1、I / 63摘摘 要要 隨著社會文明的發展，科學的進步，人類物質文化生活水平的提高和環保、能源意識的增強，社會呼喚著一種無污染、噪聲低、操作簡單、速度適中的個人交通代步工具。電動自行車作為一種理想的“綠色”代步工具，為人們帶來了福音。考慮到我國目前的國情，電動自行車將迅速得到普與。本課題采用 ATMEL 公司 AVR 系列單片機 ATmgea16 作為控制芯片，兼顧成本與性能要求，做了以下方面的工作：首先，綜述了電動自行車和稀土無刷直流電機的國外的發展狀況，基于其應用的特點，對電機的類型、控制策略、功率變換器與控制核心進行了綜合的考慮，提出了適合此情況的稀土無刷直流電機驅動系統方案。其次，根據

2、 AVR 單片機的特點詳細設計了系統的控制策略：將電流檢測設計成分流電阻間接測流；將調速系統設計為電流、速度雙閉環控制，以保證調速的精度和響應速度，并在軟件中分別用 PI 算法來實現；制定了電機“軟起動”控制方案；采用了高性能的驅動集成電路 IR2130 來驅動 MOFSET 組成的全橋逆變電路；將 PWM 波的發生與系統保護等功能采用主控芯片集中處理，增加了系統的可靠性。最后，依據控制策略設計了系統軟、硬件。關鍵詞關鍵詞：稀土無刷直流電機 AVR 控制系統 PWMII / 63AbstractAbstractWith the development of social civilizatio

3、n and scientific progress, human material and cultural living standards and environmental protection, energy, awareness of the community calling for a pollution-free, low noise, simple operation, the speed of personal transportation affordable means of transport- As an ideal green means of transport

4、, electric bicycle brings the gospel- Taking into account Chinas current situation, the electric bike will soon be universal.The issue uses AVR MCU ATmgea16 of ATMEL Company as the controller, taking into account of the cost and performance requirements, doing the following work:First reviewing the

5、electric bicycle and rare earth brushless DC motor development at home and abroad, basing on the characteristics of its application, taking into a comprehensive account the type of motor, control strategy, power converter and the control of the core -A drive system solutions is proposed for this sit

6、uation rare earth brushless DC motor.Secondly, according to the characteristics of AVR microcontroller，I designed the system control strategy detailed: current detection shunt resistor designed to indirectly measure the flow; speed control system designed for current, velocity, double-loop control t

7、o ensure the accuracy and speed of response speed, and PI was used in the software algorithm to achieve ;developing a motor soft start control scheme ;using high-performance integrated circuit IR2130 driver to drive MOFSET full-bridge inverter circuit comprising; the PWM wave occurrence and system p

8、rotection features such as III / 63centralized control chip used to increase thesystem reliability.Finally, designing the software and hardware of the system based on the control strategy.KeywordsKeywords: Rare Earth Brushless-DC-motor AVR Control System PWMIV / 63目目 錄錄第第 1 1 章緒論章緒論- 1 -1.1 課題的研究背景與

9、發展狀況- 1 -1.2 電動車的發展狀況- 2 -1.2.1 電動車的種類- 2 -1.2.2 電動自行車的發展前景- 3 -1.3 電動自行車主要部件的發展狀況- 4 -1.3.1 電動自行車電機的發展- 5 -1.3.2 電機控制技術的發展- 6 -1.3.3 電池技術的發展- 7 -第第 2 2 章關鍵部分特性分析章關鍵部分特性分析- 9 -2.1 稀土永磁無刷直流電機的基本結構和工作原理- 9 -2.1.1 直流無刷電動機的原理框圖- 9 -2.2 電機的運行特性分析- 14 -2.2.1 起動特性- 15 -2.2.2 電動運行特性- 15 -2.2.3 制動特性- 17 -2.2

10、.4 機械特性和調速特性分析- 18 -2.3 控制系統的整體構成- 19 -2.4 位置檢測信號處理單元- 21 -2.5 電流檢測信號處理單元- 21 -2.6 電機調速方案- 22 -2.7 驅動、逆變電路控制方案- 25 -2.8 故障檢測與系統保護- 26 -2.9 核心控制期間的選擇- 27 -2.10 本章小結- 28 -第第 3 3 章硬件系統概述章硬件系統概述- 29 -3.1 控制系統組成- 29 -3.1.1 核心為處理器 ATmega16- 30 -3.1.2 控制電源電路設計- 32 -3.1.3 信號檢測電路設計- 32 -3.1.4 三相全橋逆變電路與其功率驅動的

11、設計- 34 -3.1.5 PWM 波的控制單元- 37 -V / 633.1.6 速度給定環節- 39 -3.1.7 電池電壓檢測單元- 40 -3.2 系統硬件可靠性設計- 40 -3.2.1 電源與集成芯片去耦- 40 -3.2.2 電磁兼容設計- 41 -3.3 本章小結- 41 -第第 4 4 章系統軟件設計章系統軟件設計- - 4242 - -4.1 系統軟件設計概述- 42 -4.2 主程序的設計- 43 -4.3 各功能模塊的設計思想- 45 -4.3.1 位置檢測模塊- 45 -4.3.2 幻想控制模塊- 45 -4.3.3 A/D 采樣模塊- 47 -4.3.4 雙閉環控制

12、模塊- 48 -4.4 軟件的可靠性設計- 51 -4.4.1 采用模塊化程序設計方法- 51 -4.4.2 合理安排中斷- 51 -4.4.3 程序“跑飛”與“死鎖”的解脫- 52 -4.4.4 本章小結- 52 -總結總結- 53 -致致- 54 -參考文獻參考文獻- 55 -附錄附錄 1 1：電動自行車驅動系統原理圖：電動自行車驅動系統原理圖- 57 - 1 - / 63第第 1 1 章章 緒緒 論論1.11.1 課題的研究背景與發展狀況課題的研究背景與發展狀況 二十一世紀是“綠色環保”的世紀，環境保護和能源節約問題已成為新世紀最為突出的兩大主題,而汽車行業與這兩大主題都息息相關，所以汽

13、車產業無疑要發生新的革命。隨著工業化和城市化的推進，汽車廢氣排放與對石油資源的過度消耗所引發的環境、能源問題也日益嚴重，已經引起了世界各國的普遍重視。人類面臨的最大的環境問題歸納起來有三個方面：大氣污染、水資源污染以與生態環境遭受破環。溫室氣體的大量排放導致全球氣溫上升，恒河 20 年后或干枯、圖瓦盧 50 年后沉入海底、馬爾代夫沉沒進入百年倒計時這并不是預言家有意制造的聳人聽聞的無聊預測，而是科學家在考慮溫室氣體排放后給地球開出的診斷書，氣候變化已經使“拯救地球”的行動刻不容緩。2009 年在丹麥舉辦的哥本哈根氣候峰會再次呼吁各國一起為減緩全球氣候變暖作出努力，我國也在會議上承諾 2020

14、年減排目標碳排放下降 4045%。 保護人類賴以生存的自然環境，珍惜地球上有限的石油資源是擺在人們面前迫切需要解決的兩個重大課題，傳統燃油汽車在這兩個問題上與人們的愿望正好背道而馳。 研究顯示，造成大氣污染的氣體主要由非甲烷有機物、氧化氮、一氧化碳組成。據統計，在美國地區，43%的非甲烷有機物、57%的氧化氮、82%的一氧化碳都是汽車廢氣排放產生的，而全世界 20%的一氧化碳排放量來源于汽車廢氣。由此可見，傳統汽車廢氣已成為城市大氣污染的一個主要原因。而且汽車廢氣排放出的氮氧化物與碳氫化合物在紫外線的作用下，易形成高毒性的光化學煙霧，污染我們賴以生存的自然環境，直接危害人體健康，城市空氣污染情

15、況日趨嚴重，控制汽車廢氣污染已成為環保部門的嚴峻課題。因此近幾十年來，世界各國政府、學術界以與工業界一直努力致力于研究開- 2 - / 63發和推廣使用各種低排放或零排放汽車，以解決空氣污染問題。所以，世界上的各個主要汽車生產和使用國紛紛制定了類似的政策或法規，并投入巨資，開發研究新型零排放汽車電動車。1.21.2 電動車的發展狀況電動車的發展狀況近年來，采用各種高新技術的電動車層出不窮，給人們帶來了一個明確的信息：我們已經走到了電動車時代的邊緣。隨著日新月異的技術進步和人們環保意識的不斷提高，21 世紀必將成為電動車全面發展的世紀。120 世紀 70 年代的能源危機和石油短缺使電動汽車重新獲

16、得生機。20 世紀70 年代初期,美國、英國、法國、德國、意大利、日本等都開始發展電動汽車。20 世紀 70 年代后期,包括中國在的許多國家和地區的公司，都開始生產電動汽車。但是石油價格在 20 世紀 70 年代末開始下跌,電動汽車的商業化失去了動力,電動汽車的發展走入低谷。20 世紀 80 年代，由于人們日益關注空氣質量和溫室效應所產生的影響,電動汽車的發展再次獲得生機。20 世紀 90 年代開始，新一代電動汽車不斷涌現，1997 年 10 月底問世的混合動力電動汽車普銳斯 prius，是世界上最早實現批量生產的電動汽車。06 年 4 月，普銳斯全球銷量已經突破50 萬輛，并于今年上半年突破

17、 60 萬輛。1.2.11.2.1 電動車的種類電動車的種類電動車分類電動車按類型分可分為：電動自行車（如圖 1-1） ，電動摩托車（如圖1-2） ，電動汽車(如圖 1-3)。- 3 - / 63圖 1-1 電動自行車 圖 1-2 電動摩托車圖 1-3 電動汽車1.2.21.2.2 電動自行車的發展前景電動自行車的發展前景從 70 年代起，我國電動車輛的研究開發便一直在進行之中，到 1993 年，已被確定為國家十大重點科技工程，并制定了電動汽車的發展目標。而與汽車相比，靈活方便的中短途個人交通工具，如自行車、助動車和摩托車等，在全球依然占據絕大多數。- 4 - / 63我國對電動自行車的研究起

18、步于 20 世紀 80 年代初期，經歷了幾次起落，目前在國大中城市的應用和推廣已可見端倪。但是有部分相關技術水平還存在一定問題，市場的孕育還未完全進入良性循環，有待進一步改善。 3據統計，1998 年全國電動自行車的擁有量為五萬多輛，發展到 2000 年全國電動自行車的擁有量已達十幾萬輛，尤其近一年來，電動自行車的發展速度迅速。以為例，2001 年 1 月，據不完全統計，市的電動自行車不到 2 萬輛，而到了 6 月份已有 5 萬多輛電動自行車在的大街小巷穿行。在筆者調查的某一路段，一個小時經過的電動自行車就近 30 輛。據一家電動自行車銷售中心反饋的信息顯示：該銷售中心每天電動自行車的銷售量可

19、達 100 輛，到了周末日平均銷售量可達 200輛，而這樣的銷售中心在有好幾十家。那么，照這樣的發展速度，可以預見近年電動自行車將在的自行車王國中扮演重要角色。我國電動自行車產量迅速增長，具體數據見表 1-1。表表 1-11-1 我國近幾年電動自行車產量統計我國近幾年電動自行車產量統計年份產量（萬輛）比上一年增長（%）19985-4-71200015-4193200158100200216017620034001502004675-768-91.31.3 電動自行車主要部件的發展狀況電動自行車主要部件的發展狀況電動自行車，是指以蓄電池作為輔助能源，具有兩個車輪，能實現人力騎行、電動或電助動功能

20、的特種自行車。根據國家標準對設計最高時速、空車質量、外形尺寸的相關規定，電動自行車歸屬非機動車管理疇，應同時具備以下 5 個特征：必須具備腳踏行駛功能，蓄電池只作為輔助能源；必須具備兩個車輪；設計車速不大于 20 公里/小時；整車重量不大于 40 公斤；輪胎寬度（胎）不大于 54 毫米。電動自行車的型號以 TD（特種自行車種類的電動自行車類）冠號。它雖然具有普通自行車的外表特征（甚至具有摩托車的外表特征） ，但是主要的是，它是在普通自行車的基礎上，安裝了電機、控制器、蓄電池、轉把閘把等操縱部件和顯示儀- 5 - / 63表系統的機電一體化的個人交通工具。1.3.11.3.1 電動自行車電機的發

21、展電動自行車電機的發展電機是電動自行車的關鍵部件，一輛電動自行車的電機基本決定了這輛車的性能和檔次。為使電動自行車有良好的使用性能，驅動電機應具有寬調速圍、高轉速和足夠大的起動轉矩。此外，由于電動自行車的驅動電機是車載形式運行的，這要求電機體積小、重量輕、效率高、且具有較好的能量回饋性能。目前車輛驅動用的電動機類型大致有以下幾類，分別為直流電機、交流異步電機和開關磁阻電機。在電動自行車上，考慮到效率，功率密度等因素，目前主要采用直流電動機。根據電機的換向方式，直流電機可分為機械換向的有刷直流電機和電子換向的無刷直流電機。永磁有刷直流電動機是發展歷史最悠久的電機，它的制造水平早已達到了成熟階段，

22、且具有較高的運行可靠性、良好的調速性能、較大的過載能力和簡單的控制方法，因而在早期被廣泛采用。但是直流機的體積和重量都較大，噪音也大，它采用電刷和換向器進行電流換相，會產生電火花，而且碳刷容易磨損、損壞，增大維護、維修難度、增加使用成本。在工業量應用的交流異步電機雖然結構簡單，卻有著調速精度不高的問題，交流同步電機也存在著控制復雜的缺點。從電機本身的價格來說，無刷直流電機由于沒有電刷和換向器,成本應低于有刷直流電機，無刷機控制器由于使用的功率管要多于有刷結構，故成本價格應相差不多。由于無刷電機用一套電子換向電路，取代了電刷和換向器，因而從根本上克服了有刷電機噪聲大，工作可靠性差等缺點。過去無刷

23、直流電機主要應用于軍事領域，隨著新材料的應用和電子元器件的發展，無刷直流電機已大規模用于工業，商業和家電導領域，節能、靜音和免維護使其應用領域越來越寬。從結構來說，應用于電動自行車的無刷直流電機有兩種，一種是放在中軸的帶齒輪減速的高速轉子無刷直流電機，另一種是直接安裝于輪毅的直接驅動的無刷直流電機，從綜合性能來說，前者的重量可以較輕，效率可以略高，而后者可靠性、噪聲和價格指標要優于前者。稀土永磁無刷直流電機是近 20 年發展起來的一類電機，由于電力電子技術，- 6 - / 63微電子技術，微機和稀土永磁材料的發展為無刷直流電機的研究奠定了基礎。目前無刷直流電機的發展已經和大功率開關器件、專用集

24、成電路、稀土永磁材料、微機、新型控制理論與電機理論的發展緊密結合，顯示出廣泛的應用前景和強大的生命力。與其它電機相比它具有幾個明顯優點:永磁無刷直流電機沒有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何由電刷引起的問題。永磁體安裝在轉子上、電樞繞組裝在定子上，故導熱性能好，產生的熱量更容易散發出去;結構也變得簡單，并且節省了空間使其磁場損失也得到了減少。它的效率與轉速永遠保持同步關系，不會發生失步、震蕩等現象，在節約能量方面也有明顯優勢。從電動自行車的性能要求看，無刷直流電機即具有直流電機動態特性好、調速性能優良的特點，又具有交流電機結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，且電磁轉矩大、脈動小;從結構要求看

25、，這類電機軸向尺寸短，鐵心外徑較大，結構上為扁平式，可方便的安裝在自行車的后輪軸上，在其工作時力矩直接加到后輪上，不工作時可像普通自行車那樣人工騎行，因此近幾年無刷直流電機在電動自行車中的應用處于上升趨勢。本文所研究的驅動系統便是采用直接驅動的無刷直流電機。 1.3.21.3.2 電機控制技術的發展電機控制技術的發展近些年來，隨著現代電力電子技術、控制技術和計算機技術的發展，電機的應用技術也得到了進一步發展，新產品、新技術層出不窮。由于應用了電力電子技術，電機的控制技術變得更加靈活，效率也更高了。已由過去簡單的起停控制、提供動力為目的應用，上升到對其速度、位置、轉矩等進行精確的控制，以與這些被

26、控量的綜合控制，使被控制的機械運動更符合預想要求。因此現代電機控制技術離不開功率器件和電機控制器的發展。電機控制器是無刷直流電動機正常運行并實現各種調速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：對各種信號進行邏輯綜合，以給驅動電路提供各種控制信號；產生 PWM 調制信號，實現電機的調速；對電機進行速度環和電流環調節，使系統具有較好的動態和靜態性能；實現短路、過流、欠壓等故障保護功能。現代控制技術的發展與微處理器的發展息息相關，可以說，每一次微處理器的進步都推動了控制技術的一次飛躍。在微處理器出現之前，控制器只能由模擬- 7 - / 63系統構成。由模擬器件構成的控制器只能實現簡單的控制，功能單一

27、升級換代困難，而且由分立器件構成的系統控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴重，使得維護成本增高，限制了它的發展和應用。隨著微處理器的迅速發展和推廣，控制器由模擬式轉換成了數模混合式，并進一步發展到全數字式，技術的進步使得許多模擬器件難以實現的功能都可以方便地用軟件實現，使系統的可靠性和智能化水平大大提高。全數字系統簡化了硬件，縮小了裝置體積，消除了溫度變化的影響，升級換代十分容易，控制精度不斷提高，重復性能也更好了。目前市場上微處理器品種繁多，檔次、性能各不一樣，不同的廠商生產的微處理器都各有特點。有的價格低廉但功能不夠完善，速度慢，如傳統的 8051 單片機;有的具有高速的數字處理能力，能實現

28、一些復雜的控制算法，但價格不菲，如 DSP 微處理器。 5本論文根據電動自行車控制系統的功能設計要求，希望選用的微處理器具有響應速度快、功耗低、體積小、價格低廉以與組成系統時所需要的外圍器件少的特點。分析對比各類控制器后決定采用 ATMEL 公司在 2002 年推出的一款具有極高性能價格比的 AVR 單片機 Atmega16。在論文的后續章節中將對其作詳細介紹。 1.3.31.3.3 電池技術的發展電池技術的發展電池的制造技術近幾年來發展很迅速，但它仍是現階段制約所有電動車輛技術發展的瓶頸技術。車載蓄電池要求有高的比能量、比功率、循環使用壽命、低成和合理地運行環境以與便于回收等特性。蓄電池的性

29、能直接制約著電動車輛的動力性能指標和一次充電的續行里程。目前，對蓄電池的研究，一方面是對傳統鉛酸蓄電池的改進和新型蓄電池的研制。近幾年開發出的新型化學電池主要有:鎳一鐵電池、鎳一福電池、鎳一金屬氫化物電池、納一硫電池、鋰電池、鋅電池等。與傳統的鉛酸電池相比，這些新型電池在性能上已經有了很大的提升，但在功率密度上還不能和燃油相媲美。另一方面，燃料電池和超級電容的出現與興起給電動車用動力電池提供了新的發展方向。一般燃料電池比能量都高于鉛酸電池，其應用的主要難點在于如何縮小反應裝置和提高反應速度，同時安全性問題和制造價格問題還有待進一步完善。超級電容的額定電壓雖然很低，但短時大功率輸出特性良好，在電

30、動車- 8 - / 63輛加速或是制動期間，可以提供很大的功率輸出或能力吸收。它作為化學蓄電池的輔助能源，可以顯著減小電動車輛對化學蓄電池的尖峰功率輸出的要求，在電動車輛中的應用也越來越受到重視。本論文研究的是以 AVR 單片機 ATmega16 為主控芯片，并根據無刷直流電機的運行原理與自行車的運行特性設計電動自行車驅動系統，主要工作如下：1.通過分析各種驅動電機優缺點，確定驅動電機的類型并對其控制原理進行分析，對其運行特性加以研究；2.設計出相應的驅動方式并分析基本特性；3.提出系統的具體控制策略，并分析其可行性；4.通過軟、硬件設計，實現系統的控制目的。- 9 - / 63第第 2 2

31、章章 關鍵部分特性分析關鍵部分特性分析2.12.1 稀土永磁無刷直流電機的基本結構和工作原理稀土永磁無刷直流電機的基本結構和工作原理稀土永磁無刷直流電動機的基本構成包括電動機本體、開關電路、位置傳感器三部分。原理框圖如圖 2-1 所示。稀土永磁電動機本體是由帶有電樞繞組的定子和永磁轉子組成。常用的有三種結構形式：轉子鐵心外圓粘貼瓦片形稀土永磁體；轉子鐵心中嵌入矩形板狀稀土永磁體；轉子外套上一個整體粘結稀土磁環的環形永磁體。還有一種外轉子式結構，即帶有稀土永磁極的轉子在外，嵌有繞組的定子在里。電機運行時，外轉子旋轉。這種結構形式最適用于電動車輛的驅動。直流電源開關電路電動機位置傳感器圖 2-1

32、稀土永磁無刷直流電動機原理框圖2.1.12.1.1 直流無刷電動機的原理框圖直流無刷電動機的原理框圖開關電路由逆變器 VF 和驅動電路組成。逆變器主電路有橋式(圖 2-2a)和非橋式(圖 2-2b)兩種。電樞繞組與逆變器聯接形式多種多樣，但應用最廣泛的是三相星形六狀態。驅動電路將控制電路的輸出信號進行功率放大，并向各開關管送去能使其飽和導通和可靠關斷的驅動信號。轉子位置傳感器 PS 是檢測轉子磁極相對于電樞繞組軸線的位置，向控制器提供位置信號的一種裝置。它由定、轉子組成，其轉子與電動機同軸，以跟蹤電機- 10 - / 63本體轉子位置；其定子固定于電機本體定子或端蓋，以感應和輸出轉子位置信號。

33、ABCBCAn+-NS電子開關電路電動機Q1Q5Q3Q2Q6Q4圖 2-2a 橋式逆變器主電路+-ABC圖 2-2b 非橋式逆變器主電路以下就兩相導通星形三相六狀態無刷直流電動機為例來說明其工作原理。三個霍爾元件沿圓周均勻分別粘貼于電機端蓋上，彼此相差 120電角度，并分別與定子三相繞組首端所在槽中心線對齊，霍爾傳感器轉子永磁體為 180電角度的薄片，與轉子同軸安裝，其產生的磁場的端面與霍爾元件的氣隙為 1左右，傳感器永- 11 - / 63磁體軸線與轉子主磁極軸線垂直。設電機處于 A、B 相繞組導通的磁狀態初始位置，如圖 2-3(a)所示。ACYZXBNSFaFf圖 2-3(a) 正轉時位置

34、關系此時霍爾元件 A、B 在傳感器磁場作用下，有高電平輸出，霍爾1kBkAuu元件 C 不受磁場作用，。此時位置信號經過控制電路邏輯變換后驅動逆變0ACu器，使功率開關管、導通，繞組 A、B 通電，A 進 B 出，電樞繞組在空間的合1V6V成磁勢如圖 2-3(a)所示，電機在定轉子磁場相互作用下順時針旋轉。電流流通aF路徑為：電源正極管A 相繞組B 相繞組管電源負極。故 A、B 相繞1V6V組導通的磁狀態對應的霍爾元件信號邏輯為、。當轉子經過 60電kAukBukCu角度，達到如圖 b 所示的位置時，位置傳感器輸出檢測信號，經過控制電路邏輯變換后，使繞組 A、C 相通電，即使開關管截止，導通，

35、而仍導通。電樞6V2V1V繞組在空間的合成磁勢方向如圖 2-3(b)所示。- 12 - / 63ACYZXBNSFaFf圖 2-3(b) 電樞繞組在空間的合成磁勢方向在定轉子磁勢的相互作用下使轉子繼續沿順時針方向旋轉。電流流通路徑為：電源正極管A 相繞組C 相繞組管電源負極。此時霍爾元件 B 處于1V2V傳感器永磁體下，有高電平輸出=l，霍爾元件 A、C 不受磁場作用，kBu=0。故 A、C 相繞組導通的狀態對應的霍爾信號邏輯為、。以kAukCukAukBukCu此類推下去，可得電機轉一周時對應的各相繞組導通順序和功率開關管的導通邏輯以與三個霍爾元件輸出信號的邏輯關系，如表 2-1 所示。表表

36、 2-12-1 正轉時相互位置關系正轉時相互位置關系當轉子每轉過 60電角度時，逆變器各開關管之間就進行一次換流，定子磁霍爾元件信號導通繞組導通管子uhAuhBuhCBAV V16uhAuhBuhCCAV V12uhAuhBuhCCBV V32uhAuhBuhCABV V34uhAuhBuhCACV V54uhAuhBuhCBCV V56- 13 - / 63狀態就改變一次。可見電機有六個磁狀態，每一狀態都是兩相導通，每相繞組中流過電流的時間相當于轉子轉過 120電角度。每個開關管的導通角為 120，故該逆變器為 120導通型。為便于直觀，將電機正轉時的三相繞組與各開關管導通順序的關系見圖 2

37、-4。tttABC60120180240300360420120240360V1V3V5V4V4V6V2tttttt圖 2-4 三相繞組與各開關管導通順序關系2.22.2 電機的運行特性分析電機的運行特性分析- 14 - / 63電動機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械。因此我們最關心的是它的轉矩、轉速，以與轉矩和轉速隨電壓、負載變化而變化的規律。據此，電動機的運行特性可分為：起動特性、電動運行特性、制動特性、機械特性與調速特性。對于無刷直流電機，其電勢平衡方程式用式 2-1 表示（式 2-1）UIEU式中：電源電壓()；UV電樞繞組反電勢()；EV平均電樞電流()；acpIA電樞繞組的

38、平均電阻()；acpr功率器件的飽和管壓降()。UV對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢均用式 2-2 表示。（式 2-2）nKEe式中：電動機轉速(r/min)；n反電勢系數(V/r/min)。eK由方程式 2-1、2-2 可得式 2-3=（式 2-3）neKEeaxpacpKrIUU在轉速不變時，轉矩平衡方程式用式 2-4 表示。（式 2-4）0TTTL 式中：電磁轉矩(Nm)T輸出轉矩(Nm)LT摩擦轉矩(Nm)0T- 15 - / 63還可以用式 2-5 表示T（式 2-5）acpTIKT 轉矩系數（Nm/A） 。TK在轉速變動情況下得出式 2-6（式 2-6）dtdJTT

39、TL0式中：轉動部分的轉動慣量（Nms ） ；j2轉子的機械角加速度(rad/s )。dtd2下面從這些基本公式出發，來討論無刷直流電動機的各種運行特性。2.2.12.2.1 起動特性起動特性由方程式 2-1、2-5、2-6 可知，電動機在起動時，由于反電勢為零，因此電樞電流(即起動電流)用公式 2-7 表示。（式 2-7）acpnrUUI其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以起動電磁轉矩很大，電動機可以很快起動，并能帶負載直接起動。隨著轉子的加速，反電勢 E 增加，電磁轉矩降低，加速力矩也減小，最后進入正常工作狀態。2.2.22.2.2 電動運行特性電動運行特性 在電動運行狀態下，6

40、只開關管任意時刻只有 2 只開關管導通，分別屬于上橋臂和下橋臂,用圖 2-5 表示。- 16 - / 63MBAMABLBLARARBeAeBUdiAiBi=圖 2-5 電動運行等效電路圖由圖 2-5 的運行等效電路圖可得，在電動運行時 V 管和 V 管導通時通電回路16的回路電壓方程用式 2-8 表示。 （式 2-8）BABBBABABBBABAAAAAdedtdiLdtdiLdtdiMRidtdiMdtdiLRieU式中：、A、B 相電勢，電動運行時最大幅值，AeBe2dUE 、相電阻，=；BRBRARBRR、相電感，=；ALBLALBLL、兩相互感，= =；ABMBAMABMBAMM蓄電

41、池電壓；dU、相電流；AiBi設，上式可改寫為式 2-9.BAiii+ =（式 2-9） dtdiML)(Ri)(21BAdeeU在電動運行時，換相前電路電流為零，換相后0。由于很)(21BAdeeUR小可以忽略，故在電路接通后過渡過程結束前， 正向增加，電路工作在吸收電功i率狀態，吸收的電功率用式 2-10 表示。1P（式 2-10） iUPd1- 17 - / 63電機的電磁功率與電磁轉矩的大小可以用式 2-11 和式 2-12 兩式計算：emPemT（式 2-11）ieePBAem)(（式 2-12）ememPT式中：轉子角速度。這時，電磁功率與電磁轉矩是正的，為電動性質，即與 同向。對

42、管emT1V和管進行脈寬調制，改變占空比，就可控制電流 的平均值，從而控制平均轉6Vi矩。2.2.32.2.3 制動特性制動特性制動運行方式可以有反接制動和回饋制動兩種：1.反接制動該方法是使電動機工作在反接制動狀態下，蓄電池化學儲能向電能轉換，與車體動能一起通過電動機最終被轉換為熱能。蓄電池的能量輸出與制動過程有關。可見電動自行車的動能通過運動阻力和電機做功，被完全轉換成熱能，而熱能通常難以被系統回收利用，所以該制動過程是一個單方向的能量消耗過程。2.回饋制動本法不需要改接電源極性，且在電機轉速低于額定空載轉速時可實現電磁制動，同時向電源(蓄電池)回饋能量，從而可被系統再次利用。這一方案無疑

43、提高了系統的運行效率，可以延長車輛的續行里程，該方案明顯優于反接制動的方案。根據無刷直流電動機的驅動原理，當對電機進行調速驅動時，施加在電機繞組上的是與繞組感生電動勢反向的 PWM 斬波直流電壓。當外加電壓大于反電動勢時，電流流入繞組，電源將功率輸入電機。當在繞組上施加相反方向的 PWM 電壓時，將使得流過電動機繞組的電流與驅動時的電流方向相反。這樣電動機將產生與驅動時相反方向的轉矩，也就是制動轉矩。制動電流值在理論上可以很大，其主要受控制器功率器件的電流限制。在制動過程中，為使電流連續，施加在繞組電感上的電壓平均值該大于零，- 18 - / 63即式 2-13. （式 2-13）0) 12(

44、2)1)(2()2(UEUEUEUav式中：PWM 驅動的占空比此時平均電流為：（式 2-14）aavRUEI2) 12(2電源輸入到電動機的功率為：（式 2-22) 12(2) 12() 12()1 (aaavavavavavRURUEUIPUIUIP15）由此可見，當時，電源可以從電動機側吸收制動能量。21由可得04222aavRUUUEddPUE221又由=0，可得，在時電源側獲得最大功率的能0ddPavaRUUE22UE221量回饋，另一方面，由平均電流方程式可知， 值越大，則電動機的制動電流即制動轉矩越大。2.2.42.2.4 機械特性和調速特性分析機械特性和調速特性分析機械特性是指

45、外加電源電壓恒定時，電動機轉速和電磁轉矩之間的關系。由方程式(2-1)(2-2)(2-3)可知式 2-16 和式 2-17。= （2-acpIacprUUacpernK16） = （2-acptIKT acpTrUUKacpferKnK17）- 19 - / 63式 2-17 等號右邊的第一項是常數(當不計U 的變化和電樞反應的影響時)。所以電磁轉矩隨著轉速的減小而線性增加。當速度為零時，即為起動電磁轉矩。當方程式 2-17 右邊兩項相等時，電磁轉矩為零，此時的轉速即為理想空載轉速。實際上，由于電動機損耗中可變部分與電樞反應的影響，輸出轉矩稍稍偏離直線變化。又因為功率晶體管的飽和管壓降隨著集電

46、極電流的變化而變化，在基極電流不變時。功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關系。所以，隨著轉速的減小，電動機的反電勢也減小，電樞電流增加，U 增大，到一定值以后，增加較快。所以其機械特性是在接近堵轉(即轉速很低)時，加快下跌。如假定外加直流電壓一定，減小電機負載，轉速升高，逆變器的觸發頻率也會提高，同時反電勢增加，電流減小，電磁轉矩也減小。當電磁轉矩和負載轉矩平衡時，電機就維持在一個較高的轉速下運行。如果負載不變，提高外加直流電壓，則轉速升高，逆變器的頻率提高，反電勢增大，使電流減小，電磁轉矩又呈現減小趨勢，這樣就使電機維持在一個較高的轉速下運行。由此可見，由于無刷直流電動機的自同步性

47、，其調速方法與有刷直流電動機非常相似，可通過調節直流電壓來實現。又從方程式(2-17)可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉矩(在同一轉速下)或(在同一負載下)。所以在電子換向線路與其它控制線路保持不變的情況下，無刷直流電動機調速性能很好，可以利用改變電源電壓來實現平滑的調速。根據所需的系統運動特性，按表 2-3 可確定電機應該具備的機械特性，同時還要求所選擇或設計的電機可以在有限的電源電壓下正常運行。表表 2-32-3 電動機基本工作參數與特性方程電動機基本工作參數與特性方程電動機參數定義符號說明輸出功率mVFP/*為機械傳動效率，為mF行駛阻力，為行駛速度V轉速 n=nriV*260為

48、電動機與車輪的轉速，i車輪半徑r輸出轉矩 TnPT/- 20 - / 632.32.3 控制系統的整體構成控制系統的整體構成在其它硬件條件一樣的情況下，控制系統決定著電動自行車的性能，相當于系統的神經中樞發出控制命令與處理各種異常情況。它的作用如下：1.使電動自行車操作靈活舒適；2.提高電機和蓄電池的效率，節省能源；3.保護電機與蓄電池；4.降低電動自行車在受到破壞時的損傷程度；5.保障使用者和他人的人身安全。本文設計的電動自行車控制系統主要由以下幾部分組成：以單片機為核心的主控電路；以工 RI2130 為核心的驅動電路；功率逆變電路；位置信號處理電路、電流信號處理電路以與一些外圍輔助電路。控

49、制電路的主要功能是完成電機的起動、換相、調速、制動等控制并實現對電機、電池的保護；驅動電路的主要功能是利用工 RI2130 的自舉技術驅動功率 MOSFTE 管控制電機電流；而外圍輔助電路主要完成信號的采樣、對電路的供電、發出報警信號等功能。直流電源通過 MOSFTE 構成的逆變橋向 BLDCM 供電，單片機在新的采樣周期到來時，先判斷系統的狀態，如是靜止狀態則用軟件開環起動，當達到一定速度后再切換到常規換相運行狀態。 “軟啟動”的電控方案解決了零狀態起步耗電大的問題，大幅度地提高了一次充電的續行里程。常規的換相運行是直接根據位置傳感器傳來的信號進行換相控制，同時將電機速度反饋信號和手把給定的

50、速度信號相減，得出偏差，經過控制算法得出控制量。再把控制量以 PWM 的形式輸出給驅動電路，由驅動電路調節逆變器的輸出電壓，就調節了電機的電流大小，從而調節電磁轉矩；當電磁轉矩和負載轉矩平衡時，系統的速度便達到了給定。系統主要控制策略概述，主要介紹系統的整體控制過程。直流電源通過MOSFTE 構成的逆變橋向 BLDCM 供電單片機在新的采樣周期到來時，先判斷系統的狀態，如是靜止狀態則用軟件開環起動，當達到一定速度后再切換到常規換相運行狀態。 “軟啟動”的電控方案解決了零狀態起步耗電大的問題，大幅度地提高了一次充電的續行里程。常規的換相運行是直接根據位置傳感器傳來的信號進行換- 21 - / 6

51、3相控制，同時將電機速度反饋信號和手把給定的速度信號相減，得出偏差，經過控制算法得出控制量。再把控制量以 PWM 的形式輸出給驅動電路，由驅動電路調節逆變器的輸出電壓，就調節了電機的電流大小，從而調節電磁轉矩；當電磁轉矩和負載轉矩平衡時，系統的速度便達到了給定。2.42.4 位置檢測信號處理單元位置檢測信號處理單元在對無刷直流電機的控制中，磁極位置的測定直接決定了控制效果的好壞。方波電流驅動無刷直流電機是借助于位置檢測信號控制逆變器換流以達到在電機定子線圈以互差的方波電流才能正常運行。120本系統采用霍爾元件式位置傳感器來檢測電機的位置信號。該傳感器是一種半導體器件，是利用霍爾效應制成的。當霍

52、爾元件按要求通以電流并置于外磁場中，即輸出霍爾電勢信號，當其不受外磁場作用時，其輸出端無信號。對于兩相導通星形三相六狀態無刷直流電機，三個霍爾元件在空間彼此相隔 120電角度，永磁體的極弧寬為 180電角度。這樣，當電機轉子旋轉時，三個霍爾元件便交替輸出三個寬為 180電角度、相位互差 120電角的矩形波信號。這三路信號經過一定的整形措施后被送到單片機的數字 I/0 口，以確定相位信息。霍爾元件式位置傳感器結構簡單、體積小、價格低、工作可靠，但對工作溫度有一定要求，同時霍爾元件應靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號電平太低，不能正常工作。因此，在對性能和環境要求不是很高的稀土永磁無刷直流電動機應用

53、場合，大量使用霍爾元件式位置傳感器。2.52.5 電流檢測信號處理單元電流檢測信號處理單元電流檢測是系統電流環控制的重要環節，對于電流檢測有兩種方案：1.采用電流檢測模塊。現在電流檢測模塊種類很多，以霍爾器件為主，反應很靈，但是，對于直流無刷機的控制特點，至少需要檢測兩相電流，需要兩組傳感器，這樣就使成本提高了。2.采用一個分流電阻間接測流。在直流側接相應阻值和瓦數的分流電阻，通過測量電阻上的電壓，來測量直流回路的電流；然后檢測三相繞組的相電壓以確- 22 - / 63定采樣的直流側電流是哪一相的電流值。這種方案對于 A/D 轉換的精度和軟件數據處理有一定要求，但是造價很低，本系統采用第 2

54、套方案。2.62.6 電機調速方案電機調速方案本車采用的無刷直流電動機可以通過改變電樞電路中的外串電阻或改變加在電動機電樞上的電壓來調速。改變電樞電壓調速的方法有穩定性較好、調速圍大的優點。本系統利用開關驅動方式使半導體功率器件工作在開關狀態，通過脈寬調制(PWM)來控制電動機電樞電壓，實現調速。圖 2-6 是對電機進行 PWM 調速控制時的電樞繞組兩端的電壓波形。當開關管的柵極輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓，秒后，sU1t柵極輸入變為低電平，開關管截止，電動機電樞兩端電壓為 0，秒后，柵極輸入2t重新變為高電平，開關管的動作重復前面的過程。Ui0tUo0tUst1t2

55、T圖 2-6 輸入輸出電壓波形電動機電樞繞組兩端的電壓平均值用式 2-18 表示。0U （2-18）sSsUUTtttUtU121100 式中占空比 表示了在一個周期 T 里開關管導通的時間與周期的比值 變化圍為 01 之間。所以當電源電壓 Us 不變時，電樞的端電壓的平均值 U 取決于0- 23 - / 63占空比的大小，改變 值就可改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的。本系統利用 AVR 單片機的 PWM 口，通過軟件編程改變占空比的大小控制電機調速。SRCR轉速計算位置信號反饋PWM逆變器BLDCM位置傳感器n*irefu*ifiaibnf圖 2-7 無刷直流電機速度、電流雙閉環控制最

56、簡單的調速系統為開環調速系統，但它的調速精度太低，不適用于電動自行車的調速系統。為了保證調速精度，本系統采用圖 2-7 的電流、速度雙閉環控制方案。這種控制方式把速度調節器作為主調節器，電流調節器作為輔助調節器。速度給定與速度反饋送給速度調節器(RS)，速度調節器的輸出作為電流信號*nfn的參考值，與電流信號的反饋值 i 一起送至電流調節器(CR)，電流調節器的refif輸出為電壓參考值，與給定載波比較后，形成 PWM 調制波，控制逆變器的實際*u輸出電壓。雙閉環調速的特點是速度調節器的輸出作為電流調節器的給定來控制電機的轉矩和電流。這樣做的好處在于可以根據給定速度與實際速度的差額與時控制電機

57、的轉矩，在速度差值比較大時電機轉矩大，速度變化快，以便盡快地把電機轉速拉向給定值，在轉速接近給定值時，又能使轉矩自動減小，這樣可避免過大的超調，以利于調速過程的快速性。此外，電流環的等效時間常數比較小，當系統受到外來干擾時它能比較快速的作出響應，抑制干擾的影響，提高系統的穩定性和抗干擾能力。而且雙閉環系統以速度調節器的輸出作為電流調節器的給定值，對速度調節器的輸出限幅就限定了電樞中的電流，起到了保護逆變橋的作用。本系統電流調節器用 PI 調節器，速度調節器為改進的 PI 調節器。數字 PI 控- 24 - / 63制是普遍采用的一種過程控制算法，P 是指比例象(Proportional)，I

58、是指積分項(Integral)，基本的 PI 控制算法有位置型和增量型兩種。位置型 PI 算法的表達式用公式 2-19 表示。（式 2-19）10)(1)()(dtteTteKtuip式中：是輸入；)(te起控制作用；)(tu為比例系數；pK為積分時間常數。iT增量型算法表達式用式 2-20 表示。= （式 2-20）)(kTu)()(21TkTeqkTeq式中：=；1q)1 (ipTTK =。2qpK它們兩者在本質上是一樣的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的優點：1.控制器只輸出增量，所以由誤動作造成的影響比較小；2.手動一自動切換的沖擊小；3.式中不需要累加，增量只與最近的兩次采樣有

59、關，容易獲得較消除了當偏差存在時產生飽和的危險。所以，本系統電流調節器采用增量式 PI 控制。其中采樣周期的選取要考慮以下三個因素：1.采樣過程對保真度的影響，根據香農(Shannon)采樣定理，采用頻率至少為低通信號頻譜最高頻率的 2 倍；2.采樣周期的大小和控制器的性能要求的影響，采樣頻率的提高夠快的運算速度，以滿足在兩次采樣數據之間完成必須的處理計算；- 25 - / 633.采樣周期和主電路的功率器件的承受能力有關，高的采樣頻率必率，一方面，PWM 頻率越高，輸出波形越理想，但另一方面，也越高，引起發熱、散熱的問題，另外，高的 PWM 頻率可能使電磁輻射更加嚴重。綜上各因素，考慮到使

60、PWM 頻率在人耳敏感的頻率圍(300Hz4kHz)外，在本系統中，電流環采樣頻率定為 k50Hz，就基本達到了預期效果。對于速度環的控制本系統根據 AVR 單片機邏輯判斷能力強、編程靈活的特點采用改進的 PI 算法一一積分分離 PI 算法來實現。該算法的表達式用公式 2-21，2-22，2-23 表示。（式 2-21）)()()(TkTekTekTe （式 2-22），)()()()(kTeKkTeKTkTukTupl0)(EkTe （式 2-23），)()(kTeKkTup0)(EkTe積分分離算法要設置積分分離閥，時，采用 PI 控制，可保證系0E0)(EkTe統的控制精度；當時，也即偏