【正文】 。 最簡單的調(diào)速系 統(tǒng)為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，但它的調(diào)速精度太低，不適用于電動自行車的調(diào)速系統(tǒng)。為了保證調(diào)速精度，本系統(tǒng)采用圖 的電流、速度雙閉環(huán)控制方案。這種控制方式把速度調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器作為輔助調(diào)節(jié)器。速度給定 n* 與速度反饋 nf送給速度調(diào)節(jié)器 (SR)，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流信號的參考值 irej，與電流信號的反饋值 if一起送至電流調(diào)節(jié)器 (CR)，電流調(diào)節(jié)器的輸出為電壓參考值 u* 。與給定載波比較后，形成 PWM 調(diào)制波，控制逆變器的實際輸出電壓。 圖 無刷直流電機(jī)速度、電流雙閉環(huán)控制 雙閉環(huán)調(diào)速的特點是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定來控制電機(jī)的轉(zhuǎn) 矩和電流。這樣做的好處在于可以根據(jù)給定速度與實際速度的差額及時控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，在速度差值比較大時電機(jī)轉(zhuǎn)矩大，速度變化快，以便盡快地把電機(jī)轉(zhuǎn)速拉向給定值，在轉(zhuǎn)速接近給定值時，又能使轉(zhuǎn)矩自動減小，這樣可避免過大的超調(diào)，以利于調(diào)速過程的快速性。 此外，電流環(huán)的等效時間常數(shù)比較小，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾時它能比較快速的作出響應(yīng)，抑制干擾的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。而且雙閉環(huán)系統(tǒng)以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，對速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅就限定了電樞中的電流，起到了保護(hù)逆變橋的作用。 U* iref n* if飛飛 ib ia SR CR PWM 逆變器 BLOD 反饋 轉(zhuǎn)速計算 位置信號 位置傳感器 nf 21 本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器用 PI 調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器為改進(jìn)的 PI 調(diào)節(jié)器。數(shù)字 PI 控制是普遍采用的一種過程控制算法， P是指比例象 (Proportional)， I 是指積分項(Integral)，基本的 PI 控制算法有位置型和增量型兩種。 位置型 PI 算法的表達(dá)式是 : ])(1)([)( 10??? dtteTiteKptu (32) 其中 )(te 是輸入， )(tu 起控制作用， Kp 為比例系數(shù)， Ti 為積分時間常數(shù)。 增量型算法表達(dá)式是 : )()()(21 TkTekTkTu qq ???? (33) 其中 KpTiTKp qq ????21 )。1( 它們兩者在本質(zhì)上是一樣的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的優(yōu)點 : ，所以由誤動作造成的影響比較小 。 。 ，增量只與最近的兩次采樣有關(guān)，容易獲得較好的控制效果，并且消除了當(dāng)偏差存在時產(chǎn)生飽和的危險。 所以，本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器采用增量式 PI控制。其中采樣周期的選取要考慮以下三個因素 [17]: ， 根據(jù)香農(nóng) (Shannon)采樣定理，采用頻率至少為低通信號頻譜最高頻率的 2 倍 。 ，采樣頻率的提高必然要求控制器有足夠快的運(yùn)算速度，以滿足在兩次采樣數(shù)據(jù)之間完成必須的處理計算。 ，高的采樣頻率必然要求高的 PWM 頻率，一方面， PWM 頻率越高，輸出波形越理想，但另一方面，功率器件消耗的功率也越高，引起發(fā)熱、散熱的問題，另外，高的 PWM 頻率可能使電磁輻射更加嚴(yán)重。 綜上各因素，考慮到使 PWM 頻率在人耳敏感的頻率范圍 (300Hz ～ 4kHz)外，在本系統(tǒng)中，電流環(huán)采樣頻率定為 5kHz，就基本達(dá)到了預(yù)期效果。 對于速度環(huán)的控制本系統(tǒng)根據(jù) AVR 單片機(jī)邏輯判斷能力強(qiáng)、編程靈活的特點 22 采用改進(jìn)的 PI 算法一積分分離 PI 算法來實現(xiàn)。 該算法的表達(dá)式為 : ???????????????0)(),(0)(),()()()()()(EkTekTK p eEkTekTeKpkTK t eTkTukTuTkTekTe (34) 積分分離算法要設(shè)置積分分離閥 0E , 0)( EkTe ? 時，采用 PI 控制，可保證系統(tǒng)的控制精度 。當(dāng) 0)( EkTe ? 時，也即偏差較大時，采用 P 控制可使超調(diào)量大為降低。 還有一種神經(jīng)元自適應(yīng) PI算法也是近些年來應(yīng)用較多的控制算法，其表達(dá)式為 : ???? 2 1 )()()( i kTxikwiKkTu (35) )2,1)(( ?ikwi 為對應(yīng)與 )(kTxi 的加權(quán)系數(shù)， )0(?K 為神經(jīng)元比例系數(shù)。 該控制器是通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能的，加權(quán)系數(shù)的調(diào)整采用有監(jiān)督的 Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則。 速度檢測方案 電機(jī)的轉(zhuǎn)速是雙閉環(huán)系統(tǒng)的一個重要反饋量，如果安裝測速器來解決這個問題無 疑會增加系統(tǒng)的硬件投資和整個系統(tǒng)的體積。所以在本系統(tǒng)中將利用轉(zhuǎn)子位置傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號來反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過上拉、濾波后的脈沖信號如圖 所示。它們是脈寬為 180 度 ，相位上互差 120 度的方波信號。對其中的任一位置傳感器而言，電動機(jī)每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生 P 個方波脈沖， P 為電動機(jī)的極對數(shù)，顯然這種方波脈沖的頻率是正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的 [16]。 23 圖 三相位置信號 起動與換相控制方案 無刷直流電機(jī)的反電動勢大小和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，在電機(jī)靜止時電動勢為零，沒有換相信號，電機(jī)不能自起動。有些文獻(xiàn)提出了一些附加 電路來控制起動的方案。這樣就增加了系統(tǒng)成本且使系統(tǒng)復(fù)雜化。而本文基于 AVR 單片機(jī)的起動控制策略無需附加任何電路，由軟件程序控制正常起動，體現(xiàn) “ 硬件軟化 ” 的設(shè)計思想。 軟起動控制策略為 :先由程序控制給任意兩相定子繞組通電而另一相關(guān)斷，則電機(jī)定子合成磁勢軸線在空間有一確定方向，把轉(zhuǎn)子磁極拖到與其重合的位置，經(jīng)過一段時間即可確定轉(zhuǎn)子的初始位置。然后按照電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的換相順序由程序控制給相應(yīng)繞組饋電，使電機(jī)起動。期間不進(jìn)行位置檢測，換相時間間隔由軟件延時控制，且該時間間隔不變，程序控制 PWM 波占空比逐漸增大以 提高電壓，因此這是一種恒頻升壓的起動方式。 開環(huán)起動過程持續(xù)一個換相周期后，電機(jī)己經(jīng)具有一定的速度，可以通過位置傳感器檢測到轉(zhuǎn)子的位置，此時就跳出開環(huán)起動過程，進(jìn)入由位置檢測信號控制電機(jī)換相的自控式運(yùn)行狀態(tài)。首先找出三個轉(zhuǎn)子位置傳感器信號 H1， H2, H3 的狀態(tài)與六只功率管導(dǎo)通之間的關(guān)系，以表格形式存放在單片機(jī)的 EEPROM 中，如表 24 31 所示。這樣單片機(jī)只需根據(jù)來自位置信號輸入口的狀態(tài)，查表即可決定下個時刻管子的導(dǎo)通順序，從而控制電機(jī)的換相。 表 31 換相表 H1 H2 H3 導(dǎo)通的管子 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 電機(jī)靜止，無導(dǎo)通管 1 1 1 出錯 蓄電池檢測方案 電動自行車在使用過程中實時監(jiān)測蓄電池的容量情況將給用戶帶來很大的方便，它能提供蓄電池的電能大約能夠使車輛行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等信息。蓄電池的總?cè)萘客ǔＲ猿渥汶姾?，放電至其端電壓達(dá)到規(guī)定值時所釋放出的總電量來表示。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時，它的容量等于放電電流和放電時間的乘積 : Q=IdTd (38) 式中 Q 的單位為 (A h)。如果放電電流不是一個恒定的常數(shù)，蓄電池的容量為不同的放電電流與相應(yīng)時間的乘積之和 : Q=Id1Td1+Id2Td2++IdnTdn (39) 由于蓄電池的容量受到很多因素的影響，長時間的使用，反復(fù)的充放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準(zhǔn)確測量蓄電池的容量比較困難。 本方案利用蓄電池端電壓與容量之間的關(guān) 系，通過測量蓄電池的端電壓來監(jiān)測蓄電池的容量。蓄電池的電勢是指蓄電池在開路時的端電壓，由于蓄電池內(nèi)阻r 的存在，當(dāng)蓄電池兩端接上負(fù)載 R 時，內(nèi)阻上就會產(chǎn)生壓降，此時蓄電池的端電壓不是電勢 E，而是 : U=EIr （ 310） 而蓄電池的內(nèi)阻與蓄電池的容量成反比，在充電過程中，內(nèi)阻逐漸減小，在 25 放電過程中增加，通過實驗的辦法可測出蓄電池的容量與端電壓的關(guān)系，并建立表格存于單片機(jī)的 EEPROM 中。實際運(yùn)行中，就可 利用軟件讓單片機(jī)對蓄電池端電壓 U 進(jìn)行測量、處理再和 EEPROM 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出容量的信息。這樣的實時監(jiān)測系統(tǒng)對蓄電池的保護(hù)、延長使用壽命有重要的意義。 驅(qū)動、逆變電路控制方案 驅(qū)動、逆變電路是主控芯片與被控電機(jī)之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。功率場效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。在本控制系統(tǒng)中就采用了 MOSFET 組成逆變器 的變換電路。由于半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號，電機(jī)三相繞組的工作也相對獨立，必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進(jìn)行控制，另外一相電流也得到了控制。因此本方案采用全橋逆變電路來控制各相位的導(dǎo)通 [18]。 全橋型逆變電路有六個功率開關(guān)器件，若每個開關(guān)器件都用一單獨的驅(qū)動電路驅(qū)動，則造成系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可靠性也會下降。而美國國際整流公司推出的工 R2131S 是一款 MOS 功率器件專用的柵極驅(qū)動集成電路。其可輸出的最 大正向峰值驅(qū)動電流為 250mA，而反向峰值驅(qū)動電流為 500mA。它內(nèi)部設(shè)計有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便的用來保護(hù)被驅(qū)動的 MOS 功率管。它巧妙的運(yùn)用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動電路僅需一個輸入電流源就可工作，還可對同一橋臂上下 2 個功率器件的門極驅(qū)動信號產(chǎn)生 2us 的互鎖延時時間，而且其自身工作和電源電壓的范圍較寬 (+3～ 20V)。所以本系統(tǒng)用 IR2131S 來驅(qū)動MOSFET 組成的全橋逆變器，驅(qū)動時采用 1200 導(dǎo)通方式，即任一時刻僅有兩個開關(guān)處于閉合狀態(tài)。 逆變器的驅(qū)動形式主要有三種 :雙極 性 PWM、單極性 PWM 和倍頻 PWM 。雙極性P枷控制模式下，逆變器在任意時刻每一相橋臂中的上管與下管均處于 PWM 調(diào)制 狀態(tài)，上下管開關(guān)狀態(tài)同步互補(bǔ)。為了避免在開關(guān)過程中橋臂出現(xiàn)直通短路，同一橋臂上下管切換期間需要嵌入死區(qū)，即兩者同時處于斷開狀態(tài)。且由于上、下管均需要調(diào)制，雙極性 PWM 開關(guān)損耗相對較高。單極性 PWM 則僅對逆變器上半橋 26 或下半橋進(jìn)行 PWM 調(diào)制。從單個橋臂來看，其上橋臂處于 PWM 狀態(tài)時，對應(yīng)下橋臂斷開，反之亦然。 基于同樣的 PWM 調(diào)制頻率，采用倍頻型 PWM 則可以獲得兩倍于前兩種 PWM 方式的壓調(diào)制頻率 ，可以進(jìn)一步減小逆變器開關(guān)調(diào)制所對應(yīng)的電流紋波。但對單片機(jī)的處理速度要求較高。 綜上分析，本文針對電動自行車應(yīng)用的永磁無刷直流電機(jī)的驅(qū)動控制采用單極性 PWM 實現(xiàn) [13]。 故障檢測與系統(tǒng)保護(hù) 一個控制系統(tǒng)能否正常工作，除了各環(huán)節(jié)能保證正常工作外，各環(huán)節(jié)之間參數(shù)不一定能絕對匹配，加之一些外在干擾因素對系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)有可能發(fā)生故障。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障時，如不及時處理，便會造成損壞功率管和其它設(shè)備的嚴(yán)重后果。所以必須設(shè)置