章 錦 顏亮亮 王祥賀

1．上海奧威科技開(kāi)發(fā)有限公司

2．同濟(jì)大學(xué)

0 引言

電動(dòng)汽車充電方式主要有三種商業(yè)模式：換電模式、大型集中充電站模式和站臺(tái)充電樁模式。其中，換電模式和大型集中充電站模式主要適合于鉛酸電池、鋰離子電池等慢充類儲(chǔ)能方式，而快充電池、超級(jí)電容器儲(chǔ)能方式的新能源汽車，則需要充電系統(tǒng)能夠?qū)囕v快速地識(shí)別定位，完成充電的連接，快速地充電。超級(jí)電容器因其高功率密度、相對(duì)較低的能量密度的特性，更需要解決如何快速充電的問(wèn)題。近年來(lái)，新能源全自動(dòng)充電成了研究新方向，特斯拉自主研發(fā)了一款蛇型機(jī)器人自動(dòng)充電裝置[1]，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人員的參與，通過(guò)蛇形充電樁機(jī)器人自動(dòng)尋找充電口，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制運(yùn)動(dòng)速度緩慢，充電時(shí)間較長(zhǎng)。德國(guó)大眾公司研發(fā)名為E-SMARTConnect的快速自動(dòng)充電系統(tǒng)[2]，采用的是小型機(jī)器人+電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)需要人工開(kāi)啟，結(jié)構(gòu)龐大。國(guó)內(nèi)，對(duì)新能源汽車全自動(dòng)充電的研究還處于起步階段，尚未見(jiàn)到商業(yè)化示范的報(bào)道。黎陽(yáng)生[3]通過(guò)視覺(jué)CCD攝像機(jī)提取和跟蹤色塊信標(biāo)，為機(jī)器人對(duì)接作引導(dǎo)、定準(zhǔn)，但存在圖像處理算法復(fù)雜，難以快速識(shí)別，同時(shí)對(duì)接容忍度上還有缺陷，需要進(jìn)一步提高精度。此外，石建軍[4]研究了基于光伏轉(zhuǎn)化的移動(dòng)機(jī)器人自主充電系統(tǒng)，施瑩[5]等采用機(jī)器人和視覺(jué)傳感器，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車自動(dòng)充電系統(tǒng)的插接自動(dòng)化和精確控制，但系統(tǒng)的平衡和效率還有待提高。隨著2003年德國(guó)倍福公司提出的EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，其數(shù)據(jù)傳輸速度可以最快高達(dá)100M bit/s的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，具有極小的循環(huán)時(shí)間、高同步性、易用性和低成本特性，迅速在工業(yè)中得到應(yīng)用，謝香林[6]通過(guò)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)和DSP芯片，開(kāi)發(fā)了EtherCAT從站設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)高精度的位置控制。

本文通過(guò)在插槍充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于PC控制的大功率自動(dòng)充電系統(tǒng)，控制單元采用高速運(yùn)算的Beckhoff嵌入式PC控制器，通過(guò)EtherCAT協(xié)議總線，結(jié)合激光定位和多軸運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)對(duì)以超級(jí)電容作為儲(chǔ)能單元的新能源汽車快速、精準(zhǔn)、全自動(dòng)的對(duì)接，最終達(dá)到無(wú)需人員參與，一鍵啟動(dòng)充電的目的。同時(shí)充電系統(tǒng)和車輛的信息實(shí)時(shí)交互，提高了超級(jí)電容巴士的充電效率和安全性。

1 自動(dòng)充電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于嵌入式PC作為主控單元的自動(dòng)充電系統(tǒng)的充電示意圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)充電系統(tǒng)充電示意圖

超級(jí)電容巴士到站前，充電系統(tǒng)掃描車輛上的射頻電子標(biāo)簽信號(hào)，識(shí)別目標(biāo)車輛。完成識(shí)別后，充電系統(tǒng)自動(dòng)連接車輛上的WIFI熱點(diǎn)，準(zhǔn)備接受車輛的充電指令。當(dāng)車輛駐車后，司機(jī)按下充電按鈕，PC控制器執(zhí)行定位程序，通過(guò)激光以及超聲波的引導(dǎo)，四軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，將充電插頭插入到車側(cè)的充電插座內(nèi)，完成充電連接。充電過(guò)程中，PC控制器與車載超級(jí)電容系統(tǒng)無(wú)線通信，可按照超級(jí)電容系統(tǒng)的電壓電流需求，實(shí)時(shí)調(diào)整充電樁的輸出功率，對(duì)車輛柔性充電。充電結(jié)束后，超級(jí)電容系統(tǒng)發(fā)送停止充電指令，PC控制器驅(qū)動(dòng)四軸電機(jī)回歸到零點(diǎn)位置，將充電連接器收回，司機(jī)亦可在任何條件下通過(guò)操作按鈕中止充電，PC控制器根據(jù)信號(hào)停止充電，充電結(jié)束。

2 自動(dòng)充電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)充電系統(tǒng)的組成

自動(dòng)充電系統(tǒng)的組成框圖，分為車載和站臺(tái)部分，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)充電系統(tǒng)的組成框圖

車載部分包括充電防護(hù)門(mén)、充電插座、超級(jí)電容管理系統(tǒng)（BMS）、整車控制器（EVCU）、駕駛室充電啟動(dòng)按鈕、Y軸定位標(biāo)志（激光反射貼膜）、Z軸定位標(biāo)志（激光反射貼膜）、射頻電子標(biāo)簽、WIFI熱點(diǎn)模塊。

站臺(tái)部分由充電防護(hù)門(mén)、充電插頭、嵌入式PC控制器、激光傳感器、備用激光傳感器、超聲波傳感器、射頻讀卡器、WIFI終端模塊、R軸伺服電機(jī)、X軸伺服電機(jī)、Y軸伺服電機(jī)、Z軸伺服電機(jī)組成。

2.2 自動(dòng)充電系統(tǒng)的控制單元組成

硬件控制單元由Beckhoff嵌入式PC控制器CX5120-0115以及EtherCAT端子組成。Ether-CAT端子包括：8通道PNP型數(shù)字量輸入端子模塊EL1008、8通道PNP型數(shù)字量輸出端子模塊EL2008、4通道模擬量輸入端子模塊EL3054（4~20 mA）、2通道RS422/RS485串口端子模塊EL6022。PC控制器通過(guò)485轉(zhuǎn)WIFI模塊以實(shí)現(xiàn)和車輛的無(wú)線通信。自動(dòng)充電系統(tǒng)的控制單元框圖如圖3所示。

圖3 控制單元框圖

2.3 自動(dòng)充電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)單元組成

自動(dòng)充電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)單元主要由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成，共有四個(gè)軸（X軸、Y軸、Z軸、R軸）可以自由運(yùn)動(dòng)，每個(gè)軸上均安裝一個(gè)伺服電機(jī)，PC控制器CX5120-0115通過(guò)遠(yuǎn)程控制接觸器的閉合，給伺服系統(tǒng)供電，通過(guò)EtherCAT總線與松下MINASA6B系列伺服驅(qū)動(dòng)器組網(wǎng)連接，同時(shí)電機(jī)的位置信號(hào)通過(guò)編碼器反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)用Beckhoff公司的運(yùn)動(dòng)控制軟件TwinCAT NC PTP最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。自動(dòng)充電系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)電路圖，如圖4所示。

圖4 伺服系統(tǒng)電路圖

2.4 自動(dòng)充電系統(tǒng)的路徑規(guī)劃

1）充電連接

充電開(kāi)始，通過(guò)超聲波及激光信號(hào)的引導(dǎo)，PC控制器依次控制R軸、Y軸、Z軸、X軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)充電插頭運(yùn)行到定位位置，完成插槍過(guò)程，建立充電樁和車輛的充電連接。四軸運(yùn)動(dòng)的路徑，如表1所示。

表1 四軸的運(yùn)動(dòng)路徑

R軸，旋轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)充電插頭水平角度轉(zhuǎn)動(dòng)。

Y軸，與車輛行駛方向平行，驅(qū)動(dòng)充電插頭左右移動(dòng)。

Z軸，與車輛高度方向平行，驅(qū)動(dòng)充電插頭上下移動(dòng)。

X軸，與車輛充電接口垂直，驅(qū)動(dòng)充電插頭前后移動(dòng)。

2）定位運(yùn)動(dòng)

PC控制器控制Y軸、Z軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)從位置0 mm運(yùn)動(dòng)到350 mm，激光傳感器掃過(guò)車輛上的反射貼膜，PC控制器收到反饋信號(hào)后記錄此時(shí)的電機(jī)位置Y1、Y2、……Yn以及Z1、Z2……Zn。PC控制器建立二維數(shù)組模型，計(jì)算出的插座中心點(diǎn)位置Yx、Zx。Y軸電機(jī)的定位運(yùn)動(dòng)圖例，如圖5所示。Z軸電機(jī)的定位運(yùn)動(dòng)圖例，如圖6所示。

圖5 Y軸電機(jī)的定位運(yùn)動(dòng)

圖6 Z軸電機(jī)的定位運(yùn)動(dòng)

3）充電結(jié)束

充電連接完成后，充電樁對(duì)車輛進(jìn)行充電，充電結(jié)束后或司機(jī)按下充電停止開(kāi)關(guān)，PC控制器控制充電樁停止輸出，依次驅(qū)動(dòng)X軸、Z軸、Y軸、R軸伺服電機(jī)回歸到零點(diǎn)位置，完成充電插頭的收回。

3 自動(dòng)充電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用Beckhoff的嵌入式PC（型號(hào)CX5130）作為主控制單元，并采用TwinCAT3軟件編程，除了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，還通過(guò)模擬量通道實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳感器（對(duì)充電插頭和車輛充電接口的距離進(jìn)行測(cè)量）、激光傳感器距離信號(hào)的采集，數(shù)字量輸入通道接收接觸器反饋信號(hào)、射頻信號(hào)，數(shù)字量輸出通道驅(qū)動(dòng)接觸器、指示燈、蜂鳴器、防護(hù)門(mén)的動(dòng)作。

充電樁與車輛充電接口的距離Xrms表示如下:

考慮到在電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)記錄的y、z軸位移值測(cè)量誤差問(wèn)題，由于多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布，設(shè)被測(cè)量值的真值為L(zhǎng)0，一系列測(cè)量值為li，則測(cè)量列的隨機(jī)誤差δi可表示為：

式中i=1,2,…,n。

正態(tài)分布的密度f(wàn)(δ)與分布函數(shù)F(δ)為：

式中，σ——標(biāo)準(zhǔn)差（或均方根誤差）

其平均誤差為：

由式(3)可知，由于誤差的補(bǔ)償性，隨測(cè)量次數(shù)的增加，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨向于0。

由式(1)可知：

綜上，電機(jī)掃描判定插座中心水平位置YX、插座中心豎直位置ZX表示如下:

自動(dòng)充電系統(tǒng)主程序流程圖，如圖7所示：

圖7 自動(dòng)充電系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 定位模塊軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)用TC2_MC2庫(kù)中的MC_MoveAbsolute功能塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，如圖8所示。

圖8 MC_MoveAbsolute功能塊

定位程序流程圖，如圖9所示。

圖9 定位程序流程圖

定位程序如下所示：

poweron();//軸上使能

absmove();//絕對(duì)運(yùn)動(dòng)

reset();//清除錯(cuò)誤

y_velocityread:=axis2．Nc ToPlc．ActVelo;

y_positionread:=axis2．Nc ToPlc．ActPos;

IFyerrorid<>0 THEN//故障清除

resety:=1;

END_IF

IFglobal．zhome=0 THEN

IFglobal．rdone=1 AND y_positionread=0

THEN//R軸運(yùn)動(dòng)完成，執(zhí)行Y軸掃描運(yùn)動(dòng)

global．yhome:=0;

resety:=0;//清reset

power:=1;

execute2:=1;

setposition:=350;

setvelocity:=175;

ELSIF y_positionread=350 THEN

execute2:=1;

setposition:=global．ylazer[50];

setvelocity:=175;

state:=1;

ELSIF state=1 AND y_positionread=global．ylazer[50]AND global．ylazer[50]>0 THEN

global．ydone:=1;

state:=0;

END_IF

ELSIF global．zhome=1 THEN//Z軸歸零，執(zhí)行Y軸歸零運(yùn)動(dòng)

IF y_positionread=global．ylazer[50]THEN

execute2:=1;

setposition:=0;

setvelocity:=175;

ELSIF y_positionread=0 THEN//Y軸歸零運(yùn)動(dòng)完成，下使能

power:=0;

execute2:=0;

global．yhome:=1;

END_IF

END_IF

IF global．zhome=0 AND y_positionread>=200 AND j<=100 THEN//模擬掃描激光膜

global．ylazer[j]:=y_positionread;

j:=j+1;

ELSIF global．yhome=1 AND j<>1 THEN

j:=j-1;

global．ylazer[j]:=0;

END_IF

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)Beckhoff公司的TwinCAT3軟件中的Visualization功能，在組態(tài)界面中插入輸入、輸出以及顯示控件，可以模擬實(shí)現(xiàn)充電的啟動(dòng)和停止，并通過(guò)觀察四軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、所在位置以及完成的狀態(tài)，判斷軟件的執(zhí)行情況。運(yùn)動(dòng)仿真頁(yè)面圖如圖10所示。

圖10 運(yùn)動(dòng)仿真頁(yè)面

通過(guò)調(diào)用TwinCAT3軟件中的Measurement中的Scope YTNC功能，可實(shí)時(shí)觀察并記錄四軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的絕對(duì)位置、相對(duì)位置、速度、加速度、跟隨誤差，得知自動(dòng)充電系統(tǒng)的對(duì)接過(guò)程和運(yùn)動(dòng)軌跡。

R軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)波形，如圖11所示,通過(guò)仿真模擬試驗(yàn)，顯示R軸電機(jī)從0度轉(zhuǎn)動(dòng)到90度，經(jīng)歷了一次加速減速過(guò)程，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度45°/s。

圖11 R軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)波形圖

Y軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)波形，如圖12所示,Y軸電機(jī)四次加速減速，從位置0 mm運(yùn)動(dòng)到最大量程350 mm，最高線速度200 mm/s，其間掃描過(guò)車輛行駛上方向的反射膜，記錄對(duì)應(yīng)的電機(jī)的位置，PC控制器計(jì)算出插座水平的中心點(diǎn)，又從350 mm處運(yùn)動(dòng)到插座水平中心點(diǎn)位置。

圖12 Y軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)波形圖

Z軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)波形，如圖13所示,Z軸電機(jī)四次加速減速，從位置0 mm運(yùn)動(dòng)到最大量程350 mm，最高線速度200 mm/s，其間掃描過(guò)車輛垂直方向上的反射膜，記錄對(duì)應(yīng)的電機(jī)位置，PC控制器計(jì)算出的插座垂直中心點(diǎn)，又從350 mm處運(yùn)動(dòng)到插座垂直中心點(diǎn)位置。

圖13 Z軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)波形圖

X軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)波形，如圖14所示,X軸電機(jī)從0 mm轉(zhuǎn)動(dòng)到600 mm位置處，經(jīng)歷了一次加速減速過(guò)程，最高線速度300 mm/s，模擬將充電槍插入到充電插座中。至此整個(gè)過(guò)程完成了本文2．4節(jié)中的路徑規(guī)劃。

圖14 X軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)波形圖

如圖15所示為自動(dòng)充電裝置圖，此時(shí)R軸位于90°即充電狀態(tài)。如圖16、17所示，對(duì)接裝置除充電插頭接口外，在其左右兩側(cè)裝有兩個(gè)機(jī)械引導(dǎo)孔，與充電插頭上機(jī)械引導(dǎo)裝置對(duì)應(yīng)，用于對(duì)充電樁插頭進(jìn)行機(jī)械引導(dǎo)使充電插頭準(zhǔn)確對(duì)接，最大可以容納±3．25 cm誤差。

圖15 自動(dòng)充電樁成品圖

圖16 車載對(duì)接裝置接口圖

圖17 車載側(cè)對(duì)接裝置圖

5 結(jié)論

由仿真試驗(yàn)可知，整個(gè)充電連接過(guò)程可以在5s內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛上的充電插座的識(shí)別、定位、連接，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快。通過(guò)R軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了充電插頭的釋放及回收，提高了充電連接器的防護(hù)等級(jí)；Y軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)解決了車輛行駛方向上駐車誤差影響，可接受最大350 mm偏差；Z軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)解決了車輛負(fù)載以及車輛高度變化對(duì)充電連接的影響，可接受車輛0~350 mm的上下浮動(dòng)變化；X軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)解決了車輛距離充電裝置遠(yuǎn)近的影響，可接受0~600 mm誤差范圍。通過(guò)以上四軸的運(yùn)動(dòng)，降低了對(duì)司機(jī)的泊車停靠要求，增強(qiáng)了自動(dòng)充電系統(tǒng)的容忍性。在插槍充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于PC控制技術(shù)開(kāi)發(fā)的大功率自動(dòng)直流充電裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容巴士快速、精準(zhǔn)的充電連接，最終達(dá)到無(wú)需人員參與，自動(dòng)充電的目的。