新型代步車控制器設(shè)計(jì)方案

新型電動(dòng)代步車控制器設(shè)計(jì)方案一現(xiàn)狀及分析電動(dòng)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(lái)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(guó)際上，近年來(lái)電動(dòng)代步車應(yīng)高齡人口與綠色環(huán)保趨勢(shì)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(guó)家為了應(yīng)對(duì)高齡化社會(huì)，紛紛將老人醫(yī)療照護(hù)納入政策補(bǔ)助項(xiàng)目。比如，美國(guó)老年人如果行動(dòng)障礙，通過醫(yī)生處方能獲一輛政府采購(gòu)的代步車或電動(dòng)輪椅，因而成為電動(dòng)代步車銷售最好的國(guó)家；歐洲主要國(guó)家在健保制度及相關(guān)法令規(guī)定下，行動(dòng)輔具等市場(chǎng)也相當(dāng)龐大。在國(guó)內(nèi)，目前電動(dòng)代步車主要分2種，一種是電動(dòng)自行車，另一種是四輪電動(dòng)代步車，主要用做出口。在國(guó)外電動(dòng)代步車經(jīng)過20多年的發(fā)展，市場(chǎng)非常成熟，而且慢慢進(jìn)于飽和階段。但是對(duì)于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來(lái)說，才剛剛起步，它的發(fā)展是近幾年的事情。先是國(guó)內(nèi)企業(yè)為國(guó)外廠家代工，慢慢出現(xiàn)了部分企業(yè)生產(chǎn)出口電動(dòng)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(dòng)代步車，最后國(guó)內(nèi)企業(yè)開始拓展國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。因發(fā)展時(shí)間短，目前幾乎沒有哪個(gè)廠家能把市場(chǎng)做得非常好，市場(chǎng)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(gè)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(gè)車，性能怎么樣，在哪里能夠買的到?？刂破魇请妱?dòng)代步車的大腦，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(shí)的損傷程度。電動(dòng)代步車在正常運(yùn)行狀態(tài)下，控制器首先處理來(lái)自調(diào)速把手的速度控制信號(hào)，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(hào)，同時(shí)接收來(lái)自電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)并與控制信號(hào)進(jìn)行不斷地比較由此形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)以達(dá)到精確拉制的目的。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和蓄電池的保護(hù)，在運(yùn)行過程中控制器會(huì)不斷的檢測(cè)電機(jī)的電流與蓄電池的電壓，發(fā)現(xiàn)異常后會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并在延遲一段時(shí)間后（基于對(duì)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(cè)到剎車信號(hào)后，立印切斷主電源。電動(dòng)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(jì)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(wú)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(gè)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(shí)也減輕了研發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，節(jié)省了開發(fā)時(shí)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(jì)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(diǎn)是使用靈活，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)市場(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(guó)產(chǎn)控制器主要應(yīng)用于電動(dòng)自行車。電動(dòng)代步車由于其對(duì)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(dòng)車輛時(shí)的電腦保護(hù)功能，可防止控制器在通電時(shí)因加速器原因或誤操作而導(dǎo)致車輛忽然啟動(dòng)；下坡時(shí)如未剎車，控制器將按已近設(shè)定的數(shù)值對(duì)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(dòng)電流不會(huì)因?yàn)闇囟壬叨鴾p小，確保長(zhǎng)時(shí)間下坡時(shí)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(chǎng)合，為滿足市場(chǎng)的需要，控制器要求完成三大任務(wù)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)和調(diào)速、車頭電路控制和安全可靠保障。具體來(lái)說包括以下功能：（1）剎車功能防抱死ABS剎車，制動(dòng)迅速，并將制動(dòng)的能量回饋給電池充電。（2）電動(dòng)模式當(dāng)騎行者騎行時(shí)，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(duì)回路中電流進(jìn)行檢測(cè)，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(dòng)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(shí)監(jiān)視電源電源電壓，當(dāng)電源電壓不足時(shí)，控制器自動(dòng)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(shí)，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(chǎng)需要，代步車行駛速度不超過X公里/小時(shí)（X可通過編程設(shè)定）。（9）電量監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示蓄電池電量，電量不足超限時(shí)報(bào)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。可以預(yù)見，隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)水平的不斷提高，國(guó)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(chǎng)發(fā)展的潮流，使得產(chǎn)品保持足夠的競(jìng)爭(zhēng)力，在控制器方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮一些具備市場(chǎng)潛力的前瞻性功能，今后根據(jù)市場(chǎng)變化逐步進(jìn)行功能拓展，實(shí)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(shí)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(duì)整車電路系統(tǒng)出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行自檢測(cè)并顯示，具有電路故障時(shí)禁止運(yùn)行。（3）在系統(tǒng)編程控制器與通用計(jì)算機(jī)與連線，通過友好的操作軟件實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)設(shè)定、代步車后臺(tái)運(yùn)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(shí)又能免除編程器硬件成本。（4）行車電腦可以通過液晶屏實(shí)時(shí)顯示代步車運(yùn)行狀態(tài)，使得騎行者對(duì)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(duì)目前代步車防盜能力弱的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)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(cuò)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(dòng)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(shí)，控制器先根據(jù)超聲波所測(cè)距離的大小進(jìn)行語(yǔ)音提示。當(dāng)距離超限后驅(qū)動(dòng)電機(jī)使電動(dòng)代步車作出剎車或減速等動(dòng)作，減小由于行動(dòng)不便者遇到潛在危險(xiǎn)反應(yīng)緩慢而造成事故的概率。（7）遙控鑰匙實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控鑰匙功能。三實(shí)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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(chǎng)效應(yīng)管作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，耐壓高、電流大，保障可靠運(yùn)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(dòng)時(shí)如果直接加全電壓，會(huì)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(huì)使繞組由于過熱而損壞，直接影響電機(jī)的運(yùn)行，而且會(huì)浪費(fèi)電能，降低蓄電池及相關(guān)電路的絕緣壽命。產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)對(duì)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)過程中的啟動(dòng)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(dòng)電流。電機(jī)啟動(dòng)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(dòng)運(yùn)行，防止電機(jī)振動(dòng)，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(duì)模擬電路進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)全橋功率MOSFET電路，提供多種不同方向的前進(jìn)、后退、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)控制，靜音高頻運(yùn)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(shí)，手柄后退無(wú)效；后退模式限速Y公里/小時(shí)，手柄前進(jìn)無(wú)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(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)，控制器需要對(duì)電源電壓進(jìn)行監(jiān)視。由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流值有時(shí)變化特別大，電池電壓會(huì)在電流峰值處有比較明顯的瞬時(shí)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(cè)時(shí)，引進(jìn)滯環(huán)比較器，設(shè)定兩個(gè)閾值匕、V2（匕設(shè)定為欠壓保護(hù)時(shí)的閾值，V2比匕稍大即可），并作10次延時(shí)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(lái)減小回路中的電流，如果檢測(cè)到電源電壓一直很低，那么PWM最終會(huì)減小到0，這表明在電流很小的情況下檢測(cè)到電源電壓還是很低，從而可以斷定電池能量確實(shí)即將耗盡，避免了誤判的情況。對(duì)于控制器溫度的檢測(cè)同樣可以采取這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，不再贅述。.制動(dòng)控制代步車在制動(dòng)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(duì)剎車進(jìn)行快速響應(yīng)，并能保證代步車迅速停下來(lái)。目前，市場(chǎng)上的剎車有兩種方式：一種是剎車斷電，即控制器檢測(cè)到剎車信號(hào)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(shí)，前一種方法可能會(huì)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(lái)避免，操作復(fù)雜整車運(yùn)行不夠可靠。ABS方法通過軟件處理，給代步車提供一個(gè)制動(dòng)力，在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生間斷性、周期性的電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而有效防止剎車時(shí)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(gè)方向，當(dāng)松開調(diào)速手柄時(shí)，都能自動(dòng)剎車，提高安全性。上坡行駛時(shí)有防止車輛倒滑功能，下坡行駛時(shí)提供自動(dòng)的電子制動(dòng)，以限制車輛速度，防止車輛下坡時(shí)速度過快造成意外。采用電磁駐剎控制，控制器檢測(cè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，當(dāng)電機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)，松開剎車。.故障自診斷通電初始化診斷結(jié)合運(yùn)行過程實(shí)時(shí)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(shí)，即使松開加速器，仍有加速器輸入信號(hào)進(jìn)入控制器，此時(shí)聲光報(bào)警，提醒駕駛者防止突然啟動(dòng)造成飛車事故。.在系統(tǒng)編程模塊考慮到市場(chǎng)上控制器普遍采用編程器實(shí)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(yǔ)言LabVIEW設(shè)計(jì)編程軟件運(yùn)行于通用計(jì)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(jiǎn)便、減少硬件成本。圖3和圖4分別為基于LabVIEW平臺(tái)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(jì)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(chǔ)示波器任意信號(hào)發(fā)生器萬(wàn)用表毫伏表浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院時(shí)基;(ms/Div)ms5 -停止?fàn)顟B(tài)觸發(fā)同步電源0.5ms-□自動(dòng)觸發(fā)口游標(biāo)隱藏口上升觸發(fā)時(shí)基;(ms/Div)ms5 -停止?fàn)顟B(tài)觸發(fā)同步電源0.5ms-□自動(dòng)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(yùn)行存儲(chǔ)退出圖3數(shù)字存儲(chǔ)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(xiàng)印匕嗓作⑷工Md宦口:密林助辿國(guó)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(xiàng)印匕嗓作⑷工Md宦口:密林助辿國(guó)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(cè)當(dāng)前善購(gòu)/aditinUUU/-lL-^b12Yd打?qū)з?gòu)1器發(fā)生二大JE故更t/另hihiin?nn?-i?-?71x17?寸號(hào)麗鼎巖生?受壓超里/Hudirin200712281212寶號(hào)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(jì)劃時(shí)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(jí)技術(shù)支持。針對(duì)3款式代步車進(jìn)行市場(chǎng)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(duì)3款車，細(xì)化實(shí)用新型電動(dòng)代步車控制器設(shè)計(jì)方案。采購(gòu)市場(chǎng)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(jì)，核心器件選型，方案可行性分析，修改確定設(shè)計(jì)方案。2011.10—2011.11平穩(wěn)調(diào)速功能實(shí)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(jì)。2011.12—2012.04電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，提供電路原理圖，階段總結(jié)報(bào)告。采用大功率開關(guān)管，進(jìn)行H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路軟硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試。啟停、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速功能實(shí)現(xiàn)。2012.05—2012.07實(shí)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(jì)、調(diào)試。斜坡起步功能實(shí)現(xiàn)。2012.08—編程軟件設(shè)計(jì)，可以在設(shè)計(jì)控制器與計(jì)算機(jī)通信電