【正文】 有構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)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(diǎn)。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(dòng)化領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。與有刷直流電機(jī)不同，無(wú)刷直流電機(jī)的電樞為定子繞組，勵(lì)磁繞組被永磁材料所取代。根據(jù)流入定子繞組的激勵(lì)電流波形的不同來(lái)劃分，直流無(wú)刷電機(jī)可以分為方波直流電機(jī)（BLDCM）和正弦波直流電機(jī)（PMSM）。BLDCM用電子換相克服了以前直流電機(jī)機(jī)械換相的缺點(diǎn)，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(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，省去了勵(lì)磁繞組、滑環(huán)和碳刷。在相同的條件下，驅(qū)動(dòng)電路獲得方波相對(duì)比較容易，并且控制比較簡(jiǎn)單，因此BLDCM的應(yīng)用要比PMSM廣泛的多。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的典型應(yīng)用一般由一臺(tái)同步電機(jī)、一組轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和一套受位置檢測(cè)器控制的逆變器組成。中小型電機(jī)的逆變器一般由晶體管組成；大型電機(jī)的逆變器通常采用晶閘管構(gòu)成，稱為晶閘管電動(dòng)機(jī)。運(yùn)行時(shí)，霍爾位置傳感器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，經(jīng)過(guò)處理后輸入控制器進(jìn)行邏輯綜合，之后控制器輸出PWM波使功率逆變驅(qū)動(dòng)電路中的開(kāi)關(guān)管有序的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)電子換流，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)可靠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。 電動(dòng)自行車控制器的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題電動(dòng)車控制器是用來(lái)控制電動(dòng)自行車電機(jī)的運(yùn)行、速度以及其它電子部件的核心器件，它就是電動(dòng)自行車的大腦，是電動(dòng)車上最重要的部件。不同車型所對(duì)應(yīng)的控制器因性能不同而各具特點(diǎn)。電動(dòng)車控制器從結(jié)構(gòu)上可以分兩種：分離式和整體式。電動(dòng)車控制器的設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧蓄電池和電機(jī)的實(shí)際使用情況，合理分配蓄電池、控制器和電機(jī)之間的關(guān)系，將其作為一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)，這樣才能得到較為匹配的電動(dòng)車控制器。目前來(lái)看，電動(dòng)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(wú)刷直流電機(jī)的專用高集成度芯片配以外圍功能電路構(gòu)成；（3）數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)以及全數(shù)字控制系統(tǒng)：以單片機(jī)、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(jī)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(dòng)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(wú)刷直流電機(jī)專用控制集成芯片如MC3303MC33035為主要控制器件，這樣可以有效減輕分立元件帶來(lái)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(kuò)展，升級(jí)不便。這類控制器在初期的電動(dòng)車中采用較多。近年來(lái)DSP和ARM的迅速發(fā)展，也為電機(jī)控制核心芯片的選擇開(kāi)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(gè)以DSP為基礎(chǔ)的核心，并結(jié)合電機(jī)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(jìn)的DSP還可以提供專用的事件管理模塊用于電機(jī)控制，這樣一來(lái)它在電機(jī)矢量控制以及矩陣變換等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)應(yīng)用DSP作為電動(dòng)車控制器的主控芯片是一種勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。但是目前來(lái)看這些專用集成芯片價(jià)格較為昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜造成維修困難，所以在廣大的民用市場(chǎng)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(shí)期內(nèi)這類控制器還不會(huì)大規(guī)模應(yīng)用于潛力巨大的民用市場(chǎng)。數(shù)模混合控制系統(tǒng)和全數(shù)字控制系統(tǒng)采用數(shù)字電路和單片機(jī)組成硬件系統(tǒng)，控制由主要依靠硬件實(shí)現(xiàn)偏向由軟件實(shí)現(xiàn)，控制比較靈活、功能方便擴(kuò)展且易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。所以目前這類電動(dòng)自行車控制器得到廣泛的關(guān)注和研究。2. 電動(dòng)自行車控制器的設(shè)計(jì)原理及硬件電路 主要元件的選取現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分電動(dòng)車生產(chǎn)廠商采用Motorola公司的MC330xx系列無(wú)刷直流電機(jī)專用集成控制芯片，該芯片包含了無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)必需的基本控制功能。本設(shè)計(jì)的主控芯片采用AT89S52單片機(jī)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)專用集成控制芯片MC33035可以實(shí)現(xiàn)的所有功能，而且更容易對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)升級(jí)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(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)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(jī)的選取異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有價(jià)格便宜、可靠性高、轉(zhuǎn)速高、低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和不用位置傳感器等，采用矢量控制性能優(yōu)異而成為電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首要選擇。但是異步電機(jī)存在較大的銅損，運(yùn)行效率低，特別是在低速運(yùn)行時(shí)，效率較低。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，低速運(yùn)行時(shí)仍可提供很大的轉(zhuǎn)矩，且驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)主要是振動(dòng)以及噪聲較大。無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，用定子繞組換相代替機(jī)械電刷換相，用霍爾傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信息。與前兩類電機(jī)相比，無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有：（1）電機(jī)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(yùn)行在任何轉(zhuǎn)速下。（3）電機(jī)轉(zhuǎn)換效率高，載荷不影響其效率。（4）過(guò)載能力強(qiáng)，制動(dòng)效果好。（5）電機(jī)整體體積小、重量輕。（6）電機(jī)采用電子換相，可靠性高。（7）電機(jī)控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。因此無(wú)刷直流電機(jī)是比較理想的電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)部件。無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)目前技術(shù)較為成熟的驅(qū)動(dòng)方式為全橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，圖3所示為無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)化圖。T1~T6為大功率驅(qū)動(dòng)器件。根據(jù)單片機(jī)輸出的邏輯信號(hào)，T1~T6會(huì)順序?qū)ê完P(guān)斷，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化圖在任意時(shí)刻無(wú)刷直流電機(jī)只有兩相導(dǎo)通，第三相懸空?；魻杺鞲衅魑挥陔姍C(jī)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(hào)決定。電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60o電角度，逆變器就進(jìn)行一次換流，定子的狀態(tài)就改變一次。以Ha，Hb，Hc表示電機(jī)內(nèi)部的霍爾位置傳感器，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)霍爾傳感器信號(hào)電平、導(dǎo)通的功率開(kāi)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 0T1 T2U→W0 1 0T2 T3V→W0 1 1T3 T4V→U0 0 1T4 T5W→U1 0 1T5 T6W→V1 0 0T6 T1U→V 高壓三相場(chǎng)效應(yīng)管電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)方式有兩種：直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)。隔離驅(qū)動(dòng)方式需要將驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊和主電路分開(kāi)，以免引起干擾造成整體電路不穩(wěn)定。隔離驅(qū)動(dòng)有電磁隔離和光電隔離兩種方式。光電隔離電路占用空間小，構(gòu)造簡(jiǎn)單，但共模抑制能力不強(qiáng)，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(qiáng)。但是輸出信號(hào)的最大傳輸帶寬受磁飽和特性的限制，信號(hào)的頂部不易傳輸，且限制最大占空比在50％以內(nèi)。同時(shí)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(dòng)器，同時(shí)具備光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)。采用抗干擾C