文中，著重介紹了電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的基本組成和工作原理。包括無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理并推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型、電動(dòng)自行車控制器的各項(xiàng)功能及工作原理、調(diào)速轉(zhuǎn)把和制動(dòng)轉(zhuǎn)把的工作原理以及信號(hào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的工作原理。整體上對(duì)電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)進(jìn)行概括，為以后控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)可以視為以控制器為核心，包括轉(zhuǎn)把、剎把、儀表以及相關(guān)的傳感器、開關(guān)按鈕等器件的集成。其中，控制器決定了電動(dòng)車的操控性能，因此控制器功能的提高、完善及合理發(fā)揮對(duì)于電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)來說尤為重要[10]。

電動(dòng)自行車控制器的主要形式有：分立元件加少量集成電路構(gòu)成的模擬控制、基于專用集成電路的控制系統(tǒng)、以微型計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的數(shù)�；旌峡刂葡到y(tǒng)和全數(shù)字控制系統(tǒng)[11~12]。

模擬控制系統(tǒng)由于模擬電路中不可避免的存在參數(shù)漂移和參數(shù)不一致等問題，加上線路復(fù)雜、調(diào)試不便等因素，使電機(jī)的可靠性和性能受到影響，在電動(dòng)自行車控制器中己經(jīng)不采用了。

基于專用集成電路的控制系統(tǒng)采用無刷直流電動(dòng)機(jī)專用集成電路如MC33033、MC33035、ML4428為控制核心，克服了分立元件帶來的弊端，使控制電路體積小、可靠性高，但功能難以擴(kuò)展，在早期的電動(dòng)車控制器中應(yīng)用較多。

數(shù)模混合控制系統(tǒng)和全數(shù)字控制系統(tǒng)采用數(shù)字電路、單片機(jī)以及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）構(gòu)成硬件系統(tǒng)，控制規(guī)律由硬件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向軟件實(shí)現(xiàn)�？刂旗`活、功能擴(kuò)展方便且易實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。目前的電動(dòng)自行車控制器普遍采用這種控制系統(tǒng)[13]。

1）研究難點(diǎn)

a.電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)優(yōu)化控制。120°六步換相控制時(shí)容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，影響無刷直流電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，增加噪聲并降低效率。通常可通過調(diào)整PWM載波方式和重疊換相來抑制電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。目前，為了減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，BLDC電機(jī)的控制方法的研究正在從傳統(tǒng)的120°控制方法到180°的控制方法轉(zhuǎn)換。

b.增加電機(jī)力矩。自行車在起動(dòng)和爬坡時(shí)，要求電機(jī)及控制器有充分的過載能力，以提供足夠的起動(dòng)和爬坡力矩。通常，通過增加電流閉環(huán)控制可獲得更大的起動(dòng)力矩和響應(yīng)速度�，F(xiàn)狀正在研究通過對(duì)電機(jī)的弱磁控制來增加電機(jī)的力矩。

c.能量再生控制及輔助電子剎車。續(xù)程性能一直是制約電動(dòng)車發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，提高續(xù)程的方法除了改進(jìn)蓄電技術(shù)以及驅(qū)動(dòng)策略外，還有就是剎車時(shí)采用先進(jìn)的能量回收控制。目前已有的電動(dòng)自行車能量回收方案基本上是基于電動(dòng)汽車的能量回收控制理論，但大多數(shù)控制器并沒有充分進(jìn)行能量回收控制，只是作為ABS輔助剎車時(shí)的一個(gè)附加功能。

d.無位置傳感器的BLDC控制。位置傳感器的存在增加了電機(jī)的體積和成本，同時(shí)給電動(dòng)自行車增加了一個(gè)故障源。統(tǒng)計(jì)表明，多數(shù)電動(dòng)自行車的電機(jī)損壞實(shí)際上是由于位置傳感器失效造成的。針對(duì)位置傳感器的不利因素，人們對(duì)無位置傳感器的BLDC控制技術(shù)進(jìn)行了很多的研究，并在空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)等不同設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。但在電動(dòng)自行車中，由于無位置傳感器控制技術(shù)無法解決平穩(wěn)啟動(dòng)的問題，因此難以得到最終客戶的認(rèn)可，而一直沒有得到廣泛的使用。所以，該技術(shù)目前的瓶頸是如何解決平穩(wěn)啟動(dòng)。

2）發(fā)展趨勢(shì)

廉價(jià)化。對(duì)于現(xiàn)有的成熟設(shè)計(jì)，追求更低的成本。通過選用更低價(jià)錢的元器件以及MCU，相應(yīng)地，MCU廠商會(huì)配合推出更新工藝的廉價(jià)兼容型號(hào)來降低控制器的成本。

智能化。智能化越來越成為電動(dòng)自行車控制器的發(fā)展趨勢(shì)。MCU必須具有自檢、自維護(hù)能力，確保動(dòng)作的“萬無一失”。另外，防盜報(bào)警功能，電源自動(dòng)識(shí)別功能，自動(dòng)識(shí)別電機(jī)、智能鎖功能等人性化設(shè)計(jì)都是技術(shù)上的發(fā)展方向。

集成化。集成化可以實(shí)現(xiàn)體積小、效率高、返修率低，因此是品牌廠家的首選。目前市場(chǎng)上普遍使用的控制器方案設(shè)計(jì)陳舊，外部分立元件多，任何一個(gè)元件失效都會(huì)影響到電控器質(zhì)量。因此高度集中化是未來的發(fā)展方向。

定制化。由于電動(dòng)自行車市場(chǎng)的龐大，為了進(jìn)一步降低成本，一些公司開始專門為電動(dòng)自行車業(yè)定制芯片。同時(shí)對(duì)于電動(dòng)自行車控制器的設(shè)計(jì)部門來說，根據(jù)客戶需求開發(fā)相應(yīng)功能的控制器也是未來的發(fā)展方向[14]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以24V，3相6極無刷直流電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，研究的目的是開發(fā)出一款可供電動(dòng)自行車領(lǐng)域的無刷直流電機(jī)無位置傳感控制系統(tǒng)參考的控制器。

本論文首先詳細(xì)介紹了本課題研究背景及意義、電動(dòng)自行車的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和電動(dòng)自行車控制器的研究難題及未來發(fā)展趨勢(shì)。接著介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及數(shù)學(xué)模型。然后介紹了電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分并對(duì)各部分工作原理進(jìn)行分析。介紹了無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，使用硬件電路的方法去檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。最后對(duì)電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)軟硬件部分進(jìn)行分模塊研究與分析，給出了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)框圖及各模塊的具體電路原理圖和軟件控制程序流程圖。

無刷直流電機(jī)是隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電機(jī)，它是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中重要的運(yùn)動(dòng)部件。無刷直流電機(jī)以法拉第的電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，而又以新興的電力電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和各種物理原理為后盾，具有很強(qiáng)的生命力。

無刷直流電機(jī)最大特點(diǎn)是沒有換向器（曾稱整流子）和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)。因此，無刷直流電機(jī)沒有換向火花，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便。此外，其轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如采用磁懸浮軸承或空氣軸承等，可實(shí)現(xiàn)每分鐘幾萬到幾十萬轉(zhuǎn)的超高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

由于無刷直流電機(jī)具有上述一系列有點(diǎn)，因此，它的用途比有刷直流電機(jī)更加廣泛，尤其適用于航空航天、電子設(shè)備、采礦、化工等特殊工業(yè)部門[47]。

一個(gè)多世紀(jì)以來，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。電動(dòng)機(jī)主要類型有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)（感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）與直流電動(dòng)機(jī)三種，其容量小到幾瓦，大到上萬千瓦。眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)具有控制簡(jiǎn)便和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷，以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在機(jī)械摩擦，由此帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍[15]。

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們的生活水平的普遍提高，需要不斷地開發(fā)各種新型電動(dòng)機(jī)�？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，更促進(jìn)了電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的不斷推陳出新。針對(duì)上述傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在20世紀(jì)30年代，就有人開始研制以電子換向來代替電刷機(jī)械換向的無刷直流電動(dòng)機(jī)，并取得了一定成果[16]。但由于當(dāng)時(shí)大功率電力電子器件僅處于發(fā)展的初級(jí)階段，沒能找到理想的電子換向的元器件，這就使得這種電動(dòng)機(jī)只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，無法推廣使用。1955年,美國(guó)人D·哈利森等人首次申請(qǐng)了應(yīng)用晶體管換向代替電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向器換向的專利，這就是現(xiàn)代無刷直流電動(dòng)機(jī)的雛形[16]。但由于該電動(dòng)機(jī)尚無啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而不能產(chǎn)品化。而后，又經(jīng)過人們多年努力，借助于霍爾元件來實(shí)現(xiàn)幻想的無刷直流電動(dòng)機(jī)終于在1962年問世，從而開創(chuàng)了無刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品化的新紀(jì)元[16]。20世紀(jì)70年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能大功率電力電子器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相繼出現(xiàn)，以及高性能永磁材料，如釤鈷、釹鐵硼等的問世，均為無刷直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

典型的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器、主回路逆變器和控制邏輯單元構(gòu)成，其中電機(jī)本體與轉(zhuǎn)子位置傳感器往往做成一體，而在本文中主回路逆變器被稱作驅(qū)動(dòng)電路，而控制邏輯單元?jiǎng)t稱作控制電路。

當(dāng)前無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路采用的功率器件主要是IGBT、MOSFET等全控型器件[15]。

根據(jù)獲取轉(zhuǎn)子位置的不同方式，無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分為兩大類：有位置傳感器的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和無位置傳感器的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。前者指電機(jī)上安裝特殊的裝置，直接獲取轉(zhuǎn)子位置信息的調(diào)速系統(tǒng)；后者指由系統(tǒng)變量間接確定轉(zhuǎn)子位置的調(diào)速系統(tǒng)。無位置傳感器的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是無刷直流電機(jī)控制領(lǐng)域的一大研究方向[15]。

無刷直流電機(jī)本體有多種分類方式。根據(jù)定子相數(shù)的不同，可分為三相或多相無刷直流電機(jī)，其中以三相電機(jī)應(yīng)用最為普遍；根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)；根據(jù)電機(jī)磁場(chǎng)方向的不同，可分為徑向磁場(chǎng)或軸向磁場(chǎng)（盤式）無刷直流電機(jī)等[1]。

由于無刷直流電動(dòng)機(jī)既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故而在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用日益普及。如計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器和軟盤驅(qū)動(dòng)器里的主軸電動(dòng)機(jī)、DVD機(jī)中的伺服電動(dòng)機(jī)，均數(shù)以百萬計(jì)地運(yùn)用無刷直流電動(dòng)機(jī)[16]。

無刷直流電動(dòng)機(jī)的主要組成部分有電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器與電子開關(guān)等3部分，如圖2.1所示。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒有籠形繞組和其他起動(dòng)裝置。定子繞組一般制成多相（三、四、五相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鐵按一定的極對(duì)數(shù)（2p = 2，4，…）組成，電子開關(guān)一般是由功率電子器件和它的控制電路以及轉(zhuǎn)子位置傳感器等組成。圖1所示的電動(dòng)機(jī)本體為2極三相。定子A、B、C相繞組分別與電力開關(guān)元件V1、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相鏈接。

圖2.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成原理圖

定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鐵的磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)變換成電信號(hào)，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)�，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的順序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。

因此，所謂的無刷直流電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開關(guān)線路、永磁同步電動(dòng)機(jī)本體以及轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器三者共同組成的“電子電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。其原理框圖如圖2.2所示。

圖2.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理框圖

無刷直流電動(dòng)機(jī)中的電子開關(guān)線路是用來控制電動(dòng)機(jī)定子各相繞組的通電順序和時(shí)間的，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩部分組成。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子的各相繞組，以使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組的導(dǎo)通順序和時(shí)間主要取決于來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)。但位置傳感器產(chǎn)生的信號(hào)要經(jīng)過一定的邏輯處理后去控制功率開關(guān)。綜上所述，組成無刷直流電動(dòng)機(jī)的主要部件如圖2.3所示[17]。

圖2.3 無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成框圖

直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)歷來都是電樞為轉(zhuǎn)子，磁鐵為定子，在氣隙中產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，其電樞通電后產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。由于電刷的換向作用，在直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向始終保持垂直，從而產(chǎn)生最大電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，由于這兩個(gè)磁場(chǎng)間互為正交，理論上沒有耦合作用，可以獨(dú)立對(duì)電樞電流進(jìn)行控制來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，這是十分方便的。

在無刷直流電動(dòng)機(jī)的情況下，為了實(shí)現(xiàn)無刷換向，首先要做的是把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組安放在定子上，把永久磁鐵安放在轉(zhuǎn)子上，這恰好與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)相反。但是僅僅這樣做還是不行的，因?yàn)橛靡话愕闹绷麟娫唇o定子上的各相繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，它不能與運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的永久磁場(chǎng)相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，無刷直流電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成的電機(jī)本體之外，還要有位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同組成的換相裝置，使得無刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和在轉(zhuǎn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鐵所產(chǎn)生的永久磁場(chǎng)，在空間始終保持在90°左右的電角度[17]。

一般的永磁式直流電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中建立磁場(chǎng)，其電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，由于電力電子逆變器供給電樞繞組的電流并不是正弦波，而是120°的方波，因而三相合成磁動(dòng)勢(shì)不是恒速旋轉(zhuǎn)的，而是跳躍式的步進(jìn)磁動(dòng)勢(shì)，它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動(dòng)分量[18]。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的過程中始終保持一定的角度，從而產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，與直流有刷電動(dòng)機(jī)不同，無刷直流電動(dòng)機(jī)的電樞轉(zhuǎn)一圈，定子繞組只換相6次，每個(gè)極換相三次，相當(dāng)于只有三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī)。

電子換向逆變器主電路如圖2.4所示，從AA’，BB’，CC’代表無刷直流電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組，采用Y型連結(jié)，逆變器為兩兩通電方式，120°導(dǎo)電型。首先假設(shè)轉(zhuǎn)子處于圖2.5（a）的位置，若此時(shí)使V3，V4導(dǎo)通，則電流從B端流入，A端流出，定子磁動(dòng)勢(shì)為Fa，如圖2.5所示，在Fa的作用下，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到圖2.5（b）的位置時(shí)，如果使V4，V5導(dǎo)通，則電流由C端流入，A端流出，定子磁動(dòng)勢(shì)為Fb，在Fb的作用下，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，依次類推，如果每隔60個(gè)電角度順序使V5和V6，V1和V6，V1和V2，V3和V2兩兩導(dǎo)通，即可使定子磁動(dòng)勢(shì)分別如圖2.5（c）、圖2.5（d）、圖2.5（e）圖2.5（f）所示，從而形成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，在這個(gè)磁動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，如果讓開關(guān)管反復(fù)按上述規(guī)律導(dǎo)通，即可使轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，且定子磁動(dòng)勢(shì)總是超前于轉(zhuǎn)子磁極軸線角度60°-120°之間。其各相繞組導(dǎo)通示意圖如圖2.6所示。

圖2.4 逆變器主電路

圖2.5 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理圖

圖2.6 各相繞組導(dǎo)通示意圖

由上述的分析可見，要使無刷直流電動(dòng)機(jī)正確的換相運(yùn)行，必須知道圖2.5所示的六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置，六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置即對(duì)應(yīng)著無刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)后的30個(gè)電角度處。如果是有位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)，則可以通過傳感器來直接獲得轉(zhuǎn)子的六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置的信息。目前在無刷直流電動(dòng)機(jī)中常用的位置傳感器主要有以下幾種：①霍爾效應(yīng)的磁敏式開關(guān)元件；②發(fā)光二極管和光敏晶體管的光電變換開關(guān)元件；③電磁感應(yīng)式位置傳感元件。[17]如果是無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)，則需要通過其他方法，例如利用無刷直流電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組的反電勢(shì)，直接或間接的獲得轉(zhuǎn)子位置信息[19]。

有位置傳感器的無刷直流電機(jī)的電流換向主要是通過位置傳感器測(cè)得轉(zhuǎn)子位置，確定功率開關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)閉，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.7所示，位置傳感器是由六只光電器件P1，P1’，P2，P2’，P3，P3’組成，位置各相差60°，均勻分布在電機(jī)的一端，借助安裝在電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板或稱截光器的作用，使得從光源依次照射在各個(gè)光電器上，并依照某光電器是否被照射到光線來判斷轉(zhuǎn)子的位置。當(dāng)某光電器被光照射到時(shí)，它所連接的功率開關(guān)器件就導(dǎo)通，當(dāng)某光電器沒有被光照射到時(shí)，它所連接的功率開關(guān)器件就關(guān)閉。

如圖2.7中旋轉(zhuǎn)遮光板所在位置，光電器P2，P1被光照射到，它所連接的V3，V4導(dǎo)通，其所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置和繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)Fa如圖2.5（a）所示；當(dāng)電機(jī)按順時(shí)針方向運(yùn)轉(zhuǎn)，光電器依次是P1’，P3，P3，P2’，P2’，P1，P1，P3’，P2被光照射到使得它們所對(duì)應(yīng)連接的功率開關(guān)器件V4，V5，V5，V6，V6，V1，V1，V2，V2，V3依次導(dǎo)通，其所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置和繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)Fa分別如圖2.5（b），圖2.5（c），圖2.5（d），圖2.5（e），圖2.5（f），所示，從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的換向。

圖2.7 有位置傳感器無刷電機(jī)的原理圖

有位置傳感器的無刷直流電機(jī)的換向主要靠位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，確定功率開關(guān)器件的導(dǎo)通順序來實(shí)現(xiàn)的，由于安裝位置傳感器增大了電機(jī)的體積，同時(shí)安裝位置傳感器的位置精度要求比較高，帶來安裝的難度因此人們?cè)谘芯窟^程中發(fā)現(xiàn)，可利用電子線路替代位置傳感器檢測(cè)電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的反電勢(shì)來確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，實(shí)現(xiàn)換向。從而出現(xiàn)了無位置傳感器的無刷直流電機(jī)，其原理框圖如圖2.8所示。

由圖2.5無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理圖可知，當(dāng)電機(jī)在運(yùn)行過程中，總有一相繞組沒有導(dǎo)通，此時(shí)可以在該相繞組的端口檢測(cè)到該繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)，該反電勢(shì)在60°的電角度是連續(xù)的，由于電機(jī)的規(guī)格、制造工藝的差異，導(dǎo)致相同電角度的反電勢(shì)值是不同，若要通過檢測(cè)反電勢(shì)的數(shù)值來確定轉(zhuǎn)子的位置，難度極大，因此必須找到該反電勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，就能確定轉(zhuǎn)子的位置。從圖2.9中可以看出，反電勢(shì)在的電角度過程中總有一次經(jīng)過坐標(biāo)軸（過零點(diǎn)），而此點(diǎn)的電角度和下一次換向點(diǎn)的電角度正好相差30°，故可以通過檢測(cè)反電勢(shì)過零點(diǎn)，再延時(shí)30個(gè)電角度換向。

以圖2.5為例，假設(shè)轉(zhuǎn)子在圖2.5（a）所示的位置為0°電角度，V3，V4導(dǎo)通，A-A’相、B-B’相有外加電壓，C-C’相的產(chǎn)生的反電勢(shì)如圖2.9所示；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)30個(gè)電角度后和磁動(dòng)勢(shì)Fa相垂直，C-C’相產(chǎn)生的反電勢(shì)正好過零點(diǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)30個(gè)電角度時(shí)（即檢測(cè)到反電勢(shì)過零點(diǎn)再延時(shí)30個(gè)電角度），到圖2.5（b）所示的位置，此時(shí)使V4，V5導(dǎo)通，V3關(guān)閉，讓A-A’相、C-C’相有外加電壓，B-B’相沒有外加電壓，可以檢測(cè)B-B’相產(chǎn)生的反電勢(shì)過過零點(diǎn)再延時(shí)30個(gè)電角度，讓V5，V6導(dǎo)通，V4關(guān)閉，依此類推，可以實(shí)現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電機(jī)的換向。

圖2.8 無位置傳感器的無刷直流電機(jī)原理框圖

圖2.9 電機(jī)運(yùn)行時(shí)各相產(chǎn)生的反電勢(shì)示意圖

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

無刷直流電機(jī)在靜止或低速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)為零或很小，很難用來判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的位置，因此必須利用其它方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位和起動(dòng)控制。

1) 三段式起動(dòng)方法 最常用的起動(dòng)方法是“三段式”起動(dòng)方法 [20~23]，它分為“轉(zhuǎn)子定位”、“他控同步加速運(yùn)行”、“自控同步運(yùn)行”三個(gè)階段。這種方法的關(guān)鍵在于“他控同步”階段到“自控同步”階段的切換，這關(guān)系到無刷直流電機(jī)起動(dòng)的成敗。針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)[24~25]提出了“自尋最佳點(diǎn)切換法”。三段式起動(dòng)過程的成功實(shí)現(xiàn)，受電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、外施電壓、加速曲線及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等諸多因素影響，具體表現(xiàn)為：在輕載、小慣量負(fù)載條件下，三段式起動(dòng)過程一般能成功實(shí)現(xiàn)，但在切換階段往往運(yùn)行不平穩(wěn)；當(dāng)電機(jī)重載運(yùn)行時(shí)，切換階段往往會(huì)發(fā)生失步而導(dǎo)致起動(dòng)失敗；當(dāng)“反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)”與外同步信號(hào)相位差過大時(shí)，三段式起動(dòng)可導(dǎo)致電機(jī)失步，即使能避免失步，也必然導(dǎo)致切換時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩較小，易受干擾；通過優(yōu)化加速曲線，三段式起動(dòng)能保證電機(jī)順利起動(dòng)，但是對(duì)不同電機(jī)、不同負(fù)載，所對(duì)應(yīng)的優(yōu)化加速曲線不一樣，這樣導(dǎo)致通用性不強(qiáng)，控制過程也比較繁瑣，涉及到的數(shù)據(jù)多，實(shí)現(xiàn)起來很不方便。

2) 預(yù)定位起動(dòng)法 預(yù)定位起動(dòng)方法也分為“轉(zhuǎn)子定位”、“他控同步加速運(yùn)行”、“自控同步運(yùn)行”三個(gè)階段。在起動(dòng)階段，按照所需的轉(zhuǎn)向依次改變逆變器功率器件的觸發(fā)組合狀態(tài)，同時(shí)用“端電壓法”檢測(cè)各觸發(fā)組合狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的開路相的反電勢(shì)過零點(diǎn)，并通過提高PWM占空比逐漸提高電機(jī)的外施電壓。各觸發(fā)組合狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間最大值保持不變，設(shè)為T0，與自控式狀態(tài)一樣，用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，換流時(shí)刻固定在T0/ 2 處。換流后對(duì)開路相的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，只要檢測(cè)到開路相的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，計(jì)數(shù)器就重新復(fù)位，到T0/ 2 后再換流，這樣依次進(jìn)行，最后，如果連續(xù)N次檢測(cè)到開路相的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，就切換到自控式狀態(tài)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：繞組中具有時(shí)序固定不變的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，從而可以保證電機(jī)有一個(gè)確定的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正確起動(dòng)，并且起動(dòng)可靠，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便，對(duì)于任意轉(zhuǎn)子初始位置角，電機(jī)都能可靠實(shí)現(xiàn)預(yù)定位，保證電機(jī)從零速度起動(dòng)并快速切換到無傳感器閉環(huán)方式運(yùn)行。缺點(diǎn)是：調(diào)試中T0和PWM的占空比的選擇，以及對(duì)加速過程中占空比的變化速度的控制比較復(fù)雜，另外對(duì)切換時(shí)間要求較嚴(yán)，當(dāng)電機(jī)慣量不同或帶一定負(fù)載起動(dòng)時(shí)切換時(shí)間需要調(diào)整，否則可能造成起動(dòng)失敗或電機(jī)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因此一般適用于電機(jī)空載起動(dòng)[23]。

3) 脈沖檢測(cè)起動(dòng)法 這是一種采用檢測(cè)脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位的起動(dòng)方法。盡管它也分為轉(zhuǎn)子定位、加速與切換三個(gè)過程，但定位與加速階段與三段式起動(dòng)的方法是不同。轉(zhuǎn)子定位時(shí)給電機(jī)的定子繞組按一定的規(guī)則施加6個(gè)短時(shí)檢測(cè)脈沖，然后成對(duì)比較相應(yīng)的脈沖電流峰值，通過檢查預(yù)先定義的轉(zhuǎn)子位置代碼表，得出轉(zhuǎn)子位置及隨后加速時(shí)將要通電的相序。加速過程中，每次當(dāng)加速脈沖結(jié)束后，再一次發(fā)出6個(gè)檢測(cè)脈沖確定轉(zhuǎn)子的位置，然后再確定將要通電的相序，不斷重復(fù)檢測(cè)—加速—檢測(cè)—加速的過程，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速高到可以用反電動(dòng)勢(shì)法確定轉(zhuǎn)子的位置時(shí)為止。這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子定位時(shí)能保證在起動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩，加速時(shí)控制簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是這種起動(dòng)方法是建立在鐵心電感磁飽和基礎(chǔ)之上的，如果無刷直流電機(jī)的定子繞組不是鐵心線圈，比如是空心線圈或電機(jī)轉(zhuǎn)子本身是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱狀永磁體，則該方法的可靠性將降低。因?yàn)槭褂眠@種方法很難準(zhǔn)確地區(qū)分出6個(gè)電流脈沖峰值的大小，從而無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的定位，也無從實(shí)現(xiàn)電機(jī)的可靠起動(dòng)[23~26]。

4) 外部硬件電路起動(dòng)方法 文獻(xiàn)[27]提出了一種硬件電路起動(dòng)的方法，這是一種升頻升壓的起動(dòng)方式。起動(dòng)時(shí)也能獲得預(yù)定的起動(dòng)效果，但附加的外部起動(dòng)電路加大了電機(jī)的尺寸，對(duì)于較多應(yīng)用于微型電機(jī)中的無刷直流電機(jī)是個(gè)不小的障礙。

無位置傳感器的無刷直流電機(jī)的位置估計(jì)方法可以從5個(gè)方面來論述：反電動(dòng)勢(shì)法、電流法、狀態(tài)觀測(cè)器法、人工智能法和磁鏈法。前3種方法的研究相對(duì)比較成熟，且都已得到一定程度的應(yīng)用，而用人工智能方法和磁鏈函數(shù)法獲得轉(zhuǎn)子位置的研究則剛剛處于起步階段[28]。

1) 反電動(dòng)勢(shì)法 檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)或利用反電動(dòng)勢(shì)直接檢測(cè)換相點(diǎn)的方法是最常用的位置檢測(cè)方法。其實(shí)現(xiàn)拓?fù)潆娐范嗖捎谩岸穗妷悍ā焙汀跋嚯妷悍ā�，即在一定的調(diào)制方式下利用無刷直流電機(jī)的端電壓或相電壓檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)或換相點(diǎn)來實(shí)施換相控制。反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)方法又分為直接反電動(dòng)勢(shì)法、反電動(dòng)勢(shì)積分法和定子三次諧波法等幾種。直接反電動(dòng)勢(shì)法是通過測(cè)量三相繞組的端點(diǎn)電位及與中性點(diǎn)間的電壓來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)某端點(diǎn)電位與中性點(diǎn)電位相等時(shí)，則認(rèn)為此刻該相反電動(dòng)勢(shì)過零，再延時(shí)30個(gè)電角度去觸發(fā)功率開關(guān)管進(jìn)行換向。反電動(dòng)勢(shì)積分法是根據(jù)不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)的積分信號(hào)來獲取轉(zhuǎn)子位置信息的。它是從不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)過零時(shí)開始積分，對(duì)應(yīng)于換向瞬時(shí)設(shè)置一個(gè)門限，用來截止積分信號(hào)。反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)速之間存在線性關(guān)系，反電動(dòng)勢(shì)沿斜線變化的斜率和轉(zhuǎn)子速度密切相關(guān)，在整個(gè)速度運(yùn)行范圍內(nèi)，積分器的門限值應(yīng)保持不變，一旦達(dá)到積分門限，復(fù)位信號(hào)立即將積分器置零，為了避免積分器由電機(jī)啟動(dòng)開始積分，復(fù)位信號(hào)應(yīng)保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間來保證在電流降為零之后起動(dòng)積分器。這種方法對(duì)于開關(guān)噪聲不敏感，積分門限可以根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)。無刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形為梯形波，它包含了3次諧波分量。對(duì)此分量進(jìn)行積分便得到轉(zhuǎn)子磁通的3次諧波信號(hào)，而轉(zhuǎn)子磁鏈的3次諧波分量的過零點(diǎn)就對(duì)應(yīng)著無刷直流電機(jī)的換向時(shí)刻，因此可以根據(jù)這個(gè)過零點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行換向控制[29~30]。

2) 電流法 由于端電壓檢測(cè)受速度變化、電機(jī)換向、低通濾波以及定子電阻電感存在的干擾，使得依賴端電壓的測(cè)量來估算轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的準(zhǔn)確性和精確性都受到不同程度的影響。而這些因素對(duì)電流的影響相對(duì)較小，與之對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了根據(jù)電機(jī)相電流信號(hào)來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置信息，進(jìn)而控制無刷直流電機(jī)的換向方法，如直接電流檢測(cè)法、電流變化率檢測(cè)法和續(xù)流二級(jí)管法等。這種控制方法的精確性受處理器速度和功率管開關(guān)頻率的限制，容易造成電流和反電動(dòng)勢(shì)不同相位運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)故障[31]。

3) 狀態(tài)觀測(cè)器法 用卡爾曼濾波器估計(jì)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子速度的方法最早是由 M.Schroedl于1988年提出的。根據(jù)卡爾曼狀態(tài)方程，應(yīng)用電機(jī)測(cè)量電壓和測(cè)量電流就可得到轉(zhuǎn)子位置的初步估測(cè)。根據(jù)這種方法來預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子速度時(shí)，其運(yùn)行范圍主要受電壓、電流傳感器的測(cè)量精度來確定。

4) 人工智能方法 人工智能技術(shù)具備一定的智能行為，能夠產(chǎn)生合適的求解問題的響應(yīng)。隨著人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展和研究的深入，很多學(xué)者已經(jīng)嘗試著將人工智能的方法應(yīng)用于電機(jī)控制中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能控制的一個(gè)方向，它具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性和自學(xué)習(xí)能力，因此將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無刷直流電機(jī)控制中進(jìn)行轉(zhuǎn)速估算和位置估算是很自然的一步。用這種方法預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置時(shí)，運(yùn)行范圍主要受電壓和電流的檢測(cè)精度影響。

5) 磁鏈法 文獻(xiàn)[32]提出建立不依賴于轉(zhuǎn)子速度但是和轉(zhuǎn)子磁鏈直接相關(guān)的磁鏈函數(shù)來獲得轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)。該函數(shù)在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)應(yīng)6個(gè)峰值，通過檢測(cè)峰值來獲得轉(zhuǎn)子的換相信號(hào)，可保證電機(jī)在 470～35000r/min范圍內(nèi)有效運(yùn)行。文獻(xiàn)[33]又介紹了一種新的檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法，它是在永磁轉(zhuǎn)子的表面粘貼一些非磁性材料，利用定子繞組高頻開關(guān)工作時(shí)非磁性材料的渦流效應(yīng)，使開路相電壓的大小隨轉(zhuǎn)子位置角發(fā)生變化，從而可通過檢測(cè)開路相電壓來判斷轉(zhuǎn)子位置。這種方法完全排除了使用反電勢(shì)，因而能保證起動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)可靠地工作。

對(duì)方波型無刷直流電動(dòng)機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究，主要集中在控制換相期間三相電流的變化規(guī)律。針對(duì)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也都紛紛提出了不同的抑制措施。文獻(xiàn)[34]介紹的重疊換相法和PWM斬波控制法是通過改變換相時(shí)刻繞組的導(dǎo)通規(guī)律來調(diào)整電流的上升和下降斜率，從而達(dá)到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的目的。文獻(xiàn)[35~38]研究了4倍的反電動(dòng)勢(shì)電壓和母線電壓的比值與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的規(guī)律，研究結(jié)果顯示，在換相時(shí)采用的占空比為反電動(dòng)勢(shì)電壓和母線電壓比值的4倍時(shí)就可以保證非換相的電流保持不變，從而減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是這種方法對(duì)占空比的要求比較嚴(yán)格，難以保證在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)維持這種關(guān)系。為此，文獻(xiàn)[39]提出了一種新的換相電流預(yù)測(cè)控制方法，該方法是通過使用前一次的電流值和占空比來預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的電流值，再采用合適的方法調(diào)節(jié)電流達(dá)到減少轉(zhuǎn)矩紋波的目的，但是這種方法計(jì)算繁瑣，給軟件設(shè)計(jì)工作帶來不便。對(duì)于換相后不導(dǎo)通相的電流波動(dòng)規(guī)律，文獻(xiàn)[40]則做了詳細(xì)地分析并給出了仿真波形加以驗(yàn)證，但并沒有給出實(shí)測(cè)波形，也提出電流波動(dòng)抑制的措施。

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。傳統(tǒng)的控制策略是采用經(jīng)典的 PID 控制，而采用先進(jìn)的控制策略則可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體性能。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中也提出了一系列新的控制策略，如模糊 PID 控制策略[41]，自適應(yīng)的模糊神經(jīng)控制策略[42]，模型參考自適應(yīng)控制策略[43~44]，單神經(jīng)元控制策略[45~46]�？傊�，先進(jìn)的控制策略主要集中在非線性建模、自學(xué)習(xí)方法的選擇及局部控制等方面，其實(shí)現(xiàn)必然要通過微機(jī)或高性能的浮點(diǎn)處理器，成本比較高。

無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性是指電機(jī)在起動(dòng)、正常工作和調(diào)速等情況下，電機(jī)外部各可測(cè)物理量之間的關(guān)系。

電機(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)速隨輸入電壓、電流、負(fù)載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電機(jī)的運(yùn)行特性可分為起動(dòng)特性、工作特性、機(jī)械特性和調(diào)速特性。

討論各種電機(jī)的運(yùn)行特性時(shí)，一般都從轉(zhuǎn)速公式、電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。

對(duì)于無刷直流電機(jī)，其電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為

                                           （2.1）

式中，是電源電壓（V）；是電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)（V）；是平均電樞電流（A）；是電樞繞組的平均電阻（Ω）；是功率晶體管飽和管壓降（V）；對(duì)于橋式換相線路為。

對(duì)于不同的電樞繞組形式和換相線路形式，電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)有不同的等效表達(dá)式，但不論哪一種繞組和線路結(jié)構(gòu)，均可表示為

                                                     （2.2）

式中，是電機(jī)轉(zhuǎn)速（r／min）；是反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)（V／r／min）。

由式（2.1）、式（2.2）可知：

                                       （2.3）

在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為

                                                 （2.4）

式中，是輸出轉(zhuǎn)矩（N·m），是摩擦轉(zhuǎn)矩（N·m），是電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）。這里，

                                                    （2.5）

為轉(zhuǎn)矩系數(shù)（N·m／A）。

在轉(zhuǎn)速變化的情況下，則

                                           （2.6）

式中，是轉(zhuǎn)動(dòng)部分（包括電機(jī)本體轉(zhuǎn)子及負(fù)載）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度（rad／s）。

下面從這些基本公式出發(fā)，來討論無刷直流電機(jī)的各種運(yùn)行特性。

由式（2.1）~式（2.6）可知，電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)為零，因此電樞電流（即起動(dòng)電流）為

                                                 （2.7）

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，反電動(dòng)勢(shì)增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速轉(zhuǎn)矩也減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在空載起動(dòng)時(shí)，電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化如圖2.10所示。

圖2.10 空載起動(dòng)時(shí)電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化

需要指出的是，無刷直流電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，除了與起動(dòng)電流有關(guān)外，還與轉(zhuǎn)子相對(duì)于電樞繞組的位置有關(guān)。轉(zhuǎn)子位置不同時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是不同的，這是因?yàn)樯厦嫠懻摰年P(guān)系式都是平均值間的關(guān)系。而實(shí)際上，由于電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)是跳躍的，當(dāng)轉(zhuǎn)子所處位置不同時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)之間的夾角在變化，因此所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也是變化的。這個(gè)變化量要比有刷直流電機(jī)因電刷接觸壓降和電刷所短路元件數(shù)的變化而造成的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化大得多。

在無刷直流電機(jī)中，工作特性主要包括如下幾方面的關(guān)系：電樞電流和電機(jī)效率與輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

1）電樞電流和輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系  由式（2.5）可知，電樞電流隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加而增加，如圖2.11所示。

2）電機(jī)效率和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系  這里只考察電機(jī)部分的效率與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。電機(jī)效率

                                                  （2.8）

式中，為電機(jī)的總損耗；為電機(jī)的輸入功率，；為輸出功率，。

，即沒有輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)的效率為零。隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加，電機(jī)的效率增加。當(dāng)電機(jī)的可變損耗等于不變損耗時(shí)，電機(jī)效率達(dá)到最大值。隨后，效率又開始下降，如圖2.10所示。

圖2.11 負(fù)載和效率特性曲線

機(jī)械特性是指外加電源電壓恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由式（2.1）~式（2.3）可知

                                                 (2.9)

                                      (2.10)

當(dāng)不計(jì)的變化和電樞反應(yīng)的影響時(shí)，式（2.9）等號(hào)右邊的第一項(xiàng)是常數(shù)，所以電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的減小而線性增加，如圖2.12所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，即為起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)式（2.10）等號(hào)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，由于電機(jī)損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)偏離直線變化。

由式（2.10）可知，在同一轉(zhuǎn)速下改變電源電壓，可以容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩或在同一負(fù)載下改變轉(zhuǎn)速。所以，無刷直流電機(jī)的調(diào)速性能很好，可以通過改變電源電壓實(shí)習(xí)平滑調(diào)速，但此時(shí)電子換相線路及其他控制線路的電源電壓仍應(yīng)保持不變�？傊瑹o刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性與有刷直流電機(jī)極為相似，有著良好的伺服控制性能[47]。

圖2.12 機(jī)械特性曲線

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，定子三相交流繞組，轉(zhuǎn)子磁鋼布置采用徑向結(jié)構(gòu)，釹鐵硼永磁體安裝在轉(zhuǎn)子表面，這種稀土永磁材料其相對(duì)導(dǎo)磁率近于空氣，在這種表面安裝磁極的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，永磁體可以看作氣隙的一部分，無凸極效應(yīng)的影響。在電機(jī)模型的建立時(shí)，認(rèn)為電機(jī)的氣隙是均勻的[48]。

假設(shè)：

1）磁路不飽和。

2）忽略高次空間磁勢(shì)諧波的影響。

3）忽略磁滯、渦流的影響。

記兩種導(dǎo)通模式總的持續(xù)時(shí)間即 1/6周期為1個(gè)導(dǎo)通區(qū)間，取轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在1個(gè)導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)的中心位置為的位置。

切換角定義為：通電線圈的幾何中心線與坐標(biāo)軸之間的夾角。

永磁體的磁通鏈在BLDCM的運(yùn)行中可以當(dāng)作常數(shù)，定子磁鏈方程為：

                   （2.11）

定子電壓方程式為：

                                             （2.12）

據(jù)假定有：

式中，、、為定子三相磁通鏈，、、為定子電流，為定子繞組自感，為定子繞組互感，為轉(zhuǎn)子永磁體磁通鏈，為轉(zhuǎn)子位置角，即轉(zhuǎn)子軸和A相軸線的夾角。注意到任何時(shí)候都有：

把電流對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換為電流對(duì)角度的導(dǎo)數(shù)，即可得電壓方程式：

                  （2.13）

記：

                                     （2.14）

電磁轉(zhuǎn)矩為：

                                         （2.15）

記為直流電源電壓，為電源輸出電流，則電機(jī)輸入功率為；電磁功率。

利用電機(jī)中電參量的單相半波對(duì)稱性和三相的對(duì)稱性，可以把無刷直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行求解過程歸結(jié)到一個(gè)導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)求解，現(xiàn)只考慮區(qū)間內(nèi)的情況。假定在時(shí)，電機(jī)C，B兩相導(dǎo)通，換相為A，B兩相導(dǎo)通。

在BLDCM的逆變器線路中，每個(gè)開關(guān)元件實(shí)際上都并有續(xù)流二極管（如圖2.4所示），在換相時(shí)，線圈中的磁場(chǎng)能量通過二極管釋放。由于續(xù)流二極管的接入，使得換相并不是在瞬間完成，導(dǎo)致了換流重疊角的存在，這也就是換流重疊角產(chǎn)生的原因。在從C、B兩相通電轉(zhuǎn)換為A、B兩相通電的瞬間，C相內(nèi)尚有一點(diǎn)的電流，它必然要經(jīng)過線圈C、線圈B、T6、VD2釋放，直到流過二極管的電流為零，此時(shí)。

在第一種導(dǎo)通模式，由于二極管的續(xù)流作用，此時(shí)A、B、C三相繞組都有電流通過（如圖2.13所示），此時(shí)電機(jī)端部約束條件是：

圖2.13 換流模式

又因?yàn)?img id="aimg_Gz7Ke" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="104" height="24" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/8/163/163.130.jpg" border="0" alt="" />，所以有：

求得數(shù)學(xué)模型一為：

               （2.16）

在第二種導(dǎo)通模式（如圖2.14所示），只是A、B兩相通電時(shí)，電機(jī)端部約束條件：

圖2.14 單流模式

求得數(shù)學(xué)模型二為：

              （2.17）

西京學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的核心是電動(dòng)自行車控制器，它不僅要完成外部信號(hào)的處理，無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的給定，更重要的是完成整個(gè)控制系統(tǒng)的控制策略。

一個(gè)完備的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，應(yīng)主要報(bào)告電源系統(tǒng)、轉(zhuǎn)把、剎把、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等。電源系統(tǒng)主要滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)能量的需求，轉(zhuǎn)把、剎把是用戶與控制器交流的橋梁，安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車的防盜功能，照明系統(tǒng)在可見度較低時(shí)給整個(gè)電動(dòng)自行車照明，信號(hào)系統(tǒng)一方面實(shí)現(xiàn)了用戶與控制器的交流，另一方面也給電動(dòng)自行車的安全提供了保障，動(dòng)力系統(tǒng)為電動(dòng)自行車的能量轉(zhuǎn)換部分，它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，為電動(dòng)自行車提供了動(dòng)力�？刂葡到y(tǒng)的原理框圖如圖3.1所示。

圖3.1 控制系統(tǒng)原理框圖

1） 調(diào)速轉(zhuǎn)把工作原理

調(diào)速轉(zhuǎn)把是控制電動(dòng)自行車車速的基本器件，是控制器的調(diào)速指令信號(hào)輸入部件。控制器收到來自調(diào)速轉(zhuǎn)把得輸入信號(hào)后，根據(jù)輸入信號(hào)的參數(shù)控制電機(jī)的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的調(diào)速功能。調(diào)速轉(zhuǎn)把實(shí)物圖如下圖圖3.2所示。

霍爾調(diào)速轉(zhuǎn)把輸出電壓的大小取決于霍爾元件周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度和極性�；魻栐潭ò惭b在右把手座中，在可轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)柄中固定安裝永磁鋼，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把時(shí)，手柄上的磁鐵會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣霍爾元件周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度和極性就發(fā)生了改變，霍爾元件輸出的電壓隨著磁場(chǎng)的改變而發(fā)生改變。目前市場(chǎng)上大部分轉(zhuǎn)把輸出的電壓信號(hào)為1.0-4.2V之間。

圖3.2 調(diào)速轉(zhuǎn)把實(shí)物圖

2）制動(dòng)剎把工作原理

制動(dòng)剎把在實(shí)施車輛制動(dòng)時(shí)，首先給控制器一個(gè)制動(dòng)信號(hào)，停止向電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力。制動(dòng)信號(hào)由機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)或霍爾開關(guān)電路產(chǎn)生。當(dāng)操作剎車制動(dòng)手柄時(shí)，手柄動(dòng)作后制動(dòng)信號(hào)送到控制器中，控制器檢測(cè)到剎車信號(hào)后，無論調(diào)速轉(zhuǎn)把處于什么狀態(tài)都會(huì)自動(dòng)斷開電機(jī)電源，使電機(jī)停止動(dòng)力輸出。

電子式轉(zhuǎn)動(dòng)剎把安裝在把座上的位置傳感器是一個(gè)霍爾元件，剎車手柄正對(duì)霍爾元件處有一塊小磁鋼。正常騎行時(shí)，磁鋼靠近元件，霍爾元件無輸出。當(dāng)捏剎把手柄時(shí)，手柄移位，小磁鋼遠(yuǎn)離霍爾元件，霍爾元件將磁鋼位置變化的轉(zhuǎn)換信號(hào)傳給控制器，切斷電機(jī)電源供給，達(dá)到電機(jī)制動(dòng)目的。

電動(dòng)自行車的信號(hào)系統(tǒng)是電動(dòng)自行車狀態(tài)的指示部件，是反應(yīng)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、保證車輛安全行駛的主要裝置。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，提高了電動(dòng)自行車的安全使用性能，起到提醒、提示騎行者、行人及其他車輛的作用，保證了騎行者及他人的安全。信號(hào)系統(tǒng)主要包括喇叭、閃光器、轉(zhuǎn)向燈、制動(dòng)燈和儀表及控制開關(guān)等。

喇叭的作用是發(fā)出聲音，以引起行人和其他行駛車輛的注意，確保行車安全。它是將電能轉(zhuǎn)化為聲能的裝置。其工作原理是：打開電源開關(guān)，按下喇叭按鈕時(shí)，電流經(jīng)蓄電池正極流向電源開關(guān)，先經(jīng)過喇叭，再經(jīng)過喇叭按鈕到達(dá)蓄電池負(fù)極，構(gòu)成閉合回路，使喇叭發(fā)出聲響；松開喇叭按鈕后，按鈕接觸點(diǎn)在回位彈簧的作用下彈回，電路中斷，喇叭停止工作。喇叭電路原理圖如圖3.3所示。

圖3.3 喇叭控制電路

閃光器也叫閃爍器，串聯(lián)在轉(zhuǎn)向燈電路中，當(dāng)有負(fù)載電流通過時(shí)，閃光器內(nèi)部的RC振蕩電路開始控制，使蓄電池供電回路中的電流時(shí)大時(shí)小，而使轉(zhuǎn)向燈發(fā)出醒目的明暗相間的閃光信號(hào)，引起周圍的車輛和行人的注意。

圖3.4為電子式閃光器的電路圖。閃光器標(biāo)有字母L的接線端子與轉(zhuǎn)向燈相連、標(biāo)有字母B的接線端子與電源端相連。在線路連接好的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)接通左轉(zhuǎn)向燈或右轉(zhuǎn)向燈時(shí)，電流經(jīng)電阻R1向電容C反方向充電，使a、b兩端電壓逐漸上升。當(dāng)a端具有一定的正向電壓時(shí)，三極管VT1導(dǎo)通，VT2也因得到一定的負(fù)壓而開始工作。其電流流向?yàn)樾铍姵卣龢O→電源開關(guān)→閃光器B端→VT2發(fā)射極→VT1集電極→閃光器L端→轉(zhuǎn)向開關(guān)→轉(zhuǎn)向燈→蓄電池負(fù)極。由于電流較大，所以轉(zhuǎn)向燈發(fā)出較亮的光。此時(shí)VT2導(dǎo)通，電容C開始放電，使a端電壓下降，當(dāng)降低到一定電位時(shí)，VT1截止，VT2不導(dǎo)通，這時(shí)轉(zhuǎn)向燈熄滅，又回到起始狀態(tài)。如此反復(fù)，轉(zhuǎn)向燈的電流時(shí)大時(shí)小，就使轉(zhuǎn)向燈發(fā)出一明一暗的閃光。

圖3.4 電子式閃光器電路圖

轉(zhuǎn)向燈電路由閃光器、轉(zhuǎn)向開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈和儀表的轉(zhuǎn)向指示燈等組成，其工作原理如圖3.5所示。

圖3.5轉(zhuǎn)向信號(hào)系統(tǒng)工作原理圖

打開電源開關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)處于下面位置，閃光器觸點(diǎn)閉合時(shí)，電流由蓄電池正極到電源開關(guān)，閃光器，再到轉(zhuǎn)向開關(guān)，分流到前左轉(zhuǎn)向燈、后左轉(zhuǎn)向燈和儀表左轉(zhuǎn)指示燈后，再經(jīng)負(fù)極連線流回蓄電池構(gòu)成閉合回路，使左側(cè)轉(zhuǎn)向燈閃亮。

當(dāng)轉(zhuǎn)向開關(guān)處于中間位置時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)向燈電路因開關(guān)斷路而停止工作。

當(dāng)轉(zhuǎn)向燈開關(guān)處于上面位置時(shí)，工作原理與轉(zhuǎn)向開關(guān)處于下面位置時(shí)相同，使右側(cè)轉(zhuǎn)向燈閃亮。

照明系統(tǒng)為電動(dòng)自行車夜間行駛提供路面和儀表照明燈光，保證夜間騎行安全。照明系統(tǒng)主要由前照燈、尾燈和儀表照明燈及控制開關(guān)等組成。

明系統(tǒng)由蓄電池供電、通過電源開關(guān)、照明開關(guān)接通前照燈、后尾燈和儀表燈，有些電動(dòng)自行車還帶有示廓燈等。其電路原理圖如圖3.6所示。

圖3.6 照明電路原理圖

照明系統(tǒng)的工作原理是：打開電源開關(guān)和照明開關(guān)，前照燈、儀表燈和后尾燈接通電源被點(diǎn)亮；關(guān)閉電源開關(guān)或照明開關(guān)，前照燈、儀表燈和后尾燈熄滅[49~52]。

1）調(diào)速功能�？刂破鞲鶕�(jù)輸入的調(diào)速信號(hào)，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行平穩(wěn)、可靠的調(diào)節(jié)，使電動(dòng)自行車實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。

2）零啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)不用腳踩。

3）堵轉(zhuǎn)保護(hù)。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)超過一定時(shí)間之后，控制器會(huì)自動(dòng)停止工作。

4）制動(dòng)斷電功能。在輸入控制器的剎車信號(hào)電位變化時(shí)，開關(guān)電源能迅速反應(yīng)，切斷輸入電流，改變電機(jī)的通電工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整車的順利制動(dòng)。

5）過電壓和欠電壓保護(hù)功能。當(dāng)外界輸入電壓高于或低于控制器的工作電壓時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出報(bào)警，停上進(jìn)行工作，保護(hù)控制器。

6）過電流保護(hù)功能。當(dāng)工作電流達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的最大值時(shí)，控制器將限制系統(tǒng)電流的繼續(xù)增大令其維持不變，以保護(hù)蓄電池、電機(jī)和控制器本身不受到損傷。

7）防飛車保護(hù)功能。當(dāng)調(diào)速轉(zhuǎn)把信號(hào)與電源線路出現(xiàn)短路或調(diào)速轉(zhuǎn)把負(fù)極線斷路時(shí)，就會(huì)誤給控制器輸入調(diào)速信號(hào)，使控制器給電機(jī)加電造成飛車，控制器防飛車功能可以避免飛車事故的發(fā)生。

8）欠壓回升保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入欠壓保護(hù)、停止工作后，蓄電池的端電壓會(huì)迅速回升到高于欠壓點(diǎn)。此時(shí)控制器并不立即退出欠壓保護(hù)狀態(tài)開始工作，而是電源電壓必須高于欠壓點(diǎn)一定幅度后，控制器才能恢復(fù)正，退出保護(hù)狀態(tài)。

9）巡航定速功能。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把進(jìn)行調(diào)速時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)把固定在某個(gè)位置超過一定的時(shí)間，電動(dòng)自行車便會(huì)以這個(gè)速度進(jìn)行勻速行駛，直到再次轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，消除此次巡航。

10）腳踏助力功能。通過測(cè)量人腳踏信號(hào)和電系統(tǒng)信號(hào)的變化，來提供相應(yīng)電助力的一種腳踏助力方案。這樣為用戶提供了一種省電騎行模式。

11）柔性EABS剎車功能。柔性EABS剎車是相對(duì)于機(jī)械剎車來說的，它是通過給控制器電信號(hào)實(shí)現(xiàn)剎車功能。

12）反充電與反充電指示功能。這是一種能量回收功能，在剎車制動(dòng)時(shí)將原由通過制定器消耗的功能，以電機(jī)發(fā)電的形式經(jīng)過控制器構(gòu)成回路給蓄電池充電，以電能的形式最大限度地回收，并對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行顯示。

13）限速功能。根據(jù)國(guó)家對(duì)電動(dòng)自行車最高車速不大于20km/h的要求，限速功能是通過限速電位器的調(diào)節(jié)，使電動(dòng)自行車不超過此速度。

電動(dòng)自行車控制器是電動(dòng)自行車四大部件之一的驅(qū)動(dòng)控制部件，它是電動(dòng)自行車的大腦，是神經(jīng)中樞，遇到各種情況會(huì)“作出反應(yīng)”，是電動(dòng)自行車能量管理與各種控制信號(hào)處理的核心部件。它控制著電機(jī)的轉(zhuǎn)速、具有欠壓、限流或過流保護(hù)和制動(dòng)斷電等基本功能，對(duì)整車的電氣系統(tǒng)進(jìn)行有效的保護(hù)，是電動(dòng)自行車電氣系統(tǒng)的核心。智能型控制器還具有多種騎行模式和電氣控制部分自檢、故障代碼顯示等功能。

一個(gè)完備的電動(dòng)自行車控制器系統(tǒng)，其硬件主要包括：電源電路，MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，電流檢測(cè)及保護(hù)電路，調(diào)速轉(zhuǎn)把輸入信號(hào)電路，轉(zhuǎn)子位置判斷信號(hào)采集電路，低、高電平剎車電路以及單片機(jī)和外圍電路等。

電動(dòng)自行車控制器的工作原理是利用電子設(shè)備替代了傳統(tǒng)電刷控制電機(jī)線圈的電流方向，同時(shí)根據(jù)電機(jī)內(nèi)傳感器發(fā)出的信號(hào)，確定換向的時(shí)間和順序，來改變點(diǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。圖3.7為電動(dòng)自行車控制器的原理框圖。

圖3.7電動(dòng)自行車控制器原理框圖

電動(dòng)自行車控制器的控制電路主要有：1內(nèi)部穩(wěn)壓電路；2位置信號(hào)檢測(cè)電路電路；3剎車電路；4 A、B、C三相預(yù)驅(qū)動(dòng)電路；5三相橋式功率場(chǎng)效應(yīng)晶體開關(guān)電路；6欠壓保護(hù)電路；7限流保護(hù)電路等。

內(nèi)部穩(wěn)壓電源電路提供控制器內(nèi)部電子元器件的工作電壓。

位置信號(hào)檢測(cè)放大電路首先對(duì)無刷直流電機(jī)霍爾位置傳感器產(chǎn)生的位置信號(hào)進(jìn)行放大、整形、形成具有一定時(shí)序的三相邏輯信號(hào)。當(dāng)改變?nèi)嘈盘?hào)時(shí)序時(shí)，就可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。放大、整形后的位置信號(hào)分別送到三相上臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路和三相下臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路中，產(chǎn)生三相橋式上臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)和三相橋式下臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

微處理器根據(jù)位置信號(hào)檢測(cè)放大電路提供的無刷直流電機(jī)霍爾信號(hào)，對(duì)上3路和下3路的MOS管驅(qū)動(dòng)電路給出有選擇的打開與關(guān)閉信號(hào)，以完成對(duì)電機(jī)的換相。同時(shí)，根據(jù)調(diào)速轉(zhuǎn)把輸入電壓的大小，將相應(yīng)脈沖寬度的載波信號(hào)與下3路MOS管導(dǎo)通信號(hào)混合，以達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。

MOS管驅(qū)動(dòng)電路將PWM信號(hào)整形放大、電平移動(dòng)，達(dá)到上、下臂MOS管輸出所需的驅(qū)動(dòng)電平，并提供給MOS管，同時(shí)也減少M(fèi)OS管輸出電路對(duì)控制電路的影響。另外，對(duì)于上3路的3個(gè)MOS管來說，它們的驅(qū)動(dòng)要求高于蓄電池供電電壓，因此，MOS管驅(qū)動(dòng)電路還要具有升壓功能，將上3路的MOS管導(dǎo)通信號(hào)變成高于蓄電池電壓的超高方波信號(hào)。三相MOS管輸出電路由6只MOS管接成三相橋式全控電子開關(guān)，構(gòu)成逆變輸出電路，完成電子換相。

剎車斷電電路是通過將制動(dòng)剎把產(chǎn)生的剎車信號(hào)送到控制器中，加到停止引腳上，通過邏輯電路處理，關(guān)斷上、下臂邏輯信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)剎車斷電功能。

欠壓保護(hù)電路在蓄電池電壓降低到控制設(shè)定值后，停止PWM信號(hào)輸出，以保護(hù)蓄電池不在低電壓的情況下放電損傷。

限流保護(hù)電路是對(duì)控制器輸出的最大電流進(jìn)行限制，以保護(hù)蓄電池、控制器、電機(jī)等不會(huì)出現(xiàn)超出允許范圍的大電流。

2009年3月4日，意法半導(dǎo)體發(fā)布了針對(duì)工業(yè)應(yīng)用和消費(fèi)電子開發(fā)的微控制器STM8S系列產(chǎn)品。

STM8S平臺(tái)打造8位微控制器的全新世代，高達(dá)20 MIPS的CPU性能和2.95-5.5V 的電壓范圍，有助于現(xiàn)有的8位系統(tǒng)向電壓更低的電源過渡。新產(chǎn)品嵌入的130nm非易失性存儲(chǔ)器是當(dāng)前8位微控制器中最先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)之一，并提供真正的EEPROM數(shù)據(jù)寫入操作，可達(dá)30萬次擦寫極限。在家用電器、加熱通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、電動(dòng)工具、個(gè)人護(hù)理設(shè)備和電源控制管理系統(tǒng)等各種產(chǎn)品設(shè)備中，新產(chǎn)品配備的豐富外設(shè)可支持精確控制和監(jiān)視功能。功能包括10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最多有16條通道，轉(zhuǎn)換用時(shí)小于3微秒；先進(jìn)的16位控制定時(shí)器可用于馬達(dá)控制、捕獲/比較和PWM功能。其它外設(shè)包括一個(gè)CAN2.0B接口、兩個(gè)U(S)ART接口、一個(gè)I2C端口、一個(gè)SPI端口。

STM8S平臺(tái)的外設(shè)定義與STM32系列32位微控制器相同。外設(shè)共用性有助于提高不同產(chǎn)品間的兼容性，讓設(shè)計(jì)靈活有彈性。應(yīng)用代碼可移植到STM32平臺(tái)上，獲得更高的性能。除設(shè)計(jì)靈活外，STM8S的組件和封裝在引腳上完全兼容，讓開發(fā)人員得到更大的自由空間，以便優(yōu)化引腳數(shù)量和外設(shè)性能。引腳兼容還有益于平臺(tái)化設(shè)計(jì)決策，產(chǎn)品平臺(tái)化可節(jié)省上市時(shí)間，簡(jiǎn)化產(chǎn)品升級(jí)過程。

①STM8S主要特點(diǎn)

1）速度達(dá)20 MIPS的高性能內(nèi)核

2）抗干擾能力強(qiáng)，品質(zhì)安全可靠

3）領(lǐng)先的130納米制造工藝，優(yōu)異的性價(jià)比

4）程序空間從4K到128K, 芯片選擇從20腳到80腳，寬范圍產(chǎn)品系列

6）開發(fā)容易，擁有本地化工具支持

②STM8S主要應(yīng)用

1）汽車電子：傳感器、致動(dòng)器、安全系統(tǒng)微控制器、DC馬達(dá)、車身控制、汽車收音機(jī)、LIN節(jié)點(diǎn)、加熱/通風(fēng)空調(diào)

   2）工業(yè)應(yīng)用：家電、家庭自動(dòng)化、馬達(dá)控制、空調(diào)、感應(yīng)、計(jì)量?jī)x表、不間斷電源、安全

3）消費(fèi)電子：電源、小家電、音響、玩具、銷售點(diǎn)終端機(jī)、前面板、電視、監(jiān)視設(shè)備

4）醫(yī)療設(shè)備：個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品、健身器材、便攜護(hù)理設(shè)備、醫(yī)院護(hù)理設(shè)備、血壓測(cè)量、血糖測(cè)量、監(jiān)控、緊急求助

STM8S903K3作為一款功能齊全、接口豐富，性價(jià)比高的處理器，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。而且STM8903K3自動(dòng)6路互補(bǔ)PWM輸出端口，在電機(jī)控制中不需要外接PWM波形發(fā)射器，減小了外圍電路的元器件個(gè)數(shù)，增加了系統(tǒng)的可靠性，降低了控制器的成本，非常適合電動(dòng)自行車控制器的開發(fā)。

首先系統(tǒng)中逆變電路的開關(guān)頻率很高，功率開關(guān)元件不宜采用晶閘管，而雙極型大功率晶體管雖然在大電流導(dǎo)通時(shí)其導(dǎo)通電阻很小，但卻要求較大的驅(qū)動(dòng)功率，其開關(guān)速度也要比MOSFET、IGBT低。MOSFET是一種多數(shù)載流子器件，無少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，因此開關(guān)速度快，而且MOSFET是一種理想的電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單。MOSFET沒有二次擊穿現(xiàn)象，工作安全區(qū)大，因此MOSFET特別適于高頻變流裝置，只是在高壓大電流的情況下導(dǎo)通電阻較大，器件發(fā)熱稍大。所以，MOSFET適合在本文涉及的低功率高頻率能量變換裝置中使用。

因?yàn)镸OSFET特別適于高頻變流裝置，而且對(duì)IGBT和IPM而言價(jià)格相對(duì)較低，所以本系統(tǒng)的逆變電路功率器件選擇MOSFET。

但是MOSFET作為功率器件使用時(shí)，它的柵極驅(qū)動(dòng)必須滿足：

1）柵極電壓高于漏極電壓10-15V，作為高壓側(cè)開關(guān)，柵極電壓高于母線電壓，且為系統(tǒng)最高電壓；

2）柵極電壓具有浮動(dòng)能力，隨源極電位的變化而變化；

3）驅(qū)動(dòng)電路造成的功率損耗在總的功率中所占比重不大。

所以在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候必須考慮到MOSFET電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引入的MOSFET源極電位浮動(dòng)的問題，保證MOSFET的準(zhǔn)確動(dòng)作。

本系統(tǒng)使用的無刷直流電機(jī)為深圳深圳市鼎拓達(dá)機(jī)電有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為42BL65-240的無刷直流電機(jī)，產(chǎn)品參數(shù)如下：

表3.1 42BL65-240電機(jī)參數(shù)

系統(tǒng)控制策略的選擇影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，選擇一個(gè)好的控制策略對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等特性至關(guān)重要。下面就從無刷直流電機(jī)無感起動(dòng)策略、調(diào)壓策略、換相策略及調(diào)速算法來介紹本系統(tǒng)的策略選擇。   

針對(duì)實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)無位置傳感器零初始速度起動(dòng)的問題，人們提出了各

種方案，主要有：三段式起動(dòng)法、升頻升壓同步起動(dòng)法和檢測(cè)脈沖轉(zhuǎn)子定位起動(dòng)

法等。因“三段式”起動(dòng)法比較簡(jiǎn)單，所以控制器的無感起動(dòng)策略就選擇“三段式”起動(dòng)法。下面就對(duì)“三段式”起動(dòng)法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹與分析。

   “三段式”起動(dòng)法按照“他控變頻”式同步電動(dòng)機(jī)從靜止開始加速旋轉(zhuǎn)，直至轉(zhuǎn)速足夠大，再切換至無刷電動(dòng)機(jī)“自控變頻”式運(yùn)行狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)。

這個(gè)過程包括轉(zhuǎn)子預(yù)定位、加速和運(yùn)行狀態(tài)切換三個(gè)階段。在起動(dòng)初始階段，使電機(jī)有一個(gè)確定的通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一個(gè)確定的初始位置，然后改變電機(jī)的通電狀態(tài)，在電磁力矩的作用下轉(zhuǎn)子向下一個(gè)確定位置轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)加速的過程中把電機(jī)切換到無位置傳感器的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而利用反電勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)“自控變頻”運(yùn)行。

該方法簡(jiǎn)單可靠，對(duì)于任意轉(zhuǎn)子初始位置角，都能可靠實(shí)現(xiàn)預(yù)定位，保證電機(jī)從“零速度”起動(dòng)并快速切換到無位置傳感器閉環(huán)方式運(yùn)行。但是此法的成功實(shí)現(xiàn)，受電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、外施電壓、加速曲線及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等諸多因素影響。在輕載、小慣量條件下，三段式起動(dòng)過程一般能成功實(shí)現(xiàn)；當(dāng)電機(jī)處于重載狀態(tài)時(shí)，外同步信號(hào)與產(chǎn)生的反電勢(shì)信號(hào)相位差過大，可能導(dǎo)致電機(jī)失步，起動(dòng)失敗。

通過優(yōu)化加速曲線能保證電機(jī)順利起動(dòng)，但是對(duì)不同電機(jī)、不同負(fù)載，所對(duì)應(yīng)的

優(yōu)化加速曲線不一樣，這樣導(dǎo)致該方案通用性不強(qiáng)，控制過程比較繁瑣，涉及數(shù)據(jù)多等缺點(diǎn)。尤其是在調(diào)試中 PWM 的占空比的選擇，以及對(duì)加速過程中占空比的變化速度的控制比較復(fù)雜，很難達(dá)到理想效果 [53]。

本系統(tǒng)所使用無刷直流電機(jī)自帶位置傳感器，所以可以通過位置傳感器直接獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。但是考慮到位置傳感器的使用壽命問題，本系統(tǒng)還采用了一種無傳感的方式檢測(cè)策略。

本系統(tǒng)所采用的無刷直流電機(jī)的無傳感轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法為反電動(dòng)勢(shì)端電壓檢測(cè)法。其實(shí)質(zhì)是通過檢測(cè)定子開路相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)來間接得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。然而，由于定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)難以直接測(cè)量，所以實(shí)際上一般使用的是該方法的變通形式“端電壓法”。對(duì)于本系統(tǒng)采用的二相導(dǎo)通六狀態(tài)控制方式，通過檢測(cè)端電壓就能檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)。因?yàn)槟孀兤髅恳粫r(shí)刻都只有兩相導(dǎo)通，另一相處于斷開狀態(tài)，此時(shí)該斷開相繞組的相電壓就是反電動(dòng)勢(shì)。在本系統(tǒng)的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)電路中，重構(gòu)了一個(gè)電機(jī)星點(diǎn)，其電壓和電機(jī)星點(diǎn)電壓近似。通過比較器不停地比較星點(diǎn)電壓和繞組端電壓，就可以得到一個(gè)電平的跳變信號(hào)，此跳變信號(hào)便是繞組反電動(dòng)勢(shì)的過零信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到繞組反電動(dòng)勢(shì)的過零信號(hào)后，再延遲30個(gè)電角度，便可觸發(fā)電機(jī)換相。

由圖2.9可知，無刷直流電機(jī)反電勢(shì)為正負(fù)半波皆有120個(gè)電角度平臺(tái)的梯形波，三相間相差為120個(gè)電角度；3個(gè)位置傳感器（電角度間距120個(gè)電角度傳感器）相差為120個(gè)電角度，其上升或下降沿位置即對(duì)應(yīng)定子電樞繞組導(dǎo)通時(shí)刻。如此，通過對(duì)傳感器信號(hào)檢測(cè)，經(jīng)由功率MOSFET功率開關(guān)器件構(gòu)成的電子換相實(shí)現(xiàn)換相，使電樞繞組依次通電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，位置傳感器不斷輸出信號(hào)，電樞繞組的通電狀態(tài)隨之改變，使得在某一磁極下導(dǎo)體的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電機(jī)的無接觸換相過程。

如使用二二導(dǎo)通方式是每次使2個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。依據(jù)圖2.4所示開關(guān)管命名，其導(dǎo)通順序有：T1、T4→T1、T6→T3、T6→T3、T2→T5、T2→T5、T4，共有6種導(dǎo)通狀態(tài)，每隔60個(gè)電角度改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每360個(gè)電角度需要換相6次，每次改變僅切換一個(gè)開關(guān)管，每個(gè)開關(guān)管連續(xù)導(dǎo)通120個(gè)電角度。所以，本系統(tǒng)采用6步換相的方式（即兩相六狀態(tài)方式）控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

對(duì)于無刷電機(jī)，其電動(dòng)勢(shì)的平衡方程為：

                                          （3.1）

式中，為逆變電壓（V）；E為電樞繞組的反電勢(shì)（V）；為繞組電阻（Ω）；流過繞組電流（A）；開關(guān)管飽和管壓降。

電樞繞組反電勢(shì)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

                                                    （3.2）

式中，為電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)（V/rpm）。

由式（3.1）、（3.2）可知：

可見，無刷直流電機(jī)與直流電機(jī)類似的調(diào)速特性，其調(diào)速方法有：a調(diào)壓調(diào)速；b弱磁調(diào)速兩種。

由于調(diào)壓調(diào)速和普通直流電機(jī)調(diào)速方法相似，而且相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，所以本系統(tǒng)選擇調(diào)壓調(diào)速的策略控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

無刷直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速方案有：

1）采用晶閘管移相或DC-DC變換電路調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)調(diào)速；

2）采用PWM技術(shù)通過占空比調(diào)節(jié)三相全控橋輸出電壓實(shí)現(xiàn)，PWM方式具有電路簡(jiǎn)單、元件數(shù)量少等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，見圖3.8。

在無刷直流電機(jī)PWM調(diào)速中，為形成幅值恒定的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要求電樞繞組電流恒定，其調(diào)制波為一直流電平，出于降低開關(guān)損耗的目的，可采取一個(gè)開關(guān)管工作于PWM狀態(tài)進(jìn)行調(diào)壓，而另一個(gè)處于常通狀態(tài)，如圖3.9所示。

圖3.8  DC-DC和PWM模式對(duì)比

圖3.9 BLDCM幾種PWM調(diào)壓方法

圖中，a）和b）為上橋臂或下橋臂3個(gè)開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制，另一個(gè)配對(duì)導(dǎo)通的開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)。以0~60°區(qū)間T1、T4導(dǎo)通為例，在HPWM-LON中，T1進(jìn)行PWM調(diào)制（即調(diào)壓），T4為常通，而HON-LPWM中T1、T4的工作模式剛好與此相反，T1常通，T4執(zhí)行PWM調(diào)壓。此模式下逆變器輸出電壓MA波形見圖3.10 a）。

PWM-ON-PWM模式中，0~360°區(qū)間，任意時(shí)刻僅一個(gè)開關(guān)管執(zhí)行PWM調(diào)壓；以0~120°區(qū)間為例，T1先進(jìn)入30°的PWM模式，此時(shí)T4導(dǎo)通；其后60°T1則處于導(dǎo)通狀態(tài)，期間T4、T6先后進(jìn)入PWM模式；最后30°T1再次進(jìn)入PWM模式，T6處于導(dǎo)通狀態(tài)。PWM-ON-PWM模式6個(gè)開關(guān)管的工作模式一致，功耗相同，系統(tǒng)可靠性提高，同時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小。此模式下逆變器輸出電壓MA波形見圖3.10 b）。

圖3.10 逆變器輸出電壓

本系統(tǒng)中采用PWM方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，其PWM控制方法采用HPWM-LON的方式。

為了實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，必須對(duì)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，本系統(tǒng)采樣通過計(jì)數(shù)20ms內(nèi)換相步數(shù)的方法，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的計(jì)算。

因?yàn)殡姍C(jī)每轉(zhuǎn)過360個(gè)電角度控制器需要產(chǎn)生6步換相信號(hào)，又因?yàn)橄到y(tǒng)使用電機(jī)極對(duì)數(shù)為4極，所以每360個(gè)機(jī)械角度為1440個(gè)電角度，即需要24步換相。假設(shè)20ms內(nèi)電機(jī)換相CNT步，那么，電機(jī)轉(zhuǎn)速為： ，單位為RPM。

    由電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可知，加速度與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比，而轉(zhuǎn)矩又與電機(jī)的電流成正比，因而如果要實(shí)現(xiàn)高精度和高動(dòng)態(tài)性能控制就需要同時(shí)對(duì)電機(jī)的速度和電流進(jìn)行控制。根據(jù)反饋原理，要維持哪一物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。為了減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落，就要引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，組成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。為了兼顧調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，本系統(tǒng)采用速度單閉環(huán)控制，如圖3.11所示。

圖3.11 無刷直流電機(jī)單閉環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)圖

    將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線形組合構(gòu)成新的控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱為PID控制器。數(shù)字PID是將原來由硬件實(shí)現(xiàn)的PID算法，現(xiàn)在將其移植到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中形成的用軟件來實(shí)現(xiàn)的PID算法。PID控制器是控制系統(tǒng)中技術(shù)比較成熟，而且應(yīng)用最廣泛的一種控制器。它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學(xué)模型，因此在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中都有應(yīng)用。所以本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制采用PID控制算法。

    以往的無刷直流電機(jī)多由單片機(jī)附加許多接口設(shè)備構(gòu)成控制系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，并且運(yùn)算速度也受到限制，不容易實(shí)現(xiàn)速度環(huán)的全數(shù)字化控制，也不方便擴(kuò)展。而應(yīng)用STM8實(shí)現(xiàn)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)可以只用一片STM8S903K3就可以代替普通單片機(jī)和各種接口。再加上STM8芯片具有快速運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更智能化的算法，實(shí)現(xiàn)速度環(huán)的全數(shù)字化控制。

本系統(tǒng)硬件組成如圖4.1所示，控制核心是ST公司的STM8S903K3單片機(jī)，主要外圍電路包括位置傳感器信號(hào)處理電路、驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)預(yù)處理電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)電流檢測(cè)電路、電源電壓檢測(cè)電路以及剎車、起動(dòng)電路等。

圖4.1 硬件系統(tǒng)框圖

當(dāng)系統(tǒng)處在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過轉(zhuǎn)把和剎把向控制器發(fā)送運(yùn)行指令（如起動(dòng)、停車、轉(zhuǎn)速等），并且載入運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)外部檢測(cè)到的電機(jī)的位置信號(hào)以及電機(jī)所處的運(yùn)行狀態(tài)來改變控制器輸出的控制信號(hào)從而調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。電平轉(zhuǎn)換電路主要是為逆變電路提供動(dòng)作信息，逆變電路為電機(jī)提供正常運(yùn)行所需的合適的電源。電源電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的保護(hù)（如過壓、欠壓、以及防止電源過度放電等）。電流檢測(cè)環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，從外部檢測(cè)到的電流信號(hào)經(jīng)過采樣后，送到單片機(jī)控制單元，控制單元根據(jù)檢測(cè)電流的大小來決定是否采取保護(hù)措施。

圖4.2為本系統(tǒng)中STM8S903K3單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖。該單片機(jī)使用片內(nèi)自帶的16M晶振提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。PD2、PD3、PD4分別為A、B、C相霍爾信號(hào)采集端口，PB7、PB6、PB5分別為A、B、C相過零點(diǎn)信號(hào)輸入端口，PC2、PC1、PE5分別為A、B、C相下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端口，PC3、PC7、PC6分別為A、B、C相上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端口，PD7為L(zhǎng)ED指示燈控制端口，PD6為比較器保護(hù)端口，PA3、PF4為通訊端口，PD1為單線調(diào)試端口，PB0為相電流檢測(cè)端口，PB1為平均相電流檢測(cè)端口，PB2為電源電源檢測(cè)端口，PB3為轉(zhuǎn)把信號(hào)輸入端口，PC5為剎車信號(hào)輸入端口。由于本系統(tǒng)所使用控制芯片為內(nèi)部自帶16M晶振的STM8S903K3，所以系統(tǒng)可使用芯片自帶晶振提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，NRST引腳為復(fù)位信號(hào)的輸入端口。

圖4.2單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

    電源電路主要給板子其他工作電壓元器件提供工作電壓。該部分主要穩(wěn)出+15V、+5V電壓。其中+15V主要供比較器和放大器使用，并提供MOSFET的開啟電壓；+5V主要供STM8S903K3及霍爾傳感器工作。其原理圖如圖4.3所示。

圖4.3 穩(wěn)壓電源電路圖

    如上圖所示，VK+經(jīng)一個(gè)防反擊二極管D5加在穩(wěn)壓芯片LM317的輸入端，LM317的輸出端輸出一個(gè)+15V的穩(wěn)定電壓；同時(shí)該+15V的電壓加在78L05的輸入端，78L05的輸出端為+5V的穩(wěn)定電壓。其中，D2的作用是防止+5Vout的電壓反擊，R2、R3的作用為提供一個(gè)反饋電壓，電容的作用為減小電源到地的阻抗，抑制電源噪聲的干擾。

    該電路主要是將電源電壓分壓后送到單片機(jī)，供單片機(jī)AD采集并處理，達(dá)到監(jiān)測(cè)電源電壓，對(duì)電機(jī)進(jìn)行過壓保護(hù)，防止電源過度放電的目的。其原理圖如圖4.4所示。

圖4.4 電源電壓監(jiān)測(cè)電路圖

    目前市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車有低電平剎車和高電平剎車兩種類型，本課題設(shè)計(jì)的電路兼具低電平和高電平兩種剎車電路。

如圖4.5所示，當(dāng)為低電平剎車時(shí)，低電平信號(hào)通過隔離二極管將R16端電平拉低后直接送入到單片機(jī)剎車I/O口，實(shí)現(xiàn)剎車；當(dāng)為高電平剎車時(shí)，電阻R17、R18和Q1構(gòu)成一個(gè)電平取反電路，把高電平轉(zhuǎn)換為低電平。當(dāng)軟件檢測(cè)到I/O口為低電平時(shí)，便認(rèn)為是剎車信號(hào)。

圖4.5高、低電平剎車電路圖

霍爾式位置傳感器輸出為三路脈寬180°的霍爾信號(hào)H_a、H_b、H_c，三路信號(hào)互差120°相位差，所以在360°電角度內(nèi)，H_a、H_b、H_c信號(hào)變化規(guī)律為100—110—010—011—001—101，這六種狀態(tài)分別持續(xù)60個(gè)電角度�；魻柺轿恢脗鞲衅餍盘�(hào)處理電路如圖4.6所示。

圖4.6 霍爾信號(hào)檢測(cè)電路圖

霍爾式位置傳感器安裝在電機(jī)內(nèi)部，有5 根信號(hào)線(電源線、地線、3根霍爾信號(hào)線)。由于采用開路輸出，所以外部必須加上拉電阻，并對(duì)H_a、H_b、H_c進(jìn)行阻容濾波以抗干擾。

霍爾信號(hào)H_a、H_b、H_c送到PD2、PD3、PD4 口，采用外部觸發(fā)的方式讀取H_a、H_b、H_c 狀態(tài)。單片機(jī)根據(jù)H_a、H_b、H_c 的狀態(tài)控制三相星形全橋驅(qū)動(dòng)電路中上下橋功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷。

    反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)電路主要用于提供電機(jī)繞組的反電動(dòng)勢(shì)的過零信號(hào)。當(dāng)電機(jī)工作在無傳感模式下，要想正確換相，就必須知道當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置。該電路可以準(zhǔn)確地給單片機(jī)提供電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)“過零點(diǎn)”。該設(shè)計(jì)方法在外部電路中重構(gòu)了一個(gè)電機(jī)星點(diǎn)，其電位和電機(jī)星點(diǎn)電位相近，然后通過3個(gè)比較器，將A、B、C三相的相電壓與星點(diǎn)電壓比較，找到三相反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)。使用過零信號(hào)觸發(fā)外部中斷，控制換相。當(dāng)過零點(diǎn)到來時(shí)，比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷。其電路原理圖如圖4.7所示。

圖4.7 反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)電路原理圖

如上圖所示，比較器的6、8、10引腳電壓約為電機(jī)星點(diǎn)電壓，當(dāng)繞組端電壓大于星點(diǎn)電壓時(shí)，比較器輸出高電平；當(dāng)繞組端電壓低于星點(diǎn)電壓時(shí)，比較器輸出一個(gè)低電平。這樣，我們就可以得到一個(gè)和霍爾信號(hào)相近的方波信號(hào)。再通過一定的邏輯，我們可以判斷出當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，從而控制換相。

在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，為了對(duì)主電路電流進(jìn)行監(jiān)控，需要對(duì)主電路電流信號(hào)進(jìn)行采樣反饋，電流檢測(cè)電路就是用來對(duì)電動(dòng)機(jī)三相繞組中的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)以便對(duì)電機(jī)達(dá)到更好地控制。電機(jī)電流檢測(cè)電路如圖4.8所示，CSEN端信號(hào)為采樣電阻上的壓降，通過對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，就可以知道當(dāng)前的母線電流。

圖4.8 電機(jī)電路檢測(cè)電路圖

   如上圖所示，電流檢測(cè)是通過單片機(jī)采樣采樣電阻上的壓降實(shí)現(xiàn)的。采樣電阻上的壓降先經(jīng)過一個(gè)低通濾波器，再由放大器輸入單片機(jī)的AD采樣接口，其電壓放大倍數(shù)由R33和R32決定。

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路是控制器與電機(jī)直接相連的部分，具有功率放大、自舉升壓等功能。其根據(jù)控制器發(fā)出的邏輯信號(hào)控制上下橋MOS管的導(dǎo)通與截止實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的開與關(guān)并通過改變PWM占空比大小來調(diào)節(jié)MOS管的開關(guān)頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。本系統(tǒng)中使用的功率驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4.9所示。

圖4.9 功率驅(qū)動(dòng)電路

如上圖所示，以A 相上下橋的功率管驅(qū)動(dòng)電路為例。功率管采用N 溝道增強(qiáng)型MOSFET。