基于单片机的电动车速度控制系统研究

1、目录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 课题的研究背景及发展状况11.1.1 能源与环境问题11.1.2 电机控制技术的发展21.1.3 功率半导体器件与驱动电路的发展21.1.4 电机控制器的发展31.1.5 电机控制理论的发展31.2 电动自行车的组成部分及其特点4第二章关键部件的特性分析62.1 蓄电池特性分析62.2 电机特性分析62.2.1 稀土永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理62.2.2 无刷直流电机的数学模型分析92.2.3 电机的运行特性分析112.2.4 机械特性和调速特性分析15第三章基于单片机的系统控制策略研究173.1 控制系统的整体构成173.2 系统主

2、要控制策略概述183.2.1 位置检测信号处理单元183.2.2 电流检测信号处理单元183.2.3 速度调节方案193.2.4 速度检测方案223.2.5 起动与换相控制方案233.2.6 蓄电池检测方案243.2.7 驱动、逆变电路控制方案253.2.8 故障检测与系统保护263.3 核心控制器件的选择273.3.1 单片机概述273.3.2 Atmega8特性介绍28第四章系统硬件设计304.1 信号检测电路设计304.1.1 位置检测304.1.2 电流检测314.1.3 转子位置检测电路324.2 电机转速控制电路32II4.2.1 测速电路324.2.2 换向调速电路324.2.3

3、 速度检测334.2.4 速度给定环节344.2.5 系统软件控制354.3 三相全桥逆变电路及其功率驱动的设计364.4 PW履的控制单元374.4.1 PWMW号的产生374.4.2 PWM波的输出控制394.5 电池电压检测单元404.6 系统硬件可靠性设计404.6.1 电源与集成芯片去藕404.6.2 隔离技术414.6.3 电磁兼容设计41第五章系统软件设计425.1 主程序的设计425.2 各功能模块白设计思想435.2.1 位置检测模块435.2.2 换相控制模块455.2.3 A/D采样模块45iii5.2.4 双闭环控制模块475.3 软件的可靠性设计495.3.1 采用模

4、块化程序设计方法495.3.2 合理安排中断495.3.3 程序“跑飞”与“死锁”的解脱50第六章结束语51参考文献52致谢53IV基于单片机的电动车速度控制系统研究摘要近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成了城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已成为一个重要的课题。考虑到我国目前的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义。而且灵活、轻巧、“零排放”、价格低廉等优点，将使电动自行车迅速得到普及。随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的控制器发展迅速。但是目前，市场上大多数的电动自行车产品均采用低集成度元件控制装置。具缺点是功能过于简单，不能充分发挥系统的潜力及处理一些特殊的控制问

5、题。本课题采用ATMEL公司的单片机ATmega8作为控制芯片，兼顾成本与性能要求，做了以下方面的工作：首先，在数学模型的基础上对系统动力源一无刷直流电机的特性进行了研究；其次，根据单片机的特点详细设计了系统的控制策略：将电流检测设计成分流电阻间接测流；将调速系统设计为电流、速度双闭环控制，以保证调速的精度和响应速度，并在软件中分别用PI算法来实现；对于速度的检测采用了“硬件软化”的思想;制定了电机“软起动”控制方案；采用了高性能的驱动集成电路IR2131S来驱动MOSFET组成的全桥逆变电路，驱动形式为单极性PWM调制;将PWM波的发生及系统保护等功能采用主控芯片集中处理，增加了系统的可靠性

6、；最后，依据控制策略设计了系统软、硬件，并讨论了可靠性设计问题；由此得出结论：本课题设计的基于单片机的电动车控制系统具有运行性能良好，可靠性高、升级换代容易的特点，为后续的研究工作提供了一定的基础。关键词：单片机控制系统无刷直流电机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第一章绪论1.1 课题的研究背景及发展状况1.1.1 能源与环境问题二十一世纪是“绿色环保”的世纪，环境保护和能源节约问题已成为新世纪最为突出的两大主题。随着工业的发展，城市汽车数量急剧上升，石油资源严重匾乏。研究表明，目前世界石油蕴藏量按照现在的消耗速度仅可供使用50到70年。自1993年开始，我国已变为石油净进口国，2000年我国石油进口量为7000万吨，预计2005年后将超过1.5亿万吨。近年来，石油价格猛涨，2004年，石油最高达到了每桶54.

15、9美元。而石油与国家安全密切相关，其作为一种战略物质大量进口则必然受制于人，该问题已引起各国的极大重视1。再从环境角度讲，石油燃烧造成的大气污染日益严重。在世界环境污染最为严重的十大城市中，我国就占了7个，形势的严峻可见一斑。汽车排出的COHS、NO和微尘颗粒等，会对人类的身体健康造成危害；另外汽车排出的二氧化碳虽然对人体健康无害，但它造成的温室效应破坏大自然的生态平衡，对大气造成严重影响。因此，这两大问题成为了“绿色交通工具”研究开发和推广应用的积极因素。当前，随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨无污染、能源可多样化配置的新型交通工具引起了人们的普遍关注，同时也得到了极大的发展，电动自行车便

16、是其中之一。它以蓄电池发出的电能作为驱动能源，以电动机作动力，具有无废气污染、“零排放”、无噪音、轻便美观等特点特别适合在人口较集中的大中城市中使用。但目前市场上的电动自行车还存在着一些不够完善的地方，尤其是电机控制方面有待于进一步提高。本文根据无刷直流电机的原理，利用美国Atmel公司2002年推出的一款新型高档单片机ATmega8f乍为主控芯片设计了一种无刷直流电机调速控制系统，该系统具有硬件结构简单、软件设计灵活、适用面广、价格低廉等优点具有一定的实用价值。在经济发达国家，一般家庭除了必备汽车之外，通常还希望配备多辆小型交通工具，供短途交通或休闲娱乐用，这对没有驾驶执照的老人和未成年人尤

17、其具有吸引力。亚洲城市，一般人口众多，交通拥挤，自行车一直是大多数居民的主要交通工具。但随着城市规模与人们日常活动范围的扩大，骑车就比较辛苦，特别是遇到恶劣的天气或路况时，就更加费劲。而目前普通居民的购买力有限，小轿车普遍进入家庭还不太可能，况且燃油、环境和场地等多方因素都制约着汽车不可能成为大众化的代步工具；燃油摩托车曾一度成为许多城市比较普及的交通工具，但由于交通安全和环境保护等因素的影响，近年来在许多大中城市已经采取了限制措施。而电动自行车具有摩托车与自行车的综合优势：轻便、无污染、低噪音且价格较为低廉，它无疑将最有希望首先替代传统的交通工具，成为私人交通工具的重要组成部分。这是一个极其

18、巨大的市场，尤其在人口居各大洲首位的亚洲201.1.2 电机控制技术的发展3近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步发展，新产品、新技术层出不穷。由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高了。已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，以及这些被控量的综合控制，使被控制的机械运动更符合预想要求。因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展。1.1.3 功率半导体器件与驱动电路的发展自从上个世纪5O年代，硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究取得发展。60年代后期，可关断晶闸管

19、GTOR现了门极可关断功能，并使斩波频率扩展到1kHZ以上。70年代到80年代，高功率晶体管、功率MOSFE和绝缘栅门控双极性晶体管IGBT相继问世，功率器件实现了全控功能，使得高频应用成为可能。在中小功率的电动机中功率变换器多由MOSFETIGBT构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展。驱动电路是将控制电路的输出信号进行功率放大、并向各功率管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着功率管的一些参数和特性，从而影响着整个电动机控制系统的正常工作。传统的驱动电路大多是采用分立元件搭接而成，这种方法使得电路复

20、杂、调试困难、可靠性差。随着集成电路技术的发展，现在每一类功率器件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是经过优化设计而定型的，它的使用可大大提高整机的可靠性。已经可以做到使用一片驱动器件，一个驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件独立提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。1.1.4 电机控制器的发展电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：对各种信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各种控制信号；产生PWMM制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态

21、性能；实现短路、过流、欠压等故障保护功能。现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关，可以说，每一次微处理器的进步都推动了控制技术的一次飞跃。在微处理器出现之前，控制器只能由模拟系统构成。由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制，功能单一升级换代困难，而且由分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使得维护成本增高，限制了它的发展和应用。随着微处理器的迅速发展和推广，控制器由模拟式转换成了数模混合式，并进一步发展到全数字式，技术的进步使得许多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用软件实现，使系统的可靠性和智能化水平大大提高。全数字系统简化了硬件，缩小了装置体积，消除了温度变化的影响

22、，升级换代十分容易，控制精度不断提高，重复性能也更好了。目前市场上微处理器品种繁多，档次、性能各不相同，不同的厂商生产的微处理器都各有特点。有的价格低廉但功能不够完善，速度慢，如传统的8051单片机；有的具有高速的数字处理能力，能实现一些复杂的控制算法，但价格不菲，如DSP微处理器201.1.5 电机控制理论的发展目前电动自行车控制系统采用的控制理论还是以传统的控制理论为主，而现代控制理论及智能控制理论的应用还有待进一步推广。如具有二次型性能指标的最优控制，可以用来设计最优调节器和最优反踪器，提高控制系统的动态性能：模型参考自适应控制，可以使受控对象渐近跟踪参考模型的输出，从而获得理想的控制性

23、能；具有状态估计功能的卡尔曼滤波器可以获得系统无法实测的状态信息，滤除模型及测量的随即噪声干扰，获得以最小方差为指标的最优状态估计：滑模变结构控制可以使系统结构在动态过程中根据系统当时的偏差及导数以跃变方式作有目的的改变，使系统达到最佳指标；模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型，对系统动态响应有较好的鲁棒性；神经网络具有非线性映射能力，可逼近任意线性和非线性模型，又具有自学习、自收敛的特性，对参数变化有较强的鲁棒性。1.2 电动自行车的组成部分及其特点电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、操纵制动部分、电气仪表部分组成。.动力部分电动自行车的动力部分通常由蓄电池和电机构成，是电动自行车

24、的动力来源。其性能的好坏，直接影响电动自行车的动力性和经济性。.传动部分电动自行车传动部分的作用是将动力部分输出的功率传递给驱动轮，驱使电动自行车行驶。通过变速器或调速器，使电动自行车获得行驶所需要的驱动力和速度，并保证电动自行车的平稳起步和停车。它由变速器、后传动装置组成。.行车部分行车部分的作用是使电动自行车构成一个整体，支撑全车的总重量，将传动部分传递的扭矩转换成驱使电动自行车行驶的牵引力，同时承受吸收和传递路面作用于车轮上的各种反力，确保电动自行车正常、安全行驶。它主要由车架、前减震器、前后轮、座垫等组成。.操纵制动部分操纵制动部分的作用是直接控制行车方向、行驶速度、制动等，以确保电动

25、自行车行驶安全。它由车把、制动装置、调速手把等组成。.电气仪表部分电气仪表装置是保证车辆安全行驶并反映车辆运动状态的主要装置，它使骑行者能正确、有效地对车辆行驶适时地进行控制。它由数据显示装置、充电器等组成4。第二章关键部件的特性分析2.1 蓄电池特性分析相对于燃油类能源而言，目前蓄电池的能量密度较低，是限制和影响电动自行车性能的主要因素，因此在电动自行车的设计中恰当的选择蓄电池显得十分重要。可以按照电动自行车一次充电所要求的行程及克服行驶阻力所需做的功来确定蓄电池容量和功率等级。蓄电池的工作过程就是化学能与电能相互转换的变化规律。当蓄电池将化学能转化为电能而供电机使用时，叫放电过程；当外界将

26、反电流通入蓄电池，使其将电能转变成化学能并储存起来，这时为充电过程。这种充放电的过程是可逆的，可循环的，这也是蓄电池的一大特性一可重复性9。表2-1蓄电池基本工作性能参数及特性方程蓄电池工作参数定义符号说明端电压ULd=U)-IdXR口为蓄电池的开路电压R为蓄电池的内阻Id为放电电流输出功率PdPd=LdXId放电时间t-nt=KxIdK.n分别为与蓄电池型有美的参数放电效率=1-(Rxid/Ud)由表2-1中蓄电池的放电效率和放电时间特性方程可知，由于内阻的影响，蓄电池放电效率随放电电流增大而线性下降，放电时间则相应按指数曲线下降112.2 电机特性分析2.2.1 稀土永磁无刷直流电机的基本

27、结构和工作原理稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、开关电路、位置传感器三部分。原理框图如图2.1所示13。?稀土永磁电动机本体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成。常用的有三种结构形式：转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体；转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体：转子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体。还有一种外转子式结构，即带有稀土永磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转子旋转。这种结构形式最适用于电动车辆的驱动。图2.1直流无刷电动机的原理框?开关电路由逆变器VF和驱动电路组成。逆变器主电路有桥式和非桥式（图2.2）两种。电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的

28、是三相星形六状态。驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。?转子位置传感器PS是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供位置信号的一种装置。它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机本体转子位置；其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号。图2.2非桥式逆变电路三个霍尔元件沿圆周均匀分别粘贴于电机端盖上，彼此相差120度。电角度，并分别与定子三相绕组首端所在槽中心线对齐，霍尔传感器转子永磁体为180度表2-2正转时相互位置关系霍尔元件信号导通绕组导通管子UhaUhb/UhcABVV6/UhaUhb/UhcACV

29、1.V2/UhaUhbUhcBCV3.V2/Uha/UhbUhcBAV3.V4Uha/UhbUhcCAV5.V4Uha/UhbUhcCBV5.V6电角度的薄片，与转子同轴安装，其产生的磁场的端面与霍尔元件的气隙为lmm左右，传感器永磁体轴线与转子主磁极轴线垂直。电机转一周时对应的各相绕组导通顺序和功率开关管的导通逻辑以及三个霍尔元件输出信号的逻辑关系，如表2-2所示。当转子每转过60度电角度时，逆变器各开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见电机有六个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子转过120度电角度。每个开关管的导通角为120度，故该逆变器为120

30、度导通型。为便于直观，将电机正转时的三相绕组与各开关管导通顺序的关系见图2.3。图2.3三相绕组与各开关管导询顶序关系2.2.2 无刷直流电机的数学模型分析由于稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电势以及电流是非正弦的，因此采用直、交流坐标变换己不是有效的分析法。而直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型的方法即简单又具有较好的准确度80假设磁路不饱和，不计涡流和磁损耗，三相绕组完全对称，则三相绕组的电压平衡方程可表示为：Uar00laUb0r0IbUc00rIcLMMMLMMMLIaIbIcEaEbEc(2-1)式中Ua,Ub,Uc一定子相绕组电压(V);Ia,Ib,Ic一定子相绕组电流(A

31、);Ea,Eb,Ec一定子相绕组电动势(V);L每相绕组的自感(H);M每相绕组间的互感(H);P一微分算子Pd/dto对于方波电动机，上式中三相方波电流和三相梯形波反电势如图2.5所示由于转子磁阻不随转子位置变化而变化，因而定子绕组的自感和互感为常数。(2-2)当三相绕组为Y连接，且没有中线，则有IaIbIc0并且MIaMIbMIc(2-3)将式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1),得到电压方程为Uar00IaUb0r0IbUc00rIcLM00Ia0LM0PIb00LMIcEaEbEc(2-4)电磁转矩为T1*(Ea*IaEb*IbEc*Ic)(2-5)根据电压方程式(2-4),可得电

32、机的等效电路图，如图2.4所示图2.4方波电动机的等效电路图102.2.3 电机的运行特性分析电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。因此我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随电压、负载变化而变化的规律。据此，电动机的运行特性可分为：起动特性、电动运行特性、制动特性、机械特性及调速特性。对于无刷直流电机，其电势平衡方程式为：UE*U(2-6)|acpIacp中U电源电压(V);E电枢绕组反电势(V);iacD一平均电枢电流(A)；acpracp一电枢绕组的平均电阻()；IacpU一功率器件的饱和管压降(V)。(2-7)对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为K

33、Ke*n式中n电动机转速(r/min);Ke反电势系数(V/r/min)由方程式(2-6)、(2-7)可知EUU|acpacpKeKe(2-8)在转速不变时，转矩平衡方程式为TTiTo式中T电磁转矩(N*m)T1一输出转矩(N*m)T0一摩擦转矩(N*m)这里TKt*iiacp(2-10)(2-9)Kt一转矩系数(Nm/A)在转速变动情况下，则有iiTTiTo耳(2-11)式中系数：J一转动部分的转动惯量（N*m*2）;。转子的机械角加速度（rad/s2）o出s下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性5。1 .起动特性由方程式（2-6）、（2-10）、（2-11）可知，电动机

34、在起动时，由于反电势为零,因此电枢电流（即起动电流）为.(UU)(2-12)inracp其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动机可以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势E增加，电磁转矩降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。2 .电动运行特性在电动运行状态下，6只开关管任意时刻只有2只开关管导通，分别属于上桥臂和下桥臂。图2.5动运行等效电路图12由图2.5的运行等效电路图可得，在电动运行时VI管和V6管导通时通电回路的回路电压方程如下：diadibabUdBaiaPa入la不gab不|bbgab式中e，6b-a,b相电势，电动运行时最大幅值pa

35、,pb一相电阻，RA=Ra=R;1a，1b一相电感，La=Lb=L;mab，mba一两相互感，gabbhM;Ud一蓄电池电压；ia，"一相电流；设iaib,上式可改写为：di_1r,、rdt1bdt1b*dhdteb(2-13)E<Ud/2(2-14)在电动运行时，换相前电路电流为零，换相后会12Ud(6a6b)00由于R(LM)dtRI2Ud(e0e)很小可以忽略，故在电路接通后过渡过程结束前，I正向增加，电路工作在吸收电功率状态，吸收的电功率P1为：P1Ud*由此可见，当,时，电源可以从电动机侧吸收制动能量。(2-15电机的电磁功率Pem及电磁转矩Tem的大小可以用下两式计

36、算：(2-16)Pem(ea6)1Tem.Q-17)式中？一转子角速度。这时，电磁功率及电磁转矩是正的，T则为电动性质，与?同向。对V1管和V6管进行脉宽调制，改变占空比，就可控制电流了的平均值，从而控制平均转矩。3 .制动特性制动运行方式可以有反接制动和回馈制动两种。(1)反接制动该方法是使电动机工作在反接制动状态下，蓄电池化学储能向电能转换，与13车体动能一起通过电动机最终被转换为热能。蓄电池的能量输出与制动过程有关。可见电动自行车的动能通过运动阻力和电机做功，被完全转换成热能，而热能通常难以被系统回收利用，所以该制动过程是一个单方向的能量消耗过程。(2)回馈制动本法不需要改接电源极性，且

37、在电机转速低于额定空载转速时可实现电磁制动，同时向电源(蓄电池)回馈能量，从而可被系统再次利用。这一方案无疑提高了系统的运行效率，可以延长车辆的续行里程，该方案明显优于反接制动的方案根据无刷直流电动机的驱动原理，当对电机进行调速驱动时，施加在电机绕组上的是与绕组感生电动势反向的PW晰波直流电压。当外加电压大于反电动势时，电流流入绕组，电源将功率输入电机。当在绕组上施加相反方向的PWMfe压时，将使得流过电动机绕组的电流与驱动时的电流方向相反。这样电动机将产生与驱动时相反方向的转矩，也就是制动转矩。制动电流值在理论上可以很大，其主要受控制器功率器件的电流限制。在制动过程中，为使电流连续，施加在绕

38、组电感上的电压平均值该大于零，即Uav(2EU)(2EU)(1)2E(21)*U0(2-18)其中PWM驱动的占空比此时平均电流为jav2E(21)(2-19)|av1ra电源输入到电动机的功率为PaviavUiavU(1)javU(21)(21)U*(21)2(2-20)由也(2UE4U2U2)0d.ra又由当a=0时，可得d医二位U)0,在dra(2-21)E2U时电源获得最大功率的能量回馈，另一方面，由平均电流方程式可知，a越大，则电动机的制动电流14ra2ra即制动转矩越大2.2.4机械特性和调速特性分析机械特性是指外加电源电压包定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。由方程式(2-6)

39、、(2-7)、(2-8)可知(2-22).UU/IacpacpacpUUktlacpktracpnkrkt(2-23)式(2-23)等号右边的第一项是常数racp(当不计口的变化和电枢反应的影响时)所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加。当速度为零时，即为起动电磁转矩当方程式(2-23)右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。又因为功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时。功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的关系。所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小，电枢电流增加

40、，DU增大，到一定值以后,增加较快。所以其机械特性是在接近堵转(即转速很低)时，加快下跌。如假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也会提高，同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。当电磁转矩和负载转矩平衡时，电机就维持在一个较高的转速下运行。如果负载不变，提高外加直流电压，则转速升高，逆变器的频率提高，反电势增大，使电流减小，电磁转矩又呈现减小趋势，这样就使电机维持在一个较高的转速下运行。由此可见，由于无刷直流电动机的自同步性，其调速方法与有刷直流电动机非常相似，可通过调节直流电压来实现。又从方程式(2-23)可见，改变电源电压，可以很容易地改变输出转矩(在同一转速下

41、)或(在同一负载下)。所以在电子换向线路及其它控制线路保持不变的情况下，无刷直流电动机调速性能很好，可以利用改变电源电压来实现平滑的调速17。根据所需的系统运动特性，按表2-3可确定电机应该具备的机械特性，同时还要求所选择或设计的电机可以在有限的电源电压下正常运行。15表2-3电动机基本工作参数及特性方程电动机参数定义符号说明输出功率P=F*V/mm为机械传动效率，F为行驶阻率，V为行驶速度转速nn=(60/2ji)*(iV/r)i为电动机与车轮的转速r为车轮半径输出转矩TT=P/n16第三章基于单片机的系统控制策略研究3.1 控制系统的整体构成在其它硬件条件相同的情况下，控制系统决定着电动自

42、行车的性能，相当于系统的神经中枢一发出控制命令及处理各种异常情况。它的作用如下6:1 .使电动自行车操作灵活舒适；2 .提高电机和蓄电池的效率，节省能源；3 .保护电机及蓄电池；4 .降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度；5 .保障使用者和他人的人身安全。本文设计的电动自行车控制系统主要由以下几部分组成：以单片机为核心的主控电路；以工R2131s为核心的驱动电路；功率逆变电路；位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围辅助电路。控制电路的主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护；驱动电路的主要功能是利用工R2131s的自举技术驱动功率MOSFET控制电机电流

43、；而外围辅助电路主要完成信号的采样、对电路的供电、发出报警信号等功能。系统原理框图如图3.1所示图3.1系统原理框图直流电源通过MOSFE胸成的逆变桥向BLDCMft电，单片机在新的采样周期17到来时，先判断系统的状态，如是静止状态则用软件开环起动，当达到一定速度后再切换到常规换相运行状态。“软启动”的电控方案解决了零状态起步耗电大的问题，大幅度地提高了一次充电的续行里程。常规的换相运行是直接根据位置传感器传来的信号进行换相控制，同时将电机速度反馈信号和手把给定的速度信号相减，得出偏差，经过控制算法得出控制量。再把控制量以PWM勺形式输出给驱动电路，由驱动电路调节逆变器的输出电压，就调节了电机

44、的电流大小，从而调节电磁转矩；当电磁转矩和负载转矩平衡时，系统的速度便达到了给定。3.2 系统主要控制策略概述3.2.1 位置检测信号处理单元在对无刷直流电机的控制中，磁极位置的测定直接决定了控制效果的好坏。方波电流驱动无刷直流电机是借助于位置检测信号控制逆变器换流以达到在电机定子线圈中通以互差1200的方波电流才能正常运行16。本系统采用霍尔元件式位置传感器来检测电机的位置信号。该传感器是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，具输出端无信号。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔12

45、00电角度,永磁体的极弧宽为1800电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽为1800电角度、相位互差1200电角的矩形波信号。这三路信号经过一定的整形措施后被送到单片机的数字I/0口，以确定相位信息。霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、工作可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的稀土永磁无刷直流电动机应用场合，大量使用霍尔元件式位置传感器10。 电流检测信号处理单元电流检测是系统电流环控制的重要环节，对于电流检测有两种方案1 .采用电流检测模块。现在电流

46、检测模块种类很多，以霍尔器件为主，反应18很灵敏；但是，对于直流无刷机的控制特点，至少需要检测两相电流，需要两组传感器，这样就使成本提高了。2 .采用一个分流电阻间接测流。在直流侧接相应阻值和瓦数的分流电阻，通过测量电阻上的电压，来测量直流回路的电流；然后检测三相绕组的相电压以确定采样的直流侧电流是哪一相的电流值。这种方案对于A/D转换的精度和软件数据处理有一定要求，但是造价很低，本系统采用第2套方案。3.2.3 速度调节方案本车采用的无刷直流电动机可以通过改变电枢电路中的外用电阻或改变加在电动机电枢上的电压来调速。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。本系统利用开关驱动方式使

47、半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制（PWM来控制电动机电枢电压，实现调速19。图3.2是对电机进行PW硼速控制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us,%秒后,栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0,七秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。图3.2输入输出电压波形电动机电枢绕组两端的电压平均值u0为:U0tl*Us0t1t2T*TUsUs(3-1)式中占空比a表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，a变化范围为01之间。所以当电源电压上不变时，电枢的端电压的平均值0取19决于占空

48、比的大小，改变a值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。本系统利用AVR单片机的PW，通过软件编程改变占空比的大小控制电机调速。最简单的调速系统为开环调速系统，但它的调速精度太低，不适用于电动自行车的调速系统。为了保证调速精度，本系统采用图3.3的电流、速度双闭环控制方案。这种控制方式把速度调节器作为主调节器，电流调节器作为辅助调节器。速度给定n*与速度反馈小送给速度调节器（SR）,速度调节器的输出作为电流信号的参考值jrej,与电流信号的反馈值jf一起送至电流调节器（CR）,电流调节器的*.输出为电压参考值u。与给定载波比较后，形成PWMS制波，控制逆变器的实际输出电压。图3.3无刷直

49、流电机速度、电流双闭环控制双闭环调速的特点是速度调节器的输出作为电流调节器的给定来控制电机的转矩和电流。这样做的好处在于可以根据给定速度与实际速度的差额及时控制电机的转矩，在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定值，在转速接近给定值时，又能使转矩自动减小，这样可避免过大的超调，以利于调速过程的快速性。止匕外，电流环的等效时间常数比较小，当系统受到外来干扰时它能比较快速的作出响应，抑制干扰的影响，提高系统的稳定性和抗干扰能力。而且双闭环系统以速度调节器的输出作为电流调节器的给定值，对速度调节器的输出限幅就限定了电枢中的电流，起到了保护逆变桥的作用。20本系统电流调节

50、器用PI调节器，速度调节器为改进的PI调节器。数字PI控制是普遍采用的一种过程控制算法，P是指比例象(Proportional),I是指积分项(Integral),基本的PI控制算法有位置型和增量型两种。位置型PI算法的表达式是：11UKPe（t）五0e（t）dt（3-2）其中e(t)是输入，u(t)起控制作用，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数增量型算法表达式是：u(kT)q1(kT)q2e(kTT)(3-3)其中q1Kp(1T?);q2KP它们两者在本质上是一样的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的优点：1 .控制器只输出增量，所以由误动作造成的影响比较小；2 .手动一自动切换的冲击小

51、；3 .式中不需要累加，增量只与最近的两次采样有关，容易获得较好的控制效果，并且消除了当偏差存在时产生饱和的危险。所以，本系统电流调节器采用增量式PI控制。其中采样周期的选取要考虑以下三个因素17:1 .采样过程对保真度的影响，根据香农(Shannon)采样定理，采用频率至少为低通信号频谱最高频率的2倍；2 .采样周期的大小和控制器的性能要求的影响，采样频率的提高必然要求控制器有足够快的运算速度，以满足在两次采样数据之间完成必须的处理计算。3 .采样周期和主电路的功率器件的承受能力有关，高的采样频率必然要求高的PWM1率，一方面，PWMi率越高，输出波形越理想，但另一方面，功率器件消耗的功率也

52、越高，引起发热、散热的问题，另外，高的PWM®率可能使电磁辐射更加严重。综上各因素，考虑到使PWM1率在人耳敏感的频率范围(300Hz4kHz)外,在本系统中，电流环采样频率定为5kHz,就基本达到了预期效果。对于速度环的控制本系统根据AVR单片机逻辑判断能力强、编程灵活的特点21采用改进的PI算法一积分分离PI算法来实现该算法的表达式为：e(kT)e(kTT)u(kT)u(kTT)Kte(kT)Kpe(kT),e(kT)Kpe(kT),e(kT)E0E0(3-4)积分分离算法要设置积分分离阀E0,e(kT)E0时，采用PI控制，可保证系统的控制精度；当e(kT)|E0时，也即偏差较

53、大时，采用P控制可使超调量大为降低。还有一种神经元自适应PI算法也是近些年来应用较多的控制算法，其表达式为：2u(kT)Kwi(k)xi(kT)(3-5)i1wi(k)(i1,2)为对应与xi(kT)的加权系数，K(0)为神经元比例系数。该控制器是通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能的，加权系数的调整采用有监督的Hebb学习规则。3.2.4 速度检测方案电机的转速是双闭环系统的一个重要反馈量，如果安装测速器来解决这个问题无疑会增加系统的硬件投资和整个系统的体积。所以在本系统中将利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速。经过上拉、滤波后的脉冲信号如图3.4所示。它们是脉宽为18

54、0度，相位上互差120度的方波信号。对其中的任一位置传感器而言，电动机每转能产生P个方波脉冲，P为电动机的极对数，显然这种方波脉冲的频率是正比于电机转速的16o22二口度1"空3口。度转子但量（电角生。朋公产图3.4三相位置信号3.2.5 起动与换相控制方案无刷直流电机的反电动势大小和电机的转速成正比，在电机静止时电动势为零，没有换相信号，电机不能自起动。有些文献提出了一些附加电路来控制起动的方案。这样就增加了系统成本且使系统复杂化。而本文基于AVR单片机的起动控制策略无需附加任何电路，由软件程序控制正常起动，体现“硬件软化”的设计思想。软起动控制策略为：先由程序控制给任意两相定子绕

55、组通电而另一相关断，则电机定子合成磁势轴线在空间有一确定方向，把转子磁极拖到与其重合的位置，经过一段时间即可确定转子的初始位置。然后按照电机旋转方向的换相顺序由程序控制给相应绕组馈电，使电机起动。期间不进行位置检测，换相时间间隔由软件延时控制，且该时间间隔不变，程序控制PWM皮占空比逐渐增大以提高电压，因此这是一种恒频升压的起动方式。开环起动过程持续一个换相周期后，电机己经具有一定的速度，可以通过位置传感器检测到转子的位置，此时就跳出开环起动过程，进入由位置检测信号控制电机换相的自控式运行状态。首先找出三个转子位置传感器信号H1,H2,H3的状态与六只功率管导通之间的关系，以表格形式存放在单片机的EEPRO流，如表233-1所示。这样单片机只需根据来自位置信号输入口的状态，查表即可决定下个时刻管子的导通顺序，从而控制电机的换相。表3-1换相表H1H2H3导通的管子101V1.V2100V2.V3110V3.V4010V4.V5011V5.V6001V6.V1000电机静止，无导通管111出错3.2.6 蓄电池检测方案电动自行车在使用过程中实时监测蓄电池的容量情况将给用户带来很大的方便，它能提供蓄电池的电能大约能够使车辆行驶多少里程，蓄电池是否需要充电等信息。蓄电池的总容量通常以充足电后，放电至其端电压达到规定值时所释放出的总电量来表