曹紅英，李 輝

（開封大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但與此同時(shí)，環(huán)境污染和能源短缺問題日趨嚴(yán)重.為了解決這一問題，許多國家都大力開發(fā)清潔能源，以實(shí)現(xiàn)良性循環(huán).太陽能是一種清潔能源，太陽每秒的輻射量相當(dāng)于500萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤.我國幅員遼闊，太陽能資源十分豐富.隨著太陽能光電技術(shù)日趨成熟，太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率不斷提高.電動(dòng)車具有噪音低、零排放等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保和節(jié)能方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì).太陽能磁動(dòng)力車把太陽能技術(shù)、電動(dòng)車技術(shù)和其他高科技結(jié)合在一起，高效、節(jié)能、環(huán)保，擁有巨大的市場(chǎng)潛力.

我國旅游業(yè)發(fā)展前景廣闊.當(dāng)前，景區(qū)內(nèi)交通需求旺盛.許多5A級(jí)景區(qū)正在加快“大交通建設(shè)”［1］；另外，近千家4A級(jí)景區(qū)中，多數(shù)都在積極申報(bào)5A級(jí)景區(qū)，而成為5A級(jí)景區(qū)的一個(gè)必要條件就是有封閉式“景區(qū)大交通”管理.在此背景下，旅游觀光車需求大增，越來越多的客車企業(yè)都關(guān)注這一車型.本設(shè)計(jì)提供了一種太陽能磁動(dòng)力車，該車通過轉(zhuǎn)換裝置，把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，不但能大幅度降低能源消耗，降低成本，而且高效環(huán)保，故值得推廣應(yīng)用.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

太陽能磁動(dòng)力觀光車由機(jī)械部分、控制部分、能源部分組成［2］.其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 觀光車整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 overall structure diagram

1.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)械部分包括車身支架、固定在車身支架上的外罩、將輪轂和車輪電機(jī)結(jié)合起來的車輪、車門、太陽能電池板、座椅、控制車轉(zhuǎn)彎和加速減速的手柄、控制開關(guān)、控制裝置和車門遙控器.所述車輪包括車輪電機(jī)、內(nèi)輪轂、外輪轂、輪胎和內(nèi)輪轂蓋，內(nèi)輪轂通過滾珠與外輪轂滾動(dòng)連接，內(nèi)輪轂上安裝有檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速的光電編碼器；所述太陽能電池板用螺栓固定在外罩上；所述車身支架包括上橫桿、下橫桿、前橫桿、后橫桿，這些橫桿的左右兩端通過連接件與內(nèi)輪轂固定連接；所述車門通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與上橫桿固定連接；所述座椅匹配設(shè)置在外罩內(nèi)部，并通過螺栓與車身支架連接，座椅下方安裝有鉛酸蓄電池和充放電控制器，太陽能電池板通過充放電控制器與鉛酸蓄電池連接，座椅扶手處設(shè)有手柄和控制開關(guān)，扶手內(nèi)部設(shè)有控制裝置，手柄、控制開關(guān)與控制裝置的輸入端相連，控制裝置輸出端與車輪電機(jī)連接，控制裝置、車輪電機(jī)都與鉛酸蓄電池連接.

1.2 控制部分設(shè)計(jì)

太陽能磁動(dòng)力觀光車的控制裝置包括車體控制器和門體控制器兩部分［3］.車體控制器包括主控制器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊，陀螺儀和光電編碼器的信號(hào)輸出端連接主控制器的信號(hào)輸入端，主控制器和控制開關(guān)通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制左車輪電機(jī)和右車輪電機(jī).主控制器采用飛思卡爾MC9S12系列微控制器，陀螺儀采用ENC-03角速度傳感器，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用由IR2104S半橋驅(qū)動(dòng)芯片和IRF3205 MOSFET組成的H橋型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路.車體控制部分如圖2所示.

圖2 車體控制部分方框圖Fig.2 vehicle body control block diagram

門體控制部分如圖3所示.門體控制器包括型號(hào)為STC12C5A60S2的單片機(jī)和遙控接收模塊，遙控接收模塊采用PT2272芯片，遙控接收模塊、開門限位開關(guān)、關(guān)門限位開關(guān)的信號(hào)輸出端連接單片機(jī)的信號(hào)輸入端，單片機(jī)的信號(hào)輸出端通過繼電器控制左齒輪電機(jī)、右齒輪電機(jī)和電磁鎖.

圖3 門體控制部分方框圖Fig.3 door body control block diagram

1.3 能源部分設(shè)計(jì)

能源部分如圖4所示.太陽能電池板有兩塊，一塊在觀光車上方，另一塊在觀光車后部，給直流電機(jī)供電.鋰電池作為備用電源，當(dāng)陽光不充足時(shí)給觀光車供電.當(dāng)陽光充足時(shí)，太陽能電池板的輸出電壓大于12V，二極管D1導(dǎo)通，太陽能電池板給電機(jī)供電的同時(shí)，還給鋰電池充電；當(dāng)陽光不充足時(shí)，太陽能電池板的輸出電壓小于12V，二極管D1不導(dǎo)通，于是就由鋰電池給電路供電.電阻R1是調(diào)速電阻，通過改變阻值來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制觀光車的車速［4］.

圖4 能源部分電路圖Fig.4 energy part circuit

2 總體功能的實(shí)現(xiàn)

太陽能磁動(dòng)力車的主控制器采用飛思卡爾MC9S12系列微控制器［5］.MC9S12是一個(gè)16位控制器件，有16位中央處理單元，一個(gè)16通道10位A／D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)8通道PWM.MC9S12豐富的硬件資源和高速運(yùn)算性能，使得系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠性高.開門和關(guān)門依靠旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，傳動(dòng)更精確，該結(jié)構(gòu)簡單緊湊，推力大，安裝方便.外罩材質(zhì)為鋼化玻璃，鋼化玻璃的抗沖擊力大，其強(qiáng)度是普通玻璃的3～5倍；鋼化玻璃具有良好的熱穩(wěn)定性，能承受的溫差是普通玻璃的3倍，可承受200℃的溫度變化.輪轂和車輪電機(jī)結(jié)合在一起，大大簡化了車的機(jī)械部件，降低了機(jī)械能的損耗.整個(gè)車身的重量約為200KG.直流電機(jī)的功率 P=轉(zhuǎn)速×輪徑×車身重量×9.8×安全系數(shù)=10×0.5×200×9.8×2=19.6KW， 直流電機(jī)的選型為 20KW 有位置傳感器無刷電機(jī)BLDC120，通過程序控制小車前進(jìn)、后退和停止.

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的交通運(yùn)輸對(duì)石油和天然氣資源的依賴過大，且污染環(huán)境.太陽能是可再生的戰(zhàn)略能源，無需運(yùn)輸，可免費(fèi)使用，對(duì)環(huán)境沒有任何污染.發(fā)電能源種類較多，如果電力系統(tǒng)中清潔能源所占比重較大，那么環(huán)境壓力就會(huì)明顯減小.新能源汽車的廣泛使用會(huì)明顯降低CO2排放量［6］，有助于緩解環(huán)境壓力.近年來，太陽能電動(dòng)車的研究取得了很大進(jìn)展.太陽能磁動(dòng)力車綠色、環(huán)保、無污染，其需求較多，市場(chǎng)空間巨大.該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)獲得了實(shí)用新型專利（ZL 2015 3 0442784.9）.