新型代步車控制器設(shè)計方案

新型電動代步車控制器設(shè)計方案一現(xiàn)狀及分析電動代步車適合老年人、殘疾人以及中年人等人群休閑代步用，可以用來逛公園、上街買菜、接送小孩等，是休閑出行的絕好代步工具。在國際上，近年來電動代步車應(yīng)高齡人口與綠色環(huán)保趨勢的需求，已成為傳統(tǒng)輪椅產(chǎn)業(yè)中另一新興產(chǎn)業(yè)。主要發(fā)達(dá)國家為了應(yīng)對高齡化社會，紛紛將老人醫(yī)療照護(hù)納入政策補(bǔ)助項目。比如，美國老年人如果行動障礙，通過醫(yī)生處方能獲一輛政府采購的代步車或電動輪椅，因而成為電動代步車銷售最好的國家；歐洲主要國家在健保制度及相關(guān)法令規(guī)定下，行動輔具等市場也相當(dāng)龐大。在國內(nèi)，目前電動代步車主要分2種，一種是電動自行車，另一種是四輪電動代步車，主要用做出口。在國外電動代步車經(jīng)過20多年的發(fā)展，市場非常成熟，而且慢慢進(jìn)于飽和階段。但是對于國內(nèi)市場來說，才剛剛起步，它的發(fā)展是近幾年的事情。先是國內(nèi)企業(yè)為國外廠家代工，慢慢出現(xiàn)了部分企業(yè)生產(chǎn)出口電動代步車，然后出現(xiàn)了部分外貿(mào)進(jìn)出口公司開始代理銷售境外產(chǎn)的電動代步車，最后國內(nèi)企業(yè)開始拓展國內(nèi)市場。因發(fā)展時間短，目前幾乎沒有哪個廠家能把市場做得非常好，市場上還缺乏叫得響的品牌。直到現(xiàn)在還有很多人都不知道有這樣一個代步工具，目前也有很多人在尋找一種代步工具，但是很多人不知道是什么樣子的一個車，性能怎么樣，在哪里能夠買的到?？刂破魇请妱哟杰嚨拇竽X，其主要作用是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、提高電機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù)電機(jī)和蓄電池以及降低代步車在受到破壞時的損傷程度。電動代步車在正常運行狀態(tài)下，控制器首先處理來自調(diào)速把手的速度控制信號，經(jīng)過分析處理后給電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出轉(zhuǎn)速控制信號，同時接收來自電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號并與控制信號進(jìn)行不斷地比較由此形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)以達(dá)到精確拉制的目的。為了實現(xiàn)對電機(jī)和蓄電池的保護(hù)，在運行過程中控制器會不斷的檢測電機(jī)的電流與蓄電池的電壓，發(fā)現(xiàn)異常后會發(fā)出報警信號并在延遲一段時間后（基于對騎行者安全的考慮）切斷主電源。剎車控制采用中斷的方式，在控制器檢測到剎車信號后，立印切斷主電源。電動代步車常用的直流電機(jī)控制器目前主要有兩種類型：一種是采用生產(chǎn)廠商提供的已有的專用集成電路作為主控芯片的控制器；一種是采用需要設(shè)計人員編程的微控制器作為主控芯片的控制器。前者是廠商根據(jù)無刷直流電機(jī)的控制要求，將控制邏輯電路和一些保護(hù)電路集成到一個芯片內(nèi)。它提高了系統(tǒng)的抗干擾性，使控制器更加可靠，同時也減輕了研發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，節(jié)省了開發(fā)時間，提高了開發(fā)效率，一般這類控制器稱為模擬式控制器；后者采用微控制器，由設(shè)計人員根據(jù)電機(jī)的控制要求，編寫相應(yīng)的控制程序和保護(hù)程序。這類控制器的特點是使用靈活，設(shè)計人員可以根據(jù)市場要求增加相應(yīng)的功能，從而使不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的控制得到優(yōu)化，以實現(xiàn)控制器與電機(jī)達(dá)到良好的匹配，通常將此類控制器稱為數(shù)字式控制器。隨著市場和技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式直流電機(jī)控制器已經(jīng)成為目前的主流產(chǎn)品。目前國產(chǎn)控制器主要應(yīng)用于電動自行車。電動代步車由于其對安全保護(hù)方面的特殊要求，一般采用更加可靠、穩(wěn)定的進(jìn)口控制器。比如啟動車輛時的電腦保護(hù)功能，可防止控制器在通電時因加速器原因或誤操作而導(dǎo)致車輛忽然啟動；下坡時如未剎車，控制器將按已近設(shè)定的數(shù)值對車輛的滑行進(jìn)行限速；具有溫度補(bǔ)償既過溫保護(hù)功能，使得再生制動電流不會因為溫度升高而減小，確保長時間下坡時車輛的安全；具備坡斜平穩(wěn)起步等功能。二功能需求根據(jù)代步車應(yīng)用場合，為滿足市場的需要，控制器要求完成三大任務(wù)：電機(jī)驅(qū)動和調(diào)速、車頭電路控制和安全可靠保障。具體來說包括以下功能：（1）剎車功能防抱死ABS剎車，制動迅速，并將制動的能量回饋給電池充電。（2）電動模式當(dāng)騎行者騎行時，可以通過調(diào)速手柄控制代步車行駛的速度。（3）限流保護(hù)對回路中電流進(jìn)行檢測，使電機(jī)不論在過載還是堵轉(zhuǎn)情況下，電流都不超過限流值，防止開關(guān)管燒毀。（4）堵轉(zhuǎn)保護(hù)電機(jī)堵轉(zhuǎn)3秒以上，控制器自動保護(hù)，防止燒毀電機(jī)與控制器。（5）欠壓保護(hù)控制器隨時監(jiān)視電源電源電壓，當(dāng)電源電壓不足時，控制器自動保護(hù)，防止電池過放電影響使用壽命。（6）溫度保護(hù)控制器的溫度過高時，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，防止控制器燒毀。（7）防止飛車防止由于轉(zhuǎn)把或線路故障引起的飛車現(xiàn)象，提高整車的安全性。（8）限速功能根據(jù)市場需要，代步車行駛速度不超過X公里/小時（X可通過編程設(shè)定）。（9）電量監(jiān)測實時監(jiān)測并顯示蓄電池電量，電量不足超限時報警并鎖死電機(jī)。（10）坡斜起步上坡前進(jìn)起步或下坡后退起步不溜坡?？梢灶A(yù)見，隨著國內(nèi)技術(shù)水平的不斷提高，國產(chǎn)控制器必將逐步發(fā)展，最終替代進(jìn)口控制器。為了能夠引領(lǐng)市場發(fā)展的潮流，使得產(chǎn)品保持足夠的競爭力，在控制器方案設(shè)計時考慮一些具備市場潛力的前瞻性功能，今后根據(jù)市場變化逐步進(jìn)行功能拓展，實現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代。目前考慮的主要功能有：（1）定速巡航若調(diào)速手柄在一段時間內(nèi)不變，則不再響應(yīng)新的輸入而保持固定的輸出扭矩，直到調(diào)速手柄輸出變化超過10%。（2）故障自診斷顯示對整車電路系統(tǒng)出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行自檢測并顯示，具有電路故障時禁止運行。（3）在系統(tǒng)編程控制器與通用計算機(jī)與連線，通過友好的操作軟件實現(xiàn)控制器參數(shù)設(shè)定、代步車后臺運行信息查詢等功能。通過純軟件編程工具在增加操作方便性的同時又能免除編程器硬件成本。（4）行車電腦可以通過液晶屏實時顯示代步車運行狀態(tài)，使得騎行者對于比如車速、里程、續(xù)航里程等信息一目了然。（5）防盜功能針對目前代步車防盜能力弱的現(xiàn)狀，設(shè)計具備電子密碼防盜功能的控制器。使用前需要提供正確的密碼，三次密碼錯誤鎖死控制器。（6）倒車?yán)走_(dá)類似于目前汽車用倒車?yán)走_(dá)，在電動代步車前后安裝倒車?yán)走_(dá)，當(dāng)操作者駕駛代步車前進(jìn)或者后退遇到障礙物或行人時，控制器先根據(jù)超聲波所測距離的大小進(jìn)行語音提示。當(dāng)距離超限后驅(qū)動電機(jī)使電動代步車作出剎車或減速等動作，減小由于行動不便者遇到潛在危險反應(yīng)緩慢而造成事故的概率。（7）遙控鑰匙實現(xiàn)無線遙控鑰匙功能。三實現(xiàn)方案

.整體框架硬件電路采用高性能低功耗嵌入式微控制器作為主控芯片，內(nèi)置高速ADC、PWM模塊、比較器等數(shù)字和模擬電路，簡化系統(tǒng)設(shè)計、減小產(chǎn)品體積、降低硬件成本。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。采用大功率場效應(yīng)管作為電機(jī)驅(qū)動開關(guān)管，耐壓高、電流大，保障可靠運行。三檔開關(guān)霍爾調(diào)速手柄限速旋鈕喇叭??雙路輸出?三檔開關(guān)霍爾調(diào)速手柄限速旋鈕喇叭??雙路輸出?電機(jī)圖1系統(tǒng)整體框圖直流電機(jī)在啟動時如果直接加全電壓，會產(chǎn)生高于額定電流十幾倍的沖擊電流。這種有害的沖擊電流會使繞組由于過熱而損壞，直接影響電機(jī)的運行，而且會浪費電能，降低蓄電池及相關(guān)電路的絕緣壽命。產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩會對電動機(jī)及負(fù)載造成電氣和機(jī)械損傷，造成齒輪等機(jī)械傳動部件的非正常磨損，加速產(chǎn)品老化，縮短使用壽命。因此，采用軟啟動方式，將電機(jī)的輸入電壓從0逐步升高到額定電壓，使得電機(jī)在啟動過程中的啟動電流由不可控的過載沖擊電流變成為可控的、可根據(jù)需要調(diào)節(jié)大小的啟動電流。電機(jī)啟動的全過程都不存在沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，而是平滑的啟動運行，防止電機(jī)振動，保證電機(jī)的穩(wěn)定性。.工作模式全數(shù)字PWM控制方式，利用主控芯片的數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制。設(shè)計全橋功率MOSFET電路，提供多種不同方向的前進(jìn)、后退、驅(qū)動、制動控制，靜音高頻運行。根據(jù)三檔開關(guān)，設(shè)定前進(jìn)后退兩種模式。前進(jìn)模式限速X公里/小時，手柄后退無效；后退模式限速Y公里/小時，手柄前進(jìn)無效（X、Y數(shù)值根據(jù)需要設(shè)定）。.欠壓和過熱保護(hù)為了實現(xiàn)欠壓保護(hù)，控制器需要對電源電壓進(jìn)行監(jiān)視。由于電機(jī)運行時電流值有時變化特別大，電池電壓會在電流峰值處有比較明顯的瞬時壓降，從而容易造成電壓不足的誤判。為了避免這種情況的發(fā)生，在作電源電壓檢測時，引進(jìn)滯環(huán)比較器，設(shè)定兩個閾值匕、V2（匕設(shè)定為欠壓保護(hù)時的閾值，V2比匕稍大即可），并作10次延時判斷。如果電壓小于V1，則PWM占空比減1；如果電壓大于V2，PWM占空比加1；如果電壓處于V2、V2之間，則輸出PWM占空比不變。通過減小PWM的占空比來減小回路中的電流，如果檢測到電源電壓一直很低，那么PWM最終會減小到0，這表明在電流很小的情況下檢測到電源電壓還是很低，從而可以斷定電池能量確實即將耗盡，避免了誤判的情況。對于控制器溫度的檢測同樣可以采取這種方法來實現(xiàn)，不再贅述。.制動控制代步車在制動過程中，經(jīng)常需要使用剎車功能，為避免意外情況的發(fā)生，控制器需要對剎車進(jìn)行快速響應(yīng)，并能保證代步車迅速停下來。目前，市場上的剎車有兩種方式：一種是剎車斷電，即控制器檢測到剎車信號后，停止給電機(jī)供電，依靠機(jī)械閘抱緊車輪，從而使代步車停止前進(jìn)；另一種是防剎車抱死的方法，即ABS剎車。在代步車行駛速度很快時，前一種方法可能會出現(xiàn)剎車抱死整車滑行失控的現(xiàn)象，該現(xiàn)象只能通過頻繁控制機(jī)械剎把來避免，操作復(fù)雜整車運行不夠可靠。ABS方法通過軟件處理，給代步車提供一個制動力，在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生間斷性、周期性的電磁制動轉(zhuǎn)矩，從而有效防止剎車時車輪抱死整車滑行而失控的現(xiàn)象，提高整車使用的可靠性和安全性。.坡斜起步不管哪個方向，當(dāng)松開調(diào)速手柄時，都能自動剎車，提高安全性。上坡行駛時有防止車輛倒滑功能，下坡行駛時提供自動的電子制動，以限制車輛速度，防止車輛下坡時速度過快造成意外。采用電磁駐剎控制，控制器檢測電機(jī)運轉(zhuǎn)情況，當(dāng)電機(jī)正常啟動時，松開剎車。.故障自診斷通電初始化診斷結(jié)合運行過程實時診斷。當(dāng)控制器通電前，加速器不回位或連接出現(xiàn)問題（例如返回拉簧斷裂）時，即使松開加速器，仍有加速器輸入信號進(jìn)入控制器，此時聲光報警，提醒駕駛者防止突然啟動造成飛車事故。.在系統(tǒng)編程模塊考慮到市場上控制器普遍采用編程器實現(xiàn)控制參數(shù)編程的方式操作復(fù)雜、成本高，擬采用圖形化編程語言LabVIEW設(shè)計編程軟件運行于通用計算機(jī)，能過RS232串行口連接至控制器，如圖2所示。編程軟件界面友好、操作簡便、減少硬件成本。圖3和圖4分別為基于LabVIEW平臺開發(fā)的示波器操作界面和除塵設(shè)備監(jiān)控界面，設(shè)計效果供參考。圖2編程方式示意圖圖2編程方式示意圖數(shù)字存儲示波器任意信號發(fā)生器萬用表毫伏表浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院時基;(ms/Div)ms5 -停止?fàn)顟B(tài)觸發(fā)同步電源0.5ms-□自動觸發(fā)口游標(biāo)隱藏口上升觸發(fā)時基;(ms/Div)ms5 -停止?fàn)顟B(tài)觸發(fā)同步電源0.5ms-□自動觸發(fā)口游標(biāo)隱藏口上升觸發(fā)口直兼耦合□采集模式口取消接地0.1ms100rns運行存儲退出圖3數(shù)字存儲式示波器示意圖心頂部電磁振打控制品短理監(jiān)控界面M窗面板*劉枇E僻.歸直否整項印匕嗓作⑷工Md宦口:密林助辿國理◎回|6小用理于丁佯「際~|司京1卷/產(chǎn)I劉枇E僻.歸直否整項印匕嗓作⑷工Md宦口:密林助辿國理◎回|6小用理于丁佯「際~|司京1卷/產(chǎn)I監(jiān)控界面?脫機(jī)在金i附11發(fā)旗冊當(dāng)前善購/aditinUUU/-lL-^b12Yd打?qū)з?器發(fā)生二大JE故更t/另hihiin?nn?-i?-?71x17?寸號麗鼎巖生?受壓超里/Hudirin200712281212寶號跑」那發(fā)士:欠壓更年？/5adirln2007-12-2912J2先考跑［器發(fā)生.欠壓也若ty6adnrin2007-12-C01212立,=振打拼我牢:劃卜融建?/adirmi■L：UU/-lL<:b,",L.rJL.—LIdYd明亍鼎1器發(fā)生—.-匚4<iT-rD[Tl12.jLl上班也尊t.11—11■+.t-ME*■一—加仝工期II目列派尾尸名日期操作*|cdnin1200三7]-i08:53呈親系浣 Iedmin20L?71400:13好靈至近.-iIninadnln?n11-5-720L>5-714n?：?=iJ405:03宣普.笠登忌壬浣―9wdmn^ULJ-b-/14U3：3Z斐城系疣cdmin20135713￡l:Lm宣景京垃cdrrin20L?71950;04登錄樂航.-iInin???011-5-7134n：s=i宣錄等鉆07=*■、＜-T圖4除塵設(shè)備監(jiān)控界面示意圖四進(jìn)度計劃時間任務(wù)工作內(nèi)容2011.05—2011.07向需求方提供3款車電路圖紙，3款車模塊級技術(shù)支持。針對3款式代步車進(jìn)行市場調(diào)查、產(chǎn)品分析。分析整車電路組織結(jié)構(gòu)、工作原理，給出整車電路圖紙。2011.08—2011.10針對3款車，細(xì)化實用新型電動代步車控制器設(shè)計方案。采購市場中現(xiàn)有控制器進(jìn)行深度分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行控制器系統(tǒng)設(shè)計，核心器件選型，方案可行性分析，修改確定設(shè)計方案。2011.10—2011.11平穩(wěn)調(diào)速功能實現(xiàn)，提供電路原理圖。通過調(diào)速手柄和限速旋鈕進(jìn)行調(diào)速電路軟硬件設(shè)計。2011.12—2012.04電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計，提供電路原理圖，階段總結(jié)報告。采用大功率開關(guān)管，進(jìn)行H橋電機(jī)驅(qū)動電路軟硬件設(shè)計、調(diào)試。啟停、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速功能實現(xiàn)。2012.05—2012.07實現(xiàn)快速剎車、斜坡起停不溜坡。電磁剎車控制模塊軟硬件設(shè)計、調(diào)試。斜坡起步功能實現(xiàn)。2012.08—編程軟件設(shè)計，可以在設(shè)計控制器與計算機(jī)通信電