车用电机控制器

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一、控制器与保护功能
（一）控制器简介
    车用电机控制器近年来的发展速度之快，使人难以想象，操作上越来越“傻瓜”化，而显示则越来越复杂化。比如，车速的控制已经发展到“巡航锁定”；驱动方面，有的同时具有电动性能和助力功能，如果转换到助力状态，借助链条张力测力器，或中轴扭力传感器，只要用脚踏动脚蹬，便可执行助力或确定助力的大小。
    简略地讲控制器是由周边器件和主芯片（或单片机）组成。周边器件是一些功能器件，如执行、采样等，它们是电阻、传感器、桥式开关电路，以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的器件；单片机也称微控制器，是在一块集成片上把存贮器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输入输出端口等集成在一起，而构成的计算机片。这就是电动自行车的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出现的高技术产品。
    控制器的设计品质、特性、所采用的微处理器的功能、功率开关器件电路及周边器件布局等，直接关系到整车的性能和运行状态，也影响控制器本身性能和效率。不同品质的控制器，用在同一辆车上，配用同一组相同充放电状态的电池，有时也会在续驶能力上显示出较大差别。
（二）控制器的型式
    目前，电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近。
有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的PWM控制方法调速，只是选用驱动电路、集成电路、开关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别。元器件和电路上的差异，构成了控制器性能上的不大相同。控制器从结构上分两种，我们把它称为分离式和整体式。
1、分离式  所谓分离，是指控制器主体和显示部分分离。后者安装在车把上，控制器主体则隐藏在车体包厢或电动箱内，不露在外面。这种方式使控制器与电源、电机间连线距离缩短，车体外观显得简洁。
2、一体式  控制部分与显示部分合为一体，装在一个精致的专用塑料盒子里。盒子安装在车把的正中，盒子的面板上开有数量不等的小孔，孔径4~5mm，外敷透明防水膜。孔内相应位置设有发光二极管以指示车速、电源和电池剩余电量。
（三）控制器的保护功能
    保护功能是对控制器中换相功率管、电源免过放电，以及电动机在运行中，因某种故障或误操作而导致的可能引起的损伤等故障出现时，电路根据反馈信号采取的保护措施。电动自行车基本的保护功能和扩展功能如下：
1、制动断电  电动自行车车把上两个钳形制动手把均安装有接点开关。当制动时，开关被推押闭合或被断开，而改变了原来的开关状态。这个变化形成信号传送到控制电路中，电路根据预设程序发出指令，立即切断基极驱动电流，使功率截止，停止供电。因而，既保护了功率管本身，又保护了电动机，也防止了电源的浪费。
2、欠压保护  这里指的是电源的电压。当放电最后阶段，在负载状态下，电源电压已经接近“放电终止电压”，控制器面板（或仪表显示盘）即显示电量不足，引起骑行者的注意，计划自己的行程。当电源电压已经达到放终时，电压取样电阻将分流信息馈入比较器，保护电路即按预先设定的程序发出指令，切断电流以保护电子器件和电源。
3、过流保护  电流超限对电机和电路一系列元器件都可能造成损伤，甚至烧毁，这是绝对应当避免的。控制电路中，必须具备这种过电流的保护功能，在过流时经过一定的延时即切断电流。
4、过载保护  过载保护和过电流保护是相同的，载重超限必然引起电流超限。电动自行车说明书上都特别注明载重能力，但有的骑行者或未注意这一点，或抱着试一下的心理故意超载。如果没有这种保护功能，不一定在哪个环节上引起损伤，但首当其冲的就是开关功率管，只要无刷控制器功率管烧毁一只，变成两相供电后电动机运转即变得无力，骑行者立即可以感觉到脉动异常；若继续骑行，接着就烧毁第2个、第3个功率管。有两相功率管不工作，电动机即停止运行，有刷电机则失去控制功能。因此，由过载引起的过电流是很危险的。但只要有过电流保护，载重超限后电路自动切断电源，因超载而引起的一系列后果都可以避免。
5、欠速保护  仍然属于过流保护范畴，是为不具备0速起步功能的无刷控制系统而设置，
6、限速保护  是助力型电动自行车独有的设计控制程序。车速超过某一预定值时，电路停止供电不予助力。对电动型电动自行车而言，统一规定车速为20km/h，车用电动机在设计时，额定转速就已经设定好了，控制电路也已经设好。电动自行车只能在不超过这个速度状态下运行。
    控制器的位置不会影响到性能，主要视设计者的意图。但有几项原则：（1）在运行操作允许时；（2）在整体布置允许时；（3）在线路布设要求时；（4）在配套设施要求时。
二、控制器的种类和性能
（1）车用电动机的电压分别为24V和36V，控制器也应与之匹配。
（2）车用电动机如果是有刷电机，控制器则简单得多，因为它不用换相，电机自己能够换相，绕组在不同位置就会产生与磁钢相对应的磁场。所以控制器也不需要换相功率电路及其器件。另外，由于电机没有传感器，故微处理器不需要处理传感信号，集成电路简单。目前有刷直流电动机有两种：有齿轮传动电机和低转速大转矩无齿轮传动电机，它们的控制器基本相同。
（3）无刷直流电机控制器。无论是高速转动的盘形电枢有齿轮减速的无刷电机，还是外磁钢转子的低速无刷电机，其控制器都比较复杂，并且价格较高。它的微处理器芯片本身也比有刷直流电动机芯片复杂。同时，它要用功率足够的开关管组合一套换相电路。
（4）有助力功能电机的控制器，它的主要特点是要处理力传感信号。
（5）有的控制器设置了软起动功能，即0速起动。微处理器芯片专门设置了这种功能的接脚，使电动自行车由静止状态直接起动。有刷直流电动机与无刷直流电机因结构不同，直接起动比较容易。无刷直流电动机大部分设定为5km/h速度起步，近年来0速起动有增多的趋势。
（6）我国已经研制出可以改换工作状态的控制器，并且技术相当成熟。用控制开关使电动机由纯电动型工作方式转成助力工作状态，或是自动切换回来由助力方式变为电动方式。
（7）控制器还具有可以锁定速度的功能，有一个转换开关专门控制这一性能。在运行过程中按动开关，车速就固定在一两种速度上，不必用手握紧手柄。只有当停车后，或是变动调速手柄，速度才又恢复到受控状态。
    凡此种种，控制器技术发展之快使电动机控制水平不断提高，从最早的电阻式笨重控制，进化到电子元器件组成的模拟控制电路，后来是专用集成电路，控制技术已经相当得心应手。现在又开发出DSP专用控制技术，使电动机控制达到更高水平。
三、控制器电路特点
（一）电机控制技术
1、电机控制原理  控制器开关电路相当于用一个闸刀开关连接在电机与电源之间，闸刀开关合闸一次，电机通电，开始运转，开关拉开断电，电机在无电状态下靠绕组中剩余电流和转子惯性继续转动，并逐渐减速。闸刀开关再合闸一次，电路接通，电机又被推动运转，开关再次拉开断电，电机仍靠自身继续转动，在电机还没有停下来之前，开关又被合闸并接通电路。如此反复则能够维持电机不停地运转。
2、自动开关电路  将闸刀开关换成自动开关，这个自动开关每秒钟内被接通次数固定，每次接通时间可调，我们称它为PWM（PULSE WIDTH MODULATION）电路或斩波器。一般在电路调定后，频率基本是固定下来的，PWM又称脉宽调制电路。什么是脉宽？就是闸刀开关从合闸到拉开的0.3秒钟是宽度，合闸后通过的电压大小，在纵坐标上就是脉的高度，应当称为波形高度。PWM是在单位时间内，永远以一定的频率，只是开或关的时间有变化，开或关的时间加在一起，时间是一样的。
    现在有很多这种自动开关的PWM电路，但它的开关次数要多得多、而导通时间却非常短，比如TL494，它的合理工作频率为300kHz，它的开和关都是在极短时间内完成，由于调制后的波高已经确定，所以波形已经不是半圆的，而变成方形的，即瞬间电压升至极限、之后又在瞬间降到0，两边升降几乎没有坡度，形成一个个在坐标之上的矩形波，成为方波。
    现在，PWM在每秒内的次数已经达到兆周，也就是上百万次，甚至几十个百万次，用技术术语即20MHz或50MHz等等，而开关的时间长短，在百万分之一秒、千万分之一或几千万分之一秒，用术语就是ns（纳秒）级，这种条件下，电流的脉动非常之小，而平均电压非常均匀，电机的运行当然也非常平稳了。并且，PWM的频率越高，脉动越小。近年来，专用芯片也是沿这样的轨迹发展的。但另一方面，频率的提高却使电路损耗增大，所以无限制地提高频率也并不是总得到好处。
    目前的控制器，特点是品种多样，虽各不相同，但同类型、使用相同集成电路的控制器大同小异，仅仅是由于设计思想的不同，控制器才用各自不同的特点，周边电路互有区别，他们都是在基本电路基础上加以改进和完善。使用不同的集成电路，因集成电路都有特定的功能和用途，基本电路互相不同，电路也就大不相同了。
3、车用电机驱动电路的共同点
（1）驱动电路分两部分：一是控制电路，一是功率电路。控制电路工作在低电压、小电流状态，不宜带动较大功率电机，用控制电路直接驱动车用电机，必须用功率型专用集成电路，这会造成成本过高。一般由驱动电路PWM控制功率管的开关，以方波占空比控制得到不同的平均电压，使电机调速，控制电路工作电压比功率电路工作电压低，功率电路则另外采用电机的额定工作电压，所以电压与控制电路不同，在技术上称电瓶转移，两者虽用同一电源但要分别供电。对无刷直流电动机，还要以霍耳信号为根据，输出高电平或低电平，控制各功率管的开关顺序，以达到换相的目的，供电机运转。