電動車控制器設計方案-12管電動車控制器改24管的方法技巧-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-06-04
電動車控制器是電動車整車中的核心部分，其技術性能的優劣直接影響電動車的正常使用。目前電動車用有刷無刷控制器普遍采用PWM方式，控制器內部必須具有PWM發生器電路，另外還有電源電路、功率器件、功率器件驅動電路、控制部件（轉把、制動把、電動機霍爾元件等）信號的采集與處理電路、過電流與欠電壓等保護電路。
普通有刷控制器內部結構框圖如下圖所示。電源電路為控制器內部電子元器件提供工作電壓；PWM芯片根據轉把的輸入電壓輸出相應脈沖寬度的方波給MOS管驅動電路；MOS管驅動電路將PWM信號整形提供給MOS管；MOS管為大功率開關管，其導通時間與關閉時間，受導通信號與PWM信號和成的混合信號控制；欠電壓保護電路是當蓄電池電壓降低到控制器設定值以下時，PWM芯片停止了PWM信號輸出，以保護蓄電池不至于在低電壓情況下放電；限電流保護（或過電流保護）電路是對控制器輸出的最大電流進行限制，以保護蓄電池、控制器、電動機等不會出現允許范圍以上的大電流。
無刷電動機控制器接線有多有少，一般有以下幾條（線的顏色根據常用類型總結，不能代表所有線的顏色都一樣）：電源線兩條（紅色線、黑色線）、轉把線三條（紅色線、藍色線、黑色線）、制動斷電線兩條（黃色線、黑色線）、電子制動線兩條（灰色線、黑色線）、電動機線兩條（綠色線、藍色線）、霍爾輸入線四條（藍色線、綠色線、紅色線、黑色線）、倒車線一條（黃色線）、助力信號線三條（紅色線、綠色線、黑色線）。
有刷電動機控制接線一般有以下幾條：電源線兩條、轉把線三條、電動機線兩條、制動斷電線兩條、限速線兩條等。
在電動車控制器中廣泛應用，方波驅動最大的缺點在于換相時的電流突變引起的轉矩脈動，導致噪聲較大，但好的控制策略可以大大改善換相噪聲。電動車控制器設計的難點在于電流控制，本文就電動車控制器設計的一些關鍵地方加以描述。
1.概述
電動自行車上使用的電機普遍采用永磁直流電機。所謂永磁電機，是指電機線圈采用永磁體激磁，不采用線圈激磁的方式。這樣就省去了激磁線圈工作時消耗的電能，提高了電機機電轉換效率，這對使用車載有限能源的電動車來講，可以降低行駛電流，延長續行里程。
永磁直流電機按照電機的通電形式來分，可分為有刷電機和無刷電機兩大類，有刷電機由于采用機械換相裝置導致可靠性和壽命降低，因此逐漸退出電動車市場。
無刷電機又可分為有傳感器和無傳感器兩類，對于無位置傳感器的無刷電機，必須要先將車用腳蹬起來，等電機具有一定的旋轉速度以后，控制器才能識別到無刷電機的相位，然后控制器才能對電機供電。由于無位置傳感器無刷電機不能實現零速度啟動，所以現在生產的電動車上用得較少。目前電動車行業內使用的無刷電機，普遍采用有位置傳感器無刷電機。
有位置傳感器永磁直流無刷電機按照內部傳感器的安裝位置不同，又可分為60度電機和120度電機。在120°的霍爾信號中，不可能出現二進制000和111的編碼，所以在一定程度上避免了因霍爾零件故障而導致的誤操作。因為霍爾組件是開漏輸出，高電平依靠電路上的上拉電阻提供，一旦霍爾零件斷電，霍爾信號輸出就是111.一旦霍爾零件短路，霍爾信號輸出就是000，而60°的霍爾信號在正常工作時這兩種信號均會出現，所以一定程度上影響了軟件判斷故障的準確率。因此目前市面馬達已經逐漸舍棄60°相位的霍爾排列。
2.1.主回路電路
圖中ABC表示電機的3相繞組，采用星形接法，V1~V6表示功率場效應管，如果將V1~V6用如下的時序波形驅動，則3相繞組會按照AB-AC-BC-BA-CA-CB順序通電（AB表示電流由A相流向B相），產生一個旋轉的磁場，牽引外轉子（永磁體）旋轉。
導通順序
*功能性要求：1.電子換相2.無級調速3.剎車斷電4.附加功能A.限速B.1+1助力C.EBS柔性電磁剎車D.定速巡航E.其它功能（消除換相噪音，倒車等）
*安全性要求：1.限流驅動2.過流保護3.堵轉保護4.電池欠壓保護5.降低溫升6.附加功能（防盜鎖死，溫升限制等）
7.附加故障檢測功能從上面的要求來看，功能性要求和安全性要求的前三項用專用控制芯片用加上適當的外圍電路均不難解決，代表芯片是摩托羅拉的MC33035，早期的控制器方案均用該集成塊解決。但后來隨著競爭加劇，很多廠商都增加了不少附加功能，一些附加功能用硬件來實現就比較困難，所以使用單片機來做控制的控制器迅速取代了純硬件的專用控制芯片。
但是硬件控制和軟件控制有很大的區別，硬件控制的反應速度僅僅受限于邏輯門的開關速度，而軟件的運行則需要指令執行時間。要使軟件跟得上電機控制的需求，就必須要求軟件在最短的時間內能夠正確處理換相，電流限制等各種復雜動作，這就涉及到一個對外部信號的采樣頻率，采樣時機，信號的內部處理判斷及處理結果的輸出，還有一些抗干擾措施等，這些都是軟件設計中需要仔細考慮的東西。
在本方案中，我們采用了一顆集成PWM發生器的8位單片機SH79F081，采用優化的單機器周期8051內核，內置16kFlash存儲器，兼容傳統8051所有硬件資源，采用JTAG仿真方式，內置16.6MHz振蕩器，同時擴展了如下功能：*雙DPTR指針。16位x8乘法器和16位/8除法器。
*3通道帶死區控制PWM，6路輸出，輸出極性可設，提供周期溢出功能*集成故障檢測功能，可瞬時關閉PWM輸出。
*提供硬件抗干擾措施。
*集成高速10bitADC.*提供Flash自編程功能，可以模擬用做EEROM，方便存儲參數。
這顆IC由于CPU運行速度和AD采樣速度都很快，PWM功能強大，硬件抗干擾功能多，非常適合作電動車控制器。
4.軟件實現
下面我們挑選對控制器性能和安全比較重要的功能來討論編程中應該注意的問題。
4.1.減小換相噪聲
上文已提過，無刷直流電動機方波驅動最大的缺點是換相時電流不能持續，導致有轉矩脈動，因此衡量控制器好壞很大程度上是取決于換相是否能做好。
在電動車剛剛起步的時候我們會發現換相時電機會發出很大的突突聲，這是由于電機起步時電流比較大，而電機是個感性負載，換相后由于電機線圈電流不會一下增大到換相前的水平，這樣就造成換相前后電流反差非常大，從而導致牽引力的急劇變化，這種變化便會引起電機強烈振動，這種振動噪聲不能完全消除，但可以采取一些措施減小噪聲方法1：在換相后的一段時間使PWM脈沖占空比達到100%來使電流增長快一點，從而減輕振動噪聲。需要提醒的是在這個過程中我們需要隨時監測電流變化，電流一達到換相前的水平就可以恢復換相前的PWM占空比。
方法2：延遲關閉換相MOS管，方波驅動直流無刷電機是6步驅動，定子勵磁每隔60度電角度跳躍一次，保證定子磁動勢方向和轉子磁動勢方向夾角在60°到120°之間運行，因為夾角在90°時轉動力矩最大，夾角為0°或180°時沒有轉矩，現假設電機正轉，AB導通要切換到AC導通，此時AB繞組通電產生的定子磁勢和轉子磁勢夾角為60°，如果正常切換到AC導通，則AC繞組通電后，定子磁勢和轉子磁勢夾角變為120°，由于切換到AC通電后電流要從0開始爬升，因此此時定子磁勢幅值很小，導致轉矩降低，但如果此時不關閉B，同時將下橋C打開，則定子磁勢和轉子磁勢的夾角變為90°，而且由于AB相電流基本沒有變化，而C相電流還很小，因此換相前后轉矩變化很小，但要注意，等C相電流爬升后要將B相關閉，否則3相導通的合成力矩比2相導通力矩大，也會發生轉矩波動。
4.2.電子剎車：
電子剎車其實是將電動機當做發電機機運行，因此會產生電磁制動轉矩，檢測到電子剎車信號后，cpu將上三路PWM關閉，將下三路同時打開，占空比設為某一固定值，這樣，電機相當于工作在發電機狀態，給蓄電池充電，充電電流和下三路占空比有關，占空比越大，則充電電流越大，剎車制動能力越強，由于目前電動車上裝配的電子剎車都是開關信號，使用者無法調整剎車力矩，完全由控制器決定，不過由電動機的特性，即使占空比固定，電子剎車時轉速越高，發電機感生電壓越高，回饋充電能力越強，剎車力矩越大，當然，最好是裝配線性剎車傳感器，使用者會更方便。
4.3.恒流驅動
電流信號經康銅絲采樣之后分兩路，一路送至放大器，一路送至比較器。放大器用來實時放大電流信號，放大倍數大約6.5倍，放大后的信號提供給單片機進行AD采樣轉換，轉換所得數字用來控制電流不超過我們所允許的值。另一路信號送至比較器，當電流突然由于某種原因大大超過允許值，比如一只MOSFET擊穿或誤導通時，比較器翻轉送出低電平，送給79F081的FLT引腳，無需單片機執行程序，IC硬件會自動關閉PWM輸出，從而保護MOSFET避免更大傷害。
故障現象：一輛“三安”牌低速電動汽車下坡時，駕駛人誤斷開了控制總電源的空氣開關，致使無刷直流電動機由于超速而產生的反電動勢不能被電池吸收，控制器超壓后損壞。
分析與檢修：打開控制器察看，發現有8只功率MOS管爆裂，一只貼片三極管8550擊穿。更換損壞的元件后仍無法工作，說明故障未根除。該車配備4只山東“路娃”牌12V-170型（100AH）鉛酸蓄電池。電動機額定功率1000W，配備的控制器為徐州開元電子科技有限公司產品。控制器內有24只TO-220封裝的功率MOS管，工作電壓為48V，限制電流為59A，相位角為120o，有倒車功能。筆者手頭有一些每只10～15元的拆車控制器，如果能利用，則會降低維修成本。比較了一下，普通電動三輪車上控制器的電壓、相位角、倒車和四輪車相同，只是使用了12只MOS管，限制電流為28A，額定功率為500W。如果將12管改成24管，電流翻倍，功率自然不成問題。兩只500W電動車控制器直接并聯成1000W是行不通的，因為不能保證兩只控制器完全同步，必然會爆管。
第一，將兩只控制器合成一只，信號及推動部分電路只能用一個，末極功率MOS管并聯使用。為避免爆管，并聯上去的功率MOS管與原管子參數相同或接近，管腳離電源濾波電容越近越好，并且最好不使用引線。要做到結合牢固、焊接簡單、不用引線、工作可靠，只有一個辦法，那就是并聯上去的12只MOS管焊在控制器電路板原12只MOS管的反面，由于正、反各12只MOS管封裝相同、間距相同，這就實現了柵極、漏極、源極的一一對應焊接。
第二，將取樣電阻的限流值擴大為原來的2倍，該控制器電路板上的電流取樣電阻用的是康銅絲，很容易辨別，如圖1所示。原來是2根，現在要再并接2根，讓取樣電阻的阻值減小一半。當然，也可以在原康銅絲上面加錫來減小電阻，若改制時用毫歐表測量會更準確。
第三，控制器電路板上的電源正、負供電銅箔線要用焊錫堆錫法適當加粗。該板上的兩個1000μF/63V濾波電容安裝位只裝了一只，正好再安裝一只，加強濾波功能。正、反安裝的MOS管散熱片不在同一平面上，兩只控制器鋁散熱外殼要用角磨機切割開口后，一正、一反安裝，見圖2。實際上，受控制器體積的限制，即使24只MOS管裝在同一平面也裝不下，電路連接也困難。兩只控制器組合，另一只控制器的電路板上只要MOS管和散熱鋁排。若手頭有封裝相同而電流更大的MOS管，比如用IRF3077（75V/210A）或IRF3077（75V/180A）等代替75NF75（75V /75A）就會省時省力，可以不增加管子的數量。
【注意】若小功率控制器散熱不夠，可通過加設風扇或換大鋁質外殼來提高散熱能力。當然，既增加管子的數量，又加大管子的參數效果會更好。
裝好的電動車控制器模擬試車沒有發現任何問題，路試的結果也令人滿意，說明改制思路可行。用霍爾庫侖計觀察行車電流：平路上最大電流為28A左右，急加速和爬坡時電流為55A，下坡滑行時電動機向蓄電池反充電電流最大為22A。在12℃氣溫下，連續行車在山區、丘陵、平原公路共50公里，手摸控制器外殼還是冷冷的，說明改制效果較好。為了行車無后顧之憂，有些車友帶一只備用控制器是有道理的，因為電動車蓄電池在壽命期以內突然損壞的可能性很小，在不超載的情況下電動機也不易損壞，并且低速電動汽車沒空擋，控制器損壞后推車電磁阻力大，要拖車前還要斷開電動機的三根相線，所以控制器壞了很麻煩。
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