中心議題：

• 電動(dòng)車(chē)控制器的電路構(gòu)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(yùn)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?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(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(xiàn)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?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(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(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(chē)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(chē)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(chē)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?chē)拇艌?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(chē)信號(hào)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(hào)傳給控制器，控制器接收到剎車(chē)信號(hào)后，立即停止對(duì)電機(jī)的供電。
[page]
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(xiàn)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(chē)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(chē)、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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(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(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(hù)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(chē)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?。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(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”。
[page]
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)。控制器持續(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(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(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(chē)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(chē)，在“定速控制”期要進(jìn)行剎車(chē)檢測(cè)。

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(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(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(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(chē)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(chē)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(chē)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。