项目三电动滑板车控制器的设计与制作.doc

学习情境三 电动车控制器设计与制作一、基础知识学习（一）电动车及电动车控制器概述滑板车是继滑板之后的又一类运动型新产品，滑板车实际上是一辆小型的自行车，但滑板车速度可以达到20公里/时，滑板车来源于日本，它是一种简单的省力运动机械为了满足不同人的滑板车速度要求而出现了电动滑板车，也有为孩子设计儿童滑板车，电动车的品种多样。当然还有手摇滑板车等。滑板车与电动自行车相比，它造型美观、操作方便，而且因为座位重心低，驾驶更安全。电动滑板车一直在国外非常流行，近年才开始在国内涌现。电动滑板车的发展丰富世界手提交通工具类型。电动滑板车作为体育器材,驾驶者一般要求有冲浪的感觉,因此它的设计要求及性能与作为交通工具的电动自行车相比,具有较大的差异。电动滑板车要求具有起动时间短、速度快、噪音低、爬坡性能好等特点。电动滑板车控制器是滑板车的核心部件, 它的任务是在驾驶者的控制下, 高效率地将蓄电池的能量转化为电动机的动能, 控制器的优劣直接影响到整车调速的平滑性、响应的快速性等。作为滑板车的核心部件，电动车控制器必须具备以下基本的功能：1、控制器应具备调速功能控制器在接收到调速转把的调速信号时，根据信号的大小，对电机的转速进行无极调速。2、控制器应具备制动断电功能电动车的刹把上均装有位置传感元件，当刹车时，改变了原来的状态，这个变化的信号传送到控制器中，控制器立即切断驱动电路，停止供电。这样，即保护了驱动电路功率管本身，又保护了电机，也防止了电源的浪费，还降低了刹车制动力矩，从而保护了骑行者的安全。3、控制器应具备欠压保护功能电池的过放电对电池的寿命带来极大的损害，控制器的欠压保护电路在检测到电池电压达到设定值时，控制器立即切断驱动电路，停止供电。从而保护电池不至于因过放电带来的损害。4、控制器应具备过流保护功能电流的超限对电动机、控制器和电路中的所有元器件均可能造成损伤和损害，控制器中的过流保护功能使得控制器的电流不得超过其设定的最大值，从而保护电气系统的元器件不至于烧毁。以上描述的仅仅只是控制器必须具备的基本功能，随着电动车技术的不断进步，电动车控制器还有限速功能、飞车保护功能、巡航定速功能、电磁制动功能、智能锁功能以及能量回馈功能等新功能的出现。（二）电动车控制器分析1电动车控制器功能目前市面上出售的控制器一般为铝合金外壳，通过线束和接插件将电锁开关、刹车开关、调速手柄以及电动机与控制器相连接。实物如下图1所示。电动车控制器的接线图如图2所示， 图1 电动车控制器的接线图 图2 电动车控制器的接线图（三）电动车控制器基本结构控制器采用单片机作为核心控制元件,由刹车开关、电池电压取样、限流保护、驱动电路、直流有刷电机、霍尔调速手柄等部分组成。如图3所示。控制器内部的工作原理为：单片机首先接受到经过处理的电源供电，从欠压保护电路检测到的电压值大于欠压值时并且从刹车断电电路检测到的信号处于非刹车断电状态时，控制器才能工作。此时，控制器根据调速电路，输出相应的占空比变化的矩形波信号，经过驱动电路驱动放大后控制电机。调速电路输入的电压信号和单片机输出的矩形波信号的占空比存在一定的关系，且调速电路的电压信号可以通过调速转把无极可调，从而使电机无极变速。 图3 控制器结构框图电动车上使用的调速转把有光电转把和霍耳转把两种，目前采用霍耳转把的电动车占绝大多数。霍耳转把的内部电路如图4。霍耳转把输出电压的大小，取决于霍耳元件周围的磁场强度。转动转把，改变了霍耳元件周围的磁场强度，也就改变了霍耳转把的输出电压。其中最常用的是以下两种信号的转把：1-4.2V（俗称正把），4.2-1V（俗称反把）。两种信号的转把中，是1.0V4.2V的转把占绝大多数。把转把输出的电压经ADC转换成数字量,单片机根据这个数字量的大小进行PWM脉宽调制。从而控制功率管的导通关闭的比例以控制电机转速的大小。图4 线性霍尔元件电路原理图刹把分为机械刹把与电子刹把。机械刹把就是一种机械开关，所以有两条引线。在不刹车时有断开与闭合之分，所以叫常开、常闭。电子刹把是采用开关型霍尔元件，所以有三条引线，分别为信号、电源和地线，在不刹车时也有高低之分。当刹车时，控制器检测到刹车信号，无论转把在什么状态都断开电机供电。电池电压经两个电阻分压后送至ADC转换成数字量再换算成具体的电压。电量的大小可采样7个发光二极管来指示。当电池电量不足时, 7个发光二极管全部闪烁,提醒用户电量不足,并由软件关闭PWM输出,达到保护蓄电池的目的。电机电流的大小采用康铜丝电阻作为取样电阻，电阻两端的压降反映了电机电流的大小电压信号经放大器放大后经ADC转换成数字量。设定一个阀值,当数字量达到阀值时,说明电机电流到达上限,应减小输出PWM的占空比,从而减小电机电流,实现对电机的限流保护。（四）直流电动机调速与交流电动机相比，直流电动机结构复杂，成本高，运行维护困难。但是直流电动机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有应用。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(pulse width modulation,简称PWM)已成为直流电动机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，在电动车控制中得到广泛应用。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。直流电机的速度控制采用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲调宽信号）波来实现，其原理是，在一定的频率下，调节脉冲宽度等效改变施加于直流电机的平均电压，从而改变电机的转速。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax设占空比为D=t1 T，则电机的平均速度为：Va=VmaxD式中，Va-电机的平均速度; 图5 电枢电压“占空比”与平均电压关系Vmax-电机全通电时的速度（最大）；D=t1/T-占空比。在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数，在电源电压ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度 与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。改变占空比D值的方法有以下三种：(1)定宽调频法：保持t1不变，只改变t2，这样使周期(或频率)也随之改变。(2)调宽调频法：保持t2不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。(3)定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t2。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。（五）89C51单片机PWM程序设计在许多单片机的测控系统中，需要PWM功能实现直流电机的调速控制。对此有两种：要么就选用具有PWM功能的单片机，要么就是采用软件模拟的方法实现PWM输出。对于前着来说，虽然现在已经出现了不少具有PWM功能的新型单片机，但是它们的价格一般都比较高，并且它们开发器的价格目前也比较高。因而，用软件模拟实现PWM输出的应用还非常广泛，下面介绍直接应用89C51单片机用软件的方法模拟输出PWM信号。采用100个机器周期为PWM波形的基本周期（AT89C51采用12MHz的晶体，即PWM波形的周期为100uS，其频率为10KHz），采用定频调宽的方法。定时器T0确定PWM波的频率，T1确定高电平的时间，这样改变T1的初值就可以改变占空比。调速手柄输出的电压经A/D转换后输入单片机，单片机根据输入电压值的大小计算出PWM信号的占空比。根据占空比和PWM信号周期计算出T1的初值。电机的驱动电路如图 所示，PWM信号从P3.7引脚输出经过7407缓冲后直接控制V1管。当开关管V1的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us，当开关管V1的栅极输入低电平时，开关管截止，直流电动机电枢绕组两端电压为0。利用V1管的通、断调节直流电机电枢绕组两端的平均电压值，实现对电机转速的调节。软件模拟PWM输出的流程图如图 所示。参考程序：;定时器0中断程序TIME0:SETBP3.7MOVTH0,#0FFHMOVTL0,#09BHMOVTH1,30HMOVTL1,31HSETBTR0SETBTR1RETI; 定时器1中断程序TIME1:CLRP3.7 图6 软件模拟PWM输出流程图CLRTR1RETI说明：定时器T1的初值在主程序中计算，并放在30H和31H单元。（六）MOSFET及驱动电路1、功率MOSFET的类型对于中小功率的电动机通常采用功率场效应(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor, MOSFET)作为主开关元件，MOSFET是一种多电子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点。目前功率场效应管的指标已经达到耐压600V，电流70A，工作频率100KHz的水平，在开关电源、办公设备、中小型功率的电机调速中得到广泛的应用。功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为：耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。2、功率MOSFET的选型为设计选择正确器件的第一步是确定MOSFET所需的额定电压，或者器件所能承受的最大电压。额定电压应当大于干线电压或总线电压。这样才能提供足够的保护，使MOSFET不会失效。第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据；比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。选择MOSFET的最后一步是决定MOSFET的开关性能。影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速度因此被降低，器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗，设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达：Psw=(Eon+Eoff)开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。能用于电动滑板车中的MOSFET很多，常用的有美国IR公司的IRF1010E、IRFZ44E、IRF2907；仙童公司的FQP50N06、FQPF7N60以及意法半导体ST公司的STP55NF06、STP65NF06、STP75NF06等等。3、功率MOSFET的驱动电路MOSFET由于开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点已成为开关电源最常用的功率开关器件之一。而驱动电路的好坏直接影响开关电源工作的可靠性及性能指标。一个好的MOSFET驱动电路的要求是：开关管开通瞬时,驱动电路应能提供足够大的充电电流使MOSFET栅源极间电压迅速上升到所需值,保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡; 开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源极间电压保持稳定使可靠导通; 关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断; 关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通; 另外要求驱动电路结构简单可靠,损耗小,最好有隔离。功率场效应管与双极型晶体管不同，它是一个电压驱动型器件。因此可以有多种驱动形式，通常最简单和最方便的方法是通过TTL集成电路、CMOS集成电路和专用集成电路芯片的驱动。（1）TTL集成电路的驱动MOSFET是电压型驱动器件，因此，小功率的TTL电路可以驱动一般的MOSFET。但是，普通的TTL集成电路的高电平输出最低是3.5V，而功率场效应管的开启电压是24V；用普通TTL直接驱动功率场效应管，驱动电压还显得低一些，所以采用集电极开路的OC门TTL集成电路来驱动。为了提高TTL驱动的输出电平，可以通过一个上拉电阻接到+5V电源上。不过为了保证能有足够高的电平驱动MOSFET，并使它导通，在实际中是把上拉电阻接到+10+15V电源上。功率场效应管的输入电容在MOSFET导通和关断时要充电和放电。TTL集成电路的驱动要为此提供条件。吸入（充电）和拉出（放电）电流对MOSFET的开关速度影响很大，吸入和拉出的电流越多，开关的速度就越快。图7给出了用TTL集成电路驱动功率场效应管的电路例子，其中上拉电阻决定了MOSFET的吸入电流。 图7 MOSFET的TTL驱动有时，为了保证功率场效应管有更快的开关速度，在TTL与MOSFET之间加一级晶体管，如图8（a）所示，晶体管可以加速功率场效应管的导通速度，并减少功耗。在栅源极之间并联一只5.120K的电阻R2，以提高MOSFET的耐压、du/dt耐量和抗干扰能力，必要时还要并联两只反串的稳压管。图8（b）的晶体管接成互补式，它们可以提高功率场效应管的导通速度和关断速度。此外，在驱动信号与晶体管之间加隔离是常用的做法，一般用隔离变压器或光耦做为隔离元件。图8 TTL和晶体管驱动MOSFET2.CMOS集成电路的驱动由于大多数功率场效应管是用VMOS或TMOS工艺制成，所以可以用CMOS集成电路直接驱动功率场效应管。直接驱动功率场效应管有一个最明显的优点，即可以采用1015V的电源。这就使CMOS集成电路有10V以上的高电平输出，因此可以驱动功率场效应管充分导通。这样，用CMOS直接驱动功率场效应管无需加上拉电阻，使电路简单。 图9 CMOS驱动MOSFET但是，CMOS集成电路带负载的能力较低，因此会影响功率场效应管的开关速度。图9是将6个CMOS缓冲器并联一起，来加大驱动电流驱动功率场效应管。尽管如此，由于6个CMOS缓冲器是集成在一块MC14050内，所以整个驱动电路仍然简单。3.专用集成电路的驱动专用驱动集成电路体积小、电路简单、可靠、应用广泛。能用于MOSFET驱动的集成电路很多，典型的有IR公司的IR21系列、Unitrode公司的UC37043715系列；Harris公司的HA4080系列；Maxim公司的MAX612C和4427C系列；MOTOROLA公司的MC3415X系列；Telcom公司的TC44214429C系列；三菱公司的M579系列等。4、直流电机驱动电路考虑到电动滑板车只有向前骑行，无向后骑行，电动机只需要实现单向转动即可。对于单向的电机驱动，只要用一个大功率场效应管作为开关元件，利用开关功率元件进行脉宽调制(pulse width