基于单片机的电动车速度控制系统研究样本.doc

目录

摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及发展状况 1
1.1.1能源与环境问题 1
1.1.2电机控制技术发展 2
1.1.3功率半导体器件与驱动电路发展 2
1.1.4电机控制器发展 3
1.1.5电机控制理论发展 3
1.2电动自行车构成某些及其特点 4
第二章 核心部件特性分析 6
2.1蓄电池特性分析 6
2.2电机特性分析 6
2.2.1稀土永磁无刷直流电机基本构造和工作原理 6
2.2.2无刷直流电机数学模型分析 9
2.2.3电机运营特性分析 11
2.2.4机械特性和调速特性分析 15
第三章 基于单片机系统控制方略研究 17
3.1控制系统整体构成 17
3.2系统重要控制方略概述 18
3.2.1位置检测信号解决单元 18
3.2.2电流检测信号解决单元 18
3.2.3速度调节方案 19
3.2.4速度检测方案 22
3.2.5起动与换相控制方案 23
3.2.6蓄电池检测方案 24
3.2.7驱动、逆变电路控制方案 25
3.2.8故障检测与系统保护 26
3.3核心控制器件选取 27
3.3.1单片机概述 27
3.3.2 Atmega8特性简介 28
第四章 系统硬件设计 30
4.1信号检测电路设计 30
4.1.1位置检测 30
4.1.2电流检测 31
4.1.3转子位置检测电路 32
4.2电机转速控制电路 32
4.2.1测速电路 32
4.2.2换向调速电路 32
4.2.3速度检测 33
4.2.4速度给定环节 34
4.2.5系统软件控制 35
4.3三相全桥逆变电路及其功率驱动设计 36
4.4 PWM波控制单元 37
4.4.1PWM信号产生 37
4.4.2 PWM波输出控制 39
4.5电池电压检测单元 40
4.6系统硬件可靠性设计 40
4.6.1电源与集成芯片去藕 40
4.6.2隔离技术 41
4.6.3电磁兼容设计 41
第五章 系统软件设计 42
5.1主程序设计 42
5.2各功能模块设计思想 43
5.2.1位置检测模块 43
5.2.2换相控制模块 45
5.2.3 A/D采样模块 45
5.2.4双闭环控制模块 47
5.3软件可靠性设计 49
5.3.1采用模块化程序设计办法 49
5.3.2合理安排中断 49
5.3.3程序“跑飞”与“死锁”解脱 50
第六章 结束语 51
参照文献 52
道谢 53

基于单片机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导致了都市空气严重污染。于是发展绿色交通工具已成为一种重要课题。
考虑到国内当前国情，发展电动自行车具备重要环保意义。并且灵活、轻巧、“零排放”、价格低廉等长处，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不断提高，电动自行车控制器发展迅速。但是当前，市场上大多数电动自行车产品均采用低集成度元件控制装置。其缺陷是功能过于简朴，不能充分发挥系统潜力及解决某些特殊控制问题。本课题采用ATMEL公司单片机ATmega8作为控制芯片，兼顾成本与性能规定，做了如下方面工作:
一方面，在数学模型基本上对系统动力源—无刷直流电机特性进行了研究;
另一方面，依照单片机特点详细设计了系统控制方略: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;对于速度检测采用了“硬件软化”思想;制定了电机“软起动” 控制方案;采用了高性能驱动集成电路IR2131S来驱动MOSFET构成全桥逆变电路，驱动形式为单极性PWM调制;将PWM波发生及系统保护等功能采用主控芯片集中解决，增长了系统可靠性;
最后，根据控制方略设计了系统软、硬件，并讨论了可靠性设计问题;
由此得出结论:本课题设计基于单片机电动车控制系统具备运营性能良好，可靠性高、升级换代容易特点，为后续研究工作提供了一定基本。
核心词:单片机 控制系统 无刷直流电机

Study on the Electric-Bike Control System Based on
the Microcontroller
ABSTRACT
In recent years，the waste gas from the gasoline-automobiles has caused severe pollution problems in cities. So，it's more and more important to develop the so called "green-automobiles".
Considering our country's status，to develop the electric-bike will be helpful to solve the pollution problem. With the virtues of flexibility，slimness and zero waste-gas，electro-bike is more and more popular.
By enhancing the driving-motor technology and power devices technology，the control system developed quickly. But nowadays，most of the electric-bicycle products in the markets adapt low-integration degree devices in their control system. The problem is that the function of these devices is too simple to fully utilize the system's potential and to solve some specific but meaningful control questions. In this project，ATmega8 an MCU product of ATMEL company has been used. The consideration between low-cost and good-controlling performance has been well balanced by choosing this central-controlling unit. The following works have been presented in this project.
Firstly，the characteristic of the system's driving source-the Brushless-DC-Motor has been analyzed based on the mathematical model.
Furthermore，the controlling strategy has been designed in detail based on the characteristic of MCU. This part includes the following works. The current is measured indirectly by using a shunt- resistor. In order to guarantee the velocity modulation's precision and quick-response，a double closed-loop control for current and velocity has been adopted and the control strategy is realized by the software using PI algorithm. To the measurement of the velocity，a hardware-softening method has been adopted and the motor's soft-starting method has been designed. In order to drive the MOSEFET full-bridge rectifying circuit，the high-performance driving-IC IR2131S has been used and PWM driving strategy has been adopted. The PWM wave's controlling and the system protection issues are integrated into the central controlling unit. This helps to increase the reliability of the whole system.
At the last，the whole system's hardware and software have been designed based on the system's control strategy and the reliable-designing question has been discussed in the paper.
From the work which has been done in this project，the conclusion can be draw that the electric-bike control system based on the MCU has the virtues of high-performance，high-reliability and easy to further developing. This paper presented an experimental base for the futher research。
KEY WORDS：Microcontroller Control system Brushless-DC-Motor

第一章 绪论
1.1课题研究背景及发展状况
1.1.1能源与环境问题
21世纪是“绿色环保”世纪，环保和能源节约问题已成为新世纪最为突出两大主题。随着工业发展，都市汽车数量急剧上升，石油资源严重匾乏。研究表白，当前世界石油蕴藏量按照当前消耗速度仅可供使用50到70年。自1993年开始，国内已变为石油净进口国，国内石油进口量为7000万吨，预测后将超过1.5亿万吨。近年来，石油价格猛涨，，石油最高达到了每桶54.9美元。而石油与国家安全密切有关，其作为一种战略物质大量进口则必然受制于人，该问题已引起各国极大注重[1]。
再从环境角度讲，石油燃烧导致大气污染日益严重。在世界环境污染最为严重十大都市中，国内就占了7个，形势严峻可见一斑。汽车排出CO、H2S、NO2和微尘颗粒等，会对人类身体健康导致危害;此外汽车排出二氧化碳虽然对人体健康无害，但它导致温室效应破坏大自然生态平衡，对大气导致严重影响。因而，这两大问题成为了“绿色交通工具”研究开发和推广应用积极因素。当前，随着保护环境、节约能源呼声日益高涨无污染、能源可多样化配备新型交通工具引起了人们普遍关注，同步也得到了极大发展，电动自行车便是其中之一。它以蓄电池发出电能作为驱动能源，以电动机作动力，具备无废气污染、“零排放”、无噪音、轻便美观等特点特别适合在人口较集中大中都市中使用。但当前市场上电动自行车还存在着某些不够完善地方，特别是电机控制方面有待于进一步提高。本文依照无刷直流电机原理，运用美国Atmel公司推出一款新型高档单片机ATmega8作为主控芯片设计了一种无刷直流电机调速控制系统，该系统具备硬件构造简朴、软件设计灵活、合用面广、价格低廉等长处具备一定实用价值。在经济发达国家，普通家庭除了必备汽车之外，普通还但愿配备多辆小型交通工具，供短途交通或休闲娱乐用，这对没有驾驶执照老人和未成年人特别具备吸引力。亚洲都市，普通人口众多，交通拥挤，自行车始终是大多数居民重要交通工具。但随着都市规模与人们寻常活动范畴扩大，骑车就比较辛苦，特别是遇到恶劣天气或路况时，就更加费劲。而当前普通居民购买力有限，小轿车普遍进入家庭还不太也许，况且燃油、环境和场地等多方因素都制约着汽车不也许成为大众化代步工具;燃油摩托车曾一度成为许多都市比较普及交通工具，但由于交通安全和环保等因素影响，近年来在许多大中都市已经采用了限制办法。而电动自行车具备摩托车与自行车综合优势:轻便、无污染、低噪音且价格较为低廉，它无疑将最有但愿一方面代替老式交通工具，成为私人交通工具重要构成某些。这是一种极其巨大市场，特别在人口居各大洲首位亚洲[2]。
1.1.2电机控制技术发展[3]
近些年来，随着当代电力电子技术、控制技术和计算机技术发展，电机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，电机控制技术变得更加灵活，效率也更高了。已由过去简朴起停控制、提供动力为目应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精准控制，以及这些被控量综合控制，使被控制机械运动更符合预想规定。因而当代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器发展。
1.1.3功率半导体器件与驱动电路发展
自从上个世纪5O年代，硅晶闸管问世后来，功率半导体器件研究获得发展。60年代后期，可关断晶闸管GTO实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MOSFET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，使得高频应用成为也许。在中小功率电动机中功率变换器多由MOSFET或IGBT构成，具备控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多长处。
在功率器件发展同步，驱动电路也获得了飞速发展。驱动电路是将控制电路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驱动信号。驱动电路工作方式直接影响着功率管某些参数和特性，从而影响着整个电动机控制系统正常工作。老式驱动电路大多是采用分立元件搭接而成，这种办法使得电路复杂、调试困难、可靠性差。随着集成电路技术发展，当前每一类功率器件均有相应专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是通过优化设计而定型，它使用可大大提高整机可靠性。已经可以做到使用一片驱动器件，一种驱动电源来驱动三相逆变器六个开关管，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设计。
1.1.4电机控制器发展
电机控制器是无刷直流电动机正常运营并实现各种调速伺服功能指挥中心，它重要完毕如下功能: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PWM调制信号，实现电机调速;对电机进行速度环和电流环调节，使系统具备较好动态和静态性能;实现短路、过流、欠压等故障保护功能。
当代控制技术发展与微解决器发展息息有关，可以说，每一次微解决器进步都推动了控制技术一次奔腾。在微解决器浮现之前，控制器只能由模仿系统构成。由模仿器件构成控制器只能实现简朴控制，功能单一升级换代困难，并且由分立器件构成系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使得维护成本增高，限制了它发展和应用。
随着微解决器迅速发展和推广，控制器由模仿式转换成了数模混合式，并进一步发展到全数字式，技术进步使得许多模仿器件难以实现功能都可以以便地用软件实现，使系统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，消除了温度变化影响，升级换代十分容易，控制精度不断提高，重复性能也更好了。当前市场上微解决器品种繁多，档次、性能各不相似，不同厂商生产微解决器都各有特点。有价格低廉但功能不够完善，速度慢，如老式8051单片机;有具备高速数字解决能力，能实现某些复杂控制算法，但价格不菲，如DSP微解决器[2]。
1.1.5电机控制理论发展
当前电动自行车控制系统采用控制理论还是以老式控制理论为主，而当代控制理论及智能控制理论应用尚有待进一步推广。如具备二次型性能指标最优控制，可以用来设计最优调节器和最优反踪器，提高控制系统动态性能;模型参照自适应控制，可以使受控对象渐近跟踪参照模型输出，从而获得抱负控制性能;具备状态预计功能卡尔曼滤波器可以获得系统无法实测状态信息，滤除模型及测量随后噪声干扰，获得以最小方差为指标最优状态预计;滑模变构造控制可以使系统构造在动态过程中依照系统当时偏差及导数以跃变方式作有目变化，使系统达到最佳指标;模糊控制不依赖被控对象精准数学模型，对系统动态响应有较好鲁棒性;神经网络具备非线性映射能力，可逼近任意线性和非线性模型，又具备自学习、自收敛特性，对参数变化有较强鲁棒性。
1.2电动自行车构成某些及其特点
电动自行车普通由动力某些、传动某些、行车某些、操纵制动某些、电气仪表某些构成。
.动力某些
电动自行车动力某些普通由蓄电池和电机构成，是电动自行车动力来源。其性能好坏，直接影响电动自行车动力性和经济性。
.传动某些
电动自行车传动某些作用是将动力某些输出功率传递给驱动轮，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驱动力和速度，并保证电动自行车平稳起步和停车。它由变速器、后传动装置构成。
.行车某些
行车某些作用是使电动自行车构成一种整体，支撑全车总重量，将传动某些传递扭矩转换成驱使电动自行车行驶牵引力，同步承受吸取和传递路面作用于车轮上各种反力，保证电动自行车正常、安全行驶。它重要由车架、前减震器、先后轮、座垫等构成。
.操纵制动某些
操纵制动某些作用是直接控制行车方向、行驶速度、制动等，以保证电动自行车行驶安全。它由车把、制动装置、调速手把等构成。
.电气仪表某些
电气仪表装置是保证车辆安全行驶并反映车辆运动状态重要装置，它使骑行者能对的、有效地对车辆行驶适时地进行控制。它由数据显示装置、充电器等构成[4]。

第二章 核心部件特性分析
2.1蓄电池特性分析
相对于燃油类能源而言，当前蓄电池能量密度较低，是限制和影响电动自行车性能重要因素，因而在电动自行车设计中恰当选取蓄电池显得十分重要。可以按照电动自行车一次充电所规定行程及克服行驶阻力所需做功来拟定蓄电池容量和功率级别。
蓄电池工作过程就是化学能与电能互相转换变化规律。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。这种充放电过程是可逆，可循环，这也是蓄电池一大特性—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
符号阐明

端电压Ud

Ud=U0-Id×Ri
U0为蓄电池开路电压
Ri为蓄电池内阻
Id为放电电流
输出功率Pd
Pd=Ud×Id

放电时间t

t=K×Id-n
K．n分别为与蓄电池型关于参数
放电效率
=1-（Ri×Id/Ud）

由表2-1中蓄电池放电效率和放电时间特性方程可知，由于内阻影响，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[11]。
2.2电机特性分析
2.2.1稀土永磁无刷直流电机基本构造和工作原理
稀土永磁无刷直流电动机基本构成涉及电动机本体、开关电路、位置传感器三某些。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定子和永磁转子构成。惯用有三种构造形式: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:转子外套上一种整体粘结稀土磁环环形永磁体。尚有一种外转子式构造，即带有稀土永磁极转子在外，嵌有绕组定子在里。电机运营时，外转子旋转。这种构造形式最合用于电动车辆驱动。

直流电源
开关电路
电动机
位置传感器

图2.1直流无刷电动机原理框
▪开关电路由逆变器VF和驱动电路构成。
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各种各样，但应用最广泛是三相星形六状态。驱动电路将控制电路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位置，向控制器提供位置信号一种装置。它由定、转子构成，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正转时互相位置关系
霍尔元件信号
导通绕组
导通管子
Uha Uhb /Uhc

/Uha Uhb /Uhc

/Uha Uhb Uhc

/Uha /Uhb Uhc

Uha /Uhb Uhc

Uha /Uhb Uhc

电角度薄片，与转子同轴安装，其产生磁场端面与霍尔元件气隙为lmm左右，传感器永磁体轴线与转子主磁极轴线垂直。
电机转一周时相应各相绕组导通顺序和功率开关管导通逻辑以及三个霍尔元件输出信号逻辑关系，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，定子磁状态就变化一次。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时间相称于转子转过120度电角度。每个开关管导通角为120度，故该逆变器为120度导通型。为便于直观，将电机正转时三相绕组与各开关管导通顺序关系见图2.3。

图2.3三相绕组与各开关管导询顶序关系
2.2.2无刷直流电机数学模型分析
由于稀土永磁无刷直流电动机气隙磁场、反电势以及电流是非正弦，因而采用直、交流坐标变换己不是有效分析法。而直接运用电动机自身相变量来建立数学模型办法即简朴又具备较好精确度[8]。
假设磁路不饱和，不计涡流和磁损耗，三相绕组完全对称，则三相绕组电压平衡方程可表达为:
(2-1)
式中—定子相绕组电压(V);
—定子相绕组电流(A);
—定子相绕组电动势((V);
—每相绕组自感((H);
—每相绕组间互感(H);
—微分算子。
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，因而定子绕组自感和互感为常数。
当三相绕组为Y连接，且没有中线，则有
(2-2)
并且 (2-3)
将式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1)，得到电压方程为
(2-4)
电磁转矩为 (2-5)
依照电压方程式(2-4)，可得电机等效电路图，如图2.4所示。

图2.4方波电动机等效电路图
2.2.3电机运营特性分析
电动机是一种输入电功率、输出机械功率原动机械。因而咱们最关怀是它转矩、转速，以及转矩和转速随电压、负载变化而变化规律。据此，电动机运营特性可分为:起动特性、电动运营特性、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:
(2-6)
中—电源电压(V);
—电枢绕组反电势((V);
一平均电枢电流(A);
—电枢绕组平均电阻(ω);
—功率器件饱和管压降(V)。
对于不同电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表达为:
(2-7)
式中—电动机转速(r/min);
—反电势系数(V/r/min)。
由方程式(2-6)、(2-7)可知
(2-8)
在转速不变时，转矩平衡方程式为:
（2-9）
式中—电磁转矩(N*m)
—输出转矩(N*m)
—摩擦转矩(N*m)
这里 (2-10)
—转矩系数((N·m/A)。
在转速变动状况下，则有
(2-11)
式中系数:
J—转动某些转动惯量(();
一转子机械角加速度()。
下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机各种运营特性[5]。
1.起动特性
由方程式((2-6)、(2-10)、(2-11)可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因而电枢电流(即起动电流)为
(2-12)
其值可为正常工作电枢电流几倍到十几倍。因此起动电磁转矩很大，电动机可以不久起动，并能带负载直接起动。随着转子加速，反电势E增长，电磁转矩减少，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。
2.电动运营特性
在电动运营状态下，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动运营等效电路图

由图2.5运营等效电路图可得，在电动运营时Vl管和V6管导通时通电回路回路电压方程如下:
(2-13)
式中一A，B相电势，电动运营时最大幅值E<Ud/2
—相电阻，RA=Ra=R;
—相电感，La =Lb =L ;
—两互相感，;
—蓄电池电压;
—相电流;
设，上式可改写为:
(2-14)
在电动运营时，换相前电路电流为零，换相后会。由于R很小可以忽视，故在电路接通后过渡过程结束前，I正向增长，电路工作在吸取电功率状态，吸取电功率P1为:
(2-15）
电机电磁功率Pem及电磁转矩Tem大小可以用下两式计算:
（2-16）
(2-17)
式中Ω—转子角速度。这时，电磁功率及电磁转矩是正，为电动性质，与Ω同向。对管和管进行脉宽调制，变化占空比，就可控制电流了平均值，从而控制平均转矩。
3.制动特性
制动运营方式可以有反接制动和回馈制动两种。
（1）反接制动
该办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，与车体动能一起通过电动机最后被转换为热能。蓄电池能量输出与制动过程关于。可见电动自行车动能通过运动阻力和电机做功，被完全转换成热能，而热能普通难以被系统回收运用，因此该制动过程是一种单方向能量消耗过程。
（2）回馈制动
本法不需要改接电源极性，且在电机转速低于额定空载转速时可实现电磁制动，同步向电源(蓄电池)回馈能量，从而可被系统再次运用。这一方案无疑提高了系统运营效率，可以延长车辆续行里程，该方案明显优于反接制动方案依照无刷直流电动机驱动原理，当对电机进行调速驱动时，施加在电机绕组上是与绕组感生电动势反向PWM斩波直流电压。当外加电压不不大于反电动势时，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PWM电压时，将使得流过电动机绕组电流与驱动时电流方向相反。这样电动机将产生与驱动时相反方向转矩，也就是制动转矩。制动电流值在理论上可以很大，其重要受控制器功率器件电流限制。
在制动过程中，为使电流持续，施加在绕组电感上电压平均值该不不大于零，即
（2-18）
其中驱动占空比
此时平均电流为 (2-19)
电源输入到电动机功率为
(2-20)
由此可见，当时，电源可以从电动机侧吸取制动能量。
由 (2-21)
又由当α=0时，可得，在时电源获得最大功率
能量回馈，另一方面，由平均电流方程式可知，α越大，则电动机制动电流即制动转矩越大。
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恒定期，电动机转速和电磁转矩之间关系。由方程式(2-6 )、(2-7)、(2-8)可知
(2-22)
(2-23)
式(2-23)等号右边第一项是常数(当不计△U变化和电枢反映影响时)。因此电磁转矩随着转速减小而线性增长。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，此时转速即为抱负空载转速。.事实上，由于电动机损耗中可变某些及电枢反映影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。又由于功率晶体管饱和管压降随着集电极电流变化而变化，在基极电流不变时。功率晶体管饱和压降和集电极电流之间成正比关系。因此，随着转速减小，电动机反电势也减小，电枢电流增长，DU增大，到一定值后来，增长较快。因此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，逆变器触发频率也会提高，同步反电势增长，电流减小，电磁转矩也减小。当电磁转矩和负载转矩平衡时，电机就维持在一种较高转速下运营。如果负载不变，提高外加直流电压，则转速升高，逆变器频率提高，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种较高转速下运营。由此可见，由于无刷直流电动机自同步性，其调速办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，变化电源电压，可以很容易地变化输出转矩(在同一转速下)或(在同一负载下)。因此在电子换向线路及其他控制线路保持不变状况下，无刷直流电动机调速性能较好，可以运用变化电源电压来实现平滑调速[17]。
依照所需系统运动特性，按表2- 3可拟定电机应当具备机械特性，同步还规定所选取或设计电机可以在有限电源电压下正常运营。

表2-3电动机基本工作参数及特性方程
电动机参数
定义
符号阐明

输出功率

P=F*V/m

m为机械传动效率，F为行驶阻率，V为行驶速度

转速n

n=(60/2л)*(iV/r)
i为电动机与车轮转速r为车轮半径
输出转矩T
T=P/n

第三章 基于单片机系统控制方略研究
3.1控制系统整体构成
在其他硬件条件相似状况下，控制系统决定着电动自行车性能，相称于系统神经中枢—发出控制命令及解决各种异常状况。它作用如下[6]:
1.使电动自行车操作灵活舒服;
2.提高电机和蓄电池效率，节约能源;
3.保护电机及蓄电池;
4.减少电动自行车在受到破坏时损伤限度;
5.保障使用者和她人人身安全。
本文设计电动自行车控制系统重要由如下几某些构成:以单片机为核心主控电路;以工R2131S为核心驱动电路;功率逆变电路;位置信号解决电路、电流信号解决电路以及某些外围辅助电路。控制电路重要功能是完毕电机起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池保护;驱动电路重要功能是运用工R2131S自举技术驱动功率MOSFET管控制电机电流;而外围辅助电路重要完毕信号采样、对电路供电、发出报警信号等功能。系统原理框图如图3.1所示。
报警信号

单
片
机
电源
保护电路
驱动电路IR2131S
电流信号解决电路
位置信号解决电路
BLDCM
整流稳压
功率逆变器
电池电压
转速给定

图3.1系统原理框图
直流电源通过MOSFET构成逆变桥向BLDCM供电，单片机在新采样周期到来时，先判断系统状态，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营状态。“软启动”电控方案解决了零状态起步耗电大问题，大幅度地提高了一次充电续行里程。常规换相运营是直接依照位置传感器传来信号进行换相控制，同步将电机速度反馈信号和手把给定速度信号相减，得出偏差，通过控制算法得出控制量。再把控制量以PWM形式输出给驱动电路，由驱动电路调节逆变器输出电压，就调节了电机电流大小，从而调节电磁转矩;当电磁转矩和负载转矩平衡时，系统速度便达到了给定。
3.2系统重要控制方略概述
3.2.1位置检测信号解决单元
在对无刷直流电机控制中，磁极位置测定直接决定了控制效果好坏。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方波电流才干正常运营[16]。
本系统采用霍尔元件式位置传感器来检测电机位置信号。该传感器是一种半导体器件，是运用霍尔效应制成。当霍尔元件按规定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，其输出端无信号。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1200电角度，永磁体极弧宽为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电角矩形波信号。这三路信号通过一定整形办法后被送到单片机数字I/0口，以拟定相位信息。霍尔元件式位置传感器构造简朴、体积小、价格低、工作可靠，但对工作温度有一定规定，同步霍尔元件应接近传感器永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。