電動(dòng)賽車起動(dòng)電路設(shè)計(jì)

侯麗春 丁勇 黨淵琪

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;起動(dòng)電路;對(duì)比選擇

0 引言

電動(dòng)汽車起動(dòng)控制與燃油車不同。燃油車起動(dòng)時(shí)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)志著起動(dòng)完成;電動(dòng)汽車起動(dòng)時(shí)是高壓上電準(zhǔn)備就緒，并不用傳遞機(jī)械能，因此只要接通高壓主回路即可，驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于待命狀態(tài)。本文所涉及電動(dòng)賽車用于參加巴哈大賽，根據(jù)賽事規(guī)則要求，電動(dòng)賽車的起動(dòng)電路相對(duì)于乘用車要簡(jiǎn)單，只需要檢測(cè)到起動(dòng)開關(guān)和制動(dòng)信號(hào)后，接通高壓回路，電動(dòng)賽車即進(jìn)入待駛狀態(tài)。

1 起動(dòng)電路設(shè)計(jì)思路

電路設(shè)計(jì)要從電路功能要求出發(fā)，充分考慮電路的工作環(huán)境與生產(chǎn)工藝。起動(dòng)控制電路應(yīng)主要包括起動(dòng)信號(hào)輸入和執(zhí)行器信號(hào)輸出兩部分電路。

起動(dòng)控制電路功能要求反應(yīng)速度要快，這樣電路信號(hào)傳遞的路徑要盡量短，電路元件工作速度要快。起動(dòng)條件是制動(dòng)踏板被踩下、起動(dòng)開關(guān)閉合，2 個(gè)信號(hào)可以是高低電平信號(hào)，也可以是與執(zhí)行器串并聯(lián)的關(guān)系。執(zhí)行器要將高壓主回路接通，目標(biāo)是給供電回路繼電器線圈通電，使繼電器觸點(diǎn)吸合。

賽車的起動(dòng)控制電路所處的工作環(huán)境較差。首先，賽車要完成拉力賽和耐久賽，需要頻繁起動(dòng);其次，賽車所在賽場(chǎng)的地勢(shì)不平且有多處彎道，路途顛簸;最后，賽車要在炎熱的夏季或者寒冷的冬季起動(dòng)與行駛。因此，起動(dòng)電路要能應(yīng)對(duì)頻繁起動(dòng)，耐顛簸，并能經(jīng)受高、低溫的考驗(yàn)。

雖然比賽規(guī)則中沒(méi)有具體的起動(dòng)電路制作工藝的要求，但是考慮實(shí)際情況，起動(dòng)電路要做到簡(jiǎn)單、輕小?？紤]起動(dòng)電路的防塵與防輻射，電路要放置在金屬材料的盒子里[1]。

2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述電路設(shè)計(jì)思路，結(jié)合參賽學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，有2 個(gè)方案可以選擇[2]。

2.1 方案一

控制電路是低壓電路控制高壓電路，因此可以選擇可編程控制器實(shí)現(xiàn)軟件控制硬件。本方案選擇學(xué)生在汽車單片機(jī)技術(shù)課程中應(yīng)用的51 系列單片機(jī)作為控制器，軟件利用C 語(yǔ)言編寫程序，硬件由單片機(jī)輸出高電平控制繼電器線圈得電。

圖1 所示為方案一的電路原理圖，控制信號(hào)輸入分別由P0 口和P2 口實(shí)現(xiàn)。P0 口1 號(hào)端子是制動(dòng)信號(hào)輸入端，設(shè)計(jì)高電平信號(hào)有效;P2 口1 號(hào)端子是起動(dòng)開關(guān)信號(hào)輸入端，低電平有效。輸出信號(hào)由P1 口1 號(hào)端子（P1.1 端子）輸出，設(shè)計(jì)高電平信號(hào)有效。

由于單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)能力不足，需要借助驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器工作，因此在執(zhí)行器與控制器之間由繼電器模塊連接。當(dāng)P1.1 端子輸出高電平時(shí)，繼電器模塊提高輸出電流，使繼電器線圈得電，觸點(diǎn)吸合。本方案中單片機(jī)電源選用5 V，電路供電電源為12 V，因此電路中加入電壓轉(zhuǎn)換芯片7805。液晶顯示屏在車輛起動(dòng)完成后，顯示“READY”字樣，模擬電動(dòng)汽車儀表顯示。

軟件編程可實(shí)現(xiàn)如下功能：當(dāng)踩下制動(dòng)踏板，按鈕S1 閉合，P1.1 端子由低電平變?yōu)楦唠娖?如若此時(shí)按下起動(dòng)開關(guān)，開關(guān)S2 閉合，P2.0 端子由懸空（默認(rèn)高電平）變?yōu)榈碗娖?，P1.1 端子輸出恒高電平。此后，無(wú)論松開制動(dòng)踏板（S1 斷開），還是再次踩下制動(dòng)踏板，都不會(huì)改變P1.1 端子的輸出狀態(tài)。只有斷開起動(dòng)開關(guān)，P1.1 端子狀態(tài)才輸出低電平，切斷高壓回路。

2.2 方案二

控制電路也可以由完全的硬件電路實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有程序的控制，硬件電路就需要能夠在起動(dòng)后實(shí)現(xiàn)電路功能的自鎖。這就要保證輸出繼電器的線圈在起動(dòng)后仍然保持得電狀態(tài)?；谶@個(gè)考慮，方案二的輸出繼電器選擇了雙觸點(diǎn)，利用其中的一個(gè)觸點(diǎn)與自身的線圈串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自鎖（圖2）。

電路中按鈕作為制動(dòng)信號(hào)（開關(guān)）與繼電器RL2 線圈串聯(lián)，起動(dòng)開關(guān)與繼電器RL2 觸點(diǎn)串聯(lián)，為自鎖繼電器（RL1）線圈供電。自鎖繼電器（RL1）是雙觸點(diǎn)繼電器，其中一個(gè)觸點(diǎn)連接電機(jī)控制器;另一個(gè)觸點(diǎn)是自鎖觸點(diǎn)。當(dāng)線圈得電后，自鎖觸點(diǎn)為線圈持續(xù)供電，這樣當(dāng)制動(dòng)信號(hào)消失后，自鎖繼電器線圈仍然得電，觸點(diǎn)保持吸合。

3 電路調(diào)試

方案一需要做軟件聯(lián)調(diào)和實(shí)際電路試驗(yàn)。軟件聯(lián)調(diào)時(shí)，電路功能基本能夠正常運(yùn)行，實(shí)際電路試驗(yàn)時(shí)繼電器不工作（注：參數(shù)計(jì)算是電路設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，而本電路設(shè)計(jì)之初，并沒(méi)有進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算）。繼電器不工作的原因可能是線圈中電流不符合要求，因?yàn)閱纹瑱C(jī)I/O 口輸出的拉電流有限。此電路中選用的單片機(jī)是AT89S52，P1.1 引腳輸出拉電流不足0.1 mA，經(jīng)三極管電流放大后為10.0 ～ 20.0 mA。這樣的電流流經(jīng)繼電器線圈，不足以吸合觸點(diǎn)，因此該方案需要改進(jìn)。為了提高單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)能力，在輸出引腳P1.1 端子接入繼電器模塊，最終電路功能實(shí)現(xiàn)[3-4]。

繼電器模塊由光耦電路、帶常開與常閉觸點(diǎn)的繼電器等電路構(gòu)成。光耦電路起到電氣隔離的作用，即隔離控制電路與高壓回路，提高電路的抗干擾能力。光耦工作需要的電流較小，可以由單片機(jī)輸出端子控制，后經(jīng)繼電器進(jìn)行電流放大。電路中有一處跳線，同一個(gè)模塊，跳線的連接位置不同，電路的高、低電平驅(qū)動(dòng)的方式不同。當(dāng)工作在低電平驅(qū)動(dòng)的模式下，系統(tǒng)加電復(fù)位時(shí)，負(fù)載不會(huì)誤工作，提高電路的安全性。

繼電器模塊的控制電壓在3 ～ 12 V（DC），適用于單片機(jī)的5 V 電源電壓。被控電壓可以達(dá)到30 V（DC），滿足12 V 電源電路。繼電器觸點(diǎn)流過(guò)的電路最大可達(dá)到10.0 A，電路的帶負(fù)載能力強(qiáng)。

繼電器模塊常用于單片機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)中，有了這個(gè)應(yīng)用實(shí)踐，可以為未來(lái)解決單片機(jī)控制電路驅(qū)動(dòng)能力弱的問(wèn)題積累經(jīng)驗(yàn)。

方案二，先進(jìn)行軟件仿真，仿真工作正常。將電路接入電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)中，電路功能實(shí)現(xiàn)，多次試驗(yàn)后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

4 方案對(duì)比

2種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。方案一功能較多，能實(shí)現(xiàn)儀表顯示，而且軟件編程可以靈活更改，缺點(diǎn)是需要有電壓轉(zhuǎn)換電路和輸出驅(qū)動(dòng)模塊。方案二電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，缺點(diǎn)是功能有限。2 種方案設(shè)計(jì)理念不同，考察設(shè)計(jì)者的電路開發(fā)與調(diào)試的側(cè)重點(diǎn)也不同，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文是教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行的電動(dòng)巴哈賽車起動(dòng)電路設(shè)計(jì)，在功能上2 個(gè)方案都實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，而且都在電動(dòng)賽車上進(jìn)行了實(shí)測(cè)。選擇2 種方案進(jìn)行對(duì)比，是為了讓學(xué)生充分利用所學(xué)知識(shí)：方案一所涉及的專業(yè)知識(shí)比較全面，方案二體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的實(shí)用性。對(duì)于方案二，學(xué)生們還提出了選擇不同觸點(diǎn)配置繼電器的不同解決方法。通過(guò)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，拓展了學(xué)生們的電路設(shè)計(jì)思路，激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新熱情。