基于单片机的电动车速度控制系统研究.docx

目录

摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景及发展状况 1
1.1.1能源与环境问题 1
1.1.2电机控制技术的发展 2
1.1.3功率半导体器件与驱动电路的发展 2
1.1.4电机控制器的发展 3
1.1.5电机控制理论的发展 3
1.2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 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的基本结构和工作原理 6
2.2.2无刷直流电机的数学模型分析 9
2.2.3电机的运行特性分析 11
2.2.4机械特性和调速特性分析 15
第三章 基于单片机的系统控制策略研究 17
3.1控制系统的整体构成 17
3.2系统主要控制策略概述 18
3.2.1位置检测信号处理单元 18
3.2.2电流检测信号处理单元 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核心控制器件的选择 27
3.3.1单片机概述 27
3.3.2 Atmega8特性介绍 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的设计 36
4.4 PWM波的控制单元 37
4.4.1PWM信号的产生 37
4.4.2 PWM波的输出控制 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主程序的设计 42
5.2各功能模块的设计思想 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软件的可靠性设计 49
5.3.1采用模块化程序设计方法 49
5.3.2合理安排中断 49
5.3.3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 53

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。其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—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;
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

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54.9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CO、H2S、NO2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。这是一个极其巨大的市场，尤其在人口居各大洲首位的亚洲[2]。
1.1.2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，使得高频应用成为可能。在中小功率的电动机中功率变换器多由MOSFET或IGBT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PWM调制信号，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，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[2]。
1.1.5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—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Ud

Ud=U0-Id×Ri
U0为蓄电池的开路电压
Ri为蓄电池的内阻
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分别为与蓄电池型有关的参数
放电效率
=1-（Ri×Id/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[11]。
2.2电机特性分析
2.2.1稀土永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理
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。

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
Uha Uhb /Uhc

/Uha Uhb /Uhc

/Uha Uhb Uhc

/Uha /Uhb Uhc

Uha /Uhb Uhc

Uha /Uhb Uhc

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[8]。
假设磁路不饱和，不计涡流和磁损耗，三相绕组完全对称，则三相绕组的电压平衡方程可表示为:
(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);
—每相绕组的自感((H);
—每相绕组间的互感(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，因而定子绕组的自感和互感为常数。
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)
根据电压方程式(2-4)，可得电机的等效电路图，如图2.4所示。

图2.4方波电动机的等效电路图
2.2.3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:
(2-6)
中—电源电压(V);
—电枢绕组反电势((V);
一平均电枢电流(A);
—电枢绕组的平均电阻(ω);
—功率器件的饱和管压降(V)。
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:
(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)。
在转速变动情况下，则有
(2-11)
式中系数:
J—转动部分的转动惯量(();
一转子的机械角加速度()。
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，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电流(即起动电流)为
(2-12)
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

由图2.5的运行等效电路图可得，在电动运行时Vl管和V6管导通时通电回路的回路电压方程如下:
(2-13)
式中一A, B相电势，电动运行时最大幅值E<Ud/2
—相电阻，RA=Ra=R;
—相电感，La =Lb =L ;
—两相互感，;
—蓄电池电压;
—相电流;
设，上式可改写为:
(2-14)
在电动运行时，换相前电路电流为零，换相后会。由于R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:
(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的，为电动性质，与Ω同向。对管和管进行脉宽调制，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PWM斩波直流电压。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PWM电压时，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，施加在绕组电感上的电压平均值该大于零，即
（2-18）
其中驱动的占空比
此时平均电流为 (2-19)
电源输入到电动机的功率为
(2-20)
由此可见，当时，电源可以从电动机侧吸收制动能量。
由 (2-21)
又由当α=0时，可得，在时电源获得最大功率
的能量回馈，另一方面，由平均电流方程式可知，α越大，则电动机的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时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。由方程式(2-6 )、(2-7)、(2-8)可知
(2-22)
(2-23)
式(2-23)等号右边的第一项是常数(当不计△U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，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)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。

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/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为电动机与车轮的转速r为车轮半径
输出转矩T
T=P/n

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行车的性能，相当于系统的神经中枢—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管控制电机电流;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。
报警信号

单
片
机
电源
保护电路
驱动电路IR2131S
电流信号处理电路
位置信号处理电路
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构成的逆变桥向BLDCM供电，单片机在新的采样周期到来时，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的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