智能运检电动汽车巡检自动控制系统设计

官国飞，杨庆胜，王成亮，蒋峰

（江苏方天电力技术有限公司，江苏南京 211100）

随着工业的不断发展，电动汽车作为一种新能源汽车逐渐成为汽车新的发展方向[1-2]。智能电动汽车在多个领域得到了长足的发展，具有节约能源、环境影响较小等优势，具有很好的应用前景[3-4]。

然而，电动汽车在巡检方面还存在一些问题，诸如一些人为因素使电动汽车无法安全行驶等。对于电动汽车的自动巡检，传统巡检自动控制系统在对电动汽车进行巡检时，由于缺少有效的路径识别和无线调试，导致控制效率较低，控制能耗较高，不能实现电动汽车的自动巡检[5-6]。

基于此，该文设计了智能运检电动汽车巡检自动控制系统。该系统通过设计硬件，实现对电动汽车巡检的自动控制，软件设计中给出系统的控制流程，扩展路径识别和无线调试功能，提升电动汽车的巡检效率和控制效率，最后通过与传统控制系统实验对比，验证该文设计的智能运检电动汽车巡检自动控制系统的有效性。

1 系统硬件设计

控制系统的硬件系统选用三星公司生产的MK60FX512Q15 单片机作为控制芯片，该单片机可实时控制电动汽车的电机和控制器。其中，主要设置了四个有效模块对其进行控制。即电源模块、电磁检测模块、转速转矩传感器模块、功率分析仪模块。通过硬件设计，实现对电动汽车电机和控制器的通信和控制[7]。硬件结构如图1 所示。

图1 自动控制系统硬件结构

1.1 电源模块

电动汽车巡检自动控制硬件系统的各个模块在运行时，均需要不同的工作电压，电源模块要向各类器件提供可靠、稳定性较高的工作电压。电源电路主要采用电池供电，电压最高可达9.6 V，电源电路的工作电压为4.9 V，工作电流为3.8 A，为电磁检测模块、转速转矩传感器模块、功率分析仪模块提供4.2 V、3.8 V、3.3 V 的电压，向各模块供电的芯片分别由三星公司、TI 公司、SIMENS 公司生产[8-9]。电源电路图如图2 所示。

根据图2 可知，当电动汽车中电机驱动时，电源电路中工作电压和工作电流会发生较大变化，会对硬件系统中其他模块产生干扰和影响。因此，电源需要向电动汽车的电机单独供电[10-12]。

图2 电源电路图

1.2 电磁检测模块

在电动汽车巡检时，根据电磁学原理在电机导线中通入3.3 A 的驱动电流，当电机导线周围放置传感器时，传感器中会产生一定大小的感应电动势，放置传感器的方向不同，产生的感应电动势也不同。为了获得较高的感应电动势，需要调整传感器的放置方向。在调整传感器方向时，注意感应信号的强弱，如果发现感应信号比较微弱，在电磁检测模块中设置电流反馈放大器进行放大，由于受到一定干扰，电流反馈放大器在进行放大的同时，还要进行滤波、检波处理。电磁检测电路中设有感应信号输入端口和输出端口，输出端口输出经过处理后的电磁信号，电磁检测模块主要向电机输出电磁信号[13-14]。电磁检测电路如图3 所示。

图3 电磁检测电路

1.3 转速转矩传感器模块

在电动汽车进行自动化巡检时，通过转速转矩传感器，电机需不断调节输出的转速转矩性能，该文设计中采用JN338 数字式转速转矩传感器，该款转速转矩传感器为传递类传感器，在物理参数中属于应变型，结构主要包括应变片法兰盘和接收器，两种结构互相独立，间隔通常为2～6 mm，在安装上较为简单，直接将应变片法兰盘安装在电机轴承上，在电机进行驱动时，应变片法兰盘由于受到驱动力影响会产生一定的形变，通过电磁检测模块中的电流反馈放大器，将形变转换为电信号，并进行滤波、检波、放大处理，处理完成后的电信号转变成高频信号，通过SMT 贴片式天线发射到转速转矩传感器的接收器上，接收器接收后对高频信号进行处理，并将处理完的高频信号发送到功率分析仪上。转速转矩传感器在工作时，不需要连接电机导线，其可以独立运行[15]。

1.4 功率分析仪模块

控制系统功率分析仪用来测试电动汽车电机的控制效率和功率，完成感应信号、电信号、高频信号的测量和分析，功率分析仪的型号为AN87500，该款功率分析仪具有6 通道单元配置，可支持多种接线方式，分别为单相两线、单相三线、三相三线、三相四线，单通道可测量电机电流，功率分辨率最小为0.1 Hz，功率测量带宽为10 Hz～150 kHz[16]。

功率分析仪通过接入控制系统的电源电路，使采样频率、感应信号频率、高频信号频率相同，以此提升谐波测量结果的准确性。转速转矩传感器将电动汽车电机中的大电流信号变换为小电流信号，然后连接到功率分析仪上，功率分析仪采用变频电量变送器直接连接电机回路。电机回路中的输入功率影响着电动汽车电机的损耗，功率因数越大，电机的损耗逐渐增大；功率因数越小，电机的损耗也随之减小。功率分析仪通过降低电机输入端直流母线上的电压、电流，减小电动汽车电机的功率因数，从而降低电动汽车电机的损耗。

2 系统软件设计

控制系统的硬件为电动汽车巡检自动控制系统提供硬件支持，结合软件设计可以测试电动汽车电机的性能。在设计控制系统的软件时，采用状态函数切换方式实现电动汽车自动化巡检的控制，通过对电动汽车进行路径识别、电机控制、无线调试，完成对电动汽车速度和方向的自动化控制。智能运检电动汽车巡检自动控制系统的程序流程如图4 所示。

图4 系统软件流程

首先，在软件设计中进行路径识别。为了保证电动汽车巡检的可靠性和安全性，需要识别路径，路径识别采用图像识别和超声波检测识别方式。通过图像识别得到像素为80×120 的图像，利用OV7725数字摄像头对其进行二值化处理，处理后的图像采用边缘扫描的方法识别，前五行边线如果没有出现丢失情况，采用边缘跟踪方法对边线进行识别，如果边线出现丢失情况，则采用边缘扫描方法对其进行识别和提取，将前五行边线和五行后边线的识别和提取结果上传到软件分析程序中，等待分析程序进行分析。边缘跟踪方法和边缘扫描方法与边缘检测法相比，抗干扰能力更好，运行速度更快，可以有效滤除电动汽车在巡检过程中受到的干扰。图像识别中除了边线识别外，还需进行中线识别，在中线识别时，需要具体区分出边线丢失与不丢失的情况。如果不丢失，采用平移法识别中线，如果边线丢失，将最后一行的边线作为中线，并采用中点法进行识别，如果边界上的中线全部丢失，以第一行边线作为中线，进行平移。图像识别完成后，采用超声波检测法进行识别。超声波检测识别方式是利用超声波的传输速度，在将声波发射出去后，由传播距离和传播速度得出声波的传播时间，以此进行路径识别。

然后对电机进行控制。路径识别完成后进行电机控制，电机控制包括速度控制和方向控制，电动汽车在进行巡检时，选择直流电机，电机的工作电压为6.8 V，采用转速转矩传感器测量电机的实际速度，并与标准速度进行对比。对电机速度进行控制时，路径的曲率会影响电动汽车的行驶速度，可根据路径中边线的分布情况实现对电机速度的实时控制，为了提高对电机速度控制的效果，可调节路径中线斜率的控制速度，实现电机速度的最优控制。方向控制较为简单，主要通过电源电路变换电机中电流的方向，实现对电动汽车行驶方向的控制。

最后进行无线调试。完成路径识别和电机控制后，对识别结果和控制结果进行无线调试，调试过程中注意电动汽车电机的运行状态和控制参数的变化，调试完成后，显示运行效果和控制参数。

3 实验研究

为了验证该文设计的智能运检电动汽车巡检自动控制系统的有效性，通过与传统控制系统进行实验对比，验证该文系统的有效性。传统控制系统为了实现对电动汽车的自动化巡检，采用了一种能量回馈技术，该种技术为共用电网交流电源，该技术没有保持电压同相位和幅值，并且缺少对电机的路径识别和无线调试，导致电动汽车巡检自动控制系统的控制效率低、控制难度大，而该文设计的智能运检电动汽车巡检自动控制系统，除了采用能量回馈技术外，还进行了路径识别、电机控制以及无线调试，为了对比传统系统与该文系统的控制效率，进行了实验分析。

实验相关参数设置：电动汽车电机的额定功率为72 kW，额定电流为350 A，电机标准转速为7 000 r/min，如果电机的实际转速超过了标准转速，通过提升电源频率进行升速，根据以上设定的实验参数进行实验，实验结果如图5 所示。

图5 控制效率实验结果

分析图5 可知，传统控制系统的控制效率明显低于该文系统的控制效率。随着实验中电机的转速不断改变，两种系统的转矩和控制效率发生了一定变化。

电动汽车在巡检控制时，需要长时间驱动电机，驱动过程中会产生一定的能耗，能耗包括电磁损耗、硬件损耗、杂散损耗以及风阻损耗等，能耗越高说明系统的控制效果越低，能耗越低证明系统的控制效果越好。因此，除了针对控制效率进行实验外，还对系统的能耗进行了对比实验。实验结果如表1所示。

表1 自动控制系统能耗实验结果

由表1 中数据可知，传统系统中电动汽车驱动电机产生的能耗明显高于该文系统。该文系统产生的最高能耗约为2.7 kW，证明传统系统的控制效果低于该文系统。

4 结束语

该文通过系统硬件功能模块的设计以及软件实现流程的设计，完成了巡检自动控制系统设计。并通过实验验证了该文系统的性能优于传统系统，系统的控制效率更高，控制效果更好，系统具有很好的有效性和稳定性。