大功率汽车电涡流缓速器控制系统设计

刘剑滨

摘要：本文提出一种基于多路线圈励磁控制的大功率汽车电涡流缓速器控制系统设计。该系统采用PWM技术，对4路励磁线圈的电流进行调制，从而实现对大型车辆的电子刹车，以取代刹车片的物理摩擦。该系统最大单路励磁电流可达20A， 4路励磁线圈累计可提供高达1920W的制动功率，具有过流保护、过热保护、各类便捷输入、输出功能。该系统已研发成功，并在当地公交车上广泛使用，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.

关键词：电涡流缓速器;励磁线圈;ATmega48;BTS550P

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

0  引言

在城市行驶的公交车，需要频繁的减速和刹车，对刹车皮的损耗很大，每辆公交车每年用在更换、维护刹车皮的费用至少上千元，为此，公交车急需一种无损耗的刹车装置以降低运行成本[1]。为顺应市场，本设计开发一款电涡流缓速器控制系统，并在无锡公交车上逐步推广。

1  电涡流缓速器简介

电涡流缓速器是一种高效汽车制动辅助装置，采用电磁感应原理，将汽车动能转换成热能消耗掉，达到使汽车减速的目的[2]。电涡流缓速器主要由控制系统、定子线圈、转子三部分构成，控制系统输出PWM电流到定子线圈，线圈产生磁场，磁场阻碍转子的转动，使汽车减速。通过控制线圈电流大小，可以控制磁场强弱，从而控制减速效果[3]。电涡流缓速器如图1。

控制系统根据驾驶员的挡位信号以及速度信号计算出所需的制动力，并控制励磁电流的输出产生磁场，在转子周围形成电磁涡流，电磁涡流的大小由控制系统的输出电流决定。涡流形成的磁场产生一个与转子旋转方向相同的转矩，由于作用与反作用的关系，转子则产生一个与自己转动方向相反的转矩，电磁涡流对转子的刹车效果，还与转子的旋转速度成正比[4]。

转子安装在后轮传动轴的两端，相当于给传动轴的转动施加了一个制动力矩，达到减速的效果。缓速器所需电流直接由汽车蓄电池供给。控制系统安放在汽车车底后桥，尽量靠近定子线圈，以降低工作时大电流情况下传输线上的功率损耗。驾驶员控制台安装在驾驶室中，通过10米长的线束将驾驶员控制台的控制信号传入控制系统，同时把控制系统的各种工作状态通过指示灯的形势反馈到驾驶员控制台。

电涡流缓速器有如下优点：

①汽车在频繁的减速和刹车时，通过电涡流缓速器提供阻力，从而减少刹车皮的损耗，降低汽车运营成本。

②电涡流缓速器通过给定子线圈提供均衡、可调、较高频率的PWM脉冲，使得刹车效果类似于较高频率的ABS刹车，从而使刹车平稳，防止轮胎打滑，提高了安全性和乘客的舒适性。

③在高速或者紧急情况下，电涡流缓速器作为辅助刹车装置，为普通刹车装置提供额外的制动力，从而减短刹车距离，提高安全性。

定子线圈、转子的结构与普通电机类似，本文不再累述，下文重点讲述电涡流缓速器控制系统的设计。

2  电涡流缓速器控制系统的电路实现

電涡流缓速器控制系统是整个电涡流缓速器的核心，包括MCU、励磁电流输出电路、过流保护电路[5]、速度模拟电路、信号输入电路、信号输出电路等，完整的电路原理图见图6。

2.1 MCU单片机

本设计采用美国ATEML公司的ATmega48芯片，这是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，为RISC指令结构，指令丰富，运行效率高。该芯片具有4K字节的可编程Flash，擦写寿命高达10，000次，容量足以满足电涡流缓速器的编程需要，Flash芯片在开发阶段可以减少芯片损耗，降低开发成本，未来软件需要更改时也不用更换芯片，直接烧入新程序即可，方便产品升级。该芯片内置256字节的EEPROM，在掉电情况下，可以保存一些需要保存的设置，不需要单独外挂EEPROM，节约了电路空间和成本，同时避免了外挂EEPROM可能会存在的读写干扰风险。该芯片有6通道独立的PWM口，利用其中4通道，可以方便的对4个定子线圈电流进行调节。该芯片的23个IO口可以满足输入输出信号的要求，8路10位ADC口可以满足4路输出电流检测以及控制器温度检测的要求。该芯片属于工业级芯片，工作温度范围-40℃至85℃，芯片具有较强的抗干扰能力，足以应对车内恶劣的使用环境。该芯片的详细资料可以从ATMEL公司提供的用户手册上查找，本文不做详述。

2.2 励磁电流输出电路

励磁电流输出电路是整个控制系统的核心部分，电路如图2。

励磁电流输出电路的核心是英飞凌公司的BTS550P大功率智能开关管（PROFET Smart Highside High Current Power Switch）。开关管是P-MOS 管，最大耐压Vbb=62V，最大输出电压Von=44V，最大负载电流I=115A，足以满足缓速器的要求，此功率管还具有过载保护，短路保护，过热保护，过压保护，电流检测功能。

BTS550的Vbb接电池正极（24V），OUT输出IL给定子线圈励磁，定子线圈反向并联大功率二极管MBR4045，在OUT停止输出时给线圈提供续流通道，防止线圈产生的反向电压击穿OUT。IN是控制脚，低电平有效，IN低电平则OUT输出，IN高电平则OUT停止。Is是电流检测脚，Is流出电流和负载电流IL成正比，

本设计中，BTS550P能根据OUT的负载电流IL，在Is输出相应的采样电流，采样电流通过采样电阻R31，产生采样电压Is_AD。考虑到负载励磁线圈大电流的通断会产生极大的电磁干扰，本设计用光偶把励磁电流输出电路进行隔离，防止干扰影响控制器其他部分。

本设计中，电涡流缓速器单个线圈额定电流20A，输出电压24V，4路线圈功率最大可达1920W，所以励磁电流输出电路的供电采用独立电源线，并在PCB上用铜柱取电，不和逻辑控制部分共用电源线，以免影响控制系统其余部分的电源稳定。为了保障控制系统供电的稳定性，消除杂波，本设计在4个BTS550P的中间位置，均匀放置了10个1000uF的电解电容E1～E10。

2.3 过流保护电路

4路励磁电流输出电路产生的4路采样电压Is_AD1～4，分别用于读取电流AD以及产生过流中断。Is_AD信号一方面给到MCU的AD口，让MCU读取精确的励磁线圈电流值，为PWM控制提供反馈参数，该过程属于定量分析，精度高，但速度慢。另一方面，如果线圈短路，AD的读取明显过慢，待到MCU获取AD值并进行相应的反应，控制器或线圈早已烧坏。为此，需要线圈短路保护电路，以应付线圈短路等导致输出电流突然过大的突发事件。

过流保护电路如图3，核心是一个比较器，励磁电流采样信号Is_AD和R60，R59的分压值3.8V比较，如果线圈短路激发大电流，则比较器立刻输出下降沿，触发MCU中断，在中断程序中立刻停止电流驱动PWM输出。

为了提高響应速度，过流保护电路没有采用任何滤波电容，因此可能会由于励磁电流波动导致误动作。为了避免误动作，本设计将保护电流阈值提的较高，远离正常工作电流。本设计中，中断触发条件Is_AD>3.8V，采样电阻R31=1K，则Is>3.8mA;根据公式（1），取K=20000，可知IL>76A，远高于额定电流20A;即使考虑各类干扰、误差，正常工作情况下极难触发中断。反之，假如线圈短路，瞬间数百A的电流可以轻易触发中断保护。

2.4 速度模拟电路

本设计中，控制系统需要的速度信号来自车轴上的速度感应器，车轮每转一圈，速度感应器送出1个脉冲，该脉冲的周期TS，车轮周长L除以脉冲周期TS便能得到客车的速度V，

但是在调试和维修过程中，速度传感器没有信号，TS没有输入，因此需要一个脉冲发生器模拟速度信号。本设计采用555电路构成多谐振荡器如图4，产生一个固定频率脉冲来替代速度传感器。

该电路工作原理：上电后，C31没电，TR/TH=0V，VDD通过R62、R61对电容C31充电，此时Vo输出高电平，DIS截止;当TR/TH充电至2/3VDD后，Vo输出低电平，DIS导通，C31通过R61放电;当TR/TH放电至1/3VDD后，Vo输出高电平，DIS截止，R62、R61对电容C31充电;如此往复对C31充、放电，在Vo输出固定频率的脉冲，该脉冲频率f由R61，R62，C31决定。

本系统设计，其余电路部分相对简单，详情见图6，不做赘述。

3  电涡流缓速器控制系统的功能实现

3.1 励磁线圈的PWM控制[6]

输出共4个线圈，为了保持制动力的平衡，每个线圈的输出分别滞后1/4T，波形如图5，PWM频率定为100Hz，如果频率过低，则用户会有明显的刹车震动感，频率过高，则BTS550发热严重。

为满足汽车在不同情况下对制动力大小不同的需求，电涡流缓速器设计了4个挡位，每个档位有一个最大PMW占空比，分别对应1S=25%，2S=50%，3S=75%，4S=100%，显然档位越大，PWM值越大，励磁电流越大，刹车力矩也就越大。比如用户选择3挡输入，即3S输入信号有效，此时3挡指示灯亮，PWM占空比最大75%。当用户踩下刹车踏板，PWM占空比从0%开始增加，每次增加5%，每次维持50ms，经过750ms，PWM占空比达到最大75%，并一直维持75%不变，直到用户松开刹车踏板，我们称之为软启动，软启动可以软化制动力，保护车体。

3.2 恒速模式

为规范公交驾驶员行车，保持车速的稳定性，提高乘客的舒适性，本设计包含恒速功能。在选择1S～4S任意一个档位输入的情况下，按下恒速键TA进入恒速模式，在该模式下汽车将保持按下恒速键TA时刻的速度行驶。恒速模式下，首先通过TS输入得到恒速瞬间的速度Va，将Va±2km/小时作为一个区间，当前车速Va+2km，则输出励磁电流，增加阻力，使车速降低，最终达到恒速的目的。

要退出恒速模式，把1S～4S档位输入全部关闭一次即可。

3.3 其他保护功能[7]

①低速保护：当速度<3km/小时，四路励磁电流输出全部关闭，以避免不必要的电力浪费;当速度>5km/小时，四路输出正常工作。

②过热报警：通过热敏电阻RT1测量控制系统的温度，当温度>100℃，关闭所有输出，指示灯L1～L4闪烁报警;当温度恢复<60℃，所有输出重新正常工作。

③断路报警：当任意1路励磁电流的信号<2A，则意味着线圈可能断路，没有电流输出，系统立刻关闭所有输出，指示灯L1～L4闪烁报警。

④过流报警：当任意1路励磁电流的信号>60A，则意味着线圈可能短路，电流异常增大，系统立刻关闭所有输出，指示灯L1～L4閃烁报警。

⑤短路报警：当MCU收到短路中断信号INT1～INT4， 系统立刻关闭所有输出，指示灯L1～L4闪烁报警。

4  结论

本设计已完成，完整的电路图见图6。该设计已形成产品并投入运行，在无锡公交公司试用期间受到驾驶员和公交公司的好评，在大力发展新能源汽车的背景下，电涡流缓速器作为技术相对成熟，实用性很强的细分领域，具有极佳的推广价值。该设计继续研究下去，可考虑将刹车产生的能量进行回收，给电池反向充电，意义更加重大。

参考文献：

[1]买玉，杨良坤，刘鹏飞，屈怀琨，靖苏铜.客车电涡流缓速器制动性能试验研究[J].交通节能与环保，2018，14（06）：4-6.

[2]王意东，何太碧.汽车电涡流缓速器综述[J].长江大学学报（自然科学版），2011，8（05）：6，109-110，113.

[3]何仁，胡东海，张端军.汽车电磁制动技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2013，4（03）：202-214.

[4]张端军，何仁，顾晓丹.车用电磁制动器制动力的计算与分析[J].汽车工程，2013，35（10）：904-907，920.

[5]石助利，徐洪吉.基于SG3525汽车电涡流缓速器控制系统设计[J].长春理工大学学报（自然科学版），2011，34（01）：81-84.

[6]张宁，田杰，赵韩.车用电涡流缓速器的运动学仿真分析[J].制造业自动化，2009，31（09）：147-149.

[7]刘成晔，衣丰艳，杭卫星，王群山.电涡流缓速器若干技术问题探讨[J].拖拉机与农用运输车，2010，37（01）：6-7，15.