【正文】 中的勵(lì)磁繞組，省去了勵(lì)磁繞組、滑環(huán)和碳刷。無(wú)刷直流電機(jī)在保持了傳統(tǒng)直流電機(jī)的良好動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性的同時(shí)，還具有構(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)。從而引發(fā)了對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)研究的小高潮，之后研制成功方波無(wú)刷直流電機(jī)和正弦波無(wú)刷直流電機(jī)。由過(guò)去簡(jiǎn)單的起動(dòng)停止控制、以提供驅(qū)動(dòng)為目的應(yīng)用，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)其速度、轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)矩等精確的4 控制，以及對(duì)這些被控量的邏輯綜合控制，使被控制的機(jī)械運(yùn)動(dòng)更符合預(yù)想要求。隨著我國(guó)城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的推進(jìn)及農(nóng)村道路狀況的不斷改善，自行車(chē)的使用逐漸被電動(dòng)車(chē)所代替，所以對(duì)電動(dòng)車(chē)的需求量會(huì)逐漸增大。 電動(dòng)自行車(chē)以較快的速度進(jìn)入市場(chǎng)，逐漸取代自行車(chē)成為不可或缺的交通工具。 這不但 要求人們節(jié)約能源，更要求人們注重環(huán)境保護(hù)，以實(shí)現(xiàn) 人與自然 的 和諧可持續(xù)發(fā)展。此外 ， 石油燃燒產(chǎn)生的二氧化碳雖然對(duì)人體健康沒(méi)有太大危害，但是造成的溫室效應(yīng)卻破壞了大自然的生態(tài)平衡，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。 Double closedloop control。 利用無(wú)刷系統(tǒng)電子換向的特點(diǎn)，根據(jù)能量回饋 制動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)柔性電子剎車(chē)。 由 霍爾傳感器采集的信號(hào)計(jì)算出 轉(zhuǎn)速， 單片機(jī)通過(guò) PWM 方式實(shí)現(xiàn) 速度 閉環(huán) 控制 ；同時(shí) 對(duì)電機(jī) 相電流 采樣 進(jìn)行 電流閉環(huán) 控制； 組成 “ 速度 電流 ” 雙閉環(huán)控制 系統(tǒng) 。 Brushless direct current motor。從環(huán)境保護(hù)角度講，石油的使用造成的大氣污染不斷加重。電動(dòng)車(chē)的發(fā)展進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。 1. 現(xiàn)狀及存在問(wèn)題 電動(dòng)自行車(chē)的現(xiàn)狀 近幾年來(lái)， 電動(dòng)車(chē) 以 環(huán)保、低能耗的特點(diǎn)，成為短距離出行的最好交通選擇。我國(guó)有廣泛的人口資源，在小城市以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)大部分人都以自行車(chē)代步，電動(dòng)車(chē)的市場(chǎng)潛力十分巨大。由于不斷地改進(jìn)技術(shù)，電機(jī)的控制變得更加靈活，效率也更逐漸提高。 1978 年 MAC 的無(wú)刷直流電機(jī)及其相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)使無(wú)刷直流電機(jī)開(kāi)始真正進(jìn)入實(shí)用階段。以電子換相取代機(jī)械換相的無(wú)刷電機(jī)克服了機(jī)械換相帶來(lái)的缺點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展 [3]。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）。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) 。電動(dòng)車(chē)控制器從結(jié)構(gòu)上可以分兩種：分離式和整體式。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 MC3303 MC33035 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(lèi)控制器一旦成型，后續(xù)功能往往難以擴(kuò)展，升級(jí)不便。未來(lái)應(yīng)用 DSP 作為電動(dòng)車(chē)控制器的主控芯片是 一種勢(shì)不可擋 的 趨勢(shì)。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(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。 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。 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(mén)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。AT89S52 引腳排列如圖 1 所示。 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。 （ 4） 過(guò)載能力強(qiáng)，制動(dòng)效果好 。 因 此無(wú)刷直流電機(jī)是比較理想的電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)部件。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)。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 。 光電隔離電路占用9 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。 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)。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(lái)調(diào)制 MOS 管柵極的偏置量，來(lái)改變 MOS 管導(dǎo)通時(shí)間的。電機(jī)通過(guò)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(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，輸出 PWM 波來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。內(nèi)環(huán)為電流回饋環(huán)，對(duì)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(guò)合 適的算法，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的 PWM 波，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)調(diào)速控制。為了抑制干擾的影響，電流調(diào)節(jié)環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)設(shè)置較小，使系統(tǒng)在受到干擾時(shí)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。 雙閉環(huán)調(diào)速原理圖如圖 5 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(dòng)電路 母線電流檢測(cè) 轉(zhuǎn)速計(jì)算 無(wú)刷直流電機(jī) 11 保護(hù)電路 功能電路 AT89S52 電流采樣及轉(zhuǎn)換 無(wú)刷直流電機(jī) 霍爾傳感器 轉(zhuǎn)把、閘把 驅(qū) 動(dòng) 電 路 圖 6 系統(tǒng)整體框圖 直流電源通過(guò)大功率 MOSFET 管構(gòu)成的逆變橋向無(wú)刷直流電機(jī)供電，在每一次采樣周期開(kāi)始時(shí) ，單片機(jī)先根據(jù)霍爾傳感器獲取的位置信息判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，若處于靜止?fàn)顟B(tài)則用軟件開(kāi)環(huán)軟起動(dòng)，當(dāng)速度達(dá)到一定值后切換到閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)。 電 動(dòng)車(chē)在正常騎行時(shí)，控制器的大功率 MOSFET 管處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)。速度調(diào)節(jié)信號(hào)由霍爾調(diào)速轉(zhuǎn)把送出，轉(zhuǎn)換處理后送至單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，輸出相對(duì)應(yīng)的 PWM 脈沖信號(hào)至大功率驅(qū)動(dòng)管。 12 +E1100uFC2104+E2220uF+E3470uFC3104+5VR71KR615KR1150Vin1GND2Vout3U3LM7805R36kR4510C4104R551RD521N4148D511N4148+E1147uF24V18VVin1GND2Vout3U2LM7818 圖 7 電源電路 本設(shè)計(jì)電源電路轉(zhuǎn)換為 5V 和 18V。 三相全橋逆變電路及驅(qū)動(dòng)電路 逆變電路由功率開(kāi) 關(guān)管組成，采用單極性 PWM 控制技術(shù)控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。為了保護(hù)功率開(kāi)關(guān)管，每個(gè)開(kāi)關(guān)管上都并聯(lián)快速續(xù)流二極管 IN4148。 圖 8 所示為驅(qū)動(dòng)電路。現(xiàn)在電流檢測(cè)模塊種類(lèi)很多，具有使用方便、反應(yīng)靈敏、報(bào)警值可調(diào)和多路檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)；但是成本較高，不易排查故障。第 2 種方案對(duì)于 A／ D 轉(zhuǎn)換的精度以及軟件數(shù)據(jù)處理速 度有一定的要求，其優(yōu)點(diǎn)在于造價(jià)低。采樣比較電路如圖 9 所示 ?；魻杺鞲衅魇且环N半導(dǎo)體器件，利用霍爾效應(yīng)制成。安裝霍爾元件時(shí)，應(yīng)使其盡量靠近永磁體，否則會(huì)造成輸出信號(hào)電 平太低，影響正常工作。同時(shí)為了消除單片機(jī)控制電路對(duì)霍爾傳感器的影響，采用二極管隔離。圖 11 所示為轉(zhuǎn)把輸入電路，其中 J3 為霍爾手柄接口。只有當(dāng)啟動(dòng)自檢時(shí)電源電壓大于設(shè)定值，經(jīng)過(guò)軟啟動(dòng)過(guò)程，內(nèi)部各電路模塊才開(kāi)始正常工作，輸出 PWM波 [12]。 （ 2） 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)。 （ 4） 使電動(dòng)車(chē)及控制器的安全可靠運(yùn)行。循環(huán)主體部分包括對(duì)轉(zhuǎn)把信號(hào)和電源電壓采樣，獲取剎車(chē)信號(hào)并處理以及實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)調(diào)速。此時(shí)沒(méi)有必要禁止輸出，而只需稍微減小輸出 PWM 波的占空比即可實(shí)現(xiàn)降低回路電流的保護(hù)要求。當(dāng)再次獲取到的電流值小于故障電流值時(shí)，使 PWM 波重新輸出，這部分程序放在對(duì)突發(fā)事件的中斷處理中 [14]。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是通過(guò)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)自身內(nèi)部的霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)得到的，由于霍爾傳感器中的霍爾元件是集電極開(kāi)路輸出的，其輸出信號(hào)通過(guò)上拉電阻可以得到位置方波信號(hào)，高電平置l，低電平置 0，以低三位表示霍爾傳感器 Hc， Hb， Ha 位置信號(hào)的狀態(tài)，則可得到從001 到 110 六種不同的狀態(tài)。電子換相子程序通過(guò)查表的方法確定電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 是 否 端口初始化 定時(shí)器、 A/D 初始化 子程序初始化 中斷初始化 使能中斷 故障報(bào)警 系統(tǒng)自檢 事件處理 中斷處理 開(kāi)始 18 圖 13 電子換相 程序 巡航程序模塊 電動(dòng)車(chē)根據(jù)進(jìn)入巡航功能方式不同，可以分手動(dòng)巡航和自動(dòng)巡航。在軟件設(shè)計(jì)中，調(diào)速手柄產(chǎn)生的模擬電壓經(jīng)采樣變換后，如果調(diào)速手柄產(chǎn)生的電壓值在程序設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)沒(méi)有較大的變化，電動(dòng)車(chē)就自動(dòng)進(jìn)入巡航狀態(tài)。 是 否 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 換相標(biāo)志位置 0 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 故障標(biāo)志位為 1 中斷結(jié)束 查表確定換相并換相輸出 進(jìn)入中斷 19 圖 14 中斷服務(wù) 程序流程圖 定時(shí)中斷服務(wù)子程序是系統(tǒng)軟件的核心，完成整體電路的所有功能。 柔性電子剎車(chē)模塊 柔性電子剎車(chē)（ EABS）是目前用在汽車(chē)上比較成熟的一個(gè)重要的安全保護(hù)功能，EABS 的性能可以體現(xiàn)出控制器的技術(shù)含金量，也是使電動(dòng)自行車(chē)鶴立雞群的一大優(yōu)點(diǎn)。為了使電機(jī)繞組中的電流不發(fā)生突變引起保護(hù)電路工作，當(dāng)按下剎車(chē)鍵時(shí)，可以把正常騎行時(shí)的占空比逐漸緩慢地減為 0，之后關(guān)閉全橋，然后再開(kāi)通上橋。過(guò)流保護(hù)電路可以對(duì) MOS 管進(jìn)行保 護(hù)，將電機(jī)最大相電流限制在設(shè)定范圍之內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)獲取到的電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng) MOS 管，防止 MOS 管上大電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生不可恢復(fù)的損壞。這樣控制器每否定一次相關(guān)性判斷，電機(jī)相電流就減小一次，直到控制器停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)。加入堵轉(zhuǎn)保護(hù)設(shè)計(jì)以后，當(dāng)速度設(shè)定值較高而電機(jī)又無(wú)法正常轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)持續(xù) 1 秒（可由程序設(shè)定）時(shí)，關(guān)閉系統(tǒng) PWM 波輸出。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用功能細(xì)分的子模塊設(shè)計(jì)，使程序易于分析，為后續(xù)檢查錯(cuò)誤奠定了有利的基礎(chǔ) [17]。采用額定電壓 24V，額定功率 60W，轉(zhuǎn)速 3000RPM的帶霍爾傳感器的永磁無(wú)刷直流電機(jī) 作為驅(qū)動(dòng)受控對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。 22 圖 16 PWM 波形 圖 17 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩 仿真波形 對(duì)無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)矩 進(jìn)行模擬仿真，得出的轉(zhuǎn)矩波形如圖 17 所示。 在柔性電子剎車(chē)的測(cè)試中，先使電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到 2021RPM。 在這個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)試中，得到的堵轉(zhuǎn)保護(hù)相電流波形如圖 19 所示。 能夠解決影響電動(dòng)自行車(chē)直流無(wú)刷電機(jī)控制器性能的突出問(wèn)題， 使控制器的可靠性、穩(wěn)定性、人性化以及 運(yùn)行性能有了進(jìn)一步提高 。 實(shí)現(xiàn)了程序模塊化和較好的易讀性 ，便于用戶修改 。 我認(rèn)為 在本 設(shè)計(jì)的 基礎(chǔ)上值得 深入 研究的 內(nèi)容 如下： （ 1）電動(dòng)車(chē)低速運(yùn)行時(shí)力矩的 抖動(dòng) 現(xiàn)象 。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)沒(méi)有全部采用數(shù)字分析方法。 （ 3） 低成本的速度檢測(cè)及在此條件下的軟件算法的研究 [18]。、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲蟹諊涛仪髮W(xué)，以其博大包容的情懷胸襟、浪漫充實(shí)的校園生活育我成人。僅授我以文，而且教我做人，使我終生受益無(wú)窮。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫(xiě)作。s largest virgin forest, and known for its spring and ecological environment, Arxan is marveled at by many tourists as the purest land on earth. You cannot miss out the Autumn of Arxan. It is definitely the best with brightlycolored scenery full of emotions. Autumn in the northern part of the country es earlier than the South. A September rain followed by the footprints of Autumn brings more colors to the once emerald green mountain and blooming grassland. Shutterbugs flock to see for themselves the marvel of splendid colors around the mountains and waters, many of whom have travel a long distance and even camp here only to capture a moment of the nature wonder. The silver birch turns golden, while the larch is still proudly green. You will find yourself drowned in the intoxicating red of the wild fruits as well as the glamour of flowers in full blown. And your heart will be lingering on the woods as