電動自行車控制器測試儀的設計與實現(xiàn)

1　引　言

　　電動自行車以電力作動力，騎行中不產(chǎn)生污染，無損于空氣質量。從改善人們的出行方式、保護環(huán)境和經(jīng)濟條件許可情況等因素綜合來看，電動自行車目前乃至今后都有著廣闊的發(fā)展空間。
　　電動自行車所用直流電機分為有刷電機和無刷電機兩種。其中有刷電機控制較簡單，但其易磨損的電刷帶來維修保養(yǎng)工作量相對較大、使用壽命相對較短等缺點。而直流無刷電機因為本身沒有易磨損部件，電機壽命長，維修保養(yǎng)工作量小。但直流無刷電機采用電子換向原理工作，其控制過程比有刷電機復雜得多，因此對控制器質量的要求也高得多。
　　電動自行車中影響質量的最主要的部件是電機和控制器，當電機確定后，控制器的質量就決定了電動自行車的運行好壞?？刂破鞯馁|量由其控制特性和可靠性兩方面決定。控制特性主要指電機運轉的平穩(wěn)性、調速特性和負載能力。據(jù)我們的經(jīng)驗，運轉的平穩(wěn)性除與電機機械和裝配質量有一定的關系外，還與控制器、電機間的匹配及采用的控制技術有密切的關系。而控制器的可靠性與采用的元器件、電路設計、裝配質量等因素有關，其中，尤以控制器所用的功率驅動管的負載能力最為重要。在騎行中，控制器的驅動管處于大電流的開關運行過程，因此，從某種意義上講，驅動器的帶負載運行能力是控制器最重要的技術指標。
　　在我們設計電動自行車用直流無刷電機控制器時，為方便對控制器的質量和負載運行能力進行測試，設計了本儀器。

2　系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

　　目前電動自行車采用的直流無刷電機都是三相電機，電角度有60度和120度兩種。電機極數(shù)大部分為18極，也有16極、20極等?？刂破鞲鶕?jù)霍爾反饋的電機電極位置，控制相應的功率驅動管的開通或關斷，在定子中產(chǎn)生旋轉磁場，驅動電機的轉子轉動。
　　根據(jù)我們的經(jīng)驗，控制器損壞大多是功率驅動管損壞，由于驅動管損壞再引起其他元器件損壞。因此，對控制器的考驗主要是對功率驅動管的負載能力的考驗。
　　電動自行車用電機功率大多在150W～180W之間，采用36V／24V電池供電。正常工作時，額定電流在4．5～5A（對36V電機）（或對24V電機，6．25～7．5A）。短時間工作電流可達8A（10A），當電機停止轉動時，瞬間電流可達13～15A。目前，電動自行車用電池基本上為密封鉛酸蓄電池，電池的過充電和過放電均會縮短電池的壽命。大電流放電還會引起控制器功率驅動管溫度急劇上升，損壞驅動管，以至于損壞控制器。因此，使用中應盡量避免這種情況出現(xiàn)，控制器必須有這項保護功能（防止過充電保護，在充電器設計中考慮）?？刂破髟O計應確保工作在正常電流范圍內，允許有一定的過載能力和大電流自動保護功能，以保護電池和驅動功率器件。為了防止過放電，控制器要對供電電壓隨時進行檢測，一旦低于閾值（一般為標稱電壓的0．85），關閉控制器輸出。
　　根據(jù)上述討論，測試儀主要應實現(xiàn)對控制器的負載運行的考驗，以及對低電壓保護功能的測試。為此，要求測試儀：
　?。?）能提供長時間足夠的輸出功率，為保證對控制器驅動管的考驗，應能穩(wěn)定輸出10A以上的電流，并具短時間輸出15A電流的能力。
　　（2）應能模擬電池電壓的變化，提供可變電壓輸出，對36V電機控制器而言，應在30～38V之間可調。
　?。?）應能模擬電機工作過程。在對控制器進行考驗時，可不用電機。
　?。?）在控制器帶動電機工作時，應能檢測電機轉速。

3　硬件結構設計

　　測試儀由大功率電源、可調電壓電源、模擬霍爾輸出信號發(fā)生器等三個主要部分，和電流、電壓、速度的顯示組成。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。

　　220V交流電通過降壓、整流、濾波產(chǎn)生40V直流電壓的大功率電源，輸出電流8A，短時間最大電流不小于13A。本路電源可長時間提供300W以上的輸出功率和450W短時間輸出最大功率。此大功率電源用來考驗控制器的帶負載運行。
　　可調電壓電源的輸出電壓可調范圍為30～38V，用于測試控制器對電池電壓檢測和控制器的電機驅動輸出關閉。電源輸出回路中加入電壓、電流模擬檢測表，隨時反饋電壓和電流值。測試儀面板上的電流表量程據(jù)選用的不同電源設置而不同：選擇大功率輸出電源方式時，滿量程為15A；選擇可調電源方式時，滿量程為1A。
　　電動自行車騎行時，控制器功率驅動管處于開關工作狀態(tài)。行駛速度與電機換向頻率成正比。另外，電機電流控制采用脈寬調制（PWM）方式，不同的速度，電機電流也不同。因此，在不同的速度和負載下，功率管上的功率損耗不同。為了反映控制器在不同速度下的工作，測試儀中提供了模擬電機霍爾輸出的脈沖發(fā)生器，通過面板開關設置，有4種頻率和60度、120度兩種相位輸出的輸出波形可供選擇，以模擬電機不同的運轉速度。電機繞組采用電阻負載模擬。通過調整負載電阻阻值來改變電流。通過頻率和負載電阻的組合，考驗控制器的負載工作能力。
　　在控制器帶動電機運轉時，本測量儀集成的速度檢測儀通過面板上的LCD顯示器顯示電機速度。
　　脈沖發(fā)生器和速度檢測及顯示均由單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。本測量儀選用美國ATMEL公司近年來推出的一種新型高性能低價位、低電壓功耗的8位CMOS單片機AT89C2051作最小微機系統(tǒng)，省略了外接程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，亦不用擴充并行接口，直接用單片機芯片片內資源和并行接口就可滿足設計要求。AT89C2051作為一種小型測控系統(tǒng)或便攜式智能儀器儀表的核心器件，性價比優(yōu)于MCS51系列。封裝為DIP20的芯片；內部集成8位CPU和2K閃速存儲器；128字節(jié)的內部RAM；15條可編程I／O線；2個16位定時器／計數(shù)器；采用靜態(tài)時鐘方式，節(jié)省電能；以8031核構成，因此，與MCS51系列單片機兼容。
　　由于脈沖發(fā)生和速度檢測分別用在模擬電機工作和控制器帶動電機工作之時，測量儀通過面板上的開關來控制單片機發(fā)生脈沖或檢測速度。在被測車輪上置一磁鋼片，當磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器前端時，系統(tǒng)電路將產(chǎn)生一脈沖信號，采集部分通過檢測脈沖得到的數(shù)據(jù)，送入單片機后經(jīng)計算處理得到轉速，最后經(jīng)顯示電路在面板上實時顯示。顯示電路采用帶串口控制驅動器的LCD顯示板。

4　軟件設計與實現(xiàn)

　　根據(jù)上述硬件結構，本系統(tǒng)的軟件主要完成脈沖發(fā)生和速度的檢測與顯示。主程序中的不斷掃描功能選擇輸入端以轉向相應程序模塊。脈沖發(fā)生模塊在內部定時器T0中斷服務程序中產(chǎn)生60度或120度的三相波形；速度檢測模塊則用T0定時器中斷完成1s計時以刷新顯示，用T1中斷完成周期測量。通過設立標志解決定時器沖突，即據(jù)不同的標志值轉向相應的中斷服務程序。其中，速度檢測采用電子計數(shù)器測周法，其基本原理是由被測信號控制主門開門，用時標脈沖計數(shù)。被測信號周期Tx＝NTs，Ts為時標脈沖周期，N為時間Tx內計數(shù)器的計數(shù)結果。具體到本設計中，時標脈沖即為定時器的溢出，通過計算相鄰兩次低脈沖間間隔的時間得到周期，進而得到轉速。為減少測量誤差，采用多周期測量法，測量多個周期值求平均，雖然這樣做會使測量速度下降，但考慮到本測量儀的實際情況，仍然是值得的。圖2、圖3所示為主要程序流程圖。

5　結束語

　　實際使用表明，本測試儀可模擬自行車電機的工作過程，滿足對電動自行車控制器的負載運行考驗，對提高控制器的可靠性有較好的幫助。