电动自行车控制器设计Word文档下载推荐.docx
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“减少有害物质总排放560万吨”。
3.电动自行车产业潜在市场巨大
中国发展电动车具有独特的有利条件。
其中，一个非常重要的因素是市场。
中国人口众
多，具有世界最庞大的自行车市场。
目前自行车拥有量为4亿多辆，如把10%的自行车换成
电动自行车，就需4000万辆电动自行车，以每辆均价500元计算，就是60个亿，这是一个巨大的市场。
1999年5月国家质量技术监督局发布了《电动自行车通用技术条件》国家标准，为电动
自行车规模化生产提供了条件，经过2003、2004年连续两年的快速发展，中国电动自行车行
业呈现出一片欣欣向荣的景象。
2005年全行业电动自行车产销量在1200万辆左右，对比2004
年增长率在15%-20%左右，销售规模达到150亿元。
从全球市场上看日本雅马哈、本田、三
洋、松下等知名公司纷纷进入电动自行车行业且日益扩大生产规模；
德、英、奥、意、美等国著名的自行车厂商和公司在也纷纷加入。
可以说，电动自行车产业有着非常广阔的应用前
景。
1.2.1电动自行车的构成
电动自行车主要由四个部分组成：
车架、电源（蓄电池）、电机和控制器。
车架部分不作
讨论，其他部分介绍如下：
1•电源（蓄电池）
电源为电动自行车动力系统及控制系统提供能量。
蓄电池的电能容量、伏安特性、寿命
等质量因素对整个动力系统有非常大的影响阳1。
目前电动自行车用蓄电池基本是经济实惠
的铅酸电池。
大多数电动自行车采用48V12AH36V12AH铅酸电池，24V12AH勺电池由于续行
里程较短，选择得比较少。
环保效能更好的镍氢电池和锂电池则因为成本较高，导致配载这
两种电池的电动自行车售价偏高。
如果其成本有所下降，进而降低车的售价，那么以配载锂电池与镍氢电池为主的电动自行车将会大面积普及。
燃氢电池、纳米碳管蓄能高、寿命长、性能优良但成本高昂，随着科技的发展，它们将是未来电动自行车动力源的发展方向。
2.电机.
电气技术发展到今天，各种电机的生产控制技术已经相当成熟，电动自行车电机有多种
可以选择，但普遍选择的还是有刷直流电动机和无刷直流电动机（BLDCM*采用这两种电机
的原因在于它们的控制方法简单，整车成本相对低廉，控制性能可以满足自行车要求。
无刷
直流电动机控制稍复杂，但因没有电刷而在寿命、安全方面优于有刷直流电机。
电动自行车
电机的驱动方式有：
轮毂式驱动、中置式驱动和悬挂式驱动。
市场上电动自行车以轮毂驱动
为主，而轮毂驱动又以后轮驱动为好，前轮驱动性能相对较差。
绝大多数电动自行车采用的
是直流轮毂电机，它们为外转子式，这样定子可以固定在轴承上，非常适用于电动车的驱动。
3•控制器
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
下几个功能：
（1）对转子位置检测器输出的信号、PW调制信号、刹车信号等进行逻辑综合，为驱动电路提
供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转和停车控制。
（2）产生PW调制信号，使电机的电枢电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。
（3）对电机进行速度闭环和电流闭环调节，使系统具有较好的动、静态性能。
（4）实现短路、过流、欠电压等故障保护功能。
图1.1电动自行车控制系统图
图1.1为电动自行车控制系统图，图1.2为电机控制器的详细框图，主要包括电源电路、
控制电路、功率驱动电路以及检测反馈电路。
电源电路将蓄电池的提供电压经过转换，为控
制电路和功率驱动电路提供工作电压；
控制电路接受外部信号，
制算法；
功率驱动电路将控制电路输出的控制信号进行功率放大，电路采集电机运行的各种参数，供控制电路使用。
控制电机运行，同时实现控
驱动电机运行；
检测反馈
1.2.2无刷直流电动机的发展现状
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称“无
刷直流’’中就可以看出。
有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。
但是有机械接触的电刷一
换向器结构一直是直流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合
中的应用。
为了取代有刷直流电机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。
早在1917年,
Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
1955年，美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生。
图1.2控制器框图
无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步。
在无刷直流电动机发
展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁
材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时期内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用。
1970年以来，随着电力半导体工业
的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTRMOSFE、TIGBT）相继问世，加之高
磁能积永磁材料（SmCoNdFeB等）陆续出现，这些均为无刷直流电机广泛使用奠定了坚实的
基础，无刷直流电动机系统因而得到了迅速发展。
在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德
国的MANNESMAN正式推出了MA（无刷直流电机及其驱动器，弓I起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流电动机系统的热潮，这也标志着无刷直流电动机走向
实用阶段。
随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了
完善。
1986年H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机
的研究领域。
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。
1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备
博览会上，SIMEN罰BOSC两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，弓I起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。
经过多年的努力，目前，国内
已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。
对于正弦波的永磁同步电动机系
统，国内目前还没有系列产品生产厂家。
1.2.3当前国内外无刷直流电动机的研究动态
近年来，随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术的快速发展，无
刷直流电动机得到了越来越广泛的应用，范围涉及国民经济的各个领域，譬如家用电器、电
动汽车、航空航天等。
当前，无刷直流电动机的研究主要集中在以下几个方面：
（1）无机械式转子位置传感器控制。
转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件，
不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低了系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据
一定的空间位置。
在很多场合，例如空调器和计算机外设都要求无刷直流电机以无转子位置传感器方式运行。
无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压
和电流信息获得转子磁极的位置信息，目前比较成熟的无转子位置传感器运行控制方法有：
•反电动势法一包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等。
•定子三次谐波检测法。
•续流二极管电流通路检测法。
但现有方法都存在各自的局限性，仍在不断完善中。
（2）转矩脉动控制。
存在转矩脉动是无刷直流电机的固有缺点，特别是随着转速升高，
换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。
减少转矩脉动是提高无刷直流电机性能的重要方面。
（3）智能控制。
随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，智能控制理论得
到长足的发展和应用。
目前，专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。
其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟经验和规则有机的融入到传动控制策略中，现已成功地应用到许多方面。
随着无刷直流电机应用范围的扩大，智能控制技术将受到
更广泛的重视。
1.3电动自行车控制器的研究现状及难点
电动自行车控制器的主要形式有：
分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统、基于
专用集成电路的控制系统、以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统和全数字控制统。
模拟控制系统由于模拟电路中不可避免的存在参数漂移和参数不一致等问题，加上线路
复杂、调试不便等因素，使电机的可靠性和性能受到影响，在电动自行车控制器中已经不采
用了。
基于专用集成电路的控制系统采用无刷直流电动机专用集成电路如MC33033MC33035
ML4428为控制核心，克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小、可靠性高，但功能难以扩展，在早期的电动车控制器中较多采用。
数模混合控制系统和全数字控制系统采用数字电路、单片机以及数字信号处理器（DSP）构成
硬件系统，控制规律由硬件实现转向软件实现。
控制灵活、功能扩展方便且易实现较复杂的
控制算法。
目前的电动自行车控制器普遍采用这种控制系统。
当前，电动自行车控制器设计有待深入研究主要问题包括：
（1）转矩脉动问题。
随着电动自行车的深入使用，人们对电动自行车的爬坡能力（即输出
力矩）、启动噪声、骑行抖动等性能指标提出了更离要求。
这些指标与无刷直流电动机的转
矩脉动有直接关系，且无刷直流电动机与其他电动机相比，本身具有更大的转矩脉动。
针对
这一问题，人们从电动机本体和电动机控制系统两方面出发提出了多种转矩脉动控制方法。
随着电动机设计技术和电动机控制技术的不断发展，这方面的研究还会不断深入的进行下去。
（2）调速方法。
现在常用的控制方法是速度调节和电流调节均采用PI调节器的双闭环调
速方法，因为其算法简单和可靠性高，尤其适用于可以建立精确数学模型的确定性控制系统，因此得到了广泛的应用。
但由于电动自行车骑行路况的复杂性，不同的路况对电机电流和速
度的调节有不同的要求，且需要控制器在各种参数不同的电机都能可靠运行，因此传统的PI
调节器还不能完全满足其控制要求。
如何在这些情况下进行速度调节就要求研究和设计人员
投入更多的精力。
（3）控制器设计。
出于成本考虑，无刷直流电动机控制系统设计普遍采用单片机的数字控制。
以MC为核心的控制系统并不是一个纯硬件的控制电路，它还必须配合软件系统才能
控制无刷直流电动机正常工作。
这也为控制系统的设计带来更大的灵活性。
软件设计就必然
涉及到控制算法的研究和应用。
因此，研究先进的控制算法就成为设计无刷直流电动机控制
系统的一个重要方面。
而由于单片机本身资源的有限，在DSPh能实现的复杂控制算法要在
单片机上实现，还要进行精简。
所以研究已经较成熟的复杂控制算法在单片机上的应用也是一个重要的方面。
（4）电磁干扰。
电磁兼容在应用电子线路中已日益受到人们的重视。
无刷直流电动机是
一种电子电机，同样有抗干扰和防止对外界干扰的要求。
无刷直流电动机控制器是强、弱电
共存的电路，对于采用PW高频调制脉冲的控制器，高的调制频率很容易对控制器其他线路产生干扰，因此必须认真处理其间的电磁干扰和电磁兼容问题。
目前，对无刷直流电动机的
电磁干扰问题进行研究，已越来越受到重视。
第二章电动自行车控制器的系统分析与设计
2.1无刷直流电动机的基本结构与工作原理
2.1.1基本结构
无刷直流电动机的基本结构原理如图2.1所示。
图2.1无刷直流电动机结构原理图
它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。
电动机本体在结构上与
永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他启动装置。
其定子绕组一般制成多相（三相、
四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2P=2,4?
）组成。
图2.1中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中对应的功率开关器件联结，A相、B相、C相
绕组分别与功率开关管VI、V2、V3连接，位置传感器VPI、VP2VP3跟踪转子与电机转轴相联结，用来检测电动机转子的位置，其输出端与电子开关线路中对应的功率开关器件连接。
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线
路，从而使定子各绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。
由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。
因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永
磁同步电动机以及位置传感器三者组成的电动机系统。
其基本原理框图如图2.2所示。
图2.2基本原理框图
无刷直流电机的开关线路是用来控制电机定子上各相绕组通电的顺序和间，主要由功率
逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。
功率逻辑开关单元是控制电路的核
心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子上各绕组，以便使电
动机产生持续不断的转矩。
而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。
2.1.2工作原理
图2.3为无刷直流电动机系统图，以此说明无刷直流电动机的工作原理。
电机本体的电
枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后
产生驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各项绕
组按一定的顺序工作。
图2.3无刷直流电动机系统
当转子转至图2.4（a）所示位置时，控制电路根据所获得的转子位置信息，使VTI、VT4
导通，即A、B两相通电。
电枢绕组在空间产生的磁动势为Fa,与定子磁场产生的磁动势Fr
相互作用，使电机的转子顺时针转动。
当转子在空间转过60°
电角度，至U达图2.4（b）所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VTI、VT6导通，A
C两相绕组通电，电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2.4（b）所示，此时定转子磁场相互作
用，使电机的转子继续顺时针转动。
转予在空间每转过60°
电角度，逆变器开关就发生一次切换，其导通逻辑为VTI、VT4一VTI、VT6-VT3、VT6一VT3、VT厂VT5VT2一VT5、VT4-VTI、VT4。
在此过程中，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。
图2.4无刷直流电动机的工作原理示意图
在图2.4（a）到图2.4（b）的60°
电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成
磁场在空间保持图2.4（a）中Fa的位置静止；
只有当转子磁场连续旋转60°
电角度，到达图
2.4（b）所示的Fr位置时，定子磁场才从图2.4（a）的Fa位置跳跃到2.4（b）中的Fa位置。
可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式旋转磁场。
转子在空间没转过60°
电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跳跃。
可见，电动机有六种磁状态，每一次有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120°
电角度。
无刷直流电机的这种工作方式称为两相星形六状态。
2.2无刷直流电动机的转矩脉动
通常，转矩脉动可以定义为最大电磁转矩和最小电磁转矩之差与额定运行时的平均电磁转矩之间的比值，即
TmaqTmin
Tr100%（2.11）式中，T
Tn
为转矩脉动；
TmaX^最大电磁转矩；
Tmin为最小电磁转矩；
TN为额定运行时的平均转矩。
2.2.1转矩脉动的产生原因
理想的无刷直流电动机绕组反电动势是梯形波，不会有转矩脉动。
但是电机本体或是控
制系统的对理想情况的任何偏离都会产生转矩脉动。
转矩波动分为以下几类：
（1）电磁因素引起的转矩脉动。
电磁因素引起的转矩脉动是由于绕组电流和永磁场的相
互作用而产生的转矩脉动。
理想情况下，电枢采用集中绕组结构，电动势波形具有120°
电
角度的平顶，但实际往往做不到极弧系数为I,且常常采用分布绕组，因此会产生转矩脉动，
它与气隙磁通密度分布和绕组电流波形以及绕组形式有关。
（2）齿槽引起的转矩脉动。
由于定子齿槽的存在，转子旋转时定子磁阻随转子旋转角度变化而变化，因而会产生转矩的脉动。
（3）电枢反应引起的转矩脉动。
电枢反应改变了永磁体的方波气隙磁感应强度分布波形，使气隙磁场的前极尖部分被加强，后极尖部分被减弱。
该畸变的磁场与通电绕组相互作用，电磁转矩随转、定子相对位置的变化而产生了转矩脉动。
（4）机械加工引起的转矩脉动。
机械加工和材料的不一致也是引起转矩脉动的重要原因。
工艺误差造成摩擦转矩不均匀，绕组各相电气参数不对称，各永磁极性能不一致等。
（5）电流换相引起的转矩脉动。
由于换相时相绕组电流发生瞬变导致电动机的电磁功率
瞬变，进而产生了换相转矩波动。
换相转矩波动与相绕组旋转反电动势的波形、换相位置角、
换相时刻的相电流初值以及相绕组阻抗参数等因素有关。
其中，换相转矩脉动是引起转矩波动的主要原因。
2.2.2换相与转矩脉动
无刷直流电动机每经过一个磁状态，就需要进行一次换相，每一次换相都会对电磁转矩
产生一定影响。
下面以两相导通星形三相六状态为例，进行换相转矩脉动分析。
如图2.5无刷直流电动机等效电路所示，假定功率开关管从VTI、VT6导通变为VT3、VT6
导通，电路状态由AC两相绕组导通切换到B、C两相绕组导通。
换相时，VTI关断，由于A相电流不能突变，经VD2续流，形成A相一C相一VT6—VD2-A相的续流回路。
同时VT3,VT6导通，形成了电源一VT3-B相一C相一电源的回路。
1、换相过程中的相电流和转矩
为了简化分析，忽略电枢绕组的电阻，则换相过程中电路方程可变为
diadic
Lmea_（Lmec）=0
dtdt
dibdic
Lmeb—xLmec）=0
（2.12）
由于ia+ib+ic=0
dadb
+
dtdt
+
cbi
-=0
dt
（2.14）
把（2.13）和（2.14）代入（2.12），得
dia
dib
2LmLm
2Em=
dt
（2.15）
Lm2Lm
+2Em=
解上述方程组，并将结果代入（2.14），得换相过程个相电流的变化率为
diaUs2Em
dt3Lm
dib2（Us一Em）
（2.16）
dicUs「4Em
解上述微分方程组，各相电流的换相前的初始值和换相后的稳态值如图2.5所示，设换相开
始时刻即积分起始时刻为0时刻，换相时间为tf,A相绕组电流ia降为O,B相绕组电流ib从O上
升到稳态值I,C相为非换相绕组，换相前后的电流值均为I。
换相期间，各相电流的瞬时值
为
图2.5换相期间三相电流示意图
2.电机转速对换相的影响
根据不同转速，换相存在三种情况，如图2.6所示。
可见，换相期间的电磁转矩与非换相绕组的电流成正比。
其计算
非换相时的电磁转矩由两相绕组的合成磁动势与转子永磁磁动势相互作用产生,公式为:
（2.26）
2.2.3换相转矩脉动的抑制方法
抑制换相引起的转矩脉动的方法有：
电流反馈法、滞环电流法、重叠换相法、PW斩波
1.电流反馈法
非换相相电流的存在导致换相转矩脉动，很多文献通过各种方法致力于使非换相相电流
保持恒定，从而使转矩脉动为零。
一般来说，电流反馈控制可以分为两种形式：
一种是直流侧电流反馈控制，另一种是交
流侧电流反馈控制。
直流侧电流反馈控制的电流反馈信号由直流侧取出，主要控制电流幅值。
由于直流侧电流反馈控制是根据流过直流电源的电流信号进行的，因此只需要一个电流传感
器便可得到电流反馈信号。
交流侧电流反馈控制的电流反馈信号由交流侧取出，此时，根据
转子的位置来确定要控制的相电流，使其跟随给定。
在换相过程中，当非换相电流未到达给
定值时，PW控制不起作用；
当非换相电流超过设定值时，PW控制开始起作用，关断所有开
关器件，使电
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