多档电动机换档控制方法.pdf

一种多档电动机换档控制方法，包括以下步骤：在自动档位切换开关上预设若干个速度档位，至少包括第一速度档位和第二速度档位，且第一速度档位所对应的电动机的转速值小于第二速度档位所对应的电动机的转速值；将自动档位切换开关置于第一速度档位；确认档位选择单元处于自动档状态，启动自动换档功能，以及根据电动机负载的变化，自动调节电动机的转速。还包括以下步骤：确认档位选择单元处于低速档状态，启动匀速行驶功能，以及将自动档位切换开关置于或保持在一个预设的速度档位。本发明提供的多档电动机换档控制方法，采用电子离合方式，自动换档时不产生电弧，能够有效解决电弧对自动开关的损坏，并能根据负载的变化，自动切换电动机档位。

1、  一种多档电动机换档控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在自动档位切换开关上预设若干个速度档位，至少包括第一速度档位和第二速度档位，且第一速度档位所对应的电动机的转速值小于第二速度档位所对应的电动机的转速值；
将自动档位切换开关置于第一速度档位；
确认档位选择单元处于自动档状态，启动自动换档功能，以及
根据电动机负载的变化，自动调节电动机的转速。

2、  根据权利要求1所述的多档电动机换档控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
确认档位选择单元处于低速档状态，启动匀速行驶功能，以及
将自动档位切换开关置于或保持在一个预设的速度档位。

3、  根据权利要求1或2所述的多档电动机换档控制方法，其特征在于所述预设的速度档位为第一速度档位。

4、  根据权利要求1所述的多档电动机换档控制方法，其特征在于所述自动调节电动机的转速包括以下步骤：
检测电动机的转速和电动机的工作电流；
若电动机的转速不小于第一预设转速值且电动机的工作电流不大于第一预设电流值，则提高电动机的转速；
若电动机的转速小于第二预设转速值，或电动机的工作电流大于第二预设电流值，则降低电动机的转速；
确认档位选择单元处于低速档状态，以及
降低电动机的转速。

5、  根据权利要求4所述的多档电动机换档控制方法，其特征在于所述第一预设转速值不大于第二预设转速值；第一预设电流值不小于第二预设电流值。

6、  根据权利要求4所述的多档电动机换档控制方法，其特征在于所述提高电动机的转速包括以下步骤：
控制单元切断电动机绕组回路电流；
等待至少一个第一预设时间间隔；
控制单元发出置第二速度档位指令，以及
自动档位切换开关切换为第二速度档位；
等待至少一个第二预设时间间隔；
控制单元接通电动机绕组回路电流；
电动机以第二速度档位运行。

7、  根据权利要求4所述的多档电动机换档控制方法，其特征在于所述降低电动机的转速包括以下步骤：
控制单元切断电动机绕组回路电流；
等待至少一个第三预设时间间隔；
控制单元发出置第一速度档位指令，以及
自动档位切换开关切换为第一速度档位；
等待至少一个第四预设时间间隔；
控制单元接通电动机绕组回路电流；
电动机以第一速度档位运行。

8、  根据权利要求1所述的多档电动机换档控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
检测控制单元与电源的连接；
若控制单元与电源连接，则启动控制单元；
若控制单元与电源断开连接，则停止控制单元工作。

9、  根据权利要求4所述的多档电动机换档控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
若电动机的转速逐渐升高或电动机的工作电流逐渐减小，则将电动机的转速逐级提高至少一个速度档位；
若电动机的转速逐渐降低或电动机的工作电流逐渐增大，则将电动机的转速逐级降低至少一个速度档位。

多档电动机换档控制方法
技术领域
本发明涉及电动机换档控制方法，特别是一种可用于电动车辆的星形连接多档电动机绕组或串励电动机励磁线圈绕组的多档电动机换档控制方法。
背景技术
目前，电动自行车广泛普及，用于电动自行车的单速电动机往往不能互相兼顾速度和转矩。电动机绕组的换档多采用自动开关，自动开关主要由接触器和继电器等组成，由于自动开关本身的电气特性，在带电切换的过程中，会发生拉弧，容易造成自动开关的损坏。也有一些灭弧的方法和产品，其主要采用无触点继电器和真空灭弧装置，这些装置均因制造工艺复杂、真空环境难以保证、成本高等原因，不能得到广泛的应用。
但由于直流电动机本身的机械特性，转速随着速度的上升而降低。这样使得电动车如果设计较高的转速，则会降低最大输出转矩。如果保证最大转矩的输出，则会降低最高输出的转速。这样的电动车就会出现保证平坦路面高速运转就不能保证爬坡的最大转矩输出。
另外，电动机绕组的换档多采用自动开关，自动开关主要由接触器和继电器等组成，由于自动开关本身的电气特性，在带电切换的过程中，会发生拉弧，容易造成自动开关的损坏。也有一些灭弧的方法和产品，其主要采用无触点继电器和真空灭弧装置，这些装置均因制造工艺复杂、真空环境难以保证、成本高等原因，不能得到广泛的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效解决电弧对自动开关的损坏的多档电动机换档控制方法。
为达到上述目的，本发明的目的可以通过以下技术措施来实现：
一种多档电动机换档控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在自动档位切换开关上预设若干个速度档位，至少包括第一速度档位和第二速度档位，且第一速度档位所对应的电动机的转速值小于第二速度档位所对应的电动机的转速值；将自动档位切换开关置于第一速度档位；确认档位选择单元处于自动档状态，启动自动换档功能，以及根据电动机负载的变化，自动调节电动机的转速。
还包括以下步骤：确认档位选择单元处于低速档状态，启动匀速行驶功能，以及将自动档位切换开关置于或保持在一个预设的速度档位。
所述预设的速度档位为第一速度档位。
所述自动调节电动机的转速包括以下步骤：检测电动机的转速和电动机的工作电流；若电动机的转速不小于第一预设转速值且电动机的工作电流不大于第一预设电流值，则提高电动机的转速；若电动机的转速小于第二预设转速值，或电动机的工作电流大于第二预设电流值，则降低电动机的转速；确认档位选择单元处于低速档状态，以及降低电动机的转速。
所述第一预设转速值不大于第二预设转速值；第一预设电流值不小于第二预设电流值。
所述提高电动机的转速包括以下步骤：控制单元切断电动机绕组回路电流；等待至少一个第一预设时间间隔；控制单元发出置第二速度档位指令，以及自动档位切换开关切换为第二速度档位；等待至少一个第二预设时间间隔；控制单元接通电动机绕组回路电流；电动机以第二速度档位运行。
所述降低电动机的转速包括以下步骤：控制单元切断电动机绕组回路电流；等待至少一个第三预设时间间隔；控制单元发出置第一速度档位指令，以及自动档位切换开关切换为第一速度档位；等待至少一个第四预设时间间隔；控制单元接通电动机绕组回路电流；电动机以第一速度档位运行。
还包括以下步骤：检测控制单元与电源的连接；若控制单元与电源连接，则启动控制单元；若控制单元与电源断开连接，则停止控制单元工作。
还包括以下步骤：若电动机的转速逐渐升高或电动机的工作电流逐渐减小，则将电动机的转速逐级提高至少一个速度档位；若电动机的转速逐渐降低或电动机的工作电流逐渐增大，则将电动机的转速逐级降低至少一个速度档位。
本发明的有益效果是：
本发明提供的多档电动机换档控制方法，采用电子离合方式，自动换档时不产生电弧，能够有效解决电弧对自动开关的损坏，并能根据负载的变化，自动切换电动机档位。该方法所使用的装置制造工艺简单，成本低，利于推广应用。
本发明均可通过现有电子元器件实现，具有很好的通用性，可广泛用于各种所有多档绕组的电动交通工具用电动机及设备电动机。它具有启动力矩大，带负载运行平稳，正常运行区域速度高，且能随负载的增加依次递减切换档位，保证了运行的平稳性和可靠性。
本发明充分利用了无刷永磁直流电动机的特性原理，使电动机能在不同的运行工况条件下处于不同的运行状态之中，满足电动车辆的无刷永磁直流电动机既满足高速行驶的性能要求，又能保证在低速运行条件下和起动时对力矩的性能要求。且控制方便，可通过电动车手柄的旋转实现换档操作。
附图说明
图1为本发明的多档电动机换档控制模块功能原理图。
图2为本发明的多档电动机换档控制信号时序图。
图3为本发明多档电动机换档控制方法流程图。
图4为本发明实施例的四档电动机换档控制执行电路的电路图。
图5是本发明实施例的换档控制信号时序图。
图6是本发明实施例的档位控制状态逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
结合图2、图3，以两档电动机换档控制过程为例。
一种两档电动机换档控制方法，步骤如下：
首先，在自动档位切换开关上预设第一速度档位和第二速度档位，且第一速度档位所对应的电动机的转速值小于第二速度档位所对应的电动机的转速值；
然后，将自动档位切换开关置于第一速度档位；若档位选择单元处于自动档状态，启动自动换档功能，并根据电动机负载的变化，自动调节电动机的转速。若档位选择单元处于低速档状态，启动匀速行驶功能，并将自动档位切换开关置于或保持在第一速度档位。
自动调节电动机的转速时，先检测电动机的转速和电动机的工作电流；若电动机的转速不小于第一预设转速值x转/每分钟且电动机的工作电流不大于第一预设电流值y安培，则提高电动机的转速。提高电动机的转速时：先由控制单元切断电动机绕组回路电流，在第一预设时间间隔a毫秒后，控制单元发出置第二速度档位指令使自动档位切换开关切换为第二速度档位；再经过第二预设时间间隔b毫秒后，控制单元才接通电动机绕组回路电流使电动机以第二速度档位运行。
若电动机的转速小于第二预设转速值X转/每分钟，或电动机的工作电流大于第二预设电流值Y安培，则降低电动机的转速。降低电动机的转速时：先由控制单元切断电动机绕组回路电流，在第三预设时间间隔a毫秒后，控制单元发出置第一速度档位指令使自动档位切换开关切换为第一速度档位；再经过第四预设时间间隔b毫秒后，控制单元才接通电动机绕组回路电流使电动机以第一速度档位运行。
第一预设时间间隔与第三预设时间间隔均为a毫秒；第二预设时间间隔与第四预设时间间隔均为b毫秒。
第一预设转速值x转/每分钟小于第二预设转速值X转/每分钟；第一预设电流值y安培大于第二预设电流值Y安培。
两档电动机换档控制方法，具体工作流程如下：
控制单元发出置第一速度档位信号，接下来自动档位切换开关执行换档动作，切换至第一速度档位。如果控制单元与电源保持接通，则对档位选择单元的档位状态进行判断，如果档位选择单元处于低速档状态，电动机起动，并保持在第一速度档位运行；如果档位选择单元处于自动挡状态，电动机起动，并在第一速度档位运行。当电动机运转后，判断电动机的转速是否大于x转/每分钟且电动机的工作电流是否稳定在y安培，则电动机绕组继续以第一速度档位运行；如果电动机的转速大于x转/每分钟且电动机的工作电流稳定在y安培，说明电动机的负载变小，此时，控制单元切断电动机绕组回路电流，a毫秒后，控制单元发出置第二速度档位指令，自动档位切换开关切换至第二速度档位。b毫秒后，控制单元恢复对电动机的供电。电动机绕组以第二速度档位运行。
运行过程中实时检测档位选择单元是否处于自动档，如果是，电动机绕组继续以第二速度档位运行。如果档位选择单元仍处于自动档，则检测电动机的转速是否大于X转/每分钟或电动机的工作电流是否大于Y安培，如果不符合，电动机绕组继续以第二速度档位运行。如果电动机的转速大于X转/每分钟或电动机的工作电流大于Y安培，说明电动机的负载变大，控制单元切断电动机绕组回路电流。a毫秒后，控制单元发出置第一速度档位指令，自动档位切换开关切换至第一速度档位。b毫秒后，控制单元恢复对电动机的供电。电动机绕组以第一速度档位运行，以电子离合的形式完成换档。
运行过程中，如果控制单元与电源的连接断开，系统结束运行。
结合图2，首先，控制单元保持置第一速度档位的触发信号，在t1时刻，档位选择单元的指令状态由低速档状态变为自动档状态，控制单元暂停对电动机的电力提供。在t2时刻至t3时刻，控制单元保持发出置第二速度档位的触发信号，在t2时刻，自动档位切换开关的第一速度档位触点由闭合变为断开，同时，自动档位切换开关的第二速度档位触点由断开变为闭合。在t4时刻，控制单元开始对电动机提供电力。
t1时刻与t2时刻之间的时间间隔为a毫秒；t2时刻与t4时刻之间的时间间隔为b毫秒。
本发明的控制原理为：
结合图1，多档电动机换档控制模块包括调速单元、档位选择单元、控制单元、电源、自动档位切换开关和电动机。调速单元可连接电动车的调速转把，用于提供调速控制信号。档位选择单元可设低速档位和自动档位，也可设置多个速度档位，可连接电动车的档位选择开关，用于提供档位选择输入信号。电源通过控制单元提供所需电能。检测控制单元与电源的连接可使用现有的电源检测电路实现；若控制单元与电源连接，即电源开关打开，则启动控制单元；若控制单元与电源断开连接，即电源开关断开或电动车电池取出时，则停止控制单元工作。
控制单元通过处理调速单元提供的调速控制信号与档位选择单元的档位选择输入信号来控制自动档位切换开关的开启和闭合，进而控制电动机的转速。电动机的转速和电动机的工作电流实时反馈给控制单元，当电动机转速大、载荷小时，控制单元切换电动机档位至高速档位；当电动机转速小、载荷大时，控制单元切换电动机档位至低速档位。
若电动机的转速逐渐升高或电动机的工作电流逐渐减小，则将电动机的转速逐级提高至少一个速度档位；若电动机的转速逐渐降低或电动机的工作电流逐渐增大，则将电动机的转速逐级降低至少一个速度档位。从而保证电动机始终保持较高的工作效率。
在电动机换档切换过程中，控制单元首先切断电动机绕组的电流，换档切换完成后，控制单元继续接通电动机绕组的回路电流。整个换档切换过程在几百个毫秒内完成，不影响电动机的动力输出。
第一预设时间间隔与第二预设时间间隔均为a毫秒；第三预设时间间隔与第四预设时间间隔均为b毫秒。a毫秒的范围20毫秒至200毫秒，优选为80毫秒。b毫秒的范围为20毫秒至100毫秒，优选为40毫秒。
以上预设时间间隔值均经过多次试验测量得到，超出上述范围，则会导致电动机绕组不能顺利实现自动换档功能，且在换档时容易产生拉弧，造成自动档位切换开关损坏以及影响动力输出。
第一预设转速值x的数值与第二预设转速值X的数值可根据所使用的电动机的类型和功率具体调整；第一预设电流值y安培与第二预设电流值Y安培可根据所使用的电动机的类型和功率具体调整。这些调整以使电动机工作效率最高，动力输出最大，换档运行平稳为宜。
如图4，为本发明实施例的四档电动机换档控制执行电路的电路图。本发明提供的控制方法可应用在基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路中，本发明的控制单元可包含基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路，本发明的自动档位切换开关可采用磁保持继电器，在该执行电路中，三极管Q1的基极连接第一速度档位驱动信号1，三极管Q1的集电极连接二极管D1的正极，继电器动断线圈L2和二极管D5串联后与二极管D1、继电器动合线圈L1并联连接；三极管Q2的基极连接第二速度档位驱动信号2，三极管Q2的集电极连接二极管D2的正极，继电器动断线圈L4和二极管D6串联后与二极管D2、继电器动合线圈L3并联连接；三极管Q3的基极连接第三速度档位驱动信号3，三极管Q3的集电极连接二极管D3的正极，继电器动断线圈L6和二极管D7串联后与二极管D3、继电器动合线圈L5并联连接；三极管Q4的基极连接第四速度档位驱动信号4，三极管Q4的集电极连接二极管D4的正极，继电器动断线圈L8和二极管D8串联后与二极管D4、继电器动合线圈L7并联连接；三极管Q1和三极管Q2的基极分别连接或门U1的输入端，或门U1的输出端连接三极管Q8与三极管Q7的基极，三极管Q8的集电极和三极管Q7的发射极连接二极管D8的正极，三极管Q7的集电极连接二极管D7的正极；三极管Q3和三极管Q4的基极分别连接或门U2的输入端，或门U2的输出端连接三极管Q6与三极管Q5的基极，三极管Q6的集电极和三极管Q5的发射极连接二极管D6的正极，三极管Q6的集电极连接二极管D2的正极；二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4的负极均和电源VDC连接；三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q6和三极管Q8的发射极接地。
第一速度档位驱动信号1、第二速度档位驱动信号2、第三速度档位驱动信号3和第四速度档位驱动信号4分别通过电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4与三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3和三极管Q4的基极连接。
电源VDC为12伏，为了避免某个功率管因击穿而导致线圈长时间工作，引起更大的故障。电源VDC通过自恢复保险丝PTC接入电路，即图1中的FUSE，自恢复保险丝PTC的自恢复保险值由1/5(IQ1+IQ8)的数值确定，IQ1和IQ8分别为流经三极管Q1和三极管Q8的总电流值。
或门U1的输出端和或门U2的输出端分别通过电阻R5和电阻R6与三极管Q6和三极管Q8的基极连接。
二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4为续流二极管，用来消除电感线圈断电产生的反电势。二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8为隔离二极管。
三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7和三极管Q8为功率三极管或功率场效应管。
继电器动合线圈L1、继电器动断线圈L2、继电器动合线圈L3、继电器动断线圈L4、继电器动合线圈L5、继电器动断线圈L6、继电器动合线圈L7和继电器动断线圈L8所分别对应的继电器为磁保持继电器。所述磁保持继电器控制带动继电器动触头的闭合与断开来电动机定子绕组的通断电。所述磁保持继电器可做为四档绕组电动机换档控制模块中的自动档位切换开关。
继电器动合线圈L1和继电器动断线圈L4分别为控制第一速度档位切换的磁保持继电器J1的动合线圈和动断线圈。继电器动合线圈L3和继电器动断线圈L2分别为控制第二速度档位切换的磁保持继电器J2的动合线圈和动断线圈。继电器动合线圈L5和继电器动断线圈L8分别为控制第三速度档位切换的磁保持继电器J3的动合线圈和动断线圈。继电器动合线圈L7和继电器动断线圈L6分别为控制第四速度档位切换的磁保持继电器J4的动合线圈和动断线圈。
本发明的控制单元包含的基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路的工作原理为：由于磁保持继电器的保持力是由永磁体闭合的磁回路吸力提供的，在复杂振动环境下，为避免触点在振动环境下自行断开或闭合，本发明是基于磁保持继电器的高可靠性、大触点压力的多个优点进行设计，解决了多个磁保持继电器并联使用的互锁和互锁的可靠性。
当输入端输入第一速度档位驱动信号1时，触发高电平信号输入到三极管Q1的基级，由于控制第一速度档位切换的继电器J1的动合线圈与控制第二速度档位切换的继电器J2的动断线圈并联，当第一速度档位闭合时。第二速度档位自动断开。根据如图6的档位输入逻辑表，第一速度档位驱动信号1输入高电平时，第二速度档位驱动信号2输入为低电平，或门U1输入为1个高电平、一个低电平。U1输出的高电平触发功率管Q8和功率管Q7，使控制第三速度档位的继电器J3、控制第四速度档位切换的继电器J4的动断线圈同时动作。为了避免一次脉冲通电后，某个速度档位由于机械振动而出现误动作，通电过程为间隔脉冲通电。通电脉冲为500ms，间隔时间为10S，如图5，为具体的换档控制信号时序图，图中4档、2档、3档、4档分别对应第一速度档位、第二速度档位、第三速度档位、第四速度档位。
以上脉冲间隔值均经过多次试验测量得到，超出上述范围，则会导致电动机绕组不能顺利实现自动换档功能，且在换档时容易产生拉弧，造成自动档位切换开关损坏以及影响动力输出。
触发信号可以来自电动车控制器内部，也可以来自外部触发电路。
在本发明中，连接表示电连接，在本发明的电路结构中，除了预定的连接关系以外，还可以在其间设置可以电连接的其它元件，如开关器件、晶体管、二极管、电容元件、电阻原件等。
控制单元中包含本发明提供的基于磁保持继电器的四档绕组电动机换档控制执行电路，档位选择单元提供的档位选择输入信号分别为第一速度档位驱动信号1、第二速度档位驱动信号2、第三速度档位驱动信号3和第四速度档位驱动信号4，做为本发明的电路的控制输入。
本发明的电路的作用在于根据第一速度档位驱动信号1、第二速度档位驱动信号2、第三速度档位驱动信号3和第四速度档位驱动信号4来控制磁保持继电器的继电器动断线圈来控制自动档位切换开关的开启和闭合，进而控制电动机的转速。