一种新型电动自行车控制器的研究

摘要

当今社会，环境污染问题日益突出，如何减少污染物排放，同时能源短缺现象越来越明显，大力发展绿色交通成为一个重要的解决途径。电动自行车适应时代潮流，以绿色无污染的电能为动力来源，轻巧的结构设计，伴随高效稳定的控制技术应用价格也能够满足居民的消费层次，已经是广大民众外出选择的首要代步工具，一经投放市场就迅速得到普及。
　　电动自行车是在传统人力脚蹬式带动两轮车的结构基础上，通过调速调节电机的有效运转速度带动后轮或者前轮转动。目前，电动自行车使用的电机主要是有无电刷之分，近年来随着技术的发展，由于不需要机械换向，使用寿命长，免维护，可靠性高，节能等很多优点，无刷直流电机在电动自行车中的应用所占比重越来越大，电动自行车在性能上得到了很大的改善，但是突出问题是续航能力还需要有更大的提高。另外在低端市场，多数电机产品采用传统的PWM驱动，虽然控制简单成本低，但是避免不了转矩脉动以及振动噪声问题。采用空间矢量脉宽调制技术可以很好的解决这些问题，并且能够提高电压的利用率，本文在分析了电动自行车驱动系统理论的基础上，开发高效节能的电机控制系统。
　　首先描述了电动自行车国内外从开始出现到慢慢普及的过程状况、相关应用、重点是控制新技术的优势以及现在科研人员所努力的主要方向。针对无刷直流电机的基本机构做简要描述，转动原理进行细致分析，搭建电机数学模型，深入对电动自行车如何实现控制、控制策略做出分析。其次，熟悉其有关控制理论的空间矢量脉宽调制技术、矢量控制技术，实际运用的过程做出详尽的描述和分析。借助MATLAB/SIMULINK工具搭建模拟无刷直流电机矢量控制系统的模型，在此基础设计了一款基于ST意法半导体公司生产STM32系列单片机电动自行车控制系统，完成了硬件的整体搭建、PCB绘制、制板和程序编写、调试以及算法编程应用。选择了霍尔传感器检测来达到位置检测的目的，采用空间矢量脉宽调制技术，通过三相电流的检测经过一系列转换实现转矩控制达到调速的目的。最后，经过对信号波形和实验的结果的分析，验证了一种性能优良低成本的新型电动自行车控制系统的方案的可行性，实现了本课题的设计要求。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 电动自行车研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 电动自行车控制系统的发展近况及热点问题

1．4 课题研究的主要内容

1．5 本章小结

2 无刷直流电机的原理分析及控制策略

2．1 无刷直流电机结构类型

2．2 无刷直流电机相关数学模型

2．3 无刷直流电机逆变电路导通方式

2．4 矢量控制的坐标转换

2．5 无刷直流电机转子的机械角度与电角度

2．6 无刷直流电机的控制策略

2．6．1 常规PID调速控制策略

2．6．2 模糊控制器

2．7 本章小结

3 电动自行车无刷直流电机矢量控制基本原理

3．1 SVPWM基本原理

3．2 SVPWM法则推导

3．3 SVPWM区域判断以及比较寄存器赋值

3．4 SVPWM空间矢量脉宽调制技术的数据合成效果

3．5 电动自行车无刷直流电机的矢量控制策略

3．6 仿真分析

3．7 本章小结

4 电动自行车控制器的硬件部分

4．1 电动自行车系统总体框图

4．2 主控电路

4．2．1 主控芯片介绍

4．2．2 基于STM32F103RBT6最小系统的设计

4．3 硬件电路设计

4．3．1 驱动电路

4．3．2 逆变电路和三相采样电阻电路

4．3．3 霍尔位置检测电路

4．3．4 过流保护电路

4．3．5 转把调速电路

4．3．6 手把刹车输入电路

4．3．7 显示电路

4．3．8 电源电路

4．4 本章小结

5 电动自行车控制系统软件设计

5．1 软件开发环境Keil介绍

5．2 软件总体设计

5．2．1 主程序设计

5．2．2 系统初始化

5．2．3 电流采集模块

5．2．4 转子的位置反馈模块

5．2．5 FOC实现模块

5．2．6 SVPWM生成模块

5．2．7 控制电机PID参数整定

5．3 本章小结

6 实验结果与分析

6．1 实验平台搭建

6．2 主控制器PWM输出以及霍尔位置检测信号

6．3 系统调试与结果分析

6．4 电动自行车上路测试

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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