专利名称：手推电动车的均速控制装置及其工作方法
技术领域：
本发明涉及电动车的均速控制的技术领域，具体是ー种手推电动车的均速控制装置及其工作方法。
背景技术：
电动助力型手推小车(如高尔夫球车、手推残疾车等手推电动车)使用电瓶、直流电机加控制器，以用户手扶持掌握方向的方式工作，上面载有重物(如高尔夫球车放置多根球杆、球或其它物品，重量可达20Kg以上)，为了减少用户的推力，通过调节速度旋钮改变直流电机的速度高低，以便使电动车车速与用户步行速度一致。但这种电动车在使用吋，一旦电机的输出力矩速度调节好后便是恒定的，当遇到阻カ大的地面(如凹坑、草地等)上车速·变慢；当遇到较光滑的地面，则车速较快，使用户时需要加快步伐，有时需要减慢步伐或不停调节速度旋钮，以保证车速与用户的步伐一致，特别在下坡的情况下由于车载物体的重力作用，需要用户需跑步跟踪，从而给使用带来了诸多不便。如何解决上述手推电动车在不同路面(如凹坑、草地、下坡等)行驶时的均速控制的问题，是本领域的技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供ー种在不同路面行驶时适于保持匀速的手推电动车均速控制装置及其工作方法。为解决上述技术问题，本发明提供了一种手推电动车的均速控制装置，包括直流电机，用于驱动所述手推电动车上的ー车轮；
中央控制器，与ー霍尔传感器相连，以采集所述直流电机的转速；
车速设定电路，与所述中央控制器相连，用于设定手推电动车的车速；
PWM脉冲放大电路，与所述中央控制器的PWM脉冲信号输出端相连；
开关电路，该开关电路的控制信号输入端与所述PWM脉冲放大电路的脉冲信号输出端相连，开关电路的电源输出端与所述直流电机的电源输入端相连；
所述中央控制器根据测得的手推电动车的车速与所述车速设定电路设定的车速的大小关系，控制输出的所述PWM脉冲信号的占空比，开关电路根据所述PWM脉冲信号的占空比及所述车速驱动所述直流电机工作在电动状态或制动发电状态。所述的均速控制装置的工作方法包括
在所述PWM脉冲信号的作用下，开关电路的电源输出端产生驱动电压Uab，且所述PWM脉冲信号的占空比与所述驱动电压Uab构成正比例关系；
当所述驱动电压Uab大于所述直流电机的反电动势Um时，所述直流电机工作在电动状态；当所述驱动电压Uab小于所述直流电机的反电动势Um时，所述直流电机工作在制动发电状态；
手推电动车的车身后端设有手推杆，车身与手推杆之间设有与所述中央控制器相连的压カ传感器；
当所述中央控制器通过该压カ传感器测得所述手推杆上存在推力时，增大所述PWM脉冲信号的占空比，直至测得所述手推杆上的推力为零时，保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变；
当所述中央控制器通过该压カ传感器测得所述手推杆上存在拉カ时，减小所述PWM脉冲信号的占空比，直至测得所述手推杆上的拉カ为零时，保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变；
中央控制器上连接有ー控制开关，用于设定中央控制器仅根据车速设定电路输出的车速设定信号控制实时车速，或仅根据所述压カ传感器的输出控制实时车速。进ー步，手推电动车的车身后端设有手推杆，车身与手推杆之间设有与所述中央控制器相连的压カ传感器。当所述中央控制器通过该压カ传感器测得所述手推杆上存在推カ时，增大所述PWM脉冲信号的占空比，直至测得所述手推杆上的推力为零时，保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变；当所述中央控制器通过该压カ传感器测得所述手推杆上存在拉カ时，减小所述PWM脉冲信号的占空比，直至测得所述手推杆上的拉カ为零时，保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变；中央控制器上连接有ー控制开关，用于设定中央控制器仅根据车速设定电路输出的车速设定信号控制实时车速，或仅根据所述压カ传感器的输出控制实时车速。当实时车速与所述设定的车速之差小于预设值时，所述中央控制器进入双脉冲宽度分时输出的工作模式，即所述中央控制器根据实时车速，先后循环输出相应占空比的适于控制所述直流电动机处于电动状态的PWM脉冲信号即电动脉冲和发电制动状态的PWM脉冲信号即制动脉冲，同时比较实时车速与所述设定的车速的大小，并相应调整输出的所述电动脉冲和制动脉冲的时间长度，直至实时车速等于所述设定的车速且输出的所述电动脉冲或制动脉冲的时间为零。本发明具有积极的效果(I)本发明的手推电动车的均速控制装置，针对电动车下坡加速的缺点，利用单片机检测电动机转速大小，采用适于使直流电机制动放电的PWM驱动电路，由单片机通过调整PWM脉冲信号的占空比，使小车轮流工作在电动和制动两种状态下自动调整小车速度，始終保持设定的车速。(2)本发明中，通过检测手推电动车的手推杆上的推力，自动调整小车速度，以使车速始終与推行者的歩行速度保持一致。压カ传感器发出的力大小信号经过放大后，送单片机A/D转换，单片机根据转换数值，发出不同脉冲宽度的PWM脉冲，脉冲经过功率放大后驱动电机工作在相应的转速下。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进ー步详细的说明，其中
图I为直流电机的电动和制动发电原理 图2为实施例中的与直流电机相连的开关电路的电路原通图；、图3为实施例中的直流电机处于电动状态时的电流回路示意 图4为实施例中的直流电机处于制动发电状态时的电流回路示意 图5为实施例中的直流电机处于电动状态时中央控制器送至第一 VMOS开关管VT1、第ニ VMOS开关管VT2的栅极上的PWM脉冲信号的波形 图6为实施例中的直流电机处于制动发电状态时中央控制器送至第一 VMOS开关管VTl、第二 VMOS开关管VT2的栅极上的PWM脉冲信号的波形 图7为实施例中的手推电动车的俯视 图8为实施例中的手推电动车的均速控制装置的电路原理图； 图9为实施例中的所述均速控制装置中的压カ传感器及其信号放大电路的原理 图10为实施例中的所述均速控制装置中的中央控制器的程序框图。
具体实施例方式本实施例的手推电动车的均速控制装置包括直流电机，用于驱动所述手推电动车上的ー车轮；中央控制器，与ー霍尔传感器相连，以采集所述直流电机的转速；车速设定电路，与所述中央控制器相连，用于设定手推电动车的车速；PWM脉冲放大电路，与所述中央控制器的PWM脉冲信号输出端相连；开关电路，该开关电路的控制信号输入端与所述PWM脉冲放大电路的脉冲信号输出端相连，开关电路的电源输出端与所述直流电机的电源输入端相连；所述中央控制器根据测得的手推电动车的车速与所述车速设定电路设定的车速的大小关系，控制输出的所述PWM脉冲信号的占空比，开关电路根据所述PWM脉冲信号的占空比及所述车速驱动所述直流电机工作在电动状态或制动发电状态。在所述PWM脉冲信号的作用下，开关电路的电源输出端产生驱动电压UAB，且所述PWM脉冲信号的占空比与所述驱动电压Uab构成正比例关系；当所述驱动电压Uab大于所述直流电机的反电动势Um时，所述直流电机工作在电动状态；当所述驱动电压Uab小于所述直流电机的反电动势Um时，所述直流电机工作在制动发电状态。所述PWM脉冲放大电路包括第一、第二和第三反向缓冲放电器IC3、IC5、IC6，第一、第二反向缓冲放电器IC3、IC5的信号输入端与所述中央控制器的PWM脉冲信号输出端相连，第二反向缓冲放电器IC5的信号输出端与第三反向缓冲放电器IC6的信号输入端相连，第一、第三反向缓冲放电器IC3、IC6的信号输出端即为所述PWM脉冲放大电路的脉冲信号输出端；第一、第二和第三反向缓冲放电器IC3、IC5、IC6的信号输出端分别经第一、第二和第三电阻Rl、R2和R3与一 +5V直流源相连。所述开关电路包括第一、第二 VMOS开关管VT1、VT2和第一、第二快恢复ニ极管D1、D2 ;所述第一、第三反向缓冲放电器IC3、IC6的信号输出端分别与第二、第一 VMOS开关管VT2、VT1的栅极相连，第一 VMOS开关管VTl源极与ー蓄电池的正极相连，第一 VMOS开关管VTl的漏极与第二 VMOS开关管VT2的源极相连，第二 VMOS开关管VT2的漏极与所述蓄电池的负极相连 ，第一 VMOS开关管VTl的漏极与源极分别与所述第一快恢复ニ极管Dl的阳极与阴极相连，第二 VMOS开关管VT2的漏极与源极分别与所述第二快恢复ニ极管D2的阳极与阴极相连；所述直流电机的负极、正极分别与所述直流电源的负极和第一 VMOS开关管VTl的漏极相连。如图7，手推电动车的车身I的后端设有手推杆2，车速设定电路中的控制旋钮设于该手推杆2的末端。车身I与手推杆2之间设有与所述中央控制器相连的压カ传感器。中央控制器上相连有ー控制开关K，用于设定中央控制器仅根据车速设定电路输出的车速设定信号控制实时车速，或仅根据所述压カ传感器的输出控制实时车速。当所述中央控制器通过该压カ传感器测得所述手推杆上存在推力时，增大所述PWM脉冲信号的占空比，直至测得所述手推杆上的推力为零时，保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变；其中，PWM脉冲信号的占空比的增大幅度与所述推力成正比，具体的參数可通过实验得出。也可使所述占空比每次增加5-10%。当所述中央控制器通过该压カ传感器测得所述手推杆上存在拉カ时，减小所述PWM脉冲信号的占空比，直至测得所述手推杆上的拉カ为零吋，保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变。其中，PWM脉冲信号的占空比的增大幅度与所述拉カ成正比，具体的參数可通过实验得出。也可使所述占空比每次减小5-10%。所述直流电机的正极与所述第一 VMOS开关管VTl的漏极之间串联有电流表A，该电流表A的电流方向信号输出端与所述中央控制器的电机工作状态检测端相连；当电流表A输出正电平吋，所述直流电机工作在电动状态；当电流表A输出负电平吋，所述直流电机 工作在制动发电状态；当电流表A输出零电平时，所述驱动电压Uab等于所述直流电机的反电动势Um。所述中央控制器通过霍尔传感器检测手推电动车的实时车速，当实时车速高于所述车速设定电路的设定数值时，根据所述实时车速高于所述设定数值的比例，相应减小输出的所述PWM脉冲信号的占空比(即实时车速高于所述设定数值的比例越大，相应减小的所述占空比幅度就越大，例如若所述实时车速比所述设定数值高10%，则相应减小所述占空比10%) ;1_3秒后，若测得实时车速仍然高于所述设定数值时，再次根据所述实时车速高于所述设定数值的比例，相应减小所述占空比(例如若此时的车速比所述设定数值高5%，则相应减小当前的PWM脉冲信号的占空比5%)，若此时的车速与所述设定数值的差值的绝对值在所述设定数值的2%以内，则判断此时的实时车速等于所述车速设定电路的设定数值，则保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变。当所述实时车速低于所述设定数值时，根据所述实时车速低于所述设定数值的比例，相应增大输出的所述PWM脉冲信号的占空比(即实时车速低于所述设定数值的比例越大，相应增大的所述占空比的幅度就越大，例如若所述实时车速比所述设定数值低10%，则相应增大所述占空比10%) ; 1-3秒后，若测得所述实时车速仍然低于所述设定数值时，再次根据所述实时车速低于所述设定数值的比例，相应增大所述占空比，如此反复，直至所述实时车速等于所述车速设定电路的设定数值时，保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变。当所述中央控制器通过所述电流表A测得直流电机处于制动发电状态，且测得所述车速低于设定数值时，增大所述PWM脉冲信号的占空比，直至测得所述电流表A输出零电平时，保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变；然后在1-3秒内，若测得所述实时车速持续增大时，则判断当前车辆处于下坡道上；同时，根据单位时间内的速度増量计算加速度；当测得的实时车速达到所述车速设定电路的设定数值时，根据当前的实时车速和所述加速度，相应降低所述PWM脉冲信号的占空比，以使所述直流电机工作在制动发电状态，并使当前车辆的加速度为零。车速设定电路包括电阻R4和带旋钮型可变电阻R5 ;通过改变电阻R5的阻止，即可调整相应的车速设定值。压カ传感器包括金属丝型电阻应变片Rll、R12、R13和R14，与该压カ传感器的信号输出端相连的信号放大电路包括高输入阻抗型运放IC7 (型号为LF356)。当压カ传感器受压カ吋，电阻应变片Rll和R13的内阻变小，R12和R14的内阻变大，运放IC7输出负电压；当压カ传感器拉压カ吋，电阻应变片Rll和R13的内阻变大，R12和R14的内阻变小，运放IC7输出正电压。所述中央控制器为单片机ICl，其采用内部具有FLASH程序存储器和4路A/D转换器和4路PWM脉冲发生器的P87LPC768芯片，IC2为集成稳压芯片7805，第一、第二和第三反向缓冲放电器IC3、IC5、IC6使用OC门电路(型号为7406)，霍尔传感器包括可采用开关型集成霍尔电路IC4 (型号为6837)，快恢复ニ极管使用FR304，VMOS可采用IRF540。图I中，第一、三象限的电机正转和反转是工作在电动状态(即电机输出正扭矩)，而第二、四象限是工作在发电制动状态(即电机输出负扭矩)。
以采用图2有制动的不可逆PWM驱动方式为例，Us为即蓄电池，Uil、Ui2分别为VT2和VT2的驱动电压，如图5所示，通过PWM脉冲放大电路输出两组反向的PWM脉冲信号，保证VT1、VT2不同时导通。图3为直流电机M工作在电动状态的电流方向，在PWM脉冲的0_tl (图5所示)阶段VTl导通，电流依次流经Us+、VT1、M和Us-，电机M处于电动状态如图3中回路I所示；在PWM脉冲的tl-t2 (图5所示)阶段VTl截止，电源被截断，电枢绕组的自感电动势使电流从续流ニ极管D2形成回路如图3中回路2所示，电机M仍处于电动驱动状态，尽管此时VT2栅极为高电平Ui2，但由于D2的嵌位作用VT2并不导通。当PWM脉冲的占空比逐渐变小(如图6所示)，直到加在直流电机上的正向平均电压Uab小于直流电机的反电动势UM，此时，直流电机的电流反向流动，产生制动转矩。图6中的Ο-tl阶段，VTl导通，直流电机工作在再生制动状态，电流的流动如图4中回路3所示，对电源充电；图6的tl-t2阶段，VT2导通，直流电机工作在能耗制动状态，电流的流动如图4中回路4所示；
当实时车速与所述设定的车速之差小于预设值时，且在控制直流电机进入制动状态时，可能将会引起过度减小速度的情况下，可采用电动和制动分时交替驱动的工作模式(双脉冲宽度分时输出的工作方式)，即所述中央控制器根据实时车速，先后循环输出相应占空比的适于控制所述直流电动机处于电动状态的PWM脉冲信号(即电动脉冲)和发电制动状态的PWM脉冲信号(即制动脉冲)，同时比较实时车速与所述设定的车速的大小，并相应调整输出的所述电动脉冲和制动脉冲的时间长短，在2-3秒仍然不能满足匀速要求时，再相应调整电动脉冲和制动脉冲的占空比(即若实时车速大于所述设定的车速，则分别减小电动脉冲的占空比，增大制动脉冲的占空比；反之，则分别增大电动脉冲的占空比，减小制动脉冲的占空比)，直至实时车速等于所述设定的车速且输出的所述电动脉冲或制动脉冲的时间为零。图7为手推电动车的俯视图，其中測定速度是使用霍尔传感器，其包括开关型霍尔元件5和磁铁4，霍尔元件5安装在电机固定机身上，霍尔元件5的输出接到单片机中断口上(具体电路结构见图8)，与之相对的车3的转轴上一周均匀安装有4个磁铁4，这样车轮每转动ー圈，将产生4个中断脉冲，转速的检测采用中断计数方法，即在收到中断信号后开始循环计数，再次收到中断信号停止上次计数、启动下次计数，并将两次计数数值进行比较后确定速度的变化。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同 形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
权利要求
1.一种手推电动车的均速控制装置，其特征在于包括 直流电机，用于驱动所述手推电动车上的一车轮； 中央控制器，与一霍尔传感器相连，以采集所述直流电机的转速； 车速设定电路，与所述中央控制器相连，用于设定手推电动车的车速； PWM脉冲放大电路，与所述中央控制器的PWM脉冲信号输出端相连； 开关电路，该开关电路的控制信号输入端与所述PWM脉冲放大电路的脉冲信号输出端相连，开关电路的电源输出端与所述直流电机的电源输入端相连； 所述中央控制器根据测得的手推电动车的车速与所述车速设定电路设定的车速的大小关系，控制输出的所述PWM脉冲信号的占空比，开关电路根据所述PWM脉冲信号的占空比及所述车速驱动所述直流电机工作在电动状态或制动发电状态。
2.根据权利要求2所述的手推电动车的均速控制装置，其特征在于所述PWM脉冲放大电路包括第一、第二和第三反向缓冲放电器(IC3、IC5、IC6),第一、第二反向缓冲放电器(IC3、IC5)的信号输入端与所述中央控制器的PWM脉冲信号输出端相连，第二反向缓冲放电器(IC5)的信号输出端与第三反向缓冲放电器(IC6)的信号输入端相连,第一、第三反向缓冲放电器(IC3、IC6)的信号输出端即为所述PWM脉冲放大电路的脉冲信号输出端； 第一、第二和第三反向缓冲放电器(IC3、IC5、IC6)的信号输出端分别经第一、第二和第三电阻(Rl、R2和R3)与一 +5V直流源相连。
3.根据权利要求3所述的手推电动车的均速控制装置，其特征在于所述开关电路包括第一、第二 VMOS开关管(VT1、VT2)和第一、第二快恢复二极管(D1、D2);所述第一、第三反向缓冲放电器(IC3、IC6)的信号输出端分别与第二、第一 VMOS开关管(VT2、VT1)的栅极相连，第一 VMOS开关管(VTl)源极与一蓄电池的正极相连，第一 VMOS开关管(VTl)的漏极与第二 VMOS开关管(VT2)的源极相连，第二 VMOS开关管(VT2)的漏极与所述蓄电池的负极相连； 第一 VMOS开关管(VTl)的漏极与源极分别与所述第一快恢复二极管(Dl)的阳极与阴极相连，第二 VMOS开关管(VT2)的漏极与源极分别与所述第二快恢复二极管(D2)的阳极与阴极相连； 所述直流电机的负极、正极分别与所述直流电源的负极和第一 VMOS开关管(VTl)的漏极相连。
4.根据权利要求I所述的手推电动车的均速控制装置的工作方法，其特征在于包括 在所述PWM脉冲信号的作用下，开关电路的电源输出端产生驱动电压Uab，且所述PWM脉冲信号的占空比与所述驱动电压Uab构成正比例关系； 当所述驱动电压Uab大于所述直流电机的反电动势Um时，所述直流电机工作在电动状态；当所述驱动电压Uab小于所述直流电机的反电动势Um时，所述直流电机工作在制动发电状态； 当实时车速与所述设定的车速之差小于预设值时，所述中央控制器进入双脉冲宽度分时输出的工作模式，即所述中央控制器根据实时车速，先后循环输出相应占空比的适于控制所述直流电动机处于电动状态的PWM脉冲信号即电动脉冲和发电制动状态的PWM脉冲信号即制动脉冲，同时比较实时车速与所述设定的车速的大小，并相应调整输出的所述电动脉冲和制动脉冲的时间长度，直至实时车速等于所述设定的车速且输出的所述电动脉冲或制动脉冲的时间为零。
5.根据权利要求4所述的手推电动车的均速控制装置的工作方法，其特征在于手推电动车的车身后端设有手推杆，车身与手推杆之间设有与所述中央控制器相连的压力传感器； 当所述中央控制器通过该压力传感器测得所述手推杆上存在推力时，增大所述PWM脉冲信号的占空比，直至测得所述手推杆上的推力为零时，保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变； 当所述中央控制器通过该压力传感器测得所述手推杆上存在拉力时，减小所述PWM脉冲信号的占空比，直至测得所述手推杆上的拉力为零时，保持当前的PWM脉冲信号的占空比不变； 中央控制器上连接有一控制开关，用于设定中央控制器仅根据车速设定电路输出的车速设定信号控制实时车速，或仅根据所述压力传感器的输出控制实时车速。
全文摘要
本发明涉及一种在不同路面行驶时适于保持匀速的手推电动车的均速控制装置及其工作方法，均速控制装置包括直流电机、与一霍尔传感器相连的用于采集直流电机的转速的中央控制器、车速设定电路、PWM脉冲放大电路和开关电路；中央控制器根据测得的手推电动车的车速与车速设定电路设定的车速的大小关系，控制输出的PWM脉冲信号的占空比，开关电路根据PWM脉冲信号的占空比及车速驱动直流电机工作在电动状态或制动发电状态；在PWM脉冲信号的作用下，开关电路的电源输出端产生驱动电压UAB，且PWM脉冲信号的占空比与驱动电压UAB构成正比例关系；当驱动电压UAB大于直流电机的反电动势UM时，直流电机工作在电动状态。
文档编号H02P7/29GK102710196SQ20121019644
公开日2012年10月3日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者杨龙兴 申请人:江苏技术师范学院