基于單片機(jī)的電動(dòng)車速度控制系統(tǒng)研究

1、目錄摘要IABSTRACTII第一章緒論11.1 課題的研究背景及發(fā)展?fàn)顩r11.1.1 能源與環(huán)境問題11.1.2 電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展21.1.3 功率半導(dǎo)體器件與驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展21.1.4 電機(jī)控制器的發(fā)展31.1.5 電機(jī)控制理論的發(fā)展31.2 電動(dòng)自行車的組成部分及其特點(diǎn)4第二章關(guān)鍵部件的特性分析62.1 蓄電池特性分析62.2 電機(jī)特性分析62.2.1 稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理62.2.2 無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析92.2.3 電機(jī)的運(yùn)行特性分析112.2.4 機(jī)械特性和調(diào)速特性分析15第三章基于單片機(jī)的系統(tǒng)控制策略研究173.1 控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成173.2 系統(tǒng)主

2、要控制策略概述183.2.1 位置檢測(cè)信號(hào)處理單元183.2.2 電流檢測(cè)信號(hào)處理單元183.2.3 速度調(diào)節(jié)方案193.2.4 速度檢測(cè)方案223.2.5 起動(dòng)與換相控制方案233.2.6 蓄電池檢測(cè)方案243.2.7 驅(qū)動(dòng)、逆變電路控制方案253.2.8 故障檢測(cè)與系統(tǒng)保護(hù)263.3 核心控制器件的選擇273.3.1 單片機(jī)概述273.3.2 Atmega8特性介紹28第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)304.1 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)304.1.1 位置檢測(cè)304.1.2 電流檢測(cè)314.1.3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路324.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路32II4.2.1 測(cè)速電路324.2.2 換向調(diào)速電路324.2.3

3、 速度檢測(cè)334.2.4 速度給定環(huán)節(jié)344.2.5 系統(tǒng)軟件控制354.3 三相全橋逆變電路及其功率驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)364.4 PW履的控制單元374.4.1 PWMW號(hào)的產(chǎn)生374.4.2 PWM波的輸出控制394.5 電池電壓檢測(cè)單元404.6 系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計(jì)404.6.1 電源與集成芯片去藕404.6.2 隔離技術(shù)414.6.3 電磁兼容設(shè)計(jì)41第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)425.1 主程序的設(shè)計(jì)425.2 各功能模塊白設(shè)計(jì)思想435.2.1 位置檢測(cè)模塊435.2.2 換相控制模塊455.2.3 A/D采樣模塊45iii5.2.4 雙閉環(huán)控制模塊475.3 軟件的可靠性設(shè)計(jì)495.3.1 采用模

4、塊化程序設(shè)計(jì)方法495.3.2 合理安排中斷495.3.3 程序“跑飛”與“死鎖”的解脫50第六章結(jié)束語(yǔ)51參考文獻(xiàn)52致謝53IV基于單片機(jī)的電動(dòng)車速度控制系統(tǒng)研究摘要近年來(lái)，燃油交通工具因尾氣排放問題已造成了城市空氣的嚴(yán)重污染。于是發(fā)展綠色交通工具已成為一個(gè)重要的課題?？紤]到我國(guó)目前的國(guó)情，發(fā)展電動(dòng)自行車具有重要的環(huán)保意義。而且靈活、輕巧、“零排放”、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，將使電動(dòng)自行車迅速得到普及。隨著電機(jī)技術(shù)及功率器件性能的不斷提高，電動(dòng)自行車的控制器發(fā)展迅速。但是目前，市場(chǎng)上大多數(shù)的電動(dòng)自行車產(chǎn)品均采用低集成度元件控制裝置。具缺點(diǎn)是功能過于簡(jiǎn)單，不能充分發(fā)揮系統(tǒng)的潛力及處理一些特殊的控制問

5、題。本課題采用ATMEL公司的單片機(jī)ATmega8作為控制芯片，兼顧成本與性能要求，做了以下方面的工作：首先，在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力源一無(wú)刷直流電機(jī)的特性進(jìn)行了研究；其次，根據(jù)單片機(jī)的特點(diǎn)詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制策略：將電流檢測(cè)設(shè)計(jì)成分流電阻間接測(cè)流；將調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)為電流、速度雙閉環(huán)控制，以保證調(diào)速的精度和響應(yīng)速度，并在軟件中分別用PI算法來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于速度的檢測(cè)采用了“硬件軟化”的思想;制定了電機(jī)“軟起動(dòng)”控制方案；采用了高性能的驅(qū)動(dòng)集成電路IR2131S來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET組成的全橋逆變電路，驅(qū)動(dòng)形式為單極性PWM調(diào)制;將PWM波的發(fā)生及系統(tǒng)保護(hù)等功能采用主控芯片集中處理，增加了系統(tǒng)的可靠性

6、；最后，依據(jù)控制策略設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟、硬件，并討論了可靠性設(shè)計(jì)問題；由此得出結(jié)論：本課題設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的電動(dòng)車控制系統(tǒng)具有運(yùn)行性能良好，可靠性高、升級(jí)換代容易的特點(diǎn)，為后續(xù)的研究工作提供了一定的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)StudyontheElectric-BikeControlSystemBasedontheMicrocontrollerABSTRACTInrecentyears,thewastegasfromthegasoline-automobileshascausedseverepollutionproblemsincities.So,it'smoreandmore

7、importanttodevelopthesocalled"green-automobiles".Consideringourcountry'sstatus,todeveloptheelectric-bikewillbehelpfultosolvethepollutionproblem.Withthevirtuesofflexibility,slimnessandzerowaste-gas,electro-bikeismoreandmorepopular.Byenhancingthedriving-motortechnologyandpowerdevicestech

8、nology,thecontrolsystemdevelopedquickly.Butnowadays,mostoftheelectric-bicycleproductsinthemarketsadaptlow-integrationdegreedevicesintheircontrolsystem.Theproblemisthatthefunctionofthesedevicesistoosimpletofullyutilizethesystem'spotentialandtosolvesomespecificbutmeaningfulcontrolquestions.Inthisp

9、roject,ATmega8anMCUproductofATMELcompanyhasbeenused.Theconsiderationbetweenlow-costandgood-controllingperformancehasbeenwellbalancedbychoosingthiscentral-controllingunit.Thefollowingworkshavebeenpresentedinthisproject.Firstly,thecharacteristicofthesystem'sdrivingsource-theBrushless-DC-Motorhasbe

10、enanalyzedbasedonthemathematicalmodel.Furthermore,thecontrollingstrategyhasbeendesignedindetailbasedonthecharacteristicofMCU.Thispartincludesthefollowingworks.Thecurrentismeasuredindirectlybyusingashunt-resistor.Inordertoguaranteethevelocitymodulation'sprecisionandquick-response,adoubleclosed-lo

11、opcontrolforcurrentandvelocityhasbeenadoptedandthecontrolstrategyisrealizedbythesoftwareusingPIalgorithm.Tothemeasurementofthevelocity,ahardware-softeningmethodhasbeenadoptedandthemotor'ssoft-startingmethodhasbeendesigned.InordertoIIdrivetheMOSEFETfull-bridgerectifyingcircuit,thehigh-performance

12、driving-ICIR2131ShasbeenusedandPWMdrivingstrategyhasbeenadopted.ThePWMwave'scontrollingandthesystemprotectionissuesareintegratedintothecentralcontrollingunit.Thishelpstoincreasethereliabilityofthewholesystem.Atthelast,thewholesystem'shardwareandsoftwarehavebeendesignedbasedonthesystem'sc

13、ontrolstrategyandthereliable-designingquestionhasbeendiscussedinthepaper.Fromtheworkwhichhasbeendoneinthisproject,theconclusioncanbedrawthattheelectric-bikecontrolsystembasedontheMCUhasthevirtuesofhigh-performance,high-reliabilityandeasytofurtherdeveloping.Thispaperpresentedanexperimentalbaseforthef

14、utherresearch。KEYWORDS:MicrocontrollerControlsystemBrushless-DC-Motoriii第一章緒論1.1 課題的研究背景及發(fā)展?fàn)顩r1.1.1 能源與環(huán)境問題二十一世紀(jì)是“綠色環(huán)?！钡氖兰o(jì)，環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約問題已成為新世紀(jì)最為突出的兩大主題。隨著工業(yè)的發(fā)展，城市汽車數(shù)量急劇上升，石油資源嚴(yán)重匾乏。研究表明，目前世界石油蘊(yùn)藏量按照現(xiàn)在的消耗速度僅可供使用50到70年。自1993年開始，我國(guó)已變?yōu)槭蛢暨M(jìn)口國(guó)，2000年我國(guó)石油進(jìn)口量為7000萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2005年后將超過1.5億萬(wàn)噸。近年來(lái)，石油價(jià)格猛漲，2004年，石油最高達(dá)到了每桶54.

15、9美元。而石油與國(guó)家安全密切相關(guān)，其作為一種戰(zhàn)略物質(zhì)大量進(jìn)口則必然受制于人，該問題已引起各國(guó)的極大重視1。再?gòu)沫h(huán)境角度講，石油燃燒造成的大氣污染日益嚴(yán)重。在世界環(huán)境污染最為嚴(yán)重的十大城市中，我國(guó)就占了7個(gè)，形勢(shì)的嚴(yán)峻可見一斑。汽車排出的COHS、NO和微塵顆粒等，會(huì)對(duì)人類的身體健康造成危害；另外汽車排出的二氧化碳雖然對(duì)人體健康無(wú)害，但它造成的溫室效應(yīng)破壞大自然的生態(tài)平衡，對(duì)大氣造成嚴(yán)重影響。因此，這兩大問題成為了“綠色交通工具”研究開發(fā)和推廣應(yīng)用的積極因素。當(dāng)前，隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高漲無(wú)污染、能源可多樣化配置的新型交通工具引起了人們的普遍關(guān)注，同時(shí)也得到了極大的發(fā)展，電動(dòng)自行車便

16、是其中之一。它以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，以電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，具有無(wú)廢氣污染、“零排放”、無(wú)噪音、輕便美觀等特點(diǎn)特別適合在人口較集中的大中城市中使用。但目前市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車還存在著一些不夠完善的地方，尤其是電機(jī)控制方面有待于進(jìn)一步提高。本文根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的原理，利用美國(guó)Atmel公司2002年推出的一款新型高檔單片機(jī)ATmega8f乍為主控芯片設(shè)計(jì)了一種無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件設(shè)計(jì)靈活、適用面廣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)具有一定的實(shí)用價(jià)值。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，一般家庭除了必備汽車之外，通常還希望配備多輛小型交通工具，供短途交通或休閑娛樂用，這對(duì)沒有駕駛執(zhí)照的老人和未成年人尤

17、其具有吸引力。亞洲城市，一般人口眾多，交通擁擠，自行車一直是大多數(shù)居民的主要交通工具。但隨著城市規(guī)模與人們?nèi)粘；顒?dòng)范圍的擴(kuò)大，騎車就比較辛苦，特別是遇到惡劣的天氣或路況時(shí)，就更加費(fèi)勁。而目前普通居民的購(gòu)買力有限，小轎車普遍進(jìn)入家庭還不太可能，況且燃油、環(huán)境和場(chǎng)地等多方因素都制約著汽車不可能成為大眾化的代步工具；燃油摩托車曾一度成為許多城市比較普及的交通工具，但由于交通安全和環(huán)境保護(hù)等因素的影響，近年來(lái)在許多大中城市已經(jīng)采取了限制措施。而電動(dòng)自行車具有摩托車與自行車的綜合優(yōu)勢(shì)：輕便、無(wú)污染、低噪音且價(jià)格較為低廉，它無(wú)疑將最有希望首先替代傳統(tǒng)的交通工具，成為私人交通工具的重要組成部分。這是一個(gè)極其

18、巨大的市場(chǎng)，尤其在人口居各大洲首位的亞洲201.1.2 電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展3近些年來(lái)，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。由于應(yīng)用了電力電子技術(shù)，電機(jī)的控制技術(shù)變得更加靈活，效率也更高了。已由過去簡(jiǎn)單的起停控制、提供動(dòng)力為目的應(yīng)用，上升到對(duì)其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確的控制，以及這些被控量的綜合控制，使被控制的機(jī)械運(yùn)動(dòng)更符合預(yù)想要求。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。1.1.3 功率半導(dǎo)體器件與驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展自從上個(gè)世紀(jì)5O年代，硅晶閘管問世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究取得發(fā)展。60年代后期，可關(guān)斷晶閘管

19、GTOR現(xiàn)了門極可關(guān)斷功能，并使斬波頻率擴(kuò)展到1kHZ以上。70年代到80年代，高功率晶體管、功率MOSFE和絕緣柵門控雙極性晶體管IGBT相繼問世，功率器件實(shí)現(xiàn)了全控功能，使得高頻應(yīng)用成為可能。在中小功率的電動(dòng)機(jī)中功率變換器多由MOSFETIGBT構(gòu)成，具有控制容易、開關(guān)頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。在功率器件發(fā)展的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路也獲得了飛速的發(fā)展。驅(qū)動(dòng)電路是將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大、并向各功率管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路的工作方式直接影響著功率管的一些參數(shù)和特性，從而影響著整個(gè)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路大多是采用分立元件搭接而成，這種方法使得電路復(fù)

20、雜、調(diào)試?yán)щy、可靠性差。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在每一類功率器件都有相應(yīng)的專用驅(qū)動(dòng)集成電路可供選用。這些專用驅(qū)動(dòng)集成電路都是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)而定型的，它的使用可大大提高整機(jī)的可靠性。已經(jīng)可以做到使用一片驅(qū)動(dòng)器件，一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)三相逆變器的六個(gè)開關(guān)管，而不必為每個(gè)開關(guān)元件獨(dú)立提供電源、隔離驅(qū)動(dòng)等，大大簡(jiǎn)化了外圍電路特別是驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。1.1.4 電機(jī)控制器的發(fā)展電機(jī)控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，以給驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào)；產(chǎn)生PWMM制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速；對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)

21、性能；實(shí)現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護(hù)功能?，F(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與微處理器的發(fā)展息息相關(guān)，可以說，每一次微處理器的進(jìn)步都推動(dòng)了控制技術(shù)的一次飛躍。在微處理器出現(xiàn)之前，控制器只能由模擬系統(tǒng)構(gòu)成。由模擬器件構(gòu)成的控制器只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制，功能單一升級(jí)換代困難，而且由分立器件構(gòu)成的系統(tǒng)控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴(yán)重，使得維護(hù)成本增高，限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。隨著微處理器的迅速發(fā)展和推廣，控制器由模擬式轉(zhuǎn)換成了數(shù)模混合式，并進(jìn)一步發(fā)展到全數(shù)字式，技術(shù)的進(jìn)步使得許多模擬器件難以實(shí)現(xiàn)的功能都可以方便地用軟件實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)的可靠性和智能化水平大大提高。全數(shù)字系統(tǒng)簡(jiǎn)化了硬件，縮小了裝置體積，消除了溫度變化的影響

22、，升級(jí)換代十分容易，控制精度不斷提高，重復(fù)性能也更好了。目前市場(chǎng)上微處理器品種繁多，檔次、性能各不相同，不同的廠商生產(chǎn)的微處理器都各有特點(diǎn)。有的價(jià)格低廉但功能不夠完善，速度慢，如傳統(tǒng)的8051單片機(jī)；有的具有高速的數(shù)字處理能力，能實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的控制算法，但價(jià)格不菲，如DSP微處理器201.1.5 電機(jī)控制理論的發(fā)展目前電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)采用的控制理論還是以傳統(tǒng)的控制理論為主，而現(xiàn)代控制理論及智能控制理論的應(yīng)用還有待進(jìn)一步推廣。如具有二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制，可以用來(lái)設(shè)計(jì)最優(yōu)調(diào)節(jié)器和最優(yōu)反蹤器，提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能：模型參考自適應(yīng)控制，可以使受控對(duì)象漸近跟蹤參考模型的輸出，從而獲得理想的控制性

23、能；具有狀態(tài)估計(jì)功能的卡爾曼濾波器可以獲得系統(tǒng)無(wú)法實(shí)測(cè)的狀態(tài)信息，濾除模型及測(cè)量的隨即噪聲干擾，獲得以最小方差為指標(biāo)的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)：滑模變結(jié)構(gòu)控制可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)過程中根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的偏差及導(dǎo)數(shù)以躍變方式作有目的的改變，使系統(tǒng)達(dá)到最佳指標(biāo)；模糊控制不依賴被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)有較好的魯棒性；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力，可逼近任意線性和非線性模型，又具有自學(xué)習(xí)、自收斂的特性，對(duì)參數(shù)變化有較強(qiáng)的魯棒性。1.2 電動(dòng)自行車的組成部分及其特點(diǎn)電動(dòng)自行車一般由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、行車部分、操縱制動(dòng)部分、電氣儀表部分組成。.動(dòng)力部分電動(dòng)自行車的動(dòng)力部分通常由蓄電池和電機(jī)構(gòu)成，是電動(dòng)自行車

24、的動(dòng)力來(lái)源。其性能的好壞，直接影響電動(dòng)自行車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。.傳動(dòng)部分電動(dòng)自行車傳動(dòng)部分的作用是將動(dòng)力部分輸出的功率傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)使電動(dòng)自行車行駛。通過變速器或調(diào)速器，使電動(dòng)自行車獲得行駛所需要的驅(qū)動(dòng)力和速度，并保證電動(dòng)自行車的平穩(wěn)起步和停車。它由變速器、后傳動(dòng)裝置組成。.行車部分行車部分的作用是使電動(dòng)自行車構(gòu)成一個(gè)整體，支撐全車的總重量，將傳動(dòng)部分傳遞的扭矩轉(zhuǎn)換成驅(qū)使電動(dòng)自行車行駛的牽引力，同時(shí)承受吸收和傳遞路面作用于車輪上的各種反力，確保電動(dòng)自行車正常、安全行駛。它主要由車架、前減震器、前后輪、座墊等組成。.操縱制動(dòng)部分操縱制動(dòng)部分的作用是直接控制行車方向、行駛速度、制動(dòng)等，以確保電動(dòng)

25、自行車行駛安全。它由車把、制動(dòng)裝置、調(diào)速手把等組成。.電氣儀表部分電氣儀表裝置是保證車輛安全行駛并反映車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要裝置，它使騎行者能正確、有效地對(duì)車輛行駛適時(shí)地進(jìn)行控制。它由數(shù)據(jù)顯示裝置、充電器等組成4。第二章關(guān)鍵部件的特性分析2.1 蓄電池特性分析相對(duì)于燃油類能源而言，目前蓄電池的能量密度較低，是限制和影響電動(dòng)自行車性能的主要因素，因此在電動(dòng)自行車的設(shè)計(jì)中恰當(dāng)?shù)倪x擇蓄電池顯得十分重要?？梢园凑针妱?dòng)自行車一次充電所要求的行程及克服行駛阻力所需做的功來(lái)確定蓄電池容量和功率等級(jí)。蓄電池的工作過程就是化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的變化規(guī)律。當(dāng)蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而供電機(jī)使用時(shí)，叫放電過程；當(dāng)外界將

26、反電流通入蓄電池，使其將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能并儲(chǔ)存起來(lái)，這時(shí)為充電過程。這種充放電的過程是可逆的，可循環(huán)的，這也是蓄電池的一大特性一可重復(fù)性9。表2-1蓄電池基本工作性能參數(shù)及特性方程蓄電池工作參數(shù)定義符號(hào)說明端電壓ULd=U)-IdXR口為蓄電池的開路電壓R為蓄電池的內(nèi)阻Id為放電電流輸出功率PdPd=LdXId放電時(shí)間t-nt=KxIdK.n分別為與蓄電池型有美的參數(shù)放電效率=1-(Rxid/Ud)由表2-1中蓄電池的放電效率和放電時(shí)間特性方程可知，由于內(nèi)阻的影響，蓄電池放電效率隨放電電流增大而線性下降，放電時(shí)間則相應(yīng)按指數(shù)曲線下降112.2 電機(jī)特性分析2.2.1 稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)的基本

27、結(jié)構(gòu)和工作原理稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)本體、開關(guān)電路、位置傳感器三部分。原理框圖如圖2.1所示13。?稀土永磁電動(dòng)機(jī)本體是由帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。常用的有三種結(jié)構(gòu)形式：轉(zhuǎn)子鐵心外圓粘貼瓦片形稀土永磁體；轉(zhuǎn)子鐵心中嵌入矩形板狀稀土永磁體：轉(zhuǎn)子外套上一個(gè)整體粘結(jié)稀土磁環(huán)的環(huán)形永磁體。還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，即帶有稀土永磁極的轉(zhuǎn)子在外，嵌有繞組的定子在里。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)形式最適用于電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)。圖2.1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的原理框?開關(guān)電路由逆變器VF和驅(qū)動(dòng)電路組成。逆變器主電路有橋式和非橋式（圖2.2）兩種。電樞繞組與逆變器聯(lián)接形式多種多樣，但應(yīng)用最廣泛的

28、是三相星形六狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。?轉(zhuǎn)子位置傳感器PS是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于電樞繞組軸線的位置，向控制器提供位置信號(hào)的一種裝置。它由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置；其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。圖2.2非橋式逆變電路三個(gè)霍爾元件沿圓周均勻分別粘貼于電機(jī)端蓋上，彼此相差120度。電角度，并分別與定子三相繞組首端所在槽中心線對(duì)齊，霍爾傳感器轉(zhuǎn)子永磁體為180度表2-2正轉(zhuǎn)時(shí)相互位置關(guān)系霍爾元件信號(hào)導(dǎo)通繞組導(dǎo)通管子UhaUhb/UhcABVV6/UhaUhb/UhcACV

29、1.V2/UhaUhbUhcBCV3.V2/Uha/UhbUhcBAV3.V4Uha/UhbUhcCAV5.V4Uha/UhbUhcCBV5.V6電角度的薄片，與轉(zhuǎn)子同軸安裝，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)的端面與霍爾元件的氣隙為lmm左右，傳感器永磁體軸線與轉(zhuǎn)子主磁極軸線垂直。電機(jī)轉(zhuǎn)一周時(shí)對(duì)應(yīng)的各相繞組導(dǎo)通順序和功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯以及三個(gè)霍爾元件輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系，如表2-2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60度電角度時(shí)，逆變器各開關(guān)管之間就進(jìn)行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次?？梢婋姍C(jī)有六個(gè)磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過電流的時(shí)間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120度電角度。每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通角為120度，故該逆變器為120

30、度導(dǎo)通型。為便于直觀，將電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系見圖2.3。圖2.3三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)詢頂序關(guān)系2.2.2 無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析由于稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)、反電勢(shì)以及電流是非正弦的，因此采用直、交流坐標(biāo)變換己不是有效的分析法。而直接利用電動(dòng)機(jī)本身的相變量來(lái)建立數(shù)學(xué)模型的方法即簡(jiǎn)單又具有較好的準(zhǔn)確度80假設(shè)磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁損耗，三相繞組完全對(duì)稱，則三相繞組的電壓平衡方程可表示為：Uar00laUb0r0IbUc00rIcLMMMLMMMLIaIbIcEaEbEc(2-1)式中Ua,Ub,Uc一定子相繞組電壓(V);Ia,Ib,Ic一定子相繞組電流(A

31、);Ea,Eb,Ec一定子相繞組電動(dòng)勢(shì)(V);L每相繞組的自感(H);M每相繞組間的互感(H);P一微分算子Pd/dto對(duì)于方波電動(dòng)機(jī)，上式中三相方波電流和三相梯形波反電勢(shì)如圖2.5所示由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化，因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。(2-2)當(dāng)三相繞組為Y連接，且沒有中線，則有IaIbIc0并且MIaMIbMIc(2-3)將式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1),得到電壓方程為Uar00IaUb0r0IbUc00rIcLM00Ia0LM0PIb00LMIcEaEbEc(2-4)電磁轉(zhuǎn)矩為T1*(Ea*IaEb*IbEc*Ic)(2-5)根據(jù)電壓方程式(2-4),可得電

32、機(jī)的等效電路圖，如圖2.4所示圖2.4方波電動(dòng)機(jī)的等效電路圖102.2.3 電機(jī)的運(yùn)行特性分析電動(dòng)機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械。因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨電壓、負(fù)載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可分為：起動(dòng)特性、電動(dòng)運(yùn)行特性、制動(dòng)特性、機(jī)械特性及調(diào)速特性。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，其電勢(shì)平衡方程式為：UE*U(2-6)|acpIacp中U電源電壓(V);E電樞繞組反電勢(shì)(V);iacD一平均電樞電流(A)；acpracp一電樞繞組的平均電阻()；IacpU一功率器件的飽和管壓降(V)。(2-7)對(duì)于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢(shì)均可表示為K

33、Ke*n式中n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);Ke反電勢(shì)系數(shù)(V/r/min)由方程式(2-6)、(2-7)可知EUU|acpacpKeKe(2-8)在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為TTiTo式中T電磁轉(zhuǎn)矩(N*m)T1一輸出轉(zhuǎn)矩(N*m)T0一摩擦轉(zhuǎn)矩(N*m)這里TKt*iiacp(2-10)(2-9)Kt一轉(zhuǎn)矩系數(shù)(Nm/A)在轉(zhuǎn)速變動(dòng)情況下，則有iiTTiTo耳(2-11)式中系數(shù)：J一轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N*m*2）;。轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度（rad/s2）o出s下面從這些基本公式出發(fā)，來(lái)討論無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行特性5。1 .起動(dòng)特性由方程式（2-6）、（2-10）、（2-11）可知，電動(dòng)機(jī)

34、在起動(dòng)時(shí)，由于反電勢(shì)為零,因此電樞電流（即起動(dòng)電流）為.(UU)(2-12)inracp其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動(dòng)機(jī)可以很快起動(dòng)，并能帶負(fù)載直接起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢(shì)E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。2 .電動(dòng)運(yùn)行特性在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，6只開關(guān)管任意時(shí)刻只有2只開關(guān)管導(dǎo)通，分別屬于上橋臂和下橋臂。圖2.5動(dòng)運(yùn)行等效電路圖12由圖2.5的運(yùn)行等效電路圖可得，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)VI管和V6管導(dǎo)通時(shí)通電回路的回路電壓方程如下：diadibabUdBaiaPa入la不gab不|bbgab式中e，6b-a,b相電勢(shì)，電動(dòng)運(yùn)行時(shí)最大幅值pa

35、,pb一相電阻，RA=Ra=R;1a，1b一相電感，La=Lb=L;mab，mba一兩相互感，gabbhM;Ud一蓄電池電壓；ia，"一相電流；設(shè)iaib,上式可改寫為：di_1r,、rdt1bdt1b*dhdteb(2-13)E<Ud/2(2-14)在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，換相前電路電流為零，換相后會(huì)12Ud(6a6b)00由于R(LM)dtRI2Ud(e0e)很小可以忽略，故在電路接通后過渡過程結(jié)束前，I正向增加，電路工作在吸收電功率狀態(tài)，吸收的電功率P1為：P1Ud*由此可見，當(dāng),時(shí)，電源可以從電動(dòng)機(jī)側(cè)吸收制動(dòng)能量。(2-15電機(jī)的電磁功率Pem及電磁轉(zhuǎn)矩Tem的大小可以用下兩式計(jì)

36、算：(2-16)Pem(ea6)1Tem.Q-17)式中？一轉(zhuǎn)子角速度。這時(shí)，電磁功率及電磁轉(zhuǎn)矩是正的，T則為電動(dòng)性質(zhì)，與?同向。對(duì)V1管和V6管進(jìn)行脈寬調(diào)制，改變占空比，就可控制電流了的平均值，從而控制平均轉(zhuǎn)矩。3 .制動(dòng)特性制動(dòng)運(yùn)行方式可以有反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)兩種。(1)反接制動(dòng)該方法是使電動(dòng)機(jī)工作在反接制動(dòng)狀態(tài)下，蓄電池化學(xué)儲(chǔ)能向電能轉(zhuǎn)換，與13車體動(dòng)能一起通過電動(dòng)機(jī)最終被轉(zhuǎn)換為熱能。蓄電池的能量輸出與制動(dòng)過程有關(guān)?？梢婋妱?dòng)自行車的動(dòng)能通過運(yùn)動(dòng)阻力和電機(jī)做功，被完全轉(zhuǎn)換成熱能，而熱能通常難以被系統(tǒng)回收利用，所以該制動(dòng)過程是一個(gè)單方向的能量消耗過程。(2)回饋制動(dòng)本法不需要改接電源極性，且

37、在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定空載轉(zhuǎn)速時(shí)可實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)，同時(shí)向電源(蓄電池)回饋能量，從而可被系統(tǒng)再次利用。這一方案無(wú)疑提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，可以延長(zhǎng)車輛的續(xù)行里程，該方案明顯優(yōu)于反接制動(dòng)的方案根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，當(dāng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動(dòng)時(shí)，施加在電機(jī)繞組上的是與繞組感生電動(dòng)勢(shì)反向的PW晰波直流電壓。當(dāng)外加電壓大于反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，電流流入繞組，電源將功率輸入電機(jī)。當(dāng)在繞組上施加相反方向的PWMfe壓時(shí)，將使得流過電動(dòng)機(jī)繞組的電流與驅(qū)動(dòng)時(shí)的電流方向相反。這樣電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)時(shí)相反方向的轉(zhuǎn)矩，也就是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。制動(dòng)電流值在理論上可以很大，其主要受控制器功率器件的電流限制。在制動(dòng)過程中，為使電流連續(xù)，施加在繞

38、組電感上的電壓平均值該大于零，即Uav(2EU)(2EU)(1)2E(21)*U0(2-18)其中PWM驅(qū)動(dòng)的占空比此時(shí)平均電流為jav2E(21)(2-19)|av1ra電源輸入到電動(dòng)機(jī)的功率為PaviavUiavU(1)javU(21)(21)U*(21)2(2-20)由也(2UE4U2U2)0d.ra又由當(dāng)a=0時(shí)，可得d醫(yī)二位U)0,在dra(2-21)E2U時(shí)電源獲得最大功率的能量回饋，另一方面，由平均電流方程式可知，a越大，則電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電流14ra2ra即制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大2.2.4機(jī)械特性和調(diào)速特性分析機(jī)械特性是指外加電源電壓包定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由方程式(2-6)

39、、(2-7)、(2-8)可知(2-22).UU/IacpacpacpUUktlacpktracpnkrkt(2-23)式(2-23)等號(hào)右邊的第一項(xiàng)是常數(shù)racp(當(dāng)不計(jì)口的變化和電樞反應(yīng)的影響時(shí))所以電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。當(dāng)速度為零時(shí)，即為起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)方程式(2-23)右邊兩項(xiàng)相等時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，由于電動(dòng)機(jī)損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。又因?yàn)楣β示w管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時(shí)。功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)也減小，電樞電流增加

40、，DU增大，到一定值以后,增加較快。所以其機(jī)械特性是在接近堵轉(zhuǎn)(即轉(zhuǎn)速很低)時(shí)，加快下跌。如假定外加直流電壓一定，減小電機(jī)負(fù)載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會(huì)提高，同時(shí)反電勢(shì)增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，電機(jī)就維持在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。如果負(fù)載不變，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升高，逆變器的頻率提高，反電勢(shì)增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，這樣就使電機(jī)維持在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。由此可見，由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的自同步性，其調(diào)速方法與有刷直流電動(dòng)機(jī)非常相似，可通過調(diào)節(jié)直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。又從方程式(2-23)可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩(在同一轉(zhuǎn)速下

41、)或(在同一負(fù)載下)。所以在電子換向線路及其它控制線路保持不變的情況下，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能很好，可以利用改變電源電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑的調(diào)速17。根據(jù)所需的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性，按表2-3可確定電機(jī)應(yīng)該具備的機(jī)械特性，同時(shí)還要求所選擇或設(shè)計(jì)的電機(jī)可以在有限的電源電壓下正常運(yùn)行。15表2-3電動(dòng)機(jī)基本工作參數(shù)及特性方程電動(dòng)機(jī)參數(shù)定義符號(hào)說明輸出功率P=F*V/mm為機(jī)械傳動(dòng)效率，F(xiàn)為行駛阻率，V為行駛速度轉(zhuǎn)速nn=(60/2ji)*(iV/r)i為電動(dòng)機(jī)與車輪的轉(zhuǎn)速r為車輪半徑輸出轉(zhuǎn)矩TT=P/n16第三章基于單片機(jī)的系統(tǒng)控制策略研究3.1 控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成在其它硬件條件相同的情況下，控制系統(tǒng)決定著電動(dòng)自

42、行車的性能，相當(dāng)于系統(tǒng)的神經(jīng)中樞一發(fā)出控制命令及處理各種異常情況。它的作用如下6:1 .使電動(dòng)自行車操作靈活舒適；2 .提高電機(jī)和蓄電池的效率，節(jié)省能源；3 .保護(hù)電機(jī)及蓄電池；4 .降低電動(dòng)自行車在受到破壞時(shí)的損傷程度；5 .保障使用者和他人的人身安全。本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：以單片機(jī)為核心的主控電路；以工R2131s為核心的驅(qū)動(dòng)電路；功率逆變電路；位置信號(hào)處理電路、電流信號(hào)處理電路以及一些外圍輔助電路?？刂齐娐返闹饕δ苁峭瓿呻姍C(jī)的起動(dòng)、換相、調(diào)速、制動(dòng)等控制并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、電池的保護(hù)；驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是利用工R2131s的自舉技術(shù)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET控制電機(jī)電流

43、；而外圍輔助電路主要完成信號(hào)的采樣、對(duì)電路的供電、發(fā)出報(bào)警信號(hào)等功能。系統(tǒng)原理框圖如圖3.1所示圖3.1系統(tǒng)原理框圖直流電源通過MOSFE胸成的逆變橋向BLDCMft電，單片機(jī)在新的采樣周期17到來(lái)時(shí)，先判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，如是靜止?fàn)顟B(tài)則用軟件開環(huán)起動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定速度后再切換到常規(guī)換相運(yùn)行狀態(tài)。“軟啟動(dòng)”的電控方案解決了零狀態(tài)起步耗電大的問題，大幅度地提高了一次充電的續(xù)行里程。常規(guī)的換相運(yùn)行是直接根據(jù)位置傳感器傳來(lái)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。再把控制量以PWM勺形式輸出給驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就調(diào)節(jié)了電機(jī)

44、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(shí)，系統(tǒng)的速度便達(dá)到了給定。3.2 系統(tǒng)主要控制策略概述3.2.1 位置檢測(cè)信號(hào)處理單元在對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制中，磁極位置的測(cè)定直接決定了控制效果的好壞。方波電流驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)是借助于位置檢測(cè)信號(hào)控制逆變器換流以達(dá)到在電機(jī)定子線圈中通以互差1200的方波電流才能正常運(yùn)行16。本系統(tǒng)采用霍爾元件式位置傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)的位置信號(hào)。該傳感器是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場(chǎng)中，即輸出霍爾電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其不受外磁場(chǎng)作用時(shí)，具輸出端無(wú)信號(hào)。對(duì)于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)，三個(gè)霍爾元件在空間彼此相隔12

45、00電角度,永磁體的極弧寬為1800電角度。這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)霍爾元件便交替輸出三個(gè)寬為1800電角度、相位互差1200電角的矩形波信號(hào)。這三路信號(hào)經(jīng)過一定的整形措施后被送到單片機(jī)的數(shù)字I/0口，以確定相位信息。霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、工作可靠，但對(duì)工作溫度有一定要求，同時(shí)霍爾元件應(yīng)靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號(hào)電平太低，不能正常工作。因此，在對(duì)性能和環(huán)境要求不是很高的稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，大量使用霍爾元件式位置傳感器10。 電流檢測(cè)信號(hào)處理單元電流檢測(cè)是系統(tǒng)電流環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于電流檢測(cè)有兩種方案1 .采用電流檢測(cè)模塊?，F(xiàn)在電流

46、檢測(cè)模塊種類很多，以霍爾器件為主，反應(yīng)18很靈敏；但是，對(duì)于直流無(wú)刷機(jī)的控制特點(diǎn)，至少需要檢測(cè)兩相電流，需要兩組傳感器，這樣就使成本提高了。2 .采用一個(gè)分流電阻間接測(cè)流。在直流側(cè)接相應(yīng)阻值和瓦數(shù)的分流電阻，通過測(cè)量電阻上的電壓，來(lái)測(cè)量直流回路的電流；然后檢測(cè)三相繞組的相電壓以確定采樣的直流側(cè)電流是哪一相的電流值。這種方案對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換的精度和軟件數(shù)據(jù)處理有一定要求，但是造價(jià)很低，本系統(tǒng)采用第2套方案。3.2.3 速度調(diào)節(jié)方案本車采用的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)可以通過改變電樞電路中的外用電阻或改變加在電動(dòng)機(jī)電樞上的電壓來(lái)調(diào)速。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式使

47、半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制（PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速19。圖3.2是對(duì)電機(jī)進(jìn)行PW硼速控制時(shí)的電樞繞組兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓Us,%秒后,柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0,七秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。圖3.2輸入輸出電壓波形電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值u0為:U0tl*Us0t1t2T*TUsUs(3-1)式中占空比a表示了在一個(gè)周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值，a變化范圍為01之間。所以當(dāng)電源電壓上不變時(shí)，電樞的端電壓的平均值0取19決于占空

48、比的大小，改變a值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本系統(tǒng)利用AVR單片機(jī)的PW，通過軟件編程改變占空比的大小控制電機(jī)調(diào)速。最簡(jiǎn)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(dòng)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3.3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*與速度反饋小送給速度調(diào)節(jié)器（SR）,速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流信號(hào)的參考值jrej,與電流信號(hào)的反饋值jf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PWMS制波，控制逆變器的實(shí)際輸出電壓。圖3.3無(wú)刷直

49、流電機(jī)速度、電流雙閉環(huán)控制雙閉環(huán)調(diào)速的特點(diǎn)是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定來(lái)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(shí)際速度的差額及時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，在速度差值比較大時(shí)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(shí)，又能使轉(zhuǎn)矩自動(dòng)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。止匕外，電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)比較小，當(dāng)系統(tǒng)受到外來(lái)干擾時(shí)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(duì)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。20本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)

50、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(xiàng)(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：11UKPe（t）五0e（t）dt（3-2）其中e(t)是輸入，u(t)起控制作用，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)增量型算法表達(dá)式是：u(kT)q1(kT)q2e(kTT)(3-3)其中q1Kp(1T?);q2KP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(diǎn)：1 .控制器只輸出增量，所以由誤動(dòng)作造成的影響比較??；2 .手動(dòng)一自動(dòng)切換的沖擊小

51、；3 .式中不需要累加，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(shí)產(chǎn)生飽和的危險(xiǎn)。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(gè)因素17:1 .采樣過程對(duì)保真度的影響，根據(jù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理，采用頻率至少為低通信號(hào)頻譜最高頻率的2倍；2 .采樣周期的大小和控制器的性能要求的影響，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(jì)算。3 .采樣周期和主電路的功率器件的承受能力有關(guān)，高的采樣頻率必然要求高的PWM1率，一方面，PWMi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

52、越高，引起發(fā)熱、散熱的問題，另外，高的PWM®率可能使電磁輻射更加嚴(yán)重。綜上各因素，考慮到使PWM1率在人耳敏感的頻率范圍(300Hz4kHz)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(duì)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(diǎn)21采用改進(jìn)的PI算法一積分分離PI算法來(lái)實(shí)現(xiàn)該算法的表達(dá)式為：e(kT)e(kTT)u(kT)u(kTT)Kte(kT)Kpe(kT),e(kT)Kpe(kT),e(kT)E0E0(3-4)積分分離算法要設(shè)置積分分離閥E0,e(kT)E0時(shí)，采用PI控制，可保證系統(tǒng)的控制精度；當(dāng)e(kT)|E0時(shí)，也即偏差較

53、大時(shí)，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(lái)應(yīng)用較多的控制算法，其表達(dá)式為：2u(kT)Kwi(k)xi(kT)(3-5)i1wi(k)(i1,2)為對(duì)應(yīng)與xi(kT)的加權(quán)系數(shù)，K(0)為神經(jīng)元比例系數(shù)。該控制器是通過對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來(lái)實(shí)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。3.2.4 速度檢測(cè)方案電機(jī)的轉(zhuǎn)速是雙閉環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)重要反饋量，如果安裝測(cè)速器來(lái)解決這個(gè)問題無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的硬件投資和整個(gè)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(hào)來(lái)反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過上拉、濾波后的脈沖信號(hào)如圖3.4所示。它們是脈寬為18

54、0度，相位上互差120度的方波信號(hào)。對(duì)其中的任一位置傳感器而言，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生P個(gè)方波脈沖，P為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，顯然這種方波脈沖的頻率是正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速的16o22二口度1"空3口。度轉(zhuǎn)子但量（電角生。朋公產(chǎn)圖3.4三相位置信號(hào)3.2.5 起動(dòng)與換相控制方案無(wú)刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)大小和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，在電機(jī)靜止時(shí)電動(dòng)勢(shì)為零，沒有換相信號(hào)，電機(jī)不能自起動(dòng)。有些文獻(xiàn)提出了一些附加電路來(lái)控制起動(dòng)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(dòng)控制策略無(wú)需附加任何電路，由軟件程序控制正常起動(dòng)，體現(xiàn)“硬件軟化”的設(shè)計(jì)思想。軟起動(dòng)控制策略為：先由程序控制給任意兩相定子繞

55、組通電而另一相關(guān)斷，則電機(jī)定子合成磁勢(shì)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(shí)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(dòng)。期間不進(jìn)行位置檢測(cè)，換相時(shí)間間隔由軟件延時(shí)控制，且該時(shí)間間隔不變，程序控制PWM皮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(dòng)方式。開環(huán)起動(dòng)過程持續(xù)一個(gè)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(cè)到轉(zhuǎn)子的位置，此時(shí)就跳出開環(huán)起動(dòng)過程，進(jìn)入由位置檢測(cè)信號(hào)控制電機(jī)換相的自控式運(yùn)行狀態(tài)。首先找出三個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)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EEPRO流，如表233-1所示。這樣單片機(jī)只需根據(jù)來(lái)自位置信號(hào)輸入口的狀態(tài)，查表即可決定下個(gè)時(shí)刻管子的導(dǎo)通順序，從而控制電機(jī)的換相。表3-1換相表H1H2H3導(dǎo)通的管子101V1.V2100V2.V3110V3.V4010V4.V5011V5.V6001V6.V1000電機(jī)靜止，無(wú)導(dǎo)通管111出錯(cuò)3.2.6 蓄電池檢測(cè)方案電動(dòng)自行車在使用過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的容量情況將給用戶帶來(lái)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猿渥汶姾螅烹娭疗涠穗妷哼_(dá)到規(guī)定值時(shí)所釋放出的總電量來(lái)表