本系統(tǒng)所用的樣機(jī)是星形連接的三相電機(jī)，額定電壓36V，額定功率250W，內(nèi)部霍爾傳感器相位差為120°，采用兩相導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通、六狀態(tài)工作的橋式全控電路進(jìn)行控制。工作時(shí)，控制器根據(jù)霍爾傳感器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前所在位置，依照定子繞線決定開(kāi)啟(或關(guān)閉)功率晶體管的順序，從而使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此使電機(jī)順時(shí)或逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制器又再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，以獲得電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。
2 無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)
2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)的總體控制原理如圖2所示。單片機(jī)接收電動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)把給定的速度信號(hào)，并根據(jù)電流、速度反饋調(diào)整輸出的PWM信號(hào)的占空比，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無(wú)刷電機(jī)內(nèi)部的霍爾元件的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)位置信號(hào)檢測(cè)電路，將電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置反饋給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此反饋信號(hào)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的換相信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)單片機(jī)的輸出指令控制三相橋功率開(kāi)關(guān)電路上下功率管" title="功率管">功率管的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

2.2 可編程片上系統(tǒng)（PSoC）
　　PSoC（Programmable System on Chip）是美國(guó)Cypress MicroSystems公司推出的新一代功能強(qiáng)大的8位可配置的嵌入式單片機(jī)^[3]。該系列單片機(jī)與傳統(tǒng)單片機(jī)的根本區(qū)別在于其內(nèi)部集成了數(shù)字模塊和模擬模塊，用戶(hù)可以根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求調(diào)用不同的數(shù)字和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計(jì)，其內(nèi)部所包含的用戶(hù)模塊如圖3所示。使用該類(lèi)芯片可以配置成具有多種不同外圍元器件的微控制器，適應(yīng)非常復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制需求，大大提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性和費(fèi)用，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路
　　本文采用三相逆變橋功率管開(kāi)關(guān)電路驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)，上下橋臂均選用N溝道MOSFET，這是因?yàn)镻溝道FET的通態(tài)電阻比N溝道FET的要大，較高的通態(tài)電阻將使開(kāi)關(guān)速度下降，損耗增加，效率降低，可靠性降低，全部使用N溝道FET做功率開(kāi)關(guān)具有更高的效率^[4]。
　　本系統(tǒng)選用ST Microelectronics公司生產(chǎn)的N溝道增強(qiáng)型功率管STP60NF06，它的最大漏源極電壓V_DSS=60V，飽和導(dǎo)通時(shí)的漏源極之間的電阻R_DS（on）<0.016Ω，允許通過(guò)的最大漏極電流I_D=60A。為了提高系統(tǒng)的效率，減小MOSFET的功率損耗，應(yīng)使功率開(kāi)關(guān)工作時(shí)的通態(tài)電阻最小，即滿(mǎn)足V_GS≥10V。三相橋上下橋臂功率管驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

　　由于上橋臂的N溝道FET導(dǎo)通后，其源極對(duì)地電壓V_S=E，為了維持其飽和導(dǎo)通，滿(mǎn)足V_GS≥10V，需要提供其柵極驅(qū)動(dòng)的輔助電源，如圖5所示。利用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器產(chǎn)生占空比為50%、頻率為50kHz的方波信號(hào)，通過(guò)三極管經(jīng)電容耦合到二極管網(wǎng)絡(luò)，整流出所需的直流電壓，使G點(diǎn)電壓約為48V，E點(diǎn)為電源電壓36V。

2.4 斬波調(diào)壓信號(hào)（PWM）
　　本系統(tǒng)使用的單片機(jī)內(nèi)部有PWM模塊，通過(guò)改變脈沖寬度寄存器或脈沖周期寄存器的值，就可以改變輸出的PWM占空比，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。相對(duì)于“雙斬”P(pán)WM調(diào)制方式，采用“單斬”P(pán)WM調(diào)制方式可以減小功率管的開(kāi)關(guān)損耗，并且當(dāng)PWM占空比相同時(shí)，后者電磁轉(zhuǎn)矩大^[5]。因此，本系統(tǒng)采用“單斬”P(pán)WM調(diào)制方式對(duì)三相逆變橋的下橋臂功率管進(jìn)行調(diào)制。正常工作時(shí)，根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部的AD采樣電動(dòng)車(chē)手把信號(hào)，改變脈沖寬度寄存器的值，控制PWM輸出的脈沖寬度。為了使電機(jī)起動(dòng)有力，同時(shí)避免大電流對(duì)電機(jī)及控制器造成損壞，本系統(tǒng)采用數(shù)字式限流起動(dòng)方式，通過(guò)比較反饋電流與設(shè)定電流的大小逐級(jí)調(diào)整PWM占空比，使電機(jī)始終以最大電流起動(dòng)。
2.5 電機(jī)起動(dòng)控制
　　無(wú)刷直流電機(jī)工作時(shí)，由于自身及控制系統(tǒng)的影響，使其輸出轉(zhuǎn)矩含有脈動(dòng)成分，這種轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)很大程度上是由于電流換相造成的，影響了整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，在實(shí)際使用中，會(huì)造成電機(jī)的抖動(dòng)并產(chǎn)生震動(dòng)噪音，因此，已有許多方法用以抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)^[6-8]。對(duì)于電動(dòng)自行車(chē)，目前還沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)提出客觀的抑制標(biāo)準(zhǔn)，主要是依靠人的騎行感覺(jué)來(lái)評(píng)測(cè)。通過(guò)騎行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)在起動(dòng)過(guò)程中震動(dòng)噪音大，抖動(dòng)比較明顯，也就是說(shuō)，在這段時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。如何在不增加成本的情況下較好地抑制換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)就成為設(shè)計(jì)控制器的關(guān)鍵。本文提出通過(guò)PWM斬波補(bǔ)償換相期間的脈動(dòng)電流，具體方法為：經(jīng)過(guò)采樣電阻提取反映主回路中電流幅值的電壓量，濾除高頻成分，送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)其脈動(dòng)范圍的大小來(lái)調(diào)節(jié)換相期間PWM信號(hào)的占空比，加快換相過(guò)程，減小換相電流脈動(dòng)，待換相完成后，返回正常控制狀態(tài)。該方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的噪音及抖動(dòng)得到明顯抑制，電機(jī)在低、高速下無(wú)明顯的震動(dòng)噪音。
3 測(cè)試結(jié)果
　　采用額定電壓36V，額定功率250W的電機(jī)作為樣機(jī)，對(duì)該控制器進(jìn)行測(cè)試，得到如圖6所示的電機(jī)各特性曲線。
　　從圖中可以看出，電機(jī)的效率在很大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都能夠保持在60%以上，達(dá)到額定輸出功率時(shí)，其效率接近80%。在電機(jī)加載的過(guò)程中，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大，電流逐漸增大，但是在達(dá)到限流值(14A)后，電流不再隨著轉(zhuǎn)矩的增加而增加，而是能夠穩(wěn)定在限流點(diǎn)附近。這樣在實(shí)際使用過(guò)程中，控制器和電機(jī)不會(huì)因回路中的過(guò)大電流而損壞，即實(shí)現(xiàn)了限流保護(hù)。從圖6可以看出，本控制器的作用效果還是比較理想的。