專利名稱：數(shù)字智能電動車輛控制方法及控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電動車輛控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字智能電動車輛的控制方法及控制器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的電動車輛，如電動自行車，都具有一套對電動機(jī)的工作狀況進(jìn)行控制的控制器，該控制器是根據(jù)騎行者的人為操作指令而控制電動機(jī)的工作。而騎行者發(fā)出各種指令的依據(jù)是對騎行狀況的感覺和經(jīng)驗判斷，如在輕載荷、重載荷狀態(tài)、爬坡等不同行駛狀態(tài)下，由于人不可能準(zhǔn)確地感覺電動車輛在各種復(fù)雜工況下的速度、負(fù)載變化情況，更不能準(zhǔn)確地得到在這些狀態(tài)下電動機(jī)所需提供的最有效動力，因此，這種人為的操作控制往往是不準(zhǔn)確，有時甚至是錯誤的，會給電動機(jī)帶來不必要的損壞，這是造成現(xiàn)有電動自行車電動機(jī)返修率高的主要原因，同時也造成蓄電池大電流深度、過度放電，縮短電動機(jī)和蓄電池使用壽命，例如在上坡、逆風(fēng)時人們往往希望速度不下降而增大輸入電壓，但是由于上坡時電流隨著負(fù)載增加不斷增大，就會超過電動機(jī)的額定功率，造成電動機(jī)堵轉(zhuǎn)發(fā)熱甚至燒毀，另外持續(xù)大電流放電對鉛酸電池?fù)p害也比較大，造成其使用壽命的縮短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有電動車輛控制存在的缺陷，提供一種數(shù)字智能電動車輛控制方法及控制器，通過獲取傳感器從電動自行車傳動終端直接檢測到的轉(zhuǎn)速信號和負(fù)載信號，由控制電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)行處理，準(zhǔn)確適時地將所需的電量輸送給電動機(jī)，控制電動機(jī)始終處于高效的工作狀態(tài)，電池始終處于最佳的放電狀態(tài)，延長電池的使用壽命，增加電動車輛的續(xù)行距離和爬坡能力，自動排除人為誤操作、控制不準(zhǔn)確和其他非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)帶來的不必要的電量損失，達(dá)到高效節(jié)能、智能驅(qū)動的效果。
本發(fā)明采用的控制方法如下首先，通過速度傳感器和負(fù)載傳感器在電動車輛傳動機(jī)構(gòu)中某一部位或終端檢測獲得瞬時速度信號和負(fù)載信號等車輛運(yùn)行工況信息數(shù)據(jù)；當(dāng)速度達(dá)到允許啟動速度時，單片機(jī)輸出一個控制信號給PWM調(diào)壓調(diào)制器，使其控制電動機(jī)開始工作；同時，手柄調(diào)速信號和負(fù)載信號通過控制選擇開關(guān)選擇控制方式，經(jīng)過限速處理后輸入PWM調(diào)壓調(diào)制器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速；其中控制選擇有兩種狀態(tài)一是手動調(diào)速控制狀態(tài)，騎行者隨意控制行駛速度；二是智能控制狀態(tài)，由事先測定的負(fù)荷曲線模型自動控制行駛速度，當(dāng)負(fù)載傳感器信號輸出為零，采用人工控制速度方式，當(dāng)負(fù)載傳感器信號輸出不為零，打開一個電子開關(guān)屏蔽手柄速度輸入，智能優(yōu)先控制行駛速度，采用單片機(jī)智能控制速度方式。
為實現(xiàn)上述控制方法，本發(fā)明設(shè)計了數(shù)字智能電動車輛控制器。它保留傳統(tǒng)電動車輛控制器的手柄調(diào)速電路、剎車控制電路、單片機(jī)、PWM調(diào)壓調(diào)制器、電池和電動機(jī)，增加了速度傳感器、負(fù)載傳感器、控制選擇開關(guān)和比較器。其中速度傳感器的輸出接到單片機(jī)的通用I/O口，單片機(jī)的通用I/O口輸出允許啟動電動機(jī)信號和限速信號，允許啟動電動機(jī)信號和剎車控制電路的輸出信號接入PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器I的反相輸入端。手柄調(diào)速電路的輸出信號和負(fù)載傳感器的輸出接入選擇控制開關(guān)，其輸出與限速信號并聯(lián)后，經(jīng)比較器處理后接到PWM調(diào)壓調(diào)制器的間歇期調(diào)整電路的輸入端。PWM調(diào)壓調(diào)制器的輸出端接場效應(yīng)管，場效應(yīng)管和電池、電動機(jī)接成閉合回路。若控制選擇開關(guān)閉合，則負(fù)載傳感器輸出接地，此時為人工控制速度方式；若控制選擇開關(guān)斷開，當(dāng)負(fù)載傳感器輸出為零，則智能控制優(yōu)先的電子開關(guān)斷開，此時為人工控制速度方式，當(dāng)負(fù)載傳感器輸出不為零，則電子開關(guān)打開，使手柄調(diào)速信號接地，此時智能控制優(yōu)先，為智能控制速度方式。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在原控制電路中增加了速度傳感器、負(fù)載傳感器，通過它們實現(xiàn)從電動車輛傳動終端或中間的任意位置直接檢測準(zhǔn)確的、真實的轉(zhuǎn)速信號和負(fù)載信號，由控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)行處理，準(zhǔn)確適時地將所需的電量輸送給電動機(jī)，通過脈寬調(diào)制，同步控制電動機(jī)輸出功率，避免上坡等大負(fù)載工況時電動機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行和堵轉(zhuǎn)的發(fā)生，控制電動機(jī)始終處于高效的工作狀態(tài)，電池始終處于最佳的放電狀態(tài)，延長電池的使用壽命，增加車輛的續(xù)行距離和爬坡能力，自動排除人為誤操作、控制不準(zhǔn)確和其他非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)帶來的不必要的電量損失。同時通過設(shè)置一個選擇控制開關(guān)，讓使用者選擇系統(tǒng)自動調(diào)速或是人為通過手柄調(diào)速器調(diào)速，從而使系統(tǒng)具有手動和自動兩種狀態(tài)。由于控制方式的增加，增加一個輸入選擇控制器件即比較器，以判斷手柄信號和負(fù)載傳感器信號那一個作為自控系統(tǒng)的輸入，并且當(dāng)速度達(dá)到二十公里/時的時候保持速度不再增加，因此是車輛具有人為控制、智能控制、人力騎行智能補(bǔ)償?shù)热N控制功能和使用方式，智能傳感和人為調(diào)速可更替使用，比全電動自行車可增加40％的續(xù)行里程，安全性更好、達(dá)到高效節(jié)能、智能驅(qū)動的效果。


圖1是本發(fā)明的總控制電路框圖；圖2是本發(fā)明的電路圖。
具體實施例方式
參見圖1，本數(shù)字智能電動車輛控制器用于電動自行車上，由速度傳感器、負(fù)載傳感器、手柄調(diào)速電路、剎車控制電路、單片機(jī)、PWM調(diào)壓調(diào)制器、欠壓保護(hù)電路和過流保護(hù)電路、控制選擇開關(guān)、比較器、電池和電動機(jī)組成。速度傳感器的輸出接到單片機(jī)的通用I/O口，單片機(jī)的通用I/O口輸出允許啟動電動機(jī)信號和限速信號，允許啟動電動機(jī)信號和剎車控制信號接入PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器I的反相輸入端。手柄調(diào)速信號和負(fù)載傳感器的輸出及限速信號并聯(lián)后，經(jīng)比較器處理后接到PWM調(diào)壓調(diào)制器的間歇期調(diào)整電路的輸入端。PWM調(diào)壓調(diào)制器的輸出端接場效應(yīng)管，然后經(jīng)電池接入電動機(jī)。欠壓保護(hù)電路和過流保護(hù)電路對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)，它們的輸出并聯(lián)接入PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器II同相輸入端。電動機(jī)的反饋電勢檢測信號接入PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器I的同相輸入端。速度功能選擇開關(guān)接到負(fù)載傳感器的輸出端，當(dāng)有負(fù)載時斷開手柄調(diào)速的電子開關(guān)接到手柄調(diào)速的輸出端。電動機(jī)的反饋電勢檢測信號接入PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器I的同相輸入端。電動機(jī)的欠壓保護(hù)電路和過流保護(hù)電路，它們的輸出并聯(lián)接入PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器II同相輸入端。
本控制器中的PWM調(diào)壓調(diào)制器采用TL494，包括基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個誤差放大電路、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路。
以下結(jié)合圖2具體說明本控制器的工作情況本控制器由安裝在電動車輛傳動機(jī)構(gòu)終端(如自行車的后輪軸)的速度傳感器和負(fù)載傳感器將實時的速度信號和負(fù)載信號以電壓的形式輸入控制器。速度傳感器為開關(guān)型霍爾傳感器，是在非磁材料的圓盤邊緣均勻粘貼四塊磁鋼，將圓盤固定在被測轉(zhuǎn)軸即自行車后輪軸上。開關(guān)型霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近，圓盤每旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器便輸出四個脈沖，用單片機(jī)處理這些脈沖，便可知道轉(zhuǎn)速。根據(jù)實際情況，已在單片機(jī)中預(yù)先設(shè)定了允許啟動電動機(jī)速度(5km/h)和限速速度(20km/h)，當(dāng)電動自行車的速度達(dá)到五公里以后，即單片機(jī)的腳P3.4記錄速度傳感器的輸入脈沖達(dá)到一定數(shù)量后，腳P1.7輸出一個高電平，打開三極管V1，使PWM調(diào)壓調(diào)速器的誤差放大器I的反相端輸入接地，使得PWM調(diào)壓調(diào)速器可以開始工作。當(dāng)電動自行車的速度達(dá)到二十公里時，單片機(jī)的腳P1.6輸出一個高電平，打開三極管V8，放掉電容C17的一部分電能，從而降低PWM調(diào)壓調(diào)速器的間歇期調(diào)理的輸入，控制電動自行車的速度不再提高。當(dāng)電動自行車的速度不足二十公里時，腳P1.6輸出低電平，負(fù)載(位移)傳感器和手柄調(diào)速器對電容C17充電，使得電容的電壓上升，從而提高PWM調(diào)壓調(diào)速器的間歇期調(diào)理的輸入，使得電動自行車的速度上升。
負(fù)載傳感器使用的是線性霍爾傳感器，是在非磁材料的圓盤邊緣上安裝磁環(huán)或者均勻分布十二塊磁鋼(旋轉(zhuǎn)起來以后，近似可以認(rèn)為是一個磁環(huán))，將圓盤固定在被測轉(zhuǎn)軸上。線性霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近，S極和N極分別安裝在圓盤的兩邊。當(dāng)霍爾傳感器距離磁鋼的距離不同時，S極和N極分別在0～2.5V、2.5～5V之間變化，將S極和N極的輸出信號接入運(yùn)算放大器進(jìn)行比較后，得到一個0～5V的信號，此信號與負(fù)載情況成正比，將其輸入到控制電路，由負(fù)載傳感器與手柄調(diào)速進(jìn)行比較以后，信號進(jìn)入到PWM調(diào)壓調(diào)速器間歇期調(diào)整電路的輸入端，其上加0～3.3V電壓時可使截止時間從2％線懷變化到100％，從而調(diào)整輸出脈沖的占空比，此脈沖驅(qū)動一個連接在主電路中的場效應(yīng)管，由于場效應(yīng)管的驅(qū)動脈沖的占空比的變化，導(dǎo)致加在電動機(jī)上的電壓不同，從而控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速。
手柄調(diào)速是人為控制速度的輸入端，負(fù)載傳感器是控制系統(tǒng)自動調(diào)速的輸入端。當(dāng)選擇控制開關(guān)閉合時，采用手動調(diào)速控制的方式，讓騎行者隨意控制行駛速度；當(dāng)控制選擇開關(guān)斷開時，考慮到限制電動機(jī)功率、防止堵轉(zhuǎn)、保護(hù)電池的問題，因此采用負(fù)載傳感器智能控制優(yōu)先的方式，由事先測定的參數(shù)自動控制行駛速度，在保護(hù)系統(tǒng)的前提下以盡可能高的速度運(yùn)行。若控制選擇開關(guān)閉合，則負(fù)載傳感器輸出接地，此時智能控制輸入信號為零，系統(tǒng)為人工控制速度方式；若控制選擇開關(guān)斷開，當(dāng)負(fù)載傳感器輸出為零，則智能控制優(yōu)先的電子開關(guān)斷開，此時為人工控制速度方式，當(dāng)負(fù)載傳感器輸出不為零，則打開電子開關(guān)使手柄調(diào)速信號接地，此時為智能控制速度方式，當(dāng)負(fù)載傳感器檢測電動自行車的負(fù)載超過一定值時，運(yùn)放N4B輸出一個高電平打開三極管V3，使得手柄調(diào)速器的輸入端接地，從而屏蔽手動速度輸入，PWM調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載傳感器的輸入工作，避免上坡等大負(fù)載工況時電動機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行和堵轉(zhuǎn)的發(fā)生。
剎車信號的接入是控制電動機(jī)的電源，當(dāng)騎行者捏剎車后，裝在剎車上的霍爾傳感器輸出一個控制信號給PWM調(diào)壓調(diào)制器，斷開電動機(jī)電源。
由于電動自行車的電源是直流蓄電池，為了增加蓄電池的壽命，控制系統(tǒng)加入了過流保護(hù)電路和欠壓保護(hù)電路，在電動機(jī)運(yùn)行的過程中，這兩個模塊實時監(jiān)控主電路電壓和電流，當(dāng)電壓低于31.5V或電流大于14A時，兩個模塊輸出控制信號關(guān)閉PWM調(diào)壓調(diào)制器。BTR是直流蓄電池的電壓輸入端，隨著使用過程中蓄電池電壓的降低，運(yùn)放N3B的輸出隨之升高。R43是過流保護(hù)的采樣電阻，當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載增大時，電流隨之增加，加在R43兩端的電壓也升高。欠壓保護(hù)和過流保護(hù)采取并聯(lián)的連接方式作為PWM調(diào)壓調(diào)速器的誤差放大器II的正相輸入，當(dāng)電壓過低或者電流過大時，PWM調(diào)壓調(diào)速器關(guān)閉，從而達(dá)到保護(hù)電動機(jī)的目的。
電動機(jī)的反饋電勢檢測信號接入PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器I的同相輸入端，PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器I的同相輸入端接入一個并有電子開關(guān)的模擬電壓，誤差放大器I作為脈寬調(diào)制比較器的輸入，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速較低即反饋電勢檢測信號小于模擬電壓時，用模擬輸入作為脈寬調(diào)制比較器輸入，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高即反饋電勢檢測信號高于模擬電壓時，用反饋電勢檢測信號作為脈寬調(diào)制比較器輸入。這樣做的目的是為了在低轉(zhuǎn)速時控制加在電動機(jī)兩端的電壓不要太高，從而使啟動電流較小。
權(quán)利要求
1.數(shù)字智能電動車輛控制方法，其特征在于首先，通過速度傳感器和負(fù)載傳感器在電動車輛傳動機(jī)構(gòu)中某一部位或終端檢測獲得瞬時速度信號和負(fù)載信號等車輛運(yùn)行工況信息數(shù)據(jù)；當(dāng)速度達(dá)到允許啟動速度時，單片機(jī)輸出一個控制信號給PWM調(diào)壓調(diào)制器，使其控制電動機(jī)開始工作；同時，手柄調(diào)速信號和負(fù)載信號通過控制選擇開關(guān)選擇控制方式，經(jīng)過限速處理后輸入PWM調(diào)壓調(diào)制器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速；其中控制選擇有兩種方式一是手動調(diào)速控制方式，騎行者隨意控制行駛速度；二是智能控制方式，由事先測定的負(fù)荷曲線模型自動控制行駛速度，當(dāng)負(fù)載傳感器信號輸出為零，采用人工控制速度方式，當(dāng)負(fù)載傳感器信號輸出不為零，打開一個電子開關(guān)屏蔽手柄速度輸入，智能優(yōu)先控制行駛速度，采用單片機(jī)智能控制速度方式。
2.數(shù)字智能電動車輛控制器，它包括手柄調(diào)速、剎車控制、單片機(jī)、PWM調(diào)壓調(diào)制器、電池和電動機(jī)，其特征在于還包括速度傳感器、負(fù)載傳感器、控制選擇開關(guān)和比較器；其中速度傳感器的輸出接到單片機(jī)的通用I/O口，單片機(jī)的通用I/O口輸出允許啟動電動機(jī)信號和限速信號；允許啟動電動機(jī)信號和剎車控制信號接入PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器I的反相輸入端；手柄調(diào)速電路的輸出信號和負(fù)載傳感器的輸出信號接入控制選擇開關(guān)，其輸出與限速信號并聯(lián)，經(jīng)比較器處理后接到PWM調(diào)壓調(diào)制器的間歇期調(diào)整電路的輸入端；PWM調(diào)壓調(diào)制器的輸出端接場效應(yīng)管，場效應(yīng)管和電池、電動機(jī)接成閉合回路；若控制選擇開關(guān)閉合，則負(fù)載傳感器輸出接地，此時為人工控制速度方式；若控制選擇開關(guān)斷開，當(dāng)負(fù)載傳感器輸出為零，則智能控制優(yōu)先的電子開關(guān)斷開，此時為人工控制速度方式，當(dāng)負(fù)載傳感器輸出不為零，則電子開關(guān)打開，使手柄調(diào)速信號接地，此時智能控制優(yōu)先，為智能控制速度方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字智能電動車輛控制器，其特征在于電動機(jī)的反饋電勢檢測信號接入PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器I的同相輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的數(shù)字智能電動車輛控制器，其特征在于電動機(jī)還具有欠壓保護(hù)電路和過流保護(hù)電路，它們的輸出并聯(lián)接入PWM調(diào)壓調(diào)制器的誤差放大器II同相輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的數(shù)字智能電動車輛控制器，其特征在于速度傳感器為開關(guān)型霍爾傳感器，安裝在電動車輛被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動部件的附近，感應(yīng)轉(zhuǎn)動部件的速度信號；負(fù)載傳感器為線形霍爾傳感器，固定在被測轉(zhuǎn)軸位移部件的附近，感應(yīng)隨負(fù)載狀況成比例移動的位移部件上的位移信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字智能電動車輛控制方法及控制器，通過獲取傳感器從電動自行車傳動中間任意位置或終端直接檢測到的瞬時轉(zhuǎn)速信號和負(fù)載信號，通過單片機(jī)、控制選擇開關(guān)、比較器、PWM調(diào)壓調(diào)制器等處理，準(zhǔn)確適時地將所需的電量輸送給電動機(jī)，控制電動機(jī)始終處于高效的工作狀態(tài)，電池始終處于最佳的放電狀態(tài)，延長電池的使用壽命，增加電動車輛的續(xù)行距離和爬坡能力，自動排除人為誤操作、控制不準(zhǔn)確和其他非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)帶來的不必要的電量損失，達(dá)到高效節(jié)能、智能驅(qū)動的效果。
文檔編號B60L15/00GK1626375SQ20031010402
公開日2005年6月15日 申請日期2003年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月14日
發(fā)明者薛榮生 申請人:西南師范大學(xué)