CN2758125Y - 智能电动车控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种控制器，具体来说是一种智能电动车控制器。本实用新型通过使用带有A/D转换和外中断功能的嵌入式控制器作为主控芯片，并设置有采集电路中各项参数的采样电路和检测电路中故障状况的检测电路，能够实现对控制器的良好保护和精确控制，从而得到一种性能稳定、安全性高、控制精确的智能电动车控制器。

Description

智能电动车控制器

技术领域

本实用新型涉及一种控制器，具体来说是一种智能电动车控制器。

技术背景

现有电动车控制器未采用微处理器进行控制，并缺少必要的采样和检测电路，因此无法实现对电动车的良好保护。

其存在的主要问题如下：

1.由于没有对控制器输出电流的精确检测，无法实现控制器输出电流在电机过载情况下的智能控制。

2.由于没有对电池电压的精确检测而无法实现对欠压过渡过程中控制器输出的平稳控制。

3.由于没有对霍尔传感器信号及功率管通断压降的精确联动检测，而无法实现功率管击穿及转把失效造成飞车的动态判断与保护。

4.由于没有因负载突然短路而形成的过流电流的及时高速准确检测，及控制器输出的快速关闭。

5.无法实现嵌入式控制器MCU死机或异常损坏之后自动切断控制器输出的保护。

6.缺少控制器的低功耗待机。

7.由于没有实现功率元件运行温度的精密检测，而无法实现温度过高时的智能控制。

8.未实现因输入电源正负极误接反时的保护功能，等等。

实用新型内容

本实用新型克服了上述缺点，提供一种性能稳定、安全性高、控制精确的智能电动车控制器。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：包括一个用于给整个控制器提供电能的电源、一个微处理器、一个电机、一个用于控制电机转速的霍尔传感器电路、一个功率场效应管、一个用于驱动所述功率场效应管工作的驱动电路和一个用于给所述微处理器提供稳定工作电源的工作电源电路，所述电源、电机和场效应管顺次连接，所述工作电源电路与电源连接，并输出一个稳定的+5V直流电源，作为所述微处理器正常运行的工作电源，所述驱动电路分别与微处理器和所述场效应管相连，由微处理器来控制驱动功率场效应管的导通，从而控制整个回路导通，所述霍尔传感器电路与微处理器相连，通过霍尔传感器电路的输出接入微处理器，所述智能电动车控制器还包括一个用于采样电路中各项参数的采样电路和一个检测电路各部分是否正常工作的故障检测电路，且都与所述微处理器相连。所述微处理器为带有A/D转换和外中断通道的嵌入式控制器MCU。

所述采样电路可包括一个用于采集功率场效应管工作时所产生温升的温度采样电路、一个用于采集流经电机电流的电流采样电路和一个用于采集电源电压的电源电压采样电路。

所述故障检测电路可包括一个用于检测电机是否发生短路故障的电机短路检测电路和一个用于检测所述控制器是否发生飞车现象的飞车检测电路。

所述微处理器和电池组之间还可连接有一个低功耗待机电路。

所述低功耗待机电路与电源之间还可设置有一个用于避免电源接反而电路造成损害的电源误接保护电路。

所述电源和电机之间还可设置有一个继电器保护电路，所述继电器保护电路还同时与所述微处理器相连。

所述故障检测电路还可包括一个用于检测MCU发生死机或异常损坏等故障的MCU故障检测电路，并连接在所述微控制器和继电器保护电路之间。

所述驱动电路可由三个三极管、两个电阻和一个电容构成，所述电源误接电路可由两个二极管构成，所述工作电源电路可由一个稳压块及其外围电路构成，所述继电器保护电路可由一个继电器、一个续流二极管、一个三极管和一定电阻构成，所述低功耗待机电路可由一个三极管、一个二极管、一个电解电容及其外围电路构成，所述电源电压采样电路可由一个三极管和两个分压电阻构成，所述温度采样电路可由一个电阻和一个热敏电阻分压构成，所述MCU故障检测电路可由一个电解电容、两个二极管、一个三极管及其外围电路构成，所述电机短路检测电路可由一个采样电阻、一个运算放大器及其外围电路构成，所述飞车检测电路可由两个分压电阻和一个二极管构成。

所述飞车检测电路中的可使两个分压电阻串联后，一端连接功率场效应管和电机相连接的一端，另一端接地，分压点经过所述正相连接的二极管后与所述嵌入式控制器MCU的一个输入/输出相连。

所述电源可为电池组，所述功率场效应管可为N沟道耗尽型场效应管。

本实用新型通过使用带有A/D转换和外中断功能的嵌入式控制器作为主控芯片，并设置有采集电路中各项参数的采样电路和检测电路中故障状况的检测电路，能够实现精确检测控制器输出在电机上的电流，并在过载情况下智能控制的；实现对电池电压精确检测并在欠压过渡过程中控制器的输出平稳控制的；实现对霍尔传感器信号及功率场效应管通断压降的精确联动检测，而实现功率场效应管击穿及霍尔传感器失效造成飞车的动态判断与保护的；实现因负载突然短路而形成过流电流的及时高速准确检测，及控制器输出的及时快速关闭的；实现嵌入式控制器MCU死机或异常损坏之后自动切断控制器输出进行保护的；实现控制器的低功耗待机的；实现功率元件运行温度的精密检测而在温度过高时智能控制的；实现因电源正负极误接反时保护整个控制器的，具有智能动态检测、判断保护的安全可靠的电动车控制器，从而实现对控制器的良好保护和精确控制。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图

图2为本实用新型的电路原理图

具体实施方式

如图1、2所示，本实用新型包括一个电池组、一个继电器保护电路、一个电机M和一个功率场效应管Q8并依次顺序连接，一个嵌入式控制器MCU控制一个驱动电路并驱动所述功率场效应管Q8，一个霍尔传感器电路与所述嵌入控制器直接相连，一个电源电压检测电路和一个工作电源电路分别连接在所述电池组和嵌入式控制器MCU之间，所述嵌入式控制器MCU故障检测电路连接在所述继电器保护电路和嵌入式控制器MCU之间，一个飞车检测电路、温度采样电路和一个电流检测电路分别连接在所述场效应管和嵌入式控制器MCU之间，一个电机短路检测电路连接在所述电流采样电路和嵌入式控制器MCU之间，一个电源误接保护电路和一个低功耗待机电路依次连接在所述电池组和嵌入式控制器MCU之间，所述嵌入式控制器MCU还通过一个三极管Q3直接控制所述继电器保护电路。

所述智能电动车控制器通过电池组给电机M和各集成芯片提供工作电能，电机M的转速由连接在电池组与电机M之间的场效应管Q8控制，场效应管Q8间歇性地接通与关断，电机M的转速则由场效应管Q8接通和关断的时间比来控制，接通的时间越长，电机M的转速就越快，反之亦然。所述嵌入式控制器MCU将霍尔传感器提供的使用者所操纵的控制信号转换成不同宽度的脉冲，控制驱动电路来驱动场效应管的导通和关断，从而控制电机的转动速度，并通过各种采样和检测电路来实时监控整个控制器的运行，实现对整个智能电动车控制器的有效控制。

所述嵌入式控制器MCU即U1带有多通道A/D转换器、脉冲宽度调制输出通道PWM、外中断通道INT和可定义的输入/输出通道。

所述工作电源电路由一个稳压块U4、一个电阻R6、一个电容C8和一个电解电容C7构成，所述稳压块U4的输入由电压采样电路中的集电极引出，经过所述电阻R6后接入，两个电容C7、C8并联后跨接在稳压块U4的输出端与地之间，且电解电容的正极与稳压块U4输出端相连，当电路接通电源、三极管Q1导通后，稳压块U4的输出端即输出+5V工作电源。

所述驱动电路由三个三极管Q5、Q6、Q7，两个电阻R15、R17和电容C16构成，其中，Q7为PNP型三极管。所述电阻R15和电容C16并联后一端与嵌入式控制器U1的脉宽输出PWM端相连，另一端与三极管Q5的基极相连，Q5的发射极接地，集电极分别与三极管Q6和Q7的基极相连，两三极管Q6、Q7的发射极相连，并同时经过电阻R17后与场效应管的栅极相连。当嵌入式控制器U1的PWM端输出一定宽度的脉冲时，通过驱动电路中各三极管的逐级驱动，使功率场效应管间歇性导通，从而控制电机M的转速。

所述继电器保护电路由一个继电器J1一个续流二极管D9一个三极管Q3和一个电阻R12构成，所述三极管Q3的基极经过所述电阻R12后与嵌入式控制器的数据RB3端相连，发射极与MCU故障检测电路中三极管Q4的集电极直接相连，集电极与继电器J1的线圈相连，线圈的另一端与电池组的正极相连，继电器J1的常开触点串接在电池组和电机之间，续流二极管D9与继电器J1的线圈并联。

所述电流采样电路由一个采样电阻R18、电阻R19、R20、R21、电容C17、电解电容C18及一个运算放大器U2A构成。采样电阻R18的一端接地，另一端接电阻R19及功率场效管Q8的源极，R19的另一端接所述电容C17及运算放大器U2A的同相输入端，电容C17的另一端接地，所述电阻R21的一端接入运算放大器U2A的反相输入端，另一端接地，反馈电阻R20跨接在运算放大器U2A的输出端和反相输入端，运算放大器U2A的输出端与电解电容C18的正极相连并同时输入到嵌入式控制器U1的带A/D转换器的输入通道AN02，所述电解电容C18的负极接地。所述的采样电阻R18是锰铜电阻。当控制器正常运行中，Q8导通时，电池组流经电机M的电流同时也流过采样电阻R18，故采样电阻R18上的电压降与由电池组流经电机的电流成正比。这个压降经运算放大器U2A的放大后输入嵌入式控制器U1的A/D通道AN02，经过A/D转换器的转换，嵌入式控制器U1就可精确测定由电池组流经电机的电流，此前，可在嵌入式控制器U1中设定三个预定值，当采样电流大于两级预定中的第1级较小预定值时，嵌入式控制器U1根据大于第1级预定值的采样电流的多少相应地每单位时间累加估算热量。当采样的电流小于所述的第1级预定值时，嵌入式控制器U1根据小于所述的第1级预定值的多少相应地每单位时间内减去估算热量。如此积累反复，当累加的估算热量大于另外一预定值时，嵌入式控制器U1关闭PWM的输出，一直等到估算的热量减小为0才重新允许输出PWM，当采样的电流大于所述第2级较大预定值时，嵌入式控制器U1会相应地逐渐减小PWM的输出，以保证从电池流经电机的电流可维持但不能大于所述的第2级预定值，即最大允许输出电流值。

所述的电压采样电路由PNP型三极管Q1、分压电阻R9、R10构成。所述三极管Q1是PNP型，发射极与电源误接检测电路中的二极管D1的负极相连，集电极依次连接分压电阻R9与R10后接地，R9和R10分压后接入嵌入式控制器U1的带A/D转换器的输入通道AN1端。电池电压经D1与Q1的发射极至集电极后得到的电压信号再由R9与R10分压所得的电压值，嵌入式控制器U1经A/D转换后再通过一定的运算可准确测出电池的输出电压。当测出的电池电压低于最低允许电压时，嵌入式控制器U1逐渐关闭PWM的输出，使控制器逐渐停止工作，以保持电池电压不低于最低允许电压。

所述的霍尔传感器电路由误接电源保护二极管D6、霍尔传感器、下拉电阻R1组成。二极管D6的正极连接+5V电源，负极连接霍尔传感器的电源端，给霍尔传感器供电，霍尔传感器的另一端接地，霍尔传感器的输出端通过下拉电阻R1的一端后接地，霍尔传感器的输出端同时输入到嵌入式控制器U1的A/D转换通道AN2端。所述的二极管D6的作用在于，当霍尔传感器外围接线误接电源时能够保护嵌入式控制器U1，所述的下拉电阻R1的作用在于对嵌入式控制器U1的A/D转换输入端电压进行下拉，当霍尔传感器调节到最小值时相当于没有接霍尔传感器。在正常工作状态时，嵌入式控制器U1根据霍尔传感器输入的电压的高低，经过A/D转换和运算，相应地调节PWM输出的脉宽，从而控制电机的转速。

所述的飞车检测电路由分压电阻R22、R23和二极管D8构成。所述分压电阻R22、R23串联后，一端接功率场效应管Q8的漏极和电机相连接的一端，另一端接地，分压点经过一个正相连接的二极管D8后与所述嵌入式控制器U1的输入/输出通道RA4相连。所述的飞车检测电路通过检测功率场效应管Q8的开通与关闭情况，来检测电机M的工作状态。功率场效应管Q8开通时，漏极与源极之内的电压几乎为0，采样电阻上的电压最高也不会超过1V，因此经分压输入嵌入式控制器U1的输入通道RA4端的电压几乎为0，即为低电平，功率场效应管Q8关闭时，漏极上的电压与电源电压接近，输入到嵌入式控制器U1的输入/输出通道RA4端的电压为+5V或接近+5V，即为高电平。正常情况下，飞车检测电路会检测到功率场效应管不断开通与关闭的信号，当霍尔传感器的电压信号不是最大值，即脉宽调制输出不是全导通时，功率场效应管Q8必定处于关闭或开通与关闭交替的状态，同时，如果在电流采样电路上采样到流经电机的电流，那么，嵌入式控制器U1的输入通道RA4必然检测到间断的高电平，如果在某个足够长的时间内，例如超过n个PWM周期内，没有检测到高电平，就可以判断功率场效应管处于全导通状态，这与输出的PWM控制逻辑不符，说明电机已不受PWM的控制，即判断为发生飞车现象，此时嵌入式控制器U1通过继电器保护电路关掉电机的供电电源，一直到下一次上电为止。当控制器处于失控而霍尔传感器又输出最大信号时，只要放松霍尔传感器的手把，让霍尔传感器输出的不是最大值，嵌入式控制器U1会及时发现失控并关断电机电源进行保护。

所述的电机短路检测电路由电阻R32、R33，三极管Q9，二极管D10，电解电容C24和电容C25构成。电阻R32的一端连接所述功率场效应管Q8与采样电阻R18的连接点，另一端接电容C25的一端及三极管Q9的基极，所述电容C25的另一端接地，三极管Q9的发射极接入所述二极管D10的负极和所述电解电容C24的负极，二极管D10与电解电容C24并联，且正极都接地，三极管Q9的集电极通过上拉电阻R33后连接+5V电源并同时与嵌入式控制器U1的外中断输入通道RB0/INT相连。正常工作时，采样电阻R18的压降不足以使三极管Q9导通，此时没有引起嵌入式控制器U1的外中断。当电机短路时，采样电阻R18得到一个足够高的电压，Q9导通，能发嵌入式控制器U1的外中断，嵌入式控制器U1及时关断PWM的输出且通过继电器保护电路关掉电机电源，直至下一次上电。

所述的MCU故障检测电路由电容C14、电解电容C15、二极管D3、二极管D4、电阻R13、R14与三极管Q4组成。所述电容C14-端接嵌入式控制器U1的输入/输出通道RB1，另一端分别接二极管D3的负极和二极管D4的正极。二极管D3的正极与电机短路检测电路中所述三极管Q9的发射极相连，二极管D4的负极分别与电阻R13、电解电容C15的正极和电阻R14相连。电阻R13的另一端分别接电解电容C15的负极、三极管Q4的发射极后再一起接地，电阻R14的另一端与三极管Q4的基极相连，三极管Q4的集电极连接继电器保护电路中三极管Q3的发射极。所述的嵌入式控制器U1在正常工作时从嵌入式控制器U1的RB1端不间断地输出某一固定频率的方波。经电容C14偶合，再经二极管D4后给电解电容C15充电，并维持Q4的导通。当嵌入式控制器U1出现故障，如死机或异常损坏时，嵌入式控制器U1的输入/输出通道RB1端只输出连续的高电平或低电平，方波消失，由于电容C14的隔离作用，电解电容C15的电压迅速下降，三极管Q4截止，同时继电器保护电路断开电机的电源，从而对整个线路进行保护。

所述的低功耗待机电路由一个三极管Q2，五个电阻R31、R2、R3、R4、R5、一个电解电容C18和一个二极管D2构成。所述二极管D2的正极接嵌入式控制器U1的输入/输出通道RB2，负极分别连接电阻R3、R4及电解电容C18的负极，C18与电阻R3并联，且正极与所述电压采样电路中三极管Q1的发射极相连，电阻R4的另一端连接三极管Q2的基极，电阻R5跨接在三极管Q2的发射极与基极之间，且Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极经过电阻R2后与三极管Q1基极相连，电阻R31跨接在三极管Q1的发射极和基极之间。Q1的集电极与工作电源电路中的电阻R6相连。当上电瞬间，电解电容C18两端电压为0，电源通过二极管D1、电解电容C18使三极管Q2导通，再由三极管Q2导通三极管Q1，使嵌入式控制器U1上电，之后在输出通导RB2端输出高电平维持Q1的导通，供电电路正常工作，正常工作后电解电容C18充满电。当嵌入式控制器U1检测到霍尔传感器一直输出最低电压超过某一预定的时间时，即待机时间超过某一预设值时，嵌入式控制器U1通过RB2通道输出低电平，使三极管Q2截止，三极管Q1也截止，供电通路截断，电动车控制器进入低功耗待机状态，功耗是微安级，同时电解电容C18通过R3放电，为下一次上电做准备。

所述的电源正负极误接反保护电路由二极管D1、D5组成。所述二极管D1的正极和二极管D5的正极相连再一起接电源的正极，所述二极管D1的负极与电压采样电路中三极管Q1的发射极相连，所述二极管D5的负极与继电器保护电路中的继电器J1的线圈相连。当电源的正负极接反时，由于D1与D5都是反偏，且继电器J1的线圈不得电，常开触点断开，所以电流构不成回路，故保护了整个电动车控制器。

所述的温度采样电路由电阻R34和热敏电阻RT构成。电阻R32与温敏电阻RT构成分压电路，R34的一端接+5V电源，另一端接热敏电阻RT同时连接嵌入式控制器U1的A/D通道RA2/AN2端，热敏电阻RT的另一端接地。所述热敏电阻RT在安装时紧贴功率场效应管Q8的散热片，用于采样功率场效应管Q8的温度，此前在嵌入式控制器U1中设置两个预设温度，当功率场效应管的温度低于两个预设温度值中第1个温度较低值时，温度保护对PWM没有影响，当温度在第1个预设较低温度值与第2个预设较高温度值时，嵌入式控制器U1按温度的高低相应地减小PWM的输出。以限制功率场效应管Q8的温升，当温度升高达到第2个预设温度值时，嵌入式控制器U1关闭PWM的输出。直到功率场效应管的温度低于第1个温度值时才重新允许PWM输出。上电复位后，功率场效应管Q8的温度只有低于第1个预设温度值时才允许PWM的输出。

Claims (10)

1.一种智能电动车控制器，其特征在于：包括一个用于给整个控制器提供电能的电源、一个微处理器、一个电机、一个用于控制电机转速的霍尔传感器电路、一个功率场效应管、一个用于驱动所述功率场效应管工作的驱动电路和一个用于给所述微处理器提供稳定工作电源的工作电源电路，所述电源、电机和场效应管顺次连接，所述工作电源电路与电源连接，并输出一个稳定的+5V直流电源，作为所述微处理器正常运行的工作电源，所述驱动电路分别与微处理器和所述场效应管相连，由微处理器来控制驱动功率场效应管的导通，从而控制整个回路导通，所述霍尔传感器电路与微处理器相连，通过霍尔传感器电路的输出接入微处理器，所述智能电动车控制器还包括一个用于采样电路中各项参数的采样电路和一个检测电路各部分是否正常工作的故障检测电路，且都与所述微处理器相连，所述微处理器为带有A/D转换和外中断通道的嵌入式控制器MCU。

2.根据权利要求1所述的智能电动车控制器，其特征在于：所述采样电路包括一个用于采集功率场效应管工作时所产生温升的温度采样电路、一个用于采集流经电机电流的电流采样电路和一个用于采集电源电压的电源电压采样电路。

3.根据权利要求1所述的智能电动车控制器，其特征在于：所述故障检测电路包括一个用于检测电机是否发生短路故障的电机短路检测电路和一个用于检测所述控制器是否发生飞车现象的飞车检测电路。

4.根据权利要求1或2或3所述的智能电动车控制器，其特征在于：所述微处理器和电池组之间还连接有一个低功耗待机电路。

5.根据权利要求4所述的智能电动车控制器，其特征在于：所述低功耗待机电路与电源之间还设置有一个用于避免电源接反而电路造成损害的电源误接保护电路。

6.根据权利要求1所述的智能电动车控制器，其特征在于：所述电源和电机之间还连接有一个继电器保护电路，所述继电器保护电路还同时与所述微处理器相连。

7.根据权利要求1或6所述的智能电动车控制器，其特征在于：所述故障检测电路还包括一个用于检测MCU发生死机或异常损坏等故障的MCU故障检测电路，并连接在所述微控制器和继电器保护电路之间。

8.根据权利要求7所述的智能电动车控制器，其特征在于：所述驱动电路由三个三极管、两个电阻和一个电容构成，所述电源误接电路由两个二极管构成，所述工作电源电路由一个稳压块及其外围电路构成，所述继电器保护电路由一个继电器、一个续流二极管、一个三极管和一定电阻构成，所述低功耗待机电路由一个三极管、一个二极管、一个电解电容及其外围电路构成，所述电源电压采样电路由一个三极管和两个分压电阻构成，所述温度采样电路由一个电阻和一个热敏电阻分压构成，所述MCU故障检测电路由一个电解电容、两个二极管、一个三极管及其外围电路构成，所述电机短路检测电路由一个采样电阻、一个运算放大器及其外围电路构成，所述飞车检测电路由两个分压电阻和一个二极管构成。

9.根据权利要求8所述的智能电动车控制器，其特征在于：所述飞车检测电路中的两个分压电阻串联后，一端连接功率场效应管和电机相连接的一端，另一端接地，分压点经过所述正相连接的二极管后与所述嵌入式控制器MCU的一个输入/输出相连。

10.根据权利要求1所述的智能电动车控制器，其特征在于：所述电源为电池组，所述功率场效应管为N沟道耗尽型场效应管。

Images