CN205540119U - 一种电动助力车的驱动与控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：包括单片机和与单片机输入端连接的用于采集人力脚踏速度和扭矩的力矩输入模块、欠压保护模块、过流保护模块、刹车信号采集模块，力矩输入模块输入端连接位置脉冲信号发生模块，单片机输出端与欠压报警模块、PWM驱动电路连接，欠压报警模块连接扬声器，PWM驱动电路连接电机。本实用新型采用脉宽调制(PWM)配以单片机为中心控制单元的调速系统，利用霍尔传感器实现传统的调速，系统还设计了欠压保护、欠压报警和过电流保护护功能，能够实现对电动助力车电量不足和电流过大时进行保护，该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。

Description

一种电动助力车的驱动与控制系统

技术领域

本实用新型涉及电动车驱动控制技术领域，尤其涉及一种电动助力车的驱动与控制系统。

背景技术

世界上电动助力车拥有总量1.3亿辆，年生产约3000万辆。目前世界上已经有40万辆各式电动助力车，电动助力车的潜在市场巨大，估计到2000年总数将达到200万辆。

随着改革开放的深入和生活水平普遍提高，人们希望获得轻巧便捷的交通工具。因此，当90年初推出燃油助力车时，市场获得很大的成功，但燃油助力车的发展带来了严重的环境污染。北京、上海都被列入世界大气污染最严重的十大城市之一。各地相继制定政策措施，限制燃油助力车的销售和使用。作为燃油助力车替代品的电动助力车有着广阔的前景。

我国内地虽然潜在有巨大的电动助力车市场，研究开发电动助力车的厂家、高校和科研单位也不少，有的单项技术水平也不低，但整车质量也不高，尚未形成强有力联合开发、开发和市场化方面已经具有一定规模。目前上海的道路建设跟不上车辆的发展，车辆行驶速度缓慢，据测平均速度不到12Km/h。车辆行驶慢时，污染物排放比正常行驶时更多。市区中心的一氧化碳、碳氢化合物总量的90％来自机动车排放的污染物。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电动助力车的驱动与控制系统，本实用新型采用脉宽调制(PWM)配以单片机为中心控制单元的调速系统，利用霍尔传感器实现传统的调速，系统还设计了欠压保护、欠压报警和过电流保护护功能，能够实现对电动助力车电量不足和电 流过大时进行保护，该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：包括单片机和与单片机输入端连接的用于采集人力脚踏速度和扭矩的力矩输入模块、欠压保护模块、过流保护模块、刹车信号采集模块，所述力矩输入模块输入端连接位置脉冲信号发生模块，所述单片机输出端与欠压报警模块、PWM驱动电路连接，所述欠压报警模块连接扬声器，所述PWM驱动电路连接电机。

上述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述单片机采用8051单片机。

上述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述位置脉冲信号发生模块采用霍尔传感器。

上述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述电机采用永磁无刷直流电动机。

上述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述PWM驱动电路采用三相星形联结全控电路。

上述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述过流保护模块包括采样电阻R和比较器LM324。

上述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述欠压报警模块由扬声器和三极管组成。

上述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述欠压保护模块为由运算放大器构成的电压比较电路。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用脉宽调制(PWM)配以单片机为中心控制单元的调速系统，利用霍尔传感器实现传统的调速，系统还设计了欠压保护、欠压报警和过电流保护护功能，能够实现对电动助力车电量不足和电流过大时进行保护，该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一 步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构框图；

图2是本实用新型的PWM驱动电路原理图；

图3是本实用新型的过流保护电路原理图；

图4是本实用新型的欠压报警电路原理图；

图5是本实用新型的欠压保护电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：包括单片机1和与单片机1输入端连接的用于采集人力脚踏速度和扭矩的力矩输入模块3、欠压保护模块4、过流保护模块5、刹车信号采集模块6，所述力矩输入模块3输入端连接位置脉冲信号发生模块2，所述单片机1输出端与欠压报警模块7、PWM驱动电路8连接，所述欠压报警模块7连接扬声器，所述PWM驱动电路8连接电机。

本实施例中，所述单片机1采用8051单片机。

本实施例中，所述位置脉冲信号发生模块2采用霍尔传感器。

本实施例中，所述电机采用永磁无刷直流电动机。永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机既有一般直流电机良好的调速启动性能，又具有寿命长，没有换向火花，没有无线电干扰，运行可靠，维修简便及噪声低等优点。

本实施例中，所述PWM驱动电路8采用三相星形联结全控电路。如图2所示，该电路中，电动机的三相绕组为星形联结。V1、V2、V3、V4、V5、V6为六只MODFET功率管，起绕组的开关作用上桥臂是P沟道MOSFET(V1、V3、V5)，其栅极为低电平时导通，下桥臂是N沟道MOSFET(V4、V6、V2)，其栅极为高电 平是导通。它们的通电方式又可分为两两导通方式和三三导通方式两种。在本实施例中采用两两导通方式。所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期(60°电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120°电角度。

本实施例中，所述过流保护模块5包括采样电阻R和比较器LM324。其原理图如图3所示。本设计中，主电路中通过电动机的电流最终是经过电阻R接地。过流保护电路是由采样电路R和比较器LM324硬件组成。因此，Uf＝RIm，其大小正比于电动机的电流Im。而Uf同给定电压Uo分别送到LM324运算放大器的两个输入端，一旦直流电动机电流增大，在采样电阻R上的压降增大，反馈电压Uf大于给定信号Uo，则比较器LM324输出低电平，使得主电路中3只MOSFET开关管V4、V6、V2被关断，无法导通，从而截断了直流无刷电动机定子绕组的所有电流通路，迫使电动机电流下降，R上的压降也减小；一旦电流下降到使反馈电压Uf小于给定电压Uo时，则比较器LM324输出又回到高电平，使主电路的MOSFET开关管V4、V6、V2又具备导通的能力，恢复正常的通断顺序。依此，电流被限制在Uo/R上下，达到过流保护的目的。

本实施例中，所述欠压报警模块7由扬声器和三极管组成。本设计采用光电藕合的方式来驱动扬声器，经三极管驱动扬声器后，即可发出声音信号，欠压报警电路由扬声器和三极管组成，由单片机的P0.7口控制，扬声器的三极管采用8050，扬声器可选用4欧或8欧负载，报警电路如图4所示。

本实施例中，所述欠压保护模块4为由运算放大器构成的电压比较电路。其电路如图5所示，欠压现象是缓冲变化得故障，当电动助力车的蓄电池输出电压低于一定值时，会造成电机功率的下降，并使得驱动控制器的集成电路工作电压达不到其正常工作电压，就有可能造成输出信号错乱，是控制系统工作在非正常状态，功率开关管工作不可靠，又可能出现应该导通的没有导通，而应该关断的没有关断的情况，使电机工作不正常甚至损坏。

本实用新型的电动助力车控制系统的硬件电路主要有4部分：1)检测部分2)控制部分3)保护部分4)欠压报警部分。从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量，但是又必须能使车行驶自如。控制 电路要根据选用电机和传感器来实现。

控制核心采用8051单片机，采用速度传感器和力矩传感器采集人力脚踏速度和扭矩，并利用8051单片机作为信号处理单元，以完成对人力脚踩输出功率的计算，实现真正意义上的智能助力。

系统的工作流程叙述如下：

选用8051单片机P1作为输出口，通过驱动器控制全桥驱动电路上桥臂的P沟道MOSFET，通过与门控制下桥臂的N沟道MOFET。8051的P0.0口作为PWM输出口，控制直流电动机的转速，P0.4-P0.6作为输入口，连接位置检测器输出的控制信号，8051的所有输出口都接上拉电阻，与-5V负载电平相匹配。

由位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的信号。而这些信号根据输入信号的要求，以一定的顺序触发功率开关器件，将电源按照一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。

由于本设计中电动助力车采用带有力矩传感器的轮毂永磁直流电机驱动，电机每转动一周，霍尔传感器将会产生8个脉冲信号。这些脉冲信号源连接在8051单片机的计数器定时器口，然后采取定时测脉冲的方法求的电动助力车的行驶速度。

采集到力矩传感器的输入信号以后，可以由8051求出脚踏的输出功率，然后根据直流驱动电动机的输入输出特性。8051单片机在P0.0口(8051的P0.0口作为PWM的输出口)输出不同占空比宽度的矩形脉冲信号，以实现直流驱动电机的调速控制。

为了防止电动机启动，过流或异常运行时，大电流对控制电路，功率逆变器和电动机本体造成损害，设计了过电流保护电路，在主电路上串联一个采样电阻，将采样电阻两端电压与设定的电压进行比较来检测主电路是否过流，如发生过流，则由硬件控制部分来完成保护。

当电动机电源电压太低时，相应电平也会送入单片机，实现PWM信号的关断，电动机惯性滑行，起到保护作用，并同时启动欠压报警，提醒使用者电压不足，需要充电。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：包括单片机(1)和与单片机(1)输入端连接的用于采集人力脚踏速度和扭矩的力矩输入模块(3)、欠压保护模块(4)、过流保护模块(5)、刹车信号采集模块(6)，所述力矩输入模块(3)输入端连接位置脉冲信号发生模块(2)，所述单片机(1)输出端与欠压报警模块(7)、PWM驱动电路(8)连接，所述欠压报警模块(7)连接扬声器，所述PWM驱动电路(8)连接电机。

2.如权利要求1所述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述单片机(1)采用8051单片机。

3.如权利要求1所述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述位置脉冲信号发生模块(2)采用霍尔传感器。

4.如权利要求1所述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述电机采用永磁无刷直流电动机。

5.如权利要求1所述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述PWM驱动电路(8)采用三相星形联结全控电路。

6.如权利要求1所述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述过流保护模块(5)包括采样电阻R和比较器LM324。

7.如权利要求1所述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述欠压报警模块(7)由扬声器和三极管组成。

8.如权利要求1所述的一种电动助力车的驱动与控制系统，其特征在于：所述欠压保护模块(4)为由运算放大器构成的电压比较电路。