中心議題：

• 電動(dòng)車(chē)控制器的電路構成
• 電動(dòng)車(chē)控制器電路的軟件分析
• 電動(dòng)車(chē)控制器的改進(jìn)措施

解決方案：

• 雙閉環(huán)控制
• 判斷是否為“過(guò)沖”來(lái)選擇不同的程序運行

電動(dòng)車(chē)在上坡時(shí)速度會(huì )減小而電流會(huì )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(dòng)電流仍然較大，使得速度會(huì )快速增大，出現所謂的“過(guò)沖”現象。這給操作者帶來(lái)不適且有一定的危險性。為了減輕或消除“過(guò)沖”現象，從硬件和軟件兩方面做出改進(jìn)。對于非“過(guò)沖”時(shí)使用“調速控制”，通過(guò)調整驅動(dòng)電流，力求使速度達到操作者通過(guò)轉把設定的速度，并進(jìn)行雙閉環(huán)控制以克服復雜的路況變化。在“過(guò)沖”時(shí)采用“定速控制”，依據速度信號來(lái)調整驅動(dòng)電流，在設定的時(shí)間內使速度保持不變。

調速控制控制器作為電動(dòng)車(chē)的關(guān)鍵部件，其技術(shù)日臻成熟，但是仍然有一些問(wèn)題有待解決。其中一個(gè)普遍的現象就是，電動(dòng)車(chē)在上坡時(shí)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(dòng)電流仍然較大，使得速度會(huì )快速增大，出現所謂的“過(guò)沖”現象。我們把這種現象叫做上坡“過(guò)沖”。這種情況會(huì )給操作者帶來(lái)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(jìn)。

1 電路構成

使用無(wú)刷電動(dòng)機的電動(dòng)自行車(chē)控制器主要分為以使用專(zhuān)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(wú)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(gè)控制器電路框圖，電動(dòng)機是電角度為120°直流無(wú)刷三相電動(dòng)機。該電路中單片機接收電源電壓檢測信號、剎車(chē)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(dòng)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(guān)系是否正確等，動(dòng)態(tài)的輸出PWM 形式的控制信號，控制相應的功率驅動(dòng)管的導通或關(guān)斷，控制電動(dòng)機的起動(dòng)或停止、加速或減速等，并輸出各種指示信號，如剎車(chē)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(lái)實(shí)現。

1）轉把的形式、信號特征：轉把（轉速）信號是操作者發(fā)出的速度控制指令信號。此電動(dòng)自行車(chē)使用“霍耳轉把”。以5V 供電、正把、輸出信號為1.1～4.2V。轉動(dòng)轉把，改變了霍耳元件周?chē)拇艌?chǎng)強度，也就改變了霍耳轉把的輸出電壓。

2）閘把的形式、剎車(chē)信號特征：電動(dòng)車(chē)閘把上有閘把位置傳感元件，在捏剎車(chē)把動(dòng)作時(shí)，將剎車(chē)信號傳給控制器，控制器接收到剎車(chē)信號后，立即停止對電機的供電。
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3）直流無(wú)刷電機的驅動(dòng)控制：參見(jiàn)圖1，此電路采用三相無(wú)刷直流電機。3 個(gè)霍爾位置傳感器的空間間距為120o，輸出信號a、b、c最終送給單片機作為轉子位置檢測信號及測速信號。其中A 相末級電路如圖2 所示，在驅動(dòng)電路中設置了電流檢測。單片機根據霍爾轉速信號和電流檢測信號，經(jīng)過(guò)分析判斷，輸出正確的PWM 控制信號給相應的線(xiàn)圈通電，從而控制電動(dòng)機的起動(dòng)、停止及轉速等。

4）欠壓保護和過(guò)流保護：當電池電壓降低到控制器設定值以下時(shí)，單片機停止PWM 信號的輸出，以保護電池不至于在低電壓情況下放電。

限流保護（或過(guò)流保護）電路對控制器輸出的最大電流進(jìn)行限制，以保護電池、控制器、電動(dòng)機等不會(huì )出現允許范圍以上的電流。

一個(gè)最基本的電動(dòng)車(chē)用無(wú)刷電機控制器所需要實(shí)現的功能一般包括欠壓保護、過(guò)流保護、調速、剎車(chē)、斷相保護、軟啟動(dòng)等，近年來(lái)還有一些實(shí)用且流行的功能如定速巡航、ABS 剎車(chē)再生制動(dòng)、1:1 助力等等。

2 軟件分析

初始化之后，接著(zhù)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。如果電池電壓正常，接著(zhù)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(dòng)機速度。電動(dòng)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(chē)信號等，判斷電動(dòng)機是否正常運轉、電路是否正常工作，動(dòng)態(tài)輸出PWM 驅動(dòng)控制信號，調整車(chē)速使之逐漸達到操作者設定的速度。在有異常時(shí)采取保護措施直至斷開(kāi)電源。

3 問(wèn)題和改進(jìn)

1）問(wèn)題：?jiǎn)纹瑱C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(shí)現速度的穩定控制。實(shí)際上，當轉把位置確定后，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；當上坡結束轉為平路或轉為下坡時(shí)，往往會(huì )出現車(chē)速突然地快速增大的現象。我們將這種現象叫做“過(guò)沖”。這種情況每次都會(huì )在加速了一段之后才來(lái)得及調整轉把，使得操作者對車(chē)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(shí)由于阻力的作用，速度難以提升到用戶(hù)設定的值甚至越來(lái)越慢。但在上坡轉為水平路面或下坡時(shí)，單片機會(huì )依然根據轉把速度指令來(lái)調整PWM 控制信號，力求使車(chē)速達到操作者設定的數值，電機驅動(dòng)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(shí)阻力突然減?。ㄉ踔林亓ψ?yōu)閯?dòng)力），車(chē)速便會(huì )突然的快速增大。

3）改進(jìn)措施：一是要求用戶(hù)在上坡時(shí)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(jìn)，在“過(guò)沖”時(shí)將驅動(dòng)電流立即降下來(lái)；三是對軟件進(jìn)行改進(jìn)。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(guò)沖”時(shí)不執行轉把速度信號指令而改為“定速控制”。
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根據上述思路將軟件控制流程進(jìn)行修改。如圖3 所示。將“速度增大而電流不增”作為“過(guò)沖”的判斷依據?？刂破鞒掷m檢測速度變化和電流變化，再經(jīng)過(guò)判斷，如果不屬于“過(guò)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(lái)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(guò)轉把設定的速度值。

如果屬于“過(guò)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(lái)調整PWM，力求使車(chē)速保持不變。在“過(guò)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的檢測速度和電流，在兩種情況下會(huì )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(chē)子已結束“過(guò)沖”，經(jīng)過(guò)判斷已退出“過(guò)沖”狀態(tài)；另一種情況是達到了預先設定的“過(guò)沖定速控制時(shí)間”。這個(gè)時(shí)間長(cháng)度為1~3 秒即可。為了保證“過(guò)沖”期間的及時(shí)剎車(chē)，在“定速控制”期要進(jìn)行剎車(chē)檢測。

一些其它問(wèn)題也值得注意。例如：很多電動(dòng)車(chē)的欠壓保護有效性不夠好。有些控制器在電壓低于設定值時(shí)就關(guān)閉的電源，而當電壓升起來(lái)超過(guò)該設定值時(shí)又打開(kāi)電源，這容易使用戶(hù)利用蓄電池的回升電壓工作，從而造成蓄電池過(guò)放電。為了防范這個(gè)問(wèn)題，欠壓比較硬件設計成電壓滯環(huán)自鎖比較。欠壓保護分為兩級，第一級保護時(shí)輸出欠壓報警信號、限制電流的大小。第二級保護是完全關(guān)閉電動(dòng)機驅動(dòng)和照明。本例中由“欠壓處理”子程序完成判斷和處理。

再如，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。這對電機和電池都是不利的。在硬件方面應改用雙閉環(huán)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(huán)控制系統（無(wú)刷：轉速/電流雙閉環(huán)，有刷：電壓/電流雙閉環(huán)）來(lái)說(shuō)，由于電流環(huán)存在，可以對電流大小進(jìn)行限制以及限制電流的變化速度，即可以保護電動(dòng)車(chē)在處于各種正常運行情況下最大電流輸出值不會(huì )超出設定的電流限幅值， 還可以使電機實(shí)現最理想的啟動(dòng)過(guò)程和加速過(guò)程、以及平穩的電流變化；速度閉環(huán)控制則可以限制速度的快速變化（現在的電動(dòng)自行車(chē)不宜追求快速起動(dòng)性能）。對于單片機控制器來(lái)說(shuō)，可以同時(shí)在軟件中進(jìn)行改進(jìn)。本例中在子程序“調速控制”中設置電流變化速率的限制，不允許電流的快速變化。

為了避免在子程序“調速控制”和“定速控制”之間的頻繁切換，在“定速控制”中設置“過(guò)沖檢測有效時(shí)間”。比如0.3 秒，在這個(gè)時(shí)間內不看做“過(guò)沖”而繼續運行“定速控制”。

4 結束語(yǔ)

本文對于電動(dòng)車(chē)行駛中“過(guò)沖”現象從硬件和軟件兩方面入手進(jìn)行了改進(jìn)。對于硬件的改進(jìn)，應該使用雙閉環(huán)控制。對于軟件的改進(jìn)，通過(guò)判斷是否為“過(guò)沖”來(lái)選擇不同的程序運行。對于“過(guò)沖”情況使用“定速控制”，對于非“過(guò)沖”情況，使用“調速控制”。關(guān)于“過(guò)沖恒速控制時(shí)間”、“過(guò)沖檢測有效時(shí)間”的合理數值還需進(jìn)一步研究。