【正文】 制領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用得 益于其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性，以往的直流電動機由于沒有電刷而需要機械換相，造成可靠性較低，而且電刷容易出現(xiàn)問題需要經(jīng)常維護；在換相時會產(chǎn)生電磁間干擾，噪聲較大，從而影響了普通直流電機在自動控制系統(tǒng)中的發(fā)展應(yīng)用。以電子換相取代機械換相的無刷電機克服了機械換相帶來的缺點，得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展 [3]。無刷直流電機在保持了傳統(tǒng)直流電機的良好動、靜態(tài)調(diào)速特性的同時，還具有構(gòu)造簡單、運行可靠、易于控制、不產(chǎn)生火花、電磁噪聲低、效率高、轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異等優(yōu)點。其應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)，快速向民用行業(yè)以及工業(yè)自動化領(lǐng)域迅速擴展。 與 有刷直流電機不同，無刷直流電機的電樞為定子繞組，勵磁繞組被永磁材料所取代。根據(jù)流入定子繞組的激勵電流波形的不同來劃分，直流無刷電機可以分為方波直流電機（ BLDCM）和正弦波直流電機（ PMSM）。 BLDCM 用電子換相克服了以前直流電機機械換相的缺點，用永磁材料做轉(zhuǎn)子省去了電刷；而 PMSM 是用永磁材料代替普通電機轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組，省去了勵磁繞組、滑環(huán)和碳刷。在相同的條件下，驅(qū)動電路獲得方波相對比較容易，并且控制比較簡單，因此 BLDCM 的應(yīng)用要比 PMSM 廣泛的多。 無刷直流電動機的典型應(yīng)用一般由一臺同步電機、一組 轉(zhuǎn)子位置檢測器和一套受位置檢測器控制的逆變器組成。中小型電機的逆變器一般由晶體管組成；大型電機的逆變器通常采用晶閘管構(gòu)成，稱為晶閘管電動機 。運行時，霍爾位置傳感器獲得電機轉(zhuǎn)子位置信息，經(jīng)過處理后輸入控制器進行邏輯綜合，之后控制器輸出 PWM 波使功率逆變驅(qū)動電路中的開關(guān)管有序的導(dǎo)通和截止，從而實現(xiàn)電子換流，驅(qū)動直流電機可靠穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。 電動自行車控制器的研究現(xiàn)狀及存在的問題 電動車控制器是用來控制電動自行車電機的運行、速度以及其它電子部件的核心器件，它就是電動自行車的大腦，是電動車上最重要的部件。不同車型 所對應(yīng)的控制器因5 性能不同而各具特點。電動車控制器從結(jié)構(gòu)上可以分兩種：分離式和整體式。電動車控制器的設(shè)計應(yīng)兼顧蓄電池和電機的實際使用情況，合理分配蓄電池、控制器和電機之間的關(guān)系，將其作為一個整體系統(tǒng)來設(shè)計，這樣才能得到較為匹配的電動車控制器。 目前來看，電動自行車控制器的控制系統(tǒng)主要有以下幾類： （ 1） 模擬控制系統(tǒng)：由大量分立元件配合少量集成芯片組成的模擬電路構(gòu)成； （ 2） 專用控制系統(tǒng)：由控制無刷直流電機的專用高集成 度 芯片配以外圍功能電路構(gòu)成； （ 3） 數(shù)模混合控制系統(tǒng)以及全數(shù)字控制系統(tǒng)：以單片機、高速 DSP 芯 片以及 ARM芯片為核心加以外圍功能電路構(gòu)成 [4]。 模擬控制系統(tǒng)中的大量分立元件存在著不可消除的參數(shù)漂移，而且模擬電路排布復(fù)雜、不便于調(diào)試，因此電機的可靠性穩(wěn)定性受到影響，性能難以高效率發(fā)揮，在現(xiàn)在的電動車控制器中已經(jīng)很少采用了。由專用集成電路為核心的控制系統(tǒng)采用無刷直流電機專用控制集成芯片如 MC3303 MC33035 為主要控制器件，這樣可以有效減輕分立元件帶來的參數(shù)漂移的危害，而且使控制電路的總體體積減小、可靠性提高，但是這類控制器一旦成型，后續(xù)功能往往難以擴展，升級不便。這類控制器在初期的電動車中采 用較多。近年來 DSP 和 ARM 的迅速發(fā)展，也為電機控制核心芯片的選擇開辟了一種新的途徑，如 ADI 公司的 ADMC3xx 系列， TI 公司的 TMS320C2xx 系列及 Motorola 公司的DSP56F8xx 系列，這些都是由一個以 DSP 為基礎(chǔ)的核心，并結(jié)合電機控制所需的外部功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使控制器整體體積大大縮小、各部分結(jié)構(gòu)緊湊、易于使用、可靠性提高。較為先進的 DSP 還可以提供專用的事件管理模塊用于電機控制，這樣一來它在電機矢量控制以及矩陣變換等方面具有顯著的優(yōu)勢。未來應(yīng)用 DSP 作為電動車控制器的主控芯片是 一種勢不可擋 的 趨勢。但是目前來看這些專用集成芯片價格較為昂貴，外圍電路設(shè)計復(fù)雜造成維修困難，所以在廣大的民用市場難以大規(guī)模推廣。由于控制器非常注重成本，而 DSP 和 ARM 的控制策略的理論研究還不夠成熟。因此，在一定時期內(nèi)這類控制器還不會大規(guī)模應(yīng)用于潛力巨大的民用市場。數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)和全數(shù)字控制系統(tǒng)采用數(shù)字電路和單片機組成硬件系統(tǒng)，控制由主要依靠硬件實現(xiàn)偏向由軟件實現(xiàn)，控制比較靈活、功能方便擴展且易實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。所以目前這類電動自行車控制器得到廣泛的關(guān)注和研究。 2. 電動自行車控制器的設(shè)計原理及硬件電 路 主要元件的選取 6 現(xiàn)在市場上大部分電動車生產(chǎn)廠商采用 Motorola 公司的 MC330xx 系列無刷直流電機專用集成控制芯片，該芯片包含了無刷電機控制系統(tǒng)必需的基本控制功能。本設(shè)計的主控芯片采用 AT89S52 單片機，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)專用集成控制芯片 MC33035 可以實現(xiàn)的所有功能，而且更容易對系統(tǒng)進行后續(xù)升級拓展。 控制芯片的選取 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品 指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止 [5]。AT89S52 引腳排列如圖 1 所示。 圖 1 AT89S52 引腳排列 電機的選取 異步電機的優(yōu)點有價格便宜、可靠性高、轉(zhuǎn)速高、低轉(zhuǎn)矩波動和不用位置傳感器等，7 采用矢量控制性能優(yōu)異而成為電動車用驅(qū)動電機的首要選擇。但是異步電機存在較大的銅損，運行效率低，特別是在低速運行時，效率 較低。開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單、效率高，低速運行時仍可提供很大的轉(zhuǎn)矩，且驅(qū)動器設(shè)計比較簡單；缺點主要是振動以及噪聲較大。 無刷直流電機轉(zhuǎn)子為永磁體，用定子繞組換相代替機械電刷換相，用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置信息。 與前兩類電機相比，無刷直流電機的優(yōu)點有： （ 1） 電機性能好，具有轉(zhuǎn)矩大的特性 。 （ 2） 速度調(diào)節(jié)范圍寬，可以全功率運行在任何轉(zhuǎn)速下 。 （ 3） 電機轉(zhuǎn)換效率高，載荷不影響其效率 。 （ 4） 過載能力強，制動效果好 。 （ 5） 電機整體體積小、重量輕 。 （ 6） 電機采用電子換相，可靠性高 。 （ 7） 電機控制系統(tǒng)較為簡單。 因 此無刷直流電機是比較理想的電動車輛驅(qū)動部件。 無刷直流電機結(jié)構(gòu) 如圖 2 所示 。 永 磁轉(zhuǎn) 子UWV繞 組 線 圈霍 爾 傳 感 器 圖 2 無刷直流電機結(jié)構(gòu) 目前技術(shù)較為成熟的驅(qū)動方式為全橋式電機驅(qū)動，圖 3 所示 為 無刷直流電機的 驅(qū)動電路簡化圖。 T1~T6 為大功率驅(qū)動器件。根據(jù)單片機輸出的邏輯信號， T1~T6 會順序?qū)ê完P(guān)斷，從而驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。 8 T1MOSFETNT2MOSFETNT4MOSFETNT3MOSFETNT6MOSFETNT5MOSFETND2FR107D1FR107D3FR107D4FR107D5FR107D6FR107CUVW24VGND 圖 3 無刷直流電機驅(qū)動簡化圖 在任意時刻無刷直流電機只有兩相導(dǎo)通，第三相懸空?；魻杺鞲衅魑挥陔姍C內(nèi)部，呈 120o 分布，導(dǎo)通的次序由霍爾傳感器獲取的轉(zhuǎn)子位置信號決定。 電機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 60o電角度，逆變器就進行一次換流，定子的狀態(tài)就改變一次。以 Ha， Hb， Hc 表示電機內(nèi)部的霍爾位置傳感器，電機轉(zhuǎn)動時霍爾傳感器信號電平、導(dǎo)通的功率開關(guān)器件和繞組的導(dǎo)通相之間的關(guān)系如表 1 所示 。 表 1 導(dǎo)通換相關(guān)系表 Ha Hb Hc 導(dǎo)通的 MOS 管 導(dǎo)通相 1 1 0 T1 T2 U→W 0 1 0 T2 T3 V→W 0 1 1 T3 T4 V→U 0 0 1 T4 T5 W→U 1 0 1 T5 T6 W→V 1 0 0 T6 T1 U→V 高壓三相場效應(yīng)管電機驅(qū)動芯片 IR2103S 在功率變換電路中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)分布，功率開關(guān)器件驅(qū)動方式有兩種：直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動。隔離驅(qū)動方式需要將驅(qū)動模塊、控制模塊和主電路分開，以免引起干擾造成整體電路不穩(wěn)定。隔離驅(qū)動有電磁隔離和光電隔離兩種方式。 光電隔離電路占用9 空間小，構(gòu)造簡單，但共模抑制能力不強，傳輸速 度較慢。 電磁隔離方式的隔離元件采用脈沖變壓器，能夠快速響應(yīng)，共模抑制能力強。但是輸出信號的最大傳輸帶寬受磁飽和特性的限制，信號的頂部不易傳輸，且限制最大占空比在 50％以內(nèi)。同時脈沖變壓器的體積大，加工復(fù)雜。 IR 公司生產(chǎn)的 IR2103S 驅(qū)動器，同時具備光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點。采用抗干擾 CMOS 工藝制造， DIP8 腳封裝，具有獨立的低端輸入通道和高端輸入通道；其高端工作電壓可達 600V；輸出電壓范圍 10～ 20V；工作頻率可達 500kHz；導(dǎo)通、關(guān)斷延遲小，響應(yīng)迅速 [6]。本設(shè)計采用 DIP 封裝的 IR2103S， 驅(qū) 動芯片 IR2103S引腳排列如圖 4 所示 。 圖 4 驅(qū)動芯片 IR2103S 引腳排列 系統(tǒng)設(shè)計的原理依據(jù) 無刷直流電機的控制 無刷直流電機由于沒有電刷，電機的運轉(zhuǎn)需要受到外部 驅(qū)動電路的控制，可以用編程的方式實現(xiàn)電機的電子換相和無級調(diào)速。脈沖寬度調(diào)制屬于模擬控制方式，是根據(jù)相應(yīng)載荷的不同來調(diào)制 MOS 管柵極的偏置量，來改變 MOS 管導(dǎo)通時間的。這種調(diào)節(jié)方式能保證電源的輸出電壓在工作發(fā)生條件變化時維持恒定，是利用處理器輸出的數(shù)字信號對模擬電路進行有效控制的一種方法。 PWM 脈寬調(diào)速，是指通過改變開關(guān)器件的通斷時間，來改變電樞兩端的平均電壓，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的方式。 PWM 的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，可將噪聲影響降到最小。電機通過霍爾位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子的位 置信息并送給控制器，控制器對位置信號進行邏輯綜合，輸出 PWM 波來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，驅(qū)動電機安全穩(wěn)定運行。 速度電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié) 整個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)包括電流回饋控制環(huán)和速度回饋控制環(huán)。系統(tǒng)的電流反饋控制環(huán)和速度反饋控制環(huán)的控制都是數(shù)字控制方式，都由單片機來完成。外環(huán)是速度回饋控制環(huán)，單片機根據(jù)設(shè)定的速度值與經(jīng)霍爾傳感器獲得的信號計算出的 實際 速度值運算比較可以得到電流設(shè)定值，實際對應(yīng)的為電機設(shè)定的電壓值。內(nèi)環(huán)為電流回饋環(huán)，對速度10 控制電路的輸出電流設(shè)定值與經(jīng)采樣電阻采樣放大轉(zhuǎn)換得到的電流值，通過合 適的算法，計算出對應(yīng)的 PWM 波，從而實現(xiàn)電動機的閉環(huán)調(diào)速控制。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)把速度控制電路的輸出作為電流控制電路的設(shè)定值來回饋控制電機的轉(zhuǎn)速 [7]。這種方法可以實時根據(jù)預(yù)設(shè)速度大小與實際運行速度大小的差值及時控制電機的轉(zhuǎn)矩，在差值較大時增大電機轉(zhuǎn)矩，加快速度變化，使電機速度較快地把達到預(yù)設(shè)值。在電機速度接近預(yù)設(shè)值時，自動減小轉(zhuǎn)矩，避免超調(diào)過大，實現(xiàn)快速調(diào)速。為了抑制干擾的影響，電流調(diào)節(jié)環(huán)的等效時間常數(shù)設(shè)置較小，使系統(tǒng)在受到干擾時能迅速反應(yīng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力得到提高。而且雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)以速度調(diào)節(jié)電路 的輸出作為電流調(diào)節(jié)電路的輸入設(shè)定值，對速度調(diào)節(jié)電路的輸出做出限制就同時限制了電路中的電流大小，從而實現(xiàn)保護逆變橋的作用 [8]。 電機的正反轉(zhuǎn)控制由單片機輸出相對應(yīng)的信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通相序。使用采樣電阻將流經(jīng) MOS 管的實際電流大小采樣處理后送到單片機，當電動機繞組的相電流大于程序設(shè)定值時，單片機能夠靈活地調(diào)用子程序進行保護。 雙閉環(huán)調(diào)速原理圖如圖 5 所示。 圖 5 雙閉環(huán)調(diào)速原理 整體硬件系統(tǒng)框圖 本文設(shè)計的電動自行車控制系統(tǒng)包括以單片機為核心的主控 模塊；以 IR2103S 為核心的驅(qū)動模塊；另外還有位置信號檢測及綜合部分、電流信號采樣放大和比較部分以及一些外圍功能輔助電路等?？刂齐娐穼崿F(xiàn)電機的啟動、電子換相、無級調(diào)速、電子剎車制動等控制并可以對電機進行保護；驅(qū)動電路利用 IR2103S 的自舉技術(shù)驅(qū)動大功率MOSFET 管的導(dǎo)通和截止驅(qū)動電機運行；外圍功能電路做到對各種信號的采樣處理、對不同電路的供電、保護等。系統(tǒng) 整體 框圖如圖 6 所示 。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 電流調(diào)節(jié) PWM 同步 控制 霍爾位置傳感器 三相橋式逆變驅(qū)動電路 母線電流檢測 轉(zhuǎn)速計算 無刷直流電機 11 保護電路 功能電路