电动车控制器设计.doc222

第一章绪论

1.1 课题的研究意义

电动自行车在上世纪60年代就开始研制，然而生不逢时。上煎纪90年代，在环保和节能潮流游的推动下，电动自行车再次展现出新的生机。电动自行车的出现和普及，缓解了城市的交通压力，绘人们的出行带来了极大的方便，具有良好的社会意义。它的作用主要表现在以下几个方面：

1、为人们提供一种灵活机动的出行交通工具

随着改革开放的深入，几乎所有城市都在规划市政蓝图，市区范围迅速向农村伸展，城市的交通压力越来越大；同时农村“村村通公路"政策的实施，使人们出行里程明显增加。因此合适的交通工具的出现反映了这种市场需求， 90年代初燃油助力车的火爆旺销现象就是这种供求关系的证明。

国外人们出行普遍选择小汽车，而在中国，只有少数人才能买的起小汽车，而绝大多数人还不具备买小汽车的经济能力。同时燃油价格的飞速上涨，停车库位的紧张也阻碍了人们对小汽车的购买力。摩托车曾一度成为人们理想的出行工具，但我国城市道路的严重不足，一般城市很难大量接纳卡车、轿车甚至摩托车，很多城市都已经“禁摩”。电动自行车具有摩托车的优点，速度、外观、乘载货物都能与摩托车相媲美，且轻便灵活、价格适中、嗓音低，在行进过程中基本不会发生交通堵塞的情况。因此在摩托车受限制的情况下，从市政、交通、收入等客观现状来看，选择电动自行车出行是市民比较理想的交通王具之一。

2．节能环保，缓解能源紧张问题

能源紧张、环境污染、大气污染已是全球性的问题，而我国尤为严重，人口占世界20％，石油储藏量仅占l.8％，目前社会经济高速发展，对石油能源需求很大，电动自行车“以电代油"，是未来交通的发展方向。

如果以电动自行车代替摩托车，可以做如下计算：一辆摩托车的l00公里油耗以2公升计算，年平均行驶l万公里，以8年寿命计算，每辆摩托车的总油耗为l.184吨。全国年产1000万辆电动自行车，就为社会带来的油料节约高达量1184万吨。

每辆摩托车年耗油200公升，汽油以每公升4元计算，8年期内的总能源支出为6400元；电动自行车每百公里电耗约1.2度，年行驶l万公里，总电量为120度，每度电以O．5元计算，则8年内的总支出为480元，仅为摩托车油费支出的7.5％，节约费用高达5920元，以年产lOOO 万辆计算，电动自行车为人民群众节约能源支出总值达592亿元。

燃油尾气是大气污染的主要因素，尤其是燃油机动车辆的尾气排放。电动自行车采用电能驱动，不产生任何有害气体，这是小汽车和摩托车无法比拟的。

计算一辆摩托车的尾气排放情况，以较高水平的欧II标准限值保守估算，每公里有害物质净值排放分别为：一氧化碳5.5克，碳氢化合物1.2克，氮氧化合物O.3克，仅此三项合计为7克。年行驶1万公里，则排放有害物质净值70千克，8年寿命则总排放560千克。由此可以，以电动自行车车代替摩托车的环境收益巨大。以2005年为例，全国总产量若为1000万辆，则其环境总效益为：“减少有害物质总排放560万吨”。

3．电动自行车产业潜在市场巨大

中国发展电动车具有独特的有利条件。其中，一个非常重要的因素是市场。中国人口众多，具有世界最庞大的自行车市场。目前自行车拥有量为4亿多辆，如把10％的自行车换成电动自行车，就需4000万辆电动自行车，以每辆均价500元计算，就是60个亿，这是一个巨大的市场。

1999年5月国家质量技术监督局发布了《电动自行车通用技术条件》国家标准，为电动

自行车规模化生产提供了条件，经过2003、2004年连续两年的快速发展，中国电动自行车行业呈现出一片欣欣向荣的景象。2005年全行业电动自行车产销量在1200万辆左右，对比2004年增长率在15％-20％左右，销售规模达到150亿元。从全球市场上看日本雅马哈、本田、三洋、松下等知名公司纷纷进入电动自行车行业且日益扩大生产规模；德、英、奥、意、美等国著名的自行车厂商和公司在也纷纷加入。可以说，电动自行车产业有着非常广阔的应用前景。

1.2 电动自行车的现状

目前我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为24V、36V和48V，功率在150W～400W之间；蓄电池一般用的是免维护铅酸电池，容量为12AH，充电时间在3～8小时之间，充电一次行驶里程约50km，车速低于20km／h，爬坡能力在4度以下；车型有简易型和豪华型，车重约35kg，载重量约70kg，百公里耗电量1KW左右。

1.2.1 电动自行车的构成

电动自行车主要由四个部分组成：车架、电源(蓄电池)、电机和控制器。车架部分不作讨论，其他部分介绍如下：

1．电源(蓄电池)

电源为电动自行车动力系统及控制系统提供能量。蓄电池的电能容量、伏安特性、寿命等质量因素对整个动力系统有非常大的影响阳1。目前电动自行车用蓄电池基本是经济实惠的铅酸电池。大多数电动自行车采用48V12AH、36V12AH铅酸电池，24V12AH的电池由于续行里程较短，选择得比较少。环保效能更好的镍氢电池和锂电池则因为成本较高，导致配载这两种电池的电动自行车售价偏高。

如果其成本有所下降，进而降低车的售价，那么以配载锂电池与镍氢电池为主的电动自行车将会大面积普及。燃氢电池、纳米碳管蓄能高、寿命长、性能优良但成本高昂，随着科技的发展，它们将是未来电动自行车动力源的发展方向。

2.电机．

电气技术发展到今天，各种电机的生产控制技术已经相当成熟，电动自行车电机有多种可以选择，但普遍选择的还是有刷直流电动机和无刷直流电动机(BLDCM)。采用这两种电机的原因在于它们的控制方法简单，整车成本相对低廉，控制性能可以满足自行车要求。无刷直流电动机控制稍复杂，但因没有电刷而在寿命、安全方面优于有刷直流电机。电动自行车电机的驱动方式有：轮毂式驱动、中置式驱动和悬挂式驱动。市场上电动自行车以轮毂驱动为主，而轮毂驱动又以后轮驱动为好，前轮驱动性能相对较差。绝大多数电动自行车采用的是直流轮毂电机，它们为外转子式，这样定子可以固定在轴承上，非常适用于电动车的驱动。3．控制器

控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下几个功能：

(1)对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、刹车信号等进行逻辑综合，为驱动电路提

供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转和停车控制。

(2)产生PWM调制信号，使电机的电枢电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。

(3)对电机进行速度闭环和电流闭环调节，使系统具有较好的动、静态性能。

(4)实现短路、过流、欠电压等故障保护功能。

图1.1 电动自行车控制系统图

图1.1为电动自行车控制系统图，图1．2为电机控制器的详细框图，主要包括电源电路、控制电路、功率驱动电路以及检测反馈电路。电源电路将蓄电池的提供电压经过转换，为控制电路和功率驱动电路提供工作电压；控制电路接受外部信号，控制电机运行，同时实现控制算法；功率驱动电路将控制电路输出的控制信号进行功率放大，驱动电机运行；检测反馈电路采集电机运行的各种参数，供控制电路使用。

1.2.2 无刷直流电动机的发展现状

无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称“无刷直流’’中就可以看出。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是有机械接触的电刷一换向器结构一直是直流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1955年，美国的D．Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生。

图1.2控制器框图

无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步。在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时期内，

性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1970年以来，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件(如GTR、MOSFET、IGBT)相继问世，加之高磁能积永磁材料(SmCo、NdFeB等)陆续出现，这些均为无刷直流电机广泛使用奠定了坚实的基础，无刷直流电动机系统因而得到了迅速发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流电动机系统的热潮，这也标志着无刷直流电动机走向实用阶段。

随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年H．R．Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域。

我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备博览会上，SIMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。对于正弦波的永磁同步电动机系统，国内目前还没有系列产品生产厂家。

1.2.3 当前国内外无刷直流电动机的研究动态

近年来，随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术的快速发展，无刷直流电动机得到了越来越广泛的应用，范围涉及国民经济的各个领域，譬如家用电器、电动汽车、航空航天等。

当前，无刷直流电动机的研究主要集中在以下几个方面：

(1)无机械式转子位置传感器控制。转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低了系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据一定的空间位置。在很多场合，例如空调器和计算机外设都要求无刷直流电机以无转子位置传感器方式运行。

无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置信息，目前比较成熟的无转子位置传感器运行控制方法有：·反电动势法一包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电

动势积分法等。

·定子三次谐波检测法。

·续流二极管电流通路检测法。

但现有方法都存在各自的局限性，仍在不断完善中。

(2)转矩脉动控制。存在转矩脉动是无刷直流电机的固有缺点，特别是随着转速升高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。减少转矩脉动是提高无刷直流电机性能的重要方面。

(3)智能控制。随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，智能控制理论得到长足的发展和应用。目前，专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟经验和规则有机的融入到传动控制策略中，现已成功地应用到许多方面。随着无刷直流电机应用范围的扩大，智能控制技术将受到更广泛的重视。

1.3 电动自行车控制器的研究现状及难点

电动自行车控制器的主要形式有：分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统、基于专用集成电路的控制系统、以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统和全数字控制统。

模拟控制系统由于模拟电路中不可避免的存在参数漂移和参数不一致等问题，加上线路复杂、调试不便等因素，使电机的可靠性和性能受到影响，在电动自行车控制器中已经不采用了。

基于专用集成电路的控制系统采用无刷直流电动机专用集成电路如MC33033、MC33035、ML4428为控制核心，克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小、可靠性高，但功能难以扩展，在早期的电动车控制器中较多采用。

数模混合控制系统和全数字控制系统采用数字电路、单片机以及数字信号处理器(DSP)构成硬件系统，控制规律由硬件实现转向软件实现。控制灵活、功能扩展方便且易实现较复杂的控制算法。目前的电动自行车控制器普遍采用这种控制系统。

当前，电动自行车控制器设计有待深入研究主要问题包括：

(1)转矩脉动问题。随着电动自行车的深入使用，人们对电动自行车的爬坡能力(即输出力矩)、启动噪声、骑行抖动等性能指标提出了更离要求。这些指标与无刷直流电动机的转矩脉动有直接关系，且无刷直流电动机与其他电动机相比，本身具有更大的转矩脉动。针对这一问题，人们从电动机本体和电动机控制系统两方面出发提出了多种转矩脉动控制方法。随着电动机设计技术和电动机控制技术的不断发展，这方面的研究还会不断深入的进行下去。

(2)调速方法。现在常用的控制方法是速度调节和电流调节均采用PI调节器的双闭环调速方法，因为其算法简单和可靠性高，尤其适用于可以建立精确数学模型的确定性控制系统，因此得到了广泛的应用。但由于电动自行车骑行路况的复杂性，不同的路况对电机电流和速度的调节有不同的要求，且需要控制器在各种参数不同的电机都能可靠运行，因此传统的PI 调节器还不能完全满足其控制要求。如何在这些情况下进行速度调节就要求研究和设计人员投入更多的精力。

(3)控制器设计。出于成本考虑，无刷直流电动机控制系统设计普遍采用单片机的数字控制。以MCU为核心的控制系统并不是一个纯硬件的控制电路，它还必须配合软件系统才能控制无刷直流电动机正常工作。这也为控制系统的设计带来更大的灵活性。软件设计就必然涉及到控制算法的研究和应用。因此，研究先进的控制算法就成为设计无刷直流电动机控制系统的一个重要方面。而由于单片机本身资源的有限，在DSP上能实现的复杂控制算法要在单片机上实现，还要进行精简。所以研究已经较成熟的复杂控制算法在单片机上的应用也是一个重要的方面。

(4)电磁干扰。电磁兼容在应用电子线路中已日益受到人们的重视。无刷直流电动机是一种电子电机，同样有抗干扰和防止对外界干扰的要求。无刷直流电动机控制器是强、弱电共存的电路，对于采用PWM高频调制脉冲的控制器，高的调制频率很容易对控制器其他线路产生干扰，因此必须认真处理其间的电磁干扰和电磁兼容问题。目前，对无刷直流电动机的电磁干扰问题进行研究，已越来越受到重视。

第二章电动自行车控制器的系统分析与设计

2.1 无刷直流电动机的基本结构与工作原理

2.1.1 基本结构

无刷直流电动机的基本结构原理如图2.l所示。

图2.1 无刷直流电动机结构原理图

它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他启动装置。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数(2P=2，4?)组成。图2.1中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中对应的功率开关器件联结，A相、B相、C相绕组分别与功率开关管Vl、V2、V3连接，位置传感器VPl、VP2、VP3跟踪转子与电机转轴相联结，用来检测电动机转子的位置，其输出端与电子开关线路中对应的功率开关器件连接。

当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的电动机系统。其基本原理框图如图2.2所示。

图2.2 基本原理框图

无刷直流电机的开关线路是用来控制电机定子上各相绕组通电的顺序和间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子上各绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。

2.1.2 工作原理

图2.3为无刷直流电动机系统图，以此说明无刷直流电动机的工作原理。电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各项绕组按一定的顺序工作。

图2.3无刷直流电动机系统

当转子转至图2.4(a)所示位置时，控制电路根据所获得的转子位置信息，使VTl、VT4导通，即A、B两相通电。电枢绕组在空间产生的磁动势为Fa，与定子磁场产生的磁动势Fr 相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60°电角度，到达图2.4(b)所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VTl、VT6导通，A、C两相绕组通电，电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2．4(b)所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。

转予在空间每转过60°电角度，逆变器开关就发生一次切换，其导通逻辑为VTl、VT4一VTl、VT6一VT3、VT6一VT3、VT2一VT5、VT2一VT5、VT4一VTl、VT4。在此过程中，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。

a)VT1、VT4导通，A、B相通电 b)VT1、VT6导通，A、C相通电

图2.4 无刷直流电动机的工作原理示意图

在图2.4(a)到图2.4(b)的60°电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁场在空间保持图2.4(a)中Fa 的位置静止；只有当转子磁场连续旋转60°电角度，到达图

2.4(b)所示的Fr 位置时，定子磁场才从图2.4(a)的Fa 位置跳跃到2.4(b)中的Fa 位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式旋转磁场。

转子在空间没转过60°电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跳跃。可见，电动机有六种磁状态，每一次有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120°电角度。无刷直流电机的这种工作方式称为两相星形六状态。

2.2 无刷直流电动机的转矩脉动

通常，转矩脉动可以定义为最大电磁转矩和最小电磁转矩之差与额定运行时的平均电磁转矩之间的比值，即

m a x m i n 100%N T T

T r T -=? (2.11)

式中，T 为转矩脉动；Tmax 为最大电磁转矩；Tmin 为最小电磁转矩；T N 为额定运行时的平均转矩。

2.2.1 转矩脉动的产生原因

理想的无刷直流电动机绕组反电动势是梯形波，不会有转矩脉动。但是电机本体或是控制系统的对理想情况的任何偏离都会产生转矩脉动。转矩波动分为以下几类：

(1)电磁因素引起的转矩脉动。电磁因素引起的转矩脉动是由于绕组电流和永磁场的相互作用而产生的转矩脉动。理想情况下，电枢采用集中绕组结构，电动势波形具有120°电角度的平顶，但实际往往做不到极弧系数为l ，且常常采用分布绕组，因此会产生转矩脉动，它与气隙磁通密度分布和绕组电流波形以及绕组形式有关。

(2)齿槽引起的转矩脉动。由于定子齿槽的存在，转子旋转时定子磁阻随转子旋转角度变化而变化，因而会产生转矩的脉动。

(3)电枢反应引起的转矩脉动。电枢反应改变了永磁体的方波气隙磁感应强度分布波形，使气隙磁场的前极尖部分被加强，后极尖部分被减弱。该畸变的磁场与通电绕组相互作用，电磁转矩随转、定子相对位置的变化而产生了转矩脉动。

(4)机械加工引起的转矩脉动。机械加工和材料的不一致也是引起转矩脉动的重要原因。工艺误差造成摩擦转矩不均匀，绕组各相电气参数不对称，各永磁极性能不一致等。

(5)电流换相引起的转矩脉动。由于换相时相绕组电流发生瞬变导致电动机的电磁功率瞬变，进而产生了换相转矩波动。换相转矩波动与相绕组旋转反电动势的波形、换相位置角、换相时刻的相电流初值以及相绕组阻抗参数等因素有关。

其中，换相转矩脉动是引起转矩波动的主要原因。

2.2.2 换相与转矩脉动

无刷直流电动机每经过一个磁状态，就需要进行一次换相，每一次换相都会对电磁转矩产生一定影响。下面以两相导通星形三相六状态为例，进行换相转矩脉动分析。

如图2.5无刷直流电动机等效电路所示，假定功率开关管从VTl 、VT6导通变为VT3、VT6导通，电路状态由A 、C 两相绕组导通切换到B 、C 两相绕组导通。换相时，VTl 关断，由于A 相电流不能突变，经VD2续流，形成A 相一C 相一VT6一VD2一A 相的续流回路。同时VT3，VT6导通，形成了电源一VT3一B 相一C 相一电源的回路。

1、换相过程中的相电流和转矩

为了简化分析，忽略电枢绕组的电阻，则换相过程中电路方程可变为

()0a c M a M c di di L e L e dt

dt -++= ()0b

c M b M c di di L e L e dt dt -++=

0i i i ++= （2.12）

又因为各绕组的反电动势为平顶宽大于等于120°电角度的梯形波，所以

a b c e e e E m

==-= （2.13）

由于i a +i b +i c =0 0a

b c d i d i

d i d t d t d t

++= (2.14) 把（2.13）和（2.14）代入（2.12），得

220220a b M

M m a b M M

m di di L L E dt

dt di di L L E dt dt ++=++= （2.15）

解上述方程组，并将结果代入（2.14），得换相过程个相电流的变化率为

)232(343a

s m M b

s m M c

s m M

d i U E d t

L d i U E d t L d i U E d t L +--=-=

= （2.16） 解上述微分方程组，各相电流的换相前的初始值和换相后的稳态值如图2.5所示，设换相开始时刻即积分起始时刻为0时刻，换相时间为t f,A 相绕组电流i a 降为O ，B 相绕组电流i b 从O 上升到稳态值I ，C 相为非换相绕组，换相前后的电流值均为I 。换相期间，各相电流的瞬时值

为

图2.5 换相期间三相电流示意图

2.电机转速对换相的影响

根据不同转速，换相存在三种情况，如图2.6所示。

图2.6 三种换相情形

3.换相对转矩的影响

在换相过程中，电磁转矩为

1

1

()()e a a b b c c m a m b m c T e i e i e i E i E i E i w w =++=+- （2.24）

由基尔霍夫电流定理，知a 、b 、c 电流和为0，所以

224()3m

m

s m

e c M E E U E T i I t w w L -=-=+ （2.25）

可见，换相期间的电磁转矩与非换相绕组的电流成正比。

非换相时的电磁转矩由两相绕组的合成磁动势与转子永磁磁动势相互作用产生，其计算公式为：

2m

e E T I w (2.26)

2.2.3 换相转矩脉动的抑制方法

抑制换相引起的转矩脉动的方法有：电流反馈法、滞环电流法、重叠换相法、PWM 斩波法等。

1. 电流反馈法

非换相相电流的存在导致换相转矩脉动，很多文献通过各种方法致力于使非换相相电流保持恒定，从而使转矩脉动为零。

一般来说，电流反馈控制可以分为两种形式：一种是直流侧电流反馈控制，另一种是交流侧电流反馈控制。直流侧电流反馈控制的电流反馈信号由直流侧取出，主要控制电流幅值。由于直流侧电流反馈控制是根据流过直流电源的电流信号进行的，因此只需要一个电流传感器便可得到电流反馈信号。交流侧电流反馈控制的电流反馈信号由交流侧取出，此时，根据转子的位置来确定要控制的相电流，使其跟随给定。在换相过程中，当非换相电流未到达给定值时，PWM 控制不起作用；当非换相电流超过设定值时，PWM 控制开始起作用，关断所有开关器件，使电流值下降，直至低于设定值再使被关断的开关器件导通，使其值上升，以此往复，即可实现非换相相电流的调节，直至换相完成。

2．滞环电流法

其基本原理是：在电流环中采用HCR(Hysteresis Current Regulatof 滞环电流调节器)，通过比较参考电流和实际电流，使得换相时能够给出适合的触发信号。实际电流的幅值和滞环宽度的大小决定了HCR 控制信号的输出。当实际电流小于滞环宽度的下限时，MOSFET 器件导通；随着电流的上升，达到滞环宽度的上限时，MOSFET 器件关断，使电流下降。滞环电流法的特点是：应用简单，快速性好，具有限流能力。

3．重叠换相法

电流反馈法、滞环电流法虽然解决了低速换相的转矩脉动问题，但通常在高速时效果不理想。现今，在高速段抑制换相转矩脉动较成熟的方法是重叠换相法。其基本原理是：换相时，本应立即关断的功率开关器件并不是立即关断，两是延长了一个时间间隔，并将本不应开通的开关器件提前导通。传统的重叠换相法中，重叠时闻需预先确定，但选取合适的重叠时间较为困难，且不能从最大程度上减小转矩脉动。

重叠换相法分为超前导通和延时导通，超前导通即提前导通下一只该导通的开关管，使原来处于弱磁区域的绕组电流转移一部分到处于磁密较高的下一相绕组中，该电流将产生补偿转矩，以减小转矩波动；延时导通即在该关断绕组时而不关断绕组，使其延时通电，同样可以产生补偿转矩，抑制电流换相过程引起的电磁转矩波动。本系统采用的是后一种方法一延时导通重叠换相法。采用重叠换相时的转矩脉动都要小于普通换相的转矩脉动。转矩脉动的抑制程度与换相时间、PWM 占空比以及电机转速有关，选择合适的换相时间长度和PWM 占空比能使转矩脉动降到最低。

4．PWM 斩波法

PWM 斩波法与交流侧电流反馈控制方法较类似，即开关器件在断开前、导通后进行一定频率的斩波，控制换相过程中绕组端电压，使得各换相电流上升和下降的速率相等，补偿总电流幅值的变化，抑制换相转矩脉动。与重叠换相法相比，该方法具有更小的转矩脉动，适合于精度要求更高的场合。

2.3无刷直流电动机的能量回馈制动

电动自行车的电源一般都是铅酸电池，功率密度小、能量有限，且电动自行车需要频繁起动、刹车、限速，采用能量回馈制动方式能提高车辆的运行能量和效率，延长工作时间，增加续航里程。它无须改动任何硬件就能使电机从电动运行状态切换到能量回馈制动状态，且使制动及能量回收的综合效果达到最佳。

2.3.1 能量回馈制动原理

无刷直流电动机除了作为电动机输出动力外，还可以作为发电机输出电能，其工作方式分为电动方式和发电方式。

低速能量回馈制动是在电动机转速低于额定转速时实现电磁制动，同时向电源回馈能量，这种控制方式制动效果较好，能量回馈效率高，控制方便、安全，是一种较好的电气制动方式。

在低速能量回馈制动时，只对相同半桥上3只开关器件，如下半桥VT2、VT4、VT6进行PWM 控制；而另半桥上3只开关器件，如上半桥VTl、VT3、VT5总保持截止。以对下半桥进行PWM 调制为例，如图2.7所示。当某相反电动势为正向最大的120°电角度的区间内，对该相的下桥臂开关元件进行PWM控制，则可以产生可调的制动电磁转矩。

图2.7 回馈制动PWM调制方式

2.3.2 能量回馈制动控制规律

能量回馈制动电路是一个升压斩波电路。由升压斩波器原理可知，充电电流的大小与反电动势的大小及VT2触发脉冲的占空比有关，反电动势越大，则充电电流越太；占空比越大，则充电电流也越大。因此，在反电动势一定的条件下，调节功率开关的占空比，就能控制充电电流的大小，进而控制制动转矩的大小。

无刷直流电动机电动状态时，120°电机的两两导通的规律为VTl、VT6一VT3、VT6一VT3、VT2一VT5、VT2一VT5、VT4一VTl、VT4，对应电动状态的每一个状态，回馈制动的控制规律为：VT6一VT6一VT2一VT2一VT4一VT4。

2.4 电动自行车控制器的功能

本文设计的控制器蓄电池电压为48V，手把输出电压为OV～4V，正常运行时的最大电流

值为15A；当出现异常情况，导致电流急剧上升，电流值超过25A时，进入过流保护关闭驱动。功能包括调速、巡航、柔性电子刹车(EABS)、堵转保护、限流、过流保护、欠压保护、防飞车、软启动和60°和120°电机智能适应。

1．调速功能

当限速线未接时，手把从(1．25V～3．8V)转动时，PWM的输出范围3％到95％。当接上限速线时，手把从(1．25V～3．8V)转动时，PwM输出范围3％到75％，速度最高达20km／h。

以下情况会造成调速功能失效：

(1)进入巡航；

(2)有刹车信号；

(3)故障时，故障指示灯闪烁；

(4)蓄电池欠压时。

2．巡航功能

巡航功能是为了避免骑行者的手腕疲劳而设置的，进入巡航后，可以松开手把，电动自行车仍以手把松开前的速度继续前行。

巡航功能分为自动巡航和手动巡航，巡航功能也可以通过把短路子接上就取消该功能，不短接就保留该功能。

自动巡航功能进入条件：转把电压必须高于2V，并保持当前电压值(0.1V抖动)至少8秒时间。

自动巡航退出条件：

(1)刹车信号；

(2)转把二次归零；

(3)发生堵转；

(4)电池欠压保护。

手动巡航进入条件：按巡航键则开始巡航；退出条件同自动巡航。

3．柔性电子刹车(EABS)功能

此功能借鉴于汽车的ABS功能，为了防止在高速骑行时突然刹车，轮胎打滑，或者由于惯性把人摔落车下，而造成的安全事故。它利用电机回馈制动的原理，使电机停下来，而非利用刹车片的摩擦作用，因此有利于保护刹车片，在高速时和下坡时可以向电池充电，增加电池的续航里程。

4.堵转保护功能

当轮子发生堵转(即使把有发生转动，但是电机未发生转动的情况)，电机绕组中的电流很大，持续时间过长，会使电机绕组过热烧断，损坏电机，同时也会使电池长时间大电流放电，损坏电池，必须及时加以断电保护。处理过程如下：

前2秒：PWM以最大占空比输出驱动电机，这是为了防止启动和遇到小障碍物时误进入堵转状态，影响正常骑行。

第3秒：检测，若位置还未发生变化将PWM输出停止，电机停转保护，此时手把失效。

堵转状态的取消：(1)有刹车信号；(2)轮子转动一个相位角；(3)重新开机。

5．限流动能

电机中的电流不能无限制增加，所以在保持最大转矩的条件下，限制最大输入电流为15A 6．过流保护功能

在正常行驶中若检测到大于25A的电流值立即关闭PWM输出，电机停转保护，转把失效。

7. 欠压保护功能

当电池毫压低于42V（左右偏差O.5V)，并保持1秒后，欠压功能开启，自动关闭电机，等到转把归零后，再次检测电池电压，只有电池电压回升到44V以上才能再次驱动电机。欠

压保护是为了保护电池过度放电，影响其使用寿命，使用回差保护，避免电机在欠压点来回启停。

8．防飞车功能

当手把损坏时，手把电压输出一直保持在1.25V 以上，接通电源，电机就会开始运转，向前飞出去，导致人身事故，同时也是防止某种误操作。

9．软启动

电机启动时，会产生很大的冲击电流，这样对电机和电池损害很大，软启动就是为了抑制启动时的冲击电流，使电流缓慢上升，短时间内达到稳定状态。

10．60°和120°电机智能适应

电动自行车用电机根据其位置传感器安装角度的不同分为两种：60°电机和120°电机，这两种电机输出的位置信号不一样，不能使用同样的换相时序，通常控制器也根据电机不同也分为两种，此功能就是兼容两种角度的电机，不需要改动任何硬件。

第三章 电动自行车控制器的控制策略

调速是电动自行车的重要功能之一，整个系统的设计都以调速为中心。无刷直流电动机的调速控制特性如下

a O a a e d I U I R L

d t n K ???-+????= （3.1）

式中，U O 为电枢电压（V ）；I a 为电枢电流（A ）；Ra 为电枢电阻；Ke 为电动势系数，Ke=Ea/n. 由（3.1）式可知，无刷直流电动机的调速方法分为两种：对励磁进行控制的励磁控制方法和对电枢电压(Uo)进行控制的电枢电压控制方法。

励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时，通过调整励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速。这种调速方法，调速范围小，在低速时受磁极饱和的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用的很少。电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压实现调速。电枢电压控制法在调速时，保持电枢电流不变，即保持电动机的输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的大的调速范围，因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。

电枢电压的控制方式有很多种，从早期的继电器控制到晶闸管控制，到目前的PWM 调制，其控制方法的更新与新型开关器件的出现是分不开的。本系统采用PWM 调制方法控制电枢电压，即通过调节逆变电路功率器件PWM 脉冲驱动信号的占空比来改变电动机绕组两端的平均电压，从而实现无刷直流电动机的调速。

3.1 PWM 脉宽调速原理

PWM (Pulse Width Mulation)脉宽调速，是指通过改变开关器件的通断时间，来改变电枢两端的平均电压，调节电机转速的方式。其原理图如图3.1所示。

图3.l(a)是PWM 调制调速系统原理示意图。开关S 表示脉宽调制器，调速系统的外加电源

电压Us 为固定的直流电压，当开关S 闭合时，直流电源经过S 给电动机M 供电；开关S 断开时，直流电源供给M 的电流被切断，并通过二极管续流，电枢两端电压接近为零。改变控制脉冲宽度，从而改变电机绕组输入端平均电压，达到调速目的。脉冲波形见图3.l(b)，其平均电压为

图3.1 PWM 调制原理图 01

o n d s t s s t U U d U D U T T ∞

===? （3.2）

式中，T 为脉冲时钟周期；t on 为导通时间；D 为PWM 占空比（0≤D ≤1）。

可见，在电源Us 和PWM 波周期T 固定的条件下，Ud 可随D 的改变而平滑调节，从而实现电动机的平滑调速。

3.2 PWM 调制方式

对于两相导通三相六状态无刷直流电动机，一个周期内，每个功率开关器件导通120°电角度，每隔60°电角度有两个开关器件切换，PWM 调制方式有五种： on-pwm 、pwm-on 、H_pwm-L_0n 、H_on-L_pwm 、H_pwm-L_pwm 。

PWM 调制方式通常分为双斩和单斩两大类型。双斩方式功率管的开关损耗是单斩方式的2倍，降低了控制器的效率。另外，在相同的平均电磁转矩下，单斩方式比双斩方式的稳态转矩脉动小，在相同的PWM 占空比及相同的母线电压下，单斩方式的绕组电流稳态值要大于双斩方式的绕组电流稳态值。因此采用单斩方式进行PWM 调制控制的BLDCM 得到了更为广泛应用。单斩方式又可以分为两大类：一类是6个导通状态始终只对上桥臂或下桥臂的功率管进行PWM 调制；另一类是6个功率管轮换进行PWM 调制，每个导通状态对应一个功率管斩波，该方式下又可以分为H_pwm-L_on 、H_on-L_pwm 、on-pwm 和pwm-on 四种PWM 调制方式。

换相转矩脉动与PWM 调制方式有关。本系统从实际出发，采用H_pwm-L_on 调制方式，系统的控制对象为反电动势为梯形波、平顶宽度为120°电角度无刷直流电动机，采用120°导通方式，每一个周期由6个扇区组成，每扇区占60°电角度，每个开关元件导通120°，每一扇区有两个MOSFET 同时导通，在此期间，下半桥管恒开通，对应的上半桥管按输出电流和速度进行PWM 调制，通过调节PWM 的占空比调节相电流和转速。

3.3 数字PID 控制

3.3.1 PID 控制介绍

PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，旱在20世纪30年代末期就已经出现，50多年来不断更新换代，由于其算法简单、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其是在可建立精确数学模型的确定控制系统应用很多。按偏差的比例、积分和微分线性组合进行控制的方式，就是著名的PID 控制。

简单说来，PID 控制器各校正环节的作用如下：

比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T I ，T I 越大，积分作用越弱，反之则越强。

微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 PID 控制器各环节既有优点又有各自不足的地方：

比例控制的优点是误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着减少误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K P 。缺点在于对于具有平衡性(即系统阶跃响应终值为一有限值)的被控对象存在静差。加大K P 可减少静差，但K P 过大时，会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。

积分控制的优点是：它对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。但它的不足之处在于积分作用具有滞后性，积分作用太强会使控制的动态性能变差，以至于使系统不稳定。 微分控制的优点在于它能对误差进行微分，对误差的变化趋势敏感，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调量减少，增加系统稳定性。它的缺点是对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。

3.3.2 数字PID 控制算法

PID 控制的控制规律为

011

()t p D o d e u K e e d t T u T d t =+++? （3.3）

式中，K P 为比例常数；T I 为积分常数；T D 为积分常数。

在数字控制中，由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差量计算控制量，因此需要对其进行离散化处理，可得离散的增量式PID 控制算法为

22

111D k p k k k p k k D k T

T u K e e e K e K e K e T T ?=?++?=?++?（3.4） 式中，△u k 为第k 个采样时刻的控制量与第k-1个采样时刻的控制量之差；e k 为第k 个采样时刻的偏差；△e k 为第k 个采样时刻的偏差与第k-1个采样时刻的系统偏差之差。

3.4 双闭环调速系统设计

速度电流双闭环控制的调速系统是最典型的调速系统，其原理结构图如图3.3所示。 电动机的速度和电流分别由两个独立的调节器分别控制，速度调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。起动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到

图：3.2 双闭环调速模型

给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。当转速低于给定转速时，速度调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速对，转速调节器的输 出减小即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。当转速调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流实现电动机的加速，使电动机的起动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制动。

转速调节器的作用：①使转速n 跟随给定电压变化，稳态无静差；②对负载变化起抗扰作用；③其输出限幅值决定允许的最大电流。

电流调节器的作用：①电动机起动时，保证获得最大电流，起动时间短，使系统具有较好的动态特性：②在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U 变化；③当电动机过载时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用，故障消失后，系统能够自动恢复正常。

3.4.1 电流环的设计

如图3.3所示，电流环由电流调节器(ACR)，PWM 同步控制器和直流母线电流检测组成，采用典型I 型系统来校正。由于无刷直流电机具有较好的动态性能，电流调节器一般只需要PI 调节，控制算法为

11()K K p errk errk I errk D D K i i K Ti --=+-+ （3.5） 式中，Dk 、i errk 分别为第k 个采样时刻的占空比、电流误差；D k-1，i errk 分别为第 K-1个采样时刻的占空比、电流误差；T 为采样周期；K p 为比例系数：K I 为积分系数。

3.4.2 速度环的设计

速度环由速度调节器、转子位置传感器 、转速计算以及电流环组成，作用是增强系统的抗干扰能力，抑制转速波动，它是系统的主要控制环节。反馈速度不能直接得到，只能通过转子位置传感器输出的脉冲信号采用数字式测速得到。

1．测速原理

数字式测速方法有M 法测速、T 法测速和M ／T 法测速。

M 法测速是在规定的时间T c 内，对位置脉冲信号的个数m 1进行计数，从而得到转速的测量值。其转速可由下式计算

160()m in N c

m r n p T = （3.5） 式中，P N 为每转的位置信号脉冲个数。由式(3.5)可知，M 法适用于高速运行时的测速，低速时测量精度较低。因为在P N 和T c 相同的条件下，高转速时m 1较大，量化误差较小。

T 法测速是测出相邻两个转子位置脉冲信号的间隔时间来计算转速的一种测速方法，而时间的测量是借助单片机计数器对已知频率的时钟脉冲计数实现的。

设时钟频率为f,两个位置脉冲间的时钟脉冲个数为m 2，电机转子旋转一周，转子位置脉冲信号含有的脉冲个数为P N ，则电机的转速为

260()m in N f

r n p m = (3.6)

由式(3．6)可知，T 法测得的转速与时钟脉冲计数值成反比，转速越高，测得的计数值越小，估算误差越大，因此T 法测速较适合于低速场合。

M ／T 法测速综合了以上两种方法的优点，既可以在低速段可靠的测速，又在高速段具备较高的分辨能力，因此在较宽的范围内均有很好的检测准确度，M ／T 法测速是在稍大于规定时间T c 的某一时间T d 内，分别对位置信号的脉冲个数m l 和高频时钟脉冲个数m 2进行计数。其计算公式为

1260()m in N m f

r n p m = （3.7）

本文电动自行车电机的转速最高不超过600r ／min ，因此选择T 法测速。具体做法为：以转子位置信号的跳变沿为基准，使计数器记下转子转过一步的时间△t ，设电机极对数为p ，则电机的转速为

10

()m in r n p t =? （3.8）

2．模糊一PI 复合控制速度环设计

为了提高系统的动、静态性能，本系统中速度调节器采用模糊一PI 复合控制，在启动或者负载发生突然变化，偏差在大范围内时采用模糊控制，利用模糊控制响应快和调节平稳的特性，使速度跟踪加快；当电机进入平稳状态，偏差在小范围偏差内转换到PI 控制，PI 控制积分环节能提高系统的静态精确度，以克服模糊控制容易产生静态误差的缺陷。二者的转换根据单片机程序给定的偏差范围进行自动切换。

第四章电动自行车控制器硬件设计

4.1 硬件系统框图

如图4.1所示，电动自行车控制器系统主要由以下部分组成；逆变电路、功率驱动保护电路、电源电路、单片机及其外围控制电路。

逆变电路及其驱动电路是单片机和电机之间的联系枢纽，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。本系统采用三相全桥逆变电路。

功率驱动保护电路为单片机和逆变器之间的桥梁，单片机的输出信号，经过功率放大后，开通、关断M0SFET，同时防止逆变器端的电压反串到单片机端，损坏单片机的I／O口。

电源电路提供功率驱动及保护电路、单片机控制电路所需的电源。

单片机为控制核心，根据输入的信号运行控制算法控制电机的运行。

外围控制电路包括刹车信号、巡航电路等。

4.1 控制器系统框图

4.2 AVR系列ATmega48单片机简介

ATMEL公司于2002年推出了一款新型AVR高档单片桃，在AVR家族中，ATmega48是一个非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具有AVR高档单片机MEGA系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装(为DIP28和TQEP／MLF32)，所以其价格仅与低档单片机相当，成为具有极高性价比、深受广大用户喜爱的单片机，被广泛应用于电器、仪表、电源等行业。

ATmega48是一款基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位单片机，由于在一个时钟周期内执行一条指令，ATmega48可以达到接近1MIPS／MHz。ATmega48具有以下特点：4K字节的在线编程／应用编程(ISP／IAP)Flash程序存储器，256字节EEPROM，512字节SRAM，32个通用工作寄存器，23个通用I／O口，3个带有比较模式灵活的定时器／计数器，6路PWM，1 8+2个内外中断源，1个可编程的UART接口，1个8位I*I*C总线接口，8(6)通道的l O位ADC，可编程的看门

狗定时器1个，SPI接口和5种可通过软件选择的节电模式。当单片机处于空闲模式时，CPU 将停止运行，而SRAM、定时器／计数器、SPI口和中断系统则继续工作；处于掉电模式时，振荡器停止工作，所有其他功能都被禁止，但寄存器内容得到保留，只有在外部中断或硬件复位时才退出此状态；处于省电模式时，芯片的所有功能被禁止(处于休眠)，只有异步时钟正常工作，以维持时间基准。当单片机处于ADC噪声抑制模式时，CPU和其他的I／O模块都停止运行，只有ADC和异步时钟正常工作，以减少ADC转换过程中的开关噪声：在待命模式时，CPU和其他的I／O模块都停止运行，但系统振荡器仍在运行，使得系统在低功耗时可以很快地启动。

ATmega48单片机采用ATMEL的高密度非易失性内存技术，片内Flash可以通过SPI接口、通用编程器及自引导BOOT程序进行编程和自编程。利用自引导BooT程序，可以使用任一硬件接口下载应用程序，并写入到Flash的应用程序区中。在更新Flash的应用程序区数据时，处在Flash的BOOT区中的自引导程序继续执行，实现了同时读写的功能。由于将增强RISC 8位CPU与在系统编程和在应用编程的Flash存储器集成在一个芯片内，ATmega48成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

图4.2为本系统中ATmega48的引脚分配图，PC6为复位脚，连接外部复位电路，PD0～PD2为霍尔位置检测电路的输入口，作为相绕组的换相信号，PBl～PB3＼PD3＼PD5～PD6为电机的驱动控制信号，其中PB2＼PD5＼PD6为上桥驱动控制信号，输出为PWM信号，PD3＼PB3＼PBl 为下桥驱动控制信号，正常换相时，输出为普通高低电平，柔性电子刹车时，输出为PWM信号。PCO～PC2为ADC的三个输入通道，分别连接电源电压检测输入、手把电压检测输入和电流检测输入，用于监测电源电压、手把电压和相电流，为欠压保护、过流保护以及双闭环调速提高数据。PB0＼PC3～PC4＼PD4＼PDO为手动巡航按键输入口、巡航使能口、LED驱动口、刹车信号输入口和过流检测口，是系统的开关输入输出量，SCK＼MISO＼MOSI为调试口，用于在线调试和下载程序。

图4.2 ATmega48的引脚分配

4.3 电源电路

电源电路通过两级电压变换，得到控制电路所需的两组电压：+15V和+5V。+15V作为功率驱动电路的电源，+5V作为单片机及其他控制电路的电源。