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1、题 目： 电动自行车控制器的设计 姓 名： 学 号： 系 别： 专 业： 指导教师： 2013年5月18 日毕业论文（设计）作者声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全了解有关保障、使用毕业论文的规定，同意学校保留并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版。同意省级优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印、缩印、扫描等方式进行保存、摘编或汇编；同意本论文被编入有关数据库进行检索和查阅。本毕业论文内容不涉及国家机密。论文题目：电动自行车控制器的设计作
2、者单位：作者签名： （学号： 年 月 日 目 录摘要1引言21.现状及存在问题21.1电动自行车的现状21.2无刷直流电动机的发展现状31.3电动自行车控制器的研究现状及存在的问题42.电动自行车控制器的设计原理及硬件电路52.1主要元件的选取52.2系统设计的原理依据82.3整体硬件系统框图102.4模块电路的设计113. 系统软件设计153.1软件整体设计方案153.2子模块设计163.3抗干扰设计204.结果与分析215.展望23参考文献24致谢25电动自行车控制器的设计摘 要：针对目前电动自行车控制器的结构复杂、可靠性低、难以维护以及不易升级拓展的缺点，本设计提出了基于AT89S52单
3、片机为主控芯片的无刷直流电机控制的设计方案。由霍尔传感器采集的信号计算出转速，单片机通过PWM方式实现速度闭环控制；同时对电机相电流采样进行电流闭环控制；组成“速度-电流”双闭环控制系统。利用无刷系统电子换向的特点，根据能量回馈制动原理实现柔性电子刹车。结合高效的编程算法简化了系统结构，降低了系统成本，增强了系统性能，提升了骑行舒适度，可以满足不同应用场合的需求。关键词：单片机；无刷直流电动机；双闭环控制；柔性电子刹车Design of Electric Bicycle ControllerAbstract: This paper points at the disadvantages of
4、electric bicycle controller of complicated structure, low reliability, difficult maintenance, hard to upgrade and expand currently. This design puts forward a project based on AT89S52 single chip microcomputer as the main control chip of brushless DC motor control. Speed is calculated by the signal
5、acquisition hall sensor. The MCU accomplishes speed closed-loop control by the way of PWM, at the same time with sampling the motor phase current to complete current closed-loop control. Double closed loop control system of speed and current is achieved. According to the energy feedback braking prin
6、ciple realize flexible electronic brake by using the characteristic of electronic commutation of brushless system. Combined with the programming algorithm efficient simplifies the system structure, reduces the system cost, enhances the system performance, and enhance the ride comfort, which can meet
7、 the requirements of different application occasions.Keywords: MCU; Brushless direct current motor; Double closed-loop control; Electric absorption braking system引言步入二十一世纪，是呼唤绿色环保的时代，环境保护和能源问题成为最突出的两大主题。随着工业的飞速发展，人民生活水平的提高，汽车的使用越来越普及，石油资源严重匮乏。从环境保护角度讲，石油的使用造成的大气污染不断加重。此外，石油燃烧产生的二氧化碳虽然对人体健康没有太大危害，但是造
8、成的温室效应却破坏了大自然的生态平衡，对生态环境造成严重影响。在当前工业面临能源问题和环境问题的巨大挑战的现状下，发展清洁能源，实现能源动力系统的电气化，推动传统产业的战略转型，已经成为当前发展的目标1。目前，我国已出台许多优惠政策，扶持并引导电动车行业的快速健康发展。电动车的发展进入关键时期，机遇与挑战并存。这不但要求人们节约能源，更要求人们注重环境保护，以实现人与自然的和谐可持续发展。我国石油资源相对比较贫乏，尾气的排放又是目前大中城市大气污染的主要原因。为此发展电动车辆无疑是未来发展的必然趋势，也符合绿色环保的需求。1. 现状及存在问题1.1 电动自行车的现状近几年来，电动车以环保、低能
9、耗的特点，成为短距离出行的最好交通选择。电动自行车以较快的速度进入市场，逐渐取代自行车成为不可或缺的交通工具。人们环境保护意识的提高、对能源问题的关注以及高新科学技术的不断发展，也有力的促进了电动车产业的飞速发展。与发达国家相比，我国电动车的研究起步较晚，因此技术相对落后。我国有广泛的人口资源，在小城市以及乡镇大部分人都以自行车代步，电动车的市场潜力十分巨大。随着我国城乡一体化进程的推进及农村道路状况的不断改善，自行车的使用逐渐被电动车所代替，所以对电动车的需求量会逐渐增大。目前，我国市场上电动车品种规格很多，动力多采用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为24V36V或48V，功率在150W4
10、50W之间；蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为12Ah，充电时间在38小时左右，充电一次行驶里程约50KM；车速低于20KMH，爬坡能力在12o上下；车型有普通型和豪华型，车重约35KG，载重量约75KG2。近年来，随着电力电子技术和自动控制技术等的发展，电机的应用也得到了快速发展。由于不断地改进技术，电机的控制变得更加灵活，效率也更逐渐提高。由过去简单的起动停止控制、以提供驱动为目的应用，转变为对其速度、转子位置、转矩等精确的控制，以及对这些被控量的逻辑综合控制，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。1.2 无刷直流电动机的发展现状19
11、55年美国DHarrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利标志着无刷电动机的诞生。1978年MAC的无刷直流电机及其相应驱动器的出现使无刷直流电机开始真正进入实用阶段。从而引发了对无刷直流电机研究的小高潮，之后研制成功方波无刷直流电机和正弦波无刷直流电机。近几十年以来，随着永磁新材料、集成电子技术、自动控制理论以及电子技术尤其是大功率开关器件的快速发展，使得直流无刷电机得到了长足的发展。无刷直流电机在运动控制领域受到广泛的应用得益于其优良的转矩特性，以往的直流电动机由于没有电刷而需要机械换相，造成可靠性较低，而且电刷容易出现问题需要经常维护；在换相时会产生电磁间干扰，噪声较大
12、，从而影响了普通直流电机在自动控制系统中的发展应用。以电子换相取代机械换相的无刷电机克服了机械换相带来的缺点，得到了广泛应用和快速发展3。无刷直流电机在保持了传统直流电机的良好动、静态调速特性的同时，还具有构造简单、运行可靠、易于控制、不产生火花、电磁噪声低、效率高、转矩特性优异等优点。其应用从最初的军事工业，快速向民用行业以及工业自动化领域迅速扩展。与有刷直流电机不同，无刷直流电机的电枢为定子绕组，励磁绕组被永磁材料所取代。根据流入定子绕组的激励电流波形的不同来划分，直流无刷电机可以分为方波直流电机（BLDCM）和正弦波直流电机（PMSM）。BLDCM用电子换相克服了以前直流电机机械换相的缺
13、点，用永磁材料做转子省去了电刷；而PMSM是用永磁材料代替普通电机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和碳刷。在相同的条件下，驱动电路获得方波相对比较容易，并且控制比较简单，因此BLDCM的应用要比PMSM广泛的多。无刷直流电动机的典型应用一般由一台同步电机、一组转子位置检测器和一套受位置检测器控制的逆变器组成。中小型电机的逆变器一般由晶体管组成；大型电机的逆变器通常采用晶闸管构成，称为晶闸管电动机。运行时，霍尔位置传感器获得电机转子位置信息，经过处理后输入控制器进行逻辑综合，之后控制器输出PWM波使功率逆变驱动电路中的开关管有序的导通和截止，从而实现电子换流，驱动直流电机可靠稳定运转。1.
14、3 电动自行车控制器的研究现状及存在的问题电动车控制器是用来控制电动自行车电机的运行、速度以及其它电子部件的核心器件，它就是电动自行车的大脑，是电动车上最重要的部件。不同车型所对应的控制器因性能不同而各具特点。电动车控制器从结构上可以分两种：分离式和整体式。电动车控制器的设计应兼顾蓄电池和电机的实际使用情况，合理分配蓄电池、控制器和电机之间的关系，将其作为一个整体系统来设计，这样才能得到较为匹配的电动车控制器。目前来看，电动自行车控制器的控制系统主要有以下几类：（1）模拟控制系统：由大量分立元件配合少量集成芯片组成的模拟电路构成；（2）专用控制系统：由控制无刷直流电机的专用高集成度芯片配以外围
15、功能电路构成；（3）数模混合控制系统以及全数字控制系统：以单片机、高速DSP芯片以及ARM芯片为核心加以外围功能电路构成4。模拟控制系统中的大量分立元件存在着不可消除的参数漂移，而且模拟电路排布复杂、不便于调试，因此电机的可靠性稳定性受到影响，性能难以高效率发挥，在现在的电动车控制器中已经很少采用了。由专用集成电路为核心的控制系统采用无刷直流电机专用控制集成芯片如MC33033、MC33035为主要控制器件，这样可以有效减轻分立元件带来的参数漂移的危害，而且使控制电路的总体体积减小、可靠性提高，但是这类控制器一旦成型，后续功能往往难以扩展，升级不便。这类控制器在初期的电动车中采用较多。近年来D
16、SP和ARM的迅速发展，也为电机控制核心芯片的选择开辟了一种新的途径，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C2xx系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，这些都是由一个以DSP为基础的核心，并结合电机控制所需的外部功能电路，集成在单一芯片内，使控制器整体体积大大缩小、各部分结构紧凑、易于使用、可靠性提高。较为先进的DSP还可以提供专用的事件管理模块用于电机控制，这样一来它在电机矢量控制以及矩阵变换等方面具有显著的优势。未来应用DSP作为电动车控制器的主控芯片是一种势不可挡的趋势。但是目前来看这些专用集成芯片价格较为昂贵，外围电路设计复杂造成维修困难，所以在广大的
17、民用市场难以大规模推广。由于控制器非常注重成本，而DSP和ARM的控制策略的理论研究还不够成熟。因此，在一定时期内这类控制器还不会大规模应用于潜力巨大的民用市场。数模混合控制系统和全数字控制系统采用数字电路和单片机组成硬件系统，控制由主要依靠硬件实现偏向由软件实现，控制比较灵活、功能方便扩展且易实现复杂的控制算法。所以目前这类电动自行车控制器得到广泛的关注和研究。2. 电动自行车控制器的设计原理及硬件电路2.1 主要元件的选取现在市场上大部分电动车生产厂商采用Motorola公司的MC330xx系列无刷直流电机专用集成控制芯片，该芯片包含了无刷电机控制系统必需的基本控制功能。本设计的主控芯片采
18、用AT89S52单片机，不仅能够实现专用集成控制芯片MC33035可以实现的所有功能，而且更容易对系统进行后续升级拓展。2.1.1 控制芯片的选取AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32
19、 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止5。AT89S52引脚排列如图1所示。图1 AT89S52引脚排列2.1.2 电机的选取异步电机的优点有价格便宜、可靠性高、转速高、低转矩波动和不用位置传感器等，采用矢量控制性能优异而成为电动车用驱动电机的首要选择。
20、但是异步电机存在较大的铜损，运行效率低，特别是在低速运行时，效率较低。开关磁阻电机结构简单、效率高，低速运行时仍可提供很大的转矩，且驱动器设计比较简单；缺点主要是振动以及噪声较大。无刷直流电机转子为永磁体，用定子绕组换相代替机械电刷换相，用霍尔传感器检测转子位置信息。与前两类电机相比，无刷直流电机的优点有：（1）电机性能好，具有转矩大的特性。（2）速度调节范围宽，可以全功率运行在任何转速下。（3）电机转换效率高，载荷不影响其效率。（4）过载能力强，制动效果好。（5）电机整体体积小、重量轻。（6）电机采用电子换相，可靠性高。（7）电机控制系统较为简单。因此无刷直流电机是比较理想的电动车辆驱动部件
21、。无刷直流电机结构如图2所示。图2 无刷直流电机结构目前技术较为成熟的驱动方式为全桥式电机驱动，图3所示为无刷直流电机的驱动电路简化图。T1T6为大功率驱动器件。根据单片机输出的逻辑信号，T1T6会顺序导通和关断，从而驱动电机运转。图3 无刷直流电机驱动简化图在任意时刻无刷直流电机只有两相导通，第三相悬空。霍尔传感器位于电机内部，呈120o分布，导通的次序由霍尔传感器获取的转子位置信号决定。电机转子每转过60o电角度，逆变器就进行一次换流，定子的状态就改变一次。以Ha，Hb，Hc表示电机内部的霍尔位置传感器，电机转动时霍尔传感器信号电平、导通的功率开关器件和绕组的导通相之间的关系如表1所示。表
22、1 导通换相关系表Ha Hb Hc导通的MOS管导通相1 1 0T1 T2UW0 1 0T2 T3VW0 1 1T3 T4VU0 0 1T4 T5WU1 0 1T5 T6WV1 0 0T6 T1UV2.1.3 高压三相场效应管电机驱动芯片IR2103S在功率变换电路中，根据主电路的结构分布，功率开关器件驱动方式有两种：直接驱动和隔离驱动。隔离驱动方式需要将驱动模块、控制模块和主电路分开，以免引起干扰造成整体电路不稳定。隔离驱动有电磁隔离和光电隔离两种方式。光电隔离电路占用空间小，构造简单，但共模抑制能力不强，传输速度较慢。电磁隔离方式的隔离元件采用脉冲变压器，能够快速响应，共模抑制能力强。但是
23、输出信号的最大传输带宽受磁饱和特性的限制，信号的顶部不易传输，且限制最大占空比在50以内。同时脉冲变压器的体积大，加工复杂。IR公司生产的IR2103S驱动器，同时具备光耦隔离和电磁隔离的优点。采用抗干扰CMOS工艺制造，DIP8脚封装，具有独立的低端输入通道和高端输入通道；其高端工作电压可达600V；输出电压范围1020V；工作频率可达500kHz；导通、关断延迟小，响应迅速6。本设计采用DIP封装的IR2103S，驱动芯片IR2103S引脚排列如图4所示。图4 驱动芯片IR2103S引脚排列2.2 系统设计的原理依据2.2.1 无刷直流电机的控制无刷直流电机由于没有电刷，电机的运转需要受到
24、外部驱动电路的控制，可以用编程的方式实现电机的电子换相和无级调速。脉冲宽度调制属于模拟控制方式，是根据相应载荷的不同来调制MOS管栅极的偏置量，来改变MOS管导通时间的。这种调节方式能保证电源的输出电压在工作发生条件变化时维持恒定，是利用处理器输出的数字信号对模拟电路进行有效控制的一种方法。PWM脉宽调速，是指通过改变开关器件的通断时间，来改变电枢两端的平均电压，调节电机转速的方式。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，可将噪声影响降到最小。电机通过霍尔位置传感器获取转子的位置信息并送给控制器，控制器对位置信号进行逻辑综合，输出PWM波来控制开关管的导通和截
25、止，驱动电机安全稳定运行。2.2.2 速度电流双闭环调节整个双闭环控制系统包括电流回馈控制环和速度回馈控制环。系统的电流反馈控制环和速度反馈控制环的控制都是数字控制方式，都由单片机来完成。外环是速度回馈控制环，单片机根据设定的速度值与经霍尔传感器获得的信号计算出的实际速度值运算比较可以得到电流设定值，实际对应的为电机设定的电压值。内环为电流回馈环，对速度控制电路的输出电流设定值与经采样电阻采样放大转换得到的电流值，通过合适的算法，计算出对应的PWM波，从而实现电动机的闭环调速控制。双闭环调速系统把速度控制电路的输出作为电流控制电路的设定值来回馈控制电机的转速7。这种方法可以实时根据预设速度大小
26、与实际运行速度大小的差值及时控制电机的转矩，在差值较大时增大电机转矩，加快速度变化，使电机速度较快地把达到预设值。在电机速度接近预设值时，自动减小转矩，避免超调过大，实现快速调速。为了抑制干扰的影响，电流调节环的等效时间常数设置较小，使系统在受到干扰时能迅速反应，使系统的稳定性和抗干扰能力得到提高。而且双闭环调节系统以速度调节电路的输出作为电流调节电路的输入设定值，对速度调节电路的输出做出限制就同时限制了电路中的电流大小，从而实现保护逆变桥的作用8。电机的正反转控制由单片机输出相对应的信号控制开关管的导通相序。使用采样电阻将流经MOS管的实际电流大小采样处理后送到单片机，当电动机绕组的相电流大
27、于程序设定值时，单片机能够灵活地调用子程序进行保护。双闭环调速原理图如图5所示。转速调节电流调节PWM同步控制霍尔位置传感器三相桥式逆变驱动电路母线电流检测转速计算无刷直流电机图5 双闭环调速原理2.3 整体硬件系统框图本文设计的电动自行车控制系统包括以单片机为核心的主控模块；以IR2103S为核心的驱动模块；另外还有位置信号检测及综合部分、电流信号采样放大和比较部分以及一些外围功能辅助电路等。控制电路实现电机的启动、电子换相、无级调速、电子刹车制动等控制并可以对电机进行保护；驱动电路利用IR2103S的自举技术驱动大功率MOSFET管的导通和截止驱动电机运行；外围功能电路做到对各种信号的采样
28、处理、对不同电路的供电、保护等。系统整体框图如图6所示。保护电路功能电路AT89S52电流采样及转换无刷直流电机霍尔传感器转把、闸把驱动电路图6 系统整体框图直流电源通过大功率MOSFET管构成的逆变桥向无刷直流电机供电，在每一次采样周期开始时，单片机先根据霍尔传感器获取的位置信息判断系统的运行状态，若处于静止状态则用软件开环软起动，当速度达到一定值后切换到闭环调节状态。“软启动”可以缓解零状态起步时耗电量大的问题，能延长一次充电的骑行里程。常规的电子换相是直接获取霍尔传感器采集得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
29、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。电动车在正常骑行时，控制器的大功率MOSFET管处于开关工作状态。电机速度控制采用脉宽调制方式，不同的速度对应电机的电压电流也不同。行驶速度与控制器输出PWM波的电压成正比。因此，不同的速度和负载，功率管的功率损耗也不同。速度调节信号由霍尔调速转把送出，转换处理后送至单片机，由单片机对输入信号进行逻辑综合，输出相对应的PWM脉冲信号至大功率驱动管。过热保护、欠压保护、过流保护和堵转保护等功能的实现，由运算放大器采样放大处理后送至单片机，再由单
30、片机控制是否禁止输出PWM波9。2.4 模块电路的设计2.4.1 电源电路电源工作性能的好坏关系到整个控制系统的稳定。电源电压为24V，不能直接给单片机和一些集成电路供电，因此需要把它转换成符合量程的电压。图7 电源电路本设计电源电路转换为5V和18V。其中5V给单片机和除IR2103S以外的集成电路供电，18V给IR2103S供电，24V直接给大功率MOSFET管供电。被控无刷直流电机额定工作电压为24V，为滤除电机工作时母线上的波纹，使母线电压稳定，并联了一个大电容用来滤波。电源电路如图7所示。2.4.2 三相全桥逆变电路及驱动电路逆变电路由功率开关管组成，采用单极性PWM控制技术控制电动
31、机运行。所谓单极性PWM控制，就是两个开通管中一个开关管采用定频调宽的PWM控制，另一个开关管常开。本电路中上桥臂开关管采用PWM控制，下桥臂开关管常开式。逆变电路中的开关管均采用大功率的MOSFET管。为了保护功率开关管，每个开关管上都并联快速续流二极管IN4148。本系统采用MOSFET管的型号为60N06，是意法半导体公司生产的一种N沟道MOSFET。其基本参数为：漏源最大电压 VDSS=60V，源极最大连续电流ID=60A，源极最大冲击电流I=320A10。为了提高系统的效率，减小MOSFET的功率损耗，使功率管开关工作时的通态电阻最小，即满足漏源电压不小于10V，本系统采用l8V。图
32、8所示为驱动电路。图8 驱动电路2.4.3 电流采样电路对于无刷直流电动机，在较大负载低速运行时，电机转子绕组相线会产生较大电流，从而使得大功率M0S管中流入大电流，这样容易导致M0S管烧坏，控制器无法正常运行。因此用电流检测电路来时时监控电流大小必不可少，以便电流过大时及时发出中断指令来保护控制器。电流检测也是实现系统电流闭环调节的重要保障，一般来说电流检测有以下两种方案：（1）采用集成检测模块。现在电流检测模块种类很多，具有使用方便、反应灵敏、报警值可调和多路检测等优点；但是成本较高，不易排查故障。（2）采用分流电阻间接测流。方法为：在直流绕组侧接合适阻值以及功率的分流电阻，通过测量分流电
33、阻上的电压，可以得到直流回路中的电流值；然后对比直流电机三相绕组的各相相电压就可以确定采样获取到的电流属于哪一相。由于直流无刷电机本身的控制特点，方案1电路中最少要检测任意两相电流，因此至少需要两组检测模块，这样就使成本增加。第2种方案对于AD转换的精度以及软件数据处理速度有一定的要求，其优点在于造价低。因此本系统采用第2套方案，降低成本，优化算法。电路运用LM358构成电流比较电路，采样电阻为一个阻值为0.02的康铜，经放大后输出信号给数模转换端口，之后输送给单片机，完成电流采样。同时康铜两端电压再送给比较器并与已知电压比较，比较器的门限值由电阻分压得到，一旦超出预定值便发出过流输出信号给单
34、片机，单片机发出中断指令，完成过流保护11。采样比较电路如图9所示。图9 采样比较电路2.4.4 霍尔位置检测电路位置信号是电机控制的主要反馈信息，只有确定转子的当前位置，才能根据程序要求决定下一步的定子三相绕组的导通模式。因此，能否有效控制无刷直流电机取决于转子位置的精确测定。本系统采用霍尔式位置传感器来获取无刷直流电机的位置信息。霍尔传感器是一种半导体器件，利用霍尔效应制成。当霍尔元件置于外磁场中有电流流过时，输出霍尔电势信号；当其没有外磁场作用时，其输出端无信号输出。霍尔式位置传感器具有构造简单、价格低、体积小、工作可靠的优点。因此，在对性能和环境要求一般的永磁无刷直流电动机应用中，霍尔
35、位置传感器使用较广泛。安装霍尔元件时，应使其尽量靠近永磁体，否则会造成输出信号电平太低，影响正常工作。霍尔传感器的可以检测电机转子位置，同时也可以根据电机转动一圈霍尔信号变化的周期数，计算出电机的转速，为转速PID闭环调节奠定基础。PWM波驱动无刷直流电机是依靠霍尔传感器获取的位置信号控制逆变器电子换流来实现的。由于霍尔传感器安装在电机内部，当电机转子运动时会产生抖动，同时电机的绕组电流变化也会产生干扰，输出信号中会含有很多杂波，因此需要把杂波滤除。同时为了消除单片机控制电路对霍尔传感器的影响，采用二极管隔离。霍尔位置检测电路如图10所示，其中J1为霍尔传感器接口。图10 霍尔位置检测电路2.
36、4.5 转把输入电路电动自行车的在行驶过程中，并不会以恒定的速度运行，有时需要加快速度，有时需要减慢速度，因此调速是电动自行车不可缺少的一个功能。图11 转把输入电路当转动自行车转把处的霍尔手柄时，输出的模拟电压发生变化，送至单片机的P3.5口，单片机收到信号进行逻辑综合从P1.6输出不同占空比的PWM波形，从而控制加到直流电机的电压大小，实现软启动和无级调速的目的。图11所示为转把输入电路，其中J3为霍尔手柄接口。2.4.6 欠压保护的电路设计欠压保护电路主要对电池电压实施监控。监控信号由经过电源的分压电阻分压产生，经AD转换后得到数字信号，与程序中预先设定的值比较，判断电源是否欠压，如果低
37、于设定值则认为是欠压，使单片机停止输出PWM波。如果电路刚上电自检时就检测到电源电压低于设定值，欠压保护电路就封锁PWM波的输出。只有当启动自检时电源电压大于设定值，经过软启动过程，内部各电路模块才开始正常工作，输出PWM波12。3. 系统软件设计3.1 软件整体设计方案系统软件采用纯模块设计，在KEIL集成开发环境中由C语言编写完成，软件设计主要完成以下功能：（1）实现无刷直流电动机的软启动和电子换相。软启动时，PWM占空比由转把和软件共同控制。正常运行时根据电机霍尔位置获取信息进行电子换相，保持电机的正常运转。（2）实现电动车各项功能设计。包括无级调速、手动/自动巡航、柔性电子刹车等。（3
38、）无刷直流电机速度电流双闭环控制。内环为电流环，电流调节算法为PI（比例调节和积分调节）控制算法；外环为速度环，速度调节算法采用模糊PI闭环控制算法。（4）使电动车及控制器的安全可靠运行。设计了堵转保护、过载保护、上电自检、欠压保护、过流保护以及防飞车保护等，提高安全性且更人性化。主程序分为初始化和循环主体两大部分。初始化部分主要是把系统资源和各变量初始化。循环主体部分包括对转把信号和电源电压采样，获取刹车信号并处理以及实现双闭环调速。每次循环开始先检测蓄电池电压是否欠缺以及刹车信号是否存在13。过流保护在程序中有2种情况。第1类过流：当前检测到的电流值超过了电机额定工作电流，但不大于设定的2
39、类电流，比如爬倾角小的坡道或者增大了负载。此时没有必要禁止输出，而只需稍微减小输出PWM波的占空比即可实现降低回路电流的保护要求。这类处理程序包含在闭环调速控制环节。第2类过流：当前获取到电流值大于程序中设定的故障电流值。单片机应立即禁止PWM波输出，此时还需要不断检测电流。当再次获取到的电流值小于故障电流值时，使PWM波重新输出，这部分程序放在对突发事件的中断处理中14。这种相互结合的电流调节方法可以更好的保护系统电路以及电动机，同时也不会发生因突发原因导致电流瞬间增大而突然停车，使整个系统更加安全舒适，更加人性化。系统整体流程图如图12所示。是否端口初始化定时器、A/D初始化子程序初始化中
40、断初始化使能中断故障报警系统自检事件处理中断处理开始图12 系统整体流程图3.2 子模块设计3.2.1 位置检测与换相子程序转子位置的确定主要依靠单片机获取来自霍尔传感器检测到的信号。转子位置信号是通过直流无刷电动机自身内部的霍尔传感器来检测得到的，由于霍尔传感器中的霍尔元件是集电极开路输出的，其输出信号通过上拉电阻可以得到位置方波信号，高电平置l，低电平置0，以低三位表示霍尔传感器Hc，Hb，Ha位置信号的状态，则可得到从001到110六种不同的状态。而111为不应该存在的状态，若出现这种状态，说明电机或者霍尔传感器可能出现故障，此时程序应当立即停止运行。而当检测到的状态为000时，说明此时
41、电动机还处于静止状态，这时就要运行开环PWM调速子程序进行软启动，可以实现电机从静止到达到一定转速的过程。当电机速度保持一段时间后，进入闭环控制程序。电子换相子程序通过查表的方法确定电机的运行状态。进入电子换相子程序后，首先检查电动机是否处于正常运行状态，当电机出现运行不正常时，单片机中断响应将故障标志位置为1，电子换相子程序根据得到的故障标志位的状态确定输出正常换相信号或者跳出电子换相子程序，跳出换相子程序后进入故障保护子程序，故障排除之后要把故障标志位置为0。当结束正常换相后，应把换相标志置为0，以便进行下一次换相15。电子换相程序流程图如图13所示。是否保护现场换相标志位置0恢复现场故障
42、标志位为1中断结束查表确定换相并换相输出进入中断图13 电子换相程序3.2.2 巡航程序模块电动车根据进入巡航功能方式不同，可以分手动巡航和自动巡航。手动巡航的实现只需要按下巡航按钮，电动车就进入巡航模式。自动巡航的实现应满足当霍尔调速手柄的输入电压值在设定的参考值之间，并且保持输入的电压值至少5秒（可以由程序设定），电动车即可进入自动巡航模式，按照进入自动巡航前的速度继续行驶。此时松开调速手柄，电动车仍然可以按照电机巡航前的速度运行，只有在重新获取与之前相差超过设定值的调速电压才会自动退出巡航模式，执行新获取的调节信号16。在软件设计中，调速手柄产生的模拟电压经采样变换后，如果调速手柄产生的
43、电压值在程序设定的时间范围内没有较大的变化，电动车就自动进入巡航状态。3.2.3 中断服务模块中断处理的过程为：进入中断服务子程序后，先关闭系统总中断，防止更高优先级的中断进入，同时保存中断现场。之后根据不同状态位进入相应的中断服务子程序并执行，相关的中断服务执行结束后应恢复现场，同时清除相应的中断标志位。在退出中断服务的同时打开系统总中断，为接收下一次中断做好准备。是否是是是否否否保护现场堵转保护柔性电子刹车换相及换相补偿是否堵转是否刹车是否换相是否过流过流保护恢复现场等待下次中断中断开始图14 中断服务程序流程图定时中断服务子程序是系统软件的核心，完成整体电路的所有功能。定时中断服务子程序
44、不断扫描以获取外部输入的各种信号，如刹车信号、巡航信号等。同时实时检测电源电压和电机相电流，假如获取得到的检测值超出设定值，进入相应的保护子程序。中断服务程序流程图如图14所示。3.2.4 柔性电子刹车模块柔性电子刹车（EABS）是目前用在汽车上比较成熟的一个重要的安全保护功能，EABS的性能可以体现出控制器的技术含金量，也是使电动自行车鹤立鸡群的一大优点。EABS在电动自行车上作为传统机械刹车的辅助措施，平时正常骑行中优先采用电子刹车，当遇到紧急情况时电子刹车、刹车片刹车同时进行，使机械刹车片寿命延长的同时，还增强了刹车效果，从而降低事故发生的概率。是否检测是否有刹车信号减小PWM占空比直至
45、0关断所有MOS管延时下桥MOS管导通三路PWM占空比由100%减小到0结束开始图15 柔性刹车部分流程图EABS的理论依据是能量反馈制动原理，进入EABS时，先关断所有大功率MOS管，然后使所有上桥大功率MOS管导通，且只采用上桥PWM波脉宽调制方式，使PWM波的占空比从100迅速减小至0。输出PWM波占空比的减弱速度决定了刹车的柔度，减小速度越快，刹车越急，柔度越硬；减小速度越慢，刹车越缓，柔度越柔。为了使电机绕组中的电流不发生突变引起保护电路工作，当按下刹车键时，可以把正常骑行时的占空比逐渐缓慢地减为0，之后关闭全桥，然后再开通上桥。其流程图如图15所示。3.2.5 保护模块欠压保护电路
46、通过对电池电压进行采样，当电池电压下降到设定值时关闭PWM波输出，使蓄电池不会因过放而造成不必要的损伤。对电源电压进行采样转换之后，欠压时欠压标志位置为1，并发出欠压警报；同时开始定时，欠压警报满5秒之后停机。过流保护电路可以对MOS管进行保护，将电机最大相电流限制在设定范围之内，当检测获取到的电流超过设定值时关闭驱动MOS管，防止MOS管上大电流流过时产生不可恢复的损坏。过流保护是控制器整体安全保护的最后一道防线，过流保护采样电阻采用康铜丝，当系统瞬间电流超过最大设定保护电流值而保护服务子程序来不及反应时，烧断康铜丝以起到保护作用。在电机运行时，系统还对电机进行“速度-电流”控制，控制器根据
47、采样计算判断电机相电流与电机速度是否保持在设定范围内。如果在相关设定范围内，控制器控制电机车速主要以不超过最大电流设定值为依据；如果电机相电流与电机速度超出相关范围时，即使得到的电机相电流远没有达到最大限流设定值，控制器也对电机减小电流，然后再次判断电机转速与电机电流的相关性；如果仍然不满足相关性要求，控制器进一步减小电流。这样控制器每否定一次相关性判断，电机相电流就减小一次，直到控制器停止驱动电机。堵转是指由于程序中速度给定值设置较高，此时控制器有PWM波输出，但是电机由于电子换相顺序紊乱而无法正常运行，在两个相位之间来回转动的现象。由于没有按照正确顺序进行电子换相，换相电流难以释放，因此该相的相电流较大。如果缺失堵转保