中心議題：
- 電動(dòng)車控制器的電路構(gòu)成
- 電動(dòng)車控制器電路的軟件分析
- 電動(dòng)車控制器的改進(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(yùn)行
電動(dòng)車在上坡時(shí)速度會(huì)減小而電流會(huì)增大，在由上坡駛?cè)肫铰坊蛳缕碌那闆r下由于阻力突然減小甚至消失，而驅(qū)動(dòng)電流仍然較大，使得速度會(huì)快速增大，出現(xiàn)所謂的“過(guò)沖”現(xiàn)象。這給操作者帶來(lái)不適且有一定的危險(xiǎn)性。為了減輕或消除“過(guò)沖”現(xiàn)象，從硬件和軟件兩方面做出改進(jìn)。對(duì)于非“過(guò)沖”時(shí)使用“調(diào)速控制”，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流，力求使速度達(dá)到操作者通過(guò)轉(zhuǎn)把設(shè)定的速度，并進(jìn)行雙閉環(huán)控制以克服復(fù)雜的路況變化。在“過(guò)沖”時(shí)采用“定速控制”，依據(jù)速度信號(hào)來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)使速度保持不變。
調(diào)速控制控制器作為電動(dòng)車的關(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(xiàn)象就是，電動(dòng)車在上坡時(shí)速度減小而電流增大。在由上坡駛?cè)肫铰坊蛳缕碌那闆r下由于阻力突然減小甚至消失，而驅(qū)動(dòng)電流仍然較大，使得速度會(huì)快速增大，出現(xiàn)所謂的“過(guò)沖”現(xiàn)象。我們把這種現(xiàn)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(xiǎn)性。為了減輕或者消除這種現(xiàn)象，有必要對(duì)設(shè)計(jì)做些改進(jìn)。
1 電路構(gòu)成
使用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)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(wú)刷電機(jī)多半是三相電機(jī)，電角度有60°和120°兩種。電機(jī)極數(shù)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(jī)是電角度為120°直流無(wú)刷三相電動(dòng)機(jī)。該電路中單片機(jī)接收電源電壓檢測(cè)信號(hào)、剎車信號(hào)、電機(jī)電流檢測(cè)信號(hào)、轉(zhuǎn)把（調(diào)速）信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)等，判斷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否符合要求、三相繞組A、B、C 與位置信號(hào)a、b、c 之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是否正確等，動(dòng)態(tài)的輸出PWM 形式的控制信號(hào)，控制相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)管的導(dǎo)通或關(guān)斷，控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)或停止、加速或減速等，并輸出各種指示信號(hào)，如剎車信號(hào)、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)信號(hào)、欠壓報(bào)警信號(hào)等。對(duì)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(xiàn)。
1）轉(zhuǎn)把的形式、信號(hào)特征：轉(zhuǎn)把（轉(zhuǎn)速）信號(hào)是操作者發(fā)出的速度控制指令信號(hào)。此電動(dòng)自行車使用“霍耳轉(zhuǎn)把”。以5V 供電、正把、輸出信號(hào)為1.1～4.2V。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，改變了霍耳元件周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度，也就改變了霍耳轉(zhuǎn)把的輸出電壓。
2）閘把的形式、剎車信號(hào)特征：電動(dòng)車閘把上有閘把位置傳感元件，在捏剎車把動(dòng)作時(shí)，將剎車信號(hào)傳給控制器，控制器接收到剎車信號(hào)后，立即停止對(duì)電機(jī)的供電。
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3）直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制：參見(jiàn)圖1，此電路采用三相無(wú)刷直流電機(jī)。3 個(gè)霍爾位置傳感器的空間間距為120o，輸出信號(hào)a、b、c最終送給單片機(jī)作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)及測(cè)速信號(hào)。其中A 相末級(jí)電路如圖2 所示，在驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置了電流檢測(cè)。單片機(jī)根據(jù)霍爾轉(zhuǎn)速信號(hào)和電流檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)分析判斷，輸出正確的PWM 控制信號(hào)給相應(yīng)的線圈通電，從而控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止及轉(zhuǎn)速等。
4）欠壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)：當(dāng)電池電壓降低到控制器設(shè)定值以下時(shí)，單片機(jī)停止PWM 信號(hào)的輸出，以保護(hù)電池不至于在低電壓情況下放電。
限流保護(hù)（或過(guò)流保護(hù)）電路對(duì)控制器輸出的最大電流進(jìn)行限制，以保護(hù)電池、控制器、電動(dòng)機(jī)等不會(huì)出現(xiàn)允許范圍以上的電流。
一個(gè)最基本的電動(dòng)車用無(wú)刷電機(jī)控制器所需要實(shí)現(xiàn)的功能一般包括欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、調(diào)速、剎車、斷相保護(hù)、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 剎車再生制動(dòng)、1:1 助力等等。
2 軟件分析
初始化之后，接著檢測(cè)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(hù)。如果電池電壓正常，接著接收轉(zhuǎn)把信號(hào)以判斷操作者設(shè)定的速度大小，調(diào)整PWM 脈沖的寬度以調(diào)整電動(dòng)機(jī)速度。電動(dòng)機(jī)通電后，控制器接收電流檢測(cè)信號(hào)、霍爾轉(zhuǎn)速及相序信號(hào)、剎車信號(hào)等，判斷電動(dòng)機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、電路是否正常工作，動(dòng)態(tài)輸出PWM 驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，調(diào)整車速使之逐漸達(dá)到操作者設(shè)定的速度。在有異常時(shí)采取保護(hù)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(jī)接收轉(zhuǎn)速信號(hào)和電流檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)轉(zhuǎn)把速度信號(hào)輸出PWM 控制信號(hào)去調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和限流，好像能夠?qū)崿F(xiàn)速度的穩(wěn)定控制。實(shí)際上，當(dāng)轉(zhuǎn)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(dāng)上坡結(jié)束轉(zhuǎn)為平路或轉(zhuǎn)為下坡時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)車速突然地快速增大的現(xiàn)象。我們將這種現(xiàn)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(diào)整轉(zhuǎn)把，使得操作者對(duì)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(xiǎn)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設(shè)定的值甚至越來(lái)越慢。但在上坡轉(zhuǎn)為水平路面或下坡時(shí)，單片機(jī)會(huì)依然根據(jù)轉(zhuǎn)把速度指令來(lái)調(diào)整PWM 控制信號(hào)，力求使車速達(dá)到操作者設(shè)定的數(shù)值，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流依然維持在較大的數(shù)值上；由于轉(zhuǎn)為水平路面或下坡時(shí)阻力突然減小（甚至重力變?yōu)閯?dòng)力），車速便會(huì)突然的快速增大。
3）改進(jìn)措施：一是要求用戶在上坡時(shí)盡可能的使用低速，使用腳踏助力；二是對(duì)硬件電路做些改進(jìn)，在“過(guò)沖”時(shí)將驅(qū)動(dòng)電流立即降下來(lái)；三是對(duì)軟件進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于MCU 為核心的控制器，增加對(duì)電流增減和速度增減的判斷。在“過(guò)沖”時(shí)不執(zhí)行轉(zhuǎn)把速度信號(hào)指令而改為“定速控制”。
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根據(jù)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(jù)?？刂破鞒掷m(xù)檢測(cè)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(zhí)行子程序“調(diào)速控制”。這種情況下控制器檢測(cè)轉(zhuǎn)把電壓值來(lái)調(diào)整PWM，增大或減小電流值使速度變化直至達(dá)到操作者通過(guò)轉(zhuǎn)把設(shè)定的速度值。
如果屬于“過(guò)沖”的情況，則執(zhí)行子程序“定速控制”。在這種情況下，控制器完全根據(jù)對(duì)速度的檢測(cè)來(lái)調(diào)整PWM，力求使車速保持不變。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(xù)的檢測(cè)速度和電流，在兩種情況下會(huì)結(jié)束“定速控制”而返回去檢測(cè)轉(zhuǎn)把電壓并調(diào)速：一種情況是車子已結(jié)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(dá)到了預(yù)先設(shè)定的“過(guò)沖定速控制時(shí)間”。這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為1~3 秒即可。為了保證“過(guò)沖”期間的及時(shí)剎車，在“定速控制”期要進(jìn)行剎車檢測(cè)。
一些其它問(wèn)題也值得注意。例如：很多電動(dòng)車的欠壓保護(hù)有效性不夠好。有些控制器在電壓低于設(shè)定值時(shí)就關(guān)閉的電源，而當(dāng)電壓升起來(lái)超過(guò)該設(shè)定值時(shí)又打開(kāi)電源，這容易使用戶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(shè)計(jì)成電壓滯環(huán)自鎖比較。欠壓保護(hù)分為兩級(jí)，第一級(jí)保護(hù)時(shí)輸出欠壓報(bào)警信號(hào)、限制電流的大小。第二級(jí)保護(hù)是完全關(guān)閉電動(dòng)機(jī)驅(qū)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(duì)電機(jī)和電池都是不利的。在硬件方面應(yīng)改用雙閉環(huán)控制電路，在軟件方面應(yīng)該增加對(duì)具體情況的判斷。對(duì)于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)（無(wú)刷：轉(zhuǎn)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(duì)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(hù)電動(dòng)車在處于各種正常運(yùn)行情況下最大電流輸出值不會(huì)超出設(shè)定的電流限幅值， 還可以使電機(jī)實(shí)現(xiàn)最理想的啟動(dòng)過(guò)程和加速過(guò)程、以及平穩(wěn)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(xiàn)在的電動(dòng)自行車不宜追求快速起動(dòng)性能）。對(duì)于單片機(jī)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(diào)速控制”中設(shè)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(diào)速控制”和“定速控制”之間的頻繁切換，在“定速控制”中設(shè)置“過(guò)沖檢測(cè)有效時(shí)間”。比如0.3 秒，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)不看做“過(guò)沖”而繼續(xù)運(yùn)行“定速控制”。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)于電動(dòng)車行駛中“過(guò)沖”現(xiàn)象從硬件和軟件兩方面入手進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)于硬件的改進(jìn)，應(yīng)該使用雙閉環(huán)控制。對(duì)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(yùn)行。對(duì)于“過(guò)沖”情況使用“定速控制”，對(duì)于非“過(guò)沖”情況，使用“調(diào)速控制”。關(guān)于“過(guò)沖恒速控制時(shí)間”、“過(guò)沖檢測(cè)有效時(shí)間”的合理數(shù)值還需進(jìn)一步研究。
