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电动车控制器范文1
关键词： 智能测试设备； 控制电路； 测量电路； 控制分析软件
中图分类号： TN911.7?34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）09?0136?04
0 引 言
目前国内外电动车技术高速发展，欧美许多国家已经将向年长者及残障人士提供电动车作为社会保障体系的一部分，其中控制器是电动车的核心零部件，决定了电动车的稳定性与可靠性。如何保障电控零件的质量稳定性和一致性，是本文研究的重点。
对于控制器的传统测试，大多只测试电路板的电气特性，普遍存在着测试点测试工序繁琐，部分特性很难检测；数据量大，处理困难；人工检测效率低，人为因素加大；产品追溯困难等问题。针对上述不足，本文设计并实现了能对电动车控制器各功能在线自动检测的智能测试系统。该系统能通过控制分析软件的调度[1]，结合模拟负载装置，自动进行功能测试，可以基本消除人为不确定因素。人机界面友好，显示的测试参数丰富，可自动出具测试报告，并将测试结果存在数据库中，留作历史数据记录以待查询。
1 电动车控制器测试系统的组成及工作原理
本文所针对的电动车控制器包括串口通信模块，前后灯及喇叭的控制与故障检测， 速度控制与检测模块，电源控制模块，电机功率驱动等。由于电子元器件本身存在质量缺陷及生产中出现各种工艺问题，将会导致控制器硬件在某方面工作不正常，因此测试系统必须能够检测出硬件的所有问题，并快速定位[2]。控制器输入信号有开关量、模拟量、脉冲量等，输出信号为驱动电机的模拟量，并有双向通信的串口信号。
电动车控制器范文2
关键词:STC12C5410AD; 电动车; 无刷控制器; 检测
中图分类号:TP23 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)07-0208-03
Detection of Brushless Motor Controller in Electric Bicycles Based on STC12C5410AD
LI Bo, DENG Xiao-yan
(Department of Electrical and Electronics Engineering, Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang 050043, China)
Abstract: Along with the progress of urbanization, the traffic distance of people′s life is expanding. Instead of fuel vehicles and bicycles, electric bicycles have entered into households. The design is based on STC12C5410AD, which can test brushless motor controller of electric bicycles. The principles of system hardware are described and the diagram of software is designed. The experiments show that the system can basically achieve various detections of brushless motor controller of electric bicycles, including detections of brake systems, phase angle and phase sequence.
Key words:STC12C5410AD; electric bicycle; brushless controller; detection
0 引 言
伴随着城市化进程,人们生活的交通距离不断扩大,代替燃油汽车和自行车的电动车的普及大幅度的提高了电力资源的利用效率,促进了国民经济的健康发展。电动自行车以电力作动力,骑行中不产生污染,无损于空气质量。从改善人们的出行方式、保护环境和经济条件许可情况等因素综合来看,电动自行车目前乃至今后都有着广阔的发展空间。电动自行车所用直流电机分为有刷电机和无刷电机两种。其中有刷电机控制较简单,但其易磨损的电刷带来维修保养工作量相对较大、使用寿命相对较短等缺点。而直流无刷电机本身没有易磨损部件,电机寿命长,维修保养工作量小。但直流无刷电机采用电子换向原理工作,其控制过程比有刷电机复杂得多,因此对控制器质量的要求也高得多。
目前电动自行车采用的直流无刷电机都是三相电机,电角度有60°和120°两种。电机极数大部分为18极,也有16极、20极等。控制器根据霍尔反馈的电机电极位置,控制相应的功率驱动管的开通或关断,在定子中产生旋转磁场,驱动电机的转子转动[1-3]。
为了判断无刷控制器是否能够正常运行,也就是检测转把和刹车功能是否正常,判断控制器的角度是60°还是120°,并且确定绕组A,B,C相与位置信号a,b,c之间的对应关系,正确地将控制器与电机进行连接,现在很多的检测仪器都采用模拟电路,使得结果不是很精确,而且需要的电路也很复杂,成本很大。设计采用STC12C5410AD单片机作为控制芯片,大大简化了硬件电路,以软件编程来实现。
1 电动车无刷电机控制器简介
控制器由周边器件和主芯片(或单片机)组成。周边器件是一些功能器件,如执行、采样等,它们是电阻、传感器、桥式开关电路,以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的器件;单片机也称微控制器,是在一块集成片上把存贮器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输入输出端口等集成在一起,而构成的计算机片。这就是电动自行车的智能控制器。
控制器的设计品质、特性、所采用的微处理器的功能、功率开关器件电路及周边器件布局等,直接关系到整车的性能和运行状态,也影响控制器本身性能和效率。不同品质的控制器,用在同一辆车上,配用同一组相同充放电状态的电池,有时也会在续驶能力上显示出较大差别。
目前,电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近。有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的PWM控制方法调速,只是选用驱动电路、集成电路、开关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别。元器件和电路上的差异,构成了控制器性能上的不同[4]。
2 系统硬件电路设计
为了判断无刷控制器是否正常,测量控制器各个部分的输出信号是否符合标准,并且能够接收电机、转把、刹车的信号,判断这个控制器是否能实现其需要实现的功能,系统要检测控制器的转把和刹把是否有稳定的5 V电压输出,判断控制器的角度,以及判断霍尔控制线相序及与其对应的电机电源相序是否一致。只有位置传感器信号和绕组A,B,C正确连接才能使电机正常运行。图1为电路整体设计原理图,系统采用STC12C5410AD单片机作为主要控制芯片。STC12C5410AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051 单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~12 倍,内部集成MAX810专用复位电路,4 路PWM,8 路高速10 位A/D 转换,专门针对强干扰场合电机控制[5]。
图1 电路整体设计
2.1 桥式整流电路
因为控制器工作需要的是直流电,所以需要加个整流电路。系统选用的是单相桥式整流电路。这种电路只要将四只二极管口连接成“桥”式结构,便具有全波整流电路的优点。
2.2 刹车与转把信号的检测
刹车信号高低电位的变化,是控制器识别电动车是否处于刹车状态,从而判断控制器是否给电机供电的依据。只要将刹车和转把信号的输出端接到STC12C5410AD单片机的A/D转换端P16和P17,便能检测输出是否正常[6-8]。
2.3 控制器角度与相序的判断
如图2所示,首先判断绕组电压A的输出,将两个光藕合器连到控制器的末级,与A的上下管并联起来,当A的上管导通时,A输出高电压,使下面的光耦导通,从而输出一个电压值,通过STC12C5410AD单片机的A/D转换端P11口送到单片机中;当A的下管导通时,A输出低电压,使上面的光耦导通,从而输出一个电压值,通过STC12C5410AD单片机的A/D转换端P10口送到单片机中。B和C用上面同样的接法[9,10]。在输出时没有直接输出,而是通过光耦隔离后才输出,原因如下:光耦合器的信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强、工作稳定、无触点、使用寿命长、传输效率高。
图2 相序检测
3 系统软件设计
3.1 总体设计流程图
总体设计流程图如图3所示。
测量控制器输入端阻抗,当其大于10 Ω时为正常,否则电源输入端短路。转把、x把、霍尔电源端的检测要保证输出电压大于4.5 V。控制器角度和相序的判断根据无刷真值表进行判断和检测,以下仅以控制器角度判断为例进行说明。
3.2 控制器角度判断程序设计
由表1可以看出当a,b,c都取“0”,控制器角度为120°的时候,A,B,C上下管都不导通;而控制器为60°时A的上管和B的下管导通,这样便能根据a,b,c都取“0”时,A,B,C的输出信号来判断控制器的角度。流程图如图4所示。
表1 输入、输出真值表
60°abc
120°abc
正向/反向使能电流检测
顶部驱动
ATBTCT
底部驱动
ABBBCB
010000XXX111000
000101110011010
图3 总体设计流程图
图4 角度判断流程图
4 结 语
系统设计采用STC12C5410AD单片机作为控制芯片,电路简单,测量精确,很好地满足了电动车无刷电机控制器检测的各项需求,能够检测控制器接转把和刹把端是否正常,能够判断控制器的角度,霍尔控制相序以及与其对应的电机电源相序是否一致。希望该设计在将来的应用中得到更好的改进和完善。
参考文献
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电动车控制器范文3
关键词：增程式电动车；控制逻辑；电池寿命；最低使用成本
中图分类号：U463.55文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.05.05
Abstract：This investigation discussed the design aspect of extended-range electric vehicles （EREV）， analyzed the dependence of their drivability on the power of propulsion system as well as the vehicle mass. Then several control algorithms for such vehicles were compared. Two new control algorithms were proposed based on the understanding of the characteristics of such propulsion systems， and the pros and cons of currently existing control methods. One algorithm determines the upper and lower limits of battery state of charge （SOC） for the use of electricity generator considering battery life. This approach links the use of power batteries to a vehicle’s warranty. Another is the maximum depletion of power batteries before they are re-charged using the power grid， to achieve the minimum cost for the consumer. This control algorithm provides the driver with the option of choosing the appropriate driving mode at the beginning， as well as sufficient flexibility of changing the driving mode during driving. At the end the influence of various system parameters and driving conditions， using the maximum depletion control algorithm， was analyzed， which can be helpful for the design and optimization of extended-range electric vehicles.
Key words：extended-range electric vehicle； control algorithm； battery life； maximum depletion
能源的紧缺和环境的日益恶化使清洁能源动力系统的开发变得越来越紧迫，现有的节能及新能源汽车中，纯电动汽车在节能及环保方面都具有很大的优越性，它具备使用过程中零排放、高效率，以及能量来源多样化等诸多优点，但同时也有很多不足之处，其中最重要的是动力电池能量密度低导致的续驶里程短的问题。这直接影响了消费者的接受程度，导致了电动汽车作为乘用车的市场覆盖面相对狭窄，于是目前广泛采用增程式动力系统作为从传统内燃机动力系统向纯电动系统转变的过渡。作为一种串联式混合动力汽车，增程式电动汽车除驱动电池和电机外，还有一套发电装置即增程器，在驱动电池电量不足时发电来满足驱动需求。由于能量的多次转换必然带来一定的能量损失，行驶过程中长时间使用增程器将影响车辆的经济性。因此增程式电动汽车的一个技术关键在于系统的控制，包括增程器的使用，以及与动力电池的协调等。
在增程式电动汽车的研发过程中，人们提出了多种系统控制逻辑。为了减少使用增程器为动力电池充电，再用电池驱动电机这一过程中的能量损失，可按功率需求来发电。比如奇瑞汽车公司的发明专利[1-2]就是按照发电需求将发动机拖动至目标发电转速。当发动机运行至目标发电转速点并且稳定后，给发电机加载。当发电需求改变时，改变目标发电转速，以寻找新的平衡点。此外，还可先确定电池荷电状态（State of Charge，SOC）的上、下限值，然后按动力需求决定增程器的使用。比如北汽新能源汽车公司的一项发明就是先确定电池SOC的上、下限值，再根据驾驶员的挡位信号和踏板信号决定增程器的工作模式[3]。这种做法类似于奇瑞汽车公司的一个专利：在确定电池SOC上、下限值的基础上，根据驾驶需求，如油门踏板的行程来决定增程器的使用[4]。而需求功率的多变性又增加了精确地按需求功率来发电的技术难度，解决该问题的方法是使发电机的发电功率保持恒定，即“定点能量管理策略”[5-7]，根据需要启动增程器。比如周苏等人按行驶里程将行驶模式分为短途和长途两种 ，短途行驶时只由蓄电池供电，长途行驶时，在蓄电池的SOC达到其下限值时增程器以恒定功率发电。
本文以Microsoft ExcelTM[9]为基础编写了一个仿真程序，用来计算各种工况下不同控制逻辑对车辆行驶特征的影响，以及油耗、电耗和总的使用成本对各种参数的依赖关系。
1 系统设计
作为车辆最重要的基本参数，满载质量和驱动电机的功率对电动汽车的动力性能起着决定性的作用。它们之间的关系受车辆的动力匹配原理制约，而这些原理对各种车辆，包括传统的内燃机汽车，纯电动汽车，以及混合动力汽车都是通用的。计算公式可以方便地从公开发表的文献中找到，比如余志生主编的《汽车理论》[10]，周苏等人关于增程式电动汽车系统设计的论文[8]，以及查鸿山等人关于纯电动汽车动力匹配的计算[11]中都可以找到相关的计算公式。利用这些公式可以计算出为了满足国家标准对纯电动汽车动力性能的要求[12]，以及与整车质量相应的驱动功率值。利用表1中除满载质量和驱动电机功率以外的参数和这些指标的解析解，这些要求可以方便地用图1显示出来。由图1可以看出，以60 km/h的速度通过4%的坡度及以30 km/h的速度通过12%的坡度的要求是最容易得到满足的，而不低于20%的最大爬坡度对满载质量和电机功率的要求最高。对于加速性能，在15 s内从50 km/h加速到80 km/h 比较容易做到，而低速加速（从0到50 km/h）则比较困难。图1的阴影部分是所有的要求皆能满足的区域。由此可知，所需电机功率随满载质量快速上升。因此，汽车轻量化是所有汽车，包括传统车辆和新能源汽车设计中应该考虑的一个重要因素。
图1中的实心圆点是选取的一个参考系统，用于系统的计算和模拟。由图1可知，对1 400 kg的满载质量来说，30 kW的驱动电机无法满足最大爬坡度和低速加速的要求。但考虑到电机的峰值功率通常远高于其额定功率，如果过载系数取为2.0，则额定功率为30 kW的电机足以满足所有要求。为简单起见，本文的计算中没有考虑除驱动以外的其它电器，如电子设备、空调、转向助力、冷却系统等。
2 系统能耗计算
在增程式电动汽车的使用中，驱动能量可以来自蓄电池，也可以由增程器发电提供。其中蓄电池组的能量主要来自驻车充电，加上制动能回收产生的电能。制动能的回收量主要由回收效率和驾驶工况决定。如果能有效地回收，制动能发电可以提供相当大比例的能量用于驱动。因此，提高制动能回收效率应作为电动系统优化的一个重要目标。
电池组的选择和使用除了考虑充、放电特性、容量等以外，一个重要的考虑因素是充-放电幅度，因为它直接决定了电池寿命。图2是4种常用电池的使用寿命（循环次数）与充-放电幅度之间的关系。电池寿命试验通常是在特定的条件下对电池进行持续的充放电，直至电池容量小于其额定容量的80%为止。可以看出对于相同充-放电幅度，镍氢电池的寿命最长，锂离子电池稍差，而铅酸电池寿命最短。能量密度也存在类似关系。图2所示的依赖关系还应该与充-放电摆幅的中间值有关，但这方面的研究较少。对纯电动汽车来说，为提高续驶里程必须允许电池组最大程度地放电。因此，电池组的寿命比较短，且其平均寿命是可以预测的。对于电动汽车中常用的锂离子电池来说，80%的充-放电幅度对应约2 000个使用周期，20%的充-放电幅度对应约15 000个使用周期，而10%的放电幅度能达到约42 000个使用周期。因此从电池寿命和更换电池成本的角度来看，使用较小的充-放电幅度是比较理想的选择。由于增程式电动汽车的增程器可以随时发电，减小充-放电幅度，从而延长了电池的使用寿命。使用小幅度充、放电机制应该把电池组的更换费用纳入到运行/维护成本的计算才有意义。
由于对动力电池的性能缺乏完整的了解，以及单体电池之间通常存在的不均匀性，导致电池精确控制方面的困难。加上对电池更换的责任方尚无明确规定，导致在增程式电动汽车，以及并联和混联式混合动力汽车的设计中，对充-放电幅度限制方面的考虑并不普遍。
为了研究各种工况及系统参数对增程式动力系统的影响，选取了一个满载质量为1 400 kg的参考系统，其各种参数值见表1。它的驱动电机额定功率为30 kW，如图1中的实心点所示。考虑到电机的过载特点，其峰值功率（图1中的空心圆点）很容易满足爬坡度和加速性能等方面的要求。表2中的3种工况是根据国家标准定义的试验用行驶工况中的市区循环和市郊循环组成的[14]。将各种循环进行组合，形成了总行驶里程约为100 km的城市工况、城市+城郊工况，和城郊工况。在城市+城郊混合工况下，采用一个如表1和表2所示的参考系统，其能耗和增程器的使用如图3所示。在图3中，蓄电池电量从初始的16 kWh开始，其即时电量考虑了用于驱动的能量损耗，也包含了增程器为电池充电以及制动能量的回收。图3还显示了增程器的使用状态，在电池电量达到其容量的20%时，增程器启动，致使该系统不仅能满足驱动需求，还有多余的能量为电池组充电。由于该系统是按照电池的下限值决定增程器的使用，且其上限值（90%）在行驶结束时尚未达到，从而在整个运行周期内增程器仅启动一次。在衡量增程式电动汽车的运行成本时，应同时考虑使用的电能和增程器耗费的燃料费用。最简单的方法是把它们按照如表2所列的市场价格统一折合成货币值计算。
3 控制策略
作为一种最简单的混合动力系统，增程式电动汽车的控制主要体现在动力电池和增程器的使用方面。在电池方面，如上所述，主要有两种方法，一种是综合考虑驱动需求和电池寿命因而限制充-放电幅度；另一种是在纯电动汽车中通用的方法，即限制电量下限值。增程器的使用则从电池特性和驾驶需求两方面来考虑。有代表性的增程器使用方法包括“随动式”发电，也就是根据系统的用电需求决定增程器的使用。由于增程器的发电功率随外界需求变化而变化，除了在控制上难以实现精确的匹配，发动机也无法维持在高效区域的运行，这可能影响增程式电动汽车的经济性。简单的解决方法是使用固定的发电功率，在电池电量低于所定下限值时按恒定功率发电，在高于上限值时停止。这样做的优点是控制过程简单，但其上、下限值多是根据经验确定。类似的方法还有根据汽车保修期要求的行驶里程以及电池的使用寿命来估算电池SOC的上、下限值[15]。此法可保证电池在保修期内正常工作，但它和根据经验得到上、下限值的控制方法有一个共同的缺点，就是可能因过度使用增程器，导致其发出超过需求的电量来对电池组充电使之达到上限值，从而造成能源浪费和过高的使用成本。比较理想的解决方案是基于最低使用成本的控制方法[16]，在下一次利用网电充电前尽可能地使用电池电量，减少发动机的使用。下面对上述后3种控制方法做一个简单的介绍和比较。
3.1 基于固定SOC上、下限值的控制策略
最简单的控制方法是采用固定的SOC上、下限值，当电池电量达到其下限值时启动增程器发电来驱动并为电池充电，当电池电量达到其上限值时停止发电。由于增程器发出的电能中相当大一部分被用于驱动，为电池充电有限，在一个工况周期内很难达到其上限值。除非将上、下限区间限制得很窄，在100 km的驾驶周期内，发电区段只出现在后期，持续到驾驶周期结束。较高的SOC上限值对驾驶周期无明显影响。图4（a）～（c）显示了不同工况下SOC下限值对驾驶周期以及发电周期的影响。较高的下限值容易达到，增程器启动得比较早，相应的发电时间长，油耗高，行驶费用也比较高。
由图5可知，SOC下限值为20%时，电池能耗在不同工况下并没有明显区别。城市+城郊混合工况下的油耗略高于其它工况，因而运行成本最高。当SOC下限值为30%时，由图4（a）可知，城市工况下大量的燃油被用来发电，用做驱动和充电，导致驾驶周期结束时电池的剩余电量过多，因此成本最高。随着增程器发电直接用于驱动的比例逐步增加，城市+城郊混合工况以及城郊工况下的油耗及行驶成本逐渐降低。由此可见，增加发电直接驱动的比例，减小充电环节的能量浪费是提高增程式电动汽车效率的关键。
这种控制逻辑的优点是简单，但它的缺点也很明显，主要体现在行驶的经济性较差，同时也没有顾及驱动电池的寿命。
3.2 基于电池寿命的控制策略
作为动力系统的一个重要组成部分，电池寿命是增程式电动汽车设计中的一个重点。如果按照车辆的保修期来设计电池寿命，则根据图2所示的电池寿命曲线可以估算出电池使用过程中所允许的SOC的最大变化幅度。具体方法是将保修期以一定的行驶里程来表述，根据工况和电池寿命曲线列出一个能量需求方程，从而得到允许的最大SOC幅度[15]。以保修里程10万km为例，如表1所示的参考车辆在城市工况下，采用SOC标定值为55%的锂离子电池组，可以求得所允许的最大SOC变化幅度为60%（即±即%幅）。如图6（a）所示，当电池电量达到25%的SOC下限值时，增程器开始发电。当电池电量达到85%的SOC上限值时停止发电。因为电池电量一直低于其上限值，所以在行驶周期（100 km）结束时仍在发电。不同工况的能量需求不同，所以最大允许的SOC变化幅度也不同。图6（b）和（c）显示了城市+城郊混合工况，以及城郊工况的系统状态。随着驾驶能量需求的增加，允许的最大SOC变化幅度在减小，发电时间在提前，发动机即增程器的使用时间加长，导致运行成本增加。
最大允许的SOC变化幅度也是表1所示各种车辆系统参数的函数，电池电量对它有很大的影响。如图7所示，它随着电池容量的增加而增加，这是因为在能量需求相同的情况下，小容量的电池需要更长的发电时间，只能在小的SOC变化幅度下，通过频繁发电来实现。图8显示了对应于容量为5 kWh的电池组，最大允许的SOC变化幅度为4%。其增程器的启动比大电池容量的情况更加频繁。
3.3 基于最低使用成本的控制策略
这种控制方法是在保证系统能量需求的前提下，使动力电池在完成行驶任务，利用网电充电之前，达到在不损害电池的前提下的最低电量状态[16]。因为电池能量的相当一部分来自于相对经济的网电，这样做可以最大限度地使用电池电量，使燃油的消耗达到最低，从而降低使用成本。图9显示了一个基于最低使用成本控制方法的例子，是对表1所示的参考系统在城市+城郊混合工况下进行的模拟。根据驾驶员的输入，包括驾驶模式、行驶距离和对驾驶工况的预期，系统自动判断在到达目的地之前所需的发电量。将总的发电时间分成若干个发电周期，进行间歇式发电，如图9中虚线所示。这样做有几个好处，首先可以避免长时间连续发电，当行驶情况发生变化后不至于产生过多的电池剩余电量以及由此带来的浪费。此外，可以把系统的功率需求作为增程器启动的一个判据条件，使发出的电能直接用于驱动电机，避免能量转换带来的浪费。系统对驾驶条件的变化有很强的适应性。由图9可知，整个驾驶过程被分成了若干个区域，发电周期和间隔都是不均匀的。在车速较高区段增程器的启动比较频繁，增程器的发电量对应于发电周期呈阶梯式增长。在行驶结束时，电池的残余存量略高于其容量的20%，即电池SOC的下限值。
以上所述的3种控制逻辑各有长处和不足。表3对城市工况下各种控制策略对应的能耗和成本进行了比较。采用固定的SOC上/下限值的方法简单易行，缺点是通常情况下当达到SOC下限值，启动增程器发电以后，充电量很难使电池达到其上限值，导致持续发电，除了行驶成本比较高以外，也没有考虑电池的寿命。而优化电池寿命的控制方法可以使电池组在保修期内出现故障的几率降低到主机厂可以接受的范围内，但后果是提升了电池SOC的下限值，导致长时间发电，增加了使用成本。如果不考虑电池寿命，也就是更换电池组的费用，仅考虑使用成本，基于最低使用成本的控制逻辑较其它两种控制方法有明显的优势。除了运行成本低以外，它还有很大的灵活性，可以按需要随时调整行驶预期，保证最低运行成本。它的缺点是可控变量较多，控制比较复杂。下文将对基于最低使用成本的控制方法中各种参数的影响进行研究。
4 系统和控制参数的影响
增程式电动汽车的运行及经济性受到其系统参数的约束和行驶条件的限制。如图1所示，其动力性能很大程度上取决于整车质量和驱动功率。选取一个如表1所示的参考系来研究各种系统参数和控制参数的影响，利用这个参考系，按表2定义的工况行驶，以电耗和油耗以及运行成本为指标衡量各个参数的影响。因为电能和燃油的单位价格不同，所以能耗的总价格更为直观。本节以约100 km的城市+城郊混合工况（表2）为基础，采用基于最低使用成本的控制方法，对表1中各种参数的影响进行了研究。
4.1 行驶距离
首先，行驶距离对能耗和行驶成本有直接的影响。在行驶距离较短时，比如70 km以内，电池组足以满足行驶需求，车辆以纯电模式运行，运行成本较低。当行驶距离超过这个范围以后，增程器被启动，行驶所需的能量由增程器发电来提供。如图10所示，这种控制方法使电池最终电量始终保持在较为稳定的水平上，即电池SOC下限值附近，实现了最大限度地利用蓄电池电量，达到最低使用成本的目的。图中的成本和油耗曲线不是单调上升，而是波动的，类似的现象也出现在其它参数的影响中，这是因为基于最低使用成本的控制涉及一个多参数系统。各种参数相互影响，使改变单一参数值无法实现系统的优化。
4.2 初始电池电量
较高的初始电池电量可以为行驶提供较多的电能，因此油耗和成本随电池电量的增加而降低。当初始电量达到21 kWh时，纯电模式即可满足全部行驶需求。由图11可知，当初始电量很低时，油耗非常高，这是串列式混合动力系统的一个致命弱点。中间环节过多产生的效率损失是无法通过系统控制来彻底避免的。
4.3 满载质量
整车质量是一个非常重要的因素。由于电池电量恒定，而系统控制方法使电池最终SOC接近其下限值以最大限度地使用电池驱动，所以不同整车质量的汽车所能使用的电能接近一个常量，而油耗和成本随着整车质量的增加而增加。由图12可知，在1 250 kg以下，整车质量每增加10%导致约13.7%的油耗增加。对传统内燃机乘用车来说相应的油耗增加在7%左右[17]，远低于增程式电动汽车。一个重要的原因是能量转换过程带来的损失。如果不考虑充电效率（71%）和驱动效率（81%），油耗的增加可以估算为71%×81%×13.7%≈7.8%，与传统车辆类似。在1 250 kg以上，整车质量每增加10%导致约50%的油耗增加。这是因为在给定工况下的一个行驶周期（约100 km）内，增加整车质量除了增加能量消耗以外，还将发电周期提前，导致油耗的大幅度增加。
4.4 发电机输出功率
发电机的输出功率直接影响增程器的使用和产生的电能的使用效率，其对油耗/成本的影响主要受两个因素控制。一个是发电量或输出电量被直接用于驱动的比例，这个比例越高油耗就越低。另一个是发电时间，发电时间越长，油耗就越高。当输出功率较低时，增程器的启动比较频繁，且发电量的相当大比例被直接用于驱动电动机，有效地避免了为电池组充电，再通过电池组驱动电机的过程中的损耗。尽管发电时间比较长，但其负面影响较因避免能量转换带来的能耗增加更小，因此油耗和行驶成本都比较低（图13）。当输出功率较高，比如高于25 kW 时，发电量用于直接驱动的比例降低，但发电时间缩短，导致油耗降低。如果继续增加发电机输出功率，则由于其发电量用于直接驱动的比例降低，导致油耗大幅度增加。在输出功率处于中间值（20 kW 左右）时，发电量用于直接驱动的比例和发电时间两个因素共同作用的结果导致油耗最高。这种多个因素相互作用导致一定区间内极值的产生作为普遍规律是正确的，但具体的量值则取决于特定的系统。如果改变参考系统，比如把整车质量从1 400 kg增加到1 700 kg，对应于最高能耗的发电机输出功率将高于20 kW。
4.5 制动能回收
制动能的回收是将驱动电机变为发电机，利用制动转矩来发电。制动能的回收量只与工况以及回收效率有关，和整车控制逻辑无关，它的效率在很大程度上取决于电机控制器。它的使用应该与机械制动系统及防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，ABS）相协调，以保证车辆的制动性能和安全性。对于本文使用的参考系统来说，当回收效率为50%时，不同工况下行驶100 km所回收的制动能分别为：城市，1.56 kWh；城市+城郊混合，1.15 kWh；城郊，0.91 kWh，分别占这3种工况下总能量需求的11.6%，8.0%和6.0%。可以看出，在制动比较频繁的城市工况里，制动能的回收量相当可观。图14显示了城市+城郊混合工况下制动能回收效率的影响。回收效率的增加基本不影响电池组电能的消耗，但它为行驶提供了额外能量，使油耗和成本降低。在计算利用回收的制动能进行驱动时，要考虑电池的充电效率和驱动电机的效率。
4.6 空气阻力系数
尽管不是线性的关系，油耗随着空气阻力系数的增加而上升（图15）。因为空气阻力的效应与车速的立方成正比，空气阻力系数的影响程度取决于工况，它在城郊（高速）工况下的影响远大于城市工况。对于城市+城郊工况，由图15可知，在空气阻力系数小于0.23的情况下，能耗的增加比较缓慢。在0.23和0.31之间能耗的增速加快，它的影响在0.33附近变化不明显。汽车外形的设计应该充分考虑针对特定行驶工况以及其它参数如整车质量等，以及类似于图15所示的能耗与空气阻力系数的关系。如果空气阻力系数只能作小幅度的改进，在0.31以下的效果要远大于在0.33附近。
4.7 启动增程器的功率门槛值
增程器的启动功率门槛值是当车辆达到按照最小使用成本的控制逻辑计算出的行驶距离下限值以后，判断是否启动增程器的一个准则，当驱动所需功率达到一定量值时启动增程器。这样做的目的是增加直接用于驱动的发电量比例，减少为电池充电后再用电池组驱动的比例，以降低油耗。由图16可知，这个门槛值的影响并不明显，主要是因为对于一个特定的工况，即使增程器的启动功率门槛值不同，发电周期的起始和结束时刻也非常相似，其优化值应该通过考虑所有工况得到。
4.8 增程器的最短运行周期
增程器的运行周期是控制器根据行驶需求确定的，但这样得到的运行时间可能很短，为了保证发动机的运行效率和寿命，有必要人为设定一个增程器连续运行的最短时间。当通过计算得到的运行时间大于这个最短周期时，按计算的周期运行；当它小于这个最短周期时，按最短周期运行。增程器最短运行周期的影响主要体现在当它大于计算的发电周期时，计算得出的增程器发电模式将被改变。如图17所示，由于各个系统参数之间的相互作用，增程器最短运行周期的影响并不是单调的，图中所示的特征将随着其它参数的变化而改变。对常用的发动机来说，有实际意义的最短运行周期应该不小于120 s。
为了简便，本文采取了只改变某一个参数的数值，而固定其它参数的做法。这样做可以明显看出这个参数对系统的影响，但最主要的缺点是无法获得关于各种参数之间相互作用的信息。对于增程式电动汽车这种复杂的系统来说，各种参数之间的相互作用是客观存在而且非常重要的，系统的优化取决于对这些参数以及它们之间相互作用关系的深刻理解，系统控制也应该是对某种特定工况下，系统参数优化的过程。
5 结论
本文对增程式电动汽车的设计和系统控制进行了讨论，在系统设计方面，按照国家标准对电动汽车的各项性能要求给出了一个驱动电机功率的选择方案。由于它是针对一个特定的参考系统计算出来的，当系统参数如空气阻力系数等改变时，应该重新计算相对应的选择方案。电机的过载特性使选择较小的额定功率电动机即可满足大多数小型乘用车的性能要求，但实际设计中应该综合考虑其它因素如电机效率等。
由于动力电池、发动机和发电机的使用方式之间存在多种可能的组合方式，增程式电动汽车的系统控制种类也相当多，主要区别在于增程器的使用上。常见的做法是采用闭环控制，使增程器的发电量随车辆功率需求变化。由于实际驾驶工况的变化以及发动机控制上的困难，这样的控制很难实现。此外，发动机的输出功率变化会导致其无法保持在高效区运行，更可行的方法是使用恒定的增程器输出功率，这样的控制方法多采用固定的电池电量的上、下限值来控制发电周期。本文提出了一种基于电池寿命考虑的控制方法，可以根据动力电池的保修期推算出满足保修条件下的最大允许充、放电幅度，即电池电量的上、下限值，还提出了一种基于最小使用成本的控制逻辑，可以最大限度地使用相对便宜的网电，降低油耗，并给驾驶员充分的选择，以适应实际驾驶过程中多变的工况。
本文研究了基于最小使用成本的控制逻辑中各种系统和行驶参数的影响。整车质量、行驶距离、电池组初始电量、空气阻力系数和制动能回收效率等都对增程式电动汽车的使用及运行成本有比较大的影响，其它参数如增程器的启动功率门槛值和增程器最短运行时间等的作用不稳定，这是它们与其它参数之间强烈的相互作用的结果。因此，控制系统的优化应该综合考虑各种系统和行驶参数。
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电动车控制器范文4
由于传统汽车仪表中的油量表用于电动汽车中无法准确显示电量，另外，如果没有动力电池组电量数据的掉电记忆功能，当关闭钥匙开关后，动力电池组的电量数据就会直接丢失。再次打开钥匙开关后，单片机需要重新计算动力电池组的电量数据，由于没有之前行驶过程中的电量数据做参考，重新计算出的电量数据会有较大偏差。本文通过研究，采用PWM波形调制技术，设计出了电动汽车专用控制单元，很好地实现了对电量表的精确控制和动力电池组电量数据的掉电记忆功能，完全能够满足当前市场上电动汽车的电量显示需求。
【关键词】PWM波形 调制技术 电动汽车 控制单元
1 引言
近几年来，越来越多的电动汽车走进了千家万户，解决了一定人群的出行问题。作为电动汽车不可缺少的组成部分――控制单元，也必须满足当前各种电动汽车的需求。
电动汽车专用控制单元，简称VCU（VehicleControlUnit），是电动汽车整车控制系统的核心部件，主要采用电机控制系统信号、制动踏板信号、加速踏板信号、其他部件信号，根据驾驶员的驾驶意图综合分析做出相应判断后，监控下层的各部件控制器的动作，因此，电动汽车专用控制单元对车辆的安全行驶、车辆状态监控、电池能量的制动回馈、故障诊断与处理、网络管理等功能起着关键作用。
对于专用控制单元的电量表显示控制来说，传统汽车仪表中的油量表，使用模拟信号进行控制，虽然能够满足传统油车的需求，但是电动汽车用其作为电量表使用时，无法直接用模拟信号对其进行控制。另外，如果没有动力电池组电量数据的掉电记忆功能，当关闭钥匙开关后，动力电池组的电量数据就会直接丢失。再次打开钥匙开关后，单片机需要重新计算动力电池组的电量数据，由于没有之前行驶过程中的电量数据做参考，重新计算出的电量数据会有较大偏差。基于以上两点，本文研制的电动汽车控制单元采用PWM波形调制技术，能够成功实现了对电量表的精确控制和动力电池组电量数据的掉电记忆功能。
2 设计方案
为了实现电动汽车仪表中油量表显示的精确控制，本文设计的专用控制单元采用PWM波形调制技术替代传统汽车原有的模拟信号控制方案，该控制单元能够实现256级的控制输出，轻松实现对仪表显示的1%精确调整。单片机根据动力电池组电量数据，计算得到PWM波形的占空比并设置输出对应的PWM波形。PWM波形调制和模拟信号控制相比具有响应迅速，调整便捷，精度高等优势。
为了实现动力电池组电量数据的掉电记忆功能，本控制单元的系统电源采用软开关设计。在钥匙开关关闭时，单片机利用中断监控能够准确扑捉到关机操作，单片机扑捉到关机操作后，立即跳转到中断程序中，将本次开机过程中计算出的电量数据进行保存操作，储存到单片机内部集成的EEPROM中。当保存操作完成后，单片机自动关闭系统电源软开关，切断主电源。再次打开钥匙开关时，单片机上首先调取EEPROM中存储的电量数据，实现电量数据的关机掉电记忆。
2.1 组成结构
本文设计的基于PWM波形单片机控制的电动汽车专用控制单元，主要包含电源模块、单片机模块、信号采集模块、电量显示控制模块、车速/电机转速显示模块、真空助力刹车系统控制模块、空调/暖风系统控制模块、故障告警模块、485总线通信模块、液晶显示模块等。如图1所示。
2.2 子模块的设计
2.2.1 电源模块
电源模块为整个控制单元供电，为满足电动汽车各用电部件严格的供电需求，该控制单元的电源模块设计采用先进的DC/DC开关电源技术，具有宽电压输入、精准稳压输出、多级电压输出，输出容量大等优点。
2.2.2 单片机模块
单片机模块采用Atmel公司的AVR系列单片机，该系列单片机采用精简指令集系统，运行速度快，功耗低，外设接口丰富，且运行可靠性非常高，能够满足控制单元对电动汽车上各种数据信号的快速处理。该系列单片机支持在线编程，能够方便快捷的进行系统软件升级。
2.2.3 信号采集模块
信号采集模块包含多种传感器，能够实时高速的采集电动汽车上的各种数据信号，并通过总线系统将数据发送到单片机模块，由单片机完成相应的处理操作。
2.2.4 电量显示控制模块
电量显示控制模块的工作原理如下，首先由单片机采集电动汽车动力电池组的电压数据，通过特定的软件算法对电压数据进行处理，计算出动力电池组的荷电状态和SOC值。数据处理完毕，单片机输出对应占空比的PWM波形信号到仪表端口，在仪表上直观的将动力电池组荷电状态显示出来，方便驾乘人员掌握车辆续航状态。
2.2.5 车速/电机转速显示模块
车速/电机转速显示模块的工作原理如下，首先由单片机采集直流无刷电机的霍尔信号，结合减速机的减速比以及装车轮胎规格，计算出电机的实际转速和车辆的实际车速。计算完毕，单片机输出两路对应频率的方波信号到仪表端口，分别控制仪表上的车速指针和转速指针，直观的将车速和电机转速显示出来，方便驾乘人员掌握车辆行驶状态。
2.2.6 真空助力刹车系统控制模块
真空助力刹车系统由真空压力传感器，真空罐，真空泵电机组成。真空助力刹车系统控制模块采集真空压力传感器输出的的电压数据，单片机对数据进行处理，分析真空罐内压力状态，根据压力状态不同，单片机输出信号控制真空泵电机的启停动作。
2.2.7 空调/暖风系统控制模块
空调/暖风系统控制模块主要负责控制空调压缩机，电子散热风扇和PTC加热片的开关动作。单片机采集风机开关信号，AC开关信号和暖风开关信号进行判断，根据信号状态不同，决定空调/暖风系统的开启和关闭。空调系统开启时，单片机输出信号启动空调压缩机和电子散热风扇。暖风系统开启时，单片机输出信号启动PTC加热片。空调系统和暖风系统功能互锁，不能同时开启。
2.2.8 故障告警模块
故障告警模块采用有源蜂鸣器进行声音告警提示，当控制单元某些功能模块出现故障时，单片机会控制蜂鸣器输出特定的声音代码，技术人员根据声音代码提示能够迅速的进行故障定位。
2.2.9 485总线通信模块
485总线通信模块采用成熟可靠的485总线通信技术，采用高可靠性的MAX485通信芯片，预留通信接口，满足系统调试和数据监测使用。
2.2.10 液晶显示模块
液晶显示模块预留显示接口，可采用12864液晶显示器进行显示操作，通过单片机控制能够实时显示各种车辆数据，方便技术人员对车辆状态进行监测。
3 主要技术特征
本文研制的基于PWM波形的电动汽车专用控制单元，具有以下优点：
（1）仪表电量、水温显示采用PWM调制技术进行输出，能够实现对仪表刻度的1%精确调整；
（2）系统电源采用软开关设计，能够识别关机操作并储存仪表电量显示数据到EEPROM，实现仪表显示掉电记忆功能；
（3）仪表车速、转速显示采用精确的分频技术，能够实现非整数分频（如6.8倍分频）；
（4）采用模块化设计，各功能模块相互独立，确保系统工作稳定；
（5）预留液晶显示、RS485通信接口，满足数据监控及调试功能使用。
4 结束语
本文研制的基于PWM波形的电动汽车专用控制单元，实现了对电动汽车仪表中电量的精确控制和动力电池组电量数据的掉电记忆功能。同时，还具有以下功能：
（1）采集司机加速踏板、制动踏板、档位信号，判断司机驾驶意图，并结合电池及电机状态，控制电机动力输出，还可实现坡道起步、定速巡航、自适应巡航控制等辅助驾驶功能；
（2）协调和控制各动力系统部件，完成充电管理、动力能量分配管理等功能，最大化整车能量效率，延长车辆续驶里程；
（3）收集各传感器信息，进行整车级别故障诊断；与外接故障诊断仪通讯并配合实现故障诊断功能；
（4）实现对于刹车控制系统、空调系统（冷、暖风）、故障报警系统、修改模式安全保险的控制。
通过电动汽车上实际的安装测试，本文研制的基于PWM波形的电动汽车专用控制单元完全能够达到预期效果，并且稳定性能好，具有较大的推广意义。
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电动车控制器范文5
关键词：汽车产业；混合动力电动汽车；汽车结构；控制策略
电动汽车是近些年来兴起的一种新型汽车构造，其使用的过程中可以实现零排放、零污染，而且可以利用煤炭、水等资源代替传统的石油资源作为燃料，因此可以在节约燃油成本的同时，减少对环境产生的污染。随着电动汽车技术的不断发展，产生了混合动力电动汽车，这种新型汽车的开发热点在于电力驱动系统和辅助动力单元结构的应用，形成了不同的结构的布置形式，降低了电动汽车的生产成本，延长使用寿命。
1 混合动力电动汽车结构类型
1.1 串联式动力系统
串联式混合动力电动汽车是由发动机、发电机、驱动电机三个主要的构件组成，发电机的作用是用来发电，将电能提供给电动机，由电动机驱动汽车行驶。除了提供汽车驱动的电能以外，其他的电能也可以为电池蓄电，延长电能的供给时间，为汽车的驱动提供电能支持。另外，也可以单独使用电池作为驱动力，这种驱动状态可以实现汽车的零排放和零污染。
1.2 并联式动力系统
并联式混合动力电动汽车的结构，主要包括发动机、电动/发电机两个构件，可以单独运作，也可以协调合作，因此并联式混合动力电动汽车的结构形式较为多样，可以满足不同的运行需求。在需要的情况下，两种动力系统产生的公路可以实现叠加，这时发动机的功率就会增强，可以增强混合动力电动汽车自身的驱动力，降低驱动成本。这种并联式动力系统的运作方式，与内燃机汽车的运作原理存在很大相似之处，但是其在动力驱动的行程方面比串联式动力系统的支撑时间更长，效率也更高。另外，并联式混合动力电动汽车可以依靠两套动力系统实现长效工作机制，可以根据汽车行驶的环境、路况等差异随时调整动力系统的运行状态，减少汽车磨损，有利于延长汽车使用寿命。
1.3 混联式动力系统
混联式动力系统的应用是混合动力电动汽车结构的最优化设计，也是几种汽车结构中作为复杂的结构。在汽车启动和低速运转时发动机是处于关闭状态的，而这时系统启动的能量来源于电池中的电能；当发动机处在匀速运行状态时，根据电池对电能的供给程度，随时由发电机承担起发电和输送电能的责任，保证结构的持续运行；制动时由发电机和发动机共同承担制动能量的回收责任，并且开启电池充电功能。
1.4 电动轮式动力系统
上述三种动力系统都是运用动力传送的基本原理，新型的电动轮式动力系统则用电子差速器取代了传统的汽车差速器和半轴结构，直接将电动机安装在汽车的驱动轮上，这样可以使整个驱动结构变得简洁，也提高了系统运行的效率。
2 混合动力电动汽车控制策略
2.1 串联式混合动力电动汽车控制策略
串联混合动力电动汽车的控制策略，主要的着力点在于发动机的功效区和排放区的控制，同时考虑到电池、电动传送系统的总体功率，根据驱动系统的运行要求，分别采用恒温器控制、发动机跟踪器控制的策略。恒温器控制策略的原理是要保证发动机在启动和运行过程中保持恒定的功率排放，当其超过特定数值时则发动机关闭，由电动机驱动车轮。发动机跟踪器控制策略是随时跟踪发动机的功率变化与车率的变化情况，避免过高的发动机功率对车辆驱动系统造成的损坏。
2.2 并联式混合动力电动汽车控制策略
并联式混合动力汽车系统的控制策略的实施，要保证在汽车性能稳定运行的基础上，降低燃料消耗，减少污染排放，所以针对并联式混合动力系统的控制策略，需要着重针对发动机的运行进行控制，运用“削峰补谷”的策略稳定汽车运行状态。同时，利用回收功能对汽车制动过程中产生的能量进行回收和再利用，可以提高能量的利用效率。并联式混合动力电动系统的控制策略需要具备较强的电池功率、加速踏板和驱动功率等相关数据的支持，根据特定的计算规则，将其转化为系统控制的曲线，从而满足系统驱动的要求。当前，针对并联式混合动力电动汽车的控制策略，主要有电力辅助控制策略、SOC扭矩平衡式控制策略、自适应控制策略、模糊逻辑控制策略等几种类型，在实际的运用过程中，需要根据并联式混合电动汽车的控制要求，采用有针对性的控制策略，可以达到更好的效果。
2.3 混联式混合动力汽车的控制策略
混联式混合动力结构的控制策略相比前两种更加复杂，而且在控制形式方面较多样，所以在控制策略方面需要结合串联和并联结构的特点，灵活采用有针对性的控制策略，才能达到控制目标。一是发动机恒定工作地点的控制策略，将发动机作为主要的控制点，通过调节功率调峰达到瞬时功率的控制，这种控制策略可以减少发动机长期运行产生的磨损，而且具有更高的灵敏度。二是发动机的曲线控制策略，这种控制方法通常是从发动机静止状态进行跟踪控制，对发动机的运转状态形成一个工作曲线，根据曲线的调整使油耗始终处在最佳标准。当发动机关闭以后，对其进行调整，回到最优的静止状态。三是瞬时优化控制策略。这种控制策略主要是以曲线模式思想为基本原理，对混合动力电动汽车的动力系统运行状态进行优化，可以在瞬时达到最优，再以这个最优为基点，对每个变量进行动态控制，减少油耗。四是全局优化控制策略。全局优化策略，可以保证车辆在整个运行过程中都可以保持最优状态，虽然计算方法较为复杂，但是可以通过全局优化的算法对发动机工作状态进行实时监控，保证可靠性的基础上实现优化调整。
2.4 电动轮式混合动力汽车的控制策略
电动轮式混合动力汽车主要是借助计算机技术的运用实现其电子差速的有效控制，这也是新时期混合动力电动汽车技术发展的新方向。电动轮式混合动力汽车的电子差速器的控制策略，主要是运用汽车行驶过程中左右两侧产生的车轮转速将传感器信号传输到中央处理器，再由中央处理器对左右两轮的转速进行对比后，确保处于相同的距离，再将控制的结果传输到转向盘，根据路面状况和车速情况对转向盘的角度进行控制，从而保证电动轮的差速得到有效控制，保证车速平稳。
3 结束语
综上所述，混合动力电动汽车是新时期汽车产业发展的一个新型汽车结构，其具有更高的制动功率，可以减少燃油的损耗，真正实现零排放和零污染，具有较高的环保效益。随着我国汽车行业的不断发展，在混合动力电动汽车的技术方面也将不断完善，而实现汽车行业的清洁生产是促进能源可持续发展战略的重要举措，有利于解决城市环境污染问题，为人类创造健康的生活环境。
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电动车控制器范文6
摘要：针对目前机车电动刮雨器存在的缺陷，本文阐述了一种机车电动刮雨器同步控制装置的设计原理、功能结构及技术创新点。
关键词：电动刮雨器；反射式光电传感器；同步控制装置；PWM调制信号；红外线雨量传感器；单片机系统；雨刮片
1 概述
铁路机车同端司机室前窗玻璃外侧一般设置两套刮雨电机，现有技术中采用两套完全独立的控制装置。这种控制方式存在以下三方面的不足：（1）由于刮雨电机参数及雨刮片阻力差异等因素影响，导致刮雨器的两套雨刮片在运行时动作难以协调一致，容易造成司机视觉上的疲劳；（2）由于雨刮片摆动位置采用了接触式检测方式，接触区域容易磨损，虽然改善可延缓磨损，但造成接触电阻增大，信号容易丢失；（3）雨刮片的摆动速度不能随环境雨量变化而自动调控。
针对上述现有机车电动刮雨器技术存在的缺陷，需要设计一种机车电动刮雨器同步控制装置，该装置要解决的技术问题是提供一种与机车使用环境相适应、控制接口与原设备一致、可靠性高、使用寿命长的机车电动刮雨器同步控制装置，以提升刮雨器的运行品质。
2 总体原理结构
带同步功能的机车电动刮雨器包括刮雨电机1、刮雨电机2、反射式光电传感器3、反射式光电传感器4、红外线雨量传感器5、同步控制装置6、喷水电机7、水位传感器8、操作面板9（如图1所示）。刮雨器工作时通过反射式光电传感器实时采集刮雨器的雨刮片位置信号及刮雨电机转速信号，两路雨刮片位置信号及刮雨电机转速信号进入同步控制装置进行分析处理，同步控制装置输出相应的PWM调制信号，来控制刮雨电机。作为进一步改进，采用红外线雨量传感器来监测环境雨量变化数据，同步控制装置根据此数据自动调控雨刮片摆动速度。司机对刮雨器工作状态的操作是通过操作面板来实现。启动喷水电机可将水箱中的水进行喷淋，水位传感器用来检测水箱水位。
图1带同步功能的机车电动刮雨器原理结构框图
3 同步功能
刮雨器的同步功能从两个方面来实现：一是两刮雨电机转速（雨刮片摆动速度）和两雨刮片摆动位置在视觉上保持同步（即雨刮片之间同步），二是雨刮片摆动速度能根据环境雨量变化而自动调控（即雨刮片与雨量同步）。
如图2所示，同步控制装置包括单片机系统1、PWM调制及刮雨电机驱动2、信号滤波放大整形3、喷水电机驱动4、DC-DC电源5。单片机系统负责所有数据的输入、处理和控制信号输出，对反射式光电传感器、水位传感器、红外线雨量传感器信号进行判别，产生PWM调制信号和喷水电机控制信号，并协调同步控制装置的正常工作；PWM调制及刮雨电机驱动电路将产生的PWM调制信号，用光耦隔离后进行电流放大，为刮雨电机提供脉冲驱动电压，控制两台刮雨电机的转动，并提供过压过流保护；信号滤波放大整形电路将反射式光电传感器信号及红外线雨量传感器信号进行整形、高频滤波及放大，传输给单片机系统进行处理；喷水电机驱动电路对喷水电机控制信号用光耦隔离后进行电流放大，驱动喷水电机工作；DC-DC电源负责为同步控制装置提供所需电源，包括直流滤波器、电压转换电路及稳压模块，将稳定的工作电压输入到单片机系统等各个单元。
图2 同步控制装置原理
3.1雨刮片之间同步
工作时安装在刮雨电机上的反射式光电传感器实时采集刮雨器的两刮雨电机转速信号及雨刮片位置信号。每路反射式光电传感器输出一路方波信号，其中方波的上升沿对应雨刮片位置，方波的频率对应刮雨电机转速。两路方波信号进入单片机系统进行比对处理后，通过封锁PWM调制信号的脉冲个数来控制雨刮片位置，通过调整相应PWM调制信号的脉宽来控制刮雨电机转速。就这样经过不断的调控，使得反射式光电传感器输出方波信号的相位差接近零、频率基本相等，来确保两雨刮片同步。
为了保证两雨刮片在视觉上同步，一方面单片机系统读取反射式光电传感器的两路方波信号，进行分析比对，从而调整PWM调制信号；另一方面两刮雨电机转速（雨刮片摆动速度）及两雨刮片摆动位置通过反射式光电传感器反馈到单片机系统。同步控制装置通过读取雨刮片位置信号及刮雨电机转速信号，并调控PWM调制信号，从而实现两雨刮片之间的同步。
3.2 雨刮片与雨量同步
红外线雨量传感器是用来监测环境雨量变化，环境雨量越大输出的信号相应越强。单片机系统读取到红外线雨量传感器信号，获知环境雨量大小，然后调整PWM调制信号的脉宽来控制刮雨电机转速（雨刮片摆动速度）。这样同步控制装置就能根据环境雨量的大小，来自动调控刮雨电机转速（雨刮片摆动速度），从而实现雨刮片与雨量的同步。
4 技术创新点
带同步功能的机车电动刮雨器相比现有机车电动刮雨器具有以下几点技术创新：（1）实现了两雨刮片的摆动速度及摆动位置在视觉上同步，减轻了司机的视觉疲劳；（2）雨刮片的摆动速度可以根据环境雨量的大小进行自动调控，无需人为控制，实现了雨刮片与环境雨量的同步；（3）改进了采取的接触式位置检测方式存在接触区域容易磨损、信号容易丢失的缺陷，使用反射式光电传感器对雨刮片摆动位置进行检测，大大提高了位置检测的可靠性。
参考文献：
[1] 乔宝莲. 电力机车电器[M].北京:中国铁道出版社，2007(12).
[2] TBT3021-2001, 铁路机车车辆电子装置[S] .
