大功率汽車電渦流緩速器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉劍濱

摘要：本文提出一種基于多路線圈勵(lì)磁控制的大功率汽車電渦流緩速器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用PWM技術(shù)，對4路勵(lì)磁線圈的電流進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對大型車輛的電子剎車，以取代剎車片的物理摩擦。該系統(tǒng)最大單路勵(lì)磁電流可達(dá)20A， 4路勵(lì)磁線圈累計(jì)可提供高達(dá)1920W的制動(dòng)功率，具有過流保護(hù)、過熱保護(hù)、各類便捷輸入、輸出功能。該系統(tǒng)已研發(fā)成功，并在當(dāng)?shù)毓卉嚿蠌V泛使用，功能完善，性能可靠。

Abstract： This paper proposes a control system for high-power automotive eddy current retarder based on multi-channel coil excitation control. The system uses PWM technology to modulate the current of the four excitation coils to achieve electronic braking of large vehicles to replace the physical friction of the brake pads. The maximum single-channel excitation current of the system can reach 20A， and the 4-way excitation coil can provide up to 1920W of braking power. It has over-current protection， over-temperature protection， and various convenient input and output functions. The system has been successfully developed and widely used on local buses， with complete functions and reliable performance.

關(guān)鍵詞：電渦流緩速器;勵(lì)磁線圈;ATmega48;BTS550P

Key words： eddy current retarder;excitation coil;ATmega48;BTS550P

0? 引言

在城市行駛的公交車，需要頻繁的減速和剎車，對剎車皮的損耗很大，每輛公交車每年用在更換、維護(hù)剎車皮的費(fèi)用至少上千元，為此，公交車急需一種無損耗的剎車裝置以降低運(yùn)行成本[1]。為順應(yīng)市場，本設(shè)計(jì)開發(fā)一款電渦流緩速器控制系統(tǒng)，并在無錫公交車上逐步推廣。

1? 電渦流緩速器簡介

電渦流緩速器是一種高效汽車制動(dòng)輔助裝置，采用電磁感應(yīng)原理，將汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，達(dá)到使汽車減速的目的[2]。電渦流緩速器主要由控制系統(tǒng)、定子線圈、轉(zhuǎn)子三部分構(gòu)成，控制系統(tǒng)輸出PWM電流到定子線圈，線圈產(chǎn)生磁場，磁場阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，使汽車減速。通過控制線圈電流大小，可以控制磁場強(qiáng)弱，從而控制減速效果[3]。電渦流緩速器如圖1。

控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的擋位信號以及速度信號計(jì)算出所需的制動(dòng)力，并控制勵(lì)磁電流的輸出產(chǎn)生磁場，在轉(zhuǎn)子周圍形成電磁渦流，電磁渦流的大小由控制系統(tǒng)的輸出電流決定。渦流形成的磁場產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的轉(zhuǎn)矩，由于作用與反作用的關(guān)系，轉(zhuǎn)子則產(chǎn)生一個(gè)與自己轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩，電磁渦流對轉(zhuǎn)子的剎車效果，還與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度成正比[4]。

轉(zhuǎn)子安裝在后輪傳動(dòng)軸的兩端，相當(dāng)于給傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)施加了一個(gè)制動(dòng)力矩，達(dá)到減速的效果。緩速器所需電流直接由汽車蓄電池供給。控制系統(tǒng)安放在汽車車底后橋，盡量靠近定子線圈，以降低工作時(shí)大電流情況下傳輸線上的功率損耗。駕駛員控制臺安裝在駕駛室中，通過10米長的線束將駕駛員控制臺的控制信號傳入控制系統(tǒng)，同時(shí)把控制系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)通過指示燈的形勢反饋到駕駛員控制臺。

電渦流緩速器有如下優(yōu)點(diǎn)：

①汽車在頻繁的減速和剎車時(shí)，通過電渦流緩速器提供阻力，從而減少剎車皮的損耗，降低汽車運(yùn)營成本。

②電渦流緩速器通過給定子線圈提供均衡、可調(diào)、較高頻率的PWM脈沖，使得剎車效果類似于較高頻率的ABS剎車，從而使剎車平穩(wěn)，防止輪胎打滑，提高了安全性和乘客的舒適性。

③在高速或者緊急情況下，電渦流緩速器作為輔助剎車裝置，為普通剎車裝置提供額外的制動(dòng)力，從而減短剎車距離，提高安全性。

定子線圈、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與普通電機(jī)類似，本文不再累述，下文重點(diǎn)講述電渦流緩速器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2? 電渦流緩速器控制系統(tǒng)的電路實(shí)現(xiàn)

電渦流緩速器控制系統(tǒng)是整個(gè)電渦流緩速器的核心，包括MCU、勵(lì)磁電流輸出電路、過流保護(hù)電路[5]、速度模擬電路、信號輸入電路、信號輸出電路等，完整的電路原理圖見圖6。

2.1 MCU單片機(jī)

本設(shè)計(jì)采用美國ATEML公司的ATmega48芯片，這是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，為RISC指令結(jié)構(gòu)，指令豐富，運(yùn)行效率高。該芯片具有4K字節(jié)的可編程Flash，擦寫壽命高達(dá)10，000次，容量足以滿足電渦流緩速器的編程需要，F(xiàn)lash芯片在開發(fā)階段可以減少芯片損耗，降低開發(fā)成本，未來軟件需要更改時(shí)也不用更換芯片，直接燒入新程序即可，方便產(chǎn)品升級。該芯片內(nèi)置256字節(jié)的EEPROM，在掉電情況下，可以保存一些需要保存的設(shè)置，不需要單獨(dú)外掛EEPROM，節(jié)約了電路空間和成本，同時(shí)避免了外掛EEPROM可能會存在的讀寫干擾風(fēng)險(xiǎn)。該芯片有6通道獨(dú)立的PWM口，利用其中4通道，可以方便的對4個(gè)定子線圈電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。該芯片的23個(gè)IO口可以滿足輸入輸出信號的要求，8路10位ADC口可以滿足4路輸出電流檢測以及控制器溫度檢測的要求。該芯片屬于工業(yè)級芯片，工作溫度范圍-40℃至85℃，芯片具有較強(qiáng)的抗干擾能力，足以應(yīng)對車內(nèi)惡劣的使用環(huán)境。該芯片的詳細(xì)資料可以從ATMEL公司提供的用戶手冊上查找，本文不做詳述。

2.2 勵(lì)磁電流輸出電路

勵(lì)磁電流輸出電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，電路如圖2。

勵(lì)磁電流輸出電路的核心是英飛凌公司的BTS550P大功率智能開關(guān)管（PROFET Smart Highside High Current Power Switch）。開關(guān)管是P-MOS 管，最大耐壓Vbb=62V，最大輸出電壓Von=44V，最大負(fù)載電流I=115A，足以滿足緩速器的要求，此功率管還具有過載保護(hù)，短路保護(hù)，過熱保護(hù)，過壓保護(hù)，電流檢測功能。

BTS550的Vbb接電池正極（24V），OUT輸出IL給定子線圈勵(lì)磁，定子線圈反向并聯(lián)大功率二極管MBR4045，在OUT停止輸出時(shí)給線圈提供續(xù)流通道，防止線圈產(chǎn)生的反向電壓擊穿OUT。IN是控制腳，低電平有效，IN低電平則OUT輸出，IN高電平則OUT停止。Is是電流檢測腳，Is流出電流和負(fù)載電流IL成正比，

本設(shè)計(jì)中，BTS550P能根據(jù)OUT的負(fù)載電流IL，在Is輸出相應(yīng)的采樣電流，采樣電流通過采樣電阻R31，產(chǎn)生采樣電壓Is_AD。考慮到負(fù)載勵(lì)磁線圈大電流的通斷會產(chǎn)生極大的電磁干擾，本設(shè)計(jì)用光偶把勵(lì)磁電流輸出電路進(jìn)行隔離，防止干擾影響控制器其他部分。

本設(shè)計(jì)中，電渦流緩速器單個(gè)線圈額定電流20A，輸出電壓24V，4路線圈功率最大可達(dá)1920W，所以勵(lì)磁電流輸出電路的供電采用獨(dú)立電源線，并在PCB上用銅柱取電，不和邏輯控制部分共用電源線，以免影響控制系統(tǒng)其余部分的電源穩(wěn)定。為了保障控制系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，消除雜波，本設(shè)計(jì)在4個(gè)BTS550P的中間位置，均勻放置了10個(gè)1000uF的電解電容E1～E10。

2.3 過流保護(hù)電路

4路勵(lì)磁電流輸出電路產(chǎn)生的4路采樣電壓Is_AD1～4，分別用于讀取電流AD以及產(chǎn)生過流中斷。Is_AD信號一方面給到MCU的AD口，讓MCU讀取精確的勵(lì)磁線圈電流值，為PWM控制提供反饋參數(shù)，該過程屬于定量分析，精度高，但速度慢。另一方面，如果線圈短路，AD的讀取明顯過慢，待到MCU獲取AD值并進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)，控制器或線圈早已燒壞。為此，需要線圈短路保護(hù)電路，以應(yīng)付線圈短路等導(dǎo)致輸出電流突然過大的突發(fā)事件。

過流保護(hù)電路如圖3，核心是一個(gè)比較器，勵(lì)磁電流采樣信號Is_AD和R60，R59的分壓值3.8V比較，如果線圈短路激發(fā)大電流，則比較器立刻輸出下降沿，觸發(fā)MCU中斷，在中斷程序中立刻停止電流驅(qū)動(dòng)PWM輸出。

為了提高響應(yīng)速度，過流保護(hù)電路沒有采用任何濾波電容，因此可能會由于勵(lì)磁電流波動(dòng)導(dǎo)致誤動(dòng)作。為了避免誤動(dòng)作，本設(shè)計(jì)將保護(hù)電流閾值提的較高，遠(yuǎn)離正常工作電流。本設(shè)計(jì)中，中斷觸發(fā)條件Is_AD>3.8V，采樣電阻R31=1K，則Is>3.8mA;根據(jù)公式（1），取K=20000，可知IL>76A，遠(yuǎn)高于額定電流20A;即使考慮各類干擾、誤差，正常工作情況下極難觸發(fā)中斷。反之，假如線圈短路，瞬間數(shù)百A的電流可以輕易觸發(fā)中斷保護(hù)。

2.4 速度模擬電路

本設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)需要的速度信號來自車軸上的速度感應(yīng)器，車輪每轉(zhuǎn)一圈，速度感應(yīng)器送出1個(gè)脈沖，該脈沖的周期TS，車輪周長L除以脈沖周期TS便能得到客車的速度V，

但是在調(diào)試和維修過程中，速度傳感器沒有信號，TS沒有輸入，因此需要一個(gè)脈沖發(fā)生器模擬速度信號。本設(shè)計(jì)采用555電路構(gòu)成多諧振蕩器如圖4，產(chǎn)生一個(gè)固定頻率脈沖來替代速度傳感器。

該電路工作原理：上電后，C31沒電，TR/TH=0V，VDD通過R62、R61對電容C31充電，此時(shí)Vo輸出高電平，DIS截止;當(dāng)TR/TH充電至2/3VDD后，Vo輸出低電平，DIS導(dǎo)通，C31通過R61放電;當(dāng)TR/TH放電至1/3VDD后，Vo輸出高電平，DIS截止，R62、R61對電容C31充電;如此往復(fù)對C31充、放電，在Vo輸出固定頻率的脈沖，該脈沖頻率f由R61，R62，C31決定。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其余電路部分相對簡單，詳情見圖6，不做贅述。

3? 電渦流緩速器控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 勵(lì)磁線圈的PWM控制[6]

輸出共4個(gè)線圈，為了保持制動(dòng)力的平衡，每個(gè)線圈的輸出分別滯后1/4T，波形如圖5，PWM頻率定為100Hz，如果頻率過低，則用戶會有明顯的剎車震動(dòng)感，頻率過高，則BTS550發(fā)熱嚴(yán)重。

為滿足汽車在不同情況下對制動(dòng)力大小不同的需求，電渦流緩速器設(shè)計(jì)了4個(gè)擋位，每個(gè)檔位有一個(gè)最大PMW占空比，分別對應(yīng)1S=25%，2S=50%，3S=75%，4S=100%，顯然檔位越大，PWM值越大，勵(lì)磁電流越大，剎車力矩也就越大。比如用戶選擇3擋輸入，即3S輸入信號有效，此時(shí)3擋指示燈亮，PWM占空比最大75%。當(dāng)用戶踩下剎車踏板，PWM占空比從0%開始增加，每次增加5%，每次維持50ms，經(jīng)過750ms，PWM占空比達(dá)到最大75%，并一直維持75%不變，直到用戶松開剎車踏板，我們稱之為軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)可以軟化制動(dòng)力，保護(hù)車體。

3.2 恒速模式

為規(guī)范公交駕駛員行車，保持車速的穩(wěn)定性，提高乘客的舒適性，本設(shè)計(jì)包含恒速功能。在選擇1S～4S任意一個(gè)檔位輸入的情況下，按下恒速鍵TA進(jìn)入恒速模式，在該模式下汽車將保持按下恒速鍵TA時(shí)刻的速度行駛。恒速模式下，首先通過TS輸入得到恒速瞬間的速度Va，將Va±2km/小時(shí)作為一個(gè)區(qū)間，當(dāng)前車速Va+2km，則輸出勵(lì)磁電流，增加阻力，使車速降低，最終達(dá)到恒速的目的。

要退出恒速模式，把1S～4S檔位輸入全部關(guān)閉一次即可。

3.3 其他保護(hù)功能[7]

①低速保護(hù)：當(dāng)速度<3km/小時(shí)，四路勵(lì)磁電流輸出全部關(guān)閉，以避免不必要的電力浪費(fèi);當(dāng)速度>5km/小時(shí)，四路輸出正常工作。

②過熱報(bào)警：通過熱敏電阻RT1測量控制系統(tǒng)的溫度，當(dāng)溫度>100℃，關(guān)閉所有輸出，指示燈L1～L4閃爍報(bào)警;當(dāng)溫度恢復(fù)<60℃，所有輸出重新正常工作。

③斷路報(bào)警：當(dāng)任意1路勵(lì)磁電流的信號<2A，則意味著線圈可能斷路，沒有電流輸出，系統(tǒng)立刻關(guān)閉所有輸出，指示燈L1～L4閃爍報(bào)警。

④過流報(bào)警：當(dāng)任意1路勵(lì)磁電流的信號>60A，則意味著線圈可能短路，電流異常增大，系統(tǒng)立刻關(guān)閉所有輸出，指示燈L1～L4閃爍報(bào)警。

⑤短路報(bào)警：當(dāng)MCU收到短路中斷信號INT1～I(xiàn)NT4， 系統(tǒng)立刻關(guān)閉所有輸出，指示燈L1～L4閃爍報(bào)警。

4? 結(jié)論

本設(shè)計(jì)已完成，完整的電路圖見圖6。該設(shè)計(jì)已形成產(chǎn)品并投入運(yùn)行，在無錫公交公司試用期間受到駕駛員和公交公司的好評，在大力發(fā)展新能源汽車的背景下，電渦流緩速器作為技術(shù)相對成熟，實(shí)用性很強(qiáng)的細(xì)分領(lǐng)域，具有極佳的推廣價(jià)值。該設(shè)計(jì)繼續(xù)研究下去，可考慮將剎車產(chǎn)生的能量進(jìn)行回收，給電池反向充電，意義更加重大。

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