一、電動(dòng)車(chē)控制器的組成部分

電動(dòng)車(chē)控制器是電動(dòng)車(chē)整車(chē)中的核心部分，其技術(shù)性能的優(yōu)劣直接影響電動(dòng)車(chē)的正常使用。目前電動(dòng)車(chē)用有刷無(wú)刷控制器普遍采用PWM方式，控制器內部必須具有PWM發(fā)生器電路，另外還有電源電路、功率器件、功率器件驅動(dòng)電路、控制部件（轉把、制動(dòng)把、電動(dòng)機霍爾元件等）信號的采集與處理電路、過(guò)電流與欠電壓等保護電路。

二、電動(dòng)車(chē)控制器的結構原理

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(dòng)電路；MOS管驅動(dòng)電路將PWM信號整形提供給MOS管；MOS管為大功率開(kāi)關(guān)管，其導通時(shí)間與關(guān)閉時(shí)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(shí)，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(guò)電流保護）電路是對控制器輸出的最大電流進(jìn)行限制，以保護蓄電池、控制器、電動(dòng)機等不會(huì )出現允許范圍以上的大電流。

三、電動(dòng)機控制器的接線(xiàn)

1、無(wú)刷電動(dòng)機控制器接線(xiàn)

無(wú)刷電動(dòng)機控制器接線(xiàn)有多有少，一般有以下幾條（線(xiàn)的顏色根據常用類(lèi)型總結，不能代表所有線(xiàn)的顏色都一樣）：電源線(xiàn)兩條（紅色線(xiàn)、黑色線(xiàn)）、轉把線(xiàn)三條（紅色線(xiàn)、藍色線(xiàn)、黑色線(xiàn)）、制動(dòng)斷電線(xiàn)兩條（黃色線(xiàn)、黑色線(xiàn)）、電子制動(dòng)線(xiàn)兩條（灰色線(xiàn)、黑色線(xiàn)）、電動(dòng)機線(xiàn)兩條（綠色線(xiàn)、藍色線(xiàn)）、霍爾輸入線(xiàn)四條（藍色線(xiàn)、綠色線(xiàn)、紅色線(xiàn)、黑色線(xiàn)）、倒車(chē)線(xiàn)一條（黃色線(xiàn)）、助力信號線(xiàn)三條（紅色線(xiàn)、綠色線(xiàn)、黑色線(xiàn)）。

2、有刷電動(dòng)機控制接線(xiàn)

有刷電動(dòng)機控制接線(xiàn)一般有以下幾條：電源線(xiàn)兩條、轉把線(xiàn)三條、電動(dòng)機線(xiàn)兩條、制動(dòng)斷電線(xiàn)兩條、限速線(xiàn)兩條等。

四、控制器接線(xiàn)示意圖

在電動(dòng)車(chē)控制器中廣泛應用，方波驅動(dòng)最大的缺點(diǎn)在于換相時(shí)的電流突變引起的轉矩脈動(dòng)，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(dòng)車(chē)控制器設計的難點(diǎn)在于電流控制，本文就電動(dòng)車(chē)控制器設計的一些關(guān)鍵地方加以描述。

五、電動(dòng)自行車(chē)控制器設計方案電路圖

1.概述

電動(dòng)自行車(chē)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(xiàn)圈采用永磁體激磁，不采用線(xiàn)圈激磁的方式。這樣就省去了激磁線(xiàn)圈工作時(shí)消耗的電能，提高了電機機電轉換效率，這對使用車(chē)載有限能源的電動(dòng)車(chē)來(lái)講，可以降低行駛電流，延長(cháng)續行里程。

永磁直流電機按照電機的通電形式來(lái)分，可分為有刷電機和無(wú)刷電機兩大類(lèi)，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(dòng)車(chē)市場(chǎng)。

無(wú)刷電機又可分為有傳感器和無(wú)傳感器兩類(lèi)，對于無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機，必須要先將車(chē)用腳蹬起來(lái)，等電機具有一定的旋轉速度以后，控制器才能識別到無(wú)刷電機的相位，然后控制器才能對電機供電。由于無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機不能實(shí)現零速度啟動(dòng)，所以現在生產(chǎn)的電動(dòng)車(chē)上用得較少。目前電動(dòng)車(chē)行業(yè)內使用的無(wú)刷電機，普遍采用有位置傳感器無(wú)刷電機。

有位置傳感器永磁直流無(wú)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(jìn)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(kāi)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(shí)這兩種信號均會(huì )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(jīng)逐漸舍棄60°相位的霍爾排列。

2.永磁直流電機基本原理

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(chǎng)效應管，如果將V1~V6用如下的時(shí)序波形驅動(dòng)，則3相繞組會(huì )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(chǎn)生一個(gè)旋轉的磁場(chǎng)，牽引外轉子（永磁體）旋轉。

導通順序

3.電動(dòng)車(chē)控制器功能要求

*功能性要求：1.電子換相2.無(wú)級調速3.剎車(chē)斷電4.附加功能A.限速B.1+1助力C.EBS柔性電磁剎車(chē)D.定速巡航E.其它功能（消除換相噪音，倒車(chē)等）

*安全性要求：1.限流驅動(dòng)2.過(guò)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(lái)看，功能性要求和安全性要求的前三項用專(zhuān)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(lái)隨著(zhù)競爭加劇，很多廠(chǎng)商都增加了不少附加功能，一些附加功能用硬件來(lái)實(shí)現就比較困難，所以使用單片機來(lái)做控制的控制器迅速取代了純硬件的專(zhuān)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(mén)的開(kāi)關(guān)速度，而軟件的運行則需要指令執行時(shí)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(shí)間內能夠正確處理?yè)Q相，電流限制等各種復雜動(dòng)作，這就涉及到一個(gè)對外部信號的采樣頻率，采樣時(shí)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(fā)生器的8位單片機SH79F081，采用優(yōu)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(shí)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(shí)關(guān)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(dòng)車(chē)控制器。

4.軟件實(shí)現

下面我們挑選對控制器性能和安全比較重要的功能來(lái)討論編程中應該注意的問(wèn)題。

4.1.減小換相噪聲

上文已提過(guò)，無(wú)刷直流電動(dòng)機方波驅動(dòng)最大的缺點(diǎn)是換相時(shí)電流不能持續，導致有轉矩脈動(dòng)，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(dòng)車(chē)剛剛起步的時(shí)候我們會(huì )發(fā)現換相時(shí)電機會(huì )發(fā)出很大的突突聲，這是由于電機起步時(shí)電流比較大，而電機是個(gè)感性負載，換相后由于電機線(xiàn)圈電流不會(huì )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?tīng)恳Φ募眲∽兓?，這種變化便會(huì )引起電機強烈振動(dòng)，這種振動(dòng)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(shí)間使PWM脈沖占空比達到100%來(lái)使電流增長(cháng)快一點(diǎn)，從而減輕振動(dòng)噪聲。需要提醒的是在這個(gè)過(guò)程中我們需要隨時(shí)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(guān)閉換相MOS管，方波驅動(dòng)直流無(wú)刷電機是6步驅動(dòng)，定子勵磁每隔60度電角度跳躍一次，保證定子磁動(dòng)勢方向和轉子磁動(dòng)勢方向夾角在60°到120°之間運行，因為夾角在90°時(shí)轉動(dòng)力矩最大，夾角為0°或180°時(shí)沒(méi)有轉矩，現假設電機正轉，AB導通要切換到AC導通，此時(shí)AB繞組通電產(chǎn)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?yōu)?20°，由于切換到AC通電后電流要從0開(kāi)始爬升，因此此時(shí)定子磁勢幅值很小，導致轉矩降低，但如果此時(shí)不關(guān)閉B，同時(shí)將下橋C打開(kāi)，則定子磁勢和轉子磁勢的夾角變?yōu)?0°，而且由于A(yíng)B相電流基本沒(méi)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(guān)閉，否則3相導通的合成力矩比2相導通力矩大，也會(huì )發(fā)生轉矩波動(dòng)。

4.2.電子剎車(chē)：

電子剎車(chē)其實(shí)是將電動(dòng)機當做發(fā)電機機運行，因此會(huì )產(chǎn)生電磁制動(dòng)轉矩，檢測到電子剎車(chē)信號后，cpu將上三路PWM關(guān)閉，將下三路同時(shí)打開(kāi)，占空比設為某一固定值，這樣，電機相當于工作在發(fā)電機狀態(tài)，給蓄電池充電，充電電流和下三路占空比有關(guān)，占空比越大，則充電電流越大，剎車(chē)制動(dòng)能力越強，由于目前電動(dòng)車(chē)上裝配的電子剎車(chē)都是開(kāi)關(guān)信號，使用者無(wú)法調整剎車(chē)力矩，完全由控制器決定，不過(guò)由電動(dòng)機的特性，即使占空比固定，電子剎車(chē)時(shí)轉速越高，發(fā)電機感生電壓越高，回饋充電能力越強，剎車(chē)力矩越大，當然，最好是裝配線(xiàn)性剎車(chē)傳感器，使用者會(huì )更方便。

4.3.恒流驅動(dòng)

電流信號經(jīng)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(lái)實(shí)時(shí)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(jìn)行AD采樣轉換，轉換所得數字用來(lái)控制電流不超過(guò)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(guò)允許值，比如一只MOSFET擊穿或誤導通時(shí)，比較器翻轉送出低電平，送給79F081的FLT引腳，無(wú)需單片機執行程序，IC硬件會(huì )自動(dòng)關(guān)閉PWM輸出，從而保護MOSFET避免更大傷害。

六、12管電動(dòng)車(chē)控制器改24管的方法及技巧

故障現象：一輛“三安”牌低速電動(dòng)汽車(chē)下坡時(shí)，駕駛人誤斷開(kāi)了控制總電源的空氣開(kāi)關(guān)，致使無(wú)刷直流電動(dòng)機由于超速而產(chǎn)生的反電動(dòng)勢不能被電池吸收，控制器超壓后損壞。

分析與檢修：打開(kāi)控制器察看，發(fā)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(wú)法工作，說(shuō)明故障未根除。該車(chē)配備4只山東“路娃”牌12V-170型（100AH）鉛酸蓄電池。電動(dòng)機額定功率1000W，配備的控制器為徐州開(kāi)元電子科技有限公司產(chǎn)品?？刂破鲀扔?4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(chē)功能。筆者手頭有一些每只10～15元的拆車(chē)控制器，如果能利用，則會(huì )降低維修成本。比較了一下，普通電動(dòng)三輪車(chē)上控制器的電壓、相位角、倒車(chē)和四輪車(chē)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(wèn)題。兩只500W電動(dòng)車(chē)控制器直接并聯(lián)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(huì )爆管。

第一，將兩只控制器合成一只，信號及推動(dòng)部分電路只能用一個(gè)，末極功率MOS管并聯(lián)使用。為避免爆管，并聯(lián)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(xiàn)。要做到結合牢固、焊接簡(jiǎn)單、不用引線(xiàn)、工作可靠，只有一個(gè)辦法，那就是并聯(lián)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(shí)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(lái)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(lái)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(lái)減小電阻，若改制時(shí)用毫歐表測量會(huì )更準確。

第三，控制器電路板上的電源正、負供電銅箔線(xiàn)要用焊錫堆錫法適當加粗。該板上的兩個(gè)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(kāi)口后，一正、一反安裝，見(jiàn)圖2。實(shí)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(huì )省時(shí)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(guò)加設風(fēng)扇或換大鋁質(zhì)外殼來(lái)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(huì )更好。

裝好的電動(dòng)車(chē)控制器模擬試車(chē)沒(méi)有發(fā)現任何問(wèn)題，路試的結果也令人滿(mǎn)意，說(shuō)明改制思路可行。用霍爾庫侖計觀(guān)察行車(chē)電流：平路上最大電流為28A左右，急加速和爬坡時(shí)電流為55A，下坡滑行時(shí)電動(dòng)機向蓄電池反充電電流最大為22A。在12℃氣溫下，連續行車(chē)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(shuō)明改制效果較好。為了行車(chē)無(wú)后顧之憂(yōu)，有些車(chē)友帶一只備用控制器是有道理的，因為電動(dòng)車(chē)蓄電池在壽命期以?xún)韧蝗粨p壞的可能性很小，在不超載的情況下電動(dòng)機也不易損壞，并且低速電動(dòng)汽車(chē)沒(méi)空擋，控制器損壞后推車(chē)電磁阻力大，要拖車(chē)前還要斷開(kāi)電動(dòng)機的三根相線(xiàn)，所以控制器壞了很麻煩。

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