智能運(yùn)檢電動(dòng)汽車巡檢自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

官國飛，楊慶勝，王成亮，蔣峰

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 211100）

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車作為一種新能源汽車逐漸成為汽車新的發(fā)展方向[1-2]。智能電動(dòng)汽車在多個(gè)領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，具有節(jié)約能源、環(huán)境影響較小等優(yōu)勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景[3-4]。

然而，電動(dòng)汽車在巡檢方面還存在一些問題，諸如一些人為因素使電動(dòng)汽車無法安全行駛等。對(duì)于電動(dòng)汽車的自動(dòng)巡檢，傳統(tǒng)巡檢自動(dòng)控制系統(tǒng)在對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行巡檢時(shí)，由于缺少有效的路徑識(shí)別和無線調(diào)試，導(dǎo)致控制效率較低，控制能耗較高，不能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的自動(dòng)巡檢[5-6]。

基于此，該文設(shè)計(jì)了智能運(yùn)檢電動(dòng)汽車巡檢自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車巡檢的自動(dòng)控制，軟件設(shè)計(jì)中給出系統(tǒng)的控制流程，擴(kuò)展路徑識(shí)別和無線調(diào)試功能，提升電動(dòng)汽車的巡檢效率和控制效率，最后通過與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的智能運(yùn)檢電動(dòng)汽車巡檢自動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)選用三星公司生產(chǎn)的MK60FX512Q15 單片機(jī)作為控制芯片，該單片機(jī)可實(shí)時(shí)控制電動(dòng)汽車的電機(jī)和控制器。其中，主要設(shè)置了四個(gè)有效模塊對(duì)其進(jìn)行控制。即電源模塊、電磁檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器模塊、功率分析儀模塊。通過硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)和控制器的通信和控制[7]。硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電源模塊

電動(dòng)汽車巡檢自動(dòng)控制硬件系統(tǒng)的各個(gè)模塊在運(yùn)行時(shí)，均需要不同的工作電壓，電源模塊要向各類器件提供可靠、穩(wěn)定性較高的工作電壓。電源電路主要采用電池供電，電壓最高可達(dá)9.6 V，電源電路的工作電壓為4.9 V，工作電流為3.8 A，為電磁檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器模塊、功率分析儀模塊提供4.2 V、3.8 V、3.3 V 的電壓，向各模塊供電的芯片分別由三星公司、TI 公司、SIMENS 公司生產(chǎn)[8-9]。電源電路圖如圖2 所示。

根據(jù)圖2 可知，當(dāng)電動(dòng)汽車中電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電源電路中工作電壓和工作電流會(huì)發(fā)生較大變化，會(huì)對(duì)硬件系統(tǒng)中其他模塊產(chǎn)生干擾和影響。因此，電源需要向電動(dòng)汽車的電機(jī)單獨(dú)供電[10-12]。

圖2 電源電路圖

1.2 電磁檢測(cè)模塊

在電動(dòng)汽車巡檢時(shí)，根據(jù)電磁學(xué)原理在電機(jī)導(dǎo)線中通入3.3 A 的驅(qū)動(dòng)電流，當(dāng)電機(jī)導(dǎo)線周圍放置傳感器時(shí)，傳感器中會(huì)產(chǎn)生一定大小的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，放置傳感器的方向不同，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不同。為了獲得較高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，需要調(diào)整傳感器的放置方向。在調(diào)整傳感器方向時(shí)，注意感應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)弱，如果發(fā)現(xiàn)感應(yīng)信號(hào)比較微弱，在電磁檢測(cè)模塊中設(shè)置電流反饋放大器進(jìn)行放大，由于受到一定干擾，電流反饋放大器在進(jìn)行放大的同時(shí)，還要進(jìn)行濾波、檢波處理。電磁檢測(cè)電路中設(shè)有感應(yīng)信號(hào)輸入端口和輸出端口，輸出端口輸出經(jīng)過處理后的電磁信號(hào)，電磁檢測(cè)模塊主要向電機(jī)輸出電磁信號(hào)[13-14]。電磁檢測(cè)電路如圖3 所示。

圖3 電磁檢測(cè)電路

1.3 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器模塊

在電動(dòng)汽車進(jìn)行自動(dòng)化巡檢時(shí)，通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，電機(jī)需不斷調(diào)節(jié)輸出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩性能，該文設(shè)計(jì)中采用JN338 數(shù)字式轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，該款轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器為傳遞類傳感器，在物理參數(shù)中屬于應(yīng)變型，結(jié)構(gòu)主要包括應(yīng)變片法蘭盤和接收器，兩種結(jié)構(gòu)互相獨(dú)立，間隔通常為2～6 mm，在安裝上較為簡(jiǎn)單，直接將應(yīng)變片法蘭盤安裝在電機(jī)軸承上，在電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)變片法蘭盤由于受到驅(qū)動(dòng)力影響會(huì)產(chǎn)生一定的形變，通過電磁檢測(cè)模塊中的電流反饋放大器，將形變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)行濾波、檢波、放大處理，處理完成后的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成高頻信號(hào)，通過SMT 貼片式天線發(fā)射到轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器的接收器上，接收器接收后對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行處理，并將處理完的高頻信號(hào)發(fā)送到功率分析儀上。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器在工作時(shí)，不需要連接電機(jī)導(dǎo)線，其可以獨(dú)立運(yùn)行[15]。

1.4 功率分析儀模塊

控制系統(tǒng)功率分析儀用來測(cè)試電動(dòng)汽車電機(jī)的控制效率和功率，完成感應(yīng)信號(hào)、電信號(hào)、高頻信號(hào)的測(cè)量和分析，功率分析儀的型號(hào)為AN87500，該款功率分析儀具有6 通道單元配置，可支持多種接線方式，分別為單相兩線、單相三線、三相三線、三相四線，單通道可測(cè)量電機(jī)電流，功率分辨率最小為0.1 Hz，功率測(cè)量帶寬為10 Hz～150 kHz[16]。

功率分析儀通過接入控制系統(tǒng)的電源電路，使采樣頻率、感應(yīng)信號(hào)頻率、高頻信號(hào)頻率相同，以此提升諧波測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器將電動(dòng)汽車電機(jī)中的大電流信號(hào)變換為小電流信號(hào)，然后連接到功率分析儀上，功率分析儀采用變頻電量變送器直接連接電機(jī)回路。電機(jī)回路中的輸入功率影響著電動(dòng)汽車電機(jī)的損耗，功率因數(shù)越大，電機(jī)的損耗逐漸增大；功率因數(shù)越小，電機(jī)的損耗也隨之減小。功率分析儀通過降低電機(jī)輸入端直流母線上的電壓、電流，減小電動(dòng)汽車電機(jī)的功率因數(shù)，從而降低電動(dòng)汽車電機(jī)的損耗。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件為電動(dòng)汽車巡檢自動(dòng)控制系統(tǒng)提供硬件支持，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)可以測(cè)試電動(dòng)汽車電機(jī)的性能。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件時(shí)，采用狀態(tài)函數(shù)切換方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車自動(dòng)化巡檢的控制，通過對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行路徑識(shí)別、電機(jī)控制、無線調(diào)試，完成對(duì)電動(dòng)汽車速度和方向的自動(dòng)化控制。智能運(yùn)檢電動(dòng)汽車巡檢自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

首先，在軟件設(shè)計(jì)中進(jìn)行路徑識(shí)別。為了保證電動(dòng)汽車巡檢的可靠性和安全性，需要識(shí)別路徑，路徑識(shí)別采用圖像識(shí)別和超聲波檢測(cè)識(shí)別方式。通過圖像識(shí)別得到像素為80×120 的圖像，利用OV7725數(shù)字?jǐn)z像頭對(duì)其進(jìn)行二值化處理，處理后的圖像采用邊緣掃描的方法識(shí)別，前五行邊線如果沒有出現(xiàn)丟失情況，采用邊緣跟蹤方法對(duì)邊線進(jìn)行識(shí)別，如果邊線出現(xiàn)丟失情況，則采用邊緣掃描方法對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和提取，將前五行邊線和五行后邊線的識(shí)別和提取結(jié)果上傳到軟件分析程序中，等待分析程序進(jìn)行分析。邊緣跟蹤方法和邊緣掃描方法與邊緣檢測(cè)法相比，抗干擾能力更好，運(yùn)行速度更快，可以有效濾除電動(dòng)汽車在巡檢過程中受到的干擾。圖像識(shí)別中除了邊線識(shí)別外，還需進(jìn)行中線識(shí)別，在中線識(shí)別時(shí)，需要具體區(qū)分出邊線丟失與不丟失的情況。如果不丟失，采用平移法識(shí)別中線，如果邊線丟失，將最后一行的邊線作為中線，并采用中點(diǎn)法進(jìn)行識(shí)別，如果邊界上的中線全部丟失，以第一行邊線作為中線，進(jìn)行平移。圖像識(shí)別完成后，采用超聲波檢測(cè)法進(jìn)行識(shí)別。超聲波檢測(cè)識(shí)別方式是利用超聲波的傳輸速度，在將聲波發(fā)射出去后，由傳播距離和傳播速度得出聲波的傳播時(shí)間，以此進(jìn)行路徑識(shí)別。

然后對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。路徑識(shí)別完成后進(jìn)行電機(jī)控制，電機(jī)控制包括速度控制和方向控制，電動(dòng)汽車在進(jìn)行巡檢時(shí)，選擇直流電機(jī)，電機(jī)的工作電壓為6.8 V，采用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量電機(jī)的實(shí)際速度，并與標(biāo)準(zhǔn)速度進(jìn)行對(duì)比。對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制時(shí)，路徑的曲率會(huì)影響電動(dòng)汽車的行駛速度，可根據(jù)路徑中邊線的分布情況實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的實(shí)時(shí)控制，為了提高對(duì)電機(jī)速度控制的效果，可調(diào)節(jié)路徑中線斜率的控制速度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的最優(yōu)控制。方向控制較為簡(jiǎn)單，主要通過電源電路變換電機(jī)中電流的方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車行駛方向的控制。

最后進(jìn)行無線調(diào)試。完成路徑識(shí)別和電機(jī)控制后，對(duì)識(shí)別結(jié)果和控制結(jié)果進(jìn)行無線調(diào)試，調(diào)試過程中注意電動(dòng)汽車電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和控制參數(shù)的變化，調(diào)試完成后，顯示運(yùn)行效果和控制參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的智能運(yùn)檢電動(dòng)汽車巡檢自動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性，通過與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證該文系統(tǒng)的有效性。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的自動(dòng)化巡檢，采用了一種能量回饋技術(shù)，該種技術(shù)為共用電網(wǎng)交流電源，該技術(shù)沒有保持電壓同相位和幅值，并且缺少對(duì)電機(jī)的路徑識(shí)別和無線調(diào)試，導(dǎo)致電動(dòng)汽車巡檢自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制效率低、控制難度大，而該文設(shè)計(jì)的智能運(yùn)檢電動(dòng)汽車巡檢自動(dòng)控制系統(tǒng)，除了采用能量回饋技術(shù)外，還進(jìn)行了路徑識(shí)別、電機(jī)控制以及無線調(diào)試，為了對(duì)比傳統(tǒng)系統(tǒng)與該文系統(tǒng)的控制效率，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置：電動(dòng)汽車電機(jī)的額定功率為72 kW，額定電流為350 A，電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，如果電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速超過了標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，通過提升電源頻率進(jìn)行升速，根據(jù)以上設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 控制效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析圖5 可知，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制效率明顯低于該文系統(tǒng)的控制效率。隨著實(shí)驗(yàn)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷改變，兩種系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和控制效率發(fā)生了一定變化。

電動(dòng)汽車在巡檢控制時(shí)，需要長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的能耗，能耗包括電磁損耗、硬件損耗、雜散損耗以及風(fēng)阻損耗等，能耗越高說明系統(tǒng)的控制效果越低，能耗越低證明系統(tǒng)的控制效果越好。因此，除了針對(duì)控制效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)外，還對(duì)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 自動(dòng)控制系統(tǒng)能耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1 中數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)中電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的能耗明顯高于該文系統(tǒng)。該文系統(tǒng)產(chǎn)生的最高能耗約為2.7 kW，證明傳統(tǒng)系統(tǒng)的控制效果低于該文系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

該文通過系統(tǒng)硬件功能模塊的設(shè)計(jì)以及軟件實(shí)現(xiàn)流程的設(shè)計(jì)，完成了巡檢自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該文系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制效率更高，控制效果更好，系統(tǒng)具有很好的有效性和穩(wěn)定性。