电动自行车无刷直流电机控制系统研究与设计

摘要

电动自行车以其便捷、实用等优点已成为越来越多市民短途出行的代步工具。与早期用直流电机驱动的电动自行车相比，目前普遍采用无刷直流电机进行驱动，电动自行车在舒适性、可操作性上得到了有效改善，但仍然存在行驶里程短，续航能力不足等问题。如何提高电动自行车的续航能力是该产业研究的热点。因而研究电动自行车的能量回馈，提高其续航能力具有重要的理论意义与较高的实践应用价值。本课题主要研究工作如下: 介绍了电动自行车的发展历史及其相关控制技术的研究现状，并重点分析了电动自行车能量回馈控制技术的研究现状，详细分析了无刷直流电机的结构特点、运行原理及其数学模型。 对电动自行车制动过程中的能量回馈方法进行了研究，分析了无刷直流电机能量回馈的基本原理，分析并比较了半桥斩波和全桥斩波两种调制方式下的回馈制动过程和数学模型，并在此基础上，提出了基于半桥斩波的电动自行车能量回馈制动的控制策略。 设计了DSP最小系统电路、电源电路、功率逆变电路、逆变桥驱动电路、电流检测电路、过流过压保护电路、PWM同相保护电路、信号处理电路、隔离滤波电路、液晶显示电路等硬件电路。完成了位置信号采集程序、电机拖动控制程序、能量回馈控制程序、转速计算程序、转速PI闭环调节程序、欠压和过流保护程序、显示程序等软件设计。搭建了以TMS320F2812为核心的电动自行车控制系统实验平台，并进行了联机调试，实验结果表明，本文所设计的电动自行车控制系统很好地实现了对电动自行车的控制，表现出了良好的稳定性，并有效的提高了电动自行车的续航能力。

目录

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摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 电动自行车相关技术的研究现状

1．3 电动自行车的能量回馈制动的研究现状

1．4 论文研究内容

2 无刷直流电机结构及运行原理

2．1 无刷直流电机基本结构

2．1．1 电机本体

2．1．2 位置传感器

2．1．3 电子换向电路

2．2 无刷直流电机工作原理

2．3 无刷直流电机数学模型

2．3．1 反电势方程

2．3．2 电压方程

2．3．3 电磁转矩方程

2．4 本章小结

3 电动自行车能量回馈制动原理及其控制策略

3．1 无刷直流电机能量回馈制动的原理

3．1．1 无刷直流电机的制动方式

3．1．2 回馈制动的基本原理

3．2 两种调制方式下无刷直流电机回馈制动过程分析

3．2．1 半桥调制方式下回馈制动过程分析

3．2．2 全桥调制方式下回馈制动过程分析

3．2．3 两种调制方式下回馈制动过程的比较

3．3 电动自行车能量回馈制动控制策略研究

3．3．1 电动自行车能量回馈制动的约束条件

3．3．2 回馈制动控制策略的确定

3．4 本章小结

4 系统硬件设计与实现

4．1 控制芯片TMS320F2812的介绍

4．2 驱动电路的设计

4．2．1 功率逆变桥电路

4．2．2 逆变桥驱动电路

4．3 控制电路的设计

4．3．1 电源电路

4．3．2 电流检测电路

4．3．3 电机的调速电路

4．3．4 显示电路

4．4 保护电路的设计

4．4．1 过流保护电路的设计

4．4．2 PWM同相保护电路的设计

4．5 本章小结

5 系统软件设计与实现

5．1 主程序

5．1．1 速度测量方法

5．1．2 PI控制器

5．2 中断子程序

5．2．1 定时器中断程序

5．2．2 AD中断程序

5．3 本章小结

6 实验结果与分析

6．1 实验装置和检测方法

6．1．1 实验装置

6．1．2 检测方法

6．2 实验结果与分析

6．2．1 电动自行车无刷直流电机控制系统基本行驶实验

6．2．2 PI调节下的电机速度曲线

6．2．3 能量回馈制动实验

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢