CN103538665B - 一种电动童车电控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动童车电控装置，包括MCU处理器、A/D转换处理器、功能设置开关组、稳压器、过载保护器、驱动电路、三组由大功率MOSFET管元件组成的H桥电路，共同组成一种性能优越的电动童车电控装置，外接霍尔电子油门或可调电阻器、比例遥控设备作为输入信号，通过处理输入信号，调制PWM脉冲控制信号的占空比连续变化并且与输入信号成比例，控制3个H桥电路驱动3个电机实现双向比例、无级调速。

Description

一种电动童车电控装置

技术领域

本发明涉及童车领域，具体而言，涉及一种电动童车电控装置。

背景技术

现有的电动童车控制装置简单，大都是开关控制，油门踏板或手柄是一个开关装置，当油门踏板松开时电机两端不与电源连接，处于断路状态，当油门被踏下后，开关接通，童车的驱动电机与电源间通电实现行走。电动童车一般有单驱动电动童车和双驱电动童车，双驱电动童车一般设有快档和慢档，通过一个双刀开关将两个驱动电机进行并联、串联的切换，实现当油门踏板开关闭合时电机两端的电压是全电源电压或1/2电源电压（串联分压），从而实现电动童车可以有快、慢两种车速。有的电动童车可以进行手动驾驶或者遥控驾驶，两种模式的切换通过童车上的一个开关来实现切换，当在手动模式下不能进行遥控。

目前电动童车控制装置性能差，由于开关式油门不能实现车速与油门踏板或者油门手柄的位置成比例，因此驾驶的性能差，表现为在起步与停车时顿挫感强，行车过程中车速不能变化始终是一个速度，极大影响乘坐的舒适性与童车的驾驶乐趣，长时间踩踏或转动油门开关易疲劳。另外，由于停车时电机两端断路，在坡路路况下容易产生溜车，存在一定的安全隐患。当童车在手动模式下，不能进行遥控控制，如果发生紧急情况，他人无法通过遥控器进行控制，也存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明提供一种电动童车电控装置，用于电动童车的控制，可提升电动童车的操控性能与驾驶安全性。

为达到上述目的，本发明提供了一种电动童车电控装置，包括：MCU处理器、油门装置、功能设置开关组、比例遥控接收器、稳压器、过载保护器、驱动电路、3个H桥电路，其中：

MCU处理器分别与油门装置、功能设置开关组、比例遥控接收器、驱动电路相连接，驱动电路分别与3个H桥电路相连接；

稳压器连接在电源与MCU处理器、比例遥控接收器、油门装置之间；

通过所述油门装置接收用户对油门参数的设置，油门装置的输出信号作为油门控制信号之一传送给MCU处理器；

功能设置开关组包括前进后退设置开关、快慢速设置开关、定速巡航设置开关、油门装置校准设置开关，分别与MCU处理器相连接，MCU处理器根据功能设置开关组各开关的开关状态来调整电控装置的运行状态，其中，在童车行进过程中，通过前进后退设置开关改变童车前进或后退的设置在童车停车后生效；

比例遥控接收器具有至少3个通道，分别用于接收遥控发射器发送的遥控器优先控制判断信号、遥控转向控制信号、遥控行车控制信号，并传送给MCU处理器，其中MCU处理器在处理信号时，比例遥控接收器的控制模式优先于油门装置与功能设置开关组的控制模式；

MCU处理器对油门装置的输入信号、比例遥控接收器中各通道的输入信号、功能设置开关组各开关的状态信号进行处理，并根据处理结果输出相应的控制信号给驱动电路；

驱动电路对控制信号进行放大，并将放大后的驱动信号传送给相应的H桥电路；

每个H桥电路包括4个功率在设定值以上的MOSFET或三级管，并外接一个电机，驱动信号驱动3个H桥电路中不同MOS管对的导通实现电流从左至右或从右至左流过相应电机，控制电机的正反转，其中，3个电机中1个电机为转向电机，其余2个电机为行走电机；

过载保护器用于检测驱动电路的驱动电流，当驱动电流超过额定值时自动断电保护。

可选的，上述电控装置还包括：

工作指示灯，与MCU处理器相连接，用于标识电控装置的工作状态。

可选的，油门装置为霍尔电子油门踏板、手柄或者可调电阻，油门装置包括三根接线，分别连接正极、地、输出，输出电压作为MCU处理器的输入，输出电压的变化范围在正极电压与地之间进行变化，MCU处理器根据该输出电压对电机的速度做比例、无级控制。

可选的，油门装置与MCU处理器之间还连接有A/D处理器，用于将油门装置输出的模拟信号转换为数字信号后传送给MCU处理器。

可选的，比例遥控接收器接收的信号为PWM脉冲信号，MCU处理器根据PWM脉冲信号的宽度对电机的速度做比例、无级控制。

可选的，在停车状态下，MCU处理器控制H桥电路的上半桥间歇性导通，在对应电机两端间歇形成短路，实现自动刹车与缓停车。

可选的，在倒车状态下，MCU处理器控制倒车的最大速度为前进时最大车速的一半。

可选的，当定速巡航设置开关闭合时，MCU处理器根据当前油门装置的输出保持车速。

本发明的电动童车电控装置可以使电动童车的车速根据油门装置的行程或是遥控器控制杆的行程进行比例控制，即车速与油门装置或遥控器的控制杆的行程成正比并且是无级调速，实现与真车一样的操控体验，在行车时可以通过开关设定保持当前油门的车速，在松开油门装置时车速仍然可以保持设置时的车速，实现定速巡航，当停车时电机两端进行短路，通过电机的反电势有效避免童车溜车，遥控优先的控制模式，只要打开遥控发射机上的切换开关，电动童车就自动切换为遥控模式，提升了电动童车的操控性能与驾驶安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的电动童车电控装置模块示意图；

图2示出了本发明一个实施例的电控装置硬件构成示意图；

图3为本发明一个实施例的行车时控制信号与驱动信号的时序图；

图4为本发明一个实施例的停车时控制信号与驱动信号的时序图；

图5为本发明一个实施例的MCU软件处理流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一个实施例的电动童车电控装置模块示意图；如图所示，该电控装置包括MCU处理器、油门装置、功能设置开关组、比例遥控接收器、稳压器、过载保护器、驱动电路、3个H桥电路（可以用于单驱或是双驱的电动童车），其中：

MCU处理器分别与油门装置、功能设置开关组、比例遥控接收器、驱动电路相连接，驱动电路分别与3个H桥电路相连接；

稳压器连接在电源与MCU处理器、比例遥控接收器、油门装置之间，由于MCU处理器一般工作电压是3.3-5v，童车一般使用的是6v或12v的蓄电池，稳压电路将6-15v电转化为3.3或5v供MCU处理器、油门装置、比例遥控接收器等使用；

通过油门装置接收用户对油门参数的设置，油门装置的输出信号作为油门控制信号之一传送给MCU处理器，其中油门参数设置可以使电控装置适应于很多油门装置，使电控装置的适应性增强；

功能设置开关组包括前进后退设置开关、快慢速设置开关、定速巡航设置开关、油门装置校准设置开关，分别与MCU处理器相连接，MCU处理器根据功能设置开关组各开关的开关状态来调整电控装置的运行状态，其中，在童车行进过程中，通过前进后退设置开关改变童车前进或后退的设置不能马上生效，要在童车停车后才可以生效，亦即在没有完全松开油门的时候，改变童车行驶方向的设置是不起作用的，这是为了防止行驶过程中童车突然改变行驶方向造成的危险；

比例遥控接收器具有至少3个通道，分别用于接收遥控发射器发送的遥控器优先控制判断信号、遥控转向控制信号、遥控行车控制信号，并传送给MCU处理器，其中MCU处理器在处理信号时，比例遥控接收器的控制模式优先于油门装置与功能设置开关组的控制模式；

MCU处理器对油门装置的输入信号、比例遥控接收器中各通道的输入信号、功能设置开关组各开关的状态信号进行处理，并根据处理结果输出相应的控制信号给驱动电路，控制电动机转速与油门装置或者比例遥控器摇杆的行程成比例且无级变化，并将工作状态通过工作指示灯进行显示，比如当控制驱动电机顺时针旋转时工作指示灯为绿灯，当控制驱动电机逆时针旋转时工作指示灯为红灯；

驱动电路对控制信号进行放大，并将放大后的驱动信号传送给相应的H桥电路；

每个H桥电路包括4个功率在设定值以上的MOSFET或三级管，并外接一个电机（如有刷电机），驱动电路将MCU处理器IO端口输出的弱电控制信号进行放大到足以驱动MOSFET元件的栅极（G级）使MOSFET元件完全导通，驱动信号驱动3个H桥电路中不同MOS管对的导通实现电流从左至右或从右至左流过相应电机，控制电机的正反转，其中，3个电机中1个电机为转向电机，其余2个电机为行走电机；

H桥电路可以是PN型H桥，即上桥两个MOSFET元件使用P型MOSFET元件，下桥两个MOSFET元件使用N型MOSFET元件。

过载保护器用于检测驱动电路的驱动电流，当驱动电流超过额定值时自动断电保护。

其中接收器与本电控装置进行连接作为输入信号，通过处理输入信号，调制PWM脉冲控制信号的占空比连续变化并且与输入信号成比例，控制3个H桥电路驱动3个有刷电机实现比例、无级调速。

其中，油门装置可以是霍尔电子油门踏板、手柄或者是可调电阻，油门装置一般有三根接线，正极、地、输出，输出的电压变化范围在正极电压与地之间进行变化，另外，符合上述输出特征的油门装置均可用于本电控装置。

其中，比例遥控接收器至少具有3个以上的通道，每个通道的输出是PWM脉冲，正脉冲宽度会根据遥控发射器上的遥控杆杆位在设定时间范围内连续变化，例如可以在1ms到2ms之间连续变化，总脉冲周期可以设置为20ms通过正脉冲的宽度变化做精确的比例控制。

图1中还示出了A/D处理器，用于将油门装置输出的模拟电信号转换为MCU处理所需的数字值，如果MCU处理器中具有A/D模块，则此部分可以省略，直接用MCU处理器中的A/D模块对油门装置的输出进行A/D转换处理。

工作指示灯用于指示电控装置的工作状态，例如，可以采用绿色的led指示灯当驱动电机顺时针旋转的时点亮，红色led指示灯当驱动电机逆时针旋转时点亮。

图2示出了本发明一个实施例的电控装置硬件构成示意图；如图2所示，电源VCC一般为6-12v，电源首先通过过载保护器，过载保护器当检测到电流超过电控装置的额定电流时会自动切断电源保护电控装置。经过过载保护器VCC一路连接驱动电路和H桥电路，另一路通过稳压器后变为VDD，一般为3.3-5v电压，本实施例中电控装置VDD使用的是5v电压，给MCU处理器、油门装置、比例遥控接收器、功能设置开关组进行供电。

本实施例中油门装置采用霍尔电子油门踏板，踏板供电分别接VDD、GND，踏板输出为TOUT与MCU处理器连接，TOUT输出电压根据踏板的行程在0.8V-4.2V之间线性变化。比例遥控接收器，供电分别接VDD、GND，可以设有3个或以上通道，本实施例中电控装置只需用到3个通道，输出分别为COUT1、COUT2、COUT3（COUT1、COUT2、COUT3输出均为高电平1ms-2ms周期为20ms的脉冲信号，高电平的宽度与遥控发射器上的遥控杆行程成比例），分别与MCU处理器连接，其中COUT1为遥控器优先控制的判断信号，COUT2为遥控转向的遥控控制信号，COUT3为遥控行车的遥控控制信号。本实施例中电控装置还有4个功能设置开关，它们通过下拉电阻与MCU处理器相连接，当设置开关闭合时MCU处理器可以检测到高电平、断开时为低电平。4个功能设置开关分别为K1：油门装置校对设置开关，通过设置可以使本电控装置使用符合上面油门装置说明中的油门装置；K2：速度快慢档设置开关，可以将车速分为两个档：当K2断开时全速模式，最大油门时是全速，当K2闭合时半速模式，最大油门时车速只有最大车速的一半；K3：前进后退设置开关，当K3断开时，控制驱动电机1H桥和驱动电机2H桥左上桥到右下桥导通，使车前进，当K3闭合时，控制驱动电机1H桥和驱动电机2H桥右上桥到左下桥导通，使车后退；K4：定速巡航设置开关，在车辆前进过程中当K4闭合时，电控装置会根据当前的油门TOUT值保持车速，即使松开油门装置，车速仍然保持设置定速巡航时的车速，当K4断开时定速巡航取消，电控装置会根据新采集的油门装置输出值TOUT来控制车速。电控装置的工作状态有L1、L2两个led灯来表示，L1绿灯亮时表示车辆前进，L2红灯亮时表示车辆后退。MCU处理器通过采集油门装置、比例遥控接收器、功能设置开关的输入控制P11-P14、P21-P24、P31-P34三组输出控制信号给驱动电路，控制信号通过驱动电路放大后驱动转向电机H桥、驱动电机1H桥、驱动电机2H桥的工作状态，实现对电机的转速控制。驱动电路，将MCU输出的P11-P14、P21-P24、P31-P34三组弱电信号控制信号放大到可以驱动MOSFET元件栅极（G级）导通的强电信号G11-G14、G21-G24、G31-G34。H桥电路在本电控装置中有三组，分别是：转向电机H桥、驱动电机1H桥、驱动电机2H桥，可以分别驱动3个电机进行顺时针或逆时针转动，可以用于单驱电动童车和双驱电动童车的控制（双驱电动童车就是有两个行走驱动机构包括两组行走齿轮箱和驱动电机），本实施例中电控装置采用的是PN型H桥，即上桥采用P型MOSFET元件，下桥采用N型MOSFET元件，类似原理采用全N型H桥也可以，只是在控制信号上有所不同。本实施例中电控装置可以控制3个电机的转速无级变化并与控制机构（油门装置、比例遥控器摇杆）的行程成比例，M1为转向电机、M2为驱动电机1、M2为驱动电机2。

由于本实施例中电控装置内驱动电动机的电路采用的是PN型H桥，下面针对对于控制信号P11-P14、P21-P24、P31-P34与驱动信号G11-G14、G21-G24、G31-G34的关系以及信号本身的时序进行说明。说明以P21-P24与G21-G24为例，其他两组原理一致。P21-P24与G21-G24一一对应，P21-P24是MCU处理器输出的控制信号，G21-G24是控制信号通过驱动电路放大后的驱动信号分别与H桥上的四个MOSFET元件的栅极相连接，其中G21连接左上桥MOSFET元件的栅极，G22连接左下桥MOSFET元件的栅极，G23连接右下桥的MOSFET元件的栅极，G24连接右上桥MOSFET元件的栅极。由于上半桥采用的是P型MOSFET元件，栅极低电平使元件导通，下半桥采用的是N型MOSFET元件，栅极高电平使元件导通。要前进时控制G21为低电平、G22为低电平、G23为PWM（PWM的占空比与油门装置或比例遥控发射器上的摇杆成比例）、G24为高电平，这样H桥的左上MOSFET元件与右下MOSFET元件导通，电流从左H桥通过电机流到右H桥，时序图如图3。要后退时控制G21为高电平、G22为PWM、G23为低电平、G24为低电平，这样H桥的右上MOSFET元件与左下MOSFET元件导通，电流从右H桥通过电机流到左H桥。以上就是驱动信号G21-G24的时序，由于驱动电路采用的是反向放大，因此对应的控制信号P21-P24与G21-G24的时序相反。

在停车状态下，G21、G24为固定占空比的PWM脉冲，G22、G23为低电平，使上半桥左右间歇性导通，电机两端间歇形成短路，实现自动刹车，电机如果转动会产生反电势从而有效防止电动童车溜车，由于是PWM脉冲信号控制H桥的上半桥间歇性导通，在实现刹车效果的同时也使停车变得缓和，时序如图4。

本实施例中电控装置的软件部分烧写入MCU处理器，MCU处理器本身有A/D转换处理与EPROM，软件采用顺序处理流程，主控程序循环进行输入信号的采集与输出信号的处理，处理的核心是将与电控装置连接的油门装置输出信号与比例遥控接收器上的输出信号转换为H桥电路的控制信号，通过PWM占空比与油门装置或比例遥控发射器上的摇杆行程成比例且连续变化，实现电机的比例、无级调速。MCU软件处理流程图如图5所示。MCU处理器上电首先检测K1（油门装置校准设置开关）开关的状态，如果是闭合状态，进入油门装置校准处理，可以采集油门装置完全放开时的TOUT输出值与到最大行程后的TOUT输出值并保存到MCU内的EPROM中，这样可以使电控装置能适应不同的油门装置，只要其输出电压值TOUT在0-VDD之间变化。如果上电时K1（油门装置校准设置开关）是断开状态，从EPROM中取出油门参数，进行MCU处理器的初始化工作，初始各个输入输出端口，设置PWM的周期为油门参数的最大值，以确保油门装置在最大行程时PWM输出电平没有变化。MCU初始化工作完成后首先判断比例遥控接收器COUT1的输出值是否小于设定值如1.5ms，当高电平脉冲宽度小于1.5ms时进行遥控控制处理，当大于1.5ms时进行手动控制处理。在遥控处理模式下只处理COUT1-COUT3的输出脉冲信号，根据信号宽度来调制P11-P12、P21-P24、P31-P34，其中P21-P24、P31-P34信号根据COUT3的输入值来计算，当COUT3为1.5ms时要进行自动刹车与缓停车处理，即用固定占空比的PWM脉冲控制H桥上半桥左右MOSFET元件间隙导通，使电机两端形成短路。完成一次输入信号采样与控制信号输出后，循环再判断COUT1的信号脉宽，可以随时切换遥控控制与手动控制。在手动控制处理过程中，P11-P14信号输出使转向电机H桥的四个MOSFET全部关断，通过采集油门装置TOUT的输出值来计算P21-P24、P31-P34的输出值，来控制驱动电机1H桥与驱动电机2H桥，与遥控模式下一样，当油门装置完全放开时，即TOUT输出值为油门最小值时，用固定占空比的PWM脉冲控制驱动电机1H、2H两个H桥上半桥左右MOSFET元件间隙导通，使电机两端形成短路，进行自动刹车与缓停车。根据K2（快慢档设置开关）状态，决定是否要将油门装置输出的TOUT值进行除2处理，另外当在倒车状态时固定进行TOUT值除2处理，限制倒车时的最大车速只有前进时的一半，根据K3（前进后退设置开关），决定P21-P24、P31-P34时序，控制驱动电机1H、2H两个桥从左到右导通或是从右向左导通，另外，在手动控制的行车过程中K3开关的状态改变要在油门装置彻底放开（TOUT为最小值）后才生效，避免突然的行车状态改变。在车辆前进时，如果K4（定速巡航开关）闭合，车速将保持，直到K4开关断开，断开后会根据断开时的油门装置行程控制车速。另外，除了PWM的脉宽与油门装置的行程成比例外，PWM脉宽的变化也是连续变化的，从而实现电机的比例无级调速，使驾驶与乘坐更舒适。软件处理中有看门狗处理，当检测到看门狗不正常时进行软件进行重启，避免电控装置失控使童车的驾驶更安全。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种电动童车电控装置，其特征在于，包括：MCU处理器、油门装置、功能设置开关组、比例遥控接收器、稳压器、过载保护器、驱动电路、3个H桥电路，其中：

所述MCU处理器分别与油门装置、所述功能设置开关组、所述比例遥控接收器、所述驱动电路相连接，所述驱动电路分别与3个所述H桥电路相连接；

所述稳压器的数目为1个，所述稳压器连接在电源与所述MCU处理器、所述比例遥控接收器、所述油门装置之间；

通过所述油门装置接收用户对油门参数的设置，所述油门装置的输出信号作为油门控制信号之一传送给所述MCU处理器；

所述功能设置开关组包括前进后退设置开关、快慢速设置开关、定速巡航设置开关、油门装置校准设置开关，分别与所述MCU处理器相连接，所述MCU处理器根据所述功能设置开关组各开关的开关状态来调整所述电控装置的运行状态，其中，在童车行进过程中，通过所述前进后退设置开关改变童车前进或后退的设置在童车停车后生效；

所述比例遥控接收器具有至少3个通道，分别用于接收遥控发射器发送的遥控器优先控制判断信号、遥控转向控制信号、遥控行车控制信号，并传送给所述MCU处理器，其中所述MCU处理器在处理信号时，所述比例遥控接收器的控制模式优先于所述油门装置与所述功能设置开关组的控制模式；

所述MCU处理器对所述油门装置的输入信号、所述比例遥控接收器中各通道的输入信号、所述功能设置开关组各开关的状态信号进行处理，并根据处理结果输出相应的控制信号给所述驱动电路；

所述驱动电路对所述控制信号进行放大，并将放大后的驱动信号传送给相应的H桥电路；

每个所述H桥电路包括4个功率在设定值以上的MOSFET或三级管，并外接一个电机，所述驱动信号驱动3个所述H桥电路中不同MOS管对的导通实现电流从左至右或从右至左流过相应电机，控制电机的正反转，其中，3个电机中1个电机为转向电机，其余2个电机为行走电机；

所述过载保护器用于检测所述驱动电路的驱动电流，当所述驱动电流超过额定值时自动断电保护。

2.根据权利要求1所述的电动童车电控装置，其特征在于，还包括：

工作指示灯，与所述MCU处理器相连接，用于标识所述电控装置的工作状态。

3.根据权利要求1所述的电动童车电控装置，其特征在于，所述油门装置为霍尔电子油门踏板、手柄或者可调电阻，所述油门装置包括三根接线，分别连接正极、地、输出，输出电压作为所述MCU处理器的输入，所述输出电压的变化范围在正极电压与地之间进行变化，所述MCU处理器根据所述输出电压对电机的速度做比例、无级控制。

4.根据权利要求3所述的电动童车电控装置，其特征在于，所述油门装置与所述MCU处理器之间还连接有A/D处理器，用于将所述油门装置输出的模拟信号转换为数字信号后传送给所述MCU处理器。

5.根据权利要求1所述的电动童车电控装置，其特征在于，所述比例遥控接收器接收的信号为PWM脉冲信号，所述MCU处理器根据PWM脉冲信号的宽度对电机的速度做比例、无级控制。

6.根据权利要求1所述的电动童车电控装置，其特征在于，在停车状态下，所述MCU处理器控制所述H桥电路的上半桥间歇性导通，在对应电机两端间歇形成短路，实现自动刹车和缓停车。

7.根据权利要求1所述的电动童车电控装置，其特征在于，在倒车状态下，所述MCU处理器控制倒车的最大速度为前进时最大车速的一半。

8.根据权利要求1所述的电动童车电控装置，其特征在于，当所述定速巡航设置开关闭合时，所述MCU处理器根据当前所述油门装置的输出保持车速。