电动车控制器设计方案

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1、电动车控制器设计方案一、电动车控制器的组成部分电动车控制器是电动车整车中的核心部分，其技术性能的优劣直 接影响电动车的正常使用。目前电动车用有刷无刷控制器普遍采用PWM方式，控制器内部必须具有PWM发生器电路，另外还有电源电路、功率器件、功率器件驱动电路、控制部件（转把、制动把、电动 机霍尔元件等）信号的采集与处理电路、过电流与欠电压等保护电路。LLtj/I：it m仏感陌H H： & jMM-* 吕訓线 m 苗；w在电动车控制器中广泛应用，方波驱动最大的缺点在于换相时的 电流突变引起的转矩脉动，导致噪声较大，但好的控制策略可以大大 改善换相噪声。电动车控制器设计的难点在于电流控制，本文就电动

2、 车控制器设计的一些关键地方加以描述。五、电动自行车控制器设计方案电路图1.概述电动自行车上使用的电机普遍采用永磁直流电机。所谓永磁电机， 是指电机线圈采用永磁体激磁，不采用线圈激磁的方式。这样就省去 了激磁线圈工作时消耗的电能，提高了电机机电转换效率，这对使用 车载有限能源的电动车来讲，可以降低行驶电流，延长续行里程。DC*ULDC套耶吒序叫 “I Tr_瑕詁：e iT；永磁直流电机按照电机的通电形式来分，可分为有刷电机和无刷 电机两大类，有刷电机由于采用机械换相装置导致可靠性和寿命降低， 因此逐渐退出电动车市场。无刷电机又可分为有传感器和无传感器两类，对于无位置传感器 的无刷电机，必须要先

3、将车用脚蹬起来，等电机具有一定的旋转速度 以后，控制器才能识别到无刷电机的相位，然后控制器才能对电机供 电。由于无位置传感器无刷电机不能实现零速度启动，所以现在生产 的电动车上用得较少。目前电动车行业内使用的无刷电机，普遍采用 有位置传感器无刷电机。有位置传感器永磁直流无刷电机按照内部传感器的安装位置不同， 又可分为 60 度电机和 120 度电机。在 120的霍尔信号中，不可能出 现二进制000和 111的编码，所以在一定程度上避免了因霍尔零件故障而导致的误操作。因为霍尔组件是开漏输出，高电平依靠电路上的 上拉电阻提供，一旦霍尔零件断电，霍尔信号输出就是 111.一旦霍尔 零件短路，霍尔信号

4、输出就是000，而 60的霍尔信号在正常工作时这 两种信号均会出现，所以一定程度上影响了软件判断故障的准确率。 因此目前市面马达已经逐渐舍弃60相位的霍尔排列。2. 永磁直流电机基本原理2.1. 主回路电路图中ABC表示电机的3相绕组，采用星形接法,V1V6表示功V3率场效应管，如果将V1V6用如下的时序波形驱动，则3相绕组会按 照AB-AC-BC-BA-CA-CB顺序通电（AB表示电流由A相流向B相）， 产生一个旋转的磁场，牵引外转子（永磁体）旋转。导通顺序3. 电动车控制器功能要求*功能性要求：1.电子换相2.无级调速3.刹车断电4.附加功能A.限 速B.1 + 1助力C.EBS柔性电磁刹

5、车D定速巡航E.其它功能（消除换相 噪音，倒车等）*安全性要求：1.限流驱动2.过流保护3.堵转保护 4.电池欠压保护 5.降低温升 6.附加功能（防盗锁死，温升限制等）7.附加故障检测功能从上面的要求来看，功能性要求和安全性要 求的前三项用专用控制芯片用加上适当的外围电路均不难解决，代表 芯片是摩托罗拉的MC33035，早期的控制器方案均用该集成块解决。 但后来随着竞争加剧，很多厂商都增加了不少附加功能，一些附加功 能用硬件来实现就比较困难，所以使用单片机来做控制的控制器迅速 取代了纯硬件的专用控制芯片。但是硬件控制和软件控制有很大的区别，硬件控制的反应速度仅 仅受限于逻辑门的开关速度，而软

6、件的运行则需要指令执行时间。要 使软件跟得上电机控制的需求，就必须要求软件在最短的时间内能够 正确处理换相，电流限制等各种复杂动作，这就涉及到一个对外部信 号的采样频率，采样时机，信号的内部处理判断及处理结果的输出， 还有一些抗干扰措施等，这些都是软件设计中需要仔细考虑的东西。在本方案中，我们采用了一颗集成 PWM 发生器的 8 位单片机 SH79F081,采用优化的单机器周期8051内核，内置16kFlash存储 器，兼容传统 8051 所有硬件资源，采用 JTAG 仿真方式，内置 16.6MHz振荡器，同时扩展了如下功能：*双DPTR指针。16位x8乘 法器和16位/8除法器。*3通道带死

7、区控制PWM，6路输出，输出极性可设，提供周期溢出功能*集成故障检测功能，可瞬时关闭 PWM 输出。*提供硬件抗干扰措施。*集成高速10bitADC.*提供Flash自编程功能，可以模拟用做 EEROM，方便存储参数。这颗IC由于CPU运行速度和AD采样速度都很快，PWM功能强 大，硬件抗干扰功能多，非常适合作电动车控制器。4. 软件实现 下面我们挑选对控制器性能和安全比较重要的功能来讨论编程中 应该注意的问题。4.1. 减小换相噪声 上文已提过，无刷直流电动机方波驱动最大的缺点是换相时电流 不能持续，导致有转矩脉动，因此衡量控制器好坏很大程度上是取决 于换相是否能做好。在电动车刚刚起步的时候

8、我们会发现换相时电机会发出很大的突 突声，这是由于电机起步时电流比较大，而电机是个感性负载，换相 后由于电机线圈电流不会一下增大到换相前的水平，这样就造成换相 前后电流反差非常大，从而导致牵引力的急剧变化，这种变化便会引 起电机强烈振动，这种振动噪声不能完全消除，但可以采取一些措施 减小噪声方法1 :在换相后的一段时间使PWM脉冲占空比达到100% 来使电流增长快一点，从而减轻振动噪声。需要提醒的是在这个过程 中我们需要随时监测电流变化，电流一达到换相前的水平就可以恢复 换相前的 PWM 占空比。方法2 :延迟关闭换相MOS管，方波驱动直流无刷电机是6步驱 动，定子励磁每隔60度电角度跳跃一次

9、，保证定子磁动势方向和转子 磁动势方向夹角在 60到 120之间运行，因为夹角在 90时转动力矩 最大，夹角为0。或180。时没有转矩，现假设电机正转，AB导通要切 换到 AC 导通，此时 AB 绕组通电产生的定子磁势和转子磁势夹角为 60。，如果正常切换到 AC 导通，则 AC 绕组通电后，定子磁势和转子 磁势夹角变为120,由于切换到AC通电后电流要从0开始爬升，因 此此时定子磁势幅值很小，导致转矩降低，但如果此时不关闭B,同时 将下桥C打开，则定子磁势和转子磁势的夹角变为90,而且由于AB 相电流基本没有变化，而 C 相电流还很小，因此换相前后转矩变化很 小，但要注意，等C相电流爬升后要

10、将B相关闭，否则3相导通的合 成力矩比2相导通力矩大,也会发生转矩波动。4.2. 电子刹车:电子刹车其实是将电动机当做发电机机运行,因此会产生电磁制 动转矩，检测到电子刹车信号后，卬u将上三路PWM关闭，将下三 路同时打开,占空比设为某一固定值,这样,电机相当于工作在发电 机状态,给蓄电池充电,充电电流和下三路占空比有关,占空比越大, 则充电电流越大,剎车制动能力越强,由于目前电动车上装配的电子 剎车都是开关信号,使用者无法调整剎车力矩,完全由控制器决定, 不过由电动机的特性,即使占空比固定,电子剎车时转速越高,发电 机感生电压越高,回馈充电能力越强,剎车力矩越大,当然,最好是装配线性剎车传感

11、器，使用者会更方便。4.3. 恒流驱动 电流信号经康铜丝采样之后分两路，一路送至放大器，一路送至 比较器。放大器用来实时放大电流信号，放大倍数大约6.5倍，放大后 的信号提供给单片机进行AD采样转换，转换所得数字用来控制电流不 超过我们所允许的值。另一路信号送至比较器，当电流突然由于某种 原因大大超过允许值，比如一只 MOSFET 击穿或误导通时，比较器翻 转送出低电平，送给79F081的FLT引脚，无需单片机执行程序，IC 硬件会自动关闭PWM输出，从而保护MOSFET避免更大伤害。六、12 管电动车控制器改24管的方法及技巧故障现象：一辆“三安”牌低速电动汽车下坡时，驾驶人误断开 了控制总

12、电源的空气开关，致使无刷直流电动机由于超速而产生的反 电动势不能被电池吸收，控制器超压后损坏。分析与检修：打开控制器察看，发现有8只功率MOS管爆裂，一 只贴片三极管8550击穿。更换损坏的元件后仍无法工作，说明故障未 根除。该车配备4只山东“路娃”牌12V-170型（100AH ）铅酸蓄电 池。电动机额定功率1000W，配备的控制器为徐州开元电子科技有限 公司产品。控制器内有24只TO-220封装的功率MOS管，工作电压 为48V，限制电流为59A，相位角为120。，有倒车功能。笔者手头有 些每只1015元的拆车控制器，如果能利用，则会降低维修成本。 比较了一下，普通电动三轮车上控制器的电压

13、、相位角、倒车和四轮 车相同，只是使用了 12只MOS管，限制电流为28A，额定功率为 500W。如果将12管改成24管，电流翻倍，功率自然不成问题。两 只 500W 电动车控制器直接并联成 1000W 是行不通的，因为不能保 证两只控制器完全同步，必然会爆管。第一，将两只控制器合成一只，信号及推动部分电路只能用一个， 末极功率MOS管并联使用。为避免爆管，并联上去的功率MOS管与 原管子参数相同或接近，管脚离电源滤波电容越近越好，并且最好不 使用引线。要做到结合牢固、焊接简单、不用引线、工作可靠，只有 一个办法，那就是并联上去的 12 只 MOS 管焊在控制器电路板原 12 只MOS管的反面

14、，由于正、反各12只MOS管封装相同、间距相同， 这就实现了栅极、漏极、源极的一一对应焊接。第二，将取样电阻的限流值扩大为原来的 2 倍，该控制器电路板 上的电流取样电阻用的是康铜丝，很容易辨别，如图1所示。原来是2 根，现在要再并接 2 根，让取样电阻的阻值减小一半。当然，也可以 在原康铜丝上面加锡来减小电阻，若改制时用毫欧表测量会更准确。第三，控制器电路板上的电源正、负供电铜箔线要用焊锡堆锡法 适当加粗。该板上的两个1000|jF/63V滤波电容安装位只装了一只， 正好再安装一只，加强滤波功能。正、反安装的MOS管散热片不在同 一平面上，两只控制器铝散热外壳要用角磨机切割开口后，一正、一

15、反安装，见图2。实际上，受控制器体积的限制，即使24只MOS管 装在同一平面也装不下，电路连接也困难。两只控制器组合，另一只 控制器的电路板上只要MOS管和散热铝排。若手头有封装相同而电流 更大的 MOS 管，比如用 IRF3077 ( 75V/210A )或 IRF3077 (75V/180A )等代替75NF75 ( 75V /75A )就会省时省力，可以不 增加管子的数量。【注意】若小功率控制器散热不够，可通过加设风扇或换大铝质 外壳来提高散热能力。当然，既增加管子的数量，又加大管子的参数 效果会更好。装好的电动车控制器模拟试车没有发现任何问题，路试的结果也 令人满意，说明改制思路可行。用霍尔库仑计观察行车电流：平路上 最大电流为28A左右，急加速和爬坡时电流为55A，下坡滑行时电动 机向蓄电池反充电电流最大为22A。在12弋气温下，连续行车在山区、 丘陵、平原公路共50 公里，手摸控制器外壳还是冷冷的，说明改制效 果较好。为了行车无后顾之忧，有些车友带一只备用控制器是有道理 的，因为电动车蓄电池在寿命期以内突然损坏的可能性很小，在不超 载的情况下电动机也不易损坏，并且低速电动汽车没空挡，控制器损 坏后推车电磁阻力大，要拖车前还要断开电动机的三根相线，所以控 制器坏了很麻烦。