电动车控制器设计方案_电动车控制器线路接法
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电动自行车控制器设计
电动自行车控制器方案
2012/11/5
电动自行车控制器设计
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
电动自行车控制器设计
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。
电动自行车控制器设计
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
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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。
电动自行车控制器设计
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：
电动自行车控制器设计
电源降压模块灯管驱动电路照控速盘电压信号刹车信号信号转换电路WM灯P向、转明灯转向灯、照明灯信号信号转换电路PIC芯片信号转换电路MOS驱动电路电机电源输出电路电机电路电流、电机电压蜂鸣器P信号转换电路WM三极管驱动电路电机霍尔信号电压、里程显示输出数码管显示电路电源
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。
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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。
电动自行车控制器设计
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。
电动自行车控制器设计
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。
电动自行车控制器设计
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。
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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
电动自行车控制器设计
上电检查进入主循环检测速度输入，设定速度输入，刹车信号输入，电源电压检测输入速度PID计算，将PWM控制信号输出仪表盘显示速度
程序流程图 1，主要流程图，包括初始化、主循环。
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检测速度设定值，用单片机A/D转换功能将模拟电压转换为数字信号，低通滤波读出单片机光码盘计数器值，低通滤波增量式PID计算输出值，并且进行限速处理PWM输出设定
程序流程图 2，速度调整程序流程图
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已经检测到实际速度值，并且进行低通滤波处理将速度信号分成三位，分别是十位，个位，小数位计算三位数字转换成数码管设定值，并且进行输出时序设置调用显示子函数
程序流程图 3，显示子函数程序流程图
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速度PID计算刹车信号是否有效否进行增量式PID计算，设定是将设定速度设为零，进行PID计算，输出PWM设定子函数
程序流程图 4，速度调控流程图
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安全检测子函数电源电流是否过大是否否进行正常处理，显示电压是电流过大，进行漏电判断或者速度限制下一程序
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；
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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。
