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1、单片机与接口电动自行车电机控制器的研制龚运新1力源电子工程2001年第3期 摘 要 对电动自行车电机控制器进行了分析，并研制出全国市场上抢手的控制器，解决了用模拟电路、数字电路、专用芯片所做成的控制器中存在的许多问题。利用单片机这一智能器件，通过硬件和软件的综合设计，使产品具有性能稳定、反应速度快，可靠性高，软起动，无级调速及欠压、过流、过热、刹车断电等多种保护功能。 关键词 霍尔手柄 软起动 PWM波 爬坡能力 随着全球经济的迅猛发展，环境污染问题变得越来越突出。据有关资料表明61%的空气污染是由车辆交通所造成的，因此无污染、低噪声和节能的电动交通工具已经成为世界各国研制开发的热点。电动自行
2、车作为最简单的电动车辆近几年在世界各地尤其是亚洲地区取得了巨大进展，产量也在逐年上升，给人们的出行及日常生活带来了极大方便。近几年我国的电动自行车发展较快，由于各大中小城市纷纷禁止摩托车，电动自行车销量陡增。在此情况下，作者与无锡华立电动自行车配件厂联合开发了一种用单片机控制的电机控制器，它比以前用模拟电路、数字电路、专用芯片所做成的控制器，在功能和整体性能上有很大提高。它利用单片机这一智能器件，通过硬件和软件的综合设计，使产品达到了性能稳定、反应速度快，可靠性高，软起动，无级调速，并设有欠压、过流、过热、刹车断电等多种保护功能。允许堵转时间长达10分钟，具有较强的爬坡能力。经国内有关厂家使用
3、，普遍反映该控制器故障率低，起动平稳，控制灵活，保护功能多，经久耐用。1 工作原理1.1 控制器组成框图 控制器用89C2051单片机作为控制核心，由A/D转换器、霍尔调速手柄、刹车装置、电机驱动电路、直流电机和欠压、过热、过流、平均电流、峰值电流保护电路等组成，如图1所示。1.2 电路工作原理 控制器电原理图如图2所示，其主要部分的工作原理如下。89C2051过热保护霍尔调速手柄A/DP3.6P1.0P1.1P3.3P1.24P3.5P1.6过流保护刹车SAR，SAL欠压保护驱动电路直流电机峰值电流保护平均电流保护图1 控制器组成框图1霍尔调速手柄及A/D转换电路 采用清华大学研制的霍尔调速
4、手柄（像摩托车调速手柄一样）把转速变为模拟电压输入到TLC549（IC4）A/D转换器。当转动放置在自行车手把处的霍尔手柄时，输出的模拟电压在14V之间变化，经A/D转换变成数字信号送单片机（IC5）的P1.2P1.4，单片机按数字信号的变化从P1.6输出不同形式的PWM波形，从而控制加到直流电机的电流大小，实现软起动及任意调节电机速度之目的。2电机驱动及刹车电路 电机驱动电路主要由反相器（IC2:B）、与非门（IC2:D）、放大器T3及功率放大电路J1组成。正常工作时，89C2051的P1.6输出的PWM波形经上述电路后控制直流电机M1按所需速度转动。当刹车时刹车手柄使内部开关SAR（或SA
5、L）之一闭合，IC5的P3.5为高电平。软件控制使IC5的P1.6输出高电平，结果T3饱和导通使J1截止，电机断电停转。刹车手柄松开时系统恢复正常工作。4力源电子工程2001年第3期图2 电原理图3欠压保护 欠压保护电路由集成比较器（IC1:A）及有关电阻组成。电阻R53、R21、R55、R6构成欠压基准电压电路，改变电阻值可调节基准电压VR1的大小；电阻R8、R18、R19、R16构成欠压取样电路。当电瓶电压为36V正常时，取样电压VS1VR1，IC1:A输出高电平至P1.1，单片机检测到P1.1为高电平，软件控制使P1.5输出低电平，欠压指示灯L2不亮，表明电压正常。若电源电压不足（欠压）
6、时，取样电压VS1VR1，比较器IC1:A输出低电平至P1.1，使P1.5输出高电平，欠压指示灯L2亮，提示用户电瓶电压不足，不能使用，达到既保护电机又保护电瓶的目的。4过热保护 过热保护电路主要由IC1:B及有关电阻构成。电阻R52、R56为基准电压电路，R51及热敏电阻RB为过热取样电路。正常时IC1:B输出高电平至P3.6，单片机检测到P3.6为高电平时，软件控制使P3.1为低电平，T4截止，过热指示灯L3不亮；当过热时IC1:B输出低电平至P3.6，P3.1输出高电平使T4导通，过热指示灯L3亮，提示系统过热，应立即切断电机电源达到保护电机之目的。5过流保护 过流保护电路由IC1:D及
7、有关元件组成。R54、R58组成基准电压电路，R23和C13为过流取样元件。正常工作时IC1:D输出高电平至P1.0，软件控制使P1.6输出正常PWM波形，电机正常转动；过流时R23上电压增大使IC1:D输出低电平至P1.0，由软件控制延长12s后进入保护程序，使电流减小，这样可使12s内出现瞬间大电流时不起保护作用。6峰值电流和平均电流保护 峰值电流和平均电流保护电路由精密集成运算放大器IC3等组成。R2、R3、R24、R45为基准电压电路，R47、D5、D12和功放管J1的源漏电压VSd为电流取样电路。当取样电压VS2大于基准电压VR2，IC3输出使加至P3.3为高电平，单片机检测到P3.
8、3为高电平时，软件控制使系统正常工作。当峰值电流（25A）超过12s或平均电流过大时，取样电压小于基准电压，IC3输出使P3.3为低电平，软件控制使电机进入电流保护程序。峰值电流保护主要解决电机的堵转问题而平均电流保护主要解决爬坡问题。 本电机控制器采用电压为36V的电瓶供电，36V直接加至电机；36V经电阻R17限流后经7815稳压器后提供系统所需的15V电压；15V再经8705稳压后为单片机等提供5V电压。36V电瓶由车钥匙作为开关，控制电压的通断。2 软件设计2.1 程序设计中应考虑的问题 该软件的关键所在是起动过程的控制，因为起动时的负载是不一定的，有人是滑行起动，有人是坐在上面静止起
9、动，甚至有人是带人静止起动。上述诸多因素再加上路况不确定等因素，因此必须全面考虑，否则会出现：滑行方式能起动，带人静止起动不行；路况好时能起动，路况不好时就不能起动等情况。对于电机控制来说带负载起动是一个难度较大的问题，更何况是大负载起动，难度更大。在起动时还要考虑其它的保护情况，其中过流保护与起动密切相关。保护点过高会烧毁电机，保护点过低又起动不了，因此保护点的设置必须认真对待。因为是串励有刷电机，初始励磁时间既不能太长又不能太短。PWM波的频率既不能太高又不能太低，PWM波的脉冲宽度的变化既不能太快又不能太慢。因此在软起动过程中既要考虑脉冲宽度的变化又要考虑PWM波频率的变化这一关键技术问
10、题，否则就会出现空载运转正常，带负载运转不正常，或轻负载运转正常，重负载运转不正常的情况；在带负载下运转正常后，又会出现在空载刚开始转动时听到“咣铛”的响声。加之励磁电流的非线性，脉冲宽度的均匀变化不一定导致励磁电流均匀变化，励磁电流变化不均匀，就会出现起动过程不平稳。特别是调速手柄的变化，要求电机速度随时相应变化。同时还要判断是加速还是减速，运行过程中手柄还有抖动，如何判断准确，均应在程序中考虑。特别应引起重视的是爬坡能力的设计，大家知道随着坡度上升，电机的电流也随着上升，若坡又陡又长，电流会持续上升，若长时间大电流工作，会烧毁电机。因而根据该电机具有17A电流可维持2min的特性，设计时考
11、虑到达17A后维持10s再进入保护程序，将电流降到11A维持20s后再一次将电流降到5A维持20s，然后再断电，这样一来就解决了爬坡问题。但还应特别注意在带人静止起动或路况特别坏又要起动时，瞬间电流会达到二十几安，这就要考虑瞬时峰值电流保护问题。2.2 程序框图 主程序和中断服务程序框图如图3所示。主程序框图中平均电流保护和峰值电流保护已包含在过流保护程序中。程序开始初始化，清标志字节开中断YYYYY刹车保护程序是否刹车？NNNN是否欠压？欠压保护程序过流保护程序是否过流？是否过热？过热保护程序N改变波形程序是否改变输出波形？输出波形，控制电机（a） 主程序定时器0开始保护现场每隔一定时间A/D转换恢复现场返 回（b） 中断程序图3 程序流程框图3 结论 本电机控制器由于采用单片机，通过硬件和软件的合理设计，特别是软件设计中充分考虑了起动时的多种因素和爬坡能力，加上较完善的保护电路，使产品具有性能稳定可靠、反应速度快、软起动及无级调速等优点。经国内有关厂家使用，普遍反映较好，具有良好的应用前景。参 考 文 献1 詹树仁GMS90及GMS97系列单片机的工作原理及其应用武汉：武汉力源电子股份有限公司，1998（8）（收稿日期：2001-06-09 Tel：0510 5555111-2473 E-mail：）
