專利名稱：無刷電動車輛數(shù)字智能控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電動車輛控制技術領域，具體涉及一種無刷電動車輛數(shù)字智能控制器。
背景技術：
現(xiàn)有的電動車輛，如電動自行車，都具有一套對電動機的工作狀況進行控制的控制器，該控制器是根據(jù)騎行者的人為操作指令而控制電動機的工作。而騎行者發(fā)出各種指令的依據(jù)是對騎行狀況的感覺和經驗判斷，如在輕載荷、重載荷狀態(tài)、爬坡等不同行駛狀態(tài)下，由于人不可能準確地感覺電動車輛在各種復雜工況下的速度、負載變化情況，更不能準確地得到在這些狀態(tài)下電動機所需提供的最有效動力，因此，這種人為的操作控制往往是不準確，有時甚至是錯誤的，會給電動機帶來不必要的損壞，這是造成現(xiàn)有電動自行車電動機返修率高的主要原因，同時也造成蓄電池大電流深度、過度放電，縮短電動機和蓄電池使用壽命，例如在上坡、逆風時人們往往希望速度不下降而增大輸入電壓，但是由于上坡時電流隨著負載增加不斷增大，就會超過電動機的額定功率，造成電動機堵轉發(fā)熱甚至燒毀，另外持續(xù)大電流放電對鉛酸電池損害也比較大，造成其使用壽命的縮短。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有電動車輛控制存在的缺陷，提供一種針對無刷電動車輛的數(shù)字智能控制器，通過獲取傳感器從電動自行車傳動中間任意位置或終端直接檢測到的轉速信號和負載信號，由控制電路將其轉換成數(shù)字信號，進行處理，準確適時地將所需的電量輸送給電動機，控制電動機始終處于高效的工作狀態(tài)，電池始終處于最佳的放電狀態(tài)，延長電池的使用壽命，增加電動車輛的續(xù)行距離和爬坡能力，自動排除人為誤操作、控制不準確和其他非標準狀態(tài)帶來的不必要的電量損失，達到高效節(jié)能、智能驅動的效果。
本發(fā)明的技術方案如下數(shù)字智能電動車輛控制器，它保留傳統(tǒng)無刷電動車輛控制器的手柄調速電路、剎車控制電路、單片機、無刷直流電動機控制器、三相功率開關和無刷電動機，增加了速度傳感器、負載傳感器、控制選擇開關、比較器。其中速度傳感器的輸出接到單片機的通用I/O口，單片機的通用I/O口輸出的限速信號和啟動信號；負載傳感器的輸出并聯(lián)控制選擇開關，經過一個二極管后再與手柄調速的輸出端及單片機輸出的限速信號并聯(lián)作為比較器的同相輸入；單片機的啟動信號接入無刷直流電動機控制器(如MC33035)的使能控制端，剎車控制的輸出接入無刷直流電動機控制器的制動輸入端；無刷電動機的轉子位置傳感器接入無刷直流電動機控制器的轉子位置傳感器輸入引腳，無刷直流電動機控制器的輸出驅動三相功率開關，控制無刷電動機。若控制選擇開關閉合，則負載傳感器輸出接地，此時為人工控制速度方式；若控制選擇開關斷開，當負載傳感器輸出為零，則智能控制優(yōu)先的電子開關斷開，此時為人工控制速度方式，當負載傳感器輸出不為零，則電子開關打開，使手柄調速信號接地，此時智能控制優(yōu)先，為智能控制速度方式。
本發(fā)明的優(yōu)點是在原控制電路中增加了速度傳感器、負載傳感器，通過它們實現(xiàn)從電動車輛傳動終端或中間的任意位置直接檢測準確的、真實的轉速信號和負載信號，由控制器轉換成數(shù)字信號進行處理，準確適時地將所需的電量輸送給電動機，通過脈寬調制，同步控制電動機輸出功率，避免上坡等大負載工況時電動機超負荷運行和堵轉的發(fā)生，控制電動機始終處于高效的工作狀態(tài)，電池始終處于最佳的放電狀態(tài)，延長電池的使用壽命，增加車輛的續(xù)行距離和爬坡能力，自動排除人為誤操作、控制不準確和其他非標準狀態(tài)帶來的不必要的電量損失。同時通過設置一個選擇控制開關，讓使用者選擇系統(tǒng)自動調速或是人為通過手柄調速器調速，從而使系統(tǒng)具有手動和自動兩種狀態(tài)。由于控制方式的增加，增加一個輸入選擇控制器件即比較器，以判斷手柄信號和負載傳感器信號那一個作為自控系統(tǒng)的輸入，并且當速度達到二十公里/時的時候保持速度不再增加，因此是車輛具有人為控制、智能控制、人力騎行智能補償?shù)热N控制功能和使用方式，智能傳感和人為調速可更替使用，比全電動自行車可增加40％的續(xù)行里程，安全性更好、達到高效節(jié)能、智能驅動的效果。


圖1是本發(fā)明的總控制電路框圖；圖2是本發(fā)明的電路圖。
具體實施例方式
參見圖1，本例是將控制器用于無刷電動自行車上，它由速度傳感器、負載傳感器、手柄調速電路、剎車控制電路、單片機、無刷直流電動機控制器、欠壓保護電路和過流保護電路、控制選擇開關、比較器、三相功率開關和無刷電動機組成。
其電路連接為負載傳感器的輸出并聯(lián)一個控制選擇開關，經過一個二極管后再與手柄調速的輸出端及單片機輸出的限速信號并聯(lián)作為比較器的同相輸入。速度傳感器的輸出接到單片機的通用I/O口，單片機的通用I/O口輸出的20km/h限速信號和5km/h啟動信號，前者與手柄調速及負載傳感器輸出并聯(lián)，后者接入無刷直流電動機控制器的使能控制端，剎車控制接入無刷直流電動機控制器的制動輸入端，電動機的轉子位置傳感器接入無刷直流電動機控制器的轉子位置傳感器輸入端，無刷直流電動機控制器的輸出驅動三相功率開關，三相橋上下兩側共六個功率開關，逆變橋經一電阻RS接地作電流采樣，采樣電壓輸入至無刷直流電動機控制器的電流檢測比較器。無刷直流電動機控制器內設欠電壓保護電路，當本芯片電壓VCC、VC不足時關閉驅動輸出。
其中，無刷直流電動機控制器采用MOTORROLA公司的無刷直流電動機控制器專用集成電路MC33035，主要組成部分包括轉子位置傳感器譯碼器電路、帶溫度補償?shù)膬炔炕鶞孰娫?、頻率可設定的鋸齒波振蕩器、誤差放大器、脈寬調制(PWM)比較器、輸出驅動電路、欠電壓封鎖保護及芯片過熱保護等故障輸出、限流電路。
以下結合圖2具體說明本控制器的工作情況本控制器由安裝在電動車輛傳動機構終端(如自行車的后輪軸)的速度傳感器和負載傳感器將實時的速度信號和負載信號以電壓的形式輸入控制器。速度傳感器為開關型霍爾傳感器，在非磁材料的圓盤邊緣均勻粘貼四塊磁鋼，將圓盤固定在被測轉軸上。開關型霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近，圓盤每旋轉一周，霍爾傳感器便輸出四個脈沖，用單片機處理這些脈沖，便可知道轉速。當電動自行車的速度達到五公里以后，即單片機(P3.4)記錄速度傳感器的輸入脈沖達到一定數(shù)量后，P1.7輸出一個高電平，打開三極管V1，使無刷直流電動機控制器的使能控制端輸入變成高電平，無刷直流電機控制器可以開始工作。當電動自行車的速度達到二十公里時，P1.6輸出一個高電平，打開三極管V2，放掉電容C17的一部分電能，從而降低無刷直流電動機控制器的誤差放大器同相輸入，控制電動自行車的速度不再提高；當電動自行車的速度不足二十公里時，P1.6輸出低電平，位移傳感器和手柄調速器對電容C17充電，使得電容的電壓上升，從而提高無刷直流電動機控制器的誤差放大器輸入，使得電動自行車的速度上升。
負載傳感器使用的是為線性霍爾傳感器，在非磁材料的圓盤邊緣粘貼一個環(huán)形磁鋼，將圓盤固定在被測轉軸上。線性霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近，S極和N極分別安裝在圓盤的兩邊。當霍爾傳感器距離磁鋼的距離不同時，S極和N極分別在0～2.5V、2.5～5V之間變化，將S極和N極的輸出信號接入運算放大器進行處理后，得到一個0～5V的信號，此信號與負載情況成正比，將其輸入到控制系統(tǒng)中進行處理達到控制速度的目的。
當騎行者捏剎車后，裝在剎車上的霍爾傳感器輸出信號變成低電平，則三極管V4關斷，無刷直流電動機控制器的制動輸入為高，電動機制動減速；不捏剎車的時候，傳感器輸出高電平，三極管V4導通，無刷直流電動機控制器的制動輸入為低，電動機正常運轉。
手柄調速是人為控制速度的輸入端，負載傳感器是控制系統(tǒng)自動調速的輸入端。當電動自行車運行在手動調速狀態(tài)時，采用手柄調速控制的方式，讓騎行者隨意控制行駛速度，這種方式主要在平路等輕負載的工況下使用；當電動自行車運行在智能調速狀態(tài)時，考慮到限制電機功率、防止堵轉、保護電池的問題，因此采用負載傳感器控制優(yōu)先的方式，由事先設定的負荷曲線自動控制行駛速度，在保護系統(tǒng)的前提下以盡可能高的速度運行，當某時刻負載傳感器輸出為零的時候，則手柄輸入控制速度。當負載傳感器檢測電動自行車的負載超過一定值時，運放N4B輸出一個高電平打開三極管V3，使得手柄調速的輸入端接地，從而屏蔽手動速度輸入，無刷直流電動機控制器根據(jù)負載傳感器的輸入工作，避免上坡等大負載工況時電機超負荷運行和堵轉的發(fā)生。
由于電動自行車的電源是直流蓄電池，且電機的額定功率較低，為了增加蓄電池的壽命、防止電機過載，控制系統(tǒng)加入了過流保護和欠壓保護電路。無刷直流電動機控制器有電流限制功能，外界逆變橋經一電阻RS接底座電流采樣，采樣電壓由9和15腳輸入至電流檢測比較器，比較器反相輸入端設置有100mV基準電壓作為電流限流基準，在振蕩器鋸齒波上升時間內，若電流過大，此比較器翻轉，使下RS觸發(fā)器重置，將驅動輸出關閉，以限制電流繼續(xù)增大。在鋸齒波下降時間，重新將觸發(fā)器置位，使驅動輸出開通。利用這樣的逐個周期電流比較，實現(xiàn)了限流。為了避免由換相尖峰脈沖引起電流檢測誤動作，在9腳輸入前設置RC低通濾波器。無刷直流電動機控制器有欠電壓保護功能，無刷直流電動機控制器內部設有欠電壓保護電路，當芯片電壓VCC、VC不足(典型質低于9.1V)時關閉驅動輸出，以保證芯片內部全部工作正常。欠電壓保護沒有鎖存功能，當電壓恢復正常后，系統(tǒng)會自動恢復正常。
當出現(xiàn)不正常的位置傳感器輸入狀態(tài)、電流檢測端輸入電壓大于100Mv、欠電壓保護、內部芯片過熱(典型值超過170℃)、使能端(7腳)為邏輯低電平等故障狀態(tài)時，無刷直流電動機控制器的14腳輸出低點評，此時發(fā)光二極管LED亮。
除非由于過電流或故障狀態(tài)使六個驅動輸出閉鎖，無刷直流電動機控制器在正常情況下，誤差放大器輸出與振蕩器輸出鋸齒波信號比較后，產生脈寬調制(PWM)信號，控制三個下策驅動輸出。改變輸出脈沖寬度，相當于改變供給電動機繞組的平均電壓，從而控制器轉速和轉矩。
無刷直流電動機控制器的轉子位置傳感器譯碼電路將電動機的轉子位置傳感器信號轉換成六路驅動輸出信號，三路上側驅動輸出和三路下側驅動輸出。
權利要求
1.無刷電動車輛數(shù)字智能控制器，它包括手柄調速、剎車控制、單片機、三相功率開關、無刷直流電動機控制器和無刷電動機，其特征在于還設有速度傳感器、負載傳感器、控制選擇開關、比較器；其中速度傳感器的輸出接到單片機的通用I/O口，單片機的通用I/O口輸出的限速信號和啟動信號；負載傳感器的輸出并聯(lián)控制選擇開關，經過一個二極管后再與手柄調速的輸出端及單片機輸出的限速信號并聯(lián)作為比較器的同相輸入；單片機的啟動信號接入無刷直流電動機控制器的使能控制端，剎車控制的輸出接入無刷直流電動機控制器的制動輸入端；無刷電動機的轉子位置傳感器接入無刷直流電動機控制器的轉子位置傳感器輸入引腳，無刷直流電動機控制器的輸出驅動三相功率開關，控制無刷電動機。
2.根據(jù)權利要求1所述的無刷電動車輛數(shù)字智能控制器，其特征在于速度傳感器為開關型霍爾傳感器，安裝在電動車輛傳動機構中間位置或終端的被測轉軸轉動部件的附近，感應轉動部件的速度信號；負載傳感器為線形霍爾傳感器，也固定在被測轉軸位移部件的附近，感應隨負載狀況成比例移動的位移部件上的位移信號。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的無刷電動車輛數(shù)字智能控制器，其特征在于三相功率開關的三相橋上下兩側共六個功率開關，逆變橋經一電阻RS接地作電流采樣，采樣電壓輸入至無刷直流電動機控制器中的電流檢測比較器。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的無刷電動車輛數(shù)字智能控制器，其特征在于還具有電動機的欠壓保護電路和過流保護電路，它們的輸出并聯(lián)接入無刷直流電動機控制器。
全文摘要
本發(fā)明是一種無刷電動車輛數(shù)字智能控制器，它包括速度傳感器、負載傳感器、控制選擇開關和比較器、手柄調速、剎車控制、單片機、無刷直流電動機控制器、三相功率開關和無刷電動機，它通過獲取傳感器從電動自行車傳動中間任意位置或終端直接檢測到的瞬時轉速信號和負載信號，通過單片機、控制選擇開關、比較器、無刷直流電動機控制器等的處理，準確適時地將所需的電量輸送給電動機，控制電動機始終處于高效的工作狀態(tài)，電池始終處于最佳的放電狀態(tài)，延長電池的使用壽命，增加電動車輛的續(xù)行距離和爬坡能力，自動排除人為誤操作、控制不準確和其他非標準狀態(tài)帶來的不必要的電量損失，達到高效節(jié)能、智能驅動的效果。
文檔編號B60L3/00GK1634723SQ20031012103
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月31日 優(yōu)先權日2003年12月31日
發(fā)明者薛榮生 申請人:西南師范大學