小型電動(dòng)車控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

周康

摘要：電動(dòng)車以零污染、高性能、低噪音等優(yōu)點(diǎn)得到了各國政府的大力支持，從而電動(dòng)車行業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。當(dāng)今國內(nèi)外純電動(dòng)車采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要分為異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和無刷直流電機(jī)，而無刷直流電機(jī)具有工作效率高、技術(shù)成熟可靠以及成本低的優(yōu)點(diǎn)，能更好的滿足電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求，本文主要探討了小型電動(dòng)車無刷直流電機(jī)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車;控制器;優(yōu)化設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)形式：模擬式、數(shù)字式和電機(jī)專用控制芯片。其中模擬式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且控制繁瑣，現(xiàn)已逐步淘汰。電機(jī)專用控制芯片雖然性能優(yōu)異，但往往價(jià)格昂貴。單片機(jī)為核心的數(shù)字式控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、價(jià)格又比較為低廉的控制器非常適用于控制要求精度不高的場合。本文用PIC16C74單片機(jī)作為主控芯片，它不僅克服了有刷直流電機(jī)的噪音、換向火花等缺點(diǎn)，而且避免了有位置傳感器直流無刷電機(jī)因位置傳感器帶來的不足;同時(shí)，它降低了制造和使用過程中的成本，提高了使用和維護(hù)的方便性，具有效率高、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和方便的特點(diǎn)以及具有良好運(yùn)行性能和巨大的市場潛力。

一、概述

控制器作為電動(dòng)車的關(guān)鍵部件，其技術(shù)日臻成熟，但是仍然有一些問題有待解決。其中一個(gè)普遍的現(xiàn)象就是，電動(dòng)車在上坡時(shí)速度減小而電流增大。在由上坡駛?cè)肫铰坊蛳缕碌那闆r下由于阻力突然減小甚至消失，而驅(qū)動(dòng)電流仍然較大，使得速度會(huì)快速增大，出現(xiàn)所謂的“過沖”現(xiàn)象。我們把這種現(xiàn)象叫做上坡“過沖”。這種情況會(huì)給操作者帶來不適且有一定的危險(xiǎn)性。為了減輕或者消除這種現(xiàn)象，有必要對(duì)設(shè)計(jì)做些改進(jìn)。

二、電路構(gòu)成

使用無刷電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)自行車控制器主要分為以使用專用控制芯片為核心的純硬件電路控制器（例如以 MC33035 為核心的控制器）和以 MCU 為核心的控制器（例如以 AT89S2051、P87LPC767、STCl2C5410AD 等為核心的控制器）。采用的直流無刷電機(jī)多半是三相電機(jī)，電角度有 60°和 120°兩種。電機(jī)極數(shù)大部分為 18 極，也有 16 極、20 極等。

圖 1 是一款以 AT89S52 為核心的一個(gè)控制器電路框圖，電動(dòng)機(jī)是電角度為 120°直流無刷三相電動(dòng)機(jī)。該電路中單片機(jī)接收電源電壓檢測信號(hào)、剎車信號(hào)、電機(jī)電流檢測信號(hào)、轉(zhuǎn)把（調(diào)速）信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測信號(hào)、轉(zhuǎn)子位置檢測信號(hào)等，判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否符合要求、三相繞組 A、B、C 與位置信號(hào) a、b、c 之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是否正確等，動(dòng)態(tài)的輸出 PWM 形式的控制信號(hào)，控制相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)管的導(dǎo)通或關(guān)斷，控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)或停止、加速或減速等，并輸出各種指示信號(hào)，如剎車信號(hào)、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)信號(hào)、欠壓報(bào)警信號(hào)等。對(duì)于采用 MCU 為核心的控制器，一般的是以軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

三、軟件分析

初始化之后，接著檢測電池電壓以判斷是否低電壓，如果低電壓，將起動(dòng)欠壓保護(hù)。如果電池電壓正常，接著接收轉(zhuǎn)把信號(hào)以判斷操作者設(shè)定的速度大小，調(diào)整 PWM 脈沖的寬度以調(diào)整電動(dòng)機(jī)速度。電動(dòng)機(jī)通電后，控制器接收電流檢測信號(hào)、霍爾轉(zhuǎn)速及相序信號(hào)、剎車信號(hào)等，判斷電動(dòng)機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、電路是否正常工作，動(dòng)態(tài)輸出 PWM 驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，調(diào)整車速使之逐漸達(dá)到操作者設(shè)定的速度。在有異常時(shí)采取保護(hù)措施直至斷開電源。

四、問題和改進(jìn)

1問題：單片機(jī)接收轉(zhuǎn)速信號(hào)和電流檢測信號(hào)，根據(jù)轉(zhuǎn)把速度信號(hào)輸出 PWM 控制信號(hào)去調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和限流，好像能夠?qū)崿F(xiàn)速度的穩(wěn)定控制。實(shí)際上，當(dāng)轉(zhuǎn)把位置確定后，在上坡時(shí)速度會(huì)減小而電流會(huì)增大，且坡度越陡速度會(huì)越慢而電流會(huì)越大;當(dāng)上坡結(jié)束轉(zhuǎn)為平路或轉(zhuǎn)為下坡時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)車速突然地快速增大的現(xiàn)象。我們將這種現(xiàn)象叫做“過沖”。這種情況每次都會(huì)在加速了一段之后才來得及調(diào)整轉(zhuǎn)把，使得操作者對(duì)車速難以把握，而且上坡之后速度快速增大具有一定的危險(xiǎn)性。

2原因分析：上坡時(shí)由于阻力的作用，速度難以提升到用戶設(shè)定的值甚至越來越慢。但在上坡轉(zhuǎn)為水平路面或下坡時(shí)，單片機(jī)會(huì)依然根據(jù)轉(zhuǎn)把速度指令來調(diào)整 PWM 控制信號(hào)，力求使車速達(dá)到操作者設(shè)定的數(shù)值，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流依然維持在較大的數(shù)值上;由于轉(zhuǎn)為水平路面或下坡時(shí)阻力突然減?。ㄉ踔林亓ψ?yōu)閯?dòng)力），車速便會(huì)突然的快速增大。

3改進(jìn)措施：一是要求用戶在上坡時(shí)盡可能的使用低速，使用腳踏助力;二是對(duì)硬件電路做些改進(jìn)，在“過沖”時(shí)將驅(qū)動(dòng)電流立即降下來;三是對(duì)軟件進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于 MCU 為核心的控制器，增加對(duì)電流增減和速度增減的判斷。在“過沖”時(shí)不執(zhí)行轉(zhuǎn)把速度信號(hào)指令而改為“定速控制”。根據(jù)上述思路將軟件控制流程進(jìn)行修改。將“速度增大而電流不增”作為“過沖”的判斷依據(jù)?？刂破鞒掷m(xù)檢測速度變化和電流變化，再經(jīng)過判斷，如果不屬于“過沖”的情況，則執(zhí)行子程序“調(diào)速控制”。這種情況下控制器檢測轉(zhuǎn)把電壓值來調(diào)整 PWM，增大或減小電流值使速度變化直至達(dá)到操作者通過轉(zhuǎn)把設(shè)定的速度值。

如果屬于“過沖”的情況，則執(zhí)行子程序“定速控制”。在這種情況下，控制器完全根據(jù)對(duì)速度的檢測來調(diào)整 PWM，力求使車速保持不變。在“過沖”時(shí)電流會(huì)迅速減小而保持原有的速度不變。在定速控制期間要持續(xù)的檢測速度和電流，在兩種情況下會(huì)結(jié)束“定速控制”而返回去檢測轉(zhuǎn)把電壓并調(diào)速：一種情況是車子已結(jié)束“過沖”，經(jīng)過判斷已退出“過沖”狀態(tài);另一種情況是達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的“過沖定速控制時(shí)間”。這個(gè)時(shí)間長度為 1～3 秒即可。為了保證“過沖”期間的及時(shí)剎車，在“定速控制”期要進(jìn)行剎車檢測。

一些其它問題也值得注意。很多控制器只有單閉環(huán)控制，性能不佳。在路面情況變化大的時(shí)候，電流變化很大。這對(duì)電機(jī)和電池都是不利的。在硬件方面應(yīng)改用雙閉環(huán)控制電路，在軟件方面應(yīng)該增加對(duì)具體情況的判斷。對(duì)于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)（無刷：轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)，有刷：電壓/電流雙閉環(huán)）來說，由于電流環(huán)存在，可以對(duì)電流大小進(jìn)行限制以及限制電流的變化速度，既可以保護(hù)電動(dòng)車在處于各種正常運(yùn)行情況下最大電流輸出值不會(huì)超出設(shè)定的電流限幅值，還可以使電機(jī)實(shí)現(xiàn)最理想的啟動(dòng)過程和加速過程、以及平穩(wěn)的電流變化;速度閉環(huán)控制則可以限制速度的快速變化（現(xiàn)在的電動(dòng)自行車不宜追求快速起動(dòng)性能）。對(duì)于單片機(jī)控制器來說，可以同時(shí)在軟件中進(jìn)行改進(jìn)。

五、結(jié)束語

本文對(duì)于電動(dòng)車行駛中“過沖”現(xiàn)象從硬件和軟件兩方面入手進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)于硬件的改進(jìn)，應(yīng)該使用雙閉環(huán)控制。對(duì)于軟件的改進(jìn)，通過判斷是否為“過沖”來選擇不同的程序運(yùn)行。對(duì)于“過沖”情況使用“定速控制”，對(duì)于非“過沖”情況，使用“調(diào)速控制”。關(guān)于“過沖恒速控制時(shí)間”、“過沖檢測有效時(shí)間”的合理數(shù)值還需進(jìn)一步研究。