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摘 要：电动自行车控制器作为管理和控制电动自行车的核心，在电动自行车领域内已经得到广泛的应用，随着其相关技术不断发展，电动自行车控制器成为领域内研究的热点，因此迫切需要紧跟发展方向研究此类技术。
关键词：自行车；控制器；研究
0引言
能源问题造就了电动车的时代，特别是家用电动自行车发展迅猛，俨然成为当今最主要的交通工具之一。时至今日，电动自行车的一些关键技术如电力电子、计算机控制、微电子及电机等技术的迅速发展，为其研制开发提供了良好的条件。电动自行车控制器作为管理和控制电动自行车的核心，具有平滑的电机控制、稳定可靠的电池管理、人性化及合理的人机交互等优点。随着电动自行车的迅速普及，电动自行车控制器在电动自行车领域内已经得到广泛的应用。无刷直流电机以控制简单、高可靠性及输出转矩大等优点，被大量地用作电动自行车驱动电机。以至于相关技术的不断发展使电动自行车控制器及驱动电机等成为研究的热点。
1、电动自行车控制器涉及的相关技术
控制系统就是控制器，概括地说就是一个中枢系统，它将监督电机及电路的运行状态等各种有用的信号进行采样及分析，然后转变为控制指令或者保护指令。
对电动自行车控制器而言，便是将给定的电机速度信号、转子位置信号及定子的电压、电流反馈信号转变为控制信号或者保护指令，进而监督电机控制电路的运行状态；采样及对比分析并将信号转变为控制指令，从而控制电机的启动或停止、加速或减速等运行状态。
2、控制结构
本系统主要是对驱动电机速度的控制，这就需要根据转子位置的信号来确定换相操作，所以按照电机工作流程采用三环控制接口：电流环、位置环和速度环；按照电机的正常控制有可采用双环控制接口：开环启动控制和闭环速度调控。
2.1控制技术
电机的启动采用三段式恒压升频启动方式，电机的调速通过采集霍尔转把的线性电压变化，来实时改变主控芯片对应的 PWM 占空比。PWM 分为单极性 PWM 和双极性 PWM，经过以往的经验可知，一般采用单极性 PWM，因为单极性 PWM 控制的电流波动最大值也只有双极性 PWM 控制电流波动最大值的一半，所以考虑到减小电流脉动及功率管的开关损耗，本电机控制器采用单极性 PWM 控制技术。
2.2控制器芯片选择
对于控制器来说，其实就是以主控芯片为核心加上一些外围电路模块组成的，因此主控芯片的性能对控制器的性能起到决定性的作用。结合本系统的性能要求并且兼顾成本，对主控芯片的要求如下：
（1）容量足够大的存储器。ROM 足以存放控制程序的代码，RAM 足以存放运算的中间及最终结果的数据。
（2）足够快的运算性能。因为电机的运转是非常迅速的，所以需要主控芯片快速的调节驱动时序，并且需要尽量小的采样周期去检测位置，从而提高整体指标。
（3）足够强的输入输出功能与逻辑判断功能。
（4）能方便产生稳定的 PWM 波，因为需要通过 PWM 进行无刷直流电机的调压调速。
（5）具有 AD 转换功能。因为要对电流、电压等进行检测，防止过流、过压。另外还最好具有低功耗、稳定性强、体积小、成本低等特点。
3、控制器硬件构件化设计
在以单M CU为核心的嵌入式系统中，MCU 的最小系统就是典型的核心构件。中间构件既有需求接口又有提供接口；而终端构件只有需求接口，因此只能接受服务。利用硬件构件进行嵌入式系统硬件设计之前，必须进行硬件构件的合理划分，按照一定规则，设计与系统目标功能无关的的构建个体，然后进行组装，完成具体系统的硬件设计。
3.1 电源模块构件设计
本设计选的外接电源是七组串联锂电池，其采用安全系数高的锰酸锂电池，经过国家法定机构充电放电、短路、跌路、加热、挤压、针刺等6大实验，达到国家863范围要求，并采用铜薄膜防爆阀，从根本上解决了锂电池易爆易燃的问题。
这款电池最大输出电压为29.6V。为使系统正常工作，需要将电压转换为15V 和5V。其中15V电源主要用于功率MOS管自举升压驱动电路。5V电源则为MOS管驱动电路、主控芯片、线性霍尔转把、高低压刹把及保护电路模块提供稳定的电源。在电源通往各模块间，大量使用了二极管来保证控制器的稳定性。
3.2 电调模块构件
为了便于理解本电路的原理及后面的测试方法，首先要熟悉一个关键的元件即场效应管（也叫 MOS 管），它承载了驱动电机的开关的作用。场效应管分为 N 沟道型场效应管和P沟道型场效应管两种。一般N型功率型场效应管的VGS
阈值电压都会在3～20V 之间。
3.3 过零检测构件设计
过零检测的及时性和准确性影响着电机的运行，当过零检测不准或着不及时时，则电机因为缺相而抖动，严重的或造成短时间短路而烧坏控制器。因此在硬件上采用LM339 高速比较器来采样截至相的感应电动势和总线中点电压进行比较，使用 MCU的输入捕捉功能来捕捉输出信号。
4、控制器软件系统设计
电动自行车控制器是用来控制电动自行车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动自行车的其它电子器件的核心控制器件，它就像是电动自行车的大脑，是电动自行车上重要的部件。电机控制器是无刷直流电机正常运行并实现各种调速控制功能的指挥中心，它主要完成以下任务：对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号；产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压等一些故障保护功能。
4.1 控制器底层驱动构件化设计
嵌入式系统是软件与硬件的结合体，硬件设计和软件设计必须相辅相成。嵌入式系统中的驱动程序是直接工作在各种硬件设备上的软件，正是由于驱动程序的存在，各种硬件设备才能正常工作，从而达到理想工作效果，嵌入式软件构件是实现一定嵌入式系统功能的一组封装的、规范的、可重用的、具有嵌入特性的软件单元，是组成嵌入式系统的功能单位。
4.2 AD采集程序构件
A/D 转换模块（Analog To Digital Convert Module）即模/数转换模块，其功能是将电压信号转换为相应的数字信号。实际应用中，这个电压信号可能由温度、湿度、压力等实际物理量经过传感器和相应的变换电路转化而来。经过 A/D 转换后，MCU就可以处理这些物理量。进行 A/D 转换，应该了解以下一些基本问题：第一，采样精度是多少；第二，采样速率有多快；第三，滤波问题；第四，物理量回归等。
参考文献
[1] 孙立志 . PWM 与数字化电动机控制技术应用 [M]. 中国电力出版社，2008.
[2] 叶金虎. 现代无刷直流永磁电动机[M]. 科学出版社， 2007.
[3] 骆骄. 基于 AVR 单片机的电动自行车控制系统研究[D].大连理工大学，2005.
[4] 余永权. 单片机在控制系统中的应用[M]. 北京：电子工业出版社， 2003.
关键词：自行车；控制器；研究
0引言
能源问题造就了电动车的时代，特别是家用电动自行车发展迅猛，俨然成为当今最主要的交通工具之一。时至今日，电动自行车的一些关键技术如电力电子、计算机控制、微电子及电机等技术的迅速发展，为其研制开发提供了良好的条件。电动自行车控制器作为管理和控制电动自行车的核心，具有平滑的电机控制、稳定可靠的电池管理、人性化及合理的人机交互等优点。随着电动自行车的迅速普及，电动自行车控制器在电动自行车领域内已经得到广泛的应用。无刷直流电机以控制简单、高可靠性及输出转矩大等优点，被大量地用作电动自行车驱动电机。以至于相关技术的不断发展使电动自行车控制器及驱动电机等成为研究的热点。
1、电动自行车控制器涉及的相关技术
控制系统就是控制器，概括地说就是一个中枢系统，它将监督电机及电路的运行状态等各种有用的信号进行采样及分析，然后转变为控制指令或者保护指令。
对电动自行车控制器而言，便是将给定的电机速度信号、转子位置信号及定子的电压、电流反馈信号转变为控制信号或者保护指令，进而监督电机控制电路的运行状态；采样及对比分析并将信号转变为控制指令，从而控制电机的启动或停止、加速或减速等运行状态。
2、控制结构
本系统主要是对驱动电机速度的控制，这就需要根据转子位置的信号来确定换相操作，所以按照电机工作流程采用三环控制接口：电流环、位置环和速度环；按照电机的正常控制有可采用双环控制接口：开环启动控制和闭环速度调控。
2.1控制技术
电机的启动采用三段式恒压升频启动方式，电机的调速通过采集霍尔转把的线性电压变化，来实时改变主控芯片对应的 PWM 占空比。PWM 分为单极性 PWM 和双极性 PWM，经过以往的经验可知，一般采用单极性 PWM，因为单极性 PWM 控制的电流波动最大值也只有双极性 PWM 控制电流波动最大值的一半，所以考虑到减小电流脉动及功率管的开关损耗，本电机控制器采用单极性 PWM 控制技术。
2.2控制器芯片选择
对于控制器来说，其实就是以主控芯片为核心加上一些外围电路模块组成的，因此主控芯片的性能对控制器的性能起到决定性的作用。结合本系统的性能要求并且兼顾成本，对主控芯片的要求如下：
（1）容量足够大的存储器。ROM 足以存放控制程序的代码，RAM 足以存放运算的中间及最终结果的数据。
（2）足够快的运算性能。因为电机的运转是非常迅速的，所以需要主控芯片快速的调节驱动时序，并且需要尽量小的采样周期去检测位置，从而提高整体指标。
（3）足够强的输入输出功能与逻辑判断功能。
（4）能方便产生稳定的 PWM 波，因为需要通过 PWM 进行无刷直流电机的调压调速。
（5）具有 AD 转换功能。因为要对电流、电压等进行检测，防止过流、过压。另外还最好具有低功耗、稳定性强、体积小、成本低等特点。
3、控制器硬件构件化设计
在以单M CU为核心的嵌入式系统中，MCU 的最小系统就是典型的核心构件。中间构件既有需求接口又有提供接口；而终端构件只有需求接口，因此只能接受服务。利用硬件构件进行嵌入式系统硬件设计之前，必须进行硬件构件的合理划分，按照一定规则，设计与系统目标功能无关的的构建个体，然后进行组装，完成具体系统的硬件设计。
3.1 电源模块构件设计
本设计选的外接电源是七组串联锂电池，其采用安全系数高的锰酸锂电池，经过国家法定机构充电放电、短路、跌路、加热、挤压、针刺等6大实验，达到国家863范围要求，并采用铜薄膜防爆阀，从根本上解决了锂电池易爆易燃的问题。
这款电池最大输出电压为29.6V。为使系统正常工作，需要将电压转换为15V 和5V。其中15V电源主要用于功率MOS管自举升压驱动电路。5V电源则为MOS管驱动电路、主控芯片、线性霍尔转把、高低压刹把及保护电路模块提供稳定的电源。在电源通往各模块间，大量使用了二极管来保证控制器的稳定性。
3.2 电调模块构件
为了便于理解本电路的原理及后面的测试方法，首先要熟悉一个关键的元件即场效应管（也叫 MOS 管），它承载了驱动电机的开关的作用。场效应管分为 N 沟道型场效应管和P沟道型场效应管两种。一般N型功率型场效应管的VGS
阈值电压都会在3～20V 之间。
3.3 过零检测构件设计
过零检测的及时性和准确性影响着电机的运行，当过零检测不准或着不及时时，则电机因为缺相而抖动，严重的或造成短时间短路而烧坏控制器。因此在硬件上采用LM339 高速比较器来采样截至相的感应电动势和总线中点电压进行比较，使用 MCU的输入捕捉功能来捕捉输出信号。
4、控制器软件系统设计
电动自行车控制器是用来控制电动自行车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动自行车的其它电子器件的核心控制器件，它就像是电动自行车的大脑，是电动自行车上重要的部件。电机控制器是无刷直流电机正常运行并实现各种调速控制功能的指挥中心，它主要完成以下任务：对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号；产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压等一些故障保护功能。
4.1 控制器底层驱动构件化设计
嵌入式系统是软件与硬件的结合体，硬件设计和软件设计必须相辅相成。嵌入式系统中的驱动程序是直接工作在各种硬件设备上的软件，正是由于驱动程序的存在，各种硬件设备才能正常工作，从而达到理想工作效果，嵌入式软件构件是实现一定嵌入式系统功能的一组封装的、规范的、可重用的、具有嵌入特性的软件单元，是组成嵌入式系统的功能单位。
4.2 AD采集程序构件
A/D 转换模块（Analog To Digital Convert Module）即模/数转换模块，其功能是将电压信号转换为相应的数字信号。实际应用中，这个电压信号可能由温度、湿度、压力等实际物理量经过传感器和相应的变换电路转化而来。经过 A/D 转换后，MCU就可以处理这些物理量。进行 A/D 转换，应该了解以下一些基本问题：第一，采样精度是多少；第二，采样速率有多快；第三，滤波问题；第四，物理量回归等。
参考文献
[1] 孙立志 . PWM 与数字化电动机控制技术应用 [M]. 中国电力出版社，2008.
[2] 叶金虎. 现代无刷直流永磁电动机[M]. 科学出版社， 2007.
[3] 骆骄. 基于 AVR 单片机的电动自行车控制系统研究[D].大连理工大学，2005.
[4] 余永权. 单片机在控制系统中的应用[M]. 北京：电子工业出版社， 2003.