小型電動車控制器的優化設計實現

周康

摘要：電動車以零污染、高性能、低噪音等優點得到了各國政府的大力支持，從而電動車行業有了突飛猛進的發展。當今國內外純電動車采用的驅動電機主要分為異步電機、開關磁阻電機和無刷直流電機，而無刷直流電機具有工作效率高、技術成熟可靠以及成本低的優點，能更好的滿足電動車用驅動電機的性能要求，本文主要探討了小型電動車無刷直流電機控制器的優化設計工作。

關鍵詞：電動車;控制器;優化設計

無刷直流電機控制系統有三種結構形式：模擬式、數字式和電機專用控制芯片。其中模擬式控制系統結構復雜且控制繁瑣，現已逐步淘汰。電機專用控制芯片雖然性能優異，但往往價格昂貴。單片機為核心的數字式控制系統工作穩定、價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單片機作為主控芯片，它不僅克服了有刷直流電機的噪音、換向火花等缺點，而且避免了有位置傳感器直流無刷電機因位置傳感器帶來的不足;同時，它降低了制造和使用過程中的成本，提高了使用和維護的方便性，具有效率高、環保、經濟和方便的特點以及具有良好運行性能和巨大的市場潛力。

一、概述

控制器作為電動車的關鍵部件，其技術日臻成熟，但是仍然有一些問題有待解決。其中一個普遍的現象就是，電動車在上坡時速度減小而電流增大。在由上坡駛入平路或下坡的情況下由于阻力突然減小甚至消失，而驅動電流仍然較大，使得速度會快速增大，出現所謂的“過沖”現象。我們把這種現象叫做上坡“過沖”。這種情況會給操作者帶來不適且有一定的危險性。為了減輕或者消除這種現象，有必要對設計做些改進。

二、電路構成

使用無刷電動機的電動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多半是三相電機，電角度有 60°和 120°兩種。電機極數大部分為 18 極，也有 16 極、20 極等。

圖 1 是一款以 AT89S52 為核心的一個控制器電路框圖，電動機是電角度為 120°直流無刷三相電動機。該電路中單片機接收電源電壓檢測信號、剎車信號、電機電流檢測信號、轉把（調速）信號、電機轉速檢測信號、轉子位置檢測信號等，判斷電動機轉速是否符合要求、三相繞組 A、B、C 與位置信號 a、b、c 之間的對應關系是否正確等，動態的輸出 PWM 形式的控制信號，控制相應的功率驅動管的導通或關斷，控制電動機的起動或停止、加速或減速等，并輸出各種指示信號，如剎車信號、左轉/右轉信號、欠壓報警信號等。對于采用 MCU 為核心的控制器，一般的是以軟件編程來實現。

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，將起動欠壓保護。如果電池電壓正常，接著接收轉把信號以判斷操作者設定的速度大小，調整 PWM 脈沖的寬度以調整電動機速度。電動機通電后，控制器接收電流檢測信號、霍爾轉速及相序信號、剎車信號等，判斷電動機是否正常運轉、電路是否正常工作，動態輸出 PWM 驅動控制信號，調整車速使之逐漸達到操作者設定的速度。在有異常時采取保護措施直至斷開電源。

四、問題和改進

1問題：單片機接收轉速信號和電流檢測信號，根據轉把速度信號輸出 PWM 控制信號去調整電機轉速和限流，好像能夠實現速度的穩定控制。實際上，當轉把位置確定后，在上坡時速度會減小而電流會增大，且坡度越陡速度會越慢而電流會越大;當上坡結束轉為平路或轉為下坡時，往往會出現車速突然地快速增大的現象。我們將這種現象叫做“過沖”。這種情況每次都會在加速了一段之后才來得及調整轉把，使得操作者對車速難以把握，而且上坡之后速度快速增大具有一定的危險性。

2原因分析：上坡時由于阻力的作用，速度難以提升到用戶設定的值甚至越來越慢。但在上坡轉為水平路面或下坡時，單片機會依然根據轉把速度指令來調整 PWM 控制信號，力求使車速達到操作者設定的數值，電機驅動電流依然維持在較大的數值上;由于轉為水平路面或下坡時阻力突然減?。ㄉ踔林亓ψ優閯恿Γ?，車速便會突然的快速增大。

3改進措施：一是要求用戶在上坡時盡可能的使用低速，使用腳踏助力;二是對硬件電路做些改進，在“過沖”時將驅動電流立即降下來;三是對軟件進行改進。對于 MCU 為核心的控制器，增加對電流增減和速度增減的判斷。在“過沖”時不執行轉把速度信號指令而改為“定速控制”。根據上述思路將軟件控制流程進行修改。將“速度增大而電流不增”作為“過沖”的判斷依據?？刂破鞒掷m檢測速度變化和電流變化，再經過判斷，如果不屬于“過沖”的情況，則執行子程序“調速控制”。這種情況下控制器檢測轉把電壓值來調整 PWM，增大或減小電流值使速度變化直至達到操作者通過轉把設定的速度值。

如果屬于“過沖”的情況，則執行子程序“定速控制”。在這種情況下，控制器完全根據對速度的檢測來調整 PWM，力求使車速保持不變。在“過沖”時電流會迅速減小而保持原有的速度不變。在定速控制期間要持續的檢測速度和電流，在兩種情況下會結束“定速控制”而返回去檢測轉把電壓并調速：一種情況是車子已結束“過沖”，經過判斷已退出“過沖”狀態;另一種情況是達到了預先設定的“過沖定速控制時間”。這個時間長度為 1～3 秒即可。為了保證“過沖”期間的及時剎車，在“定速控制”期要進行剎車檢測。

一些其它問題也值得注意。很多控制器只有單閉環控制，性能不佳。在路面情況變化大的時候，電流變化很大。這對電機和電池都是不利的。在硬件方面應改用雙閉環控制電路，在軟件方面應該增加對具體情況的判斷。對于雙閉環控制系統（無刷：轉速/電流雙閉環，有刷：電壓/電流雙閉環）來說，由于電流環存在，可以對電流大小進行限制以及限制電流的變化速度，既可以保護電動車在處于各種正常運行情況下最大電流輸出值不會超出設定的電流限幅值，還可以使電機實現最理想的啟動過程和加速過程、以及平穩的電流變化;速度閉環控制則可以限制速度的快速變化（現在的電動自行車不宜追求快速起動性能）。對于單片機控制器來說，可以同時在軟件中進行改進。

五、結束語

本文對于電動車行駛中“過沖”現象從硬件和軟件兩方面入手進行了改進。對于硬件的改進，應該使用雙閉環控制。對于軟件的改進，通過判斷是否為“過沖”來選擇不同的程序運行。對于“過沖”情況使用“定速控制”，對于非“過沖”情況，使用“調速控制”。關于“過沖恒速控制時間”、“過沖檢測有效時間”的合理數值還需進一步研究。