一、绪论
电动自行车的出现是我国人们日常出行方式的一次重大变革，特别是在中小城市，电动自行车正以惊人的速度进入并占领自行车市场，并成为人们短距离出行主要出行代步工具[1]，伴随着电动车关键技术的快速发展，电动车辆取代燃油车是未来社会的必然趋势。
1.1国内电动自行车发展现状及存在的问题
随着电机驱动技术以及车载蓄电池技术的不断发展，占有价格优势的电动自行车应势而生。在日本、美国、德国等地区电动自行车发展的极为迅速，而且这些发达国家生产的电动自行车均属于“智能型”范畴，技术含金量相当高，车上一般都装有大量传感器，并由电机控制器MCU控制。从技术的角度上说，中国的电动车产量虽然占世界总产量的一半以上，但是我国电动自行车产业的研究起步晚，而且没有相对严格的质量检验标准，整车的性能以及智能性在生产、研发技术上明显落后于世界的一流技术水平。
电动自行车系统结构主要由5大部分组成：外部车体、车载蓄电池、充电设备、驱动电动机以及系统控制器。其中系统控制器是电动自行车驱动系统核心，它相当于车辆的大脑。它的主要功能是在确保电动自行车各组成部分稳定工作的情况下，提高车载蓄电池以及驱动电机的使用寿命，它的性能好坏直接影响整车系统质量和运行效率。而电动自行车系统控制器的重点在电机转速控制方面，目前主流的调速系统主要有两种：一种是使用专用的集成控制电路；另一种是以MCU为核心的控制器系统，这种方法的优点是可以灵活编写程序来控制电机，且应用范围广。我国的电动自行车目前采用的大多是第一种方案，虽然大大降低了整车的间隔，但从本质上决定了国产电动自行车在智能性上远远不及运用第二种方案的进口电动车。
总体来说，电动机控制器是保证BLDC电机稳定工作并实现调速和保护电机的控制中心。本文将采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32芯片为主控芯片，该芯片的速度比PIC单片机快一倍，价格却不到DSP芯片的1/3，很好的兼容了二者的优点[2]。该内核的最大优势是功耗低、价格便宜以及运算速度快。因此对基于STM32的BLDC电机控制系统研究、深入的研究有着十分重要意义[3]。
二、电动自行车用BLDC电机控制器设计方案确定
本文着重于电动自行车用BLDC电机的数字控制器开发与研究，根据BLDC电机的运行原理及电动自行车系统要实现的功能设计出电动车控制器。为此控制器设计方案确定需要考虑以下四个方面：控制器需要实现的功能，控制器的控制结构、控制方法以及PID控制器的设计。
2.1 控制器功能和需求分析
电动自行车控制器要实现的主要功能如下：
(1) 速度：实现电动自行车电机的平稳启动和运行，并可通过控制器调速按钮在0-2000rpm范围内多档变速。
(2) 过流保护：一旦系统功率驱动电路中的电流超过设定值时，能马上封锁控制器主控芯片相应引脚的PWM输出。
(3) 刹车：在硬件上设置有刹车断电；软件上一旦检测到刹车信号，立即让主程序进入刹车子程序，切断速度给定并封锁PWM输出。
2.2 控制结构
本文控制器的设计主要目的是控制BLDC电机的速度，故本系统采用自动控制技术中常用的转速外环、电流内环闭环控制方案。其中，电流内环非常重要，它能够第一时刻起到抑止超调，绝对保证定子绕组中的电流在工作过程中不超过其允许的最大电流值。
2.3 控制方法
本系统是通过调节PWM占空比来改变有效直流电压，从而实现对BLDC电机转速的控制。经典的PWM技术可分为单极性PWM控制和双极性PWM控制。
单极性PWM仅对逆变器上半桥或下半桥进行PWM调制。在每60°电角度的工作区域内，当其上桥臂处于PWM状态时，对应下桥臂长开，反之亦然。此外，单极性PWM调制下，电机运行时换相转矩较小，系统效率更高。在每60°电角度的工作区间中，任意时刻逆变器同相上、下桥臂的MOSFET均处于PWM调制状态，而且上下管处于同步互补的开关状态。为了避免同相桥臂出现直通状态而发生短路，同一桥臂上下管切换期间需要考虑死区设置，由于上、下MOSFET均需要调制，所以双极性PWM调制方式损耗相对较高。
综上分析，本文针对电动自行车应用BLDC电机的驱动控制采用单极性PWM实现。
2.4 PID控制器设计
在所有的控制系统应用中，数字PID控制器是应用非常广泛、技术较为成熟的一种控制策略，它具有算法简单、参数易调、可靠性高、鲁棒性好等优点，而在电机的调速系统中，为了实现闭环控制器，常用的是串级PID控制系统。串级PID控制的主要优点是：
（1）副回路的干扰信号，能被PID2迅速控制，使其影响不到被控制量C1(t)；
（2）副回路中参数的变化被该回路提前控制，这样大大减弱对被控制量C1(t)的影响；
（3）副回路的惯性由副回路给予调节，因而提高了整个系统的响应速度[4]。
本文电动自行车控制器系统选用经典的数字双闭环串级PID控制算法，用异步采样的方式对电流内环及转速外环分开采样。速度环的采样周期设置为电流环采样周期的10倍，即电流环采样10次，速度环采样一次。这是因为本设计串级控制系统中主控对象速度环的响应速度慢，副控对象电流环的响应速度快。通过实验证明电流环与速度环采用串级PID 控制算法，可以很好的满足系统快速性、稳态性能要求[5]。
三、系统仿真及实验结果分析
为了提高控制器系统实际运行时的效果，必须进行参数调试。虽然控制参数可以通过电机数学模型来确定，但系统实际运行时有很多不确定的因素影响。本文采取了仿真与实验相结合的方法，根据BLDC电机的工作原理和数学模型，运用Matlab/Simulink建立BLDC电机控制系统的仿真模型，通过计算机的软件仿真来确定控制参数的取值，并从实验加以验证，从而在实际调试中能起到比较好的指导作用。
3.1 BLDC电机控制系统的仿真建模
本本文采用控制单元模块化的方法，按照系统的构成以及电机的数学模型，利用Simulink工具箱分别建立BLDC电机、三相逆变主电路对应的电气模块以及MOSFET开关管逻辑换相驱动模块，对照系统控制具体策略构建双闭环调节模块，最后一步就是按控制系统整体结构对各个相对独立的模块进行有机整合，并初步设置系统各个组成环节的参数和系统仿真参数。这样就可对整个系统进行仿真，并对仿真结果分析。
3.1.1 BLDC模块
BLDC模块是由三大部分组成的，分别是①BLDCM主体模块；②BLDC内部子模块，其中为zhuansu转子速度计算模块；③zhuanju为电机转矩计算模块
3.1.2 转子位置检测模块
根据三相BLDC电机的数学模型，由电压方程可知电机转子位置pos信息还可以用三相反电动势来确定。又由于BLDC电机的反电动势为梯形波，该梯形波的平顶宽度为120º电角度，且其幅值与电机转速n成正比。
3.1.3 速度控制模块
速度控制模块即PID控制器。
为预先设定的参考转速值，n为实际电机转子转速，最后输出的is为参考相电流的幅值；ASR即为PID控制单元。
3.2 仿真结果分析
系统中电机初始转速设定为n=2000r/min，示波器采样时间Ts =0.001s。采用300V直流电源供电。根据临边界参数整定法，逐一调整参数使结果曲线趋于理想。最后得到数字PID控制器的三个参数为Kp=0.08，Ki=60，幅值控制在±20，仿真完成后观察示波器仿真结果。
（1）三相绕组电流信号
电机在刚启动时相当于突然加入负载，这时电流输出迅速达到饱和，但很快恢复了正常，说明仿真系统比较稳定。
电机转速稳定后，3相电流波形变化规律稳定。同一时刻定子3相绕组总是只有2相导通，而且每隔60°电角度电流换向一次。
（2）转子位置信号
电机转子周而复始从0°电角度转动到360°电角度，然后立即又回归到电角度0°，基本上符合理论分析波形，仿真效果良好。
电机刚开始工作时有些波动，但在0.05s后逐渐趋于稳定。并且输出的三相反电动势波形为梯形波，三相波形相位关系符合理论分析波形。
（3） 转度响应
电机启动时转速没有明显超调，转速经过几次震荡之后趋于稳定，而且转速很快稳定到设定值n=2000r/min，同时可以观察到系统是无静差运行的，符合设计的要求。
（4） 转矩响应
电机初起动时带动负载电磁转矩突然增加，再加上电流换向和电流滞环控制器的频繁切换造成转矩的波动较大，但在0.1s后系统转矩迅速调整到相应的稳态。
3.3 本章小结
本章首先在基于Matlab/Simulink仿真环境下利用SimPower System工具箱建立了BLDC电机双闭环调速系统仿真模型，详细阐述了BLDC模块、转速位置检测模块以及速度控制模块等子模块的具体建立方法，并分析了三相绕组电流信号、转子位置信号、三相反电动势信号、转速及转矩仿真波形。最后与实际搭建的控制系统的实验结果进行了对比，验证了控制系统的可靠性。
四、研究展望
随着自动控制技术、电力电子技术的快速发展，电动自行车用电机控制系统在电机选取、主控制器设计、控制算法等诸多方向必将得到完善。由于本人知识和能力有限，在目前的研究基础上，整个控制系统的需要进一步深入研究、改进的方面包括：
1、用无位置传感器BLDC电机取代本文用到的有位置传感器BLDC电机。随着转子位置信号检测方法的慢慢成熟，无位置传感器BLDC电机必将成为电动自行车用车载电机的主流，而且BLDC电机的位置传感器还增加了电机成本、体积以及电机出现故障的几率。
2、制约电动自行车快速发展的重要因素是一次完整充电的续航能力，目前一般的解决办法是采用新材料电池。文中提出的BLDC电机能量回馈制动原理和控制策略是基于实习公司的研发项目提出的，在本本文中只做了简要分析，并没有进行实验调试，后期对其加强实际应用方面的研究十分重要。
3、在控制方面，普通的PID控制算法虽可以满足本系统的基本性能，但可以尝试采用其它的智能控制策略，如模糊PID以及神经模糊控制等，实现更快的电流环、速度环响应，达到更好的控制效果。
4、完善控制器的上位机液晶面板实时监控功能。本设计中仅使用了4位数码管来实时显示电机的转速以及母线电流大小，可以尝试增加电机实际里程数等实用功能.
参考文献
[1] 张飞.我国电动自行车发展状况及管理对策研究[D].郑州大学，2006.
[2] 刘慧英,范宝山.基于STM32的多步进电机控制系统研究[J].测控技术,2010,29(6):54-57.
[3] Zhu Dong, Che Yanbo and Zhao Lihua. Research on modeling of BLDCM control sy-stem based on S-function Builder[C]. Power Electronics Systems and Applications (PESA), 2011 4th International Conference on, vol., no., pp.1,5,8-10June 2011.
[4] 张会林，胡爱军，李静等.直流无刷电机的模糊PI速度控制[J].昆明理工大学学报(理工版)，2007,32(2):52-55.
[5] 陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，1998. 杨向宇，杨进，邹利平等.直流无刷电机控制系统的建模与仿真[J].华南理工大学学报（自然科学版,2005,33(8):28-32.
作者简介：许亮 出生日期：1986.07 性别：男；民族：汉；学历：硕士研究生；籍贯：安徽黄山；单位：空军预警学院雷达士官学校基础部电工与电子教研室。职称：助教；研究方向：电工与电子技术
