电动车控制器设计方案-12管电动车控制器改24管的方法技巧-KIA MOS管
电动车控制器是电动车整车中的核心部分，其技术性能的优劣直接影响电动车的正常使用。目前电动车用有刷无刷控制器普遍采用PWM方式，控制器内部必须具有PWM发生器电路，另外还有电源电路、功率器件、功率器件驱动电路、控制部件（转把、制动把、电动机霍尔元件等）信号的采集与处理电路、过电流与欠电压等保护电路。
普通有刷控制器内部结构框图如下图所示。电源电路为控制器内部电子元器件提供工作电压；PWM芯片根据转把的输入电压输出相应脉冲宽度的方波给MOS管驱动电路；MOS管驱动电路将PWM信号整形提供给MOS管；MOS管为大功率开关管，其导通时间与关闭时间，受导通信号与PWM信号和成的混合信号控制；欠电压保护电路是当蓄电池电压降低到控制器设定值以下时，PWM芯片停止了PWM信号输出，以保护蓄电池不至于在低电压情况下放电；限电流保护（或过电流保护）电路是对控制器输出的最大电流进行限制，以保护蓄电池、控制器、电动机等不会出现允许范围以上的大电流。
无刷电动机控制器接线有多有少，一般有以下几条（线的颜色根据常用类型总结，不能代表所有线的颜色都一样）：电源线两条（红色线、黑色线）、转把线三条（红色线、蓝色线、黑色线）、制动断电线两条（黄色线、黑色线）、电子制动线两条（灰色线、黑色线）、电动机线两条（绿色线、蓝色线）、霍尔输入线四条（蓝色线、绿色线、红色线、黑色线）、倒车线一条（黄色线）、助力信号线三条（红色线、绿色线、黑色线）。
有刷电动机控制接线一般有以下几条：电源线两条、转把线三条、电动机线两条、制动断电线两条、限速线两条等。
在电动车控制器中广泛应用，方波驱动最大的缺点在于换相时的电流突变引起的转矩脉动，导致噪声较大，但好的控制策略可以大大改善换相噪声。电动车控制器设计的难点在于电流控制，本文就电动车控制器设计的一些关键地方加以描述。
1.概述
电动自行车上使用的电机普遍采用永磁直流电机。所谓永磁电机，是指电机线圈采用永磁体激磁，不采用线圈激磁的方式。这样就省去了激磁线圈工作时消耗的电能，提高了电机机电转换效率，这对使用车载有限能源的电动车来讲，可以降低行驶电流，延长续行里程。
永磁直流电机按照电机的通电形式来分，可分为有刷电机和无刷电机两大类，有刷电机由于采用机械换相装置导致可靠性和寿命降低，因此逐渐退出电动车市场。
无刷电机又可分为有传感器和无传感器两类，对于无位置传感器的无刷电机，必须要先将车用脚蹬起来，等电机具有一定的旋转速度以后，控制器才能识别到无刷电机的相位，然后控制器才能对电机供电。由于无位置传感器无刷电机不能实现零速度启动，所以现在生产的电动车上用得较少。目前电动车行业内使用的无刷电机，普遍采用有位置传感器无刷电机。
有位置传感器永磁直流无刷电机按照内部传感器的安装位置不同，又可分为60度电机和120度电机。在120°的霍尔信号中，不可能出现二进制000和111的编码，所以在一定程度上避免了因霍尔零件故障而导致的误操作。因为霍尔组件是开漏输出，高电平依靠电路上的上拉电阻提供，一旦霍尔零件断电，霍尔信号输出就是111.一旦霍尔零件短路，霍尔信号输出就是000，而60°的霍尔信号在正常工作时这两种信号均会出现，所以一定程度上影响了软件判断故障的准确率。因此目前市面马达已经逐渐舍弃60°相位的霍尔排列。
2.1.主回路电路
图中ABC表示电机的3相绕组，采用星形接法，V1~V6表示功率场效应管，如果将V1~V6用如下的时序波形驱动，则3相绕组会按照AB-AC-BC-BA-CA-CB顺序通电（AB表示电流由A相流向B相），产生一个旋转的磁场，牵引外转子（永磁体）旋转。
导通顺序
*安全性要求：1.限流驱动2.过流保护3.堵转保护4.电池欠压保护5.降低温升6.附加功能（防盗锁死，温升限制等）
7.附加故障检测功能从上面的要求来看，功能性要求和安全性要求的前三项用专用控制芯片用加上适当的外围电路均不难解决，代表芯片是摩托罗拉的MC33035，早期的控制器方案均用该集成块解决。但后来随着竞争加剧，很多厂商都增加了不少附加功能，一些附加功能用硬件来实现就比较困难，所以使用单片机来做控制的控制器迅速取代了纯硬件的专用控制芯片。
但是硬件控制和软件控制有很大的区别，硬件控制的反应速度仅仅受限于逻辑门的开关速度，而软件的运行则需要指令执行时间。要使软件跟得上电机控制的需求，就必须要求软件在最短的时间内能够正确处理换相，电流限制等各种复杂动作，这就涉及到一个对外部信号的采样频率，采样时机，信号的内部处理判断及处理结果的输出，还有一些抗干扰措施等，这些都是软件设计中需要仔细考虑的东西。
在本方案中，我们采用了一颗集成PWM发生器的8位单片机SH79F081，采用优化的单机器周期8051内核，内置16kFlash存储器，兼容传统8051所有硬件资源，采用JTAG仿真方式，内置16.6MHz振荡器，同时扩展了如下功能：*双DPTR指针。16位x8乘法器和16位/8除法器。
*3通道带死区控制PWM，6路输出，输出极性可设，提供周期溢出功能*集成故障检测功能，可瞬时关闭PWM输出。
*提供硬件抗干扰措施。
*集成高速10bitADC.*提供Flash自编程功能，可以模拟用做EEROM，方便存储参数。
这颗IC由于CPU运行速度和AD采样速度都很快，PWM功能强大，硬件抗干扰功能多，非常适合作电动车控制器。
4.软件实现
下面我们挑选对控制器性能和安全比较重要的功能来讨论编程中应该注意的问题。
4.1.减小换相噪声
上文已提过，无刷直流电动机方波驱动最大的缺点是换相时电流不能持续，导致有转矩脉动，因此衡量控制器好坏很大程度上是取决于换相是否能做好。
在电动车刚刚起步的时候我们会发现换相时电机会发出很大的突突声，这是由于电机起步时电流比较大，而电机是个感性负载，换相后由于电机线圈电流不会一下增大到换相前的水平，这样就造成换相前后电流反差非常大，从而导致牵引力的急剧变化，这种变化便会引起电机强烈振动，这种振动噪声不能完全消除，但可以采取一些措施减小噪声方法1：在换相后的一段时间使PWM脉冲占空比达到100%来使电流增长快一点，从而减轻振动噪声。需要提醒的是在这个过程中我们需要随时监测电流变化，电流一达到换相前的水平就可以恢复换相前的PWM占空比。
方法2：延迟关闭换相MOS管，方波驱动直流无刷电机是6步驱动，定子励磁每隔60度电角度跳跃一次，保证定子磁动势方向和转子磁动势方向夹角在60°到120°之间运行，因为夹角在90°时转动力矩最大，夹角为0°或180°时没有转矩，现假设电机正转，AB导通要切换到AC导通，此时AB绕组通电产生的定子磁势和转子磁势夹角为60°，如果正常切换到AC导通，则AC绕组通电后，定子磁势和转子磁势夹角变为120°，由于切换到AC通电后电流要从0开始爬升，因此此时定子磁势幅值很小，导致转矩降低，但如果此时不关闭B，同时将下桥C打开，则定子磁势和转子磁势的夹角变为90°，而且由于AB相电流基本没有变化，而C相电流还很小，因此换相前后转矩变化很小，但要注意，等C相电流爬升后要将B相关闭，否则3相导通的合成力矩比2相导通力矩大，也会发生转矩波动。
4.2.电子刹车：
电子刹车其实是将电动机当做发电机机运行，因此会产生电磁制动转矩，检测到电子刹车信号后，cpu将上三路PWM关闭，将下三路同时打开，占空比设为某一固定值，这样，电机相当于工作在发电机状态，给蓄电池充电，充电电流和下三路占空比有关，占空比越大，则充电电流越大，剎车制动能力越强，由于目前电动车上装配的电子剎车都是开关信号，使用者无法调整剎车力矩，完全由控制器决定，不过由电动机的特性，即使占空比固定，电子剎车时转速越高，发电机感生电压越高，回馈充电能力越强，剎车力矩越大，当然，最好是装配线性剎车传感器，使用者会更方便。
4.3.恒流驱动
电流信号经康铜丝采样之后分两路，一路送至放大器，一路送至比较器。放大器用来实时放大电流信号，放大倍数大约6.5倍，放大后的信号提供给单片机进行AD采样转换，转换所得数字用来控制电流不超过我们所允许的值。另一路信号送至比较器，当电流突然由于某种原因大大超过允许值，比如一只MOSFET击穿或误导通时，比较器翻转送出低电平，送给79F081的FLT引脚，无需单片机执行程序，IC硬件会自动关闭PWM输出，从而保护MOSFET避免更大伤害。
故障现象：一辆“三安”牌低速电动汽车下坡时，驾驶人误断开了控制总电源的空气开关，致使无刷直流电动机由于超速而产生的反电动势不能被电池吸收，控制器超压后损坏。
分析与检修：打开控制器察看，发现有8只功率MOS管爆裂，一只贴片三极管8550击穿。更换损坏的元件后仍无法工作，说明故障未根除。该车配备4只山东“路娃”牌12V-170型（100AH）铅酸蓄电池。电动机额定功率1000W，配备的控制器为徐州开元电子科技有限公司产品。控制器内有24只TO-220封装的功率MOS管，工作电压为48V，限制电流为59A，相位角为120o，有倒车功能。笔者手头有一些每只10～15元的拆车控制器，如果能利用，则会降低维修成本。比较了一下，普通电动三轮车上控制器的电压、相位角、倒车和四轮车相同，只是使用了12只MOS管，限制电流为28A，额定功率为500W。如果将12管改成24管，电流翻倍，功率自然不成问题。两只500W电动车控制器直接并联成1000W是行不通的，因为不能保证两只控制器完全同步，必然会爆管。
第一，将两只控制器合成一只，信号及推动部分电路只能用一个，末极功率MOS管并联使用。为避免爆管，并联上去的功率MOS管与原管子参数相同或接近，管脚离电源滤波电容越近越好，并且最好不使用引线。要做到结合牢固、焊接简单、不用引线、工作可靠，只有一个办法，那就是并联上去的12只MOS管焊在控制器电路板原12只MOS管的反面，由于正、反各12只MOS管封装相同、间距相同，这就实现了栅极、漏极、源极的一一对应焊接。
第二，将取样电阻的限流值扩大为原来的2倍，该控制器电路板上的电流取样电阻用的是康铜丝，很容易辨别，如图1所示。原来是2根，现在要再并接2根，让取样电阻的阻值减小一半。当然，也可以在原康铜丝上面加锡来减小电阻，若改制时用毫欧表测量会更准确。
第三，控制器电路板上的电源正、负供电铜箔线要用焊锡堆锡法适当加粗。该板上的两个1000μF/63V滤波电容安装位只装了一只，正好再安装一只，加强滤波功能。正、反安装的MOS管散热片不在同一平面上，两只控制器铝散热外壳要用角磨机切割开口后，一正、一反安装，见图2。实际上，受控制器体积的限制，即使24只MOS管装在同一平面也装不下，电路连接也困难。两只控制器组合，另一只控制器的电路板上只要MOS管和散热铝排。若手头有封装相同而电流更大的MOS管，比如用IRF3077（75V/210A）或IRF3077（75V/180A）等代替75NF75（75V /75A）就会省时省力，可以不增加管子的数量。
【注意】若小功率控制器散热不够，可通过加设风扇或换大铝质外壳来提高散热能力。当然，既增加管子的数量，又加大管子的参数效果会更好。
装好的电动车控制器模拟试车没有发现任何问题，路试的结果也令人满意，说明改制思路可行。用霍尔库仑计观察行车电流：平路上最大电流为28A左右，急加速和爬坡时电流为55A，下坡滑行时电动机向蓄电池反充电电流最大为22A。在12℃气温下，连续行车在山区、丘陵、平原公路共50公里，手摸控制器外壳还是冷冷的，说明改制效果较好。为了行车无后顾之忧，有些车友带一只备用控制器是有道理的，因为电动车蓄电池在寿命期以内突然损坏的可能性很小，在不超载的情况下电动机也不易损坏，并且低速电动汽车没空挡，控制器损坏后推车电磁阻力大，要拖车前还要断开电动机的三根相线，所以控制器坏了很麻烦。