电动自行车控制系统设计.doc

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1、摘 要目前电动车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷直流电动机等。无刷直流电机控制系统是一种新型的调速系统，具有良好的运行、控制及经济性能，有着巨大的发展潜力。无刷直流电机是利用电子换相替代机械换相和电刷，既具有直流电动机良好的调速性能，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，在众多领域中得到了广泛的应用。单片机控制的调速系统是电动自行车的控制核心，与无刷直流电动机共同构成电动自行车的动力驱动系统。永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动自行车等小功率的工作情况，本文在对电动自行车调速系统进行深入分析的基础上，迎合市场对电动自行车的新需求，讨论并设计了价

2、格低廉且具有转速检测、速度显示，声光报警等新型实用功能的电动自行车调速系统。系统各个部分的控制电路基于ATMEL公司的AVR系列ATmega88单片机。根据永磁无刷直流电动机的特性实施单极PWM脉宽调制，并通过位置传感器的输出情况控制电机换相，同时实现转速检测，并通过液晶显示器显示转速。通过软硬件的配合，实现整个系统的设计要求。主要工作如下:硬件部分包括电源电路、MOSFET驱动电路、转速及位置检测电路、PWM控制电路、电流检测电路、速度给定及显示电路、照明电路、保护电路等。软件部分采用模块化结构设计，给出了各模块的程序流程图。关键词： 无刷直流电动机；脉宽调制；ATmega88单片机；位置传

3、感器AbstractBrushless DC motor (BLDCM) is a new type of motor that gets much popularity in the past few years. It combines the characteristics of AC motor and DC motor. Therefore, it has excellent timing capability, high efficiency, simple configuration, reliable operation, and can be controlled and m

4、aintained easily. BLDCM has been widely using in various fields. SCM control of speed control system of electric bicycle is the control core, and brushless DC motor is composed of electric bicycle drive system.permanent magnet brushless DC motor speed control system used in electric bicycles and oth

5、er low-power work, Based on the electric bicycle speed control system based on the thorough analysis, to meet the new demands of market for electric bicycles, discussing and designing of low prices and with speed detection, speed display utility function, the sound and light alarm of the electric bi

6、cycle drive system. Various parts of the system control circuit based on ATMELs AVR series ATmega88 mcu. According to the permanent magnet brushless DC motor unipolar pulse width modulation characteristics of PWM implementation, and through the position sensor so that the motor commutation, and indi

7、rect realization of speed testing, and through digital tube display speed, through hardware and software support, realize the whole system design requirements. The main work is as follows: the hardware part comprises a power circuit, drive circuit for MOSFET, PWM control circuit, current detection,

8、speed and display circuit, Lighting circuit , and protection circuit . The software part adopts the module structure, draw the module flow chart of program design and introduces the software design considerations, is a kind of high performance brushless DC motor speed control system design.Keywords:

9、Brushless DC motor;pulse width modulation; ATmega88 ; position sensorII河北科技师范学院2012届本科毕业设计目 录摘 要IAbstractI引言21无刷直流电动机的结构及原理32系统总体结构及工作原理43控制系统硬件电路53.1 单片机53.2 转子位置及转速检测电路73.3 转速控制方法83.4 全桥逆变及功率驱动电路93.5 电压检测及欠压保护电路123.6 电流检测及过流保护电路123.7 转速给定电路133.8 电源电路143.9 速度、报警显示电路153.10 照明电路163.11 欠压、过流报警电路163.12

10、 刹车电路174 控制系统的软件设计174.1 系统主程序设计174.2 电子换相程序设计184.3 速度和电流控制子程序194.4 AD转换采样程序设计204.5 语音报警程序设计205.总结21参考文献21致谢22引言随着城市外延的扩大，交通机动化的需求不断增加，交通工具便利与否左右着人们的活动空间。电动自行车由于轻便、快捷、价位等优势异军突起，日益成为自行车交通工具使用者的一种理想的并广受欢迎的个人交通工具。由于电动自行车自身所具有的优点和近几年来行业内技术的不断进步，决定了其将会有较为广阔的市场前景，尤其在中国这个人口大国，更是有它的用武之地。依靠科技进步，发展电动自行车，对抑制石油涨

11、价，支持国家能源发展战略，降低环境污染;促进人与地球的和谐发展，方便寻常百姓出行，缓解城市交通拥堵，都具有重要的历史意义和现实意义1。目前电动车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的调速特性，速度控制容易，良好的起、制动性能，宽广的调速围，且在宽范围内平滑调速等特点，宜于在广泛的范围内平滑调速。长期以来在要求调速的地方，特别是在冶金、机械制造、轻工等工业对调速性能指标要求较高的场合中得到广泛应用。由于直流调速系统需要较少的控制硬件和简单的电动机控制方法，是直流调速系统仍

12、具有强大生命力的关键所在，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。驱动电机最早采用的是有刷直流电动机，有刷电动机采用机械换向，对控制系统的技术要求较低，但是相比无刷电动机，有刷电动机存在着明显的劣势:寿命短，噪声大，效率低，返修率较高。在电子技术和电子元器件取得突破性进展之后，交流异步电动机的调速问题得到解决，交流异步电动机作为驱动元件的方案也被电动车辆采用。其中最有发展前途的是无刷直流电动机。因为它的起动力矩大、过载能力强、体积小、高效率、长寿命、低噪声、控制方便的特点正适合电动车辆的运行特性。因此电动车采用直流无刷电动机做为驱动系统是一个必然的大趋势。电动自行车控制系统可以视为以

13、控制器为核心，包括转把、刹把、仪表以及相关的传感器、开关按钮等器件的集成。其中，控制器决定了电动车的操控性能。因此控制器功能的提高、完善及合理发挥对于电动自行车控制系统来说尤为重要2。电动自行车控制器的主要形式有:分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统、基于专用集成电路的控制系统、以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统和全数字控制系统 。模拟控制系统由于模拟电路中不可避免的存在参数漂移和参数不一致等问题，加上线路复杂、调试不便等因素，使电机的可靠性和性能受到影响，在电动自行车控制器中己经不采用了。基于专用集成电路的控制系统采用无刷直流电动机专用集成电路如MC33033, MC33035,

14、ML4428为控制核心，克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小、可靠性高，但功能难以扩展，在早期的电动车控制器中较多采用。数模混合控制系统和全数字控制系统采用数字电路、单片机以及数字信号处理器(DSP)构成硬件系统，控制规律由硬件实现转向软件实现。控制灵活、功能扩展方便且易实现较复杂的控制算法。目前的电动自行车控制器普遍采用这种控制系统3。因此，设计了一个以AVR系列的 ATmega88 单片机为控制核心，利用无刷直流电机的特性实施 PWM单极调制，并具备速度显示和声光报警功能的电动自行车控制系统。 1无刷直流电动机的结构及原理永磁无刷直流电动机是近年随着电子技术和永磁材料的进步而迅速发展

15、起来的一种新型电机。它用一套电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置,保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能,同时又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点,因此在各个领域中得到广泛应用。目前，我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为24V, 36V或48V，功率在150W400W之间；正常工作时，36 V电机的额定电流在4. 5 5 A，对24 V电机的定额电流为6. 257. 5 A 。直流无刷电动机的结构主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。直流无刷电动机的结构如下图3

16、所示。图中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关管联接，在图中，A相、B相、C相绕组分别于功率开关管V1, V2, V3相接。位置传感器的跟踪转子与电机转轴相联接。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用4。在图1中，三只光电器件a, b和c的安装位置各相差120，均匀分布在电动机的一端。

17、借助安装在电动机轴上的旋转遮光板(亦称截光器)的作用，使得从光源射来光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被光线照射到来判断转子的位置。其工作过程如下:当电动机转子N极位于A (a)处，则传感器a元件感应出信号，使功率晶体管V1导通，A相绕组中便有电流通过，设其方向为A(流入)、X(流出)，便产生水平向左的定子磁场，该磁场与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转;当N极旋转至B (b)处，b元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断，B相绕组通过电流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至C (c)处，其动作过程与前两处相同。如此反复循环，电动机即可旋转起来5。

18、不难看出，在换向过程中，定子各相绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式的，这种旋转磁场在360的电角度范围内有3种磁状态，每种磁状态持续120电角度。图2给出了各相绕组的导通顺序示意图。 + 电动机本体 Z Y A U NS a b c C B 位置传感器 X 电子开关线路 - wt A-X B-Y C-Z 120 240 360 480 0 wtwt图1 无刷直流电动机的结构图图2 各相绕组的导通顺序示意图2系统总体结构及工作原理电动自行车调速控制系统的核心是电动自行车控制器，它不仅要完成外部信号的处理，无刷直流电动机驱动信号的给定，更重要的是完成整个控制系统的控制策略。调速系统主要包括：

19、电源电路、MOSFET驱动电路、电压检测、电流检测及保护电路、转速及位置检测电路、刹车制动、声光报警、速度显示等电路。系统总体结构如图3所示。在图3中，蓄电池36V电压供给控制器电源模块，经过电源模块的DC-DC转换得到15V及5V的直流电压分别供给控制器上的声光报警模块、MOSFET驱动电路及单片机MCU。控制器根据调速传感电路的信号，输出相应的PWM方波信号，驱动电路将脉宽变化的方波信号转换为大小变化的直流信号，经过驱动电路整形、放大后控制电机。控制器根据调速转把电压值大小，模拟调节输送给电机电压的高低，从而控制了电机的转速。ATmega88接收电机的霍尔位置传感器信号，对其进行译码，以决

20、定换相顺序，从而实现电机的电子换相。采样电阻检测负载电流，一旦电机电流过大，单片机将发出过流保护指令，避免电机及控制器的损坏6。5V 速度显示 转速给定 BLDCM 转速及位置检测 电流检测及比较电路声光报警 电池电压检测 单片机 PWM驱动及逆变电路刹车制动 电源 36V 15V 15V V图3总体结构框图3控制系统硬件电路3.1 单片机系统选用基于AVR增强型RISC结构的高性能、低功耗微控制器ATmega88单片机。它的常用引脚功能如下：(1)端口B (PB70)。端口B为8位双向I/O口，作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未

21、起振，端口B保持为高阻态。通过对系统时钟选择位的设定，PB6可作为反向振荡放大器与内部时钟操作电路的输入，PB7可作为反向振荡放大器的输出。系统使用内部RC振荡器时，通过设置ASSR寄存器的AS2位，可以将PB76作为异步定时器/计数器2的输入口TOSC21使用。(2)端口C (PC50)。端口C为7位双向I/O口，作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C保持为高阻态。其中PC6/RESET 引脚当RSTDISBL位被编程时，可将PC6作为一个I/O口使用。因此，PC6引脚与端口C其他引脚的电特性是有区别的。RSTDISBL

22、位未编程时，PC6将作为复位输入引脚Reset。此时，即使系统时钟没有运行，该引脚上出现的持续时间超过最小脉冲宽度的低电平将产生复位信号。(3)端口D (PD70)。端口D为8位双向I/O口，作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D呈现为三态。(4)AVCC。AVCC为A/D转换器的电源。当引脚PC3.0与PC7.6用于ADC时，AVCC应通过一个低通滤波器与Vcc连接。不使用ADC时该引脚应道接与Vcc连接。PC6.4的电源则是由Vcc提供的。(5)AREF。AREF为ADC的模拟基准输入引脚。(6)ADC76。TQFP与

23、MLF封装芯片的ADC76引脚为两个10位A/D转换器的输入口，它们的电压由AVCC提供。ATmegg88由于采用了小引脚封装(DIP28或TQEP/MLF32 )，所以其价格仅与低档单片机相当，具有极高的性价比。ATmega88有如下特点：8K字节的系统内可编程Flash(具有在编程过程中还可以读的能力，即RWW), 512字节EEPROM, 1 K字节SRAM, 23个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，一个SPI串行端口，一个6路10位ADC (TQFP与MLF封装的器件具有8

24、路10位ADC)，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及五种可以通过软件选择的省电模式。因此，A Tmega88作为一款功能齐全、接口丰富，性价比极高的处理器，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案，非常适合电动自行车控制器的开发7。如图4所示为本系统中基于ATmega88单片机的电动自行车用BLDCM控制器连接图。PC4/PD5/PD6为上桥驱动控制信号，输出PWM信号，PD2/PD4/PD7输出下桥驱动控制信号。PB0/PBl/PB2为霍尔信号采集输入口，PB3为刹车信号输入口，PB5为LED驱动口，PC6为RST复位脚。PD3为BREAK端口，当单片机检测到电流过大时，便把信号送

25、到此引脚，单片机执行中断程序，PC3为电流检测口， PC0和PC1为液晶显示电路时钟信号输入引脚，ADC6为欠压保护引脚，ADC7为手把信号输入引脚，同时PB3, PB4, PBS,PC6以及+5V和GND还作为ISP调试口，用于在线调试和下载程序。图4 主控模块3.2 转子位置及转速检测电路a b c 0 60 120 180 240 300 360转子位置（电角度） 电机的转速是双闭环系统的一个重要反馈量，如果安装测速器来解决这个问题无疑会增加系统的硬件投资和整个系统的体积。在系统中将利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速。经过滤波后的脉冲信号如图5所示,它们是脉宽为180，相

26、位上互差120的方波信号。对其中的任一位置传感器而言，电动机每转能产生P个方波脉冲(P为电动机的极对数)，显然这种方波脉冲的频率是正比于电机转速的。脉冲信号再经过处理提高其脉冲频率后送到单片机的中断口，通过软件运用算法测速，从而实现转速检测8。图 5 三相位置信号系统的转子位置信号是通过无刷直流电动机本身自带的霍尔元件来检测的，由于霍尔元件是集电极开路输出，其输出信号经过上拉电阻得出位置方波信号，再送到单片机控制器的控制引脚进行位置信号的捕捉，图6示。为了使电路尽可能的简单，降低成本，本系统是通过位置参数进行计算得到速度信号。原理是:无刷直流电动机转子每转过60电角度都有一次换相，只要测得两次

27、换相的时间间隔t，就可以计算出电机换相期间的平均角速度9。图6位置及转速检测电路 如上图所示，JI, J2和J3分别与直流无刷电机的三根霍尔引出线相连。R13阻值为2.2K，分别与R3032构成霍尔信号整定电路，把信号电平整定为0V或5V，使之与单片机的I/O口电平一致。C1, C2和C3与接地端相连，能够起到滤除霍尔信号中的杂波作用10。无刷直流电机按霍尔元件的电角度可分为60和120电机。上述两种电机的换相均是根据安装在电机内部的三个开关式的霍尔传感器输出的霍尔信号(HA, HB, HC)来控制的。60电机有(000)和(I11)状态，即三个霍尔可以输出全低或全高，没有(101)和(010

28、)状态，120电机则没有(000)和(111)两种状态。三相霍尔信号(HA, HB, HC)经霍尔采样电路采样后送给单片机，单片机软件控制程序将霍尔信号以数组形式存储在单片机制成霍尔信号数组表和霍尔相序数组表存储到单片机EEPROM中(见表1)，当系统检测到电机要换相时通过查上述两表便可得到MOSFET要导通的顺序，输出换相控制信号。霍尔信号数组表与霍尔相序数组表的关系是:霍尔信号的值为霍尔相序数组表的下标，霍尔信号数组表的下标为霍尔相序数组表的值，建立霍尔相序数组表的好处是换相时程序能更加迅速地查到电机换相顺序。表2为逆变器功率管导通表。 表1霍尔信号数组表60电机000 100 110 1

29、11 011 001120电机101 100 110 010 011 001数组序号0 1 2 3 4 5 表2 逆变器功率管导通表状态1 状态2 状态3 状态4 状态5 状态6导通的功率管V1 V4 V1 V6 V3 V6 V3 V2 V5 V2 V5 V4定子导通相AB AC BC BA CA CB 3.3 转速控制方法.1 电机的调速原理直流电动机转速的表达式见公式(1)： 公式(1)式中 U电枢端电压；I电枢电流； R电枢电路总电阻； 每极磁通量； K电动机结构参数由此可知，直流电动机的调速方法有三种：调节电枢供电电压U，改变电机的主磁通改变电枢回路电阻R。改变电阻调速缺点很多，目前很

30、少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往和调压调速配合使用，在额定转速以上做小范围的升速11。通常，无刷直流电机是通过调节输入电机的直流平均电压达到调节转速的目的。调节方式有两种:一种为PAM(Pulse Amplitude Mede)脉冲幅值调制方式，另一种为PWM(Pulse Width Mode)脉宽调制方式。PWM调节是一种根据能量冲量等效原理，通过将固定不变的系统电压斩成占空比可变的PWM波，通过改变占空比来改变电机电枢两端的平均电压的电压调节方式。其具有体积小、控制方便、调速性能好、成本低的优点，同时，其易与控

31、制器构成闭环控制系统，控制方法灵活多变。综上所述，调压调速是无刷直流电机最常用、最可靠、最有效的调速方式，无刷直流电机无级调速系统一般采用调压调速。本系统是在PWM调压调节方式的基础上来构建无刷直流电机驱动系统的。.2 PWM控制的原理无刷直流电机是在直流电源恒定供电的情况下，通过调节PWM波的脉宽来改变直流电压，实现对电机转速的控制。PWM技术可分为单极性PWM控制和双极性PWM控制:单极性PWM控制的控制信号如图7示，在每个60电角度的区域内，一个功率开关器件一直处于开通状态，另一个处于PWM状态;双极性PWM控制的控制信号如图8示，在每个60电角度区域内，两个工作的功率管器件或者都开通，

32、或者都关断。360 60 120 180 300 240 0 V1 V2 V3 V4 V5 V6 触发信号30018060 360 0 120 触发信号240 V1 V3 V2 V4 V5 V6 可以看出，采用单极性PWM控制的电流波动最大值只有采用双极性PWM控制的电流波动最大值的一半，因此为了减小电流脉动和功率管的开关损耗，本电机控制系统采用单极性的PWM控制技术。图7 单极性PWM控制各触发信号图 图 8 双极性PWM控制各触发信号图 3.4 全桥逆变及功率驱动电路本系统采用的逆变电路为三相六管全桥式逆变器，其工作方式为120，导通型为星形三相六状态。功率开关管选用高速型MOSFET器件

33、IRF540，它内阻低、热阻小，因此运行功耗低，适合输出级使用，具体参数如下：VDS =100V、VDGR =500V、 ICM= 28A、RDS =0. 7 、PCM =150W。其结构原理如图9所示，功率开关管VlV6分别与直流无刷电动机的A, B, C三相绕组相连。来自单片机的信号通过驱动电路驱动各功率开关管的导通、断开，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换相，各相导通示意图如表1所示。采用全桥逆变器的无刷直流电机在120导通方式下，电机同时有两相绕组工作，提高了无刷直流电机的利用率，也提高了电机的出力和效率；在该换相方式下，无刷直流电机同一桥臂的上

34、下两管互差60电角度导通，在换相瞬间不存在同一桥臂上下两管同时导通的情况，不必在控制上设置死区，提高了系统的安全性。综上所述，采用该逆变器作为电子换向器并采用120导通方式作为换向的无刷直流电机驱动系统，是一种具有较高效率和较好可靠性的驱动系统12。+ DC V3 D2 D5 V4 - - V1 D1 D4 V2 V5 D3 D6 V6 A B C 图9 无刷直流电动机星型连接全桥驱动结构原理图全桥型逆变电路有六个功率开关器件，若每个开关器件都用一单独的驱动电路驱动，则造成系统硬件结构复杂且可靠性也会下降。因此本驱动电路采用的是美国IR公司最新6单元驱动集成电路IR2130。用IR2130来驱

35、动MOSFET组成的全桥逆变器，驱动时采用120导通方式，即任一时刻仅有两个开关处于闭合状态。该电路为28脚双列直插元件，驱动能力强，保护功能齐全。如图10所示，在IR2130引脚中，VB1VB3是悬浮电源连接端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源；VS1VS3是其对应的悬浮电源地端。HIN1 HIN3, LIN1LIN3为逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效；ITRIP是过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或者直通保护:HO1 HO3，LO1LO3是逆变器上下桥臂功率开关器件驱动信号输出端；FAULT为过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该

36、端提供一个故障保护的指示信号13。IR2130是MOSFET 、 IGBT功率器件专用栅极驱动芯片，通过其内部自举电路，能同时驱动桥式电路中低压侧和高压侧的功率元件。IR2130具有6路输人信号和6路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，使整个驱动电路更加简单可靠，IR2130与全桥逆变电路的连接如图11所示。高压侧通道的输出驱动电源是通过自举技术获得的，高压侧的栅极电荷由自举电容C14、C15 、C16提供。自举电容在器件断态时通过自举二极管被15 V充电，且为了防止自举电容两端电压放电，3个自举二极管D4,D5,D6应选用高频快恢复二极管，本设计中选用FR

37、107。单片机根据霍尔传感器输人信号经内部逻辑处理输出6个控制信号，分别送到IR2130的27管脚，经IB2130内部处理产生6路驱动信号分别驱动逆变电桥中6个功率MOSFET管。通过电阻RS检测到的电流信号分别送给IR2130的9脚(过电流信号检测输人端)和13脚(放大器同相输人端)。当外电路发生过流或直通时，引脚9端电压高于0.5 V时，内部保护电路使IR2130输出驱动信号全为低电平，6只功率管全部截止，起到保护作用14。图10 IR2130驱动芯片图11 驱动电路与全桥逆变电路的连接3.5 电压检测及欠压保护电路蓄电池电压的检测是实现对其容量监控的关键，也是对电池进行欠压保护的有效途径

38、。对于电池来说，其欠压保护值应该不低于当前使用蓄电池的放电终止电压值，比如24V电池欠电压保护应定在20.4V，36V电池欠电压不应低于30.6V。图12所示为电压检测电路，本系统通过采样电池的端电压，并对信号进行简单滤波后输入单片机的ADC口，用软件进行比对，当小于某个设定值（系统中设定值为31.5V）时，立即采取措施，关闭电源，从而实现对电池电压的检测及对蓄电池的必要保护15。图 12 电压检测及欠压保护电路3.6 电流检测及过流保护电路在电动机转速控制系统中，电流检测电路用来对电动机三相绕组中的电流进行实时检测以便对电机达到更好地控制。本系统中，电流信号经电阻采样之后分两路，一路送至放大

39、器，一路送至比较器。放大器用来实时放大电流信号，放大后的信号提供给单片机进行AD采样转换，转换所得数字用来控制电流不超过我们所允许的值。另一路信号送至比较器，当电流突然由于某种原因大大超过允许值，比较器翻转送出中断信号给单片机，单片机会及时关闭驱动桥，停止控制器工作，从而保护控制器避免更大的伤害。运用两个LM358构成的电流检测电路如图13所示。采样电阻为一个阻值为22、8W的电阻(图14中的Rs)，其两端电压送给U5A，经放大后输送给MCU,完成电流采样。放大倍数由R30 , R31决定。同时绕线电阻两端电压再送给U5B并与已知电压比较，比较器的门限值由R34, R35分压得到，一旦超出预定

40、值便发出过流输出信号给MCU, MCU便发出中断指令，完成过流保护16。图13电流检测电路每一个PWM周期对电流采样一次。本方案采用的是单极性PWM控制，在PWM周期的“关”期间，电流经过那个常开的开关管和另一个开关管的续流二极管形成续流回路，这个续流回路并不经过检测电阻R，所以在PWM的“关”期间不能采样电流；另外在PWM周期的开的瞬间，电流上升不稳定，也不易采样，所以电流采样时刻最好是在PWM周期的“开”期间的中部，如图14所示，以对开关管V1,V4的控制为例。此过程可以通过单片机的定时器采用连续增减计数方式时周期匹配事件启动ADC转换来实现。V1控制信号 V4控制信号 电阻压降信号 采样

41、时刻 图14 PWM控制时旁路电阻的电压波形图3.7 转速给定电路电动自行车的调速通常是通过手柄来调节的，分为接触式和非接触式。接触式主要是电阻型，非接触式的主要有霍尔传感器、光电传感器和电感传感器等。两者都是传输给单片机一个与速度成比例的电压信号LAI 设定给定速度。这里采用的是电动自行车上现成的霍尔传感器型调速手柄。调速电路原理如图15所示，手柄有三个端口，一个接电源，一个接地，最后一个由旋转手柄可以得到变化的输出电压信号UN。单片机将UN值经ADC转换器采样后送到PWM波占空比寄存器来决定PWM波形的占空比，由此调控电机转速。手柄电压输入电路是将手柄输出的模拟信号送到单片机的AD转换口转

42、换为数字信号的电路，控制程序根据此数字信号从而来调节电机的转速。在图中J4, J5和J6分别与转把上的调速线相连，J4为转把电源线，与5V相连，J5与转把信号输入线相连，其输入的是04V的模拟电压，J6为转把接地线。当手把松开或者卸掉时，保证输入AD口的电压为0。R9,R10串联构成分压电路，C5为滤波电容，滤除转把信号中的高频杂波。图15转速给定电路3.8 电源电路电源电压主要有几种:36V提供给电机，由蓄电池直接供给;15V提供给驱动和语音芯片部分，采用三端稳压器7815实现;5V提供给单片机以及其他逻辑控制电路，采用三端稳压器7805实现。电路如图16所示。图16 电源电路电路中接入C2

43、3、C25、C27、C29是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰，并且起到滤波作用，滤除电源转换中的尖峰电压，使输出的电压平滑，纹波小。大容量的C24、C26、C28、C30是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。实践证明本电源电路图原理简单，工作稳定，由于大部分使用集成稳压电源，还具有体积小、维修方便等优点，是电动自行车控制器理想的电源电路17。3.9 速度、报警显示电路电动自行车在行驶过程中，常常需要了解行驶中的速度和电量，以便更好地控制速度和进行报警显示，掌握保证行驶的安全。本系统使用的EDM1190A是一种实用美观的四位串行段式液晶显示模块。与现有的一些并行段式液晶显示模块相比，EDM1190A具有管脚少（现在一般的四位并行段式LCD模块一般都多达40个引脚，而EDM1190A只有4个引脚）、与单片机系统连接简单、编程方便等优点。EDM1190A段码式液晶显示器模块由LCD液晶显示器、驱动电路、8位CPU接口电路构成。它具有低功耗、抗干扰性强、温度范围宽等优点。2个LCD显示模块EDM1190A分别用来显示2个4位数。（1）和（2）两个EDM1190A的数据输入管脚DIN端都与单片机的PC2口相连。单片机的PC1和PC0分别与（1）和