CN1634723A - 无刷电动车辆数字智能控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种无刷电动车辆数字智能控制器，它包括速度传感器、负载传感器、控制选择开关和比较器、手柄调速、刹车控制、单片机、无刷直流电动机控制器、三相功率开关和无刷电动机，它通过获取传感器从电动自行车传动中间任意位置或终端直接检测到的瞬时转速信号和负载信号，通过单片机、控制选择开关、比较器、无刷直流电动机控制器等的处理，准确适时地将所需的电量输送给电动机，控制电动机始终处于高效的工作状态，电池始终处于最佳的放电状态，延长电池的使用寿命，增加电动车辆的续行距离和爬坡能力，自动排除人为误操作、控制不准确和其他非标准状态带来的不必要的电量损失，达到高效节能、智能驱动的效果。

Description

无刷电动车辆数字智能控制器
技术领域
本发明属于电动车辆控制技术领域，具体涉及一种无刷电动车辆数字智能控制器。
背景技术
现有的电动车辆，如电动自行车，都具有一套对电动机的工作状况进行控制的控制器，该控制器是根据骑行者的人为操作指令而控制电动机的工作。而骑行者发出各种指令的依据是对骑行状况的感觉和经验判断，如在轻载荷、重载荷状态、爬坡等不同行驶状态下，由于人不可能准确地感觉电动车辆在各种复杂工况下的速度、负载变化情况，更不能准确地得到在这些状态下电动机所需提供的最有效动力，因此，这种人为的操作控制往往是不准确，有时甚至是错误的，会给电动机带来不必要的损坏，这是造成现有电动自行车电动机返修率高的主要原因，同时也造成蓄电池大电流深度、过度放电，缩短电动机和蓄电池使用寿命，例如在上坡、逆风时人们往往希望速度不下降而增大输入电压，但是由于上坡时电流随着负载增加不断增大，就会超过电动机的额定功率，造成电动机堵转发热甚至烧毁，另外持续大电流放电对铅酸电池损害也比较大，造成其使用寿命的缩短。
发明内容
本发明的目的是针对现有电动车辆控制存在的缺陷，提供一种针对无刷电动车辆的数字智能控制器，通过获取传感器从电动自行车传动中间任意位置或终端直接检测到的转速信号和负载信号，由控制电路将其转换成数字信号，进行处理，准确适时地将所需的电量输送给电动机，控制电动机始终处于高效的工作状态，电池始终处于最佳的放电状态，延长电池的使用寿命，增加电动车辆的续行距离和爬坡能力，自动排除人为误操作、控制不准确和其他非标准状态带来的不必要的电量损失，达到高效节能、智能驱动的效果。
本发明的技术方案如下：
数字智能电动车辆控制器，它保留传统无刷电动车辆控制器的手柄调速电路、刹车控制电路、单片机、无刷直流电动机控制器、三相功率开关和无刷电动机，增加了速度传感器、负载传感器、控制选择开关、比较器。其中速度传感器的输出接到单片机的通用I/O口，单片机的通用I/O口输出的限速信号和启动信号；负载传感器的输出并联控制选择开关，经过一个二极管后再与手柄调速的输出端及单片机输出的限速信号并联作为比较器的同相输入；单片机的启动信号接入无刷直流电动机控制器(如MC33035)的使能控制端，刹车控制的输出接入无刷直流电动机控制器的制动输入端；无刷电动机的转子位置传感器接入无刷直流电动机控制器的转子位置传感器输入引脚，无刷直流电动机控制器的输出驱动三相功率开关，控制无刷电动机。若控制选择开关闭合，则负载传感器输出接地，此时为人工控制速度方式；若控制选择开关断开，当负载传感器输出为零，则智能控制优先的电子开关断开，此时为人工控制速度方式，当负载传感器输出不为零，则电子开关打开，使手柄调速信号接地，此时智能控制优先，为智能控制速度方式。
本发明的优点是：在原控制电路中增加了速度传感器、负载传感器，通过它们实现从电动车辆传动终端或中间的任意位置直接检测准确的、真实的转速信号和负载信号，由控制器转换成数字信号进行处理，准确适时地将所需的电量输送给电动机，通过脉宽调制，同步控制电动机输出功率，避免上坡等大负载工况时电动机超负荷运行和堵转的发生，控制电动机始终处于高效的工作状态，电池始终处于最佳的放电状态，延长电池的使用寿命，增加车辆的续行距离和爬坡能力，自动排除人为误操作、控制不准确和其他非标准状态带来的不必要的电量损失。同时通过设置一个选择控制开关，让使用者选择系统自动调速或是人为通过手柄调速器调速，从而使系统具有手动和自动两种状态。由于控制方式的增加，增加一个输入选择控制器件即比较器，以判断手柄信号和负载传感器信号那一个作为自控系统的输入，并且当速度达到二十公里/时的时候保持速度不再增加，因此是车辆具有人为控制、智能控制、人力骑行智能补偿等三种控制功能和使用方式，智能传感和人为调速可更替使用，比全电动自行车可增加40％的续行里程，安全性更好、达到高效节能、智能驱动的效果。
附图说明
图1是本发明的总控制电路框图；
图2是本发明的电路图。
具体实施方式
参见图1，本例是将控制器用于无刷电动自行车上，它由速度传感器、负载传感器、手柄调速电路、刹车控制电路、单片机、无刷直流电动机控制器、欠压保护电路和过流保护电路、控制选择开关、比较器、三相功率开关和无刷电动机组成。
其电路连接为：负载传感器的输出并联一个控制选择开关，经过一个二极管后再与手柄调速的输出端及单片机输出的限速信号并联作为比较器的同相输入。速度传感器的输出接到单片机的通用I/O口，单片机的通用I/O口输出的20km/h限速信号和5km/h启动信号，前者与手柄调速及负载传感器输出并联，后者接入无刷直流电动机控制器的使能控制端，刹车控制接入无刷直流电动机控制器的制动输入端，电动机的转子位置传感器接入无刷直流电动机控制器的转子位置传感器输入端，无刷直流电动机控制器的输出驱动三相功率开关，三相桥上下两侧共六个功率开关，逆变桥经一电阻RS接地作电流采样，采样电压输入至无刷直流电动机控制器的电流检测比较器。无刷直流电动机控制器内设欠电压保护电路，当本芯片电压VCC、VC不足时关闭驱动输出。
其中，无刷直流电动机控制器采用MOTORROLA公司的无刷直流电动机控制器专用集成电路MC33035，主要组成部分包括：转子位置传感器译码器电路、带温度补偿的内部基准电源、频率可设定的锯齿波振荡器、误差放大器、脉宽调制(PWM)比较器、输出驱动电路、欠电压封锁保护及芯片过热保护等故障输出、限流电路。
以下结合图2具体说明本控制器的工作情况：
本控制器由安装在电动车辆传动机构终端(如自行车的后轮轴)的速度传感器和负载传感器将实时的速度信号和负载信号以电压的形式输入控制器。速度传感器为开关型霍尔传感器，在非磁材料的圆盘边缘均匀粘贴四块磁钢，将圆盘固定在被测转轴上。开关型霍尔传感器固定在圆盘外缘附近，圆盘每旋转一周，霍尔传感器便输出四个脉冲，用单片机处理这些脉冲，便可知道转速。当电动自行车的速度达到五公里以后，即单片机(P3.4)记录速度传感器的输入脉冲达到一定数量后，P1.7输出一个高电平，打开三极管V1，使无刷直流电动机控制器的使能控制端输入变成高电平，无刷直流电机控制器可以开始工作。当电动自行车的速度达到二十公里时，P1.6输出一个高电平，打开三极管V2，放掉电容C17的一部分电能，从而降低无刷直流电动机控制器的误差放大器同相输入，控制电动自行车的速度不再提高；当电动自行车的速度不足二十公里时，P1.6输出低电平，位移传感器和手柄调速器对电容C17充电，使得电容的电压上升，从而提高无刷直流电动机控制器的误差放大器输入，使得电动自行车的速度上升。
负载传感器使用的是为线性霍尔传感器，在非磁材料的圆盘边缘粘贴一个环形磁钢，将圆盘固定在被测转轴上。线性霍尔传感器固定在圆盘外缘附近，S极和N极分别安装在圆盘的两边。当霍尔传感器距离磁钢的距离不同时，S极和N极分别在0～2.5V、2.5～5V之间变化，将S极和N极的输出信号接入运算放大器进行处理后，得到一个0～5V的信号，此信号与负载情况成正比，将其输入到控制系统中进行处理达到控制速度的目的。
当骑行者捏刹车后，装在刹车上的霍尔传感器输出信号变成低电平，则三极管V4关断，无刷直流电动机控制器的制动输入为高，电动机制动减速；不捏刹车的时候，传感器输出高电平，三极管V4导通，无刷直流电动机控制器的制动输入为低，电动机正常运转。
手柄调速是人为控制速度的输入端，负载传感器是控制系统自动调速的输入端。当电动自行车运行在手动调速状态时，采用手柄调速控制的方式，让骑行者随意控制行驶速度，这种方式主要在平路等轻负载的工况下使用；当电动自行车运行在智能调速状态时，考虑到限制电机功率、防止堵转、保护电池的问题，因此采用负载传感器控制优先的方式，由事先设定的负荷曲线自动控制行驶速度，在保护系统的前提下以尽可能高的速度运行，当某时刻负载传感器输出为零的时候，则手柄输入控制速度。当负载传感器检测电动自行车的负载超过一定值时，运放N4B输出一个高电平打开三极管V3，使得手柄调速的输入端接地，从而屏蔽手动速度输入，无刷直流电动机控制器根据负载传感器的输入工作，避免上坡等大负载工况时电机超负荷运行和堵转的发生。
由于电动自行车的电源是直流蓄电池，且电机的额定功率较低，为了增加蓄电池的寿命、防止电机过载，控制系统加入了过流保护和欠压保护电路。无刷直流电动机控制器有电流限制功能，外界逆变桥经一电阻RS接底座电流采样，采样电压由9和15脚输入至电流检测比较器，比较器反相输入端设置有100mV基准电压作为电流限流基准，在振荡器锯齿波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使下RS触发器重置，将驱动输出关闭，以限制电流继续增大。在锯齿波下降时间，重新将触发器置位，使驱动输出开通。利用这样的逐个周期电流比较，实现了限流。为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作，在9脚输入前设置RC低通滤波器。无刷直流电动机控制器有欠电压保护功能，无刷直流电动机控制器内部设有欠电压保护电路，当芯片电压VCC、VC不足(典型质低于9.1V)时关闭驱动输出，以保证芯片内部全部工作正常。欠电压保护没有锁存功能，当电压恢复正常后，系统会自动恢复正常。
当出现不正常的位置传感器输入状态、电流检测端输入电压大于100Mv、欠电压保护、内部芯片过热(典型值超过170℃)、使能端(7脚)为逻辑低电平等故障状态时，无刷直流电动机控制器的14脚输出低点评，此时发光二极管LED亮。
除非由于过电流或故障状态使六个驱动输出闭锁，无刷直流电动机控制器在正常情况下，误差放大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后，产生脉宽调制(PWM)信号，控制三个下策驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控制器转速和转矩。
无刷直流电动机控制器的转子位置传感器译码电路将电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号，三路上侧驱动输出和三路下侧驱动输出。

Claims (4)

1、无刷电动车辆数字智能控制器，它包括手柄调速、刹车控制、单片机、三相功率开关、无刷直流电动机控制器和无刷电动机，其特征在于：还设有速度传感器、负载传感器、控制选择开关、比较器；其中速度传感器的输出接到单片机的通用I/O口，单片机的通用I/O口输出的限速信号和启动信号；负载传感器的输出并联控制选择开关，经过一个二极管后再与手柄调速的输出端及单片机输出的限速信号并联作为比较器的同相输入；单片机的启动信号接入无刷直流电动机控制器的使能控制端，刹车控制的输出接入无刷直流电动机控制器的制动输入端；无刷电动机的转子位置传感器接入无刷直流电动机控制器的转子位置传感器输入引脚，无刷直流电动机控制器的输出驱动三相功率开关，控制无刷电动机。
2、根据权利要求1所述的无刷电动车辆数字智能控制器，其特征在于：速度传感器为开关型霍尔传感器，安装在电动车辆传动机构中间位置或终端的被测转轴转动部件的附近，感应转动部件的速度信号；负载传感器为线形霍尔传感器，也固定在被测转轴位移部件的附近，感应随负载状况成比例移动的位移部件上的位移信号。
3、根据权利要求1或2所述的无刷电动车辆数字智能控制器，其特征在于：三相功率开关的三相桥上下两侧共六个功率开关，逆变桥经一电阻RS接地作电流采样，采样电压输入至无刷直流电动机控制器中的电流检测比较器。
4、根据权利要求1或2所述的无刷电动车辆数字智能控制器，其特征在于：还具有电动机的欠压保护电路和过流保护电路，它们的输出并联接入无刷直流电动机控制器。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication