智能型电动自行车控制器设计(优秀论文)

1.1课题的背景和意义

电动自行车是近30年才发展起来的，70年代开始研制，90年代实现商品化。它作为“绿色交通工具”和“健身器材”，操作简便，价格适中，骑行安全、舒适、省力，且无废气、噪音污染，满足了广大工薪阶层和中老年人的需求，世界上许多国家纷纷将它作为一种产业来发展。中国作为自行车最大拥有国，电动自行车的发展与国外基本同步，至2002年，已有电动自行车生产厂近300家(不含配套厂)，电动自行车保有量200多万辆[1]。我国对电动车的发展极为重视，早在1992年就把电动车的开发列人国家“八五”重点科技攻关项目。作为“自行车王国”，电动自行车的发展符合我国国情。1997年，轻工行业就制定了电动自行车行业标准。1999年，又制定了电动自行车国家标准，该标准对电动自行车的生产、销售进行了强制性规范。电动自行车在我国经历了十几年的发展，无论从产量还是质量来看都有了很大的进步，目前我国从事电动自行车整车生产厂家已经超过2000家，从事电动自行车配件生产厂家达到3500多家，其中80%以上为民营企业，目前我国的电动行车发展已经形成了四大片区：以无锡、台州为中心的江浙地区东部片区，生产豪华型电动车为主；以天津为中心的华北片区，主要生产简约性电动自行车为主，以广东东莞为中心的华南片区；以及逐步发展起来的上海和山东片区。98年我国发展电动车以来产量大幅增长，从1998年的5.8万辆发展到2009年的2369万辆。目前我国电动自行车的保有量已经超过1.2亿台（此部分包括了未进入统计的一些小型工厂的销量）。截至目前为止我国电动车出口占全世界出口量的90%[2]。

目前，电动自行车的优越性表现在:一方面环保，节约能源，占用空间小，低噪音;另一方面出行方便快捷，能有效缓解城市交通拥挤;其次价格便宜，操作简单等。可以预见电动自行车在我国普通老百姓生活中将成为一种重要的交通工具，随着居民经济水平的不断提高，能源的日趋短缺，以及环境问题日益严重，电动自行车的发展前景是非常广阔的，是符合我国国情和人民日常基本生活的需要的[3]。

1.2电动自行车发展现状

为创造市场需要，适合老弱妇孺各种年龄层骑乘自行车，厂商多年前即开始研制辅助驱动自行车并且在新电池和驱动机械马达技术成熟发展之下，电动自行车应运而生。海外发展较早的要数日本、奥利地、德国等国家和地区,近几年美国发展也比较快。日本电动车的生产及技术都占世界领先地位。商品化的电动自行车由日本雅马哈公司率先于1994年推出，并随着本田、三洋、松下等知名公司的参与，生产规模日益放大。德国为目前欧洲电动自行车主要市场之一,德国电动自行车的主要消费者为45-70岁之间的中老年人，其中60岁左右的消费者居多，但年龄在16岁以上的青少年也有可能成为潜在的消费者，关键是适度宣传。目前德国自行车制造商亦已加强研发，计划将多年来德国销售排行榜持续高居首位之登山车改成电动登山车，以吸引年轻消费者之青睐。由于美国提倡节省费用，鼓励少用汽车，已有不少人转而使用电动自行车。1999年美国电动自行车市场仅有6.5万辆，2000年，超过12万辆，紧迫欧盟市场，增长幅度惊人。只要产品进一步改善，地方提供安全骑车道路及停车场，美国电动自行车市场还将进一步扩大。规模直逼日本。在我国，电动自行车的生产与销售也呈逐年上升趋势。1998年我国电动自行车产量仅为5.45万辆，1999年为 12.60万辆，2000年又翻一番多，达到27.6万辆，同比增长230%。尤其近一年来，电动自行车的发展速度迅速。目前，市场上的电动自行车划分为高、中、低三个档次。高档车价格约在 2800元以上，中档车价格约在2000元至2800元之间，低档车价格在2000元以下。过去一年中，高、中、低档电动自行车的销售量分别占总销售量的 10%、60%、30%。

电动自行车广泛采用的是直流永磁电机，直流永磁电机按照是否采用电刷换向可分为有刷电机和无刷电机两种，其中有刷电机控制较简单，但因其电刷易磨损的电刷带来的维修保养工作量相对较大、使用寿命相对较短等缺点。有刷电机是直流电机的主流产品，目前绝大多数电动自行车电机都是有刷电机。无刷电机是一种特殊的直流电机，它采用内置传感器外加电子换向器的方法进行电子换向，无刷电机主要是为了消除电刷的磨损，以及电刷接触所产生的噪声。目前一些新产品使用无刷直流电机，在电动汽车上大多使用无刷电机。而直流无刷电机因为本身没有易磨损部件，电机寿命长，维修保养工作量小。但直流无刷电机采用电子换向原理工作，其控制过程比有刷电机复杂得多，因此对控制器质量的要求也高得多。

电动自行车控制器的基本原理是在电池电压基本恒定的条件下，采用断续供电的方法，改变电机供电电压的平均值，来控制电机速度、电流的大小。使得电机的运转符合控制要求，目前主要采取的控制方法是PWM（Pulse Width Modulation，简称PWM）脉宽调制控制机理，即：在所需的时间内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列电压脉冲，以达到控制频率、电压、电流的目的。电动自行车控制器是借助PWM电路来控制电机输出功率的，实现开关调制作用的是高频开关功率器件MOS管，用它来做执行高频斩波断续供电的开关，从而有效地解决了电机的速度和电流的操控性。

电动自行车控制器作为电动自行车的“神经中枢”，主要是协调电机和电源正常工作，同时保证驾驶尽可能经济、安全、环保。从以上两个方面决定了电动自行车控制器的发展方向，电机和电源的发展方向引导控制器的研究与开发的方向。驾驶操控性也同样决定其发展方向，其主要发展方向表现为以下几个方面：

1)智能化。控制器不仅仅进行驱动控制，同时将成为动力和能源管理中心，通过根据路况和助力的情况，智能的调配动力能源，使得能源利用效率提高。

2)定制化。高端的电动车市场主要是以品牌产品为主，不同的品牌产品其功能不尽。

3)相同，因此对控制器的要求也不一样，因此在控制器高端产品中逐步走向定制化。

4)强调管理功能。控制器功能越来越强大，逐步成为自行车的管理中心，如能源管理。

5)人性化、傻瓜化。针对电动自行车的消费群体的广泛性，电动自行车的控制必须走向人性化，如引述数字显示技术、甚至声音控制技术等操控更加容易，更加安

全舒适。

6)集成化。随着制造工艺的提高，MCU功能的强大，控制器逐步走向集成化，原来外部分立元器件较多，任何一个器件损坏都可能导致整个控制器瘫痪，而集成技术将原来的分立件集成到MCU中实现。保证了控制器的质量、减少返修率，缩小了控制器体积。另外还可以集成其他的功能如防盗系统功能。

1.3本课题的工作安排

本文在参考一些国内外文献的基础上，主要围绕无刷直流电机基本结构，工作原理、数学模型及其控制系统仿真方面的研究。全文主要分五部分，具体工作安排如下：

1 绪论。主要简述电动自行车的研究意义，并分析电动自行车的发展现的现状和发展趋势,最后论述课题的工作安排。

2 无刷直流电动机的工作原理与控制方案的确定。分析无刷直流电动机的基本结构和无刷直流电动机的工作原理，建立无刷直流电机的数学模型,确定了电动自行车的控制方案。

3 电动自行车控制系统仿真分析。根据对第二部分无刷直流电机的基本知识的理解，本章介绍了无刷直流电机的双闭环控制系统,进行了控制器相关参数整定以及控制系统的建模仿真。为控制器的软件设计奠定基础。

4 电动自行车控制器软件设计。根据无刷直流电机特点，以STC12C5A60S单片机为核心设计电动自行车控制器，对控制器软件部分进行研究讨论，设计相关软件，给出相应的软件流程图。

5 总结。对全文的主要内容进行总结分析。

2无刷直流电动机的工作原理与控制方案的确定

2.1 无刷直流电动机的结构

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。它的电枢绕组是经由电子“换向器”接到直流电源上，可把它归为直流电动机的一种。从供电逆变器的角度来看，它又可属于永磁同步电动机的一种，因为无刷直流电动机转速变化以及电枢绕组中的电流变化是和逆变器的频率是一致的。但是无刷直流电动机电枢绕组中流过的电流以方波形式变化，故又称为方波电流永磁交流电动机。无刷直流电动机的组成是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有多相绕组的定子取代电枢，用由逆变器和转子位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、转子位置检测器和电子换相电路三部分[4]，如图2-1所示。

2.2无刷直流电动机的工作原理

一般的直流电机由于电刷的换相，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电动机运转。无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通过的电流总量恒定，以产生恒定转矩，而且转矩只与电枢电流的大小有关。由于转子的气隙磁通为梯形波，由电机学原理可知，电枢的感应电动势亦为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。BLDCM三相电枢绕组的每相电流为120°通电型的交流方波，反电动势为120°梯形波。只要控制好逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。BLDCM三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点是简单，一个可控硅控制一相的通断，每个绕组只通电1/3的时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用，在运行过程中的转矩波动较大。所以最好采用三相全控式电路，电路如图2-2所示，在该电路中，电动机的绕组为Y联结[5]。

图2-2中UI为逆变器，PMM为永磁电动机本体，PS为与电动机本体同轴连接的转子位置传感器。控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后，产生脉宽调制(PWM)信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电动机气隙中产生跳跃式旋转磁场[6][7]。下面以两相导通星形三相六状态无刷直流电动机来说明其工作原理。

图2-2 无刷直流电动机三相全控电路

当转子永磁磁极位于图2-3(a)所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过驱动电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管VT1、VT6导通，即绕组A，B通电，A进B出，电枢绕组在空间的合成磁势为Fa，如图2-3(a)所示。此时定、转子磁场相互作用，拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极→VT1管→A相绕组→B相绕组→VT6管→电源负极。当转子转过60°电角，到达图2.3(b)中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管VT6截止、VT2导通，此时VT1仍导通。这使绕组A、C通电，A进C出，电枢绕组在空间合成磁场如图2.3(b)中Fa。此时定、转子磁场相互作用，使转子继续沿顺时针方向转动，电流的流通路径为：电源正极→VT1管→A相绕组→C相绕组→VT2管→电源负极，依此类推。当转子继续沿顺时针每转过60°电角时，功率开关管的导通逻辑为：VT3VT2→VT3VT4→VT5VT4→VT5VT6→VT1VT6…则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。

          (a)磁极处于B相绕组平面                       (b)磁极处于A相绕组平面

图2-3 无刷直流电动机工作原理示意图

在图2-3(a)到图2-3(b)的60°电角范围内，转子磁场顺时针方向连续转动，而定子合成磁场在空间保持图2-3(a)中的Fa的位置不动，只有当转子磁场转够60°电角到达图2-3(b)中的Fa的位置时，定子合成磁场才从图2-3(a)中Fa位置顺时针跃变至图2-3(b)中的Fa的位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是60°电角。

表2-1 两相导通星形三相六状态时绕组与开关管导通顺序表

当转子每转过60°电角时，逆变器开关之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见，电机有6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旋转120°电角，每个开关管的导通角为120°，两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的绕组与开关管导通顺序的关系如表2-1所示。

图2-4 梯形波反电势与方波电流

无刷直流电动机采用方波电流驱动，与120°导通型三相逆变器相匹配，由逆变器向电动机提供三相对称的、宽度为120°电角的方波电流。方波电流应与电势同相位或位于梯形波反电势的平定宽度范围内，如图2-4所示。为了获得梯形波反电势，电枢绕组设计成集中绕组。

无刷直流电动机按驱动方式可以分为半桥驱动和全桥驱动，按绕组接法又可分为星形连接和三角形连接。不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电机具有不同的性能，且成本也不同，主要从以下三个方面来进行分析:

1)绕组利用率。无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当的提高绕组通电利用率将可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。因此三相比四相、五相好，全桥驱动比半桥驱动好。

2)转矩的脉动。无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转矩脉动。一般相数越多，转矩的脉动越小，而全桥驱动比半桥驱动转矩的脉动小。

3)电路成本。相数越多，所需开关器件越多，成本也越高。全桥驱动比半桥驱动成本高。多相电动机的结构复杂，成本也高。

综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多，本系统选择的三相星型连接无刷直流电机，采用全桥驱动方式，下面介绍其基本原理。

图2-5是三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动时的电路原理图，采用两相导通三相六状态工作方式。在电机运行过程中，霍尔位置传感器不断检测电机当前位置，控制器根据当前位置信息来判断下一个电子换向器的导通时序模式。电子换相器的控制关键在于在检测到当前位置的同时开通下一个位置导通状态的电子开关，当前位置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2-2所示，由表2-2可以看出，开关管的导通顺序为VT(1、6)- VT(1、2)- VT(2、3)- VT(3、4)- VT(4、5)- VT(5、6)，六个开关管依次间隔600电角度导通，每管导通120度，任何时刻仅有2个开关管导通 (“+”表示此相是电流流入端，“一”表示此相是电流流出端)。

图2-5 无刷直流电动机全桥驱动原理图

表2-2 位置信号与换相模式关系

本文选取的三相无刷直流电机的绕组是星形接法，采用两相通电六状态控制方式，为了更好的控制无刷直流电机，有必要了解无刷直流电机的特性方程及其运行过程中的数学模型。为了便于分析，作出如下假设[8]：

●定子三相绕组完全对称，空间互差120°，参数相同；

●转子永磁体产生的气隙磁场为梯形波，三相绕组反电势为梯形波，波顶宽

度120°电角度；

●忽略定子铁心齿槽效应的影响；

●忽略功率器件导通和关断时间的影响，功率器件的导通压降恒定，关断后

等效电阻无穷大；

●忽略定子绕组电枢反应的影响；

●电机气隙磁导均匀，认为磁路不饱和，不计磁滞损耗与涡流损耗。

2.3.1电压方程

无刷直流电机绕组等效电路如图2-6所示，由于三相绕组采用星形接法，因此三相绕组的电流之和等于0，即： 

                               (2-1)

可得三相绕组的电压方程为：

                (2-2)

其中：

uAO、uBO、uCO—定子三相绕组相电压；          r—定子每相绕组的内阻；

L、M—定子每相绕组自感与两相绕组之间的互感；iA、iB、iC—定子三相绕组相电流；

eA、eB、eC、—定子三相绕组每相反电势。

(a)                             (b)A、B两相导通等效电路

图2-6 三相直流无刷电机等效电路

1.两相导通状态

三相星形接法的无刷直流电机通常采用两相导通状态，如图2-6（b）所示。假设A、B两相导通，C相不导通，并且是高压侧斩波导通，低压侧全导通，这时，导通的两相电流等于Is，方向相反，反电势等于Es，方向相反，不导通相的电流为0，可得：

                   (2-3)

因为iA=-iB，eA=-eB，将式（2-2）中A相与B相的2个相电压方程相加可得：

                         (2-4)

如果忽略功率开关器件的导通压降，那么电机定子绕组的中性点O的电压为：

                                                (2-5)

当A相绕组高压侧功率开关器件关断，而B相绕组低压侧功率开关器件仍然导通时，电机A相和B相绕组进入续流状态，这时，直流母线上的电流等于0，A相绕组电流通过低压侧的续流二极管与B相绕组低压侧的功率开关器件流通。

2.两相续流状态

无刷直流电机在绕组导通过程中，为了电流过大，通常采用电流斩波控制来关断功率开关器件。关断方式分为硬关断和软关断两种，硬关断方式就是把导通的2个功率开关器件都关断，绕组电流通过同相桥臂另一侧的续流二极管回馈给电源；硬关断方式开关损耗比较大，在实际应用中多采用软关断方式，软关断方式只关断一个功率开关器件，另一个继续导通。软关断方式又有两种情形：高压侧斩波低压侧全导通，或者是低压侧斩波高压侧全导通。这两种情形下直流母线电流都等于0。以高压侧斩波控制为例，软关断控制续流方式等效电路如图2-7所示。

图2-7 软关断续流方式等效电路

可得续流状态下的电机的数学模型为：

                                  (2-6)

其中：

VD—续流二极管上的压降；

VSW—功率管导通的压降。

绕组中性点O的电压以及A相、B相的相电压分别为：

                                        (2-7)

                                              (2-8)

由于功率管导通时的压降要小于续流时的功率二极管上的压降，所以续流过程中绕组中性点电压低于直流母线电压的负极电压，A相绕组的相电压小于0但接近于0，B相绕组的相电压大于0而接近于0。

3.换相状态

当控制器接到位置传感器的换相信号时，输出相应的驱动逻辑，控制电机的绕组进入换相状态，换相状态同时存在着续流和换流的过程。假设电机绕组由原来的A、B两相导通转换为A、C两相导通，即B相低压侧功率开关器件关断，而C相低压侧功率开关器件全导通，A相高压侧斩波控制，如图2-8所示。

图2-8 换流过程等效电路

这样在关断B相导通C相的换相过程中，B相通过高压侧功率二极管处于续流状态，B相绕组反电势和电流都衰减。C相绕组换流，电流逐步增加，C相绕组的反电势等于A相绕组的反电势，但方向相反，A相绕组电流会先下降再上升，但是三相电流之和仍然等于0，即：

                                                       (2-9)

结合式(2-9)和图2-8可以得出：

                               (2-10)

根据换相等效电路可以得到三相绕组端点电压与电源端点电压之间的关系

为：

                             (2-11)

                            (2-12)

                         (2-13)

将式（2-10）、（2-11）和（2-12）代入到（2-13）中，可以得绕组的中性点电压为：

                   (2-14)

将式（2-10）、（2-11）和（2-12）分别减去（2-14）中的中性点电压后，可以得到三相绕组的电压表达式分别为:

                                 （2-15）

                      （2-16）

                （2-17）

刚换相的时候B相绕组反电势eB小于0，因此绕组中性点相对于电源负极的电压超过电源电压的2/3，比换流前的Udc/2要大，B相绕组的电流会随着自身反电势的减小而快速衰减，特别是转速较高时B相绕组电流的衰减将会非常迅速。C相绕组具有较大的反相电压，绕组电流会很快地增长，但是增长的速度会越来越慢。A相绕组相电压首先因中性点电压上升而减小，相电流也会减小。但随着B相绕组的反电势减小，A相相电压开始回升，A相绕组电流不再减小而开始增大，等到B相电流衰减到0时，B相绕组没有电流续流二极管关断，中性点电压恢复到Udc/2的水平，并且A相和C相绕组电流大小相等，方向相反，系统又进入两相斩波导通状态。

2.3.2转矩方程

永磁无刷直流电动机的电磁转矩是由定子绕组中的磁钢与转子磁钢产生的

磁场相互作用而产生的。定子绕组产生的电磁转矩表达式为：

                      (2-18)

式中：

—三相绕组产生的合成电磁转矩；

—转子的机械角速度。

从式（2-18）中可知，无刷直流电机的电磁转矩的大小与电流成正比，所以控制逆变器输出的方波电流的幅值就可以控制无刷直流电机的转矩。为了产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120°电角度，梯形波反电势的平顶部分也为120°电角度，两者应严格同步。由于无刷电机采用两相导通方式，任何时刻，只有两相绕组导通，则电磁功率为：

                  (2-19)

因此，电磁转矩又可以表示为：

                                 (2-20)

电机的运动方程为：

                         (2-21)

其中：

—负载转矩；

J—电机的转动惯量；

B—阻尼系数

2.3.3无刷直流电动机的传递函数

为了更好地分析无刷直流电机的特性，寻求一种有效的控制方法以得到良好的动态性能，有必要推出无刷直流电机的传递函数，而无刷直流电机与普通直流电机的差别仅在于它换相时不用电刷，因此，其动态特性分析与普通直流电机是相同的。由于无刷直流电机采用两相绕组导通运行的方式，根据前面推导的电压方程，可得两相绕组导通时的电压方程为：

                         （2-22）

定义Ke为反电势系数，则有：

                                                           （2-23）

定义KT为电磁转矩系数，则：

                                                        （2-24）

对式（2-21）、（2-22）、（2-23）和（2-24）进行拉氏变换可得：

                                   (2-25)

                               (2-26)

                                                    (2-27)

                       (2-28)

根据上述状态画出无刷直流电机的动态模型如图2-9所示。

图2-9 无刷直流电机动态数学模型

在上述无刷直流电动机的动态模型中，将直流母线的电压uin(s)作为电动机的输入量，输出量为电机的机械角速度Ω(s)，负载转矩作为系统外部的扰动量。

2.4系统控制方案

本课题已明确选择无刷直流电机作为驱动电机，被控对象确定以后，课题开展之前需要确定一个合理的控制方案。控制方案根据电动自行车运行过程中的功能要求来确定。根据系统所要实现的功能，本节主要考虑了四个重要方面:控制结构、控制技术、控制策略、控制芯片等。前两个方面在本节阐述、后两个方面分别在第部分和第部分阐述。

2.4.1控制结构

本课题的主要目的是根据电动自行车调速手柄信号来控制无刷直流电机的速度，需要根据转子的位置信号确定换相操作，所以系统采用三环控制结构:电流环、速度环和位置环。速度环用来控制速度，其输出为电机相电流给定值；电流环用来控制电机的电流，提高电机转矩响应性能；位置环主要是实时采样转子位置信号，为电机换相提供依据。

电动自行车无刷直流电机控制结构框图如下图2-10所示。因电动自行车不存在反向行驶，故转速控制器和电流控制器的输出只有正限幅，没有负限幅。

图2-10 控制结构框图

2.4.2 控制技术

一、电动运行

由上一节无刷直流电机的调速原理可以知道，该电机的转速是通过改变直流电流来实现的，可采用PWM技术即调节PWM波的占空比改变电机的直流电压来改变电流。也就是说，在直流电源恒定供电的情况下，通过调节PWM波的脉宽来改变直流电压Ud，实现对电机转速的控制。    

图2－11 单极性PWM控制各触发信号      图2－12 双极性PWM控制各触发信号

PWM技术可分为单极性PWM控制和双极性PWM控制:单极性PWM控制的控制信号如图2-11所示，在每个60度电角度区域内，一个功率开关器件一直处于开通状态，另一个处于PWM状态；双极性PWM控制的控制信号如图2-12所示，在每个60度电角度区域内，两个工作的功率管器件或者都开通，或者都关断。比如在0～60度范围内，逆变器的功率开关器件VT6和VT1工作，当VT6和VT1都开通时，电流流向如图2-13所示，电流的上升率为: 

                             (2-29)

设PWM波形的工作频率为f，占空比为，则电流的增加量为:

                                        (2-30)

图2-13 PWM控制功率管VT1和VT6都导通时电流流向示意图

如果是双极性PWM控制，则当功率管VT6和VT1都关断后，电流经过续流二极管VD3和VD4续流，如图2-14所示：

图2-14 PWM控制功率管VT1和VT6都关断时电流流向示意图

电流的下降率为：

                      （2-31）

则电流的减小量为：

              （2-32）

在电流不断流的双极性PWM控制下，应该有：

                         （2-33）

由式（2-31）、（2-32）与（2-33）可得：

                （2-34） 

由式（2-31）、（2-35）可得：

             （2-35）

当时，得到双极性PWM控制下电流波动的最大值：

                       (2-36)

如果是单极性PWM控制，设功率管VT6处于PWM状态，则当功率管VT1开通而功率管VT6关断时，电流经过VD1和VD3续流，如图2-15所示：

图2-15 PWM控制功率管VT1通和VT6关断时电流流向示意图

电流的下降率为：

                         （2-37）

电流的减小量为：

                （2-38）

同理，在电流不断流的单极性PWM控制下也应该有：

                          (2-39)

由式(2-30)、(2-38)、(2-39)可得：

                           （2-40）

再由式(2-31)与(2-41)可得：

                  （2-41）

当时，得到单极性PWM控制下电流波动的最大值：

                         (2-42)

由式(2-37)和(2-43)可以看出，采用单极性PWM控制的电流波动最大值只有采用双极性PWM控制的电流波动最大值的一半，因此为了减小电流脉动和功率管的开关损耗，本电机控制系统采用单极性的PWM控制技术。

二、回馈制动

当调速手柄归零，即转速给定为零时而电动自行车仍以一定速度旋转（如停车或下坡时），电机绕组中会产生感应电动势,但产生的两相绕组间的线电压通常小于蓄电池电压(除非下坡时速度很快),不能对电池充电实现能量回馈。为了实现能量回馈,本控制器采取升压斩波的方法。以A,B绕组通电为例，电动运行时，其电路如图2-13所示，电流经蓄电池正极流经VT1-电机A,B绕组-VT6再回到蓄电池负极。当能量回馈时，电机应反过来给蓄电池充电，即电流反向。这时电流从蓄电池负极流出经VD6-电机A,B绕组-VD1再到蓄电池正端，电路如图2-16所示。再与VT4构成一个升压斩波电路,对照图2-16得等效升压斩波电路如图2-17所示。

图2-16 能量回馈示意图

图2-17 能量回馈等效升压斩波电路

图2-17中 eAB是电机AB两相绕组电动势差，R0是蓄电池等效内阻。忽略电机绕组等效电阻2Rs上的压降及续流二极管VD1、VD6上的压降，根据升压斩波原理有：,式中为VT4管的PWM占空比，只要调整占空比使得U0大于蓄电池电压，就可以向蓄电池充电，从而实现能量回馈。分析其他绕组通电时情况类似，可得出同样的结论。表2-3给出了其他情况下能量回馈时对应的斩波MOSFET管。

表2-3 能量回馈时通电绕组与斩波控制管对应关系

3.1双闭环控制系统

最简单的控制系统为开环控制系统。开环控制系统的控制作用直接由系统的输入量产生，控制精度完全取决于所用的原件及其校准精度。一旦负载变化时，电动机的转速也随之改变，系统没有自动校正偏差的能力，抗干扰能力差。因此在调速要求较高的场合，闭环控制是必须的。

为力保证系统的调速精度，应使系统闭环。但仅有速度环时，当速度给定发生突变时，逆变桥的输出电压很大，这可能引起电动车电枢电流剧增，使电枢绕组或逆变桥损坏，此时电流的急剧变化也会导致转矩的剧变，对传动系统造成冲击，因此，在调速系统中还需引入电流环以电机的最大电流。

本控制系统以STC12C5A60S2芯片为控制核心，设计了速度，电流双闭环控制方案，如图3-1所示，两者之间实行串级联结。

图3-1 无刷直流电动机控制系统框图

外环为速度环，速度给定n*与速度反馈的差值送速度调节器调节，速度环使转速跟随给定值变化，实现转速稳态无静差，对负载变化起到抗扰作用，并能获得较高的调速精度，输出限幅决定电动机允许的最大电流，内环是电流环，速度调节器输出作为电流给定i*，电流给定与电流反馈的差值作为电流调节器的输入，电流环能快速跟随电流给定的变化，并保证启动时电动机能获得允许的最大电流，从而提高系统的动态性能。

3.2 控制器参数整定

如上节所述，控制系统采用转速、电流双闭环控制，转速环采用常规PI控制器，而电流环采用本文所提的神经元变结构PI控制器。在系统编程调试前必须先确定控制器参数才能使系统正常可靠运行。参数整定不是一步完成的，对于电流控制器以及转速控制器，先按常规PI控制器结构整定计算其参数，然后在MATLAB/SIMULINK中建立基于神经元变结构控制策略的控制系统，通过仿真运算在线调整电流PI控制器的结构和参数，验证该算法的有效性。

本节利用工程设计方法对两个控制器参数进行整定。

3.2.1 电流环参数整定[9]

控制系统通常分为典型Ⅰ型系统和典型Ⅱ系统。典型Ⅰ型系统跟随性能良好，动态性能好，所以电流环拟校正成该型系统。

式是典型Ⅰ型系统开环传递函数 ，由图3-2可得电流环动态结构图如下图3-2所示：

图3-2  电流环动态模型结构框图

图中，为常规电流PI调节器，为逆变器等效传递函数，其中为放大系数，为调制周期。=0.5β/R，β为电流反馈系数，为电机的机电时间常数。将电流环设计成典型Ⅰ型系统，则其开环传递函数为：

令:

                                                           （3-1）

可以抵消较大时间常数惯性环节，则有：

式中，，选定，则系统阻尼系数为0.707，超调4.3%。

则： 

                                     （3-2）

3.2.2 转速环参数整定

典型Ⅱ型系统抗干扰性能好，因此将转速环整定为典型Ⅱ型系统。此时转速、电流双闭环动态模型框图如图3-3所示。

图3-3 双闭环控制系统动态模型结构框图

图中，为转速PI调节器, 将电压环设计成典型Ⅱ系统，则其单位负反馈开环传递函数为：  式中，，。根据控制理论有：

                                       （3-3）

因此:

                                    （3-4）

一般选择。至此，电动自行车无刷直流电动机双闭环控制器参数初步整定完毕。

3.3 系统建模仿真

在实际的无刷直流电动机系统设计的过程中，为了缩短设计周期、降低研究成本和风险，可先借助建模与仿真技术，建立无刷直流电动机控制系统的仿真模型，对电动机的转速、转矩等参数变化进行分析，施加不同的控制算法以寻求最佳参数和设计最合理的系统模型，有效地节省实际控rt制系统的设计时间。

本文利用MATLAB/Simulink建立了无刷直流电动机双闭环控制系统，如图3-4所示。外环为速度环，速度环使转速给定值变化，实际转速稳态无静差，并能获得较高的调速精度，采用积分分离PI调节。积分校正往往会使系统产生过大的超调量和长时间的波动，积分分离的PI算法既保持了积分的作用，有减少了超调量，使控制性能有了很大的改善。输出限幅决定于电动机允许的最大电流。内环为电流环，电流环使电流跟随电流给定的变化，保证起动时电动机能获得允许的最大电流，能提高系统的动态性能。电流环采取PI调节，电流可快速跟随给定变化。换相逻辑H相当于位置传感器输出的调制信号，保证电机绕组的正确换相。

在图3-4中有五个子系统：无刷电动机系统BLDCM，逆变器模型invert,换相逻辑子系统H，速度积分分离PI控制系统。

图3-4 BLDCM系统仿真图

图3-5为积分分离PI控制子系统。根据系统设定积分分离阀E，如图所示：速度PI调节器的输入与E相比较，当||>E时，采用P调节，可使超调量大大降低；当||E时，采用PI调节，可保证系统的控制精度。

图3-5 积分分离PI控制子系统图

因为MAYLAB/Simulink中没有直接使用的无刷直流电动机模块，本系统根据无刷直流电动机的数学模型，利用MAYLAB/Simulink建立了无刷直流电机模块BLDCM，如图3-6所示。

图3-6 无刷直流电动机仿真图

4 电动自行车控制器软件设计

4.1电动自行车控制器

电动自行车控制器是电动自行车四大部件之一的驱动控制部件，它是电动自行车的大脑，是神经中枢，遇到各种情况会“作出反应”，是电动自行车能量管理与各种控制信号处理的核心部件。它控制着电机的转速、具有欠压、限流或过流保护和制动断电等基本功能，对整车的电气系统进行有效的保护，是电动自行车电气系统的核心。智能型控制器还具有多种骑行模式和电气控制部分自检、故障代码显示等功能。

4.1.1电动自行车控制器的功能

 (1)调速功能。控制器根据输入的调速信号，对电机的转速进行平稳、可靠的调节，使电动自行车实现无极调速。

(2)自动鉴相功能。控制器可以自动识别电机的换向角度、霍尔相位和电

机输出相位，电机三条相线，HALL信号三条线可以随便进行对接，不再需要一一对应联接，且60度电机和120度电机可以通用。

(3)零启动。启动时不用脚踩，用手把控制即可启动。

(4)堵转保护。当电机出现堵转超过一定时间之后，控制器会自动停止工作。

(5)制动断电功能。在输入控制器的刹车信号电位变化时，开关电源能迅速反应，切断输入电流，改变电机的通电工作状态，实现整车的顺利制动。

(6)过电压和欠电压保护功能。当外界输入电压高于或低于控制器的工作电压时，控制器会发出报警，停止进行工作，保护控制器。

(7)过电流保护功能。当工作电流达到系统设定的最大值时，控制器将系统电流的继续增大令其维持不变，以保护蓄电池、电机和控制器本身不受到损伤。

(8)防飞车保护功能。当调速转把信号与电源线路出现短路或调速转把负极线断路时，就会误给控制器输入调速信号，使控制器给电机加电造成飞车，控制器防飞车功能可以避免飞车事故的发生。

(9)欠压回升保护功能。当系统进入欠压保护、停止工作后，蓄电池的端电压会迅速回升到高于欠压点。此时控制器并不立即退出欠压保护状态开始工作，而是电源电压必须高于欠压点一定幅度后，控制器能恢复正常，退出保护状态。

(10)巡航定速功能。转动转把进行调速时，当转把固定在某个位置超过一定的时间，电动自行车便会以这个速度进行匀速行驶，直到再次转动转把，消除此次巡航。

(11)脚踏助力功能。通过测量人脚踏信号和电系统信号的变化，来提供相应电助力的一种脚踏助力方案。这样为用户提供了一种省电骑行模式。

(12)柔性EABS刹车功能。柔性EABS刹车是相对于机械刹车来说的，它是通过给控制器电信号实现刹车功能。

(13)反充电与反充电指示功能。这是一种能量回收功能，在刹车制动时将原由通过制定器消耗的功能，以电机发电的形式经过控制器构成回路给蓄电池充电，以电能的形式最大限度地回收，并对工作状态进行显示。

(14)限速功能。根据国家对电动自行车最高车速不大于20KM/H的要求，限速功能是通过限速电位器的调节，使电动自行车不超过此速度。

4.1.2电动自行车控制器的工作原理

电动自行车控制器的工作原理是:利用电子设备替代了传统电刷控制电机线圈的电流方向，同时根据电机内传感器发出的信号，确定换向的时间和顺序，来改变点电机的转速和方向。

电动自行车控制器的控制电路主要有:1内部稳压电路;2位置信号检测放大电路;3PWM电路;4三相逻辑信号形成电路;5锯齿波振荡器;6刹车断电电路;7A、B、C三相预驱动电路;8三相桥式功率场效应晶体开关电路;9欠压保护电路;10限流保护电路等。如图4-1。

内部稳压电源电路提供控制器内部电子元器件的工作电压。

位置信号检测放大电路首先对无刷直流电机霍尔位置传感器产生的位置信号进行

放大、整形、形成具有一定时序的三相逻辑信号。当改变三相信号时序时，就可以改变电机转向。放大、整形后的位置信号分别送到三相上臂驱动信号生成电路和三相下臂驱动信号生成电路中，产生三相桥式上臂驱动信号和三相桥式下臂驱动信号。

锯齿波振荡器电路有振荡器、定时电阻、电容构成。由振荡电路产生的锯齿波与调速信号被送到比较器中，通过比较器，产生PWM信号。

微处理器根据位置信号检测放大电路提供的无刷直流电机霍尔信号，对上3路和下3路的MOS管驱动电路给出有选择的打开与关闭信号，以完成对电机的换相。同时，根据调速转把输入电压的大小，将相应脉冲宽度的载波信号与下3路MOS管导通信号混合，以达到控制电机速度的目的。

MOS管驱动电路将PWM信号整形放大、电平移动，达到上、下臂MOS管输出所需的驱动电平，并提供给MOS管，同时也减少MOS管输出电路对控制电路的影响。另外，对于上3路的3个MOS管来说，它们的驱动要求高于蓄电池供电电压，因此，MOS管驱动电路还要具有升压功能，将上3路的MOS管导通信号变成高于蓄电池电压的超高方波信号。三相MOS管输出电路由6只MOS管接成三相桥式全控电子开关，构成逆变输出电路，完成电子换相。

刹车断电电路是通过将制动刹把产生的刹车信号送到控制器中，加到停止引脚上，通过逻辑电路处理，关断上、下臂逻辑信号输出，实现刹车断电功能。

图4-1 电动自行车控制器的原理框图

4.2选用核心芯片介绍

STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/，即25万次/秒),针对电机控制，强干扰场合。

1. 增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。

2．工作电压: STC12C5A60S2系列工作电压，5.5V—3.5V（5V单片机），

STC12C5A60S2系列工作电压： 3.6V - 2.2V（3V单片机）。

3. 工作频率范围：0～35MHz，相当于普通8051的 0～420MHz。

4. 用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节。

5. 片上集成1280字节 RAM。

6. 通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA。

7. ISP（在系统可编程）/ IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。

8. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)。

9. 看门狗。

10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）。

11. 外部掉电检测电路: 在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.33V，误差为±5%,3.3V 单片机为1.31V，误差为±3%。

12. 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为±5% 到±10% 以内)用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟常温下内部R/C 振荡器频率为：5.0V 单片机为： 11MHz ～ 17MHz。3.3V 单片机为： 8MHz ～ 12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。

13. 共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有波特率发生器做串行通讯的波特 率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。

14. 3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,波特率发生器可以在P1.0口输出时钟。

15. 外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2), CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)。

16. PWM(2路）/ PCA（可编程计数器阵列,2路）

--- 也可用来当2路D/A使用

--- 也可用来再实现2个定时器

--- 也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。

17. A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)。

18. 通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051可再用定时器或PCA软件实现多串口。

19. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)。

20. 工作温度范围：-40～+85℃(工业级) / 0～75℃(商业级)。

21. 封装：LQFP-48, LQFP-44, PDIP-40, PLCC-44, QFN-40I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC1/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。

4.3 系统主程序设计

系统主程序主要完成STC12C5A60S2单片机各寄存器以及各变量的初始化、系统初始化、霍尔驱动初始化和电机各状态的转换等，流程图如图4-2所示。单片机寄存器初始化包括:1/0口的输入输出初始化、定时器/计数器的初始化，ADC寄存器的初始化等。系统初始化是指系统上电时单片机会自检系统各部分有没有出现异常，若出现异常则会报警，没有异常才能执行下面的工作。霍尔驱动初始化包括自动鉴相时PWM值的初始设定等。系统具有工作和暂停两种工作模式。系统主程序设计流程图如图4-2所示。

图4-2 系统主程序设计流程图

4.4 相位识别模块程序设计

无刷直流电机按霍尔元件的电角度可分为60度和120度电机。其实，现在的60度电机只是把三个霍尔元件的中间一个反面安装了，并无本质区别。图4-3给出了两种不同相位电机输出的位置信号波形。由图4-3可以得出位置信号与导通相之间的关系如表4-1所示。

图4-3 位置传感器输出的信号波形

表4-1 位置信号与导通相的关系

120度

图4-4 相位识别流程图

程序首先获取电机当前的位置信号，判断是否为“111”或“000”，若是其中一个状态，说明该电机为60度电机。若均不是在判断位置信号是否为“101”或“010”，若是其中一个状态，说明该电机为120度电机。若四个状态都不是，则无法判断。此时，可先假设是120度电机，并根据当前位置信号给电机通电，若电机为60度电机，必然不转，位置信号也不会发生变化，若电机旋转，则其位置信号必然变化，因此可通过一定延时，再次读取位置信号并判断其是否改变的方法来确定电机类型。注意：相位识别时电机应空载。

4.5 电机启动模块

无刷直流电动机采用电子换向，需要不断检测转子位置，确定逆变器功率管的开关状态。电机处于运行状态时，电机三个霍尔信号端不断输出三个位置方波信号，这时STC12C5A60S2的P1.0-P1.2口霍尔信号循环扫描模块可以扫描到霍尔信号的跳变沿，通过读取P1.0-P1.2端口的状态，即可确定出电机所处的位置。而当电机停转等待运行时，三个霍尔信号都处于高低电平状态而保持不变，从而也不可能发生扫描中断，因此电机由停止状态开始运转时，必须首先让电机运动起来以产生中断，在软件中由电机启动模块实现。启动模块通过查询霍尔输入信号状态得到电机转子的位置，根据表4-1确定功率管的导通状态模式，从而使电机启动。当电机转动一定的角度，霍尔信号一定会改变，通过P1.0-P1.2扫描发生中断。在中断程序中又会根据当前霍尔信号的状态改变PWM引脚的状态，使电机持续旋转。

4.6 霍尔信号循环扫描中断程序设计

STC12C5A60S2单片机本身是有信号捕获功能的，但是信号捕获的端口作为了PWM信号产生输出端口，因此选择了霍尔信号循环扫描中断的方法，因为考虑到P1口的下降沿有效，故在上升沿信号前面各加了个反相器，从而获得了霍尔信号变化的各种情况。尔信号循环扫描中断程序流程图如图4-5。

图4-5 霍尔信号循环扫描中断程序流程图

4.7 电子换相程序设计

无刷直流电机按霍尔元件的电角度可分为60。和120。电机。上述两种电机的换相均是根据安装在电机内部的三个开关式的霍尔传感器输出的霍尔信号(HA、HB、HC)来控制的。60。电机有(000)和 (111)状态，即三个霍尔可以输出全低或全高，没有(101)和(010)状态，120“电机则没有(000)和(111)两种状态。三相霍尔信号(HA、HB、HC)经霍尔采样电路采样后送给单片机，单片机软件控制程序将霍尔信号以数组形式存储在单片机制成霍尔信号数组表和霍尔相序数组表存储到单片机EEPROM(见表4-2和表4-3)，当系统检测到电机要换相时通过查上述两表便可得到MOSFET要导通的顺序，输出换相控制信号。霍尔信号数组表与霍尔相序数组表的关系是:霍尔信号的值为霍尔相序数组表的下标，霍尔信号数组表的下标为霍尔相序数组表的值，建立霍尔相序数组表的好处是换相时程序能更加迅速地查到电机换相顺序。电子换相程序的流程图如下图4-6所示。

表4-2

图4-6 电子换相程序流程图

4.8 速度调节程序设计

根据无刷直流电机的数学模型可知，其转速基本上跟电压成正比，转矩基本上和相电流成正比。为了使控制精度和动态性能达到最优，本系统选用了转速、电流双闭环调速系统。电流环采用PI调节器，速度环采用积分分离PI控制算法。它具有良好的起动和抗干扰性能，可以满足本系统的需要。速度调节程序的流程图如下图4-7所示。

图 4-7速度调节程序的流程图

4.9  AD采样程序设计

在系统软件设计中，单片机的AD采样模块是复用的，需要完成电机绕组电流，手柄输入电压，电源电压等AD检测。由于电流的AD检测非常重要，并且在中断中，所以AD通道的切换就必须非常注意，通常，手柄，电源电压变化比较缓慢，为了仅可能把资源让给电流，手柄和电源电压的检测只需要20-30ms轮换检测一次就够了。所有的AD结果必须安排在换向之前取出，并且根据当时通道将结果放到相应的结果寄存器中保存起来，以避免AD结果造成控制紊乱。STC12C5A60S2有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V(GND)为基准。转换结束后，转换结果被存入ADC结果寄存器中(ADCRES、ADRESL)。

电压转换的结果如下:

     ADC=VIN*1024/VREF                                              (4-1)

式中，VIN为被选中的引脚的输入电压，VREF为参考电压。

4.10 EABS柔性电子刹车程序设计

电动机电制动的原理有很多，在电动车的电制动应用中，一般均采用将三相线圈短路，类似再生回馈制动方法制动，这种制动方法控制相当简单，仅需将上桥或下桥全部开通即可。由于靠惯性运转的直流永磁电动机相当于一个发电机，上桥或下桥全部开通后即是将发电机输出端短路，完全依靠线间电阻消耗能量，所以有两个坏处:第一是车速越快时制动力越大，容易在高速时发生事故;第二是对MOSFET及线路损害相当严重，使零部件过热烧毁。为了克服这种毛病，人们在制动初期使用PWM调制短路开关，使其工作在间歇状态，这就叫EABS柔性电子刹车。柔性电子刹车的控制过程如下:刹车时，先关闭所有MOSFET，再全部开通下桥MOSFET，且下桥PWM调制，使PWM的占空比由100%快速减小到0%。柔度由占空比的减小速度决定，速度越快，刹车越急，柔度越硬;速度越慢，刹车越缓慢，柔度越柔和。为了使绕组的电流不发生突变，按下刹车键时，先把正常运转时的占空比逐渐减为O，关闭全桥，再开通下桥。其流程图如图4-8所示。

图4-8 EABS柔性电子刹车程序流程图

 结  论

课题根据电动自行车功能要求，设计了智能型控制器。提出了双闭环控制系统的控制策略，完成建模仿真及系统软件设计。仿真实验结果表明，本文所提控制策略及软硬件方案有效可行，系统动态响应快。动静态性能良好，可靠性、稳定性高，保护功能完善。

总结本文的设计得出以下几点结论

1、在分析无刷直流电机的原理、建立其数学模型的基础上，提出积分分离PI电流控制算法、并在MATLAB/SIMULIN中建模仿真，确定控制器的各个参数并验证控制策略的可行性、有效性；

2、根据无刷直流电机的控制及电动自行车的功能要求，完成系统程序开发，并在设计的电路板上进行实验验证；

3、结合电路板，对控制器的各种功能加以调试，最终完成系统的整体功能及性能的测试，并对结果进行分析，得出结论。

控制器基本达到了产品的要求，但还存在改进的地方：

1、控制器采用STC12C5A60S2单片机，成本较高，可考虑选用同性能，低成本的处理器。

2、电动自行车在空载或轻载时电流脉动较大，尤其是换相时。可研究新的控制策略以减小电流脉动。

3、无刷电机的霍尔位置传感器易损坏，导致系统不能正常运行。因此，可研制无霍尔传感器的无刷直流电机控制器，提高产品的市场竞争力。

4、采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心芯片，编程后调试没有提供专门的环境进行调试，所以软件调试对硬件的依赖性太大。

  致  谢

     一篇毕业设计论文的完成经历了很多不为人知的过程，过程是艰辛的，但同时也是宁人开心的。在这个过程中万分的感谢老师、同学、亲人和朋友，谢谢他们在这个过程中对我的帮助和关心！

首先 ，感谢我们的导师刘保连老师，在论文的研究内容和方法等方面均给予严格要求和耐心的指导。大四这下半个学期以来，刘老师凭借他丰富的理论知识、专业的学术水平、严谨的治学态度给了我在设计过程中莫大的帮助，让我顺利的解决了设计过程中各种问题。

其次 ，我要感谢和我同一个设计（硬件部分）的魏栋斌同学，我们一起分析问题，解决问题，让我的设计进行的如此顺利。

最后 ，我要感谢我的亲朋好友，感谢他们在我学习过程中给予我莫大的关心和鼓舞，并且始终竭尽全力为我提供最好的学习和生活条件，感谢他们自始自终对我学习上的支持。

参 考 文 献

1 高华,高光生,王翠伟.浅谈电动自行车的发展及存在的问题.大众科技，2006，125-126

2 陶凯.浅谈电动自行车技术的发展.工业技术与应用,2006,57-58

3 杨利文.认识电动自行车的控制器.电动自行车,2005,12-13

4 张琛．直流无刷电动机原理机应用[M]．北京：机械工业出版社，1994

5韩安太，刘峙飞，黄海．DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M]．北京：清华大学出版社，2003

6王晓明．电动机的单片机控制[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007

7朱耀忠．电机与电力拖动[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005

8 谢宝昌，任永德，电机的DSP控制技术及其应用.北京：北京航空航天出版社，2005，

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15 堵杰,孙承波,陈国呈.无刷直流电动机换相过程中续流对电压和电流的影响.电工技术杂志,2002,5-18

16 曹建平.电动自行车调速控制电路的研究.电子技术应用,2000,32-34

17 苏昭晖,廖勇,姚骏.连续位置检测的无刷直流电机转矩脉动抑制的控制策略研究.微电机,2010,8-11

18 林志琦,刘涛,逄林.无刷直流电动机控制器软件设计经验.微电机,2008,58-60

19 张相军，陈伯时.无刷直流电机控制系统中PWM调制方式对换相转矩脉动的影响.电机与控制学报,2003,87-91

20 许鹏，曹建波，曹秉刚.无位置传感器直流无刷电机软件起动.电机与控制学报，

2009,734-738 

21 罗宏浩,吴峻,赵宏涛,常文森.永磁无刷直流电机换相控制研究.中国电机工程学报,2008,108-112

22 王正仕，张朝立，陈辉明.直流无刷电机换向转矩脉动控制研究.控制工程，2010，332-350

附录A  设计源程序

电子换相详细控制程序：

   ORG  0000H

    LJMP MAIN

    ORG  0003H

    LJMP JIANXIANG

    ORG  0100H

MAIN: 

    MOV  SP, #7FH

    SETB IT1

    SETB EX1

    SETB EA

JIANXIANG:

    PUSH PSW

    PUSH ACC

    CLR EX1

    MOV  A,P1

    ANL  A,#07H

C0:

    CJNE A,#00H,C1

    SJMP JIANXIANG

C1:

    CJNE A,#01H,C2

    SJMP H1

C2: 

    CJNE A,#02H,C3

    SJMP H2

C3：

    CJNE A,#03H,C4

    SJMP H3

C4：

    CJNE A,#04H,C5

    SJMP H4

C5：

    CJNE A,#05H,C6

    SJMP H5

C6：

    CJNE A,#06H,C7

    SJMP H6

C7：

    CJNE A,#07H,JIANXIANG

    SJMP JIANXIANG

HUANGXIANG:

H1:

    SETB P2.2

    SETB P2.4

H2:

    SETB P2.1

    SETB P2.3

H3:

    SETB P2.2

    SETB P2.3

H4:

    SETB P2.0

    SETB P2.5

H5:

    SETB P2.0

    SETB P2.4

H6:

    SETB P2.1

    SETB P2.5

    SETB EX1

    POP ACC

    POP PSW

    RETI

    END

速度调节详细控制程序：

  ORG    0000H

       LJMP   MAIN

MAIN:

       MOV    CCON,#0

       CLR    A

       MOV    CL.A

       MOV    CH,A

       MOV    CMOD,#02H

       MOV    A,ADC_RES

       MOV    CCAP0H,A

    MOV    CCAP0L,A

    MOV    CCAPM0,#42H

    MOV    A,A,ADC_RES

    MOV    CCAP1H,A

    MOV    CCAP1L,A

    MOV    CCAPM1,#42H

    SETB   CR

    SJMP   $

    END

AD采样详细控制程序：

ORG    0000H

     LJMP   MAIN

     ORG    002BH

     LJMP   ADC_ISR

     ORG    0100H

MAIN:

     MOV    SP,#3FH

     MOV    ADC_CONTR,#0EFH

     NOP

     NOP

     NOP

     NOP

     MOV    IE,#0A0H

     SJMP   $

ADC_ISR:

     PUSH   ACC

     PUSH   PSW

     MOV    ADC_CONTR,#0EFH

     MOV    A,ADC_RES

     MOV   

     POP    PSW

     POP    ACC

     RETI

     END 

ORG  0000H

    LJMP MAIN

    ORG  0100H

MAIN: 

    MOV  A,P1

    ANL  A,#20H

    JNZ  SC

    ;LJMP

SC:  

    MOV  P2,#00H

    MOV  P2,#38H

    MOV    CCON,#0

    CLR    A

    MOV    CL,A

    MOV    CH,A

    MOV    CMOD,#02H

    MOV    A,#00H

    LCALL  JS

JS：

    MOV    CCAP1H,A

    MOV    CCAP1L,A

    MOV    CCAPM1,#42H

    SETB   CR

    LCALL  DELANY

    INC    A

    RET    

DELAY:

    MOV    R7,#01H

DELAY0:

    MOV    R4，,17H

DELAY1:

    MOV    R3,#28H

    DJNZ   R3,$

    DJNZ   R4，DELAY1

    DJNZ   R7，DELAY0

    DJNZ   R4，DELAY1

    DJNZ   R7，DELAY

    RET

    END

EABS柔性电子刹车程序:

    ORG  0000H

    LJMP MAIN

    ORG  0100H

MAIN: 

    MOV  A,P1

    ANL  A,#20H

    JNZ  SC

SC:  

    MOV  P2,#00H

    MOV  P2,#38H

    MOV    CCON,#0

    CLR    A

    MOV    CL,A

    MOV    CH,A

    MOV    CMOD,#02H

    MOV    A,#00H

    LCALL  JS

JS：

    MOV    CCAP1H,A

    MOV    CCAP1L,A

    MOV    CCAPM1,#42H

    SETB   CR

    LCALL  DELANY

    INC    A

    RET    

DELAY:

    MOV    R7,#01H

DELAY0:

    MOV    R4，,17H

DELAY1:

    MOV    R3,#28H

    DJNZ   R3,$

    DJNZ   R4，DELAY1

    DJNZ   R7，DELAY0

    DJNZ   R4，DELAY1

    DJNZ   R7，DELAY

    RET

    END