基于單片機的電動自行車故障診斷儀試制

李付君++荊君

摘要：介紹了電動自行車常見故障，研制了一種基于AT89C51單片機控制的故障診斷系統(tǒng)，闡述了硬件的設(shè)計及系統(tǒng)軟件的編寫，在實驗室模擬主要故障并對診斷系統(tǒng)進行測試，結(jié)果表明該診斷系統(tǒng)可以準確的診斷出常見故障。

關(guān)鍵詞：單片機；電動自行車；故障診斷

0 引言

電動自行車以其重量輕、無污染、噪音小等優(yōu)點而逐漸被人們所接受，成為一種大眾化的綠色交通工具[1]。在地勢平坦的地區(qū)，電動兩輪或三輪自行車是人們出行或簡單貨運的主要工具。大多數(shù)的用戶遇到車輛故障時，因缺乏故障排查和維修知識，只能求助維修點支付維修費解決。此外，維修人員在故障查找時多利用經(jīng)驗或試驗的方法診斷與排查，不能快速準確定位故障原因[2]。研制一款低成本的故障自診斷報警系統(tǒng)，可以根據(jù)顯示屏的提示去連接電路并診斷故障。普通用戶可用來排除故障，維修人員可用來查找定位故障并予以維修，做到了省時省力。

1 電動車常見故障

1.1電動車轉(zhuǎn)把、剎把故障

轉(zhuǎn)把是電動車的調(diào)速部件，分為直接調(diào)速型和間接調(diào)速型，目前電動車主要使用直接調(diào)速型轉(zhuǎn)把，轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)動角度范圍在0-30度制之間，用線性霍爾元件實現(xiàn)[3]。轉(zhuǎn)把由+5V 電源線，負極線和信號線構(gòu)成，由于頻繁操作及工作環(huán)境惡劣容易造成霍爾傳感器損壞。

剎把是電動車的剎車部件，當剎車時，控制器檢測到剎車信號會自動切斷對電機的供電。剎把分為機械式和電子式兩種，機械剎把防水性不好，易發(fā)生接觸不良，可靠性低；電子剎把由開關(guān)型霍爾元件實現(xiàn)，在不剎車時，輸出信號有高低之分，目前市場上常用高剎把。剎把常見故障為剎把被卡位或者沒有完全復位導致車輛不能運行。

1.2直流無刷電機的故障

直流無刷電機（簡稱 BLDCM）通常由電動機本體、逆變器、轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分構(gòu)成，而電動自行車電機由本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器兩部分構(gòu)成，其逆變電路位于控制器電路中[4]。電動自行車在運行中由于負載和環(huán)境等運行條件的影響，表現(xiàn)為霍爾開關(guān)的損壞的位置傳感器故障和繞組開路或匝間短路的定子故障。

1.3控制器電路的故障

控制器電路為電動自行車的控制核心，常出現(xiàn)無刷控制電源故障、無刷控制器缺相、無刷控制器完全沒有輸出的故障。無刷控制器的缺相又可以分為主相位缺相和霍爾缺相。主相位缺相是由于開關(guān)MOS管承受過電壓、過電流、高溫而被擊穿，是運行時控制器電路最常見的故障[5]。霍爾缺相故障表現(xiàn)為不能識別霍爾傳感器的信號。

2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述常見故障，設(shè)計了帶有顯示功能的故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由AT89C51單片機、電流驅(qū)動緩沖電路、1602液晶顯示電路、E2PROM存儲電路、按鍵選擇電路、信號發(fā)生電路等組成。AT89C51為系統(tǒng)的控制核心接收并處理電動車的轉(zhuǎn)把信號、剎車信號、BLDCM的霍爾開關(guān)信號、BLDCM繞組發(fā)出的電壓信號、控制器發(fā)出信號并把診斷結(jié)果顯示在液晶顯示器上，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1故障診斷系統(tǒng)框圖圖2故障診斷系統(tǒng)顯示電路圖

2.1硬件設(shè)計

2.1.1顯示電路

AT89C51的P0和P2口作為液晶顯示器的接口，液晶選用1602A模塊。主要功能是測試項目選擇提示與檢測結(jié)果顯示，電路圖如圖2所示。

2.1.2信號檢測電路

信號檢測電路的功能是捕捉外部檢測信號的電壓的變化。主要包含轉(zhuǎn)把信號、剎把信號、電機霍爾信號、電機繞組電壓信號的檢測。在檢測控制器時，控制器需要接收霍爾傳感器的信號，三路霍爾信號可以通過硬件電路實現(xiàn)，也可以通過軟件模擬生成三路波。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括主程序、液晶顯示子程序、轉(zhuǎn)把信號檢測子程序、剎把信號檢測子程序、BLDC霍爾開關(guān)信號檢測子程序、BLDC繞組信號檢測子程序、控制器信號檢測子程序、定時器中斷程序。主程序完成系統(tǒng)的初始化和子程序調(diào)用的功能，并把診斷結(jié)果顯示在液晶顯示器上。

2.3實驗結(jié)果與分析

在實驗室對比德文電動自行車進行了人為故障診斷試驗，試驗表明該儀器可以準確的排查出轉(zhuǎn)把、剎把、控制器、BLDC霍爾開關(guān)及繞組的電氣故障。

3 結(jié)束語

本故障診斷儀結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單易行，能通過顯示屏顯示故障，是排除電動自行車運行中常見的轉(zhuǎn)把、剎把、控制器、BLDC霍爾開關(guān)及繞組的電氣故障的有效方法。對于電動自行車電機中的位置傳感器霍爾的相序及控制器主相位的相序目前還不能檢測，是后續(xù)完善的重點。

參考文獻

[1]房兆錕，陳穎等. 電動車維修理論與實踐（Ⅰ）[J]. 電動自行車，2006，（04）：48-49

[2]楊芳，于凱平等. 無刷直流電動機系統(tǒng)故障檢測方法的仿真研究[J]. 系統(tǒng)仿真學報，2008，（22）：6268-6272

[3]冉振亞，陳方輝等. 基于單片機的電動車永磁直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機械工程與自動化，2009，12（6）：123-125

[4]楊波、汪文勝. 電動自行車維修速成[M]. 國防工業(yè)出版社2007：63-65

作者簡介：李付君，男，講師，碩士，1983年3月出生，主要從事機械設(shè)計制造及自動化理論與實踐教學。