CN105344088A - 一种用于电动滑板的电子调速器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动滑板的电子调速器及控制方法，电子调速器包括主控芯片、驱动模块、接收机、全桥电路、电流检测模块、反电动势检测模块、无刷电机模块、电源模块、电池Ud，接收机、驱动模块、电源模块、电流检测模块、反电动势检测模块都连接主控芯片，电池Ud和驱动模块都连接电源模块，电池Ud和驱动模块还都连接全桥电路，全桥电路连接无刷电机模块，电流检测模块、反电动势检测模块都连接无刷电机模块，控制方法包括预定位、开环加速、闭环加速，本发明电机启动速度缓慢，安全性高，能量消耗低。

Description

一种用于电动滑板的电子调速器及控制方法

技术领域

本发明涉及电动滑板的电子调速器和控制方法。

背景技术

现有电子调速器应用于电动滑板时，由于缺乏专用性，会导致启动速度过快、制动过猛，安全性低、用户体验不好。在电动滑板上，为了能够正常启动电机，往往会使电机快速达到额定速度，以便于相位检测，因此现有电调启动速度都相当快，如果启动速度过快，可能会导致人后倾，严重影响安全性与舒适性，非常不安全，现有电子调速器采用的制动方式往往为短接制动，短接制动制动效果非常明显，刹车速度非常快，过猛的刹车可能会导致使用者被甩出去，对电动滑板安全性造成巨大影响，且短接制动会使得电动滑板剩余的动能完全耗散，导致了能量的浪费。

发明内容

本发明的目的是克服现有产品中不足，提供一种电机启动速度缓慢、安全性高、能量消耗低的用于电动滑板的电子调速器及控制方法。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种用于电动滑板的电子调速器，包括主控芯片、驱动模块、接收机、全桥电路、电流检测模块、反电动势检测模块、无刷电机模块、电源模块、电池Ud，接收机、驱动模块、电源模块、电流检测模块、反电动势检测模块都连接主控芯片，电池Ud和驱动模块都连接电源模块，电池Ud和驱动模块还都连接全桥电路，全桥电路连接无刷电机模块，电流检测模块、反电动势检测模块都连接无刷电机模块。

本发明的反电动势检测模块包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R31、电阻R32、电阻R33，电阻R11的一端连接无刷电机模块，电阻R11的另一端连接电阻R21的一端，电阻R21的另一端连接主控芯片，电阻R12的一端连接无刷电机模块，电阻R12的另一端连接电阻R22的一端，电阻R21的另一端连接电阻R22的另一端，电阻R13的一端连接无刷电机模块，电阻R13的另一端连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接电阻R21的另一端，电阻R11的另一端通过电阻R33连接地信号GND，电阻R12的另一端通过电阻R32连接地信号GND，电阻R13的另一端通过电阻R31连接地信号GND，电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端都连接主控芯片。

本发明的无刷电机模块包括电机M，驱动模块包括低速回馈制动电路、驱动芯片，低速回馈制动电路包括N沟道MOS管VQ1、N沟道MOS管VQ2、N沟道MOS管VQ3、N沟道MOS管VQ4、N沟道MOS管VQ5、N沟道MOS管VQ6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6，N沟道MOS管VQ1的D极连接电池Ud的正极，N沟道MOS管VQ1的S极连接N沟道MOS管VQ2的D极，N沟道MOS管VQ2的S极连接电池Ud的负极，N沟道MOS管VQ1的D极和N沟道MOS管VQ1的S极之间连接二极管D1，N沟道MOS管VQ2的D极和N沟道MOS管VQ2的S极之间连接二极管D2，N沟道MOS管VQ3的D极连接电池Ud的正极，N沟道MOS管VQ3的S极连接N沟道MOS管VQ4的D极，N沟道MOS管VQ4的S极连接电池Ud的负极，N沟道MOS管VQ3的D极和N沟道MOS管VQ3的S极之间连接二极管D3，N沟道MOS管VQ4的D极和N沟道MOS管VQ4的S极之间连接二极管D4，N沟道MOS管VQ5的D极连接电池Ud的正极，N沟道MOS管VQ5的S极连接N沟道MOS管VQ6的D极，N沟道MOS管VQ6的S极连接电池Ud的负极，N沟道MOS管VQ5的D极和N沟道MOS管VQ5的S极之间连接二极管D5，N沟道MOS管VQ6的D极和N沟道MOS管VQ6的S极之间连接二极管D6，N沟道MOS管VQ1的G极、N沟道MOS管VQ2的G极、N沟道MOS管VQ3的G极、N沟道MOS管VQ4的G极、N沟道MOS管VQ5的G极、N沟道MOS管VQ6的G极都连接驱动芯片，驱动芯片连接主控芯片，电机M的W端连接N沟道MOS管VQ5的S极，电机M的V端连接N沟道MOS管VQ3的S极，电机M的U端连接N沟道MOS管VQ1的S极。

本发明的一种用于电动滑板的电子调速器的控制方法，包括以下步骤：

1)预定位，预定位为设置占空比为30％的PWM波来启动电机M和电机M的30ms的预定位时间；

2)开环加速；

3)闭环加速。

本发明的开环加速为将电机M进行四次滞后换相。

本发明的闭环加速为根据反电动势检测模块检测到电机M的相位信息将电机M进行换相和调节启动电机M的PWM波的占空比。

本发明的四次滞后换相为第一次滞后换相、第二次滞后换相、第三次滞后换相、第四次滞后换相，第一次滞后换相与第二次滞后换相间隔时间为6.5ms，第二次滞后换相与第三次滞后换相间隔时间为5ms，第三次滞后换相与第四次滞后换相间隔时间为3.5ms。

本发明的电源模块包括12V电源电路、5V电源电路、3.3V电源电路，12V电源电路连接5V电源电路，5V电源电路连接3.3V电源电路，12V电源电路包括LM7812芯片U4、极性电容EC6、极性电容EC5、电容C2、电容C3，LM7812芯片U4的1管脚连接30V电源VCC，30V电源VCC通过极性电容EC6连接地信号GND，极性电容EC6与电容C2相并联，LM7812芯片U4的2管脚和4管脚连接地信号GND，LM7812芯片U4的3管脚通过极性电容EC5连接地信号GND，极性电容EC5与电容C3相并联，LM7812芯片U4的3管脚为12V电源输出端；5V电源电路包括LM7805三端稳压器U2、极性电容EC2、极性电容EC1、电容C10、电容C11，LM7805三端稳压器U2的1管脚连接12V电源输出端，LM7805三端稳压器U2的1管脚通过极性电容EC2连接地信号GND，极性电容EC2与电容C10相并联，LM7805三端稳压器U2的2管脚和4管脚都连接地信号GND，LM7805三端稳压器U2的3管脚通过极性电容EC1连接地信号GND，极性电容EC1与电容C11相并联，LM7805三端稳压器U2的3管脚为5V电源输出端；3.3V电源电路包括SP1117芯片U1、电容C12、极性电容EC3，SP1117芯片U1的3管脚连接5V电源输出端，SP1117芯片U1的1管脚连接地信号GND，SP1117芯片U1的2管脚通过电容C12连接地信号GND，电容C12与极性电容EC3相并联。

本发明调节启动电机M的PWM波的占空比为15％到30％。

本发明的有益效果如下：本发明的反电动势检测模块包括九个电阻，没有加入电容，因此没有滤波带来的时滞影响，可以达到高精度的电机M的换相，本发明通过反电动势检测模块还调节启动电机M的PWM波的占空比，使得电机M缓慢启动，安全性高；本发明通过低速回馈制动电路将电机给电池充电及回馈制动，能量消耗低，安全性高。

附图说明

图1为本发明的***框图；

图2为本发明的反电动势检测模块的电路原理示意图；

图3为本发明的低速回馈制动电路的电路原理示意图；

图4为本发明的12V电源电路的电路原理示意图；

图5为本发明的5V电源电路的电路原理示意图；

图6为本发明的3.3V电源电路的电路原理示意图；

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：

如图1到图6所示，本发明的一种用于电动滑板的电子调速器，包括主控芯片、驱动模块、接收机、全桥电路、电流检测模块、反电动势检测模块、无刷电机模块、电源模块、电池Ud，接收机、驱动模块、电源模块、电流检测模块、反电动势检测模块都连接主控芯片，电池Ud和驱动模块都连接电源模块，电池Ud和驱动模块还都连接全桥电路，全桥电路连接无刷电机模块，电流检测模块、反电动势检测模块都连接无刷电机模块。

本发明的反电动势检测模块包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R31、电阻R32、电阻R33，电阻R11的一端连接无刷电机模块，电阻R11的另一端连接电阻R21的一端，电阻R21的另一端连接主控芯片，电阻R12的一端连接无刷电机模块，电阻R12的另一端连接电阻R22的一端，电阻R21的另一端连接电阻R22的另一端，电阻R13的一端连接无刷电机模块，电阻R13的另一端连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接电阻R21的另一端，电阻R11的另一端通过电阻R33连接地信号GND，电阻R12的另一端通过电阻R32连接地信号GND，电阻R13的另一端通过电阻R31连接地信号GND，电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端都连接主控芯片。反电动势检测模块包括九个电阻，没有加入电容，因此没有滤波带来的时滞影响，可以达到高精度的电机M的换相，本发明通过反电动势检测模块还调节启动电机M的PWM波的占空比，使得电机M缓慢启动，安全性高。

本发明的无刷电机模块包括电机M，驱动模块包括低速回馈制动电路、驱动芯片，低速回馈制动电路包括N沟道MOS管VQ1、N沟道MOS管VQ2、N沟道MOS管VQ3、N沟道MOS管VQ4、N沟道MOS管VQ5、N沟道MOS管VQ6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6，N沟道MOS管VQ1的D极连接电池Ud的正极，N沟道MOS管VQ1的S极连接N沟道MOS管VQ2的D极，N沟道MOS管VQ2的S极连接电池Ud的负极，N沟道MOS管VQ1的D极和N沟道MOS管VQ1的S极之间连接二极管D1，N沟道MOS管VQ2的D极和N沟道MOS管VQ2的S极之间连接二极管D2，N沟道MOS管VQ3的D极连接电池Ud的正极，N沟道MOS管VQ3的S极连接N沟道MOS管VQ4的D极，N沟道MOS管VQ4的S极连接电池Ud的负极，N沟道MOS管VQ3的D极和N沟道MOS管VQ3的S极之间连接二极管D3，N沟道MOS管VQ4的D极和N沟道MOS管VQ4的S极之间连接二极管D4，N沟道MOS管VQ5的D极连接电池Ud的正极，N沟道MOS管VQ5的S极连接N沟道MOS管VQ6的D极，N沟道MOS管VQ6的S极连接电池Ud的负极，N沟道MOS管VQ5的D极和N沟道MOS管VQ5的S极之间连接二极管D5，N沟道MOS管VQ6的D极和N沟道MOS管VQ6的S极之间连接二极管D6，N沟道MOS管VQ1的G极、N沟道MOS管VQ2的G极、N沟道MOS管VQ3的G极、N沟道MOS管VQ4的G极、N沟道MOS管VQ5的G极、N沟道MOS管VQ6的G极都连接驱动芯片，驱动芯片连接主控芯片，电机M的W端连接N沟道MOS管VQ5的S极，电机M的V端连接N沟道MOS管VQ3的S极，电机M的U端连接N沟道MOS管VQ1的S极。

低速回馈制动时，我们通过驱动芯片用互补的PWM驱动信号驱动MOS管当N沟道MOS管VQ2开启，N沟道MOS管VQ1关闭时，由于回路阻抗低，电流迅速上升。当N沟道MOS管VQ2关闭，N沟道MOS管VQ1开启时，由于电机内电感的影响，电机内部电流流向不变，此时电流从电机流向电池Ud，实现了电机给电池Ud充电及回馈制动。

低速回馈制动的实质，是N沟道MOS管VQ2、N沟道MOS管VQ4、N沟道MOS管VQ6导通时，将电机的动能转化为磁场能量存储在电感中，在N沟道MOS管VQ2、N沟道MOS管VQ4、N沟道MOS管VQ6截止时，电机的动能及前半周期内存储在电感中的磁场能量相加,，转化为电能，通过电感的升压作用，向电池回馈能量。与此同时，由于电机电流方向在整个周期内都与电动运行时相反，故获得制动性的电磁转矩，实现电动滑板的电气制动。这种升压斩波回馈制动方式的平均制动强度与电机电流的平均值成正比,它可能达到的最大制动强度与电机的限流值及车速成正比。

本发明的一种用于电动滑板的电子调速器的控制方法，包括以下步骤：

1)预定位，预定位为设置占空比为30％的PWM波来启动电机M和电机M的30ms的预定位时间；

2)开环加速；

3)闭环加速。

本发明的开环加速为将电机M进行四次滞后换相。

本发明的闭环加速为根据反电动势检测模块检测到电机M的相位信息将电机M进行换相和调节启动电机M的PWM波的占空比。

本发明的四次滞后换相为第一次滞后换相、第二次滞后换相、第三次滞后换相、第四次滞后换相，第一次滞后换相与第二次滞后换相间隔时间为6.5ms，第二次滞后换相与第三次滞后换相间隔时间为5ms，第三次滞后换相与第四次滞后换相间隔时间为3.5ms。

本发明的电源模块包括12V电源电路、5V电源电路、3.3V电源电路，12V电源电路连接5V电源电路，5V电源电路连接3.3V电源电路，12V电源电路包括LM7812芯片U4、极性电容EC6、极性电容EC5、电容C2、电容C3，LM7812芯片U4的1管脚连接30V电源VCC，30V电源VCC通过极性电容EC6连接地信号GND，极性电容EC6与电容C2相并联，LM7812芯片U4的2管脚和4管脚连接地信号GND，LM7812芯片U4的3管脚通过极性电容EC5连接地信号GND，极性电容EC5与电容C3相并联，LM7812芯片U4的3管脚为12V电源输出端；5V电源电路包括LM7805三端稳压器U2、极性电容EC2、极性电容EC1、电容C10、电容C11，LM7805三端稳压器U2的1管脚连接12V电源输出端，LM7805三端稳压器U2的1管脚通过极性电容EC2连接地信号GND，极性电容EC2与电容C10相并联，LM7805三端稳压器U2的2管脚和4管脚都连接地信号GND，LM7805三端稳压器U2的3管脚通过极性电容EC1连接地信号GND，极性电容EC1与电容C11相并联，LM7805三端稳压器U2的3管脚为5V电源输出端；3.3V电源电路包括SP1117芯片U1、电容C12、极性电容EC3，SP1117芯片U1的3管脚连接5V电源输出端，SP1117芯片U1的1管脚连接地信号GND，SP1117芯片U1的2管脚通过电容C12连接地信号GND，电容C12与极性电容EC3相并联。

本发明调节启动电机M的PWM波的占空比为15％到30％。

预定位：最简单的预定位方法就是任选一相长时间通电，该方法最需要考虑的是电机到达对应相后可能会震荡。预定位占空比大，则震荡周期小，幅度大。因而占空比太大会导致震荡幅度太大，而占空比太小也可能无法克服外力实现预定位。合适的预定位应该选择合适的占空比和时间，理论上占空比和时间的选择和负载的轻重与地面的摩擦系数都有关系，难以精确计算，我们选定了30％的占空比和30ms的预定位时间。预定位结束时的状态根据正反转和相位超前滞后可分为四种，这对下一步开环加速造成较大影响。

开环加速：

开环加速即程序强制设定每次换相时间，让电机根据设定时间强制换相，从而使电机启动。在电机转速达到一定程度，可以通过反电动势检测准确检测出电机相位后，程序进入闭环加速状态。

开环加速过程中选择滞后换相，可以解决第一步预定位结束后电机位置和速度存在四种状态的差异。通过滞后换相，可以使得电机在任一状态下都能跟随上所换的相位，从而可以进入下一步。为了实现快速闭环和缓慢启动，程序中开环加速状态只有四次强制换相，第一次滞后换相与第二次滞后换相间隔时间为6.5ms，第二次滞后换相与第三次滞后换相间隔时间为5ms，第三次滞后换相与第四次滞后换相间隔时间为3.5ms。

闭环加速：

在前面两步的铺垫下，就可以进入闭环加速环节，成功启动电机。所谓闭环，即是每次根据反电动势检测到的相位信息换相，而不是自己制定换相时间。在该阶段可以通过反电动势检测信息通过变比推算出转速，从而对启动速度做了一定的控制，调节启动占空比，将占空比大概维持在15％～30％之间，使得电机缓慢启动，从而达到启动缓慢舒适的效果。

本发明的反电动势检测模块包括九个电阻，没有加入电容，因此没有滤波带来的时滞影响，可以达到高精度的电机M的换相，本发明通过反电动势检测模块还调节启动电机M的PWM波的占空比，使得电机M缓慢启动，安全性高；本发明通过低速回馈制动电路将电机给电池充电及回馈制动，能量消耗低，安全性高。

需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。

总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于电动滑板的电子调速器，其特征在于，包括主控芯片(9)、驱动模块(1)、接收机(6)、全桥电路(2)、电流检测模块(4)、反电动势检测模块(5)、无刷电机模块(3)、电源模块(7)、电池Ud(8)，所述接收机(6)、驱动模块(1)、电源模块(7)、电流检测模块(4)、反电动势检测模块(5)都连接主控芯片(9)，所述电池Ud(8)和驱动模块(1)都连接电源模块(7)，所述电池Ud(8)和驱动模块(1)还都连接全桥电路(2)，所述全桥电路(2)连接无刷电机模块(3)，所述电流检测模块(4)、反电动势检测模块(5)都连接无刷电机模块(3)。

2.根据权利要求1所述一种用于电动滑板的电子调速器，其特征在于，所述反电动势检测模块包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R31、电阻R32、电阻R33，所述电阻R11的一端连接无刷电机模块，所述电阻R11的另一端连接电阻R21的一端，所述电阻R21的另一端连接主控芯片，所述电阻R12的一端连接无刷电机模块，所述电阻R12的另一端连接电阻R22的一端，所述电阻R21的另一端连接电阻R22的另一端，所述电阻R13的一端连接无刷电机模块，所述电阻R13的另一端连接电阻R23的一端，所述电阻R23的另一端连接电阻R21的另一端，所述电阻R11的另一端通过电阻R33连接地信号GND，所述电阻R12的另一端通过电阻R32连接地信号GND，所述电阻R13的另一端通过电阻R31连接地信号GND，所述电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端都连接主控芯片。

3.根据权利要求1所述一种用于电动滑板的电子调速器，其特征在于，所述无刷电机模块包括电机M，所述驱动模块包括低速回馈制动电路、驱动芯片，所述低速回馈制动电路包括N沟道MOS管VQ1、N沟道MOS管VQ2、N沟道MOS管VQ3、N沟道MOS管VQ4、N沟道MOS管VQ5、N沟道MOS管VQ6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6，所述N沟道MOS管VQ1的D极连接电池Ud的正极，所述N沟道MOS管VQ1的S极连接N沟道MOS管VQ2的D极，所述N沟道MOS管VQ2的S极连接电池Ud的负极，所述N沟道MOS管VQ1的D极和N沟道MOS管VQ1的S极之间连接二极管D1，所述N沟道MOS管VQ2的D极和N沟道MOS管VQ2的S极之间连接二极管D2，所述N沟道MOS管VQ3的D极连接电池Ud的正极，所述N沟道MOS管VQ3的S极连接N沟道MOS管VQ4的D极，所述N沟道MOS管VQ4的S极连接电池Ud的负极，所述N沟道MOS管VQ3的D极和N沟道MOS管VQ3的S极之间连接二极管D3，所述N沟道MOS管VQ4的D极和N沟道MOS管VQ4的S极之间连接二极管D4，所述N沟道MOS管VQ5的D极连接电池Ud的正极，所述N沟道MOS管VQ5的S极连接N沟道MOS管VQ6的D极，所述N沟道MOS管VQ6的S极连接电池Ud的负极，所述N沟道MOS管VQ5的D极和N沟道MOS管VQ5的S极之间连接二极管D5，所述N沟道MOS管VQ6的D极和N沟道MOS管VQ6的S极之间连接二极管D6，所述N沟道MOS管VQ1的G极、N沟道MOS管VQ2的G极、N沟道MOS管VQ3的G极、N沟道MOS管VQ4的G极、N沟道MOS管VQ5的G极、N沟道MOS管VQ6的G极都连接驱动芯片，所述驱动芯片连接主控芯片，所述电机M的W端连接N沟道MOS管VQ5的S极，所述电机M的V端连接N沟道MOS管VQ3的S极，所述电机M的U端连接N沟道MOS管VQ1的S极。

4.一种用于电动滑板的电子调速器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)预定位，所述预定位为设置占空比为30％的PWM波来启动电机M和电机M的30ms的预定位时间；

2)开环加速；

3)闭环加速。

5.根据权利要求4所述一种用于电动滑板的电子调速器的控制方法，其特征在于，所述开环加速为将电机M进行四次滞后换相。

6.根据权利要求4所述一种用于电动滑板的电子调速器的控制方法，其特征在于，所述闭环加速为根据反电动势检测模块检测到电机M的相位信息将电机M进行换相和调节启动电机M的PWM波的占空比。

7.根据权利要求4所述一种用于电动滑板的电子调速器的控制方法，其特征在于，所述四次滞后换相为第一次滞后换相、第二次滞后换相、第三次滞后换相、第四次滞后换相，所述第一次滞后换相与第二次滞后换相间隔时间为6.5ms，所述第二次滞后换相与第三次滞后换相间隔时间为5ms，所述第三次滞后换相与第四次滞后换相间隔时间为3.5ms。

8.根据权利要求1所述一种用于电动滑板的电子调速器，其特征在于，所述电源模块包括12V电源电路、5V电源电路、3.3V电源电路，所述12V电源电路连接5V电源电路，所述5V电源电路连接3.3V电源电路，所述12V电源电路包括LM7812芯片U4、极性电容EC6、极性电容EC5、电容C2、电容C3，所述LM7812芯片U4的1管脚连接30V电源VCC，所述30V电源VCC通过极性电容EC6连接地信号GND，所述极性电容EC6与电容C2相并联，所述LM7812芯片U4的2管脚和4管脚连接地信号GND，所述LM7812芯片U4的3管脚通过极性电容EC5连接地信号GND，所述极性电容EC5与电容C3相并联，所述LM7812芯片U4的3管脚为12V电源输出端；所述5V电源电路包括LM7805三端稳压器U2、极性电容EC2、极性电容EC1、电容C10、电容C11，所述LM7805三端稳压器U2的1管脚连接12V电源输出端，所述LM7805三端稳压器U2的1管脚通过极性电容EC2连接地信号GND，所述极性电容EC2与电容C10相并联，所述LM7805三端稳压器U2的2管脚和4管脚都连接地信号GND，所述LM7805三端稳压器U2的3管脚通过极性电容EC1连接地信号GND，所述极性电容EC1与电容C11相并联，所述LM7805三端稳压器U2的3管脚为5V电源输出端；所述3.3V电源电路包括SP1117芯片U1、电容C12、极性电容EC3，所述SP1117芯片U1的3管脚连接5V电源输出端，所述SP1117芯片U1的1管脚连接地信号GND，所述SP1117芯片U1的2管脚通过电容C12连接地信号GND，所述电容C12与极性电容EC3相并联。

9.根据权利要求6所述一种用于电动滑板的电子调速器的控制方法，其特征在于，所述调节启动电机M的PWM波的占空比为15％到30％。