CN101656503A - 无刷电动自行车控制器驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无刷电动自行车控制器驱动方法，所述控制器的输入端和调速手柄、转子位置传感器相连，输出端和直流电机相连；所述控制器根据转子位置传感器的信号进行电子换向控制电机转向，并输出电压信号控制直流电机转速，其中，所述驱动方法包括如下步骤：(1)零启动时，所述控制器直接等比率输出电压信号控制所述直流电机转速；(2)正常运行时，所述控制器根据调速手柄的输入控制所述直流电机转速。本发明提供的刷电动自行车控制器驱动方法，不需要直接控制启动电流，就能有效解决零启动抖动和噪声问题。

Description

无刷电动自行车控制器驱动方法
技术领域
本发明涉及一种电动自行车控制器驱动方法，尤其涉及一种无刷电动自行车控制器驱动方法。
背景技术
电动自行车是目前常用的一种代步工具，具有电力驱动、脚踏驱动、电力和脚踏并用等功效。电动自行车的原理和结构都不复杂，可以认为是在自行车的基础上加一套电机驱动机构组成。图1是现有技术的无刷电动自行车结构示意图，请参见图1，蓄电池1经过控制器2给电机3送电，电机放在后车轮中，电机3的旋转带动自行车的行进，电机通过位置传感器6向控制器反馈转子位置信号以便控制器进行电子换相控制。电动自行车的控制器2连接调速手柄4，在脚踏中轴上装有助力传感器5，转动调速手柄4可以让控制器2检测到不同的电压值，控制器2根据电压值大小，模拟调节输送给电机电压的高低，从而控制了电机2的转速。
目前电动自行车广泛采用的是直流永磁电机，直流永磁电机按照是否采用电刷换向可分为有刷电机和无刷电机两种。其中，有刷电机控制较简单，但因其电刷易磨损的电刷带来的维修保养工作量相对较大、使用寿命相对较短等缺点。而直流无刷电机是一种特殊的直流电机，它采用内置传感器外加电子换向器的方法进行电子换向，由于无刷电机消除了电刷的磨损，以及电刷接触所产生的噪声，因此不但结构简单，而且电机寿命长，维修保养工作量小。但直流无刷电机采用电子换向原理工作，其控制过程比有刷电机复杂得多，因此对控制器质量的要求也高得多。
无刷电机控制器的主要原理是根据电机的位置反馈信号，控制电机三相驱动上下臂MOS管的导通和截止，从而实现电子换向控制电机转向，并输出电压信号控制直流电机转速。电动车零启动时(即从静止开始启动)，如果转把给得很小，电动车启动很慢；如果转把给得较大，转速上来时有一小段比较大的类似于急刹车的尖叫声，人坐在车上，感到有轻微的抖动(由转矩脉动造成的)。这是由零速到一定速度时，换相产生的转矩脉动引起的，在很低速度换相时刻，比如A相换到B相，C相不参与换相，则C相有续流存在，并且时间比B相导通的时间长，由于在换相期间，转矩的大小主要由非换相相电流决定，这样C相的电流在换相期间由AC相续流与B相导通电流叠加，AC相电流减小慢，B相电流增加快，在后段C相的电流就加大，从而引起转矩脉动，从理论上讲，只要控制好非换相相电流使其为一常数(在换相期间)就能很好地解决启动抖动和噪声问题，但在零启动，电机处于堵转状态，启动电流变化很快，如果控制不当，或者导致启动力矩不足，或者仍然不能消除启动噪声。很多电动车厂商建议用户脚踏骑行一阵，等电机车转动起来后再进入电动模式，如何解决零启动抖动和噪声问题，一直是无刷电动自行车控制难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无刷电动自行车控制器驱动方法，不需要直接控制启动电流，就能有效解决零启动抖动和噪声问题。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种无刷电动自行车控制器驱动方法，所述控制器的输入端和调速手柄、转子位置传感器相连，输出端和直流电机相连；所述控制器根据转子位置传感器的信号进行电子换向控制电机转向，并输出电压信号控制直流电机转速，其中，所述驱动方法包括如下步骤：(1)零启动时，所述控制器直接等比率输出电压信号控制所述直流电机转速；(2)正常运行时，所述控制器根据调速手柄的输入控制所述直流电机转速。
上述的驱动方法，其中，所述直流电机为三相永磁直流电机，所述转子位置传感器为三个在空间成等边三角形分布的霍尔位置传感器，所述控制器包括上三相桥臂和下三相桥臂，每相桥臂由一个MOS管控制通断，所述控制器按照三相六拍运行，按照次序分别导通上三相桥臂和下三相桥臂中一个MOS管，每隔60°电角度换一个MOS管通断，通过六次电子换向控制电机旋转一圈，并输出对应电压信号控制电机转速。
上述的驱动方法，其中，零启动时，所述控制器按照三相六拍方式进行六次电子换向模拟电机霍耳信号旋转一圈，并输出预升电压信号。
上述的驱动方法，其中，零启动时，所述控制器超前0°～30°电角度换相。
上述的驱动方法，其中，所述调速手柄的输入和直流电机的速度都为零时，设置零启动标记，所述直流电机的速度达到预设值时清除零启动标记。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明在零启动时，所述控制器直接等比率输出电压信号，当转速达到一定值后，再把电压信号的控制权交给霍耳转把，因此避免零启动时手柄输入过大导致输出电压信号变化过大，有效消除零启动抖动和噪声。此外，本发明通过预先提升MOS管电压、超前换相进一步消除零启动抖动和噪声。
附图说明
图1是现有技术的无刷电动自行车结构示意图；
图2是本发明使用的无刷电动自行车控制器系统示意图；
图3是本发明使用的直流电机定子绕组轴向示意图；
图4是本发明使用的三相六拍驱动示意图；
图5是霍尔元件信号发生时序图；
图6是本发明控制主流程示意图。
图中：
1蓄电池            2控制器               3电机
11MCU              12无刷直流电机        13转子位置检测电路
14PWM信号驱动器    15直流电机驱动电路    16驱动保护电路
17码盘测速电路     18手柄输入
Q1、Q3、Q5上三相桥臂MOS管
Q4、Q6、Q2下三相桥臂MOS管
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图2是本发明使用的无刷电动自行车控制器系统示意图。
请参见图2，本发明使用的无刷电动自行车控制器包括MCU(Micro ControllerUnit)11和无刷直流电机12，无刷直流电机12内设置有三个在空间成等边三角形分布的霍尔位置传感器，霍尔信号通过转子位置检测电路13送给MCU。转把电压通过手柄输入18送给MCU，电机转速通过码盘测速电路17送给MCU。无刷直流电机12由直流电机驱动电路15驱动，直流电机驱动电路采用上三相桥臂和下三相桥臂控制电机电子换相，并接收PWM信号驱动器14的输入控制电机转速。此外，本发明使用的无刷电动自行车控制器还包括驱动保护电路16，提供过压保护，堵转电流保护。
图3是本发明使用的直流电机定子绕组轴向示意图。
请参见图3，本发明的直流电机采用三相永磁直流电机，当电流从A到B时，定子绕组产生的磁场为图中A-B方向，如果电机顺时针运行，此时，永磁转子磁场应位于III区，产生的扭矩最大。当转子转过III区和IV区的交界，到达IV区时，定子绕组电流应相应改变成为从A到C，即产生的磁场成为图中A-C方向，这样，定子磁场总超前转子磁场约90°，使转子不断的向前跟进。
对上述三相永磁直流电机，只要取得转子位置，通过电子换相既能控制电机转向。通常情况下，对于三相永磁无刷直流电机有以下几种运行方式：一是三相三拍运行，一个周期内每相导通120°电角度；二是二相导通三相六拍运行，一个周期每相内导通240°电角度；三是三相导通三相六拍运行，一个周期内每相导通360°电角度；四是三相十二拍运行，一个周期内每相导通300°电角度。目前电动自行车普遍选用两相导通三相六拍运行方式，采用这种方式能最好利用气隙磁场的平顶部分，使电机力矩最大，平稳性最好，本发明以两相导通三相六拍运行方式为例，详细说明本发明的技术方案。
图4是本发明使用的三相六拍驱动示意图。
请参见图4，本系统电机为三角形连接，功率器件的排列顺序采用上三相桥臂MOS管Q1，Q3，Q5，下三相桥臂MOS管Q4，Q6，Q2的顺序，按照一定的逻辑关系打开6个功率器件，即可实现电机的正反转。
具体来说，控制无刷直流电动机时，控制器主要是根据转子当前的转动位置，发出相应的控制字，通过改变PWM脉冲信号的占空比来实现对电机的控制。无刷直流电动机的转子位置是由位置传感器检测出来的。在本发明中，采用了三个光电式位置传感器(霍尔元件)，所述传感器在空间成等边三角形分布。这种传感器是利用光电效应制成的，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。遮光板开有180°左右电角度的缝隙，且缝隙的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数。当缝隙对着光电晶体管时，光源射到光电晶体管上，产生“亮电流”输出。其它光电晶体管因遮光板挡住光线，只有“暗电流”输出。在“亮电流”作用下，三相绕组中一相绕组有电流导通，其余两相绕组不工作。遮光板随转子的转动而轮流输出“亮电流”或“暗电流”的信号，以此来检测转子磁极位置，控制电动机定子三相绕组轮流导通，使该三相绕组按一定顺序通电，保证了无刷直流电动机正常运行。
随着电机转子的旋转，光电管间歇接收从光源发出的光，不断导通和截止，从而产生一系列“0”、“1”信号，如图5所示。这些脉冲信号通过I/O口传输给控制器，控制器读取霍尔元件的状态值，确定转子当前的位置，通过改变PWM信号输出的高有效或低效来控制驱动电路，改变MOSFET管的导通顺序，很好地实现电机换相的控制；同时改变PWM信号占空比，来调节电机的转速。电动机驱动电路控制桥功率管的导通顺序为Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1，为两两通电方式。电机转子每转一圈，霍尔元件H1、H2、H3会出现六种状态，控制器对每一种状态发出相应的控制字，改变电机的通电相序，从而实现电机的连续运行。
例如，通过测试，电机正转换相表如下：
  PWM6   PWM5   PWM4   PWM3   PWM2   PWM1   H1H2H3
  Q1Q2   00   11   11   11   11   10   101
  Q2Q3   00   11   11   10   11   11   100
  Q3Q4   11   11   11   10   00   11   110
  Q4Q5   11   10   11   11   00   11   010
  Q5Q6   11   10   00   11   11   11   011
  Q6Q1   11   11   00   11   11   10   001
上述换相表直接存储在控制器中，控制器根据霍耳信号查表导通相应的MOS管即可实现电子换相控制电机转向。
为了解决零启动抖动和噪声问题，本发明采用的技术方案是提供一种无刷电动自行车控制器驱动方法，所述控制器的输入端和调速手柄、转子位置传感器相连，输出端和直流电机相连；所述控制器根据转子位置传感器的信号进行电子换向控制电机转向，并输出电压信号控制直流电机转速，其中，所述驱动方法包括如下步骤：(1)零启动时，所述控制器直接等比率输出电压信号控制所述直流电机转速；(2)正常运行时，所述控制器根据调速手柄的输入控制所述直流电机转速。
由于零启动时，所述控制器直接等比率输出电压信号，如从0开始控制PWM信号占空比，当转速达到一定值后，再把占空比的控制权交给霍耳转把，因此避免零启动时手柄输入过大导致输出电压信号变化过大，有效消除零启动抖动和噪声。
MOS场效应管，即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)，属于绝缘栅型。一般来说，用N沟道MOS管做顶部驱动，需要一个比电源高的电压，但是零启动时，由于电机没有旋转，电压升不起来，所以就算输出了电压驱动信号，即PWM信号，但是顶部MOS管并没有完全导通，可能会导致启动转矩不足，电机也会发出咕咕声。为了进一步消除零启动抖动和噪声，在零启动之前可预先将电压升起来，即预先给每一相线圈短时间内施加预升电压信号，具体实现方法如下：用软件模拟电机霍耳信号旋转一圈，同时对应输出电压驱动信号，只要这个过程时间短一点，如几十毫秒，预升电压信号可以取占空比为30％～50％的PWM信号，电机根本不会旋转，MOS管也不会烧毁，但是电压却已经升上去了，接下来启动就方便多了。如对三相六拍运行方式，依次导通二相进行六次电子换向，导通顺序为Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1，模拟电机霍耳信号旋转一圈，并输出预升电压电压信号。
对三相六拍运行方式，所述控制器每隔60°电角度换一个MOS管通断，通过六次电子换向控制电机旋转一圈，零启动时，所述控制器可以超前一定的电角度换相以补偿启动时换相引起的电流脉动。当然，电机启动时速度一直再变，因此很难计算当前电角度并进行精确补偿，实际使用中可以进行估算，超前0°～30°电角度换相。
为了判断零启动状态，控制器可以设置零启动标记，当调速手柄的输入和直流电机的速度都为零时，设置零启动标记，当直流电机的速度达到某一预设值时清除零启动标记。
图6是本发明控制主流程示意图。
请参见图6，本发明通过零启动标记，在零启动时，本发明的控制器首先给每个MOS管提供预升电压，然后测量霍尔信号，提前0～30°电角度换相，并等比率输出PWM信号控制电机转速，当转速达到一定值后，清除零启动标记，把电压信号的控制权交给霍耳转把。当手柄输入和电机转速为零时，再设置零启动标记。因此避免零启动时手柄输入过大导致输出电压信号变化过大，有效消除零启动抖动和噪声。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1、一种无刷电动自行车控制器驱动方法，所述控制器的输入端和调速手柄、转子位置传感器相连，输出端和直流电机相连；
所述控制器根据转子位置传感器的信号进行电子换向控制电机转向，并输出电压信号控制直流电机转速，其特征在于，所述驱动方法包括如下步骤：
(1)零启动时，所述控制器直接等比率输出电压信号控制所述直流电机转速；
(2)正常运行时，所述控制器根据调速手柄的输入控制所述直流电机转速。
2、根据权利要求1所述的控制器驱动方法，其特征在于，所述直流电机为三相永磁直流电机，所述转子位置传感器为三个在空间成等边三角形分布的霍尔位置传感器，所述控制器包括上三相桥臂和下三相桥臂，每相桥臂由一个MOS管控制通断，所述控制器按照三相六拍运行，按照次序分别导通上三相桥臂和下三相桥臂中一个MOS管，每隔60°电角度换一个MOS管通断，通过六次电子换向控制电机旋转一圈，并输出对应电压信号控制电机转速。
3、根据权利要求2所述的控制器驱动方法，其特征在于，零启动时，所述控制器按照三相六拍方式进行六次电子换向模拟电机霍耳信号旋转一圈，并输出预升电压信号。
4、根据权利要求2所述的控制器驱动方法，其特征在于，零启动时，所述控制器超前0°～30°电角度换相。
5、根据权利要求1至4所述的任一控制器驱动方法，其特征在于，所述调速手柄的输入和直流电机的速度都为零时，设置零启动标记，所述直流电机的速度达到预设值时清除零启动标记。
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