電動自行車控制器的技術原理與設計

　　20世紀迅速發展的電力電子技術結合傳感器技術、微電子技術與計算機技術，使控制器發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自行車機電系統的中樞。現代電動自行車技術的發展已使控制器遠遠超越了傳統的單一驅動控制功能，成為了電動自行車的能量管理與控制中心，這是保障電動自行車安全行駛、舒適騎行、獲得高動力性能與經濟、節能的核心與關鍵。它對各種工作狀態信息進行采樣、比較與分析并轉換為一系列控制或保護指令，自動監控電機和控制電路使電動自行車得以安全可靠運行。電機的控制系統性能與質量的優劣將決定電動自行車的動力性能、駕駛性能和安全性能。

　　電動自行車控制器的產品日新月異，技術突飛猛進，但電動自行車行業里人們的認知水平參差不齊，為普及電動自行車控制器的知識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(MCU)控制構成的智能化系統做相應的介紹。

　　為了說明原理，我們將電動自行車電機(有刷、無刷)的主控回路等效為簡單的電機控制電路如下圖1-1加以說明：

　　根據電機的工作特性，改變電樞電壓，就能改變電機的轉速，由于電動自行車的電池電壓基本上是固定的，若想實現速度的調節，那么就必須想辦法對施加電機的電樞電壓進行調控變換;同時，電動自行車在使用中遇到堵轉、上坡等實際情況時，它的工作電流會非常大，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，對整車易燒毀主回路導線，同時易造成電池過放電，使電池損毀等致命問題。

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

　　我們知道，電機為電感性負載，電感又是個儲能元件，電感線圈在突然斷電時，會產生泵升電壓，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自行車所使用的永磁電機主控回路等效為如下圖1-2電路，進行剖析：

　　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)

　　產生的反電勢為：E=KE公式(1-2)

　　產生的電磁轉矩為：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系;電磁轉矩T與電樞電流I也成正比關系;電樞內阻R(通常很小)，在電機起動和堵轉時有一定的限流作用;電樞電感L對動態性能有影響，當電樞以斷續供電時，對電流脈動起平滑濾波作用，電流的上下波動很小，其轉矩的波動也很小。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，來控制電機速度、電流的大小，認知和掌握這一規律，實質上是我們在以下章節中講述的重點概念 PWM(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)脈寬調制控制機理，即：在所需的時間內，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。電動自行車控制器是借助PWM電路來控制電機輸出功率的，實現開關調制作用的是高頻開關功率器件MOS管，用它來做執行高頻斬波斷續供電的開關，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單片機得以實現，因此無論是有刷電機還是無刷直流電機，它的控制系統均能實現PWM控制，從而為電機的控制數字化提供了契機。