電動自行車控制器測試儀的設計與實現

www.guilinhy.com 來源：電動車商情網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2005-10-28

一、引言電動自行車以電力作動力，騎行中不產生污染，無損于空氣質量。從改善人們的出行方式、保護環境和經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，但因其電刷易磨損的電刷帶來的維修保養工作量相對較大、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。控制器的質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性、調速特性和負載能力。據我們的經驗，運轉的平穩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。二、系統功能與實現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。電機極數大部分為18極，也有16極、20極等。控制器根據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，在定子中產生旋轉磁場，驅動電機的轉子轉動。根據我們的經驗，控制器損壞大多是功率驅動管損壞，由于驅動管損壞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，以致于損壞控制器。因此，使用中應盡量避免這種情況出現，控制器必須有這項保護功能。控制器設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。根據上述討論，測試儀主要應實現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：（1）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，應能穩定輸出10A以上的電流，并具備短時間輸出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。（3）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。（4）在控制器帶動電機工作時，應能檢測電機轉速。三、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生器等三個主要部分，和電流、電壓、速度(Tempo)的顯示組成。系統硬件結構框圖如圖1所示。 220V交流電通過降壓、整流、濾波產生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根據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。行駛速度(Tempo)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(Tempo)，電機電流也不同。因此，在不同的速度(Tempo)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(Tempo)下的工作，測試儀中提供了模擬電機霍爾輸出的脈沖發生器，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(Tempo)。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(Tempo)檢測儀通過面板上的LCD顯示器顯示電機速度(Tempo)。脈沖發生器和速度(Tempo)檢測及顯示均由單片機系統來實現。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，省略了外接程序存儲器和數據存儲器，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或便攜式智能儀器儀表的核心器件，性價比優于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字節的內部RAM；15條可編程I/O線；2個16位定時器／計數器；采用靜態時鐘方式，節省電能；以8031核構成，因此，與MCS51系列單片機兼容。由于脈沖發生和速度(Tempo)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生脈沖或檢測速度(Tempo)。在被測車輪上置一磁鋼片，當磁鋼經過霍爾傳感器前端時，系統電路將產生一脈沖信號，采集部分通過檢測脈沖得到的數據，送入單片機后經計算處理得到轉速，最后經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。四、軟件設計與實現根據上述硬件結構，本系統的軟件主要完成脈沖發生和速度(Tempo)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。脈沖發生模塊在內部定時器T0中斷服務程序中產生60度或120度的三相波形；速度(Tempo)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，即根據不同的標志值轉向相應的中斷服務程序。其中，速度(Tempo)檢測采用電子計數器測周法，其基本原理是由被測信號控制主門開門，用時標脈沖計數。被測信號周期Tx＝NTs，Ts為時標脈沖周期，N為時間Tx內計數器的計數結果。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(Tempo)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。五、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。■