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電動車商情網(wǎng) 電動車商情網(wǎng) 俠名 電動車維修 2005-10-28
一、 引言 電動自行車以電力作動力,騎行中不產(chǎn)生污染,無損于空氣質(zhì)量。從改善人們的出行方式、保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件許可情況等因素綜合來看,電動自行車目前乃至今后都有著廣闊的發(fā)展空間。 電動自行車所用直流電機(jī)分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩種。其中有刷電機(jī)控制較簡單,但因其電刷易磨損的電刷帶來的維修保養(yǎng)工作量相對較大、使用壽命相對較短等缺點(diǎn)。而直流無刷電機(jī)因為本身沒有易磨損部件,電機(jī)壽命長,維修保養(yǎng)工作量小。但直流無刷電機(jī)采用電子換向原理工作,其控制過程比有刷電機(jī)復(fù)雜得多,因此對控制器質(zhì)量的要求也高得多。 電動自行車中影響質(zhì)量的最主要的部件是電機(jī)和控制器,當(dāng)電機(jī)確定后,控制器的質(zhì)量就決定了電動自行車的運(yùn)行好壞?刂破鞯馁|(zhì)量由其控制特性和可靠性兩方面決定?刂铺匦灾饕鸽姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、調(diào)速特性和負(fù)載能力。據(jù)我們的經(jīng)驗,運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性除與電機(jī)機(jī)械和裝配質(zhì)量有一定的關(guān)系外,還與控制器、電機(jī)間的匹配及采用的控制技術(shù)有密切的關(guān)系。而控制器的可靠性與采用的元器件、電路設(shè)計、裝配質(zhì)量等因素有關(guān),其中,尤以控制器所用的功率驅(qū)動管的負(fù)載能力最為重要。在騎行中,控制器的驅(qū)動管處于大電流的開關(guān)運(yùn)行過程,因此,從某種意義上講,驅(qū)動器的帶負(fù)載運(yùn)行能力是控制器最重要的技術(shù)指標(biāo)。 在我們設(shè)計電動自行車用直流無刷電機(jī)控制器時,為方便對控制器的質(zhì)量和負(fù)載運(yùn)行能力進(jìn)行測試,設(shè)計了本儀器。 二、 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn) 目前電動自行車采用的直流無刷電機(jī)都是三相電機(jī),電角度有60度和120度兩種。電機(jī)極數(shù)大部分為18極,也有16極、20極等?刂破鞲鶕(jù)霍爾反饋的電機(jī)電極位置,控制相應(yīng)的功率驅(qū)動管的開通或關(guān)斷,在定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 根據(jù)我們的經(jīng)驗,控制器損壞大多是功率驅(qū)動管損壞,由于驅(qū)動管損壞引起其他元器件損壞。因此,對控制器的考驗主要是對功率驅(qū)動管的負(fù)載能力的考驗。 電動自行車用電機(jī)功率大多在150W~180W之間,采用36V/24V電池供電。正常工作時,額定電流在4.5~5A(對36V電機(jī))(或?qū)?4V電機(jī),6.25~7.5A)。短時間工作電流可達(dá)8A(10A),當(dāng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動時,瞬間電流可達(dá)13~15A。目前,電動自行車用電池基本上為密封鉛酸蓄電池,電池的過充電和過放電均會縮短電池的壽命。大電流放電還會引起控制器功率驅(qū)動管溫度急劇上升,損壞驅(qū)動管,以致于損壞控制器。因此,使用中應(yīng)盡量避免這種情況出現(xiàn),控制器必須有這項保護(hù)功能?刂破髟O(shè)計應(yīng)確保工作在正常電流范圍內(nèi),允許有一定的過載能力和大電流自動保護(hù)功能,以保護(hù)電池和驅(qū)動功率器件。為了防止過放電,控制器要對供電電壓隨時進(jìn)行檢測,一旦低于閾值(一般為標(biāo)稱電壓的0,85),關(guān)閉控制器輸出。 根據(jù)上述討論,測試儀主要應(yīng)實(shí)現(xiàn)對控制器的負(fù)載運(yùn)行的考驗,以及對低電壓保護(hù)功能的測試。為此,要求測試儀: (1)能提供長時間足夠的輸出功率,為保證對控制器驅(qū)動管的考驗,應(yīng)能穩(wěn)定輸出10A以上的電流,并具備短時間輸出15A電流的能力。(2)應(yīng)能模擬電池電壓的變化,提供可變電壓輸出,對36V電機(jī)控制器而言,應(yīng)在30~38V之間可調(diào)。 (3)應(yīng)能模擬電機(jī)工作過程。在對控制器進(jìn)行考驗時,可不用電機(jī)。 (4)在控制器帶動電機(jī)工作時,應(yīng)能檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速。 三、 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 測試儀由大功率電源、可調(diào)電壓電源、模擬霍爾輸出信號發(fā)生器等三個主要部分,和電流、電壓、速度(Tempo)的顯示組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 220V交流電通過降壓、整流、濾波產(chǎn)生40V直流電壓的大功率電源,輸出電流8A,短時間最大電流不小于13A。本路電源可長時間提供300W以上的輸出功率和450W短時間輸出最大功率。此大功率電源用來考驗控制器的帶負(fù)載運(yùn)行。 可調(diào)電壓電源的輸出電壓可調(diào)范圍為30~38V,用于測試控制器對電池電壓檢測和控制器的電機(jī)驅(qū)動輸出關(guān)閉。電源輸出回路中加入電壓、電流模擬檢測表,隨時反饋電壓和電流值。測試儀面板上的電流表量程根據(jù)選用的不同電源設(shè)置而不同:選擇大功率輸出電源方式時,滿量程為15A;選擇可調(diào)電源方式時,滿量程為1A。 電動自行車騎行時,控制器功率驅(qū)動管處于開關(guān)工作狀態(tài)。行駛速度(Tempo)與電機(jī)換向頻率成正比。另外,電機(jī)電流控制采用脈寬調(diào)制(PWM)方式,不同的速度(Tempo),電機(jī)電流也不同。因此,在不同的速度(Tempo)和負(fù)載下,功率管上的功率損耗不同。為了反映控制器在不同速度(Tempo)下的工作,測試儀中提供了模擬電機(jī)霍爾輸出的脈沖發(fā)生器,通過面板開關(guān)設(shè)置,有4種頻率和60度、120度兩種相位輸出的輸出波形可供選擇,以模擬電機(jī)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)速度(Tempo)。電機(jī)繞組采用電阻負(fù)載模擬。通過調(diào)整負(fù)載電阻阻值來改變電流。通過頻率和負(fù)載電阻的組合,考驗控制器的負(fù)載工作能力。 在控制器帶動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時,本測量儀集成的速度(Tempo)檢測儀通過面板上的LCD顯示器顯示電機(jī)速度(Tempo)。 脈沖發(fā)生器和速度(Tempo)檢測及顯示均由單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。本測量儀選用美國ATMEL公司近年來推出的一種新型高性能低價位、低電壓功耗的8位CMOS單片機(jī)AT89C2051作最小微機(jī)系統(tǒng),省略了外接程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器,亦不用擴(kuò)充并行接口,直接用單片機(jī)芯片片內(nèi)資源和并行接口就可滿足設(shè)計要求。AT89C2051作為一種小型測控系統(tǒng)或便攜式智能儀器儀表的核心器件,性價比優(yōu)于MCS51系列。封裝為DIP20的芯片;內(nèi)部集成8位CPU和2K閃速存儲器;128字節(jié)的內(nèi)部RAM;15條可編程I/O線;2個16位定時器/計數(shù)器;采用靜態(tài)時鐘方式,節(jié)省電能;以8031核構(gòu)成,因此,與MCS51系列單片機(jī)兼容。 由于脈沖發(fā)生和速度(Tempo)檢測分別用在模擬電機(jī)工作和控制器帶動電機(jī)工作之時,測量儀通過面板上的開關(guān)來控制單片機(jī)發(fā)生脈沖或檢測速度(Tempo)。在被測車輪上置一磁鋼片,當(dāng)磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器前端時,系統(tǒng)電路將產(chǎn)生一脈沖信號,采集部分通過檢測脈沖得到的數(shù)據(jù),送入單片機(jī)后經(jīng)計算處理得到轉(zhuǎn)速,最后經(jīng)顯示電路在面板上實(shí)時顯示。顯示電路采用帶串口控制驅(qū)動器的LCD顯示板。 四、 軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 根據(jù)上述硬件結(jié)構(gòu),本系統(tǒng)的軟件主要完成脈沖發(fā)生和速度(Tempo)的檢測與顯示。主程序中的不斷掃描功能選擇輸入端以轉(zhuǎn)向相應(yīng)程序模塊。脈沖發(fā)生模塊在內(nèi)部定時器T0中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生60度或120度的三相波形;速度(Tempo)檢測模塊則用T0定時器中斷完成1s計時以刷新顯示,用T1中斷完成周期測量。通過設(shè)立標(biāo)志解決定時器沖突,即根據(jù)不同的標(biāo)志值轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。其中,速度(Tempo)檢測采用電子計數(shù)器測周法,其基本原理是由被測信號控制主門開門,用時標(biāo)脈沖計數(shù)。被測信號周期Tx=NTs,Ts為時標(biāo)脈沖周期,N為時間Tx內(nèi)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果。具體到本設(shè)計中,時標(biāo)脈沖即為定時器的溢出,通過計算相鄰兩次低脈沖間間隔的時間得到周期,進(jìn)而得到轉(zhuǎn)速。為減少測量誤差,采用多周期測量法,測量多個周期值求平均,雖然這樣做會使測量速度(Tempo)下降,但考慮到本測量儀的實(shí)際情況,仍然是值得的。圖2、圖3所示為主要程序流程圖。 五、 結(jié)束語 實(shí)際使用表明,本測試儀可模擬自行車電機(jī)的工作過程,滿足對電動自行車控制器的負(fù)載運(yùn)行考驗,對提高控制器的可靠性有較好的幫助。■ |
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