（电机与电器专业论文）电动清扫车电控系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济的高速增长和社会的快速进步，能源危机和环境污染已成为世界各 国面临的共同难题。传统汽车作为主要的能源消耗者和环境污染者之一，使得 人们不得不重新定位和研究传统汽车产业的发展。传统清扫车一般都是基于专 用汽车底盘的，工作装置的驱动一般都是由副发动机控制液压系统完成的，其 使用成本较高，而且高油耗和噪声污染问题也比较突出。电动汽车具有零排放、 节能、能量利用率高、低噪声等优点，电动汽车的运用是解决能源危机和环境 污染的有效手段之一。文章介绍了一种行驶及各工作装置都由电机驱动的纯电 动清扫车的总体结构。 本文首先对国内外清扫车的现状及发展趋势做了调研，对电动车辆上电机的 驱动与控制方法进行了深入的研究。分析了电动清扫车的整体功能需求，确立 了系统的整体控制方案。深入分析了电动清扫车控制系统功能，将其分解为具 备独立功能又相互合作的几个子模块，针对各独立模块的具体功能需求，确立 了硬件设计方案，给出了具体的硬件实现。 对电动清扫车电动盘刷工作接地点处对地绝对速度进行了分析计算，讨论了 清扫效率与电动盘刷接地点处对地绝对速度之间的关系，明确了不同速度大小 和内倾角对清扫效率的影响。介绍了模糊控制的基本原理，并将分析得到的结 论用于模糊控制规则的制定中。完成了电动清扫车电动盘刷转速模糊控制系统 的设计，为提高控制精度，首先设计了电动盘刷期望转速的模糊控制器，并求 取了供单片机查询用的电动盘刷期望转速的模糊控制表。紧接着设计了电动盘 刷转速闭环控制二维模糊控制器，在m a t l a b 窗口中输出并得到了电动盘刷转速 闭环控制所需的模糊控制表。在m a t l a b 仿真软件s i m u l i n k 中建立了模糊控制 器的系统模型，并进行仿真研究，结果表明所设计系统响应效果较好 介绍了基于时间触发模式的合作调度器的具体结构，对整个系统的任务进行 了模块化分解，详细介绍了几个主要功能模块，绘制了各模块的程序流程图， 确立了控制系统软件总体结构。 关键字：电动清扫车，电控系统，模糊控制，合作调度器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y , t h ee n e r g yc r i s i sa n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a sb e c o m eac o m m o np r o b l e mt h ew o r l df a c e t r a d i t i o n a l a u t o m o b i l ei so n eo ft h em a i ne n e r g yc o n s u n l e r $ a n dp o l l u t e r sm a k e sp e o p l eh a v et o r e d e f i n ea n dr e s e a r c ht h ed e v e l o p m e n to ft r a d i t i o n a la u t o m o b i l ei n d u s t r y t r a d i t i o n a l s w e e p e ri su s u a l l yb a s e do ns p e c i a la u t o m o b i l ec h a s s i s ，w o r kd e v i c ei sc o m m o n l y d r i v e db yh y d r a u l i cs y s t e mw h i e hi sc o n t r o l l e db yv i c ee n g i n e , i t su s ec o s ti sh i g h e r , a n dh i g hf u e lc o n s u m p t i o na n dn o i s ep o l l u t i o np r o b l e mi sm o r eo u t s t a n d i n g e l e c t r i c c a r sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sz e r oe m i s s i o n s ， e n e r g ys a v i n g , h i g he n e r g y u t i l i z a t i o nr a t e ，l o wn o i s ea n ds oo n n eu s eo fe l e c t r i cc a ri so n eo ft h ee f f e c t i v e m e a i l $ t os o l v et h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e s t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fap u r ee l e c t r i cs w e e p e rw h o s e 耐v i n ga n dt h ew o r k i n gd e v i c e a r ed r i v e nb ym o t o r i nt h i sp a p e r , f i r s t ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do fe l e c t r i cs w e e p e r a th o m ea n da b r o a di sr e s e a r c h e d ，t h ed r i v ea n dc o n t r o lm e t h o d so fm o t o rw a s d i s c u s s e di nt h ep a p e r a n a l y s i so nt h ee l e c t r i cc l e a n i n gc a rw a sd i d ，t h ew h o l e f u n c t i o nd e m a n dt o t a lc o n t r o ls c h e m eo ft h es y s t e mw a se s t a b l i s h e d i n - d e p t h a n a l y s i so ft h ee l e c t r i cs w e e p e rc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o nw a sd i d ，t ob r e a kt h e md o w n i n t os e v e r a ls u b s y s t e m sm o d u l e sw h i c hh a v ei n d e p e n d e n tf u n c t i o na n dm u t u a l c o o p e r a t i o n ，e s t a b l i s h e dh a r d w a r ed e s i g ns c h e m ef o re a c hi n d e p e n d e n tm o d u l e so f s p e c i f i cf u n c t i o nd e m a n d 功ew o r ks i t ea b s o l u t es p e e do fe l e c t r i cd i s cb r u s ho nt h ee l e c t r i cs w e e p e ri s a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d ，d i s c u s s e dt h er e l a t i o no fc l e a n i n ge f f i c i e n c ya n da b s o l u t e s p e e do fe l e c t r i cd i s cb r u s h , g o tc l e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n ts i z ea n da n g l eo f s p e e da n dc l e a n i n ge f f i c i e n c y i n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o l ，a n dt h e c o n c l u s i o ni su s e df o rt h ef u z z yc o n t r o lr u l e so ft h es y s t e m t h ed e s i g no fs p e e df u z z y c o n t r o ls y s t e mo ft h ee l e c t r i cs w e e p e re l e c t r i cd i s cb r u s hw a sc o m p l e t e d i no r d e rt o i m p r o v et h e c o n t r o lp r e c i s i o n , f i r s t ，t h e e l e c t r i cd i s cb r u s he x p e c t a t i o n sf u z z y c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d ，a n do b t a i n e dt h ef u z z yc o n t r o lt a b l eo fe x p e c t a t i o n ss p e e d h 武汉理工大学硕士学位论文 w h i c hi su s e df o rm i c r o c o n t r o l l e ri n q u i r i n g s p e e dc l o s e d - l o o p2 df u z z yc o n t r o l l e ro f e l e c t r i cd i s cb r u s h e si sd e s i g n e d ，o u t p u t t e da n dg o tt h ef u z z yc o n t r o lt a b l eo f e l e c t r i c d i s cb r u s h e ss p e e dd o s e d - l o o pc o n t r o li nm a t l a bw i n d o w i nt h es i m u l a t i o no f m a t i ，a bs o f t w a r es i m u l i n ke s t a b l i s h e d f u z z yc o n t r o l l e rs y s t e r nm o d e la n dd i d s i m u l a t i o nr e s e a r c h ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e s p o n s ee f f e c to fd e s i g n e ds y s t e m i sb e t t e r i n t r o d u c e dt h ec o n c r e t es t r u c t u r e t h eo f c o o p e r a t i v es c h e d u l e rb a s e do nt i m e t r i g g e rp a t t e r n , a n dt h ew h o l es y s t e mm i s s i o n sh a db e e nm o d u l a rd e c o m p o s e d ， i n t r o d u c e ds e v e r a lm a i nf u n c t i o nm o d u l e s p a r t i c u l a r l y , m a p p e dt h ep r o g r a m f l o w c h a r to f e a c hm o d u l e ，e s t a b l i s h e dt h e o v e r a l ls t r u c t u r eo fc o n t r o l s y s t e m s o f t w a r e k e yw o r d s ：e l e c t r i cc l e a n i n gv e h i c l e ，e l e c t r i c c o n t r o ls y s t e m ，f u z z y c o n t r o l ，t h e c o o p e r a t i o na d j u s t m a c h i n e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 国内外清扫车发展概况2 1 3 本课题的研究内容2 第二章电动清扫车控制系统的硬件设计5 2 1 电动清扫车控制系统概述5 2 1 1 任务需求5 2 1 2 控制系统总体方案6 2 2 电动清扫作业系统硬件设计7 2 2 1 控制电路总体组成8 2 2 2 控制系统的核心9 2 2 3 驱动电路1 0 2 2 4 控制接口电路：1 4 2 2 5 检测和采样电路1 6 2 3 电动行走系统的设计。1 9 2 2 1 电动行走系统的功能需求分析1 9 2 2 2 电动行走系统的硬件实现1 9 2 4 本章小结2 2 第三章电动盘刷转速模糊控制研究2 3 3 1 清扫效率与电动车速、盘刷转速的关系2 3 3 1 1 清扫车盘刷简介2 3 3 1 2 电动清扫车性能指标2 4 3 1 3 清扫车清扫效率理论分析2 4 3 2 电动清扫车盘刷转速的模糊控制2 8 3 2 1 模糊控制概述2 8 3 2 2 模糊控制基本原理。3 0 3 1 2 3 模糊控制器3 l i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 本章小结3 2 第四章电动清扫车电动盘刷转速模糊控制的实现3 3 4 1 电动清扫车盘刷转速模糊控制器设计3 3 4 1 1 电动盘刷期望转速的控制器设计3 3 4 1 2 电动盘刷闭环转速控制器设计。3 6 4 2 计算机仿真及结果分析3 8 4 2 1 仿真模型的建立3 8 4 2 2 仿真结果与分析3 9 4 3 本章小结4 0 第五章控制系统的软件设计4 l 5 1 软件总体结构分析4 l 5 1 1 选择合适的编程语言。4 1 5 1 2 时间触发式合作调度器设计4 2 5 1 3 软件总体架构4 6 5 2 主要任务模块设计。4 7 5 2 1 电动车速和电动盘刷转速测量模块4 7 5 2 2 模糊控制任务模块4 8 5 2 3 电动清扫车清扫作业模块4 9 5 3 本章小结一5 2 第六章总结与展望。5 3 6 1 全文总结5 3 6 2 进一步工作展望5 4 参考文献5 5 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文5 7 致谢5 8 v 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早瑁了匕 1 1 课题背景及研究意义 伴随着我国经济的快速发展和社会的快速进步，汽车产业也得到了突飞猛 进的发展。它在推动社会快速发展进步并给人们带来诸多便利的同时，也给人 类环境带来了日益严重的危害和危机，由汽车造成的能源危机和环境污染已成 为世界各国面i 临的共同难题。尤其对于人口众多但资源又十分有限的中国来说， 合理有效的解决能源危机和环境污染问题显得尤为重要。在全球大气污染最为 严重的十大城市中，其中的百分之七十都分布在我们国家，主要原因在于汽车 尾气的排放。汽车尾气中的有毒有害物质会对人体血液系统和神经系统造成严 重的伤害，我国的很多大城市中，很多儿童血铅水平达到患高铅血症的标准， 这些都与汽车尾气的过多排放有着密切关系。汽车尾气不仅给我们赖以生存的 大气带来污染，同时也还是我们城市噪声的主要来源。据有关资料统计表明。 随着我国汽车的日益普及，汽车保有量持续攀升，由汽车而产生的交通噪声对 人们身体健康造成的伤害和影响已经越来越明显和严重。为了保护人类赖以生 存的居住环境和生活所必需的各种能源，使整个社会实现可持续发展，各个国 家都投入了大量人力、物力、财力试图来彻底解决这些问题，人们也在不断寻 求能更好地替代传统汽车的新型交通工具。由于电动汽车具有排放为零、节省 能源等一系列优点和长处，因此电动汽车的开发将在环环境保护和节约能源方 面有巨大的潜在优势嘲3 ，有着良好的发展前景，电动汽车的运用是解决世界环 境污染和能源危机问题的有效手段之一啪1 。 随着我国经济社会发展转型的需要，我国城市化进程也不断加快，越来越多 的农村人口开始向城市转移。随着城市人口规模的不断扩大，城市垃圾产出量 规模也变得空前的大，因此传统的人工清扫方法不管是从效率上还是劳动者的 强度上都已经显得有些不能胜任当下的需求。机械化作业的路面清扫车不仅可 以在很大程度上提高我国的环境卫生水平，而且还可以有效地减小清洁工手工 劳动强度，极大地提高工作的效率，各级政府也陆续将研发出性能优越、使用 便捷的清扫车提上日程。随着清扫工作量的的日益增大，发展高效率的新型清 扫已成为一种必然趋势。随着对清扫车性能要求的日益提高，传统清扫车的清 武汉理工大学硕士学位论文 已不能很好地满足现在的需求，功能全、能全天候作业以及环保性能优越的清 扫车需求越来越强烈心，。 我国潜在的清扫车销售市场，不仅吸引着国内企业的注意，同时也紧紧吸 引了国外清扫车研发企业的眼球，随着技术水平相对较高的外国企业的进入， 国内清扫车销售市场竞争日趋激烈。但由于我国清扫车的研制工作相比国外起 步较晚，导致了国内产品的综合技术水平相对较低，和国外企业在某些方面的 差距还是相当的明显，导致我国企业在与国外企业竞争中处于不利的被动地位。 因此研究和开发智能、高效节能、环保的新型清扫车，并将先进的计算机控制 技术应用于新一代清扫车的控制中，提高清扫车的智能水平，具有重要的意义。 尤其在低碳环保越来越受到更多人关注的今天，在环境保护设备上实现突破， 无疑具有更加重大的意义。 1 2 国内外清扫车发展概况 清扫车是环境卫生保护的常见工作设备之一，它不断可以进行路面清扫、 还可以进行垃圾回收和运输，是一种高效的环境卫生保护设备。它的用途广泛， 不仅可以应用在城市公路、公园的环境卫生维护中，还可用于城市公共生活区 以及大型公共场所的地面清扫中。我国清扫车大致经历了以下几个阶段和发展 时期3 1 。 上世纪六十年代，我国研制出了第一代清扫车，由于是第一代产品，相关 技术都不是很成熟，产品的综合表现欠佳，在其面世后不久就被淘汰。进入七 十年代，有关科学研究机构加大研发力度，我国第二代扫路机随之诞生，这也 标志着由我国自主研制的纯扫式扫路机由此出现。相比于第一代扫路机，第二 代扫路机的综合技术水平有了较大幅度的提高。但第二代扫路机依然存在很多 不足之处，主要表现为清扫效率不是特别高、除尘系统不稳定等，这些因素综 合导致了第二代扫路机没有最终得到大范围的推广与使用。 八十年代中期，国家审时度势地加强了在环卫机械化以及自动化方面的投入 力度，并由国家计委和建设部下达了相应的科研任务。相关部门经过多年的苦 心研究，攻克一系列的难题，终于成功研制出了我国第一代湿式吸扫相结合的 清扫车，同时也标志着我国第三代扫路车由此诞生。该车采用扫刷清扫与真空 气力输送相结合的工作方式，使清扫效率从纯扫式扫路机的百分之八十提高到 现在的百分之九十五左右，并且首次将湿式除尘的原理运用于其中，正是由于 2 武汉理工大学硕士学位论文 该原理的运用才很好地解决二次扬尘等问题。也正是由于这些新技术和新方法 在产品中的不断采用，使得国产扫路车的综合性能以及整体可靠性都有了较大 幅度的提升，并最终于八十年代末陆续开始走向市场。 进入上世纪九十年代，随着我国经济实力的不断加强以及人民生活的不断改 善，环境卫生保护与维持的工作力度也随之变大。环境卫生保护工作必须由机 械来操作的观点已成为一种共同的声音。扫路车的市场需求量也随之猛增，在 各种因素的综合作用下，扫路车进入了一个快速发展的阶段，其技术水平在此 期间也得到了很大的提高。尤其是在一九九三年和一九九四年两年时间里，扫 路车的市场需求更是呈现爆炸式增长，于是各地也相继开始扫路车的研制生产 工作，使得扫路车的开发生产工作呈现空前的规模，扫路车的品种也完成了由 单一到种类繁多的转化。 进入新世纪，国产路面清扫车虽然已基本能满足国内需求，产品规格已经初 步形成系列化。但与国外同类产品相比，国内产品在清扫车的综合稳定性、操 作的多功能性、排放等方面仍然存在不小的距离，还有较大的上升空间啪1 。而 且还存在产品品种也较为单一、产量相对也较低等实际问题。由于是继承开发， 因此国内产品的同质化问题相对比较突出，而且产品的外形比较单一、功能较 为简单、操作相对繁琐、清扫效率不是很高等问题依然存在，这些问题一直伴 随着国内企业，得不到有效地解决。而国外相关研制企业早已摆脱了这些初级 阶段问题的困扰，走在了技术水平相对较高的时期。 目前国内清扫车的传动形式主要有机械传动和液压传动两种。机械传动形 式的道路清扫车需要专用的汽车底盘，而且需要主副两个发动机分别为清扫车 的行走系统和清扫系统提供动力。由于采用了双发动机结构，因此其油耗较高， 噪声也比较大，对市区环境造成比较大的污染。全液压传动形式虽然只有一台 发动机，但是它的适应能力相对较差，不能很好地应付复杂路面，而且液压驱 动系统的成本相对较高，同时高噪声、空车质量较大等问题也比较突出，而且 它的应用对象仅局限于中小型的道路清扫车。而国外早已将先进的电子技术应 用于他们的产品中，如带有微型计算机控制的清扫与回收装置等，并实现了对 清扫车的有线与无线的遥控控制瞳4 3 1 。 纵观过去和现在，我国在这方面的研究能力依然相对较差的格局仍就没有 改变，由于起步相对较晚，和国外企业相比还未真正进入对其展开实质研究的 阶段。在实际设计过程中，模仿相对较多，缺乏必要的技术和理论创新h 1 。和国 外同类产品相比，国产产品在设备的可靠性、设备的多功能性、设备的环保性、 3 武汉理工大学硕士学位论文 设备的舒适性等方面存在很大的上升空间。面对如此严峻的形势，很多研制单 位和厂家开陆续展开这方面的研究工作。同时也有很多高等院校承担了这方面 的相关课题，开始尝试将单片机控制技术运用到清扫车控制系统的研究设计中。 在各方面的共同努力和合作之下，随着研究工作的不断展开，我国清扫车整体 智能化水平一定会得到极大的提高并会取得实质性的进展与突破。 1 3 本课题的研究内容 由前面已述及的内容，并结合本课题的实际情况，可知本课题研究的重点 是如何合理有效的运用电机控制技术，组织并实施多电机间的协调运行，以期 达到预期目标并实现各项功能。 本文以p i c l 6 f 8 7 x 系列单片机为电动清扫车控制系统的主控芯片，通过对 各功能电机的控制，最终实现电动清扫车各个电机之间的协调运转并实现系统 的整体功能。出于清扫效率要保持最高的实际工作需求，盘刷电机转速应可根 据实际车速做出相应的调节，具备良好的速度调节性能；同时作为电动车辆， 电机的快速制动以及一些保护功能，也要予以考虑。本课开展了以下工作： ( 1 ) 电动清扫车电动清扫工作系统的研究和设计 本文研究的电动清扫车是纯电动的清扫车，其清扫作业系统具备纯电动的 特点，需确立清扫作业系统的整体硬件结构及系统控制方案，并通过合理的系 统控制方案的确立，达到减少操作人员的劳动强度，提高整个系统的智能化水 平的目的。本文设计相关的硬件电路并确立了软件架构，实现了整个系统的功 能。 ( 2 ) 电动清扫车电动行走系统的实现 由于该车行走系统亦为电机驱动，因此设计出完善合理的电机驱动系统就 显得尤为重要。设计了两轮驱动的轮毂电机的硬件结构，以及与之相配的软件 体系，实现了清扫作业过程中对车辆运行状态进行控制的要求。 ( 3 ) 电动清扫车电动盘转速控制器的设计及其实验仿真 电动清扫车电动盘刷转速的精确控制是其智能化的体现之一。本文通过模 糊控制策略的运用，实现对其进行模糊控制的目的。文章首先从理论层面对电 动清扫车的电动盘进行了研究，紧接着介绍了运用模糊控策略的盘刷电机转速 闭环控制方案，并讨论了控制实施中所需信号的获取方法。最后运用仿真软件 s i m u l i n k 建立了系统模型，并展开了模糊控制仿真和实验研究工作。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第二章电动清扫车控制系统的硬件设计 2 1 电动清扫车控制系统概述 本文中的电动清扫车控制系统为多电机共同运作、需要协调各电机之间运 行关系的控制系统，通过合理组织与控制电机间的协调运行实现预期功能。在 工作过程中，首先通过各个电机的运转实现系统的某一部分功能，其次经过对 各工作电机间的合理有效地安排与管理，进而实现整个系统的功能，使整个系 统能够高效可靠的工作，完成各种工况下的清扫任务。本文中的电动清扫车主 要由真空电机、侧刷电机、主刷电机、吸入涡轮电机、滤尘器电机、轮毂电机 等组成。硬件系统的基本功能就是在硬件层面上为系统正常工作提供支持和保 障。 2 1 1 任务需求 电动清扫车控制系统为满足正常工作的基本需求，实现各项作业功能，电 动清扫车控制系统要实现以下几部分具体的控制任务： ( 1 ) 电动清扫车的电动行驶控制 该清扫车为纯电动的清扫车，行走系统的动力来源亦来自于电机对电能的 转换。该系统中要求行走系统有一定的驱动能力，以满足实际工作各种爬坡需 求，同时面对不同洁净程度的工作地面，还要求其运行速度可以实时调节与控 制，同时考虑到某些工作场所不易转弯的实际问题，要求该电动清扫车可以通 过简单的切换，实现电动清扫车在实际操作中前进和后退的功能需求。 ( 2 ) 电动清扫车盘刷运行的启动与停止 本文中的电动清扫车的盘刷有两个，一个是主刷另一个则是侧刷。侧刷主 要完成垃圾最终被清扫进入清扫车的前期工作，即把被清扫物转移到主刷的有 效工作范围内，主刷则完成将被清扫物体扫进清扫车的任务。该电动清扫车的 两个盘刷转动都是通过电机旋转得以实现的，当启动盘刷使之投入正常的工作 运转之后，主盘刷的转速要能根据电动清扫车的车体速度和被清扫路面的洁净 程度进行相应的调节，以满足基本清扫率的要求。电动清扫车主刷电机转速模 5 武汉理工大学硕士学位论文 糊控制的实现是本篇文章的重点研究对象之一，接下来将进行详细的研究与介 绍。 ( 3 ) 电动清扫车电动盘刷的升降 在启动电动清扫车之后而盘刷电机未工作之前，要根据实际工作路面的情 况调节盘刷的离地间隙，使之能够更好的符合工作地面。文中电动盘刷升降的 实现亦由电机来完成。通过对真空电机实施正反转控制，来达到电动盘刷升降 控制的目的。 ( 4 ) 吸入涡轮电机的驱动 该电动清扫车为吸扫式的清扫车，吸扫功能的实现是通过风机的运转使得 内部压强减小得以实现的。本文中的风机运转由直流电机带动风机高速旋转来 实现，使得电动清扫车的清扫效率得到足够的保障。 ( 5 ) 滤尘器电机的驱动 为了能更加有效地吸收电动清扫车工作过程中激起的扬尘，有效地避免二 次扬尘污染。该系统设计了滤芯对其进行充分的吸收与处理，通过滤尘器电机 对滤尘器的旋转的控制，充分的处理扬尘问题。有效地解决了由于清扫车正常 工作而可能给环境带来的二次污染问题。 2 1 2 控制系统总体方案 经过对电动清扫车在实际工作中的各项功能需求进行的分析可以知道，电 动清扫车在清扫作业过程中，操作人员涉及到的各项操作多为单动操作。即当 电动清扫车的行走系统在上电以后，操作人员通过单动按键的选择进入单动操 作方式。在单动操作方式下操作人员通过相应的按键可以单独控制每一个功能 电机的启动或停止，各个相互独立的工作模块之间的先后工作顺序可以由操作 人员按照实际工作需求进行合理的安排。这种操作方式有一个极为突出的优点 和好处，那就是操作人员可以更加方便快捷的发现整车的故障到底是由哪一个 具体的部分引起的，因而有利于维修人员快速减小故障查找范围并最终确定故 障部件，大大提高了维修的快速性和准确性，减轻了维修人员的负担。在具备 上述优点的同时，单动操作也有一些缺点和不足，由于各个部分都是单独进行 操作，无疑会导致相对比较繁琐的操作，尤其是在单独部件相对较多时，这种 缺陷就显得尤为突出和明显，极大的增加了操作人员的操作难度，很大程度上 降低了系统使用的便捷性与舒适性。 6 武汉理工大学硕士学位论文 与单动操作相对应的是联动操作，当电动清扫车的行走系统在上电后而踩 下前进或者后退踏板之前，通过联动按键的选择就可以进入联动操作模式。在 联动操作模式下，各个相对独立的功能部分之间的操作顺序由事先编制好的程 序控制，操作人员只需通过极少按键的控制就可以让电动清扫车自动完成清扫 作业前的各项准备工作并最终自动进行路面的清扫，与此同时风机电机随之启 动，盘刷的高度也由盘刷电机的旋转来调整。当工作过程结束时，只需通过对 相关的按键进行操作结束作业任务即可，此时盘刷停止转动工作并自动升起， 吸入涡轮电机和滤芯也随之停止运转。这种操作方式相对单动操作而言比较简 单，大大减小了操作人员的劳动强度，降低了操作的复杂度，提高了机器的智 能化水平，符合智能化电动清扫车的的发展趋势以及人机工程学的相关要求。 由前面的论述可以知道，单动操作和联动操作各有优缺点，为了最大限度 的发挥单动操作和联动操作的优点，最大程度上提高系统的稳定性，可操作性 以及智能性，在兼顾一些其他现实问题的同时，本文中的电动清扫车最终采用 单动和联动操作方式相结合的模式。 由于单片机具有集成度高、功能较强、通用性较好、体积小、重量轻、能 耗低、价格便宜、抗干扰能力强以及使用方便等一系列独特的优点和长处嘲再 结合本文的实际功能需求，确定了本文中的电动清扫车控制系统为单片机控制 系统。本文中的单片机为美国微芯公司( m i c r o c h i pt e c h n o l o g yi n c ) 生产的 单片微型控制器p i c l 6 f 8 7 7 a ，p i c 系列的微型控制器是近几年兴起的单片机芯 片，具有速度快、功能强、价格低、输入输出接口较多等优点p i c l 6 f 8 7 7 a 的 硬件资源主要有数据程序存储器、开关量输入输出、模拟量输入、串行通信、 定时器、p w m 等内部资源。具体来说，该芯片具备高性能的r i s cc p u 、仅有3 5 条单字指令、除程序分支指令为两个周期外其余都为单周期指令、8 k * 1 4 个f l a s h 程序存储器、3 6 8 * 8 个数据存贮器字节、可多次写入程序、8 级深度的硬件堆栈、 可编程的代码保护、可选择的振荡器、低功耗高速c m o sf l a s h e e p r o m 工艺、 全静态设计、在线串行编程、1 0 位多通道模数转换器等一系列的功能嘲 2 2 电动清扫作业系统硬件设计 由本章上一节的任务需求分析可以知道，电动清扫车在清扫作业的过程中， 直接参与清扫作业的部分主要涉及到主刷电机、侧刷电机、真空电机、吸入涡 轮电机以及滤尘器电机等模块。在这一节里主要讨论了相关作业控制系统的硬 7 武汉理工大学硕士学位论文 件实现，设计了相关的硬件电路，并绘制了电路原理图。同时为了实现对盘刷 转速的控制，盘刷转速控制系统硬件电路也一并做了介绍。电动清扫车电动行 走系统的硬件实现将在本章的下一节予以详细的讨论介绍。 2 2 1 控制电路总体组成 为了对整个控制系统结构从宏观上有整体的把握和了解，便于理清各部分 之间的相互关系，以便更好的开展后续工作。这里先给出整个控制系统的总体 结构图。基于p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的电动清扫车多电机控制系统的硬件电路总体 结构图如2 1 所示。 器电机 电机 电机 涡轮电机 图2 1 控制系统总体结构图 电动清扫车单片机控制系统总体结构主要有以下三部分组成。 ( 1 ) 控制系统的核心 控制系统的核心，即有具备逻辑处理功能的单片机辅以必要的相关外围电 路组成。通过对输入信号在一定控制规律下的处理，输出对应的控制信号并作 用于执行机构，实现对系统的控制。 ( 2 ) 输入模块 为了完成电动清扫车清扫作业电动控制系统的任务，用一块u l n 2 0 0 4 芯片 来完成输入信号的采集。本文设计了相应的接口电路，为了提高系统的可靠性 和稳定性以及抗干扰能力，还设计了必要的辅助电路。 ( 3 ) 输出模块 为了能够最终驱动电机运转实现相应的功能，必须设计合理的驱动电路和 8 武汉理工大学硕士学位论文 功率电路。本文中用了一片u l n 2 0 0 3 芯片来扩展系统的输出接口，设计了接口 电路。并针对各个具体电机的实际情况，通过驱动芯片的合理选择，最终设计 了各自的功率驱动以及保护电路。 2 2 2 控制系统的核心 本文中的电动清扫车控制系统的硬件核心有p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机加上适当的 外围器件组成。具体涉及到p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的时钟电路、电源电路以及复位 电路等。下面将一一予以详细的介绍。 ( 1 )电源电路 电动清扫车单片机电源电路如图2 2 所示，p i c l 6 f 8 7 7 a 的额定工作电源电压 为4 卜5 5 v 嘶1 。由于该电动清扫车中所用的电机的额定电压为2 4 v ，所以需要 对2 4 v 电压进行两次转换以获得可供单片机使用的电源。电源电压先通过 l 7 8 1 2 c v 芯片转换成k a 7 8 0 5 能够接受的1 2 v ，再有k a 7 8 0 5 进行二次转换得到5 v 电源。该电路中的电容c 2 9 、c 9 等具有抑制低频噪声和高频噪声的功能，输出 端的电容c 2 7 则具有改善负载端瞬态响应，抑制瞬态噪声干扰的功能。集成稳 压器k a 7 8 0 5 输出电流的最大值为1 5 a ，正常工作时的输出电流为l a 左右，所 以在实际运用中满足驱动能力的需求。 2 4 v | - - - 1- i v ml 7 8 1 2 9 vv a u t 3 - l v m k a y 0 5 v o u t 3 一 1 一 f u s e ，、c 9 =目3 金 一 ，( 2 ) 是 = c 刀 ，- c 2 = 0 3 0 i ln l n ( 2 ) 时钟电路 图2 2 单片机电源电路 图2 3 单片机晶振电路 。 p i c 系列单片机的动作频率为卜2 0 删z ，其中l f 系列产品的最大动作频率 是随着电源电压的变化而变化的。非l f 系列的p i c l 6 f 8 7 7 a 有时也会在4 o v 以 9 武汉理工大学硕士学位论文 下工作，这时它们的最大动作频率也是随着电源电压而变化的。根据不同振荡 器方式和不同振荡频率所需外配电容器的容量表可以知道，对应于晶体振荡器 的两个容量相同的电容均为1 5 p f 。其电路如如图2 3 所示。 ( 3 ) 复位电路 在p i c l 6 f 8 7 7 a 中，单片机的复位是通过v p p 引脚的低电平激活r e s e t 端来 实现的。要想实现单片机的复位只需在v p p 引脚加上一定时间的低电平即可。 因此设计了如图所示电路，在上电的瞬间v p p 的电位为了0 ，随着电容充电的进 行v p p 的电位逐渐升高，实现上电自动复位的功能。 v d d 2 2 3 驱动电路 图2 4 单片机复位电路 单片机控制器输出信号的特点决定了它不能直接作用在某些最终执行设备 上，因此需要一个中间转换电路，来有效地连接控制电路和主电路，也就是我 们常说的驱动电路。驱动电路是各种位于主电路和控制电路之间，用来对控制 电路的信号进行放大的中间电路，即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶 体管。具体到本节中，主要有主刷电机、侧刷电机、吸入涡轮电机和滤尘器电 机的驱动电路。 ( 1 ) 主刷电机驱动电路 由于主刷电机是额定工作电压为2 4 v 的直流电机，因此应该围绕着电机的额 定工作电压来选择配套一系列的其他元件。同时由于电机是也属于感性负载， 所以在电机电源切断以后首先应该考虑电机的续流问题，本文采取了b 1 0 4 5 为 直流电机提供续流回路，在切断电源的时候，依靠b 1 0 4 5 提供的回路，使得电 机电枢不至于出现断流现象，使得电机运转更加平稳。b 1 0 4 5 具有低功率损耗、 高效率、低前向导通压降、高前向过载能力、适合高频应用等一系列优点。其 v 删( 反向峰值电压) 为3 5 v 一6 0 v ，可以满足本电路的要求啪1 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 主刷电机的功率驱动芯片为b t s 5 5 0 p ，它是具有电源反向保护功能的功率金 属氧化物半导体场效应管。它具有过载保护、限流、短路保护、超温保护、过 电压保护、负电压输出钳位、快速切断感性负载电路、带负载传感器的电流诊 断反馈以及通过电流传感器的开路检测等功能。其工作电压为5 卜3 4 v ，通路电 阻为3 6 mq ，可以承受的负载电流为l1 5 a ，电流反馈比为2 1 0 0 0 。 电动清扫车主刷电机驱动电路如图2 5 所示。 3 图2 5 主刷电机驱动电路 b t s 5 5 0 p 有五个管脚，l 管脚o u t 为输出端，直接接至负载，在大电流应用 场合中管脚1 和5 一般直接接在一起。2 号管脚i n 为控制信号的输入端，当2 号管脚对地短路时，亦即2 号管脚为低电平时，激活芯片内部的电源开关，即 相当于负载的电源接通。本文中由于涉及到一些设备的先后运行问题，根据实 际工作中各个设备投入工作运行的先后顺序，最终确定了以滤尘器电机的上电 信号作为其激发信号，即只有当滤尘器电机上电运行以后，主刷电机才开始运 行，本文中用单片机的p i c l 8 管脚作为其控制信号端口，单片机的控制信号进 过u l n 2 0 0 3 后直接作用在b t s 5 5 0 p 的控制端。3 号管脚v b b 为供电电源的正输入 端。4 号管脚i s 是电流反馈端，它提供了一个与负载电流成比例的反馈电流，本 文中反馈电流直接接至单片机的r a l a n l 口，通过单片机内部的程序的处理与 判断来反应电机的工作情况，从而在适当的时候对电机提供必要的保护。5 号管 脚也为输出端，直接接至负载，在大电流的应用场合中管脚l 和管脚5 应该接 在一起。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 侧刷电机驱动电路 有了前面的电动清扫车主刷电机驱动电路的介绍，不难设计出侧刷电机的驱 动电路图。侧刷电机的工作电压也为2 4 v ，侧刷电机的驱动芯片选择了b t s 6 5 0 p ， 它是智能阻抗高压高电流电源开关，它具有过载保护、过流保护、短路保护、 超温保护、过压保护、负电压输出钳位、快速切断感性负载电路、反向导通电 阻低、带负载传感器的电流反馈、失压保护以及通过电流传感器的开路检测等 功能。其工作电压为卜3 4 v ，工作电阻为6 m q ，可以承受的短路极限电流为1 3 0 a ， 电流反馈比为1 4 0 0 0 1 电动清扫车侧刷电机驱动电路如图2 6 所示。 图2 6 侧刷电机驱动电路 b t s 6 5 0 p 有七个管脚，1 管脚o u t 为输出端，直接输出至负载，按照器件使 用文档的说明及要求，在大电流应用场合中管脚l 、2 、6 、7 一般以短路的形式 直接接在一起。3 号管脚i n 为控制信号的输入端，当3 号管脚对地短路时，即 3 号管脚为低电平时，激活芯片内部的电源开关，把负载