電動(dòng)自行車(chē)控制器的技術(shù)原理與設計

　　20世紀迅速發(fā)展的電力電子技術(shù)結合傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)與計算機技術(shù)，使控制器發(fā)展成為智能化的機電一體化綜合系統，控制器也已成為電動(dòng)自行車(chē)機電系統的中樞?，F代電動(dòng)自行車(chē)技術(shù)的發(fā)展已使控制器遠遠超越了傳統的單一驅動(dòng)控制功能，成為了電動(dòng)自行車(chē)的能量管理與控制中心，這是保障電動(dòng)自行車(chē)安全行駛、舒適騎行、獲得高動(dòng)力性能與經(jīng)濟、節能的核心與關(guān)鍵。它對各種工作狀態(tài)信息進(jìn)行采樣、比較與分析并轉換為一系列控制或保護指令，自動(dòng)監控電機和控制電路使電動(dòng)自行車(chē)得以安全可靠運行。電機的控制系統性能與質(zhì)量的優(yōu)劣將決定電動(dòng)自行車(chē)的動(dòng)力性能、駕駛性能和安全性能。

　　電動(dòng)自行車(chē)控制器的產(chǎn)品日新月異，技術(shù)突飛猛進(jìn)，但電動(dòng)自行車(chē)行業(yè)里人們的認知水平參差不齊，為普及電動(dòng)自行車(chē)控制器的知識和提高這一門(mén)類(lèi)科技水平，在這里，我們從基本控制原理到由單片機(MCU)控制構成的智能化系統做相應的介紹。

　　為了說(shuō)明原理，我們將電動(dòng)自行車(chē)電機(有刷、無(wú)刷)的主控回路等效為簡(jiǎn)單的電機控制電路如下圖1-1加以說(shuō)明：

　　根據電機的工作特性，改變電樞電壓，就能改變電機的轉速，由于電動(dòng)自行車(chē)的電池電壓基本上是固定的，若想實(shí)現速度的調節，那么就必須想辦法對施加電機的電樞電壓進(jìn)行調控變換;同時(shí)，電動(dòng)自行車(chē)在使用中遇到堵轉、上坡等實(shí)際情況時(shí)，它的工作電流會(huì )非常大，從等效電路可以看出，雖存在只有0.4Ω左右的內阻，但如果按電源電壓48V計算，其電流值 I=U/R=48V÷0.4Ω=120A，這么大的電流，它的危害可想而知：對電機自身易燒毀繞組，對整車(chē)易燒毀主回路導線(xiàn)，同時(shí)易造成電池過(guò)放電，使電池損毀等致命問(wèn)題。

　　如何解決在電池供電條件下實(shí)現電機速度的調節?如何對電流進(jìn)行操控?這是本章引入的主題，也是我們要闡述電動(dòng)自行車(chē)控制系統的基本原理。

　　我們知道，電機為電感性負載，電感又是個(gè)儲能元件，電感線(xiàn)圈在突然斷電時(shí)，會(huì )產(chǎn)生泵升電壓，即反電勢，那么就可將其看作為可變電壓源。這樣我們就可以將電動(dòng)自行車(chē)所使用的永磁電機主控回路等效為如下圖1-2電路，進(jìn)行剖析：

　　那么，根據以上等效電路，我們就可以找出它的計算方法，如果對電機外施加電壓U，其電壓方程式為：U=E+IR+L公式(1-1)

　　產(chǎn)生的反電勢為：E=KE公式(1-2)

　　產(chǎn)生的電磁轉矩為：T=KTI公式(1-3)

　　式中KE為反電勢常數、KT為轉矩常數，n為電機轉速。

　　這幾個(gè)公式的物理意義：反電勢E可以看作為可變電壓源，它和電機轉速成正比關(guān)系;電磁轉矩T與電樞電流I也成正比關(guān)系;電樞內阻R(通常很小)，在電機起動(dòng)和堵轉時(shí)有一定的限流作用;電樞電感L對動(dòng)態(tài)性能有影響，當電樞以斷續供電時(shí)，對電流脈動(dòng)起平滑濾波作用，電流的上下波動(dòng)很小，其轉矩的波動(dòng)也很小。如下圖1-3所示。

　　基于這樣的特性，在電池電壓基本恒定的條件下，采用斷續供電的方法，改變電機供電電壓的平均值，來(lái)控制電機速度、電流的大小，認知和掌握這一規律，實(shí)質(zhì)上是我們在以下章節中講述的重點(diǎn)概念 PWM(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM)脈寬調制控制機理，即：在所需的時(shí)間內，將直流電壓調制成等幅不等寬的系列電壓脈沖，以達到控制頻率、電壓、電流的目的。電動(dòng)自行車(chē)控制器是借助PWM電路來(lái)控制電機輸出功率的，實(shí)現開(kāi)關(guān)調制作用的是高頻開(kāi)關(guān)功率器件MOS管，用它來(lái)做執行高頻斬波斷續供電的開(kāi)關(guān)，從而有效地解決了電機的速度和電流的操控性。

　　這種控制方式很容易通過(guò)單片機得以實(shí)現，因此無(wú)論是有刷電機還是無(wú)刷直流電機，它的控制系統均能實(shí)現PWM控制，從而為電機的控制數字化提供了契機。