專利名稱：智能型電機(jī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制器，具體地說涉及一種智能型電機(jī)控制器。
背景技術(shù)：
目前市場中的電機(jī)控制器，例如應(yīng)用在電動車中的電機(jī)控制器，主要
是以TL494為核心的脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,簡稱PWM)器 件，來設(shè)計(jì)制作電機(jī)驅(qū)動與速度控制。上述設(shè)計(jì)對電機(jī)可以進(jìn)行有效控制， 性能穩(wěn)定。
然而，電子產(chǎn)品的電子元器件等都有一定的設(shè)計(jì)壽命，同時(shí)，某些器 件由于本身品質(zhì)因素和外部因素也可能導(dǎo)致?lián)p壞，這就使得電機(jī)控制器可 能出現(xiàn)失效，給電動車帶來了安全隱患。特別是作為兒童玩具，電動車產(chǎn) 品的使用安全尤為重要，應(yīng)當(dāng)確保電機(jī)控制器在任何失效模式下都不能出 現(xiàn)飛車(飛車指車子不受人為控制，電機(jī)不停地轉(zhuǎn)動)。
盡管在現(xiàn)有技術(shù)中，也存在一些對電機(jī)控制器進(jìn)行保護(hù)的措施。然而， 這些保護(hù)措施通常僅僅考慮了功率器件的影響，其保護(hù)措施并不完善，因 而不能完全消除電機(jī)控制器的安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種智能型電機(jī)控制 器，能夠全方面地對電機(jī)控制器進(jìn)行保護(hù)，使得電機(jī)控制器的使用更加安 全，性能更加可靠。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案 一種智能型電機(jī)控制器，用于對電機(jī)進(jìn)行控制，包括電源、微控制器、 加速器、功率場效應(yīng)管和繼電器，所述繼電器耦合在電源與電機(jī)之間，用 于對電機(jī)提供斷電保護(hù)；所述加速器與所述微控制器耦合，用于將外界控 制信號提供給所述微控制器；所述功率場效應(yīng)管耦合在電機(jī)和微控制器之 間，用于控制電機(jī)的運(yùn)行，還包括功率場效應(yīng)管失效保護(hù)電路、微控制器 失效保護(hù)電路、繼電器失效保護(hù)電路和加速器失效保護(hù)電路，所述功率場 效應(yīng)管失效保護(hù)電路、微控制器失效保護(hù)電路、繼電器失效保護(hù)電路和加
5速器失效保護(hù)電路均與微控制器耦合，分別用于對功率場效應(yīng)管、微控制 器、繼電器和加速器的失效提供保護(hù)。
所述功率場效應(yīng)管失效保護(hù)電路包括第IO三極管及第IO三極管驅(qū)動 電路，所述第IO三極管基極經(jīng)所述第IO三極管驅(qū)動電路耦合到所述微控
制器的脈寬調(diào)制輸出端，集電極耦合到所述繼電器，并根據(jù)微控制器的脈 寬調(diào)制輸出值相應(yīng)導(dǎo)通或者截止，控制所述繼電器吸合或斷開。
所述第io三極管驅(qū)動電路包括第一電容、第二電容、第一電阻、第二
電阻、第三電阻和第一二極管；所述第一電容一端連接到所述微控制器的 脈寬調(diào)制輸出端，另一端依次經(jīng)過所述第一電阻和第二電阻連接到所述第 10三極管基極，所述第一二極管反向連接在所述第一電容與第一電阻連接 點(diǎn)與所述第10三極管發(fā)射極之間，所述第三電阻和第二電容并聯(lián)連接在所 述第一電阻和第二電阻連接點(diǎn)與所述第10三極管發(fā)射極之間。
所述微控制器失效保護(hù)電路包括基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、電壓比較電路和 第9三極管，所述電壓比較電路的一輸入端與所述加速器的輸出耦合，另 一輸入端與所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路相連，輸出端耦合到所述第9三極管基 極，所述第9三極管集電極耦合到所述繼電器，所述電壓比較電路根據(jù)所 述加速器的輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的比較結(jié)果，驅(qū)動所述第9三極管導(dǎo)通或 者截止，控制所述繼電器吸合或斷開。
所述繼電器失效保護(hù)電路包括繼電器故障檢測電路，微控制器在所述 繼電器故障檢測電路檢測到繼電器發(fā)生觸點(diǎn)短路，停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制 信號。
所述加速器失效保護(hù)電路包括加速器輸出電壓檢測電路，微控制器在 所述加速器輸出電壓檢測電路檢測到加速器輸出電壓超出正常范圍，停止 輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
所述的智能型電機(jī)控制器，還包括電機(jī)啟動調(diào)節(jié)模塊，所述電機(jī)啟動 調(diào)節(jié)模塊控制電機(jī)在啟動時(shí)間的前時(shí)間段以第一啟動加速度啟動，在啟動 時(shí)間的后時(shí)間段以第二啟動加速度啟動，所述第一啟動加速度大于第二啟 動加速度。
所述的智能型電機(jī)控制器，還包括電流取樣電路，所述電流取樣電路 與微控制器耦合，所述電流取樣電路用于判定電機(jī)是否工作在堵轉(zhuǎn)模式、 第一過流模式或第二過流模式，所述微控制器在所述電流取樣電路檢測到電機(jī)工作在所述堵轉(zhuǎn)模式、第一過流模式或第二過流模式之一，停止輸出 電機(jī)運(yùn)行控制信號。
所述堵轉(zhuǎn)模式的條件為電機(jī)負(fù)載電流為恒流，微控制器在連續(xù)5秒
內(nèi)的脈寬調(diào)制輸出占空比為35%到75%之間；所述第一過流模式的條件 為電機(jī)負(fù)載電流為恒流，微控制器的脈寬調(diào)制輸出占空比在20%以下； 所述第二過流模式的條件為電機(jī)負(fù)載電流大于100A。
所述的智能型電機(jī)控制器，還包括功率場效應(yīng)管溫度保護(hù)電路，所述 功率場效應(yīng)管溫度保護(hù)電路與微控制器及功率場效應(yīng)管耦合，微控制器在 所述功率場效應(yīng)管溫度保護(hù)電路檢測到功率場效應(yīng)管過溫時(shí)，停止輸出電 機(jī)運(yùn)行控制信號。
所述的智能型電機(jī)控制器，還包括設(shè)置在電源與微控制器之間的電壓 檢測電路，微控制器在所述電壓檢測電路檢測到電源欠壓時(shí)，停止輸出電 機(jī)運(yùn)行控制信號。
所述的智能型電機(jī)控制器，還包括設(shè)置在電機(jī)與微控制器之間的反轉(zhuǎn) 與飛車檢測電路，微控制器在所述反轉(zhuǎn)與飛車檢測電路檢測到電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)， 停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
所述的智能型電機(jī)控制器，還包括充電檢測電路，微控制器在所述充 電檢測電路檢測到電機(jī)充電時(shí)，停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
所述的智能型電機(jī)控制器，還包括剎車檢測電路，微控制器在所述剎 車檢測電路檢測到剎車時(shí)，停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
所述的智能型電機(jī)控制器，還包括睡眠控制模塊，用于控制所述控制 器處于開機(jī)狀態(tài)下，在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)無操作時(shí)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
所述的智能型電機(jī)控制器，還包括最大速度選擇電路，用于設(shè)定電機(jī) 最大輸出。
所述的智能型電機(jī)控制器，還包括狀態(tài)指示電路，所述狀態(tài)指示電路
具有8種指示狀態(tài)，分別對正常工作、欠壓保護(hù)、堵轉(zhuǎn)狀態(tài)、失效保護(hù)狀 態(tài)、溫度保護(hù)、加速器保護(hù)、剎車、過流狀態(tài)進(jìn)行指示。
所述的智能型電機(jī)控制器，控制器的外露線為低阻抗線路，控制器內(nèi) 部為膠密封。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不僅考慮了功率器件的失效保護(hù)，同時(shí)還全面考慮了微控制器、繼電器和加速器的失效保護(hù)，基本消除了電機(jī)控制器 的安全隱患，使得電機(jī)控制器使用更加安全，性能更加可靠。
進(jìn)一步的，本發(fā)明采用電機(jī)啟動調(diào)節(jié)模塊來對電機(jī)啟動進(jìn)行調(diào)節(jié)，使 得電機(jī)以先快后慢的速度進(jìn)行啟動，從而使得電機(jī)啟動平滑快捷，降低了 電機(jī)控制器發(fā)生失效的機(jī)率。
本發(fā)明還通過電流采樣電路的檢測實(shí)現(xiàn)了堵轉(zhuǎn)和過流的保護(hù)，進(jìn)一步 保護(hù)了電機(jī)和控制器，使得使用更加安全。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的原理框圖； 圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的電路原理圖； 圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中的失效保護(hù)關(guān)系示意圖； 圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中的微控制器的脈沖輸出方式的失效保護(hù) 電路圖5是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中的電路啟動調(diào)節(jié)模塊工作原理圖6是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中的堵轉(zhuǎn)和過流模式控制的示意圖7是加速器電壓與輸出占空比在不同檔位下的輸出關(guān)系圖8是本發(fā)明具體實(shí)施方式
中的一種狀態(tài)指示下的微控制器輸出波形圖。
具體實(shí)施例方式
下面對照附圖結(jié)合具體實(shí)施方式
，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 參見圖1、圖2和圖3，本發(fā)明具體實(shí)施方式
的電路控制器，其防飛
車的失效保護(hù)設(shè)計(jì)主要從四個方面進(jìn)行，這四個方面的設(shè)計(jì)共同點(diǎn)都是以
控制器出現(xiàn)失效時(shí)，切斷電機(jī)電源來進(jìn)行保護(hù)。 1、功率器件失效保護(hù)
功率器件失效保護(hù)，即對功率場效應(yīng)管的失效保護(hù)，主要指功率場效 應(yīng)管D—S極之間的短路損壞。從圖2可知，圖中功率場效應(yīng)管Q7， Q8 串聯(lián)電機(jī)負(fù)極，控制電機(jī)兩端的電壓，來改變電機(jī)的運(yùn)行速度。當(dāng)功率場 效應(yīng)管的D—S極短路時(shí)，等同于將電機(jī)MO1的負(fù)極直接接到電源的負(fù)極， 只要繼電器Kl接通，電源就供電給電機(jī)的正極，此時(shí)電機(jī)將以最大速度 運(yùn)轉(zhuǎn)，從而出現(xiàn)飛車。為了防止此種情況的出現(xiàn)，必須有裝置能識別功率場效應(yīng)管的D—S短路，然后繼電器Kl斷開、來達(dá)到切斷電機(jī)電源的目的。 微控制器(Micro Controller Unit,簡稱MCU)接通電源進(jìn)入自動檢測， 主要檢測MCU的17PIN電壓是否高于0.5V。如果高于0.5V表示功率器 件正常。如果低于0.5V表示功率場效應(yīng)管的D—S極損壞。MCU判斷功 率器件損壞后，扭動加速器，使得MCU 15PIN輸出0電平，從而進(jìn)入功 率器件失效保護(hù)。
具體的失效保護(hù)工作過程為(1表示高電平、0表示低電平)+5—R12 一D7—Q7、 Q8 D極一Q5、 Q6負(fù)極一R15—R47—判斷MCU 17PIN是否 大于0.5V—大于0.5V—扭動加速器一MCU 15PIN輸出為1一R31—Q10導(dǎo) 通一繼電器吸合一電機(jī)正端接電源一電機(jī)根據(jù)PWM進(jìn)行轉(zhuǎn)動(MCU 16PINPWM輸出)。
+5—R12—D7—Q7、 Q8D極一Q5、 Q6負(fù)極一R15—R47—判斷MCU 17PIN是否大于0.5V—小于0.5V—扭動加速器一MCU 15PIN輸出為0— R31—Q10截止一繼電器不吸合一電機(jī)正端不能接電源一電機(jī)無供電電壓 不轉(zhuǎn)動(MCU 16PINPWM無輸出)。
由上述過程可以看到，功率器件的失效保護(hù)主要就是通過檢測功率器 件是否產(chǎn)生失效，然后由MCU控制第10三極管Q10的導(dǎo)通或者截止，進(jìn) 而控制繼電器繼電器的吸合與否，以控制電機(jī)M01的運(yùn)行。
2、微控制器失效保護(hù)(各I/OPIN輸出為1)
由于某種原因或進(jìn)行破壞性測試導(dǎo)致MCU損壞，此時(shí)MCU的每個 PIN都輸出為1，這時(shí)電機(jī)應(yīng)不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)MCU外部電路都正常的情況下 出現(xiàn)此種情況，MCU的15PIN與16PIN都輸出為1，此時(shí)電機(jī)是以最快的 速度轉(zhuǎn)動。為了防止這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，在MCU損壞或者M(jìn)CU 17PIN狀態(tài) 異常的情況下，可以修改第10三極管Q10的控制方式，采用MCU脈沖輸 出(指MCU15PIN產(chǎn)生一個10K左右的脈沖信號)通過隔直網(wǎng)絡(luò)來防止 MCU的失效動作。如圖4所示，將第10三極管Q10改為由第一電容、第 二電容、第一電阻、第二電阻、第三電阻和第一二極管組成的網(wǎng)絡(luò)，從而 將MCU輸出修改為脈沖輸出。其中，第一電容一端連接到MCU的PWM 輸出端，另一端依次經(jīng)過第一電阻和第二電阻連接到第10三極管Q10基 極，第一二極管反向連接在第一電容與第一電阻連接點(diǎn)與第10三極管Q10 發(fā)射極之間，即第一二極管的陰極連接于第一電容與第一電阻的連接點(diǎn)， 陽極連接于第10三極管Q10的發(fā)射極；第三電阻和第二電容并聯(lián)連接在 第一電阻和第二電阻連接點(diǎn)與第10三極管Q10發(fā)射極之間；其中，第二電容采用電解電容，其正極連接在第一電阻和第二電阻的連接點(diǎn)，負(fù)極連 接在第10三極管Q10的發(fā)射極。
同時(shí)，還可以利用加速器手柄扭動的電壓來控制繼電器K1的接通與
斷開，達(dá)到自動切斷電機(jī)電源的目的。加速器采用霍爾加速器，通常加速
器為三線制或四線制加速器。三線制是+5V、 ADJ、 GND三線，四線制則 是在三線制的基礎(chǔ)上增了電量指示線?；魻柤铀倨鞯奶匦允枪╇?V電 壓，ADJ腳會根據(jù)加速器手柄扭動而改變輸出電壓。不管控制器處于何種 狀態(tài)，只要加速器手柄回到零的位置，也就是不扭動加速器的位置，繼電 器Kl必須保持?jǐn)嚅_，不供電給電機(jī)，從而確保控制器不能出現(xiàn)飛車。下 面對該工作過程進(jìn)行說明
加速器手柄正常情況下不扭動的電壓為0.7-0.9V，判斷加速器手柄 扭動與不扭動可以根據(jù)此點(diǎn)電壓進(jìn)行判斷。本發(fā)明利用運(yùn)算放大器U5組 成一個電壓比較電路去控制第9三極管Q9的導(dǎo)通與截止達(dá)到繼電器Kl 斷開與吸合的目的。運(yùn)算放大器U5為低功耗運(yùn)算放大器LMV321。 LMV321的基準(zhǔn)電壓由電阻R22和R24分壓為1.2V。參照圖2，當(dāng)ADJ 網(wǎng)絡(luò)的電壓高于1.2V時(shí)，U5的4PIN輸出1，通過二極管D9和電阻R17 去驅(qū)動第9三極管Q9導(dǎo)通、繼電器K1吸合導(dǎo)通，電機(jī)MOl接通電源。 反之，當(dāng)加速器手柄不扭動時(shí)，ADJ網(wǎng)絡(luò)的電壓為0.8V左右，U5的4PIN 輸出O，第9三極管Q9截止，繼電器K1斷開，電機(jī)無供電。
由此可見，微控制器的失效保護(hù)就是通過加速器電壓控制電路驅(qū)動第 9三極管Q9導(dǎo)通或者截止，以控制繼電器K1吸合或斷開，從而控制電機(jī) 的運(yùn)行。
3、繼電器失效保護(hù)
鑒于繼電器的電氣性能與機(jī)械特性，長時(shí)間使繼電器不停地?cái)嚅_與吸 合，特別是在大電流的情況下導(dǎo)通與吸合，繼電器觸點(diǎn)可能出現(xiàn)打火短路 的情況。通過圖3的失效保護(hù)的關(guān)系示意圖和前述的功率器件和微控制器 失效保護(hù)原理，可以了解，功率器件和微控制器失效保護(hù)都是通過繼電器 Kl的斷開與吸合來控制電機(jī)的供電，由此，當(dāng)繼電器出現(xiàn)故障(常開觸點(diǎn): 短路)時(shí)，如果再出現(xiàn)功率器件或微控制器失效，就不能對飛車進(jìn)行保護(hù) 了。為防止此類現(xiàn)象的出現(xiàn)，本發(fā)明增加了繼電器失效保護(hù)電路。當(dāng)控制 器處于待機(jī)狀態(tài)，MCU 3PIN會檢測有無高電平輸入。如果在待機(jī)狀態(tài)(此 時(shí)繼電器是不吸合的，原理見MCU損壞的描述)MCU 3PIN應(yīng)該是低電 平，表示繼電器正常。反之是高電平，表示繼電器不正常。如果在這樣不正常的情況下扭動加速器，此時(shí)電機(jī)是不轉(zhuǎn)動的，以達(dá)到保護(hù)的目的(MCU 16PIN無PWM輸出)。其工作過程為
控制器待機(jī)狀態(tài)~~H5—R12—D7—Q5、 Q6、 M01—Z4—R16與R48 分壓一R46—MCU 3PIN—判斷MCU 3PIN是否為高電平一如果是低電平 一扭動加速器手柄一MCU 15PIN輸出I一QIO導(dǎo)通一繼電器吸合一馬達(dá)供 電一MCU 16PIN PWM輸出一電機(jī)正常轉(zhuǎn)動。
反之控制器待機(jī)狀態(tài)一+5_R12—D7—Q5、 Q6、 MOl—Z4—R16 與R48分壓一R46—MCU 3PIN—判斷MCU 3PIN是否為高電平一如果高 電平一扭動加速器手柄一MCU 16PIN PWM無輸出一電機(jī)不轉(zhuǎn)動。
由此可見，上述繼電器失效保護(hù)就是通過繼電器故障檢測電路檢測到 繼電器短路故障輸出到MCU 3PIN，由微控制器停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信 號，也即MCU 16PINPWM無輸出，從而電機(jī)不轉(zhuǎn)動。
4、加速器失效保護(hù)
對于玩具類和小型電動車類產(chǎn)品，加速器通常與控制器核心器件，如 微控制器之間存在一定的空間距離。兩端是采用連接線的方式連接。這樣， 就存在線路之間開環(huán)失效的可能。正常情況下，加速器輸出電壓范圍為 0.84.2V之間。當(dāng)加速器地線開路時(shí)ADJPIN電壓會高于4.5V。而開路 電壓是不隨加速器扭動而改變電壓的，此時(shí)前述的與加速器有關(guān)的失效保 護(hù)就失去作用，PWM輸出就存在飛車。為防止此種情況的發(fā)生，本發(fā)明 增加了加速器失效保護(hù)，其工作過程是
當(dāng)開關(guān)SW1接通電源，微控制器工作，檢測MCU 20PIN電壓是否在 0.7-lV之間。如果是，表示加速器輸入電路正常。如果不在范圍，則分為 兩種情況。 一種是該腳電壓大于4.5V則認(rèn)為是加速器線開環(huán)故障，微控制 器停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號，電機(jī)不轉(zhuǎn)動。另一種則是MCU20PIN電 壓在1—4.5V之間，系統(tǒng)則認(rèn)為是開機(jī)加速器不歸零保護(hù)。所謂開機(jī)加速 器不歸零保護(hù)是指打開SW1電源開關(guān)，MCU檢測到加速器手柄不在零 位置，也指加速器電壓在1一4.2V之間，這時(shí)控制器應(yīng)不啟動，必須將加 速器扭動到零位置，再重新扭動加速器則控制器按新的加速器電壓輸出相 應(yīng)的PWM去控制電機(jī)的運(yùn)行速度。
上述的失效保護(hù)主要是出現(xiàn)故障后的處理，為了更好地提高性能，本 發(fā)明還采用軟啟動技術(shù)使電機(jī)啟動時(shí)平滑快捷，從而降低電機(jī)控制器發(fā)生 故障的機(jī)率。所謂軟啟動，主要是指啟動速度處理上采用分時(shí)處理方式， 如圖5所示，圖中，橫坐標(biāo)為加速控制的時(shí)間，縱坐標(biāo)為電機(jī)的速度，直
ii線為傳統(tǒng)的啟動速度控制，折線為本發(fā)明的啟動速度控制。從圖中可以看
出，傳統(tǒng)的啟動方式，當(dāng)100MS的時(shí)間所對應(yīng)的PWM占空比為15%。此 時(shí)，馬達(dá)以15%的電壓運(yùn)轉(zhuǎn)，而本發(fā)明則是以30。/。的PWM運(yùn)行，啟動相 對較快捷。圖中，速度從O到最大速度所用的時(shí)間為800MS，從原理上說， 如果改變總的時(shí)間也可以在100MS時(shí)到達(dá)本發(fā)明的啟動速度，然而這樣就 會存在突然啟動過快的問題。以這樣的調(diào)節(jié)方式來改變啟動的速度就會存 在速度過快導(dǎo)致人坐在車上向后傾斜而影響騎行者安全。而本發(fā)明采用電 機(jī)啟動調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)電機(jī)啟動在總加速度不變的情況下在啟動時(shí)的前時(shí)間 段以第一啟動加速度啟動，在啟動時(shí)間的后時(shí)間段以第二啟動加速度啟動， 所述第一啟動加速度大于第二啟動加速度，這樣就保證了啟動的平穩(wěn)。同 時(shí)改善了使用者不停地將加速器從零到最大調(diào)節(jié)的反應(yīng)速度。由于電機(jī)以 0%到30%的電壓啟動是比較緩慢的，特別是在上坡時(shí)的啟動情況。如果將 30%的PWM啟動的時(shí)間過程縮短，而后降低啟動加速度，這樣的調(diào)節(jié)讓 使用者覺得加速度不是太快可以接受，又得到扭動加速器時(shí)車子反應(yīng)非常 靈敏，從而保證啟動的平穩(wěn)快捷。
本發(fā)明還通過電流取樣電路對電流進(jìn)行采樣，由微控制器對電機(jī)電流 進(jìn)行閉環(huán)控制，控制過程包括堵轉(zhuǎn)模式、第一過流模式和第二過流模式的 處理，從而有效地保護(hù)電機(jī)與控制器，使用更安全。電流的閉環(huán)控制過程 如下
參看圖6，整個電流閉環(huán)控制回路為電池組BATT—繼電器K1—電 機(jī)MOl—功率場效應(yīng)管Q7、 Q8—CT+網(wǎng)絡(luò)/MCU7PIN電流取樣輸入一錳 銅電阻RX1—電池負(fù)極。CT+網(wǎng)絡(luò)為電流控制輸入、MCU16PIN為PWM 輸出控制、MCU20PIN為加速器電壓輸入。下面對電機(jī)恒流、堵轉(zhuǎn)、過流 給予說明
圖6中，利用MCU16PINPWM輸出、MCU20PIN加速器電壓輸入與 MCU7PIN電流取樣來說明電流正常模式、恒流模式(恒流模式控制是電 流輸出不隨負(fù)載變化)控制處理方式。
電流正常模式，如圖中CT+左邊部分，PWM、電機(jī)負(fù)載電流、和加 速器輸入電壓是線性增長關(guān)系。也就是加速器電壓升高PWM增加，電機(jī) 電流增大。這是把電機(jī)等效為一個純電阻說明。當(dāng)CT+電流達(dá)到MCU的 設(shè)定值，則進(jìn)入恒流工作模式。進(jìn)行恒流模式后，負(fù)載增大基本上電流恒 定不變。為了達(dá)到這一要求在負(fù)載增大時(shí)，必須對輸出的PWM占空比進(jìn) 行修正。相應(yīng)的PWM占空比應(yīng)當(dāng)減小以達(dá)到輸出電流恒定的目的。在恒流模式下，禾U用PWM占空比來檢測電機(jī)的堵轉(zhuǎn)與過流，達(dá)到保 護(hù)控制器與電機(jī)的目的。圖中，電流在恒流模式下，如果MCUPWM輸出 的占空比在35%—75%之間，并且連續(xù)5秒鐘都在此范圍內(nèi)，則認(rèn)為是電 機(jī)處于堵轉(zhuǎn)模式，即電機(jī)堵轉(zhuǎn)的條件是控制器輸出電流必須處于恒流狀 態(tài)、PWM輸出占空比必須在35—75%之間、連續(xù)滿足以上條件5秒鐘。 這樣處理的原理是為了區(qū)別爬坡的電流，與瞬間電流產(chǎn)生的誤動作。當(dāng)然 當(dāng)使用不同功率規(guī)格的電機(jī)時(shí)，堵轉(zhuǎn)的PWM值需要根據(jù)電機(jī)的規(guī)格進(jìn)行 修正，來達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。
控制器的過流模式分為兩種，第一過流模式的條件是恒流模式下， PWM占空比在20%以下。第二過流模式涉及峰值電流檢測，峰值電流檢 測是為了防止控制器輸出線短路的一種檢測方式，輸出線短路時(shí)峰值電流 非常大，設(shè)置峰值電流到達(dá)100A為第二過流模式，將錳銅電阻RX1上產(chǎn) 生的電壓，通過電阻R21，電容C21積分送入MCU7PIN處理。微控制器 在判斷到電機(jī)工作在堵轉(zhuǎn)模式、第一過流模式或第二過流模式之一，停止 輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
本發(fā)明還通過電壓檢測電路提供欠壓檢測保護(hù)，欠壓保護(hù)是為了保護(hù) 蓄電池過放，提高蓄電池使用壽命的一種保護(hù)方法，根據(jù)電池的放電特性 可知由于放電深度的關(guān)系，電池所釋放的容量是不一樣的。作為車載配 套電池使用時(shí)，常需要大電流放電。這樣電池就很容易發(fā)生欠壓。為了克 服這類故障，又不能讓電池深度過放，這就需要很好的保護(hù)控制。其保護(hù) 原理為
電池電壓經(jīng)電阻R18、 R36分壓連接到MCU8PIN，微控制器對此點(diǎn) 電壓進(jìn)行檢測。如開機(jī)時(shí)，MCU檢測電壓低于額定值，則微控制器不輸 出PWM信號，MCU1PIN輸出狀態(tài)信號，指示處于低壓。如開機(jī)時(shí)，MCU 檢測電壓高于額定值，電機(jī)運(yùn)行后低入額定設(shè)定值，則MCU延時(shí)20秒后 關(guān)閉PWM輸出，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，有效保護(hù)電池過放。當(dāng)控制器在使用過 程中，檢測電池電壓低于75%的額定下降值，控制器進(jìn)入睡眠狀態(tài)，關(guān)閉 所有輸出，靜態(tài)損耗小于1MA。
本發(fā)明還通過反轉(zhuǎn)與飛車檢測電路提供反轉(zhuǎn)保護(hù)，反轉(zhuǎn)與飛車檢測電 路檢測電機(jī)反轉(zhuǎn)電壓，防止車子在坡度上后退時(shí)啟動。達(dá)到人身安全與保 護(hù)控制器的目的。
電機(jī)的反轉(zhuǎn)檢測是和防飛車電壓檢測腳共用。只是內(nèi)部設(shè)定電壓點(diǎn)不 一樣。在待機(jī)狀態(tài)，MCU17PIN的電壓是額定的。當(dāng)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動時(shí)返回，肖特基二極管Q5、 Q6則成了電機(jī)反轉(zhuǎn)的鉗位二極管。其反向電壓 為MCU17PIN額定電壓一0.3V,因?yàn)榇它c(diǎn)電壓范圍比較窄，在選用分壓比 時(shí)應(yīng)注意。微控制器內(nèi)采用IO位的模數(shù)轉(zhuǎn)換對此電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的捕捉，良 好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)后退時(shí)扭動加速器，以完成控制器在此時(shí)不啟動的目的。
本發(fā)明通過功率器件溫度保護(hù)電路提供過溫保護(hù)功能。過溫保護(hù)功能 是為了防止控制器帶重負(fù)載長期工作時(shí)，功率器件因溫度過高而影響控制 器性能。因此，通過提供過溫保護(hù)，有利于產(chǎn)品的使用壽命。
將溫度傳感器安裝在功率場效應(yīng)管的散熱器上，當(dāng)散熱器溫度過高 時(shí)，因采用負(fù)溫度系數(shù)的傳感器，MCU9PIN的電壓會隨溫度的升高電壓 而降低。當(dāng)電壓降低到內(nèi)部設(shè)定電壓值時(shí)，微控制器會自動關(guān)閉PWM輸 出。及時(shí)地對功率器件的過溫進(jìn)行保護(hù)。
本發(fā)明通過最大速度選擇電路，可以讓用戶電子設(shè)定控制器最大輸 出。用戶將控制器作為車載速度控制時(shí)，電子設(shè)定速度非常方便。通過 MCUIO、 19PIN組合進(jìn)行三級可編程最大速度設(shè)定。三級最大速度設(shè)定、 加速器電壓、PWM占空比之間的關(guān)系如圖7所示
圖7顯示了加速器電壓與輸出占空比在不同檔位下的輸出關(guān)系。
其中MCU對加速器各電壓段進(jìn)行了如下處理
加速器輸出電壓在0. 7V以下為加速器線路故障區(qū)；
加速器輸出電壓0.7—1V表示在歸零區(qū)，沒有扭動加速器；
加速器輸出電壓1一4V為正常工作范圍區(qū)；
加速器輸出電壓在4. 4V以上為加速器地線開路區(qū)。 檔位邏輯電平組合說明 I: MCU10PIN為1 MCU19PIN為1;
則加速器電壓4V所對應(yīng)輸出的最大占空比為60%; II:MCUlOPIN為l MCU19PIN為0; MCU10PIN為0 MCU19PIN為1; 則加速器電壓4V所對應(yīng)輸出的最大占空比為80%; III: MCU10PIN為0 MCU19PIN為0。
則加速器電壓4V所對應(yīng)輸出的最大占空比為100%。 本發(fā)明通過充電檢測電路提供充電不啟動保護(hù)，電機(jī)控制器可以外留 有充電不啟動控制接口。當(dāng)此接口斷開時(shí)，MCU18PIN為高電平，控制器 處于不工作狀態(tài)，整機(jī)進(jìn)入睡眠模式。當(dāng)此接口為低電平時(shí)，整機(jī)處于待 機(jī)模式。通過睡眠控制模塊，可以控制控制器在無操作時(shí)自動進(jìn)入睡眠模式。
此項(xiàng)操作功能主要由微控制器完成，控制器在開機(jī)狀態(tài)連續(xù)5分鐘無任何 操作，則自動完成關(guān)機(jī)，使控制器進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此設(shè)計(jì)可以起到節(jié)能的 目的。也是為童車使用時(shí)專門設(shè)計(jì)的，因?yàn)槎鄶?shù)小孩在騎行完車后，通常 都有忘記關(guān)閉電源的習(xí)慣。這樣就會使電池處于長期耗電狀態(tài)。
本發(fā)明通過剎車檢測電路提供剎車保護(hù)，在檢測到剎車時(shí)，PWM關(guān) 閉輸出，剎車檢測信號從MCU2PIN輸入，采用高電平剎車。高電平剎車 有利于檢測電子剎車系統(tǒng)是否完整。利用常閉開關(guān)的剎把處理，斷開時(shí)， 微控制器則認(rèn)為是剎車。這樣剎把的機(jī)械開關(guān)故障時(shí)控制器則關(guān)閉PWM 輸出。
本發(fā)明還具有狀態(tài)指示電路，具體指示如下8種狀態(tài)
正常工作——常亮
欠壓保護(hù)——LED閃爍1次
堵轉(zhuǎn)保護(hù)~~LED閃爍3次
防飛車——LED閃爍4次
溫度(散熱器)——LED閃爍5次
加速器手柄保護(hù)一 LED閃爍6次
剎車與線開路——LED長閃爍
過流保護(hù) ——LED燈不亮
現(xiàn)在對狀態(tài)指示電路原理加以描述
圖2中，三極管Q3、 Q4組成電子開關(guān)電路， 一方面是為了在睡眠與 充電狀態(tài)下，為節(jié)能目的，關(guān)閉工作電源，由待機(jī)電源工作。另一方面則 是作為狀態(tài)指示的開關(guān)用。前述已經(jīng)說明，四線制加速器中帶一根電量指 示線，利用這根電量指示線來控制加速器上LED的閃爍狀態(tài)。MCU1PIN 以不同的脈沖串輸出來指示相應(yīng)的狀態(tài)。加速器電量指示線通電則三只 "LED點(diǎn)亮，斷電則LED熄滅。將不同的脈沖串個數(shù)從MCU 1PIN輸出就 可以指示不同的狀態(tài)，非常直觀智能。例如堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)，加速器LED閃爍 三次，MCU1PIN輸出波形如圖8所示。
本發(fā)明的控制器還采用了防水設(shè)計(jì)，通過將控制器的外露線材設(shè)計(jì)為 低阻抗線路，同時(shí)內(nèi)部采用A, B膠進(jìn)行全固密封，實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的防水性能。
本發(fā)明的控制器，保護(hù)功能全面完善、性能可靠、成本低廉、非常適 合于規(guī)模性量產(chǎn)。同時(shí)整個控制器外部連接方便、智能。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說
15明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若 干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種智能型電機(jī)控制器，用于對電機(jī)進(jìn)行控制，包括電源、微控制器、加速器、功率場效應(yīng)管和繼電器，所述繼電器耦合在電源與電機(jī)之間，用于對電機(jī)提供斷電保護(hù)；所述加速器與所述微控制器耦合，用于將外界控制信號提供給所述微控制器；所述功率場效應(yīng)管耦合在電機(jī)和微控制器之間，用于控制電機(jī)的運(yùn)行，其特征在于，還包括功率場效應(yīng)管失效保護(hù)電路、微控制器失效保護(hù)電路、繼電器失效保護(hù)電路和加速器失效保護(hù)電路，所述功率場效應(yīng)管失效保護(hù)電路、微控制器失效保護(hù)電路、繼電器失效保護(hù)電路和加速器失效保護(hù)電路均與微控制器耦合，分別用于對功率場效應(yīng)管、微控制器、繼電器和加速器的失效提供保護(hù)。
2. 如權(quán)利要求l所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于，所述功率場 效應(yīng)管失效保護(hù)電路包括第IO三極管及第IO三極管驅(qū)動電路，所述第10 三極管基極經(jīng)所述第10三極管驅(qū)動電路耦合到所述微控制器的脈寬調(diào)制 輸出端，集電極耦合到所述繼電器，并根據(jù)微控制器的脈寬調(diào)制輸出值相 應(yīng)導(dǎo)通或者截止，控制所述繼電器吸合或斷開。
3. 如權(quán)利要求2所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于，所述第IO 三極管驅(qū)動電路包括第一電容、第二電容、第一電阻、第二電阻、第三電 阻和第一二極管；所述第一電容一端連接到所述微控制器的脈寬調(diào)制輸出 端，另一端依次經(jīng)過所述第一電阻和第二電阻連接到所述第10三極管基 極，所述第一二極管反向連接在所述第一電容與第一電阻連接點(diǎn)與所述第 10三極管發(fā)射極之間，所述第三電阻和第二電容并聯(lián)連接在所述第一電阻 和第二電阻連接點(diǎn)與所述第IO三極管發(fā)射極之間。
4. 如權(quán)利要求l所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于，所述微控制 器失效保護(hù)電路包括基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、電壓比較電路和第9三極管，所 述電壓比較電路的一輸入端與所述加速器的輸出耦合，另一輸入端與所述 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路相連，輸出端耦合到所述第9三極管基極，所述第9三 極管集電極耦合到所述繼電器，所述電壓比較電路根據(jù)所述加速器的輸出 電壓與基準(zhǔn)電壓的比較結(jié)果，驅(qū)動所述第9三極管導(dǎo)通或者截止，控制所 述繼電器吸合或斷開。
5. 如權(quán)利要求l所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于，所述繼電器 失效保護(hù)電路包括繼電器故障檢測電路，微控制器在所述繼電器故障檢測電路檢測到繼電器發(fā)生觸點(diǎn)短路，停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
6. 如權(quán)利要求l所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于，所述加速器 失效保護(hù)電路包括加速器輸出電壓檢測電路，微控制器在所述加速器輸出 電壓檢測電路檢測到加速器輸出電壓超出正常范圍，停止輸出電機(jī)運(yùn)行控 制信號。
7. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于， 還包括電機(jī)啟動調(diào)節(jié)模塊，所述電機(jī)啟動調(diào)節(jié)模塊控制電機(jī)在啟動時(shí)間的 前時(shí)間段以第一啟動加速度啟動，在啟動時(shí)間的后時(shí)間段以第二啟動加速 度啟動，所述第一啟動加速度大于第二啟動加速度。
8. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于， 還包括電流取樣電路，所述電流取樣電路與微控制器耦合，所述電流取樣 電路用于判定電機(jī)是否工作在堵轉(zhuǎn)模式、第一過流模式或第二過流模式， 所述微控制器在所述電流取樣電路檢測到電機(jī)工作在所述堵轉(zhuǎn)模式、第一 過流模式或第二過流模式之一，停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
9. 如權(quán)利要求8所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于，所述堵轉(zhuǎn)模 式的條件為電機(jī)負(fù)載電流為恒流，微控制器在連續(xù)5秒內(nèi)的脈寬調(diào)制輸 出占空比為35%到75%之間；所述第一過流模式的條件為電機(jī)負(fù)載電流 為恒流，微控制器的脈寬調(diào)制輸出占空比在20%以下；所述第二過流模式的條件為電機(jī)負(fù)載電流大于100A。
10. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于， 還包括功率場效應(yīng)管溫度保護(hù)電路，所述功率場效應(yīng)管溫度保護(hù)電路與微 控制器及功率場效應(yīng)管耦合，微控制器在所述功率場效應(yīng)管溫度保護(hù)電路 檢測到功率場效應(yīng)管過溫時(shí)，停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
11. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于， 還包括設(shè)置在電源與微控制器之間的電壓檢測電路，微控制器在所述電壓 檢測電路檢測到電源欠壓時(shí)，停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
12. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于， 還包括設(shè)置在電機(jī)與微控制器之間的反轉(zhuǎn)與飛車檢測電路，微控制器在所 述反轉(zhuǎn)與飛車檢測電路檢測到電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
13. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于，還包括充電檢測電路，微控制器在所述充電檢測電路檢測到電機(jī)充電時(shí)， 停止輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
14. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于， 還包括剎車檢測電路，微控制器在所述剎車檢測電路檢測到剎車時(shí)，停止 輸出電機(jī)運(yùn)行控制信號。
15. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于， 還包括睡眠控制模塊，用于控制所述控制器處于開機(jī)狀態(tài)下，在預(yù)設(shè)時(shí)間 內(nèi)無操作時(shí)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
16. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于， 還包括最大速度選擇電路，用于設(shè)定電機(jī)最大輸出。
17. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于， 還包括狀態(tài)指示電路，所述狀態(tài)指示電路具有8種指示狀態(tài)，分別對正常 工作、欠壓保護(hù)、堵轉(zhuǎn)狀態(tài)、失效保護(hù)狀態(tài)、溫度保護(hù)、加速器保護(hù)、剎 車、過流狀態(tài)進(jìn)行指示。
18. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的智能型電機(jī)控制器，其特征在于， 控制器的外露線為低阻抗線路，控制器內(nèi)部為膠密封。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能型電機(jī)控制器，用于對電機(jī)進(jìn)行控制，包括電源、微控制器、加速器、功率場效應(yīng)管和繼電器，所述繼電器耦合在電源與電機(jī)之間，用于對電機(jī)提供斷電保護(hù)；所述加速器與所述微控制器耦合，用于將外界控制信號提供給所述微控制器；所述功率場效應(yīng)管耦合在電機(jī)和微控制器之間，用于控制電機(jī)的運(yùn)行，還包括功率場效應(yīng)管失效保護(hù)電路、微控制器失效保護(hù)電路、繼電器失效保護(hù)電路和加速器失效保護(hù)電路，所述功率場效應(yīng)管失效保護(hù)電路、微控制器失效保護(hù)電路、繼電器失效保護(hù)電路和加速器失效保護(hù)電路均與微控制器耦合，分別用于對功率場效應(yīng)管、微控制器、繼電器和加速器的失效提供保護(hù)。本發(fā)明使用更加安全，性能更加可靠。
文檔編號H02P7/00GK101483404SQ20081006518
公開日2009年7月15日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者李 董 申請人:深圳市邁科盛電源技術(shù)有限公司