电动自行车控制器设计

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。

1.2.1 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。