專利名稱：電動車輛節(jié)能和輔助駕駛監(jiān)控器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動車輛節(jié)能和輔助駕駛監(jiān)控器，屬電動車輛自動控制技術(shù)領(lǐng)域。
目前，電動汽車的研制和使用在國際和國內(nèi)又重新興起，出現(xiàn)了多種新型的電動汽車，但考慮把計(jì)算機(jī)用于電動汽車節(jié)能控制和輔助駕駛的卻很少。而在普通汽車上，計(jì)算機(jī)的使用已經(jīng)比較普遍，主要是用來實(shí)現(xiàn)高性能的自動控制，如點(diǎn)火，噴油燃燒，防側(cè)滑不抱死，安全保護(hù)以及空調(diào)設(shè)備等等。在電動車輛上使用微處理器，也是十分必要的，它有著非常好的前景，可以使汽車性能更加優(yōu)良，更加安全，駕駛更加方便，維護(hù)更為容易。
一般電動車輛由蓄電池提供電能，由交流或直流電機(jī)及電機(jī)調(diào)控器提供驅(qū)動力，再配以其它電子系統(tǒng)，如電量計(jì)、指示儀表等組成。而電動車輛的運(yùn)行狀態(tài)怎樣，是否實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效，則完全由駕駛員的操作決定。不合理的駕駛或誤操作，非但不安全，而且會過多地消耗車載有限的寶貴電能。使用計(jì)算機(jī)的高速處理能力和靈活的控制功能，監(jiān)視電池、電機(jī)、車體的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，使各個系統(tǒng)高效運(yùn)行，系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和提高車輛的行駛里程，同時計(jì)算機(jī)可以用多種方式顯示車輛行駛中電池、電機(jī)、車體的各種狀態(tài)信息，給駕駛員提供一個很好的駕駛參考，能夠有效地減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，提高駕駛水平。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種電動車輛節(jié)能和輔助駕駛監(jiān)控器，以實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對電動車輛的節(jié)能控制和輔助駕駛。通過監(jiān)視電池組的電壓、電流、電量，使其運(yùn)行在最佳工作區(qū)，限制最大放電電流，提高電池的利用率，延長電池的使用壽命。通過對踏板信號變化的處理，實(shí)現(xiàn)節(jié)能啟動，通過對車輛行駛狀態(tài)的分析和計(jì)算，完成最佳的速比選擇，使電機(jī)長期運(yùn)行在高效率區(qū)；通過外接的能量回收電路，最大限度地回收制動時的能量，將制動時的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，重新輸入電池，一般情況下，可以將制動時能量的20-35%進(jìn)行回收；通過對行駛過程的監(jiān)視和分析，給出車輛行駛過程中的信號指示和狀態(tài)顯示，提供比較合理的操作過程，同時可以指出發(fā)生錯誤時的故障來源，方便了司機(jī)的駕駛和車輛的維護(hù)。節(jié)能是電動車輛最關(guān)鍵的技術(shù)之一，其目的就是最大限度地利用電池組的有限能量，通過監(jiān)控實(shí)現(xiàn)高效合理的運(yùn)行，從而使電動車輛行駛更遠(yuǎn)的距離。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的電動車輛節(jié)能和輔助駕駛監(jiān)控器，由主控單元、汽車接口控制單元、電機(jī)控制接口單元和顯示系統(tǒng)組成，主控單元通過I/O接口控制單元與汽車接口控制單元、電機(jī)控制接口單元和顯示系統(tǒng)相連接。其中的主控單元包括(1)用以控制監(jiān)控器運(yùn)行的主控制芯片(U19)；(2)用以存儲程序的32K程序存儲器(U16)；(3)用以存儲數(shù)據(jù)的32K數(shù)據(jù)存儲器(U17)；(4)用以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的I/O口數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器/緩沖器(U13)；(5)用于產(chǎn)生程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲的片選信號以及I/O口的控制信號的地址譯碼控制器(G2)；其中的顯示系統(tǒng)包括用來顯示汽車運(yùn)行中狀態(tài)指示信號的高亮度發(fā)光二極管和液晶顯示器；其中的電機(jī)接口控制單元包括(1)使電機(jī)控制具有手動和自動切換功能的切換開關(guān)(S1)；(2)用以將電機(jī)發(fā)來的信號進(jìn)行阻容濾波的阻容濾波器(R50-57和C43-C50)；(3)用以切換控制電機(jī)的各種信號的二選一數(shù)據(jù)選擇器(U4)；(4)用以將通過切換開關(guān)的信號和電機(jī)復(fù)位脈沖信號驅(qū)動后輸出至電機(jī)控制器的驅(qū)動器(U6)；(5)將和電機(jī)狀態(tài)有關(guān)的顯示信號放大后送往顯示單元的顯示驅(qū)動器(U27)；其中的汽車接口控制單元包括(1)對來自汽車的狀態(tài)信號進(jìn)行去抖動處理的開關(guān)輸入去抖動部件R-S觸發(fā)器(U2和U3)；(2)對車體電源系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)進(jìn)行隔離的光電隔離器件(TLP1)；其中的I/O接口控制單元包括(1)提供32路數(shù)字量輸出的鎖存器(U20-U23)；(2)提供16路數(shù)字量輸入的緩沖器(U24和U25)；(3)用以產(chǎn)生輸入輸出芯片的控制管腳的可編程邏輯器件G3；(4)用來控制電機(jī)的加速力矩和制動力矩的D/A轉(zhuǎn)換器，由可編程邏輯門陣列(G1)、12位D/A轉(zhuǎn)換芯片(U17和U12)和二級運(yùn)算放大器(U8-U10)組成。


圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)的監(jiān)控器用于電動車輛中時的系統(tǒng)框圖。
圖2是監(jiān)控器的系統(tǒng)框圖。
圖3是監(jiān)控器的主控制單元的電路原理圖。
圖4是監(jiān)控器的電機(jī)接口控制單元的電路原理圖。
圖5是汽車接口控制單元電路原理圖。
圖6是I/O接口控制單元電路原理圖。
圖7是I/O接口控制單元中D/A轉(zhuǎn)換電路原理圖。
圖8是支持監(jiān)控器運(yùn)行的主程序流程框圖。
圖9是車速計(jì)算流程框圖。
圖10是錯誤指示流程框圖。
圖11是串行通訊處理流程框圖。
圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)的監(jiān)控器用于電動車輛中時的系統(tǒng)框圖。監(jiān)控器通過傳感器接收駕駛員的操作及汽車運(yùn)行狀況，通過剩余電量計(jì)獲得電池組的使用情況，并將經(jīng)過優(yōu)化處理的控制指令發(fā)送給汽車上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)-電機(jī)，控制汽車的車速。
該監(jiān)控器由軟硬件兩部分組成，下面先結(jié)合系統(tǒng)框圖和電路圖，介紹硬件組成及其可以實(shí)現(xiàn)的控制。
監(jiān)控器的硬件組成系統(tǒng)框圖如圖2所示。
硬件控制主要包括下列部分主控制單元(ROM，RAM等)，顯示接口單元(點(diǎn)陣或七段液晶顯示器及高亮度發(fā)光二極管)，電機(jī)接口控制單元(開關(guān)控制量及模擬控制量，能量回收控制接口)，汽車接口控制單元(油門及剎車踏板傳感器，汽車檔位傳感器，鑰匙開關(guān)測量裝置，自動換檔控制接口)。
主控單元和其他幾個單元的連接一般都是通過I/O接口控制單元進(jìn)行的，通過I/O接口單元，主控單元獲得自己所需到狀態(tài)信息，通過I/O接口控制單元，主控單元同時可以發(fā)出的控制指令，控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件和顯示單元。
主控單元的電路原理如圖3所示。主控單元是系統(tǒng)的控制中心，主要包括主控制芯片U19、32K程序存儲器U16、32K數(shù)據(jù)存儲器U17、I/O口數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器/緩沖器U13、地址譯碼控制器G2，使用了U19的八級中斷控制中的高速輸入中斷、軟件定時器中斷、串行通訊中斷，以及高速輸出部件，四路模擬量輸入通路。G2用來譯碼產(chǎn)生程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的片選信號(CSROM和CSRAM)，以及I/O口的控制信號(IORQ和IORW)。
高速輸入.HSI端口主要有以下幾種功能接收電機(jī)接口單元的緊急故障信號(HSI.1)接收電機(jī)接口單元的普通故障信號(HSI.2)接收電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量信號(HSI.0)DM_MOTOR_PULSE接收解除電機(jī)封鎖的復(fù)位開關(guān)輸入信號(HSI.3)高速輸出.HSO端口主要有以下幾種功能主回路通斷的控制信號(HSO.2)電機(jī)復(fù)位脈沖信號的控制(SHO.3)模擬量輸入通路完成的功能包括測量油門角度的ACH4測量制動踏板角度的ACH5.串行口RS-232C用來和剩余電量計(jì)或其他具有標(biāo)準(zhǔn)三線RS-232C口(TXD，RXD，GND)的汽車儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，也可以作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的端口。
.總線信號包括地址總線信號ADD.BUS，數(shù)據(jù)總線信號DATA.BUS，以及具有驅(qū)動和緩沖功能的I/O端口數(shù)據(jù)總線I/O.BUS。
顯示單元主要由高亮度發(fā)光二極管和液晶顯示器組成，發(fā)光管用來顯示汽車運(yùn)行中的狀態(tài)指示信號，有紅黃綠三種顏色，液晶顯示器可以選用七段數(shù)碼管或點(diǎn)陣液晶顯示器，用來顯示一些文字信息。顯示單元的硬件放在相關(guān)的控制單元中，實(shí)際上它也是一個單獨(dú)的系統(tǒng)。
信號指示包括L1電機(jī)系統(tǒng)緊急故障指示
L2電機(jī)系統(tǒng)普通故障指示L3電機(jī)過熱指示L4電機(jī)系統(tǒng)控制電源異常指示L5空檔指示L6一檔指示L7二檔指示L8手制動指示L9倒車指示L10制動指示L11提示換檔指示L12汽車超速指示L13正常運(yùn)行指示L14電池故障指示文字指示包括車速，已行駛里程，可行駛里程電池電壓，電池放電電流，剩余電量，使用電量，電池溫度電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)溫度故障說明電機(jī)接口控制單元電路原理圖如圖4所示。來自電機(jī)的狀態(tài)信號，經(jīng)過電機(jī)接口控制單元的輸入通路輸入，輸入通路由輸入緩沖器U5，驅(qū)動器U6，脈沖計(jì)數(shù)單元U1，中斷產(chǎn)生控制器U29組成。輸出通路由切換開關(guān)S1，二選一數(shù)字選擇器U4，以及輸出驅(qū)動器U6組成。通過切換開關(guān)S1，使電機(jī)控制具有手動和自動切換功能。在手動操作中，計(jì)算機(jī)被旁路，控制信號由相應(yīng)開關(guān)產(chǎn)生。加速踏板的加速信號直接送往電機(jī)控制系統(tǒng)，但此時計(jì)算機(jī)仍可以用來監(jiān)測汽車的各種信號。切換控制由切換開關(guān)S1和數(shù)據(jù)選擇器U4完成，加速信號模擬量由切換開關(guān)通過，數(shù)字量經(jīng)過數(shù)據(jù)選擇器U4通過。顯示驅(qū)動器U27，將和電機(jī)狀態(tài)有關(guān)的顯示信號放大后送往顯示單元。
電機(jī)控制器的發(fā)來的信號經(jīng)過R50-57和C43-50阻容濾波處理后，產(chǎn)生電機(jī)過流信號(DM_OVCURR)、電機(jī)過熱信號(DM_OVHEAT)、電機(jī)系統(tǒng)控制電源異常信號(DM_CONPWR)、電機(jī)控制異常信號(DM_IGBT)、散熱器過熱信號(DM_SPRER)、電機(jī)脈沖信號(DM_MOTOR_PULSE)。這些信號送往I/O控制單元?？刂齐姍C(jī)的信號包括控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的信號(DM_F/B或BKSWIT_S)、電機(jī)運(yùn)行/制動信號(DM_MOV/BRK或BRAKE_S)、IGBT封鎖/釋放信號(DM_IGBT或IGBT_SW)、主回路通斷控制(MAIN_RELAY或高信號)。通過雙刀雙擲切換開關(guān)S1，以上控制信號中的一路可以通過，這些信號和電機(jī)復(fù)位脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動器U6驅(qū)動后輸出至電機(jī)控制器。
汽車接口單元的電路原理如圖5所示。汽車接口單元主要由開關(guān)輸入去抖動部件R-S觸發(fā)器U2、U3，光電隔離器件TLP1組成，加速和制動踏板的信號都包括模擬量和一個過零檢測信號，模擬信號通過阻容濾波后進(jìn)入主控制芯片U19，裝在車輛踏板上的過零檢測開關(guān)用來檢測踏板的微小動作，作為快速反應(yīng)的輸入部件。
經(jīng)過去抖動處理，產(chǎn)生制動過零信號(D_BRAKE_0)、加速踏板過零信號(D_ACCEL_0)、空擋信號(D_POSI0)、一檔信號(D_POSI1)、二檔信號(D_POSI2)、手制動信號(D_BRMAN)、復(fù)位信號(D_RESET)、倒車信號(D_BKSWIT)。
鑰匙開關(guān)信號可以檢測兩路，經(jīng)過光電器件將車體電源系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)隔離后，產(chǎn)生開關(guān)信號(D_BEGIN和D_BEGIN2)。
I/O接口控制單元的電路原理如圖6所示。主控單元通過I/O控制單元和電機(jī)控制單元、汽車控制單元、顯示單元連接。I/O單元由鎖存器U20-U23提供32路數(shù)字量輸出，由緩沖器U24和U25提供16路數(shù)字量輸入、兩路D/A輸出控制單元組成。輸入信號通過輸入緩沖器U24，U25和I/O數(shù)據(jù)總線(I/O.BUS)相連，主要用來測量電機(jī)和汽車的信號和狀態(tài)，輸出信號通過U20，U21，U22，U23鎖存器輸出，輸入輸出芯片的控制管腳由可編程邏輯器件G3產(chǎn)生，占用了I/O空間的0X7F50-0X7F55。32路輸出中的16路輸出用來控制液晶顯示，可以接四位七段顯示或點(diǎn)陣顯示。
D/A轉(zhuǎn)換的電路原理如圖7所示。D/A輸出由可編程邏輯門陣列G1，12位D/A轉(zhuǎn)換芯片U7，U12，以及運(yùn)算放大器U8～U9組成，D/A的參考5V電壓由LM336-5生成。G1通過對地址信號和控制信號進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生D/A控制的片選信號(CSDA1，CSDA2)和寫信號(WR11，WR12，WR21，WR22)，分別用來控制兩路D/A輸出的運(yùn)行。D/A轉(zhuǎn)換芯片為12BIT寬，低四位數(shù)據(jù)和高八位數(shù)據(jù)公用八位數(shù)據(jù)線，分時打入D/A控制器的內(nèi)部12BIT鎖存器。D/A轉(zhuǎn)換器輸出的信號經(jīng)過第一級運(yùn)算放大器U8(或U11)產(chǎn)生和輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)的模擬量的反向信號，經(jīng)過第二級運(yùn)算放大器U9(或U10)反向后，得到-5V～+5V的控制信號(DA_OUT1和UT_OUT2)。兩路輸出可以分別用來控制電機(jī)的加速力矩和制動力矩，也可以用來控制制動時的能量回收強(qiáng)度。以滿足各種控制的要求。
系統(tǒng)的硬件組成，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能控制的基礎(chǔ)，電動車輛是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，在駕駛中，要考慮的運(yùn)行因素比較多，比較關(guān)鍵的有電池的狀態(tài)(電壓、電流、電量等)，電機(jī)的運(yùn)行特性，車體的運(yùn)行特性，行駛的自然狀況。
支持監(jiān)控器運(yùn)行的主程序流程框圖如圖8所示。系統(tǒng)加電后，開始系統(tǒng)初始化，設(shè)置計(jì)算機(jī)的工作環(huán)境，然后開始系統(tǒng)自檢，系統(tǒng)自檢包括系統(tǒng)板上RAM存儲功能的檢查，電池狀態(tài)是否正常，此后，檢查系統(tǒng)各部分是否工作正常，主要是電機(jī)系統(tǒng)是否正常，如果電機(jī)系統(tǒng)有故障，則顯示出現(xiàn)的錯誤情況，系統(tǒng)禁止汽車運(yùn)行；如果電機(jī)正常，則檢查車鑰匙開關(guān)是否在正常位置，如果車鑰匙不在正常運(yùn)行位置，則顯示暫停狀態(tài)，否則可以進(jìn)行正常運(yùn)行，在運(yùn)行中，需要檢測司機(jī)操作，主要包括換檔操作、加速和剎車操作，則調(diào)用剎車過程，此時可以進(jìn)行能量回收；如果目前檔位在倒車狀態(tài)，則調(diào)用倒車過程；如果正在換檔，則調(diào)用換檔過程；如果所有檔位狀態(tài)沒有改變，則檢測加速踏板的變化狀態(tài)，根據(jù)加速踏板的變化情況優(yōu)化駕駛的控制。然后重復(fù)下一輪的檢測過程。
車速計(jì)算流程如圖9所示。車速計(jì)算使用了軟件定時器中斷，通過計(jì)算在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖的個數(shù)，計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和汽車的速度。通過檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速是否在電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的高效區(qū)，以檢測是否應(yīng)該換檔，最后將和車速有關(guān)的狀態(tài)顯示出來。
錯誤指示流程如圖10所示。因?yàn)殄e誤處理的高級別性，所以錯誤的處理使用了高速輸入中斷，一旦有錯誤發(fā)生，立即執(zhí)行錯誤處理過程。錯誤發(fā)生后，程序檢測錯誤的類型，對緊急故障和普通故障，進(jìn)行分別處理，并且將故障的情況顯示出來，以利于維修的順利進(jìn)行。
串行處理流程如圖11所示。串行通訊中斷用來處理和電池管理系統(tǒng)(剩余電量計(jì))之間進(jìn)行信息的傳送，主要是用來接收電池的信息，電池的信息以數(shù)據(jù)塊的方式傳送，有塊首和塊尾，中斷處理通過檢測塊首字節(jié)，啟動一個數(shù)據(jù)塊的接收，通過計(jì)算所有數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，檢查數(shù)據(jù)傳送的正確性，如果傳送錯誤，則舍掉此數(shù)據(jù)塊。
權(quán)利要求
1.一種電動車輛節(jié)能和輔助駕駛監(jiān)控器，其特征在于該監(jiān)控器由主控單元、汽車接口控制單元、電機(jī)控制接口單元和顯示系統(tǒng)組成，主控單元通過I/O接口控制單元與汽車接口控制單元、電機(jī)控制接口單元和顯示系統(tǒng)相連接；其中所述的主控單元包括(1)用于控制監(jiān)控器運(yùn)行的主控制芯片(U19)；(2)用以存儲程序的32K程序存儲器(U16)；(3)用以存儲數(shù)據(jù)的32K數(shù)據(jù)存儲器(U17)；(4)用以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的I/O口數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器/緩沖器(U13)；(5)用于產(chǎn)生程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲的片選信號以及I/O口的控制信號的地址譯碼控制器(G2)；其中所述的顯示系統(tǒng)包括用來顯示汽車運(yùn)行中狀態(tài)指示信號的高亮度發(fā)光二極管和液晶顯示器；其中所述的電機(jī)接口控制單元包括(1)使電機(jī)控制具有手動和自動切換功能的切換開關(guān)(S1)；(2)用以將電機(jī)發(fā)來的信號進(jìn)行阻容濾波的阻容濾波器(R50-57和C43-C50)；(3)用以切換控制電機(jī)的各種信號的二選一數(shù)據(jù)選擇器(U4)；(4)用以將通過切換開關(guān)的信號和電機(jī)復(fù)位脈沖信號驅(qū)動后輸出至電機(jī)控制器的驅(qū)動器(U6)；(5)將和電機(jī)狀態(tài)有關(guān)的顯示信號放大后送往顯示單元的顯示驅(qū)動器(U27)；其中所述的汽車接口控制單元包括(1)對來自汽車的狀態(tài)信號進(jìn)行去抖動處理的開關(guān)輸入去抖動部件R-S觸發(fā)器(U2和U3)；(2)對車體電源系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)進(jìn)行隔離的光電隔離器件(TLP1)；其中所述的I/O接口控制單元包括(1)提供32路數(shù)字量輸出的鎖存器(U20-U23)；(2)提供16路數(shù)字量輸入的緩沖器(U24和U25)；(3)用以產(chǎn)生輸入輸出芯片的控制管腳的可編程邏輯器件G3；(4)用來控制電機(jī)的加速力矩和制動力矩的D/A轉(zhuǎn)換器，由可編程邏輯門陣列(G1)、12位D/A轉(zhuǎn)換芯片(U17和U12)和二級運(yùn)算放大器(U8-U10)組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電動車輛節(jié)能和輔助駕駛監(jiān)控器，由主控制單元、顯示接口單元、電機(jī)接口控制單元和汽車接口控制單元等組成。主控制單元通過I/O接口與其他單元相聯(lián)接，通過I/O接口獲取信息、發(fā)出控制指令，控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件和顯示單元。該監(jiān)控器通過傳感器接收駕駛員的操作及汽車運(yùn)行狀況，通過剩余電量計(jì)獲得電池使用情況，最后將優(yōu)化處理的控制指令發(fā)送給汽車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效合理的運(yùn)行，從而使電動車輛行駛更遠(yuǎn)的距離。
文檔編號B60L15/00GK1112493SQ9510493
公開日1995年11月29日 申請日期1995年5月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月12日
發(fā)明者齊國光, 徐玉民 申請人:清華大學(xué)