电动自行车控制器的技术原理与设计

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20世纪迅速发展的电力电子技术结合传感器技术、微电子技术与计算机技术，使控制器发展成为智能化的机电一体化综合系统，控制器也已成为电动自行车机电系统的中枢。现代电动自行车技术的发展已使控制器远远超越了传统的单一驱动控制功能，成为了电动自行车的能量管理与控制中心，这是保障电动自行车安全行驶、舒适骑行、获得高动力性能与经济、节能的核心与关键。它对各种工作状态信息进行采样、比较与分析并转换为一系列控制或保护指令，自动监控电机和控制电路使电动自行车得以安全可靠运行。电机的控制系统性能与质量的优劣将决定电动自行车的动力性能、驾驶性能和安全性能。
　　电动自行车控制器的产品日新月异，技术突飞猛进，但电动自行车行业里人们的认知水平参差不齐，为普及电动自行车控制器的知识和提高这一门类科技水平，在这里，我们从基本控制原理到由单片机（MCU）控制构成的智能化系统做相应的介绍。
为了说明原理，我们将电动自行车电机（有刷、无刷）的主控回路等效为简单的电机控制电路如下图1－1加以说明：

根据电机的工作特性，改变电枢电压，就能改变电机的转速，由于电动自行车的电池电压基本上是固定的，若想实现速度的调节，那么就必须想办法对施加电机的电枢电压进行调控变换；同时，电动自行车在使用中遇到堵转、上坡等实际情况时，它的工作电流会非常大，从等效电路可以看出，虽存在只有0.4Ω左右的内阻，但如果按电源电压48V计算，其电流值 I=U/R=48V÷0.4Ω＝120A，这么大的电流，它的危害可想而知：对电机自身易烧毁绕组，对整车易烧毁主回路导线，同时易造成电池过放电，使电池损毁等致命问题。
　　如何解决在电池供电条件下实现电机速度的调节？如何对电流进行操控？这是本章引入的主题，也是我们要阐述电动自行车控制系统的基本原理。
　　我们知道，电机为电感性负载，电感又是个储能元件，电感线圈在突然断电时，会产生泵升电压，即反电势，那么就可将其看作为可变电压源。这样我们就可以将电动自行车所使用的永磁电机主控回路等效为如下图1－2电路，进行剖析：

那么，根据以上等效电路，我们就可以找出它的计算方法，如果对电机外施加电压U，其电压方程式为：U＝E+IR+L公式（1－1）
产生的反电势为：E＝KE公式（1－2）
产生的电磁转矩为：T＝KTI公式（1－3）
式中KE为反电势常数、KT为转矩常数，n为电机转速。
这几个公式的物理意义：反电势E可以看作为可变电压源，它和电机转速成正比关系；电磁转矩T与电枢电流I也成正比关系；电枢内阻R（通常很小），在电机起动和堵转时有一定的限流作用；电枢电感L对动态性能有影响，当电枢以断续供电时，对电流脉动起平滑滤波作用，电流的上下波动很小，其转矩的波动也很小。如下图1－3所示。

基于这样的特性，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，认知和掌握这一规律，实质上是我们在以下章节中讲述的重点概念 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。
　　这种控制方式很容易通过单片机得以实现，因此无论是有刷电机还是无刷直流电机，它的控制系统均能实现PWM控制，从而为电机的控制数字化提供了契机。