無刷電動自行車控制器驅動方法

2023-04-22 21:20:16 1

專利名稱：：無刷電動自行車控制器驅動方法
技術領域：
：本發明涉及一種電動自行車控制器驅動方法，尤其涉及一種無刷電動自行車控制器驅動方法。
背景技術：
：電動自行車是目前常用的一種代步工具，具有電力驅動、腳踏驅動、電力和腳踏並用等功效。電動自行車的原理和結構都不複雜，可以認為是在自行車的基礎上加一套電機驅動機構組成。圖l是現有技術的無刷電動自行車結構示意圖，請參見圖l，蓄電池l經過控制器2給電機3送電，電機放在後車輪中，電機3的旋轉帶動自行車的行進，電機通過位置傳感器6向控制器反饋轉子位置信號以便控制器進行電子換相控制。電動自行車的控制器2連接調速手柄4，在腳踏中軸上裝有助力傳感器5，轉動調速手柄4可以讓控制器2檢測到不同的電壓值，控制器2根據電壓值大小，模擬調節輸送給電機電壓的高低，從而控制了電機2的轉速。目前電動自行車廣泛採用的是直流永磁電機，直流永磁電機按照是否採用電刷換向可分為有刷電機和無刷電機兩種。其中，有刷電機控制較簡單，但因其電刷易磨損的電刷帶來的維修保養工作量相對較大、使用壽命相對較短等缺點。而直流無刷電機是一種特殊的直流電機，它採用內置傳感器外加電子換向器的方法進行電子換向，由於無刷電機消除了電刷的磨損，以及電刷接觸所產生的噪聲，因此不但結構簡單，而且電機壽命長，維修保養工作量小。但直流無刷電機採用電子換向原理工作，其控制過程比有刷電機複雜得多，因此對控制器質量的要求也高得多。無刷電機控制器的主要原理是根據電機的位置反饋信號，控制電機三相驅動上下臂M0S管的導通和截止，從而實現電子換向控制電機轉向，並輸出電壓信號控制直流電機轉速。電動車零啟動時(即從靜止開始啟動)，如果轉把給得很小，電動車啟動很慢；如果轉把給得較大，轉速上來時有一小段比較大的類似於急剎車的尖叫聲，人坐在車上，感到有輕微的抖動(由轉矩脈動造成的)。這是由零速到一定速度時，換相產生的轉矩脈動引起的，在很低速度換相時刻，比如A相換到B相，C相不參與換相，則C相有續流存在，並且時間比B相導通的時間長，由於在換相期間，轉矩的大小主要由非換相相電流決定，這樣C相的電流在換相期間由AC相續流與B相導通電流疊加，AC相電流減小慢，B相電流增加快，在後段C相的電流就加大，從而引起轉矩脈動，從理論上講，只要控制好非換相相電流使其為一常數(在換相期間)就能很好地解決啟動抖動和噪聲問題，但在零啟動，電機處於堵轉狀態，啟動電流變化很快，如果控制不當，或者導致啟動力矩不足，或者仍然不能消除啟動噪聲。很多電動車廠商建議用戶腳踏騎行一陣，等電機車轉動起來後再進入電動模式，如何解決零啟動抖動和噪聲問題，一直是無刷電動自行車控制難題。
發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種無刷電動自行車控制器驅動方法，不需要直接控制啟動電流，就能有效解決零啟動抖動和噪聲問題。本發明為解決上述技術問題而採用的技術方案是提供一種無刷電動自行車控制器驅動方法，所述控制器的輸入端和調速手柄、轉子位置傳感器相連，輸出端和直流電機相連；所述控制器根據轉子位置傳感器的信號進行電子換向控制電機轉向，並輸出電壓信號控制直流電機轉速，其中，所述驅動方法包括如下步驟(1)零啟動時，所述控制器直接等比率輸出電壓信號控制所述直流電機轉速；(2)正常運行時，所述控制器根據調速手柄的輸入控制所述直流電機轉速。上述的驅動方法，其中，所述直流電機為三相永磁直流電機，所述轉子位置傳感器為三個在空間成等邊三角形分布的霍爾位置傳感器，所述控制器包括上三相橋臂和下三相橋臂，每相橋臂由一個M0S管控制通斷，所述控制器按照三相六拍運行，按照次序分別導通上三相橋臂和下三相橋臂中一個M0S管，每隔60°電角度換一個M0S管通斷，通過六次電子換向控制電機旋轉一圈，並輸出對應電壓信號控制電機轉速。上述的驅動方法，其中，零啟動時，所述控制器按照三相六拍方式進行六次電子換向模擬電機霍耳信號旋轉一圈，並輸出預升電壓信號。上述的驅動方法，其中，零啟動時，所述控制器超前0。30°電角度換相。上述的驅動方法，其中，所述調速手柄的輸入和直流電機的速度都為零時，設置零啟動標記，所述直流電機的速度達到預設值時清除零啟動標記。本發明對比現有技術有如下的有益效果本發明在零啟動時，所述控制器直接等比率輸出電壓信號，當轉速達到一定值後，再把電壓信號的控制權交給霍耳轉把，因此避免零啟動時手柄輸入過大導致輸出電壓信號變化過大，有效消除零啟動抖動和噪聲。此外，本發明通過預先提升MOS管電壓、超前換相進一步消除零啟動抖動和噪聲。圖1是現有技術的無刷電動自行車結構示意圖2是本發明使用的無刷電動自行車控制器系統示意圖3是本發明使用的直流電機定子繞組軸向示意圖4是本發明使用的三相六拍驅動示意圖5是霍爾元件信號發生時序圖6是本發明控制主流程示意圖。圖中:1蓄電池11MCU2控制器12無刷直流電機14PWM信號驅動器15直流電機驅動電路17碼盤測速電路18手柄輸入Ql、Q3、Q5上三相橋臂MOS管Q4、Q6、Q2下三相橋臂MOS管3電機13轉子位置檢測電路16驅動保護電路具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。圖2是本發明使用的無刷電動自行車控制器系統示意圖。請參見圖2，本發明使用的無刷電動自行車控制器包括MCU(MicrocontrollerUnit)11和無刷直流電機12，無刷直流電機12內設置有三個在空間成等邊三角形分布的霍爾位置傳感器，霍爾信號通過轉子位置檢測電路13送給MCU。轉把電壓通過手柄輸入18送給MCU，電機轉速通過碼盤測速電路17送給MCU。無刷直流電機12由直流電機驅動電路15驅動，直流電機驅動電路採用上三相橋臂和下三相橋臂控制電機電子換相，並接收PWM信號驅動器14的輸入控制電機轉速。此外，本發明使用的無刷電動自行車控制器還包括驅動保護電路16，提供過壓保護，堵轉電流保護。圖3是本發明使用的直流電機定子繞組軸向示意圖。請參見圖3，本發明的直流電機採用三相永磁直流電機，當電流從A到B時，定子繞組產生的磁場為圖中A—B方向，如果電機順時針運行，此時，永磁轉子磁場應位於III區，產生的扭矩最大。當轉子轉過III區和IV區的交界，到達IV區時，定子繞組電流應相應改變成為從A到C，即產生的磁場成為圖中A—C方向，這樣，定子磁場總超前轉子磁場約90。，使轉子不斷的向前跟進。對上述三相永磁直流電機，只要取得轉子位置，通過電子換相既能控制電機轉向。通常情況下，對於三相永磁無刷直流電機有以下幾種運行方式一是三相三拍運行，一個周期內每相導通l20°電角度；二是二相導通三相六拍運行，一個周期每相內導通240°電角度；三是三相導通三相六拍運行，一個周期內每相導通360°電角度；四是三相十二拍運行，一個周期內每相導通300°電角度。目前電動自行車普遍選用兩相導通三相六拍運行方式，採用這種方式能最好利用氣隙磁場的平頂部分，使電機力矩最大，平穩性最好，本發明以兩相導通三相六拍運行方式為例，詳細說明本發明的技術方案。圖4是本發明使用的三相六拍驅動示意圖。請參見圖4，本系統電機為三角形連接，功率器件的排列順序採用上三相橋臂M0S管Q1，Q3，Q5，下三相橋臂M0S管Q4,Q6，Q2的順序，按照一定的邏輯關係打開6個功率器件，即可實現電機的正反轉。具體來說，控制無刷直流電動機時，控制器主要是根據轉子當前的轉動位置，發出相應的控制字，通過改變P麗脈衝信號的佔空比來實現對電機的控制。無刷直流電動機的轉子位置是由位置傳感器檢測出來的。在本發明中，採用了三個光電式位置傳感器(霍爾元件)，所述傳感器在空間成等邊三角形分布。這種傳感器是利用光電效應製成的，由跟隨電動機轉子一起旋轉的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成。遮光板開有180。左右電角度的縫隙，且縫隙的數目等於無刷直流電動機轉子磁極的極對數。當縫隙對著光電電晶體時，光源射到光電電晶體上，產生"亮電流"輸出。其它光電電晶體因遮光板擋住光線，只有"暗電流"輸出。在"亮電流"作用下，三相繞組中一相繞組有電流導通，其餘兩相繞組不工作。遮光板隨轉子的轉動而輪流輸出"亮電流"或"暗電流"的信號，以此來檢測轉子磁極位置，控制電動機定子三相繞組輪流導通，使該三相繞組按一定順序通電，保證了無刷直流電動機正常運行。隨著電機轉子的旋轉，光電管間歇接收從光源發出的光，不斷導通和截止，從而產生一系列"0"、"1"信號，如圖5所示。這些脈衝信號通過I/O口傳輸給控制器，控制器讀取霍爾元件的狀態值，確定轉子當前的位置，通過改變PWM信號輸出的高有效或低效來控制驅動電路，改變MOSFET管的導通順序，很好地實現電機換相的控制；同時改變PWM信號佔空比，來調節電機的轉速。電動機驅動電路控制橋功率管的導通順序為Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1，為兩兩通電方式。電機轉子每轉一圈，霍爾元件H1、H2、H3會出現六種狀態，控制器對每一種狀態發出相應的控制字，改變電機的通電相序，從而實現電機的連續運行。例如，通過測試，電機正轉換相表如下tableseeoriginaldocumentpage7上述換相表直接存儲在控制器中，控制器根據霍耳信號査表導通相應的MOS管即可實現電子換相控制電機轉向。為了解決零啟動抖動和噪聲問題，本發明採用的技術方案是提供一種無刷電動自行車控制器驅動方法，所述控制器的輸入端和調速手柄、轉子位置傳感器相連，輸出端和直流電機相連；所述控制器根據轉子位置傳感器的信號進行電子換向控制電機轉向，並輸出電壓信號控制直流電機轉速，其中，所述驅動方法包括如下步驟:(l)零啟動時，所述控制器直接等比率輸出電壓信號控制所述直流電機轉速；(2)正常運行時，所述控制器根據調速手柄的輸入控制所述直流電機轉速。由於零啟動時，所述控制器直接等比率輸出電壓信號，如從0開始控制PWM信號佔空比，當轉速達到一定值後，再把佔空比的控制權交給霍耳轉把，因此避免零啟動時手柄輸入過大導致輸出電壓信號變化過大，有效消除零啟動抖動和噪聲°M0S場效應管，即金屬-氧化物-半導體型場效應管，英文縮寫為M0SFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistor)，屬於絕緣柵型。一般來說，用N溝道MOS管做頂部驅動，需要一個比電源高的電壓，但是零啟動時，由於電機沒有旋轉，電壓升不起來，所以就算輸出了電壓驅動信號，即PWM信號，但是頂部MOS管並沒有完全導通，可能會導致啟動轉矩不足，電機也會發出咕咕聲。為了進一步消除零啟動抖動和噪聲，在零啟動之前可預先將電壓升起來，即預先給每一相線圈短時間內施加預升電壓信號，具體實現方法如下用軟體模擬電機霍耳信號旋轉一圈，同時對應輸出電壓驅動信號，只要這個過程時間短一點，如幾十毫秒，預升電壓信號可以取佔空比為30%50%的PWM信號，電機根本不會旋轉，MOS管也不會燒毀，但是電壓卻已經升上去了，接下來啟動就方便多了。如對三相六拍運行方式，依次導通二相進行六次電子換向，導通順序為Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1，模擬電機霍耳信號旋轉一圈，並輸出預升電壓電壓信號。對三相六拍運行方式，所述控制器每隔60°電角度換一個M0S管通斷，通過六次電子換向控制電機旋轉一圈，零啟動時，所述控制器可以超前一定的電角度換相以補償啟動時換相引起的電流脈動。當然，電機啟動時速度一直再變，因此很難計算當前電角度並進行精確補償，實際使用中可以進行估算，超前0°30°電角度換相。為了判斷零啟動狀態，控制器可以設置零啟動標記，當調速手柄的輸入和直流電機的速度都為零時，設置零啟動標記，當直流電機的速度達到某一預設值時清除零啟動標記。圖6是本發明控制主流程示意圖。請參見圖6，本發明通過零啟動標記，在零啟動時，本發明的控制器首先給每個MOS管提供預升電壓，然後測量霍爾信號，提前03(T電角度換相，並等比率輸出PWM信號控制電機轉速，當轉速達到一定值後，清除零啟動標記，把電壓信號的控制權交給霍耳轉把。當手柄輸入和電機轉速為零時，再設置零啟動標記。因此避免零啟動時手柄輸入過大導致輸出電壓信號變化過大，有效消除零啟動抖動和噪聲。雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的修改和完善，因此本發明的保護範圍當以權利要求書所界定的為準。權利要求1、一種無刷電動自行車控制器驅動方法，所述控制器的輸入端和調速手柄、轉子位置傳感器相連，輸出端和直流電機相連；所述控制器根據轉子位置傳感器的信號進行電子換向控制電機轉向，並輸出電壓信號控制直流電機轉速，其特徵在於，所述驅動方法包括如下步驟(1)零啟動時，所述控制器直接等比率輸出電壓信號控制所述直流電機轉速；(2)正常運行時，所述控制器根據調速手柄的輸入控制所述直流電機轉速。2、根據權利要求1所述的控制器驅動方法，其特徵在於，所述直流電機為三相永磁直流電機，所述轉子位置傳感器為三個在空間成等邊三角形分布的霍爾位置傳感器，所述控制器包括上三相橋臂和下三相橋臂，每相橋臂由一個M0S管控制通斷，所述控制器按照三相六拍運行，按照次序分別導通上三相橋臂和下三相橋臂中一個M0S管，每隔60°電角度換一個M0S管通斷，通過六次電子換向控制電機旋轉一圈，並輸出對應電壓信號控制電機轉速。3、根據權利要求2所述的控制器驅動方法，其特徵在於，零啟動時，所述控制器按照三相六拍方式進行六次電子換向模擬電機霍耳信號旋轉一圈，並輸出預升電壓信號。4、根據權利要求2所述的控制器驅動方法，其特徵在於，零啟動時，所述控制器超前0。30°電角度換相。5、根據權利要求1至4所述的任一控制器驅動方法，其特徵在於，所述調速手柄的輸入和直流電機的速度都為零時，設置零啟動標記，所述直流電機的速度達到預設值時清除零啟動標記。全文摘要本發明公開了一種無刷電動自行車控制器驅動方法，所述控制器的輸入端和調速手柄、轉子位置傳感器相連，輸出端和直流電機相連；所述控制器根據轉子位置傳感器的信號進行電子換向控制電機轉向，並輸出電壓信號控制直流電機轉速，其中，所述驅動方法包括如下步驟(1)零啟動時，所述控制器直接等比率輸出電壓信號控制所述直流電機轉速；(2)正常運行時，所述控制器根據調速手柄的輸入控制所述直流電機轉速。本發明提供的刷電動自行車控制器驅動方法，不需要直接控制啟動電流，就能有效解決零啟動抖動和噪聲問題。文檔編號H02P6/08GK101656503SQ20091019684公開日2010年2月24日申請日期2009年9月29日優先權日2009年9月29日發明者袁亞軍申請人:袁亞軍