中心議題：

• 電動車控製器的電路構成
• 電動車控製器電路的軟件分析
• 電動車控製器的改進措施

解決方案：

• 雙閉環控製
• 判斷是否為“過衝”來選擇不同的程序運行

電(dian)動(dong)車(che)在(zai)上(shang)坡(po)時(shi)速(su)度(du)會(hui)減(jian)小(xiao)而(er)電(dian)流(liu)會(hui)增(zeng)大(da)，在(zai)由(you)上(shang)坡(po)駛(shi)入(ru)平(ping)路(lu)或(huo)下(xia)坡(po)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)由(you)於(yu)阻(zu)力(li)突(tu)然(ran)減(jian)小(xiao)甚(shen)至(zhi)消(xiao)失(shi)，而(er)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)仍(reng)然(ran)較(jiao)大(da)，使(shi)得(de)速(su)度(du)會(hui)快(kuai)速(su)增(zeng)大(da)
，出(chu)現(xian)所(suo)謂(wei)的(de)“過衝”現象。這給操作者帶來不適且有一定的危險性。為了減輕或消除“過衝”現象，從硬件和軟件兩方麵做出改進。對於非“過衝”時使用“調速控製”
，通過調整驅動電流
，力求使速度達到操作者通過轉把設定的速度，並進行雙閉環控製以克服複雜的路況變化。在“過衝”時采用“定速控製”，依據速度信號來調整驅動電流，在設定的時間內使速度保持不變。

調(tiao)速(su)控(kong)製(zhi)控(kong)製(zhi)器(qi)作(zuo)為(wei)電(dian)動(dong)車(che)的(de)關(guan)鍵(jian)部(bu)件(jian)，其(qi)技(ji)術(shu)日(ri)臻(zhen)成(cheng)熟(shu)，但(dan)是(shi)仍(reng)然(ran)有(you)一(yi)些(xie)問(wen)題(ti)有(you)待(dai)解(jie)決(jue)。其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)普(pu)遍(bian)的(de)現(xian)象(xiang)就(jiu)是(shi)，電(dian)動(dong)車(che)在(zai)上(shang)坡(po)時(shi)速(su)度(du)減(jian)小(xiao)而(er)電(dian)流(liu)增(zeng)大(da)。在(zai)由(you)上(shang)坡(po)駛(shi)入(ru)平(ping)路(lu)或(huo)下(xia)坡(po)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)由(you)於(yu)阻(zu)力(li)突(tu)然(ran)減(jian)小(xiao)甚(shen)至(zhi)消(xiao)失(shi)，而(er)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)仍(reng)然(ran)較(jiao)大(da)
，使(shi)得(de)速(su)度(du)會(hui)快(kuai)速(su)增(zeng)大(da)，出(chu)現(xian)所(suo)謂(wei)的(de)“過衝”現象。我們把這種現象叫做上坡“過衝”。這種情況會給操作者帶來不適且有一定的危險性。為了減輕或者消除這種現象，有必要對設計做些改進。

1 電路構成

使用無刷電動機的電動自行車控製器主要分為以使用專用控製芯片為核心的純硬件電路控製器（例如以MC33035 為核心的控製器）和以MCU 為核心的控製器（例如以AT89S2051
、P87LPC767
、STCl2C5410AD 等為核心的控製器）。采用的直流無刷電機多半是三相電機，電角度有60°和120°兩種。電機極數大部分為18 極，也有16 極、20 極等。

圖1 是一款以AT89S52 為核心的一個控製器電路框圖

，電動機是電角度為120°直流無刷三相電動機。該電路中單片機接收電源電壓檢測信號、刹車信號
、電機電流檢測信號、轉把（調速）信號、電機轉速檢測信號、轉子位置檢測信號等，判斷電動機轉速是否符合要求
、三相繞組A、B、C 與位置信號a、b、c 之間的對應關係是否正確等，動態的輸出PWM 形式的控製信號，控製相應的功率驅動管的導通或關斷
，控製電動機的起動或停止、加速或減速等，並輸出各種指示信號，如刹車信號、左轉/右轉信號、欠壓報警信號等。對於采用MCU 為核心的控製器，一般的是以軟件編程來實現。

1）轉把的形式、信號特征：轉把（轉速）信號是操作者發出的速度控製指令信號。此電動自行車使用“霍耳轉把”。以5V 供電、正把、輸出信號為1.1～4.2V。轉動轉把，改變了霍耳元件周圍的磁場強度，也就改變了霍耳轉把的輸出電壓。

2）閘把的形式

、刹車信號特征：電動車閘把上有閘把位置傳感元件，在捏刹車把動作時，將刹車信號傳給控製器，控製器接收到刹車信號後，立即停止對電機的供電。
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3）直流無刷電機的驅動控製：參見圖1
，此電路采用三相無刷直流電機。3 個霍爾位置傳感器的空間間距為120o
，輸出信號a
、b、c最終送給單片機作為轉子位置檢測信號及測速信號。其中A 相末級電路如圖2 所示
，在驅動電路中設置了電流檢測。單片機根據霍爾轉速信號和電流檢測信號，經過分析判斷
，輸出正確的PWM 控製信號給相應的線圈通電，從而控製電動機的起動
、停止及轉速等。

4）欠壓保護和過流保護：當電池電壓降低到控製器設定值以下時，單片機停止PWM 信號的輸出

，以保護電池不至於在低電壓情況下放電。

限流保護（或過流保護）電路對控製器輸出的最大電流進行限製，以保護電池、控製器、電動機等不會出現允許範圍以上的電流。

一個最基本的電動車用無刷電機控製器所需要實現的功能一般包括欠壓保護、過流保護、調速、刹車、斷相保護、軟啟動等，近年來還有一些實用且流行的功能如定速巡航、ABS 刹車再生製動、1:1 助力等等。

2 軟件分析

chushihuazhihou
，jiezhejiancedianchidianyayipanduanshifoudidianya，ruguodidianya

，jiangqidongqianyabaohu。ruguodianchidianyazhengchang
，jiezhejieshouzhuanbaxinhaoyipanduancaozuozheshedingdesududaxiao
，tiaozhengPWM 脈衝的寬度以調整電動機速度。電動機通電後
，控製器接收電流檢測信號、霍爾轉速及相序信號、刹車信號等，判斷電動機是否正常運轉
、電路是否正常工作
，動態輸出PWM 驅動控製信號，調整車速使之逐漸達到操作者設定的速度。在有異常時采取保護措施直至斷開電源。

3 問題和改進

1）問題：單片機接收轉速信號和電流檢測信號
，根據轉把速度信號輸出PWM 控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)去(qu)調(tiao)整(zheng)電(dian)機(ji)轉(zhuan)速(su)和(he)限(xian)流(liu)
，好(hao)像(xiang)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)速(su)度(du)的(de)穩(wen)定(ding)控(kong)製(zhi)。實(shi)際(ji)上(shang)，當(dang)轉(zhuan)把(ba)位(wei)置(zhi)確(que)定(ding)後(hou)，在(zai)上(shang)坡(po)時(shi)速(su)度(du)會(hui)減(jian)小(xiao)而(er)電(dian)流(liu)會(hui)增(zeng)大(da)
，且(qie)坡(po)度(du)越(yue)陡(dou)速(su)度(du)會(hui)越(yue)慢(man)而(er)電(dian)流(liu)會(hui)越(yue)大(da)；當上坡結束轉為平路或轉為下坡時
，往往會出現車速突然地快速增大的現象。我們將這種現象叫做“過衝”。zhezhongqingkuangmeicidouhuizaijiasuleyiduanzhihoucailaidejitiaozhengzhuanba
，shidecaozuozheduichesunanyibawo，erqieshangpozhihousudukuaisuzengdajuyouyidingdeweixianxing。

2）原因分析：上(shang)坡(po)時(shi)由(you)於(yu)阻(zu)力(li)的(de)作(zuo)用(yong)
，速(su)度(du)難(nan)以(yi)提(ti)升(sheng)到(dao)用(yong)戶(hu)設(she)定(ding)的(de)值(zhi)甚(shen)至(zhi)越(yue)來(lai)越(yue)慢(man)。但(dan)在(zai)上(shang)坡(po)轉(zhuan)為(wei)水(shui)平(ping)路(lu)麵(mian)或(huo)下(xia)坡(po)時(shi)，單(dan)片(pian)機(ji)會(hui)依(yi)然(ran)根(gen)據(ju)轉(zhuan)把(ba)速(su)度(du)指(zhi)令(ling)來(lai)調(tiao)整(zheng)PWM 控製信號，力求使車速達到操作者設定的數值，電機驅動電流依然維持在較大的數值上；由於轉為水平路麵或下坡時阻力突然減小（甚至重力變為動力），車速便會突然的快速增大。

3）改進措施：一是要求用戶在上坡時盡可能的使用低速，使用腳踏助力；二是對硬件電路做些改進，在“過衝”時將驅動電流立即降下來；三是對軟件進行改進。對於MCU 為核心的控製器，增加對電流增減和速度增減的判斷。在“過衝”時不執行轉把速度信號指令而改為“定速控製”。
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根據上述思路將軟件控製流程進行修改。如圖3 所示。將“速度增大而電流不增”作為“過衝”的判斷依據。控製器持續檢測速度變化和電流變化
，再經過判斷，如果不屬於“過衝”的情況，則執行子程序“調速控製”。這種情況下控製器檢測轉把電壓值來調整PWM
，增大或減小電流值使速度變化直至達到操作者通過轉把設定的速度值。

如果屬於“過衝”的情況

，則執行子程序“定速控製”。在這種情況下，控製器完全根據對速度的檢測來調整PWM，力求使車速保持不變。在“過衝”時電流會迅速減小而保持原有的速度不變。在定速控製期間要持續的檢測速度和電流，在兩種情況下會結束“定速控製”而返回去檢測轉把電壓並調速：一種情況是車子已結束“過衝”，經過判斷已退出“過衝”狀態；另一種情況是達到了預先設定的“過衝定速控製時間”。這個時間長度為1~3 秒即可。為了保證“過衝”期間的及時刹車，在“定速控製”期要進行刹車檢測。

一些其它問題也值得注意。例如：henduodiandongchedeqianyabaohuyouxiaoxingbugouhao。youxiekongzhiqizaidianyadiyushedingzhishijiuguanbidedianyuan，erdangdianyashengqilaichaoguogaishedingzhishiyoudakaidianyuan
，zherongyishiyonghuliyongxudianchidehuishengdianyagongzuo，congerzaochengxudianchiguofangdian。weilefangfanzhegewenti
，qianyabijiaoyingjianshejichengdianyazhihuanzisuobijiao。qianyabaohufenweiliangji，diyijibaohushishuchuqianyabaojingxinhao、限製電流的大小。第二級保護是完全關閉電動機驅動和照明。本例中由“欠壓處理”子程序完成判斷和處理。

再(zai)如(ru)
，很(hen)多(duo)控(kong)製(zhi)器(qi)隻(zhi)有(you)單(dan)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)，性(xing)能(neng)不(bu)佳(jia)。在(zai)路(lu)麵(mian)情(qing)況(kuang)變(bian)化(hua)大(da)的(de)時(shi)候(hou)
，電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)很(hen)大(da)。這(zhe)對(dui)電(dian)機(ji)和(he)電(dian)池(chi)都(dou)是(shi)不(bu)利(li)的(de)。在(zai)硬(ying)件(jian)方(fang)麵(mian)應(ying)改(gai)用(yong)雙(shuang)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)
，在(zai)軟(ruan)件(jian)方(fang)麵(mian)應(ying)該(gai)增(zeng)加(jia)對(dui)具(ju)體(ti)情(qing)況(kuang)的(de)判(pan)斷(duan)。對(dui)於(yu)雙(shuang)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)（無刷：轉速/電流雙閉環，有刷：電壓/電流雙閉環）來lai說shuo，由you於yu電dian流liu環huan存cun在zai，可ke以yi對dui電dian流liu大da小xiao進jin行xing限xian製zhi以yi及ji限xian製zhi電dian流liu的de變bian化hua速su度du，即ji可ke以yi保bao護hu電dian動dong車che在zai處chu於yu各ge種zhong正zheng常chang運yun行xing情qing況kuang下xia最zui大da電dian流liu輸shu出chu值zhi不bu會hui超chao出chu設she定ding的de電dian流liu限xian幅fu值zhi， 還可以使電機實現最理想的啟動過程和加速過程、以及平穩的電流變化；速度閉環控製則可以限製速度的快速變化（現在的電動自行車不宜追求快速起動性能）。對於單片機控製器來說，可以同時在軟件中進行改進。本例中在子程序“調速控製”中設置電流變化速率的限製
，不允許電流的快速變化。

為了避免在子程序“調速控製”和“定速控製”之間的頻繁切換
，在“定速控製”中設置“過衝檢測有效時間”。比如0.3 秒，在這個時間內不看做“過衝”而繼續運行“定速控製”。

4 結束語

本文對於電動車行駛中“過衝”現象從硬件和軟件兩方麵入手進行了改進。對於硬件的改進，應該使用雙閉環控製。對於軟件的改進，通過判斷是否為“過衝”來選擇不同的程序運行。對於“過衝”情況使用“定速控製”，對於非“過衝”情況
，使用“調速控製”。關於“過衝恒速控製時間”、“過衝檢測有效時間”的合理數值還需進一步研究。