论文部分内容阅读
摘要：电动车以零污染、高性能、低噪音等优点得到了各国政府的大力支持，从而电动车行业有了突飞猛进的发展。当今国内外纯电动车采用的驱动电机主要分为异步电机、开关磁阻电机和无刷直流电机，而无刷直流电机具有工作效率高、技术成熟可靠以及成本低的优点，能更好的满足电动车用驱动电机的性能要求，本文主要探讨了小型电动车无刷直流电机控制器的优化设计工作。
关键词：电动车;控制器;优化设计
无刷直流电机控制系统有三种结构形式：模拟式、数字式和电机专用控制芯片。其中模拟式控制系统结构复杂且控制繁琐，现已逐步淘汰。电机专用控制芯片虽然性能优异，但往往价格昂贵。单片机为核心的数字式控制系统工作稳定、价格又比较为低廉的控制器非常适用于控制要求精度不高的场合。本文用PIC16C74单片机作为主控芯片，它不仅克服了有刷直流电机的噪音、换向火花等缺点，而且避免了有位置传感器直流无刷电机因位置传感器带来的不足;同时，它降低了制造和使用过程中的成本，提高了使用和维护的方便性，具有效率高、环保、经济和方便的特点以及具有良好运行性能和巨大的市场潜力。
一、概述
控制器作为电动车的关键部件，其技术日臻成熟，但是仍然有一些问题有待解决。其中一个普遍的现象就是，电动车在上坡时速度减小而电流增大。在由上坡驶入平路或下坡的情况下由于阻力突然减小甚至消失，而驱动电流仍然较大，使得速度会快速增大，出现所谓的“过冲”现象。我们把这种现象叫做上坡“过冲”。这种情况会给操作者带来不适且有一定的危险性。为了减轻或者消除这种现象，有必要对设计做些改进。
二、电路构成
使用无刷电动机的电动自行车控制器主要分为以使用专用控制芯片为核心的纯硬件电路控制器（例如以 MC33035 为核心的控制器）和以 MCU 为核心的控制器（例如以 AT89S2051、P87LPC767、STCl2C5410AD 等为核心的控制器）。采用的直流无刷电机多半是三相电机，电角度有 60°和 120°两种。电机极数大部分为 18 极，也有 16 极、20 极等。
图 1 是一款以 AT89S52 为核心的一个控制器电路框图，电动机是电角度为 120°直流无刷三相电动机。该电路中单片机接收电源电压检测信号、刹车信号、电机电流检测信号、转把（调速）信号、电机转速检测信号、转子位置检测信号等，判断电动机转速是否符合要求、三相绕组 A、B、C 与位置信号 a、b、c 之间的对应关系是否正确等，动态的输出 PWM 形式的控制信号，控制相应的功率驱动管的导通或关断，控制电动机的起动或停止、加速或减速等，并输出各种指示信号，如刹车信号、左转/右转信号、欠压报警信号等。对于采用 MCU 为核心的控制器，一般的是以软件编程来实现。
三、软件分析
初始化之后，接着检测电池电压以判断是否低电压，如果低电压，将起动欠压保护。如果电池电压正常，接着接收转把信号以判断操作者设定的速度大小，调整 PWM 脉冲的宽度以调整电动机速度。电动机通电后，控制器接收电流检测信号、霍尔转速及相序信号、刹车信号等，判断电动机是否正常运转、电路是否正常工作，动态输出 PWM 驱动控制信号，调整车速使之逐渐达到操作者设定的速度。在有异常时采取保护措施直至断开电源。
四、问题和改进
1问题：单片机接收转速信号和电流检测信号，根据转把速度信号输出 PWM 控制信号去调整电机转速和限流，好像能够实现速度的稳定控制。实际上，当转把位置确定后，在上坡时速度会减小而电流会增大，且坡度越陡速度会越慢而电流会越大;当上坡结束转为平路或转为下坡时，往往會出现车速突然地快速增大的现象。我们将这种现象叫做“过冲”。这种情况每次都会在加速了一段之后才来得及调整转把，使得操作者对车速难以把握，而且上坡之后速度快速增大具有一定的危险性。
2原因分析：上坡时由于阻力的作用，速度难以提升到用户设定的值甚至越来越慢。但在上坡转为水平路面或下坡时，单片机会依然根据转把速度指令来调整 PWM 控制信号，力求使车速达到操作者设定的数值，电机驱动电流依然维持在较大的数值上;由于转为水平路面或下坡时阻力突然减小（甚至重力变为动力），车速便会突然的快速增大。
3改进措施：一是要求用户在上坡时尽可能的使用低速，使用脚踏助力;二是对硬件电路做些改进，在“过冲”时将驱动电流立即降下来;三是对软件进行改进。对于 MCU 为核心的控制器，增加对电流增减和速度增减的判断。在“过冲”时不执行转把速度信号指令而改为“定速控制”。根据上述思路将软件控制流程进行修改。将“速度增大而电流不增”作为“过冲”的判断依据。控制器持续检测速度变化和电流变化，再经过判断，如果不属于“过冲”的情况，则执行子程序“调速控制”。这种情况下控制器检测转把电压值来调整 PWM，增大或减小电流值使速度变化直至达到操作者通过转把设定的速度值。
如果属于“过冲”的情况，则执行子程序“定速控制”。在这种情况下，控制器完全根据对速度的检测来调整 PWM，力求使车速保持不变。在“过冲”时电流会迅速减小而保持原有的速度不变。在定速控制期间要持续的检测速度和电流，在两种情况下会结束“定速控制”而返回去检测转把电压并调速：一种情况是车子已结束“过冲”，经过判断已退出“过冲”状态;另一种情况是达到了预先设定的“过冲定速控制时间”。这个时间长度为 1～3 秒即可。为了保证“过冲”期间的及时刹车，在“定速控制”期要进行刹车检测。
一些其它问题也值得注意。很多控制器只有单闭环控制，性能不佳。在路面情况变化大的时候，电流变化很大。这对电机和电池都是不利的。在硬件方面应改用双闭环控制电路，在软件方面应该增加对具体情况的判断。对于双闭环控制系统（无刷：转速/电流双闭环，有刷：电压/电流双闭环）来说，由于电流环存在，可以对电流大小进行限制以及限制电流的变化速度，既可以保护电动车在处于各种正常运行情况下最大电流输出值不会超出设定的电流限幅值，还可以使电机实现最理想的启动过程和加速过程、以及平稳的电流变化;速度闭环控制则可以限制速度的快速变化（现在的电动自行车不宜追求快速起动性能）。对于单片机控制器来说，可以同时在软件中进行改进。
五、结束语
本文对于电动车行驶中“过冲”现象从硬件和软件两方面入手进行了改进。对于硬件的改进，应该使用双闭环控制。对于软件的改进，通过判断是否为“过冲”来选择不同的程序运行。对于“过冲”情况使用“定速控制”，对于非“过冲”情况，使用“调速控制”。关于“过冲恒速控制时间”、“过冲检测有效时间”的合理数值还需进一步研究。
关键词：电动车;控制器;优化设计
无刷直流电机控制系统有三种结构形式：模拟式、数字式和电机专用控制芯片。其中模拟式控制系统结构复杂且控制繁琐，现已逐步淘汰。电机专用控制芯片虽然性能优异，但往往价格昂贵。单片机为核心的数字式控制系统工作稳定、价格又比较为低廉的控制器非常适用于控制要求精度不高的场合。本文用PIC16C74单片机作为主控芯片，它不仅克服了有刷直流电机的噪音、换向火花等缺点，而且避免了有位置传感器直流无刷电机因位置传感器带来的不足;同时，它降低了制造和使用过程中的成本，提高了使用和维护的方便性，具有效率高、环保、经济和方便的特点以及具有良好运行性能和巨大的市场潜力。
一、概述
控制器作为电动车的关键部件，其技术日臻成熟，但是仍然有一些问题有待解决。其中一个普遍的现象就是，电动车在上坡时速度减小而电流增大。在由上坡驶入平路或下坡的情况下由于阻力突然减小甚至消失，而驱动电流仍然较大，使得速度会快速增大，出现所谓的“过冲”现象。我们把这种现象叫做上坡“过冲”。这种情况会给操作者带来不适且有一定的危险性。为了减轻或者消除这种现象，有必要对设计做些改进。
二、电路构成
使用无刷电动机的电动自行车控制器主要分为以使用专用控制芯片为核心的纯硬件电路控制器（例如以 MC33035 为核心的控制器）和以 MCU 为核心的控制器（例如以 AT89S2051、P87LPC767、STCl2C5410AD 等为核心的控制器）。采用的直流无刷电机多半是三相电机，电角度有 60°和 120°两种。电机极数大部分为 18 极，也有 16 极、20 极等。
图 1 是一款以 AT89S52 为核心的一个控制器电路框图，电动机是电角度为 120°直流无刷三相电动机。该电路中单片机接收电源电压检测信号、刹车信号、电机电流检测信号、转把（调速）信号、电机转速检测信号、转子位置检测信号等，判断电动机转速是否符合要求、三相绕组 A、B、C 与位置信号 a、b、c 之间的对应关系是否正确等，动态的输出 PWM 形式的控制信号，控制相应的功率驱动管的导通或关断，控制电动机的起动或停止、加速或减速等，并输出各种指示信号，如刹车信号、左转/右转信号、欠压报警信号等。对于采用 MCU 为核心的控制器，一般的是以软件编程来实现。
三、软件分析
初始化之后，接着检测电池电压以判断是否低电压，如果低电压，将起动欠压保护。如果电池电压正常，接着接收转把信号以判断操作者设定的速度大小，调整 PWM 脉冲的宽度以调整电动机速度。电动机通电后，控制器接收电流检测信号、霍尔转速及相序信号、刹车信号等，判断电动机是否正常运转、电路是否正常工作，动态输出 PWM 驱动控制信号，调整车速使之逐渐达到操作者设定的速度。在有异常时采取保护措施直至断开电源。
四、问题和改进
1问题：单片机接收转速信号和电流检测信号，根据转把速度信号输出 PWM 控制信号去调整电机转速和限流，好像能够实现速度的稳定控制。实际上，当转把位置确定后，在上坡时速度会减小而电流会增大，且坡度越陡速度会越慢而电流会越大;当上坡结束转为平路或转为下坡时，往往會出现车速突然地快速增大的现象。我们将这种现象叫做“过冲”。这种情况每次都会在加速了一段之后才来得及调整转把，使得操作者对车速难以把握，而且上坡之后速度快速增大具有一定的危险性。
2原因分析：上坡时由于阻力的作用，速度难以提升到用户设定的值甚至越来越慢。但在上坡转为水平路面或下坡时，单片机会依然根据转把速度指令来调整 PWM 控制信号，力求使车速达到操作者设定的数值，电机驱动电流依然维持在较大的数值上;由于转为水平路面或下坡时阻力突然减小（甚至重力变为动力），车速便会突然的快速增大。
3改进措施：一是要求用户在上坡时尽可能的使用低速，使用脚踏助力;二是对硬件电路做些改进，在“过冲”时将驱动电流立即降下来;三是对软件进行改进。对于 MCU 为核心的控制器，增加对电流增减和速度增减的判断。在“过冲”时不执行转把速度信号指令而改为“定速控制”。根据上述思路将软件控制流程进行修改。将“速度增大而电流不增”作为“过冲”的判断依据。控制器持续检测速度变化和电流变化，再经过判断，如果不属于“过冲”的情况，则执行子程序“调速控制”。这种情况下控制器检测转把电压值来调整 PWM，增大或减小电流值使速度变化直至达到操作者通过转把设定的速度值。
如果属于“过冲”的情况，则执行子程序“定速控制”。在这种情况下，控制器完全根据对速度的检测来调整 PWM，力求使车速保持不变。在“过冲”时电流会迅速减小而保持原有的速度不变。在定速控制期间要持续的检测速度和电流，在两种情况下会结束“定速控制”而返回去检测转把电压并调速：一种情况是车子已结束“过冲”，经过判断已退出“过冲”状态;另一种情况是达到了预先设定的“过冲定速控制时间”。这个时间长度为 1～3 秒即可。为了保证“过冲”期间的及时刹车，在“定速控制”期要进行刹车检测。
一些其它问题也值得注意。很多控制器只有单闭环控制，性能不佳。在路面情况变化大的时候，电流变化很大。这对电机和电池都是不利的。在硬件方面应改用双闭环控制电路，在软件方面应该增加对具体情况的判断。对于双闭环控制系统（无刷：转速/电流双闭环，有刷：电压/电流双闭环）来说，由于电流环存在，可以对电流大小进行限制以及限制电流的变化速度，既可以保护电动车在处于各种正常运行情况下最大电流输出值不会超出设定的电流限幅值，还可以使电机实现最理想的启动过程和加速过程、以及平稳的电流变化;速度闭环控制则可以限制速度的快速变化（现在的电动自行车不宜追求快速起动性能）。对于单片机控制器来说，可以同时在软件中进行改进。
五、结束语
本文对于电动车行驶中“过冲”现象从硬件和软件两方面入手进行了改进。对于硬件的改进，应该使用双闭环控制。对于软件的改进，通过判断是否为“过冲”来选择不同的程序运行。对于“过冲”情况使用“定速控制”，对于非“过冲”情况，使用“调速控制”。关于“过冲恒速控制时间”、“过冲检测有效时间”的合理数值还需进一步研究。