电动控制器压力测试系统设计

电动自行车控制器压力测试系统设计

目录

1. 背景 ................................................................................................................................... 2

2. 电动控制器原理 ............................................................................................................... 3

2.1控制器结构 ..................................................................................................................... 3

控制输入模块 ................................................................................................................... 3

核心控制模块 ................................................................................................................... 3

2.2主体功能 ......................................................................................................................... 4

3. 压力测试系统设计 ........................................................................................................... 5

3.1功能设计 ......................................................................................................................... 5

3.2硬件原理设计 ................................................................................................................. 6

3.3软件设计 ......................................................................................................................... 7

1. 背景

电动自行车中影响质量的关键部件是电机和控制器，控制器是电动自行车的大脑，它的质量影响到电机、电源的寿命，还与行车的安全性和平稳性关系密切。控制器的质量由其控制特性和可靠性两方面决定。控制特性主要指电机运转的平稳性、调速特性和负载能力。运转的平稳性除与电机机械和装配质量有一定的关系外，还与控制器、电机间的匹配及采用的控制技术和软件设计有密切的关系。而控制器的可靠性与软件系统设计、采用的元器件、电路设计、装配质量等因素有关。

可靠性是控制器重要特性，要提高可靠性必须有专业的测试方法对控制器的可靠性进行检查，但是当前的测试仪器大部分都是对控制器的功能进行手动的测试，缺乏自动的压力测试系统，因此为了解决这个问题，而设计了电动控制器压力测试系统。

2. 电动控制器原理

2.1控制器结构

控制器由控制信号输入模块，核心处理模块和状态显示模块三大部分组成。

控制输入模块

制信号输入模块包括刹车信号，调速信号，巡航信号三个输入信号，它们分别起到刹车、加速/减速和巡航的作用。

核心控制模块

核心控制模块的核心是单片机和控制软件系统，它将手柄上的控制输入信号转换成对电机的控制信号控制电机的运转，它除了完成输出无刷直流电机运转需要的PWN信号外，还必须完成制动断电、欠压保护、过流保护盒限速保护几个功能。 2.2主体功能

一般来说，控制器的主体功能包含以下几个部分：

 PWN信号输出

直流电机的调速是通过调节脉冲波的占空比来改变定子绕组平均电压V来实现的，PWM（脉宽调制）是调节其占空比的一种常用方式。常用PWM调制方式分为全桥PWM调制方式和半桥PWM调制方式。全桥PWM调制方式是指在任意一个60o区间内，上、下桥臂的功率开关同时进行斩波调制。而半桥PWM调制方式是指在任意一个60o区间内，只有上桥臂或下桥臂的功率开关进行斩波调制。与半桥调制方式相比，全桥调制方式降低了系统效率，给散热带来困难。因此，考虑到功率开关的动态损耗，在PWM调制方式上，控制器几乎都采用了半桥调制方式。

 制动断电

电动自行车车把上两个钳形制动手把均安装有接点开关。当制动时，开关被推押闭合或被断开，而改变了原来的开关状态。这个变化形成信号传送到控制电路中，电路根据预设程序发出指令，立即切断基极驱动电流，使功率截止，停止供电。因而，既保护了功率管本身，又保护了电动机，也防止了电源的浪费。

 欠压保护

当放电最后阶段，在负载状态下，电源电压已经接近“放电终止电压”，控制器面板（或仪表显示盘）即显示电量不足，引起骑行者的注意，计划自己的行程。当电源电压已经达到放终时，电压取样电阻将分流信息反馈入比较器，保护电路即按预先设定的程序发出指令，切断电流以保护电子器件和电源。

 过流保护

由于短路、超载或其他原因可能引起电流超过电流上限的情况，电流超限对电机、电源盒电路一系列元器件都可能造成损伤，甚至烧毁，这是绝对应当避免的。控制电路中，必须具备这种过电流的保护功能，在过流时经过一定的延时即切断电流

 限速保护

车速超过某一预定值时，电路停止供电不予助力。对电动型电动自行车而言，统一规定车速为20km/h，车用电动机在设计时，额定转速就已经设定好了，控制电路也已经设好。电动自行车只能在不超过这个速度状态下运行。

3. 压力测试系统设计

3.1功能设计

压力测试的就是通过模拟控制器长时间的工作状态来检查控制器可靠性和稳定性，因此压力测试系统包含下列功能：

 人机交互

人机交互的功能完成测试人员与测试系统的交互，负责将设置模型和参数输入测试系统，包括总共测试时间，运行多长时间刹车，然后又开始重新运行，加速与减速设置，固定速度设置，设置测试结果和打印测试结果

 控制信号模拟

为了让控制器进行工作，需要模拟电动车上的控制信号输入到控制器，控制信号输入模块负责输出，刹车信号，调速信号，巡航信号和霍尔信号，测试系统通过持续间断的输入这些信号来模拟电动车的实际工作状态

 电机模拟

模拟电机的功能主要用于测试功率输出管的可靠性，通过采用等价电阻的形式的来模拟电机的负载，该模块的功能不负责产生霍尔信号，霍尔信号通过控制信号模拟模块输出

 电池模拟

电池模拟模块负责模拟电动车上的电池组，为控制器提供动力，在测试系统中主要模拟电池组的两种状态，一种是电池组电压充足情况，控制器驱动电机正常工作，另一种是欠压保护状态，此时控制器应该切断电池组供电，保护电池组过分放电。

3.2硬件设计

测试系统的硬件包括单片机、存储器、电池模拟模块、电机模拟模块和主机通信模块几个部分。

 单片机系统

单片机采用intel 8031系统，外扩4K RAM作为运行数据存储区，16K ROM作为程序存储区，P0.0-P0.7作为数据和地址复用通道，P2.0-P2.6作为地址选择通道。

与主机采用P3.0,P3.1作为串口通信口，接收主机对测试参数的设置和测试结果数据的返回。

P1口作为单片机的I/O口使用，P1.0产生刹车信号输出到控制器，当控制器接收到刹车信号后，输出到模拟电机上的电压应该降为0，P1.1产生调速信号输出到控制器，控制器加到电机模拟模块上Ua、Ub和Uc上的PWM的占空比应该做出相应的变化；P1.2产生巡航信号，当控制器接收到巡航信号时，它的输出功率保持恒定功率匀速行驶，控制器输出到Ua、Ub和Uc上的PWM占空比应该基本稳定；P1.3，P3.4，P3.5模拟产生电机的霍尔信号，它通过检查Ua、Ub和Uc上的电压变化转换而成。

 电机模拟模块

电机模拟模块通过采用等效电阻的方式来模拟负载，用于测试功率管的可靠性，霍尔信号则通过单片机检测Ua，Ub和Uc上的电压变化来转换生成。

 电池模拟模块

电池模拟模块负责给控制器提供电源，它完成两个功能，一个是模拟电池组的正常工作电压，另一个则是模拟欠压情况下的电压。当模拟电池组正常工作时，三态门处于高阻态，当模拟欠压时，三态门导通，通过调整电阻的大小让加到电阻两端的电压达到电池组非正常电压的状态。

3.3软件设计

测试人员、测试控制主机、单片机和控制器的时序关系

测试控制主机软件设计

 功能设计

 单项测试

单项测试测试人员可以选择重点关注的项进行测试，包括常见刹车测试、加速测试、减速、电池欠压保护测试、过载保护测试五个单项测试，测试人员可以输入测试次数和测试时间，来对控制器进行压力测试和可靠性进行测试。

 综合压力测试

测试人员可以根据测试模型设置测试项目、测试顺序和测试持续时间，比如按照加速→减速→刹车→欠压保护→过载保护顺序，每分钟切换测试信号，持续测试1天。

 测试模版管理

测试模版管理包括模版的新建、修改和删除几个功能，模版的用途就是讲常用的测试模型保持下来，根据需要复用测试模型，减少每次定义测试设置参数的时间。

 输出测试报告

测试系统自动输出测试报告，包括测试项目、测试顺序、信号频率、每项测试次数、测试结果、测试持续时间等。测试人员可以根据需要查询测试过程中，测试失败的前项测试项目和测试时间，进行问题回溯。

 串行通信设置

测试主机与单片机采用串口进行通信，主机将测试参数通过串口设置到单片机，单片机将测试结果通过串行口返回到主机