学习情境三 电动车控制器设计与制作
一、基础知识学习
（一）电动车及电动车控制器概述
滑板车是继滑板之后的又一类运动型新产品，滑板车实际上是一辆小型的自行车，但 滑板车速度可以达到20公里/时，滑板车来源于日本，它是一种简单的省力运动机械为了 满足不同人的滑板车速度要求而出现了电动滑板车，也有为孩子设计儿童滑板车，电动车 的品种多样。当然还有手摇滑板车等。
滑板车与电动自行车相比，它造型美观、操作方便，而且因为座位重心低，驾驶更安全。 电动滑板车一直在国外非常流行，近年才开始在国内涌现。电动滑板车的发展丰富世界手 提交通工具类型。
电动滑板车作为体育器材，驾驶者一般要求有冲浪的感觉，因此它的设计要求及性能与作 为交通工具的电动自行车相比，具有较大的差异。电动滑板车要求具有起动时间短、速度 快、噪音低、爬坡性能好等特点。
电动滑板车控制器是滑板车的核心部件, 它的任务是在驾驶者的控制下, 高效率地 将蓄电池的能量转化为电动机的动能, 控制器的优劣直接影响到整车调速的平滑性、响应 的快速性等。电动车价格表
作为滑板车的核心部件，电动车控制器必须具备以下基本的功能：
1、控制器应具备调速功能
控制器在接收到调速转把的调速信号时，根据信号的大小，对电机的转速进行无极调速。
2、控制器应具备制动断电功能
电动车的刹把上均装有位置传感元件，当刹车时，改变了原来的状态，这个变化的信号传 送到控制器中，控制器立即切断驱动电路，停止供电。这样，即保护了驱动电路功率管本 身，又保护了电机，也防止了电源的浪费，还降低了刹车制动力矩，从而保护了骑行者的 安全。
3、控制器应具备欠压保护功能
电池的过放电对电池的寿命带来极大的损害，控制器的欠压保护电路在检测到电池电压达 到设定值时，控制器立即切断驱动电路，停止供电。从而保护电池不至于因过放电带来的 损害。
4、控制器应具备过流保护功能
电流的超限对电动机、控制器和电路中的所有元器件均可能造成损伤和损害，控制器中的 过流保护功能使得控制器的电流不得超过其设定的最大值，从而保护电气系统的元器件不 至于烧毁。
以上描述的仅仅只是控制器必须具备的基本功能，随着电动车技术的不断进步，电动车控 制器还有限速功能、飞车保护功能、巡航定速功能、电磁制动功能、智能锁功能以及能量 回馈功能等新功能的出现。
（二）电动车控制器分析
1．电动车控制器功能
目前市面上出售的控制器一般为铝合金外壳，通过线束和接插件将电锁开关、刹车开 关、调速手柄以及电动机与控制器相连接。实物如下图1所示。电动车控制器的接线图如 图2所示，
图1 电动车控制器的接线图 图2 电动车控制器的接线图
（三）电动车控制器基本结构
控制器采用单片机作为核心控制元件，由刹车开关、电池电压取样、限流保护、驱动 电路、直流有刷电机、霍尔调速手柄等部分组成。如图3所示。
控制器内部的工作原理为：单片机首先接受到经过处理的电源供电，从欠压保护电路 检测到的电压值大于欠压值时并且从刹车断电电路检测到的信号处于非刹车断电状态时， 控制器才能工作。此时，控制器根据调速电路，输出相应的占空比变化的矩形波信号，经 过驱动电路驱动放大后控制电机。调速电路输入的电压信号和单片机输出的矩形波信号的 占空比存在一定的关系，且调速电路的电压信号可以通过调
速转把无极可调，从而使电机 无极变速。
单片机
调速手柄 A/D
刹车 电池电压取样
限流保护
驱动电路 直流电机 图3 控制器结构框图
电动车上使用的调速转把有光电转把和霍耳转把两种，目前采用霍耳转把的电动车 占绝大多数。霍耳转
把的内部电路如图 4。霍耳转把输出电压的大小，取决于霍耳元件周 围的磁场强度。转动转把，改变了霍耳元件周围的磁场强度，也就改变了霍耳转把的输出 电压。其中最常用的是以下两种信号的转把：1-4.2V（俗称正把），4.2-1V（俗称反把）。 两种信号的转把中，是 1.0V～4.2V 的转把占绝大多数。把转把输出的电压经 ADC 转换成 数字量，单片机根据这个数字量的大小进行 PWM 脉宽调制。从而控制功率管的导通关闭的 比例以控制电机转速的大小。
图4 线性霍尔元件电路原理图
刹把分为机械刹把与电子刹把。机械刹把就是一种机械开关，所以有两条引线。在 不刹车时有断开与闭合之分，所以叫常开、常闭。电子刹把是采用开关型霍尔元件，所以 有三条引线，分别为信号、电源和地线，在不刹车时也有高低之分。当刹车时，控制器检 测到刹车信号，无论转把在什么状态都断开电机供电。
电池电压经两个电阻分压后送至ADC 转换成数字量再换算成具体的电压。电量的大小 可采样7个发光二极管来指示。当电池电量不足时, 7个发光二极管全部闪烁，提醒用户电 量不足，并由软件关闭PWM 输出，达到保护蓄电池的目的。
电机电流的大小采用康铜丝电阻作为取样电阻，电阻两端的压降反映了电机电流的大 小电压信号经放大器放大后经ADC 转换成数字量。设定一个阀值，当数字量达到阀值时，说
明电机电流到达上限，应减小输出 PWM 的占空比，从而减小电机电流，实现对电机的限流保 护。
（四）直流电动机调速
与交流电动机相比，直流电动机结构复杂，成本高，运行维护困难。但是直流电动机 具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有 应用。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制 领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调 制(pulse width modulation，简称PWM)已成为直流电动机新的调速方式。这种调速方法具 有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，在电动车控制中得到广泛 应用。
PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到 控制要求的一种电压调整方法。PWM 可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力 控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需 要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占 空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM 又被称为“开关驱动 装置”
。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按 一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
直流电机的速度控制采用 PWM（Pulse Width Modulation，脉冲调宽信号）波来实现，其 原理是，在一定的频率下，调节脉冲宽度等效改变施加于直流电机的平均电压，从而改变 电机的转速。
设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax 设占空比为 D=t1 ／T，则电机的平均速度 为：
Va=Vmax·D
式中，Va-----电机的平均速度;
图5 电枢电压“占空比”与平均电压关系
Vmax----电机全通电时的速度（最大）；
D=t1/T----占空比。
在 PWM 调速系统中占空比 D 是一个重要参数，在电源电压 ud 不变的情况下，电枢端 电压的平均值取决于占空比D的大小，改变 D 的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到 调速的目的。严格地讲，平均速度 与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中， 可以将其近似地看成线性关系。改变占空比D 值的方法有以下三种：
(1)定宽调频法：保持t1不变，只改变t2，这样使周期(或频率)也随之改变。
(2)调宽调频法：保持t2不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。
(3)定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t2。
前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统 的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电 动机电枢两端电压。
（五）89C51 单片机 PWM 程序设计
在许多单片机的测控系统中，需要PWM功能实现直流电机的调速控制。对此有两种： 要么就选用具有PWM功能的单片机，要么就是采用软件模拟的方法实现PWM输出。对于前 着来说，虽然现在已经出现了不少具有PWM功能的新型单片机，但是它们的价格一般都比 较高，并且它们开发器的价格目前也比较高。因而，用软件模拟实现PWM输出的应用还非 常广泛，下面介绍直接应用89C51单片机用软件的方法模拟输出PWM信号。
采用 100 个机器周期为 PWM 波形的基本周期（AT89C51 采用 12MHz 的晶体，即 PWM 波 形的周期为100uS，其频率为10KHz），采用定频调宽的方法。定时器T0确定PWM波的频 率，T1 确定高电平的时间，这样改变 T1 的初值就可以改变占空比。调速手柄输出的电压 经A/D转换后输入单片机，单片机根据输入电压值的大小计算出PWM信号的占空比。根据 占空比和PWM信号周期计算出T1的初值。 电机的驱动电路如图 所示， PWM信号从P3.7 引脚输出经过 7407 缓冲后直接控制 V1 管。当开关管 V1 的栅极输入高电平时，开关管导 通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us，当开关管V1的栅极输入低电平时，开关管截止， 直流电动机电枢绕组两端电压为0。利用V1管的通、断调节直流电机电枢绕组两端的平均 电压值，实现对电机转速的调节。软件模拟PWM输出的流程图如图 所示。