基于純電動底盤的自卸式垃圾車控制系統(tǒng)設(shè)計與研制

王英豪

甘肅建投重工科技有限公司 甘肅蘭州 730030

1 前言

以北京、深圳地區(qū)為表率，全國越來越多的城市在主要控制范圍內(nèi)開始強制性使用純電動環(huán)衛(wèi)作業(yè)車輛。因此，基于純電動二類底盤上的環(huán)衛(wèi)車改裝成為了當(dāng)今環(huán)衛(wèi)車制造業(yè)中的主流工作。與傳統(tǒng)燃油車底盤改裝相比較，其上裝動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)具有最顯著的特殊性，尤其是一些負(fù)載較小的環(huán)衛(wèi)車輛，若直接利用底盤低壓蓄電池取力其功率輸出難以支持，而使用底盤自帶的高壓DC接口又會出現(xiàn)系統(tǒng)不匹配的情況。

本文以純電動自卸式垃圾車為研究對象，設(shè)計了一種帶有車載稱重單元的上裝控制系統(tǒng)，且在研制過程中，針對與目標(biāo)底盤接口不匹配問題提出了可靠的解決方案，為純電動自卸式垃圾車上裝控制系統(tǒng)的研制拓寬了新思路。

2 上裝動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)搭建

純電動自卸式垃圾車底盤選用某品牌二類底盤，其底盤蓄電池正極保險盒預(yù)留有一路60 A的保險，為上裝系統(tǒng)的12 V低壓取電接口。根據(jù)底盤對接協(xié)議，該蓄電池最大功率不能超過720 W，負(fù)載所使用的油泵電機額定功率為2.2 kW/24 V或12 V的直流電動機。因此若直接在蓄電池上取電，直流電機瞬間啟動電流大于100 A，會熔斷蓄電池保險，并且造成蓄電池?fù)p壞。底盤多合一控制器預(yù)留一高壓DC接口，可輸出13 kW額定功率，能夠滿足負(fù)載功率需求，但接口電壓與底盤平臺電壓一致均為DC290 V，需要對接口電壓進行轉(zhuǎn)換。

選用一種電源供應(yīng)器，可輸入端接入2 5 0～3 7 0 VDC、額定功率3 kW，滿足負(fù)載的需求，經(jīng)初期測試時發(fā)現(xiàn)，底盤預(yù)留的高壓DC接口伴隨底盤主高壓繼電器吸合輸出直流高壓。在底盤上高壓時，電源供應(yīng)器的大電容容性負(fù)載會導(dǎo)致底盤高壓預(yù)充上電過程中電壓達不到主繼電器吸合條件，從而致使底盤上高壓失敗。因此需要設(shè)計一種適用于上裝電源系統(tǒng)的預(yù)充電路，以滿足需要。從底盤高壓DC接口起，經(jīng)過一個預(yù)充電路與電源供應(yīng)器相連接，電源供應(yīng)器輸出端與負(fù)載連接，其整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 預(yù)充電路設(shè)計

初期測試過程中，出現(xiàn)底盤高壓上電失敗的狀態(tài)，通過報文采集發(fā)現(xiàn)電源供應(yīng)器在電壓150 V時達到激活條件。根據(jù)容性負(fù)載電壓不突變特性，導(dǎo)致底盤上電預(yù)充上電過程中出口電壓始終達不到主繼電器吸合條件，從而致使底盤高壓上電無法成功。這就需要設(shè)計一種適應(yīng)于上裝系統(tǒng)的預(yù)充電路，該電路使底盤單獨進行高壓上電流程，利用底盤上空余的按鍵開關(guān)，采集開關(guān)分?jǐn)嘈盘?，根?jù)分?jǐn)嘈盘柨刂祁A(yù)充電路繼電器，從而實現(xiàn)既能滿足底盤順利高壓上電，又能實現(xiàn)上裝系統(tǒng)電源供應(yīng)器激活，其設(shè)計的預(yù)充電路如圖2所示。

圖2 上裝預(yù)充電路

設(shè)計中，繼電器選擇了一種滅弧能力較好的專用車載高壓繼電器，解決上裝高壓斷電時出現(xiàn)的拉弧現(xiàn)象對底盤BCM的沖擊，防止了整車高壓斷電。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)底盤廠改裝要求，不推薦上裝控制直接從底盤蓄電池直接取電，因此設(shè)計中對底盤鑰匙開關(guān)產(chǎn)生的“ON”檔信號進行處理，此時上裝控制系統(tǒng)以底盤鑰匙開關(guān)開啟為上電條件。

整個上裝控制系統(tǒng)由人機界面、稱重傳感器、變送器、GPS模塊、遙控接收機組成。人機界面具有顯示、控制以及參數(shù)調(diào)節(jié)的作用[1]；遙控接收機接收油缸舉升信號后將高低電平信號傳遞給主控制器；稱重傳感器采集到箱體壓力后通過變送器將模擬量發(fā)送至GPS模塊，GPS模塊將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳遞至人機界面，將重量數(shù)值在人機界面上顯示。其設(shè)計結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

傳統(tǒng)的硬PLC主要適用于工業(yè)控制場所，雖能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的編程和邏輯控制，但是設(shè)備本身的防護等級以及抗震、抗復(fù)雜環(huán)境性能較差，不太適用于車載環(huán)境，因此本次設(shè)計選用了一種軟PLC，即SoftPLC，也稱為軟邏輯，是將一種實用嵌入式控制器作為硬件支撐平臺，利用軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)硬PLC的基本功能。利用這種軟PLC可以進行開關(guān)量控制、數(shù)學(xué)運算、數(shù)值處理、網(wǎng)絡(luò)通信等功能[2]。

圖3 控制系統(tǒng)電氣原理圖

本次設(shè)計選用了一種Cortex-M架構(gòu)的JCP100-200嵌入式控制，以CoDeSys為編程平臺，由于現(xiàn)實界面要讀取箱體載重質(zhì)量以及對舉升油缸進行按鍵控制，需添加Image Pool控件，并且在Image Pool內(nèi)添加BMP圖片。在Main頁面上，從Toolbox中的Common controls里添加一個TextField，并設(shè)置取值至要求的區(qū)域，如圖4所示。

圖4 圖形化界面設(shè)計

4 稱重系統(tǒng)的設(shè)計

設(shè)計中的自卸式垃圾車主要用于城市街道、社區(qū)垃圾收集并集中處理，為防止垃圾收集轉(zhuǎn)運過程中出現(xiàn)垃圾亂排亂卸，以及方便進行片區(qū)垃圾轉(zhuǎn)運量精準(zhǔn)計量，需要安裝車載稱重單元以滿足實際需要。傳統(tǒng)的車載稱重單元是將稱重傳感器直接固定在車架與上裝箱體之間。為保證稱重數(shù)據(jù)的精確度，稱重傳感器往往不能選用過大量程，因為在車輛帶載行駛中，在地面減速帶或者其他復(fù)雜路面情況的影響下，很容易產(chǎn)生因瞬間慣性沖擊導(dǎo)致的傳感器超載損毀的現(xiàn)象。本文設(shè)計了一種實現(xiàn)稱重傳感器脫開和投入的稱重單元，支持稱重傳感器墊鐵位置檢測和箱體位置檢測，并且在駕駛室上裝控制系統(tǒng)上進行狀態(tài)監(jiān)控、傳感器投切控制以及狀態(tài)報警，整體車載稱重系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 車載稱重系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)上電啟動，完成初始化，終端進行系統(tǒng)自檢。如自檢完成后在Main主函數(shù)中循環(huán)運行所有任務(wù)。稱重任務(wù)中，首先對稱重傳感器采集到的模擬量進行AD轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量會同其它稱重相關(guān)信號量提供給 C P U，經(jīng)過算法處理后得到車輛重量值。GPS定位任務(wù)中，當(dāng)CPU檢測接收到正確的GPS數(shù)據(jù)后，對其進行解析，得到車輛位置、速度信息，與上述稱重值一起送給人機界面顯示，并共同打包上傳至客戶端。存儲任務(wù)對文件系統(tǒng)初始化和大容量存儲器驅(qū)動完成之后，根據(jù)需要打開或創(chuàng)建文件寫入當(dāng)天內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉文件[3-4]。

當(dāng)檢測到車箱抬起，此時綠燈亮起，提示稱重傳感器在稱重狀態(tài)；當(dāng)投入稱重傳感器墊鐵后，落下箱體時箱體重量壓在稱重傳感器表面，此時提示稱重傳感器到位，并且蜂鳴報警器報警，提示已進入到稱重狀態(tài)，該狀態(tài)下駕駛員不能駕駛車輛，否則容易導(dǎo)致稱重傳感器超載損毀。如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)實物圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

首先使用電子磅對上裝箱體進行稱重，確定空載時單個箱體的標(biāo)準(zhǔn)重量，選用若干標(biāo)準(zhǔn)重量的沙袋備用，作為重量校準(zhǔn)砝碼。投入稱重傳感器，空載狀態(tài)下落箱體，然后清除箱體重量將裝載重量調(diào)零。逐漸均勻向箱體內(nèi)填裝標(biāo)準(zhǔn)沙袋，在裝載重量顯示框中讀數(shù)，為調(diào)整顯示讀數(shù)與實際裝載重量的誤差，在軟件設(shè)計時增加了系數(shù)調(diào)整窗口，對顯示框讀數(shù)與實際裝載重量對比并進行調(diào)整，如圖7所示。

圖7 系數(shù)調(diào)整界面

基于GPS的客戶端支持通過Internet訪問所添加的車輛狀態(tài)，如圖8所示，在主界面上除可以查詢車輛行駛軌跡和當(dāng)前定位外，還可以實時訪問稱重系統(tǒng)上傳的裝載重量數(shù)值，幫助管理者對車輛進行統(tǒng)一管理和裝載垃圾量的狀態(tài)監(jiān)控，判斷工作人員是否按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進行垃圾裝載及轉(zhuǎn)運。

圖8 客戶端管理界面

6 結(jié)語

本文以純電動底盤自卸式垃圾車制造為研究對象，克服純電動底盤與上裝動力負(fù)載不匹配的情況，設(shè)計并搭建了一套既滿足底盤對接工況又能適用于負(fù)載的上裝動力系統(tǒng)。經(jīng)實地測試，純電動自卸式垃圾車上裝控制系統(tǒng)控制界面友好，操作不僅支持人機界面操作，還拓展了無線遙控功能，為上裝部件的控制提供了方便。支持傳感器位置檢測、報警與投切控制的車載稱重系統(tǒng)不僅解決了客戶所需求的實時裝載稱重功能，還有效解決了車輛行駛中稱重傳感器超載損壞的問題，對同類環(huán)衛(wèi)車輛控制系統(tǒng)開發(fā)有著重要的研究意義。