兴, 艾芊.电动汽车能量管理系统的研究与开发[J].低压电器, 2011 (14) :21–25.HE Xing, AI Qian.Research and development on energy management system of electric vehicles[J].Low Voltage Apparatus, 2011 (14) :21–25.

[2]李志建, 郑新奇, 王淑晴.改进A*算法及其在GIS路径搜索中的应用[J].系统仿真学报, 2009, 21 (10) :3116–3119.LI Zhi-jian, ZHENG Xin-qi, WANG Shu-qing.The application of improved A*algorithm in path searching in GIS[J].Journal of System Simulation, 2009, 21 (10) :3116–3119.

[3]张文亮, 武斌, 李武峰, 等.我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式的探讨[J].电网技术, 2009, 33 (4) :1–5.ZHANG Wen-liang, WU Bin, LI Wu-fen, et al.Discussion on development trend of battery electric vehicles in China and its energy supply mode[J].Power System Technology, 2009, 33 (4) :1–5.

[4]康继光, 卫振林, 程丹明, 等, 电动汽车充电模式与充电站建设研究[J].电力需求侧管理, 2009 (5) :64–66.KANG Ji-guang, WEI Zhen-lin, CHENG Dan-ming, et al.Research on electric vehicle charging mode and charging station construction[J].Power Demand Side Management, 2009 (5) :64–66.

智能电动车模拟设计论文 篇8

电动汽车具有以电代油、环保高效的优点,是节约能源大力提倡的方式[1,2,3,4]。随着电动汽车的逐步推进,充电用户希望能够实时了解充电桩的位置、电价等信息,主动参与用电管理,提高能源利用效率。其重要基础之一是需要对充电桩进行电量监测并智能控制其状态,实现精细化、智能化管理[4,5,6,7,8]。国内现有充电设施主要以充电站、充电桩或换电站建设为主,截至2015年3月,国家电网公司已经建成618座充换电站、2.4万个充电桩,并形成了一定规模的充换电服务网络。文献 [5-6]主要是关于电动汽车有序充电策略的研究;文献 [7] 提出了电动汽车智能充电的导航系统;文献 [8] 描述了智能充电桩的设计;文献 [9] 提出了建设电动汽车智能服务平台。云计算技术已经应用于电力系统的多个方面[10,11],但目前国内还未推出集智能充电服务平台、智能充电装置和App应用软件于一体的系统。美国在电动汽车智能充电系统中已经有了新的突破,可实现充电站寻找及付费功能[12]。

针对国内电动汽车充电系统的现状,设计了基于云平台的电动汽车充电系统,将人机交互操作界面由传统的充电装置屏幕显示变为手持终端显示,通过App实现充电装置定位导航、锁定及充电预约等功能,还可基于智能云平台进一步对用户充电行为进行数据挖掘与分析,为未来电动汽车大规模推广奠定基础。

1 系统架构设计

本系统是建立在互联网、高速无线网和电力信息系统基础上的大型分布式网络信息系统。整个系统分为平台层、网络层和终端层,其逻辑架构见图1。

1)平台层:采用针对电动汽车充电服务的数据挖掘技术、云计算技术、门户技术,提供用户管理、身份认证、权限控制、充电装置信息记录、电动汽车充电海量数据存储等基础服务,并支撑手机App实现充电装置使用情况查询、定位导航、充电预约及充电装置锁定等业务,并与相关外部系统进行数据交换实现跨应用、跨系统的信息互通、共享和协同。后期通过深度挖掘将为用户推送充电服务计划、充电商店等增值服务。

2)网络层:是平台层和终端层之间的纽带,提供了各类用户信息、电动汽车充电信息等多种数据的传输通道。网络层既包括诸如Wi-Fi形式的高速无线网络,也包含广域铺设的互联网。

3)终端层:包括电动汽车充电终端设施(交流桩、直流桩等)、智能手机和平板电脑等用户设备。电动汽车充电终端可以将车辆的充电信息通过网络层发送给远端平台,也可以接收平台下发的控制指令。智能手机、平板电脑等终端设备通过其上的App应用软件进行实时互动,接收用户输入,并展示系统所提供的各类服务。系统通信结构示意图见图2,充电终端含有Wi-Fi通信模块,可与Wi-Fi路由器进行通信;Wi-Fi路由器通过2G、3G或光纤网络等将信息发送给云平台服务器;智能手机、平板电脑等终端设备通过Wi-Fi、GPRS和CDMA等与后台服务器通信。

此外,为了确保信息安全,在云平台中部署密钥管理系统和加密机;在充电装置中加入自主研发的嵌入式安全模块芯片(ESAM)。

2 系统组成及功能

本系统主要由云平台、智能充电装置和智能终端App应用软件组成,分别对这3个主要部分进行说明。

2.1 电动汽车充电服务云平台

电动汽车充电服务云平台是电动汽车充电提供数据发布、收集、存贮、加工、维护和挖掘的综合平台。为满足业务发展需求,电动汽车充电服务云平台支持百万级客户的多种业务请求,系统平台软件和硬件都具备高可靠性、可用性和可扩展性。

该平台由计算机、网络设备、存储设备、其他外围设备和平台应用软件组成,整个电动汽车充电服务云平台主要分为3个子系统进行研发。

(1)基于云计算技术的功能支撑子系统。

该子系统深入研究了电动汽车充电服务的特性,利用云计算技术开发虚拟机与物理机资源统一管理子系统,将所有的计算资源进行全面、灵活的管控,为整个电动汽车智能充电系统提供具有弹性的计算能力。针对电动汽车充电服务接入特点采用负载均衡技术,支持海量用户的高并发访问。提供用户管理、身份认证、权限控制、充电装置信息记录、电动汽车充电海量数据存储与处理等功能,支撑手机App实现充电装置使用情况查询、定位导航、充电预约、充电装置锁定等多种业务应用。

(2)数据交换子系统。

为了解决在系统中各类数据交换、整合的难题,主要从以下4个方面突破,设计数据交换子系统。

1)有效降低系统间的耦合度,使每个应用系统逻辑上只和数据交换子系统有关系,而不必考虑数据交换的另一端具体部署,使系统间形成简单的数据耦合。

2)提高数据交换接口的规范性,使得系统接口统一面向数据交换子系统,在接口的逻辑和技术形态上具备一致性,为系统接口的稳定和规范提供基础。

3)提高数据交换的开放性,使得数据交换子系统就如同系统间的一个逻辑数据总线,可以对外提供灵活、多种形式的接口。

4)保证数据交换的高效性和稳定性。从系统设计层面有效保证数据交换过程的高效和稳定。

(3)数据挖掘子系统。

深入分析整个电动汽车智能充电系统所提供的各类服务,依据服务的不同类别、特点及实际需求,将设计与电动汽车充电业务相对应的数据挖掘算法和数据分析模式,利用数据抽取、存储、管理及展现技术开发电动汽车充电数据分析和用户行为挖掘等业务应用,为用户提供深入、高效的增值服务。

数据挖掘子系统将主要完成以下2类典型工作。

1)通过对海量用户充电时间数据的收集和分析,可以挖掘得到不同时间段用户的充电密度,计算出用户充电行为对于电网负荷的影响规律,为负荷预测提供有力支撑,为电力调度提供依据。

2)通过对海量用户充电地点数据的分析,可以挖掘得到不同区域、不同地段的用户充电需求分布,计算出目前已建的充电设施在各个地点的利用情况,为进一步建设充电设施提供直接的指导。

2.2 智能充电装置

智能充电装置除了具备传统的充电、计量、保护等功能外,以下功能在提高本系统的智能性同时,将会更为适应日新月异的技术变革:

1)手持终端控制功能 : 分布式充电装置可通过移动端App控制启停机,当充电装置符合充电条件时,客户通过手机等移动终端可以实时控制充电装置的启停。

2)充电信息上传功能:分布式充电装置可将充电信息上传至服务器并通过手机安装的App界面实时显示充电信息,包括当前充电电压、充电电流、充电电量、充电费率、计费信息、故障信息、工作状态信息等。

智能充电装置原理框图见图3,具体包括:MCU单元、数字电能表、Wi-Fi通信模块、FLASH存储单元、保护单元、电源转换模块、接触器、急停开关等。其中MCU单元为充电装置的控制核心,完成指令控制与信息分发,采用低功耗、高性价比的CORTEX-M0系列芯片,通过串口或SPI总线与Wi-Fi通信模块通信,通过485总线与数字电能表通信, 通过I2C总线与FLASH存储单元通信,MCU通过驱动电路与接触器相连实现充电电能输出的通断控制。Wi-Fi通信模块采用低功耗的Wi-Fi模块,实现与无线网关的数据通信进而实现充电装置开关状态远程控制,电流、功率、电能信息的上报。电源转换模块用于将交流电转换为直流电,提供不同电压等级的直流电,为充电装置中的其他电路提供电源。

2.3 App 客户端

随着智能手机的普及,App客户端软件已经应用于日常生活的各个方面。本系统设计了客户端软件的2个版本,分别支持操作系统为i OSV7.0.0及以上版本和Android V2.3.3及以上版本,总体设计为C/S体系结构,客户端为多层体系结构,以提供更好的灵活性和强大的扩展能力。多层体系对于客户端来说是3层结构,分别从视图层、业务逻辑层、业务实体层进行分配。

1)视图层:与用户交互的界面,响应用户的请求,调用业务逻辑层的接口进行逻辑处理,根据结果以不同的形式展现给用户。视图层包含地图显示、支付结算、状态显示、控制界面和查询界面,见图4。

2)业务逻辑层:完成实际的业务逻辑,包括对服务器的数据请求和对本地数据库的读取。

3)业务实体层:包含了各个业务实体,对网关服务器的数据请求、数据解析;对平台服务器的数据请求、数据解析;数据库维护。

App客户端软件根据用户选择的功能调用业务逻辑层相应的模块,业务逻辑层负责业务流程的组织,并调用业务实体层的模块,通过网关服务器接口(或平台服务器接口)同网关服务器(或平台服务器)进行信息交换。具备以下功能:

1)地图功能:智能充电装置具备地图应用功能,可以通过地图及导航查询充电装置的位置信息。

2)状态显示功能:通过手机App显示智能充电装置的各种状态。

3)支付功能:系统具有充电结算功能,通过账户和支付宝、微信账户等绑定,实现定额、定量、定时等方式的智能充电。

4)控制功能:通过控制命令实现对智能充电装置的设置和控制,包括开始充电、取消预约、停止充电等。

5)查询功能:用户可查询充电数据详情(次数、累计)。

3 应用实例

由北京市科学技术委员会牵头,昌平区政府参与,北京南瑞智芯微电子科技有限公司主持完成的京密北路东段路灯充电桩建设改造项目,工程路段全长1.5km,实施LED路灯改造84盏,以80W LED灯替换250W高压钠灯,建成8座慢充充电桩和2座快充充电桩,并部署了电动汽车智能充电系统1套。建成以后,以昌平地区电动出租车充电为例,使用慢充桩充电时间为4 ~ 5h, 使用快充桩30min可补电80%。这些充电桩已逐步缓解昌平区的电动汽车充电难的问题,应用实例图见图5和图6。

4 结语