控制系统、电动作业机械或电动车的制作方法

1.本实用新型涉及机械工程技术领域，尤其涉及一种控制系统、电动作业机械或电动车。


背景技术：

2.现有的电动作业机械都在使用分立式的控制器，即每一个控制器分别对应一个特定的功能。这些控制器再通过硬接线或can、lin等总线网络相连，使得整车电子架构非常复杂。线束多、控制器种类多，造成了电动作业机械在面临线束设计、系统故障排查以及新功能添加等问题时都比较困难，工作量和工作时间大大增加。
3.现有的电动作业机械的控制系统集成度低，复杂性高，检修和维护的工作量大。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种控制系统、电动作业机械或电动车，用于解决现有技术中作业机械的控制系统集成度低，复杂性高的技术问题。
5.本实用新型提供一种控制系统，包括控制器、信号采集模块、驱动模块、电源管理模块和总线通信模块；
6.所述信号采集模块的信号输入端与燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表连接，信号输出端与所述控制器的信号输入端连接；
7.所述驱动模块的信号输入端与所述控制器的控制输出端连接，信号输出端与燃料电池系统和整车控制系统中的各个控制设备的信号输入端连接；
8.所述电源管理模块的电源输入端与燃料电池系统连接，电源输出端与燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表连接，通信端与所述控制器的spi总线通信端连接；
9.所述总线通信模块的信号输入端分别与动力can总线和整车can总线连接，信号输出端与所述控制器的can总线通信端连接；
10.所述控制器用于对燃料电池系统和整车控制系统进行控制。
11.根据本实用新型提供的控制系统，所述控制器的负载是基于所述燃料电池系统控制程序的计算量与所述整车控制系统控制程序的计算量之和确定的，所述控制器的内存是基于所述燃料电池系统控制程序的代码量与所述整车控制系统控制程序的代码量之和确定的；所述控制器的输入输出管脚是基于所述燃料电池系统的输入输出信号数量与所述整车控制系统的输入输出信号数量之和确定的。
12.根据本实用新型提供的控制系统，所述燃料电池系统控制程序与所述整车控制系统控制程序均采用分层架构，共用所述分层架构中的基础软件层。
13.根据本实用新型提供的控制系统，所述分层架构为autosar架构。根据本实用新型提供的控制系统，所述驱动模块包括高边驱动模块和低边驱动模块。
14.根据本实用新型提供的控制系统，所述控制器、所述信号采集模块、所述驱动模块、所述电源管理模块和所述总线通信模块集成在同一电路板中。
15.根据本实用新型提供的控制系统，所述驱动模块设置在所述电路板的散热区域。
16.根据本实用新型提供的控制系统，所述电路板采用四层板结构；所述电路板的第一层和第四层为信号层，第二层为电源层，第三层为地线层。
17.根据本实用新型提供的控制系统，所述电源管理模块的电源输出功率是基于所述燃料电池系统和所述整车控制系统中的各个仪表的额定功率之和确定的。
18.根据本实用新型提供的控制系统，所述控制器包括第一核处理器和第二核处理器；所述第一核处理器包括锁步核子处理器；
19.所述第一核处理器中运行所述燃料电池系统控制程序和所述整车控制系统控制程序中的功能安全程序。
20.本实用新型还提供一种电动作业机械，包括所述的控制系统。
21.本实用新型提供的控制系统、电动作业机械或电动车，应用于燃料电池系统和整车控制系统，包括控制器、信号采集模块、驱动模块、电源管理模块和总线通信模块；信号采集模块、驱动模块、电源管理模块和总线通信模块分别与控制器连接；控制器通过信号采集模块与燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表连接并进行信号获取，通过驱动模块燃料电池系统和整车控制系统中的各个控制设备连接并进行功能控制，通过一个控制器控制了两个控制系统，还共用了电源管理模块和总线通信模块，提高了作业机械或电动车控制系统的集成度，有效地减少了线束，降低了系统的复杂度，减少了控制系统检修和维护的工作量。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本实用新型提供的控制系统的结构示意图；
24.图2为本实用新型提供的fcu和vcu集成控制系统的硬件原理结构图。
25.附图标记：
26.110：控制器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
120：信号采集模块；
27.130：驱动模块；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
140：电源管理模块；
28.150：总线通信模块。
具体实施方式
29.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.图1为本实用新型提供的控制系统的结构示意图，如图1所示，该控制系统包括控制器110、信号采集模块120、驱动模块130、电源管理模块140和总线通信模块150；
31.信号采集模块120的信号输入端与燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表连接，信号输出端与控制器110的信号输入端连接；
32.驱动模块130的信号输入端与控制器110的控制输出端连接，信号输出端与燃料电池系统和整车控制系统中的各个控制设备的信号输入端连接；
33.电源管理模块140的电源输入端与燃料电池系统连接，电源输出端与燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表连接，通信端与控制器110的spi总线通信端连接；
34.总线通信模块150的信号输入端分别与动力can总线和整车can总线连接，信号输出端与控制器110的can总线通信端连接；
35.控制器110用于对燃料电池系统和整车控制系统进行控制。
36.具体地，本实用新型实施例中的作业机械为采用燃料电池作为动力源或者动力源之一，进行施工作业的机械，例如混凝土泵车、起重机和挖掘机等。燃料电池的类型可以为氢燃料电池、甲醇燃料电池和乙醇燃料电池等。燃料电池系统用来控制燃料电池的输出电能，整车控制系统用来控制作业机械的日常行驶。
37.本实用新型实施例采用一个控制器110，对作业机械中燃料电池系统和整车控制系统进行控制。控制器110所在的控制系统还包括信号采集模块120、驱动模块130、电源管理模块140和总线通信模块150。
38.信号采集模块120用于对燃料电池系统和整车控制系统中的模拟量信号、数字量信号和频率量信号进行采集。其信号输入端与作业机械中燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表连接，例如燃料电池系统中的空气流量计和氢气浓度计等，信号输出端与控制器110的信号输入端连接，将采集的信号发送至控制器110中参与控制逻辑运算。
39.驱动模块130用于根据控制器110的控制信号输出，生成相应的驱动信号，例如，可以将控制器110输出的弱点信号放大为适用于外部设备的强电信号，对外部设备进行驱动。其信号输入端与控制器110的控制输出端连接，信号输出端与作业机械中燃料电池系统和整车控制系统中的各个控制设备的信号输入端连接。
40.电源管理模块140用于为控制系统中的各个元件，以及与该控制系统连接的各个仪表提供电能。电源管理模块140可以从燃料电池系统中获取电能，然后进行转换和分配。电源管理模块140的电源输入端与作业机械中的燃料电池系统连接，电源输出端与作业机械中燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表连接。电源管理模块140的通信端与控制器110的spi总线通信端连接，可以采用spi(serial peripheral interface，串行外设接口)与控制器110之间进行通信。spi是一种高速，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为电路板的布局上节省空间。
41.总线通信模块150的信号输入端分别与动力can总线和整车can总线连接，信号输出端与控制器110的can总线通信端连接。控制器110可以根据总线通信模块150，获取动力can总线和整车can总线上的通信信息。
42.本实用新型实施例提供的控制系统，应用于燃料电池系统和整车控制系统，包括控制器、信号采集模块、驱动模块、电源管理模块和总线通信模块；信号采集模块、驱动模块、电源管理模块和总线通信模块分别与控制器连接；控制器通过信号采集模块与作业机械中燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表连接并进行信号获取，通过驱动模块燃料电池系统和整车控制系统中的各个控制设备连接并进行功能控制，通过一个控制器控制了
两个控制系统，还共用了电源管理模块和总线通信模块，提高了作业机械控制系统的集成度，有效地减少了线束，降低了系统的复杂度，减少了控制系统检修和维护的工作量。
43.基于上述实施例，控制器的负载是基于燃料电池系统控制程序的计算量与整车控制系统控制程序的计算量之和确定的，控制器的内存是基于燃料电池系统控制程序的代码量与整车控制系统控制程序的代码量之和确定的；控制器的输入输出管脚是基于燃料电池系统的输入输出信号数量与整车控制系统的输入输出信号数量之和确定的。
44.具体地，采用一个控制器实现控制两个系统的功能时，需要确定该控制器的负载、内存和输入输出管脚数量。
45.一般地，为了保证燃料电池系统控制程序和整车控制系统控制程序运行时的实时性，控制器的负载率要求为不超过设计负载的85％。因此，可以在控制程序开发阶段，对燃料电池系统控制程序的计算量与整车控制系统控制程序的计算量进行测试，然后根据计算量之和，选择相应的控制器。
46.控制器的内存大小要求为不超过设计内存的80％。因此，可以先确定燃料电池系统控制程序的代码量与整车控制系统控制程序的代码量之和，然后确定相应的内存。还可以按照底层和应用层的软件结构形式，分别对燃料电池系统控制程序和整车控制系统控制程序进行拆分，将两个控制程序中的底层软件进行共用，从而减少内存。
47.输入输出管脚为控制器与外部仪表或者设备进行信息交互的接口。管脚数量可以根据燃料电池系统的输入输出信号数量与整车控制系统的输入输出信号数量之和进行确定。为了后续增加仪表或者控制设备，可以预留一定数量的输入输出管脚。
48.基于上述任一实施例，燃料电池系统控制程序与整车控制系统控制程序均采用分层架构，共用分层架构中的基础软件层。
49.具体地，燃料电池系统控制程序与整车控制系统控制程序均可以采用分层架构，每一层代表控制程序的一个功能。基础软件层为分层架构中的底层，用于与外部运行环境进行通信、内存管理和驱动硬件等。燃料电池系统控制程序与整车控制系统控制程序运行于同一控制器中，可以共用分层架构中的基础软件层，从而减少内存占用，提高程序运行效率。
50.基于上述任一实施例，分层架构为autosar架构。
51.具体地，autosar分层式架构用于支持完整的软件和硬件模块的独立性，中间rte(runtime environment)作为虚拟功能总线vfb(virtual functional bus)的实现，隔离了上层的应用软件层(application layer)与下层的基础软件(basic software)，摆脱了以往ecu(electronic control unit，电子控制单元)软件开发与验证时对硬件系统的依赖。
52.autosar分层式架构在最高抽象级别上分为三个软件层：应用程序层(application layer)、运行环境层(runtime environment layer)和在微控制器上运行的基础软件层(basic software，bsw)。基础软件层具体又可以分为复杂驱动层、微控制器抽象层、ecu抽象层和服务层。
53.软硬件分离的分层设计，提高了燃料电池系统与整车控制系统的整合能力，尤其是标准化交互接口以及软件组件模型的定义提高了各层的软件复用能力，从而降低了开发成本，使得系统集成与产品推出的速度极大提升，通过共用基础软件层，能够降低控制器的内存需求。
54.基于上述任一实施例，信号采集模块包括模拟量采集模块、频率量采集模块和数字量采集模块。
55.具体地，根据采集的信号类型，信号采集模块可以包括模拟量采集模块、频率量采集模块和数字量采集模块。
56.模拟量采集模块主要用于对燃料电池系统和整车控制系统中的模拟量信号进行采集，例如，油门踏板信号、压力信号、温度信号等。频率量采集模块主要用于对燃料电池系统和整车控制系统中的频率量信号进行采集，例如，车速信号、空气流量信号和氢气浓度信号等。数字量采集模块主要用于对燃料电池系统和整车控制系统中的数字量信号进行采集，例如，激活唤醒信号、制动开关信号和继电器诊断信号等。
57.基于上述任一实施例，驱动模块包括高边驱动模块和低边驱动模块。
58.具体地，考虑到燃料电池系统和整车控制系统中的各个控制设备的驱动类型，可以设置高边驱动模块和低边驱动模块。
59.此处，高边指电源，低边指地，高边驱动和低边驱动用来调试功率的，以驱动负载。高边驱动适用于精密装置的仪器或者设备，驱动复杂。低边驱动适用于电路简单的情况。
60.高边驱动是指通过直接在用电器或者驱动装置前通过在电源线闭合开关来实现驱动装置的使能，而低边驱动则是通过在用电器或者驱动装置后，通过闭合地线来实现驱动装置使能。
61.燃料电池系统和整车控制系统中，对于ats风扇、蜂鸣器、转向控制、空压机和循环泵等，可以接入高边驱动模块；对于倒车灯、打气泵风扇、氢气入口阀等，可以接入低边驱动模块。
62.基于上述任一实施例，控制器、信号采集模块、驱动模块、电源管理模块和总线通信模块集成在同一电路板中。
63.具体地，可以将控制器、信号采集模块、驱动模块、电源管理模块和总线通信模块集成在同一电路板中，然后采用金属外壳进行封装。
64.由于采用了高度共用化的集成模式，该电路板的尺寸可以压缩到与独立的燃料电池系统控制器或者独立的整车控制系统控制器的尺寸一致。
65.基于上述任一实施例，驱动模块设置在电路板的散热区域。
66.具体地，驱动模块的发热量较大，可以在电路板上设置专门的散热区域，与控制系统的金属外壳进行充分接触，并设置专门的散热孔。驱动模块中的各个元件采用表贴封装，焊接在电路板表面，元件工作时产生的热量经过电路板的敷铜和散热孔传递到电热板的下面，散热区域下表面可以涂有吸热材料和导热硅胶，热量就通过导热硅胶传递到控制器的金属外壳。
67.散热区域尽量设置在电路板的边沿，使得传热路径得到缩短。
68.基于上述任一实施例，电路板采用四层板结构；电路板的第一层和第四层为信号层，第二层为电源层，第三层为地线层。
69.具体地，为了提高控制系统的集成度，改善电磁兼容(emc)性能，可以将电路板采用四层板结构，第一层和第四层用来设置信号线，第二层用来设置电源线，第三层用来设置地线。
70.本实用新型实施例提供的控制系统，电路板采用四层板结构，能够显著地提高控
制系统的电磁兼容性能。
71.基于上述任一实施例，还可以对电路板采用以下布局设计：
72.1)电路板上的晶振元件靠近控制器设置；
73.2)模拟量采集模块和数字量采集模块分别布置在电路板的不同区域；
74.3)频率量采集模块布置在电路板的边缘；
75.4)电路板中的空白区域用地线填充；
76.5)模拟量采集模块可以采用专用线路；
77.6)时钟信号的布线远离信号采集模块，避免影响采样准确度；
78.7)对于长平行走线的串扰，增加其间距或在线间加一根地线；
79.8)高速线避免直角；
80.9)强弱信号线分开。
81.基于上述任一实施例，电源管理模块的电源输出功率是基于燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表的额定功率之和确定的。
82.具体地，电源管理模块的电源输出功率主要考虑燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表的供电需求。可以将各个仪表的额定功率之和作为电源管理模块的电源输出功率。
83.例如，燃料电池系统和整车控制系统中的各个仪表的供电电压为5v。通过计算需要5v供电的仪表的数量，来计算总的供电需求，从而选型pmic(电源管理芯片)。例如每个仪表一般消耗最大15ma的电流，合并之前整车控制系统有4个需要5v供电的仪表，燃料电池系统有8个需要5v供电的仪表。那么合并后总需求为(4 8)*15＝180ma。如果之前燃料电池系统或者整车控制系统的pmic本身就有超过180ma的供电能力(比如mc33cfs6500具有总共250ma的5v电流输出能力)，就不需要再重新确定。
84.基于上述任一实施例，控制器包括第一核处理器和第二核处理器；第一核处理器包括锁步核子处理器；
85.第一核处理器中运行燃料电池系统控制程序和整车控制系统控制程序中的功能安全程序。
86.具体地，控制器可以选用双核处理器。其中，两个核处理器之间的任务调度可以采用软件进行确定。
87.第一核处理器包括锁步核子处理器。可以将燃料电池系统控制程序和整车控制系统控制程序中的功能安全程序放置到第一核处理器进行处理。
88.例如，控制器为mcu infineon tc265，其拥有双核(比如a核与b核)，而只有其中一个核(a核)自带锁步核。所以就把整车控制系统或燃料电池系统中有些对安全有要求(比如asilc)的功能，比如油门踏板处理程序(整车控制系统)、节气门位置传感器(燃料电池系统空气路)、进气压力传感器(燃料电池系统)等等，放在a核中运行，因为a核自带锁步核，这些功能就会在其附属的锁步核中自动也运行一遍，最后还会去比较这两路运行的结果值是否相同，如果不相同就会采取接下来的定义好的安全机制比如禁止安全相关的can总线报文发送、切断关键执行器(喷氢器等)的使能输出来保障汽车的安全运行。整车层面就会给驾驶员报出一级故障立即停车、或限功率行驶等。
89.基于上述任一实施例，本实用新型提供一种电动作业机械或电动车，包括上述控
制系统。
90.具体地，电动作业机械为采用燃料电池为动力的作业机械，例如电动混凝土泵车、电动起重机和电动挖掘机等。电动车可以为采用燃料电池为动力的车辆，例如电动重型卡车等。燃料电池的类型可以为氢燃料电池、甲醇燃料电池和乙醇燃料电池等。
91.基于上述任一实施例，图2为本实用新型提供的fcu(燃料电池系统)和vcu(整车控制系统)集成控制系统的硬件原理结构图，如图2所示，包括主微控制器、电源管理芯片、总线通信芯片、驱动芯片、模拟信号调理电路、频率信号调理电路和逻辑信号调理电路等。
92.主微控制器的选取主要考虑三个方面风险：cpu饱和风险(负载率85％)、内存饱和风险(80％)和i/o饱和风险。选择双核是为了防止cpu单核运行负载率过高的问题。因为之前vcu是单核运行、fcu是单核运行，所以合到一起后，如果仍然单核跑程序可能存在cpu饱和的风险。cpu负载确定可以在开发阶段通过多核测试工具测试每个cpu内核负载率。内存(flash)大小确定完全是由最后写入的程序大小决定。原则上，合并后的flash大小肯定是小于之前单个vcu程序大小和fcu大小之和。因为合并后应用层软件的模块可以简单叠加，但是底层软件确是很大程度可以共用的，所以理论上合并后总软件大小(应用层 底层)会缩小。从合并后的控制器外部来看就是，原来单个fcu和vcu的i/o(输入输出)简单叠加，网络接口直接共用(网络负载不会增加，因为报文还是原先报文数量，网络吞吐量不会增加)，电源和唤醒接口共用(总耗电量不会增加，所以对原先的整车电气架构不会造成冲击)。所以总的管脚数是小于原先单个vcu和单个fcu管脚数之和的。
93.选用一个主芯片，此芯片可以和之前fcu控制器的主芯片一样，也可以和vcu的一样，把握一个总体原则：根据实车上fcu和vcu系统的复杂度，选用的主芯片要满足两个主要指标，一个是cpu负载不能过高(最好不要超过85％)，另一个是flash大小不能太小(虽然集成后底层软件大部分是共用的，理论上集成后的总软件大小之和会小于简单的之前vcu和fcu软件大小相加，但是还是建议选用flash要至少等于vcu软件和fcu软件之和)。主芯片的选用比如：infineon aurix tc265。此芯片为双核，其中一个核带lockstep。其os调度可以分为三种：1.vcu和fcu功能可以放到一个核中运行，这样对底层的开发最简单2.若放在一个核中负载过高的话，可以分别把vcu功能和fcu功能用一个核来跑，需要底层做双核支持。3.若是对功能安全有要求的话，可以把优先这部分放在锁步核(lockstep)中运行。
94.电源管理模块和之前的变化主要是要考虑其5v传感器的供电能力，因为fcu和vcu合并后其传感器数量增多了；网络管理模块可以不用变，因为vcu和fcu都是连在车辆网络中，合并后可以共用网络接口；驱动模块主要是考虑其输出电流能力，因为vcu和fcu合并后，其所需驱动的执行器增多了；输入处理电路只需简单相加即可，当然其输入路数必须小于主芯片支持的adc和gpio接口数；唤醒接口直接沿用。
95.本实用新型实施例提供的控制系统，在差不多占用相同空间的情况下，把vcu和fcu集成在一起，优化了成本，提高了性能。
96.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
97.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干命令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
98.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。