電動(dòng)自行車控制器測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1　引　言

　　電動(dòng)自行車以電力作動(dòng)力，騎行中不產(chǎn)生污染，無(wú)損于空氣質(zhì)量。從改善人們的出行方式、保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件許可情況等因素綜合來(lái)看，電動(dòng)自行車目前乃至今后都有著廣闊的發(fā)展空間。
　　電動(dòng)自行車所用直流電機(jī)分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)兩種。其中有刷電機(jī)控制較簡(jiǎn)單，但其易磨損的電刷帶來(lái)維修保養(yǎng)工作量相對(duì)較大、使用壽命相對(duì)較短等缺點(diǎn)。而直流無(wú)刷電機(jī)因?yàn)楸旧頉](méi)有易磨損部件，電機(jī)壽命長(zhǎng)，維修保養(yǎng)工作量小。但直流無(wú)刷電機(jī)采用電子換向原理工作，其控制過(guò)程比有刷電機(jī)復(fù)雜得多，因此對(duì)控制器質(zhì)量的要求也高得多。
　　電動(dòng)自行車中影響質(zhì)量的最主要的部件是電機(jī)和控制器，當(dāng)電機(jī)確定后，控制器的質(zhì)量就決定了電動(dòng)自行車的運(yùn)行好壞?？刂破鞯馁|(zhì)量由其控制特性和可靠性兩方面決定?？刂铺匦灾饕鸽姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、調(diào)速特性和負(fù)載能力。據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性除與電機(jī)機(jī)械和裝配質(zhì)量有一定的關(guān)系外，還與控制器、電機(jī)間的匹配及采用的控制技術(shù)有密切的關(guān)系。而控制器的可靠性與采用的元器件、電路設(shè)計(jì)、裝配質(zhì)量等因素有關(guān)，其中，尤以控制器所用的功率驅(qū)動(dòng)管的負(fù)載能力最為重要。在騎行中，控制器的驅(qū)動(dòng)管處于大電流的開(kāi)關(guān)運(yùn)行過(guò)程，因此，從某種意義上講，驅(qū)動(dòng)器的帶負(fù)載運(yùn)行能力是控制器最重要的技術(shù)指標(biāo)。
　　在我們?cè)O(shè)計(jì)電動(dòng)自行車用直流無(wú)刷電機(jī)控制器時(shí)，為方便對(duì)控制器的質(zhì)量和負(fù)載運(yùn)行能力進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)了本儀器。

2　系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

　　目前電動(dòng)自行車采用的直流無(wú)刷電機(jī)都是三相電機(jī)，電角度有60度和120度兩種。電機(jī)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(jī)電極位置，控制相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)管的開(kāi)通或關(guān)斷，在定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
　　根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，控制器損壞大多是功率驅(qū)動(dòng)管損壞，由于驅(qū)動(dòng)管損壞再引起其他元器件損壞。因此，對(duì)控制器的考驗(yàn)主要是對(duì)功率驅(qū)動(dòng)管的負(fù)載能力的考驗(yàn)。
　　電動(dòng)自行車用電機(jī)功率大多在150W～180W之間，采用36V／24V電池供電。正常工作時(shí)，額定電流在4．5～5A（對(duì)36V電機(jī)）（或?qū)?4V電機(jī)，6．25～7．5A）。短時(shí)間工作電流可達(dá)8A（10A），當(dāng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，瞬間電流可達(dá)13～15A。目前，電動(dòng)自行車用電池基本上為密封鉛酸蓄電池，電池的過(guò)充電和過(guò)放電均會(huì)縮短電池的壽命。大電流放電還會(huì)引起控制器功率驅(qū)動(dòng)管溫度急劇上升，損壞驅(qū)動(dòng)管，以至于損壞控制器。因此，使用中應(yīng)盡量避免這種情況出現(xiàn)，控制器必須有這項(xiàng)保護(hù)功能（防止過(guò)充電保護(hù)，在充電器設(shè)計(jì)中考慮）?？刂破髟O(shè)計(jì)應(yīng)確保工作在正常電流范圍內(nèi)，允許有一定的過(guò)載能力和大電流自動(dòng)保護(hù)功能，以保護(hù)電池和驅(qū)動(dòng)功率器件。為了防止過(guò)放電，控制器要對(duì)供電電壓隨時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，一旦低于閾值（一般為標(biāo)稱電壓的0．85），關(guān)閉控制器輸出。
　　根據(jù)上述討論，測(cè)試儀主要應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的負(fù)載運(yùn)行的考驗(yàn)，以及對(duì)低電壓保護(hù)功能的測(cè)試。為此，要求測(cè)試儀：
　　（1）能提供長(zhǎng)時(shí)間足夠的輸出功率，為保證對(duì)控制器驅(qū)動(dòng)管的考驗(yàn)，應(yīng)能穩(wěn)定輸出10A以上的電流，并具短時(shí)間輸出15A電流的能力。
　?。?）應(yīng)能模擬電池電壓的變化，提供可變電壓輸出，對(duì)36V電機(jī)控制器而言，應(yīng)在30～38V之間可調(diào)。
　　（3）應(yīng)能模擬電機(jī)工作過(guò)程。在對(duì)控制器進(jìn)行考驗(yàn)時(shí)，可不用電機(jī)。
　?。?）在控制器帶動(dòng)電機(jī)工作時(shí)，應(yīng)能檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3　硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　測(cè)試儀由大功率電源、可調(diào)電壓電源、模擬霍爾輸出信號(hào)發(fā)生器等三個(gè)主要部分，和電流、電壓、速度的顯示組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　220V交流電通過(guò)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(shí)間最大電流不小于13A。本路電源可長(zhǎng)時(shí)間提供300W以上的輸出功率和450W短時(shí)間輸出最大功率。此大功率電源用來(lái)考驗(yàn)控制器的帶負(fù)載運(yùn)行。
　　可調(diào)電壓電源的輸出電壓可調(diào)范圍為30～38V，用于測(cè)試控制器對(duì)電池電壓檢測(cè)和控制器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出關(guān)閉。電源輸出回路中加入電壓、電流模擬檢測(cè)表，隨時(shí)反饋電壓和電流值。測(cè)試儀面板上的電流表量程據(jù)選用的不同電源設(shè)置而不同：選擇大功率輸出電源方式時(shí)，滿量程為15A；選擇可調(diào)電源方式時(shí)，滿量程為1A。
　　電動(dòng)自行車騎行時(shí)，控制器功率驅(qū)動(dòng)管處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。行駛速度與電機(jī)換向頻率成正比。另外，電機(jī)電流控制采用脈寬調(diào)制（PWM）方式，不同的速度，電機(jī)電流也不同。因此，在不同的速度和負(fù)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(cè)試儀中提供了模擬電機(jī)霍爾輸出的脈沖發(fā)生器，通過(guò)面板開(kāi)關(guān)設(shè)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(jī)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。電機(jī)繞組采用電阻負(fù)載模擬。通過(guò)調(diào)整負(fù)載電阻阻值來(lái)改變電流。通過(guò)頻率和負(fù)載電阻的組合，考驗(yàn)控制器的負(fù)載工作能力。
　　在控制器帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，本測(cè)量?jī)x集成的速度檢測(cè)儀通過(guò)面板上的LCD顯示器顯示電機(jī)速度。
　　脈沖發(fā)生器和速度檢測(cè)及顯示均由單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本測(cè)量?jī)x選用美國(guó)ATMEL公司近年來(lái)推出的一種新型高性能低價(jià)位、低電壓功耗的8位CMOS單片機(jī)AT89C2051作最小微機(jī)系統(tǒng)，省略了外接程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，亦不用擴(kuò)充并行接口，直接用單片機(jī)芯片片內(nèi)資源和并行接口就可滿足設(shè)計(jì)要求。AT89C2051作為一種小型測(cè)控系統(tǒng)或便攜式智能儀器儀表的核心器件，性價(jià)比優(yōu)于MCS51系列。封裝為DIP20的芯片；內(nèi)部集成8位CPU和2K閃速存儲(chǔ)器；128字節(jié)的內(nèi)部RAM；15條可編程I／O線；2個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，節(jié)省電能；以8031核構(gòu)成，因此，與MCS51系列單片機(jī)兼容。
　　由于脈沖發(fā)生和速度檢測(cè)分別用在模擬電機(jī)工作和控制器帶動(dòng)電機(jī)工作之時(shí)，測(cè)量?jī)x通過(guò)面板上的開(kāi)關(guān)來(lái)控制單片機(jī)發(fā)生脈沖或檢測(cè)速度。在被測(cè)車輪上置一磁鋼片，當(dāng)磁鋼經(jīng)過(guò)霍爾傳感器前端時(shí)，系統(tǒng)電路將產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，采集部分通過(guò)檢測(cè)脈沖得到的數(shù)據(jù)，送入單片機(jī)后經(jīng)計(jì)算處理得到轉(zhuǎn)速，最后經(jīng)顯示電路在面板上實(shí)時(shí)顯示。顯示電路采用帶串口控制驅(qū)動(dòng)器的LCD顯示板。

4　軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)上述硬件結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)的軟件主要完成脈沖發(fā)生和速度的檢測(cè)與顯示。主程序中的不斷掃描功能選擇輸入端以轉(zhuǎn)向相應(yīng)程序模塊。脈沖發(fā)生模塊在內(nèi)部定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生60度或120度的三相波形；速度檢測(cè)模塊則用T0定時(shí)器中斷完成1s計(jì)時(shí)以刷新顯示，用T1中斷完成周期測(cè)量。通過(guò)設(shè)立標(biāo)志解決定時(shí)器沖突，即據(jù)不同的標(biāo)志值轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。其中，速度檢測(cè)采用電子計(jì)數(shù)器測(cè)周法，其基本原理是由被測(cè)信號(hào)控制主門開(kāi)門，用時(shí)標(biāo)脈沖計(jì)數(shù)。被測(cè)信號(hào)周期Tx＝NTs，Ts為時(shí)標(biāo)脈沖周期，N為時(shí)間Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果。具體到本設(shè)計(jì)中，時(shí)標(biāo)脈沖即為定時(shí)器的溢出，通過(guò)計(jì)算相鄰兩次低脈沖間間隔的時(shí)間得到周期，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)速。為減少測(cè)量誤差，采用多周期測(cè)量法，測(cè)量多個(gè)周期值求平均，雖然這樣做會(huì)使測(cè)量速度下降，但考慮到本測(cè)量?jī)x的實(shí)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(jié)束語(yǔ)

　　實(shí)際使用表明，本測(cè)試儀可模擬自行車電機(jī)的工作過(guò)程，滿足對(duì)電動(dòng)自行車控制器的負(fù)載運(yùn)行考驗(yàn)，對(duì)提高控制器的可靠性有較好的幫助。