电动车控制器设计方案

电动自行车控制器方案

2012/11/5

目录

第一章概述 -------------------------------------------- 3 第二章系统需求分析-------------------------------------- 4 第三章控制器分析 ---------------------------------------- 6

一、电动车控制器框图 ------------------------------------- 6

二、控制器关键功能分析 ------------------------------------ 7 第四章控制器设计 ----------------------------------------- 9

一、硬件设计 ---------------------------------------- 9

二、软件设计 ----------------------------------------- 12

第一章概述

近年来，随着改革开放和经济发展日益深刻，人民生活水平日渐提高，出行交通工具也发生前所未有的变化。老百姓出行不仅考虑快捷、方便，还追求时尚环保，因此近年来电动自动自行车日益受老百姓喜爱。作为电动自行车，其核心控制器则是电动自行车的关键，控制的好坏决定车子的平稳、安全、舒适，因此一个功能全面、可靠性强、符合要求的控制器决定了电动自行车的质量。为了使得电动自行车有良好的体验和可靠的质量保证，因此本文介绍一种控制器的设计方案。

第二章系统需求分析

1、具有安全检测功能，检测电池电压，电流

需要检测电池中电流，电池电流不能过大，防止损伤电池；

需要检查电机中的电流，并且识别是否是电机堵转还是车子上坡或者负载过大，并且限制电机电流17A以下，在15～17A间切换，防止大电流长时间烧坏电机；

检测电池电压，电池电压大于电机额定电压120%时，发出报警铃声，提醒电压过大，不能驱动电机；

2、显示速度和里程数

利用三位数码管显示里程数，范围0～999Km，保证每分钟更新一次；

用5个发光二极管显示速度，表示5个档位，每个档位间隔速度为10Km/h，即表示的速度为10Km/h、20Km/h、30Km/h、40Km/h、50Km/h，速度在哪个档位，对应发光二极管闪亮。

3、具有转向灯控制电路

当打开转向灯开关时，对应的转向灯每隔0.5秒闪一次，每次持续0.5秒

4、照明灯控制电路

当打开照明灯时，在仪表盘上显示照明打开，用一个发光二极管。

5、具有报警功能

当钥匙开关不再车上时，若轮子速度有变化，即发出报警声音。

第三章系统分析

一、电动车控制器框图

上图是整车的控制系统框图，主要有电源、电机、控制器等，其中控制器位于核心地位，是整个控制系统的关键，也是负责组织各个部分协调工作的中心。其具体的控制框图如下图所示：

从图中可以看出，控制器由单片机及其外围电路构成，包括输入信号处理电路、输出信号处理电路、电源电路等。二、控制器关键功能分析

控制器功能：

1、改变电机速度

即调速功能，检测车把电压，根据车把设定速度来进行速度设定。同时检测霍尔传感器计数值，作为当前速度，通过PID调节来计算应该输出的PWM波。

2、刹车功能

检测刹车信号，当刹车有效时，将速度设定值强制变为零，输出PWM也变为零。

3、有防过压、过流检测电路

检测电源电压，低压报警，防止损伤电池；

检测电源电流，当电流过大时适当降速，限制电流在合理区间，防止烧坏电机、电源。

4、显示电池电压、车速、里程数

将车子的速度用数码管显示在仪表盘上，将电池电压通过发光二极管显示在仪表盘上。

5、防盗

当车子锁上时，车轮子有转动则报警。

6、照明灯控制开关、转向灯控制开关

可以采用双刀双掷开关，一个可控制强电信号，另一个给单片机进行检测。

第四章控制器设计

控制器是电动自行车的核心，要实现的功能有：

1、可以改变电机速度

2、可以刹车

3、有防过压、过流检测电路

4、显示电池电压、车速、里程数

5、防盗

控制器不仅要具有所有功能并且引出相关信号线，而且要有合适的外观尺寸，并且可以对内部电路进行保护。

一、硬件设计

1、电机驱动电路设计

由V1～V6六只功率管构成的驱动全桥可以控制绕组的通电状态。按照功率管的通电方式，可以分为两两导通和三三导通两种控制方式。由于两两导通方式提供了更大的电磁转矩而被广泛采用。在两两导通方式下，每一瞬间有两个功率管导通，每隔1／6周期即60°电角度换相一次，每只功率管持续导通120°电角度，对应每相绕组持续导通120°，在此期间相电流方向保持不变。

为保证产生最大的电磁转矩，通常需要使绕组合成磁场与转子磁场保持垂直。由于采用换相控制方式，其定子绕组产生的是跳变的磁场，使得该磁场与转子磁场的位置保持在60°～120°相对垂直的范围区间。

2、照明灯、转向灯、速度显示仪表

单片机检测到照明灯亮暗，转向灯亮暗及方向，将其显示在仪表盘上，灯的亮暗是通过三个发光二极管来显示的。由于一般的发光二极管20mA的电流就可以驱动，因此可以用单片机I/O引脚直接驱动。

至于速度显示，可以通过数码管显示，数码管可以用三个，显示范围是0.0 ～99.9KM/h，可以用三极管控制选择端，每次选择一个数码管，进行给值，单片机输出的是四位信号，可以显示0～9的BCD码，通过数码管显示驱动芯片转换为数码管的7段码，则选中的数码管显示对应的数字，通过不断给数码管写值则可以达到看起来连续的效果。

或者要节省成本，其实速度显示可以仅显示档位，比如0～5km/h、5～10km/h、10～15km/h、15～20km/h、20～25km/h 分为5档，每档对应一个发光二极管，当速度在对应的档位时，对应的发光二极管亮，其他的不亮。

3、电池电压检测电路

检测电池电压需要对电池电压进行采样，采样电路的作用是强弱分离，对单片机引脚进行保护，同时对电池电压进行变换，变到适合单片机A/D引脚采样的范围。

采样电路可以先用电容进行滤波，然后接上一个输入电阻很大的变换电路，可以通过741等放大器实现，然后对比较后的电压进行电阻分压转换，转换到0～3.3V，适合单片机采样。

4、电机电流检测、电池电流检测、漏电检测

在待检测的电路中串入阻值很小的电阻（注意大电流电路中电阻必须要有较大的功率），然后对电阻两侧的电压取样，经过后级差值比较电路得出压差。差值转换可以采用741，然后在进行放大缩小变化，转换成0～3.3V的范围，可以接入单片机A/D引脚进行电压检测，然后除以电阻及变比等即可得到对应线路的电流。通过和每个线路设定电流阈值及车状态检测，即可得到是否过流、是否漏电等信息。

5、报警电路

单片机通过I/O引脚输出报警信号开关，然后通过三极管驱动蜂鸣喇叭来提示是否有紧急情况。通过不同频率的信号分辨不同的报警信息。

6、防盗电路

防盗检测其实是检测轮子是否转动来实现的，即利用霍尔器件检测速度，若速度大于某个去掉干扰后的阈值就认为有被盗的可能，就驱动蜂鸣喇叭报警。

二、软件设计

1、软件流程图设计

程序流程图 1，主要流程图，包括初始化、主循环。

程序流程图 2，速度调整程序流程图

程序流程图 3，显示子函数程序流程图

程序流程图 4，速度调控流程图

程序流程图 5，安全检测程序流程图

2、软件功能设计

速度PID设计：

1）可以采用增量式PID，在不同电压、不同速度下比例积分微分系数有所不同；

2）带刹车检测，刹车时将设定速度设为0，电机PWM输出为零；

3）超速限制，当速度超过20Km/h时，进行适当减速，限制在20Km/h以下；

4）起步限速，开始时速度慢慢上升，防止突然启动。

安全检测设计：

1）检测电压电流，当电压较低时报警，以免损坏电池；

2）电流检测，防止超过限制电流烧坏电机、电源或者电线，当电流大于最大电流时，减速是电流在最大电流值以下附近一个区间内波动；

3）上电检测，当电机未开动时，若有较大电流则可能漏电进行报警；

4）当车钥匙拔出来，并且开启报警功能后，若车轮子光码盘有读数说明车子可能被盗，要进行报警。

显示设计：

1）速度显示设计，用三段数码管显示速度的十位、个位和小数位，采用共阴极数码管，LM373锁存数字，三个IO口选通数码管，一次显示一位，每个循环周期控制一次；

2）照明灯显示，主控电路用开关实现，单片机仅检测开关是否开启，并用一个IO口来控制三极管电路驱动发光二极管来显示是否开启照明灯，左右的转向灯采用相同的设计；3）电源电压显示，将检测到的电压用多个发光二极管显示，亮的越多电压越高，当电压低于报警电压时，所有二极管熄灭，驱动电路采用三极管驱动，每个循环周期进行一次显示。