電動(dòng)自行車控制器的技術(shù)原理與設(shè)計(jì)

　　20世紀(jì)迅速發(fā)展的電力電子技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，使控制器發(fā)展成為智能化的機(jī)電一體化綜合系統(tǒng)，控制器也已成為電動(dòng)自行車機(jī)電系統(tǒng)的中樞。現(xiàn)代電動(dòng)自行車技術(shù)的發(fā)展已使控制器遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)的單一驅(qū)動(dòng)控制功能，成為了電動(dòng)自行車的能量管理與控制中心，這是保障電動(dòng)自行車安全行駛、舒適騎行、獲得高動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的核心與關(guān)鍵。它對(duì)各種工作狀態(tài)信息進(jìn)行采樣、比較與分析并轉(zhuǎn)換為一系列控制或保護(hù)指令，自動(dòng)監(jiān)控電機(jī)和控制電路使電動(dòng)自行車得以安全可靠運(yùn)行。電機(jī)的控制系統(tǒng)性能與質(zhì)量的優(yōu)劣將決定電動(dòng)自行車的動(dòng)力性能、駕駛性能和安全性能。

　　電動(dòng)自行車控制器的產(chǎn)品日新月異，技術(shù)突飛猛進(jìn)，但電動(dòng)自行車行業(yè)里人們的認(rèn)知水平參差不齊，為普及電動(dòng)自行車控制器的知識(shí)和提高這一門類科技水平，在這里，我們從基本控制原理到由單片機(jī)(MCU)控制構(gòu)成的智能化系統(tǒng)做相應(yīng)的介紹。

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

　　根據(jù)電機(jī)的工作特性，改變電樞電壓，就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于電動(dòng)自行車的電池電壓基本上是固定的，若想實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，那么就必須想辦法對(duì)施加電機(jī)的電樞電壓進(jìn)行調(diào)控變換;同時(shí)，電動(dòng)自行車在使用中遇到堵轉(zhuǎn)、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(nèi)阻，但如果按電源電壓48V計(jì)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(duì)電機(jī)自身易燒毀繞組，對(duì)整車易燒毀主回路導(dǎo)線，同時(shí)易造成電池過(guò)放電，使電池?fù)p毀等致命問(wèn)題。

　　如何解決在電池供電條件下實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)?如何對(duì)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)自行車控制系統(tǒng)的基本原理。

　　我們知道，電機(jī)為電感性負(fù)載，電感又是個(gè)儲(chǔ)能元件，電感線圈在突然斷電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生泵升電壓，即反電勢(shì)，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)自行車所使用的永磁電機(jī)主控回路等效為如下圖1-2電路，進(jìn)行剖析：

　　那么，根據(jù)以上等效電路，我們就可以找出它的計(jì)算方法，如果對(duì)電機(jī)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(shì)為：E=KE公式(1-2)

　　產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為：T=KTI公式(1-3)

　　式中KE為反電勢(shì)常數(shù)、KT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　這幾個(gè)公式的物理意義：反電勢(shì)E可以看作為可變電壓源，它和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系;電磁轉(zhuǎn)矩T與電樞電流I也成正比關(guān)系;電樞內(nèi)阻R(通常很小)，在電機(jī)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)有一定的限流作用;電樞電感L對(duì)動(dòng)態(tài)性能有影響，當(dāng)電樞以斷續(xù)供電時(shí)，對(duì)電流脈動(dòng)起平滑濾波作用，電流的上下波動(dòng)很小，其轉(zhuǎn)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(xù)供電的方法，改變電機(jī)供電電壓的平均值，來(lái)控制電機(jī)速度、電流的大小，認(rèn)知和掌握這一規(guī)律，實(shí)質(zhì)上是我們?cè)谝韵抡鹿?jié)中講述的重點(diǎn)概念 PWM(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱PWM)脈寬調(diào)制控制機(jī)理，即：在所需的時(shí)間內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列電壓脈沖，以達(dá)到控制頻率、電壓、電流的目的。電動(dòng)自行車控制器是借助PWM電路來(lái)控制電機(jī)輸出功率的，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)調(diào)制作用的是高頻開(kāi)關(guān)功率器件MOS管，用它來(lái)做執(zhí)行高頻斬波斷續(xù)供電的開(kāi)關(guān)，從而有效地解決了電機(jī)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(jī)得以實(shí)現(xiàn)，因此無(wú)論是有刷電機(jī)還是無(wú)刷直流電機(jī)，它的控制系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)PWM控制，從而為電機(jī)的控制數(shù)字化提供了契機(jī)。