【正文】 成 “ 速度 電流 ” 雙閉環(huán)控制 系統(tǒng) 。 結(jié)合高效 的編程算法簡(jiǎn)化 了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 降低 了系統(tǒng)成本， 增強(qiáng) 了系統(tǒng)性能，提升了騎行舒適度，可以 滿足 不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求 。 Brushless direct current motor。 Electric absorption braking system 3 引言 步入二十一世紀(jì)，是呼喚綠色環(huán)保的時(shí)代，環(huán)境保護(hù)和能源問題成為最突出的兩大主題。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。在當(dāng)前工業(yè)面臨能源問題和環(huán)境問題的巨大挑戰(zhàn)的現(xiàn)狀下，發(fā)展清潔能源，實(shí)現(xiàn)能源動(dòng)力系統(tǒng)的電氣化，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，已經(jīng)成為當(dāng)前發(fā)展的目標(biāo) [1]。電動(dòng)車的發(fā)展進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。我國(guó)石油資源相對(duì)比較貧乏，尾氣的排放又是目前大中城市大氣污染的主要原因。 1. 現(xiàn)狀及存在問題 電動(dòng)自行車的現(xiàn)狀 近幾年來， 電動(dòng)車 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。人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高、對(duì) 能源問題的關(guān)注以及高新科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，也有力的促進(jìn)了電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。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代步，電動(dòng)車的市場(chǎng)潛力十分巨大。 目前，我國(guó)市場(chǎng)上電動(dòng)車品種規(guī)格很多，動(dòng)力多采用有刷或無刷的輪式直流電機(jī)，工作電壓為 24V／ 36V 或 48V，功率在 150W~450W 之間；蓄電池一般用的是免維護(hù)鉛酸蓄電 池，容量為 12Ah，充電時(shí)間在 3~8 小時(shí)左右，充電一次行駛里程約 50KM；車速低于 20KM／ H，爬坡能力在 12o 上下；車型有普通型和豪華型，車重約 35KG，載重量約 75KG[2]。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。因此現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)離不開功率器件 和電機(jī)控制器的發(fā)展。 1978 年 MAC 的無刷直流電機(jī)及其相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)使無刷直流電機(jī)開始真正進(jìn)入實(shí)用階段。近幾十年以來，隨著永磁新材料、集成電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論以及電子技術(shù)尤其是大功率開關(guān)器件的快速發(fā)展，使得直流無刷電機(jī)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。以電子換相取代機(jī)械換相的無刷電機(jī)克服了機(jī)械換相帶來的缺點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展 [3]。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。根據(jù)流入定子繞組的激勵(lì)電流波形的不同來劃分，直流無刷電機(jī)可以分為方波直流電機(jī)（ BLDCM）和正弦波直流電機(jī)（ PMSM）。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。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)自行車控制器的研究現(xiàn)狀及存在的問題 電動(dòng)車控制器是用來控制電動(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。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。 目前來看，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]。由專用集成電路為核心的控制系統(tǒng)采用無刷直流電機(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。近年來 DSP 和 ARM 的迅速發(fā)展，也為電機(jī)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(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。未來應(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)。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。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。 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 6 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 系列無刷直流電機(jī)專用集成控制芯片，該芯片包含了無刷電機(jī)控制系統(tǒng)必需的基本控制功能。 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。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。 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。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。AT89S52 引腳排列如圖 1 所示。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。 無刷直流電機(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。 （ 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 。 （ 4） 過載能力強(qiáng)，制動(dòng)效果好 。 （ 6） 電機(jī)采用電子換相，可靠性高 。 因 此無刷直流電機(jī)是比較理想的電動(dòng)車輛驅(qū)動(dòng)部件。 永 磁轉(zhuǎn) 子UWV繞 組 線 圈霍 爾 傳 感 器 圖 2 無刷直流電機(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 無刷直流電機(jī)的 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)化圖。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)?；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。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)通的功率開關(guān)器件和繞組的導(dǎo)通相之間的關(guān)系如表 1 所示 。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，以免引起干擾造成整體電路不穩(wěn)定。 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。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)。 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)。本設(shè)計(jì)采用 DIP 封裝的 IR2103S， 驅(qū) 動(dòng)芯片 IR2103S引腳排列如圖 4 所示 。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(shí)間的。 PWM 脈寬調(diào)速，是指通過改變開關(guān)器件的通斷時(shí)間，來改變電樞兩端的平均電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式。電機(jī)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(duì)位置信號(hào)進(jìn)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(dòng)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。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(jī)來完成。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。這種方法可以實(shí)時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)速度大小與實(shí)際運(yùn)行速度大小的差值及時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，在差值較大時(shí)增大電機(jī)轉(zhuǎn)矩，加快速度變化，使電機(jī)速度較快地把達(dá)到預(yù)設(shè)值。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。 電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制由單片機(jī)輸出相對(duì)應(yīng)的信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通相序。 雙閉環(huán)調(diào)速原理圖如圖 5 所示?？刂齐娐穼?shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、電子換相、無級(jí)調(diào)速、電子剎車制動(dòng)等控制并可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)；驅(qū)動(dòng)電路利用 IR2103S 的自舉技術(shù)驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET 管的導(dǎo)通和截止驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；外圍功能電路做到對(duì)各種信號(hào)的采樣處理、對(duì)不同電路的供電、保護(hù)等。 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 直流電源通過大功率 MOSFET 管構(gòu)成的逆變橋向無刷直流電機(jī)供電，在每一次采樣周期開始時(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)。常規(guī)的電子換相是直接獲取霍爾傳感器采集得的信號(hào)進(jìn)行換相控制，同時(shí)將電機(jī)速度反饋信號(hào)和手把給定的速度信號(hào)相減，得出偏差，經(jīng)過控制算法得出控制量。 電 動(dòng)車在正常騎行時(shí)，控制器的大功率 MOSFET 管處于開關(guān)工作狀態(tài)。行駛速度與控制器輸出 PWM 波的電壓成正比。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。 模塊 電路的設(shè)計(jì) 電源電路 電源工作性能的好壞關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。 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。被控?zé)o刷直流電機(jī)額定工作電壓為 24V，為濾除電機(jī)工作時(shí)母線上的波紋，使母線電壓穩(wěn)定，并聯(lián)了一個(gè)大電容用來濾波。 三相全橋逆變電路及驅(qū)動(dòng)電路 逆變電路由功率開 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。本電路中上橋臂開關(guān)管采用 PWM 控制，下橋臂開關(guān)管常開式。為了保護(hù)功率開關(guān)管，每個(gè)開關(guān)管上都并聯(lián)快速續(xù)流二極管 IN4148。其基本參數(shù)為：漏源最大電壓 VDSS=60V，源極最大連續(xù)電流 ID=60A，源極最大沖擊電流 I=320A[10]。 圖 8 所示為驅(qū)動(dòng)電路。因此用電流檢測(cè)電路來時(shí)時(shí)監(jiān)控電流大小必不可少，以便電流過大時(shí)及時(shí)發(fā)出中斷指令來保護(hù)控制器?，F(xiàn)在電流檢測(cè)模塊種類很多，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。方法為：在直流繞組側(cè)接合適阻值以及功率的分流電阻，通過測(cè)量分流電阻上的電壓，可以得到直流回路中的電流值；然后對(duì)比直流電機(jī)三相繞組的各相相電壓就可以確定采樣獲取到的電流屬于哪一相。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。電路 運(yùn)用 LM358 構(gòu)成電流比較電路，采樣電阻為一個(gè)阻值為 的康銅，經(jīng)放大 后輸出信號(hào)給數(shù)模轉(zhuǎn)換端口，之后 輸送給單片機(jī)，完成電流采樣。采樣比較電路如圖 9 所示 。 因此，能否有效控制無刷直流電機(jī)取決于轉(zhuǎn)子位置的精確測(cè)定?；魻杺鞲衅魇且环N半導(dǎo)體器件，利用霍爾效應(yīng)制成?；魻柺轿恢脗鞲衅骶哂袠?gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格低、體積小、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。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。 PWM 波驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)是依靠霍爾傳感器獲取的位置信號(hào)控制逆變器電子換流來實(shí)現(xiàn)的 。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。 15 12345J1CON55VR412KR422KR432KC41104C42104C43104VD1IN4148VD2IN4148VD3IN4148 圖 10 霍爾位 置檢測(cè)電路 轉(zhuǎn)把輸入電路 電動(dòng)自行車的在行駛過程中，并不會(huì)以恒定的速度運(yùn)行，有時(shí)需要加快速度，有時(shí)需要減慢速度，因此調(diào)速是電動(dòng)自行車不可缺少的一個(gè)功能。圖 11 所示為轉(zhuǎn)把輸入電路，其中 J3 為霍爾手柄接口。監(jiān)控信號(hào)由經(jīng)過電源的分壓電阻分壓產(chǎn)生，經(jīng) A／ D 轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號(hào)，與程序中預(yù)先設(shè)定的值比較，判斷電源是否欠壓，如果低于設(shè)定值則認(rèn)為是欠壓，使單片機(jī)停止輸出 PWM 波。只有當(dāng)啟動(dòng)自檢時(shí)電源電壓大于設(shè)定值，經(jīng)過軟啟動(dòng)過程，內(nèi)部各電路模塊才開始正常工作，輸出 PWM波 [12]。軟啟動(dòng)時(shí)， PWM 占空比由轉(zhuǎn)把和軟件共同控制。 （ 2） 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)。 （ 3） 無刷直流電機(jī)速度電流雙閉環(huán)控制。 （ 4） 使電動(dòng)車及控制器的安全可靠運(yùn)行。 主 程序分為初始化和循環(huán)主體