【正文】 件需要及時有效地分析處理故障，并能夠自動返回到正確的運行狀態(tài)。只有當(dāng)將速度給定歸零重新設(shè)定后，電機(jī)才會再次運行。如果缺失堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路設(shè)計，控制器很容易因電流過大而 產(chǎn)生大量熱量，從而導(dǎo)致控制器燒毀。堵轉(zhuǎn)是指由于程序中速度給定值設(shè)置較高，此時控制器有 PWM 波輸出，但是電機(jī)由于電子換相順序紊亂而無法正常運行，在兩個相位之間來回轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。如果在相關(guān)設(shè)定范圍內(nèi)，控制器控制電機(jī)車速主要以不超過最大電流設(shè)定值為依據(jù)；如果電機(jī)相電流與電機(jī)速度超 出相關(guān)范圍時，即使得到的電機(jī)相電流遠(yuǎn)沒有達(dá)到最大限流設(shè)定值，控制器也對是 否 檢測是否有剎車信號 減小 PWM占空比直至 0 關(guān)斷所有 MOS 管 延時 下橋 MOS 管導(dǎo)通 三路 PWM 占空比 由100%減小到 0 結(jié)束 開始 21 電機(jī)減小電流，然后再次判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)電流的相關(guān)性；如果仍然不滿足相關(guān)性要求，控制器進(jìn)一步減小電流。過流保護(hù)是控制器整體安全保護(hù)的最后一道防線，過流保護(hù)采樣電阻采用康銅絲，當(dāng)系統(tǒng)瞬間電流超過最大設(shè)定保護(hù)電流值而保護(hù)服務(wù)子程序來不及反應(yīng)時，燒斷康銅絲以起到保護(hù)作用。對電源電壓進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換之后，欠壓時欠壓標(biāo)志位置為 1，并發(fā)出欠壓警報；同時開始定時，欠壓警報滿 5 秒之后停機(jī)。其流程圖如圖 15 所示。輸出 PWM 波占空比的減弱速度決定了剎車的 柔度，減小速度越快，剎車越急，柔度越硬；減小速度越慢，剎車越緩，柔度越柔。EABS 在電動自行車上作為傳統(tǒng)機(jī)械剎車的輔助措施，平時正常騎行中優(yōu)先采用電子剎車，當(dāng)遇到緊急情況時電子剎車、剎車片剎車同時進(jìn)行，使機(jī)械剎車片壽命延長的同時，還增強(qiáng)了剎車效果，從而降低事故發(fā)生的概率。中斷服務(wù)程序 流程圖 如圖 14 所示。定時中斷服務(wù)子程序不斷掃描以獲取外部輸入的各種信號，如剎車信號、巡航信號等。在退出中斷服務(wù)的同時打開系統(tǒng)總中斷，為接收下一次中斷做好準(zhǔn)備。 中斷服務(wù)模塊 中斷處理的過程為：進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后，先關(guān)閉系統(tǒng)總中斷，防止更高優(yōu)先級的中斷進(jìn)入，同時保存中斷現(xiàn)場。此時松開調(diào)速手柄，電動車仍然可以按照電機(jī)巡航前的速度運行，只有在重新獲取與之前相差超過設(shè)定值的調(diào)速電壓才會 自動退出巡航模式，執(zhí)行新獲取的調(diào)節(jié)信號 [16]。手動巡航的實現(xiàn)只需要按下巡航按鈕，電動車就進(jìn)入巡航模式。電子換相 程序流程圖如圖 13 所示。進(jìn)入電子換相子程序后，首先檢查電動機(jī)是否處于正常運行狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)運行不正常時，單片機(jī)中斷響應(yīng)將故障標(biāo)志位置為 1，電子換相子程序根據(jù)得到的故障標(biāo)志位的狀態(tài)確定輸出正常換相信號或者跳出電子換相子程序，跳出換相子程序后進(jìn)入故障保護(hù)子程序，故障排除之后要把故障標(biāo)志位置為 0。當(dāng)電機(jī)速度保持一段時間后，進(jìn)入閉環(huán)控制程序。而 111 為不應(yīng)該存在的狀態(tài)，若出現(xiàn)這種狀態(tài)，說明電機(jī)或者霍爾傳感器可能出現(xiàn)故障，此時程序應(yīng)當(dāng)立即停止運行。 17 圖 12 系統(tǒng)整體 流程圖 子模塊設(shè)計 位置檢測與換相子程序 轉(zhuǎn)子位置的 確定主要依靠單片機(jī)獲取來自霍爾傳感器檢測到的信號。這種相互結(jié)合的電流調(diào)節(jié)方法可以更好的保護(hù)系統(tǒng)電路以及電動機(jī)，同時也不會發(fā)生因突發(fā)原因?qū)е码娏魉查g增大而突然停車，使整個系統(tǒng)更加安全舒適，更加人性化。單片機(jī)應(yīng)立即禁止 PWM 波輸出，此時還需要不斷檢測電流。這類處理程序包含在閉環(huán)調(diào)速控制環(huán)節(jié)。第 1 類過流：當(dāng)前檢測到的電流值超過了電機(jī)額定工作電流，但不大于設(shè)定的 2 類電流，比如爬傾角小的坡道或者增大了負(fù)載。每次循環(huán)開始先檢測蓄電池電壓是否欠缺以及剎車信號是否存在 [13]。初始化部分主要是把系統(tǒng)資源和各變量初始化。設(shè)計了堵轉(zhuǎn)保護(hù)、過載保護(hù)、上電自檢、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)以及防飛車保護(hù)等，提高安全性且更人性化。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，電流調(diào)節(jié)算法為 PI（比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)）控制算法；外環(huán)為速度環(huán)，速度調(diào)節(jié)算法采用模糊 PI 閉環(huán)控制算法。包括無級調(diào)速、手動 /自動巡航、柔性電子剎車等。正常運行時根據(jù)電機(jī)霍爾位置獲取信息進(jìn)行電子換相，保持電機(jī)的正常運轉(zhuǎn)。 3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計 16 軟件整體設(shè)計方案 系統(tǒng)軟件采用純模塊設(shè)計，在 KEIL 集成開發(fā)環(huán)境中由 C 語言編寫完成，軟件設(shè)計主要完成以下功能： （ 1） 實現(xiàn)無刷直 流電動機(jī)的軟啟動和電子換相。如果電路剛上電自檢時就檢測到電源電壓低于設(shè)定值，欠壓保護(hù)電路就封鎖 PWM 波的輸出。 欠壓保護(hù)的電路設(shè)計 欠壓保護(hù)電路主要對電池電壓實施監(jiān) 控。 123J3CON35VR50 3KC45104 圖 11 轉(zhuǎn)把輸入電路 當(dāng)轉(zhuǎn)動自行車 轉(zhuǎn) 把處的霍爾手柄時，輸出的模擬電壓發(fā)生變化，送至單片機(jī)的 口，單片機(jī)收到信號進(jìn)行邏輯綜合從 輸出不同占空比的 PWM 波形，從而控制加到直流電機(jī)的電壓大小，實現(xiàn)軟啟動和無級調(diào)速的目的。霍爾位置檢測電路如圖 10 所示 ，其中 J1 為霍爾傳感器接口。 由于霍爾傳感器安裝在電機(jī)內(nèi)部，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運動時會產(chǎn)生抖動，同時電機(jī)的繞組電流變化也會產(chǎn)生干擾，輸出信號中會含有很多雜波，因此需要把雜波濾除?；魻杺鞲衅鞯目梢詸z測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，同時也可以根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈霍爾信號變化的周期數(shù)，計算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)速 PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)奠定基礎(chǔ)。因此，在對性能和環(huán)境要求一般的永磁無刷直流電動機(jī)應(yīng)用中，霍爾位置傳感器使用較廣泛。當(dāng)霍爾元件置于外磁場中有電流流過時，輸出霍爾電勢信號；當(dāng)其沒有外磁場作用時，其輸出端無信號輸出。本系統(tǒng)采用霍爾式位置傳感器來獲取無刷直流電機(jī)的位置信息。 14 5VC511015VR5220KR531KR54R581KR5520KR5610KR571K8R5110K1O1121+3GND4262O7VCC82+5U5LM358采樣 圖 9 采樣 比較 電路 霍爾位置檢測電路 位置信號是電機(jī)控制的主要反饋信息，只有確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位 置，才能根據(jù)程序要求決定下一步的定子三相繞組的導(dǎo)通模式。同時康銅兩端電壓再送給比較器并與已知電壓比較，比較器的門限值由電阻分壓得到，一旦超出預(yù)定值便發(fā)出過流輸出信號給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出中斷指令，完成過流保護(hù) [11]。因此本系統(tǒng)采用第 2 套方案，降低成本，優(yōu)化算法。 由于直流無刷電機(jī)本身的控制特點，方案 1 電路中最少要檢測任意兩相電流，因此至少需要兩組檢測模塊，這樣就使成本增加。 （ 2） 采用分流電阻間接測流。 電流檢測也是實現(xiàn)系統(tǒng)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的重要保障，一般來說電流檢測有以下 兩種方案： （ 1） 采用集成檢測模塊。 13 VD6FR107VT1MOSFETNVT2MOSFETN51R23Res251R22Res212345678IC3IR2103S18V24V GND47pFC2222C1U至電機(jī) U 相GND 圖 8 驅(qū)動電路 電流采樣電路 對于無刷直流電動機(jī)，在較大負(fù)載低速運行時，電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組相線會產(chǎn)生較大電流，從而使得大功率 M0S 管中流入大電流，這樣容易導(dǎo)致 M0S 管燒壞，控制器無法正常運行。為了提高系統(tǒng)的效率，減小 MOSFET 的功率損耗，使功率管開關(guān)工作時的通態(tài)電阻最小，即滿足漏源電壓不小于 10V，本系統(tǒng)采用l8V。本系統(tǒng)采用 MOSFET 管的型號為 60N06，是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 N 溝道 MOSFET。逆變電路中的開關(guān)管均采用大功率的 MOSFET 管。所謂單極性 PWM 控制，就是兩個開通管中一個開關(guān)管采用定頻調(diào)寬的 PWM 控制，另一個開關(guān)管常開。電源電路如圖 7 所示。其中 5V 給單片機(jī)和除 IR2103S 以外的集成電路供電， 18V 給 IR2103S 供電， 24V 直接給大功率 MOSFET 管供電。電源電壓為 24V，不能直接給單片機(jī)和一些集成電路供電，因此需要把它轉(zhuǎn)換成符合量程的電壓。過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)和堵轉(zhuǎn)保護(hù)等功能的實現(xiàn)，由運算放大器采樣放大處理后送至單片機(jī)，再由單片機(jī)控制是否禁止輸出 PWM波 [9]。因此，不同的速度和負(fù)載，功率管的功率損耗也不同。電機(jī)速度控制采用脈寬調(diào)制方式，不同的速度對應(yīng)電機(jī)的電壓電流也不同。再把控制量以 PWM 的形式輸出給驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就調(diào)節(jié)了電機(jī)的電流大小，從而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時，系統(tǒng)的速度便達(dá)到了給定。 “軟啟動 ”可以緩解零狀態(tài)起步時耗電量大的問題，能延長一次充電的騎行里程。系統(tǒng) 整體 框圖如圖 6 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(jī)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。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(jī)，當(dāng)電動機(jī)繞組的相電流大于程序設(shè)定值時，單片機(jī)能夠靈活地調(diào)用子程序進(jìn)行保護(hù)。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(hù)逆變橋的作用 [8]。在電機(jī)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。 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(jī)的轉(zhuǎn)速 [7]。外環(huán)是速度回饋控制環(huán)，單片機(jī)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(jī)設(shè)定的電壓值。 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)。 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(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，可將噪聲影響降到最小。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(jìn)行有效控制的一種方法。 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(jī)的控制 無刷直流電機(jī)由于沒有電刷，電機(jī)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(jī)的電子換相和無級調(diào)速。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(dá) 600V；輸出電壓范圍 10～ 20V；工作頻率可達(dá) 500kHz；導(dǎo)通、關(guān)斷延遲小，響應(yīng)迅速 [6]。同時脈沖變壓器的體積大，加工復(fù)雜。 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)。隔離驅(qū)動有電磁隔離和光電隔離兩種方式。 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(jī)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。 電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 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。 8 T1MOSFETNT2MOSFETNT4MOSFETNT3MOSFETNT6MOSFETNT5MOSFETND2FR107D1FR107D3FR107D4FR107D5FR107D6FR107CUVW24VGND 圖 3 無刷直流電機(jī)驅(qū)動簡化圖 在任意時刻無刷直流電機(jī)只有兩相導(dǎo)通，第三相懸空。 T1~T6 為大功率驅(qū)動器件。 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 如圖 2 所示 。 （ 7） 電機(jī)控制系統(tǒng)較為簡單。 （ 5） 電機(jī)整體體積小、重量輕 。 （ 3） 電機(jī)轉(zhuǎn)換效率高，載荷不影響其效率 。 與前兩類電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)的優(yōu)點有： （ 1） 電機(jī)性能好，具有轉(zhuǎn)矩大的特性 。開關(guān)磁阻電機(jī)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。 圖 1 AT89S52 引腳排列 電機(jī)的選取 異步電機(jī)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(jī)的首要選擇。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，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止 [5]。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。 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。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。本設(shè)計的主控芯片采用 AT89S52 單片機(jī)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)專用集成