电动自行车控制器设计

电动自行车控制器设计开题报告
一.课题研究的意义
20世纪迅速发展的电力电子技术结合传感器技术、微电子技术与计算机技术，使控制器发展成为智能化的机电一体化综合系统，控制器也已成为电动自行车机电系统的中枢。

它以电力为动力解除了人们对石油资源日渐枯，满足人们日益增长的物质需求。

现代电动自行车技术的发展已使控制器远远超越了传统的单一驱动控制功能，成为了电动自行车的能量管理与控制中心，这是保障电动自行车安全行驶、舒适骑行、获得高动力性能与经济、节能的核心与关键。

它对各种工作状态信息进行采样、比较与分析并转换为一系列控制或保护指令，自动监控电机和控制电路使电动自行车得以安全可靠运行。

二、现状及分析
1、国内外技术现状、专利等知识产权情况分析和国内现有的工作基础
现有电动车大致可以分为以下几个主要部分:蓄电池、电池管理、充电系统、驱动系统、整车管理系统及车体等。

驱动系统为电动车提供所需的动力,负责将电能转换成机械能。

无论何种类型电动车的驱动系统,均具有基本相同的结构,都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分,其中电气驱动子系统是电动车的心脏,主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分,而控制部分即电动车的控制器又是最关键的部分[1，2]。

我国的电动自行车经过80年代到90年代初期的二次起落后，进入现在的第三个发展时期，从研制开发到1997年的小批量投放市场至现在其生产和销售呈逐年大幅增长的势头，据助力车专业委员会不完全统计，1998年为5.4万辆，1999年为14万辆，2000年为29万辆，2001年电动自行车的实际产量已超过58万辆。

每年都以近倍的速率增长，应该说，电动自行车已进入了成长初期。

2、国内外技术发展趋势
目前我国的电动自行车大都选用永磁直流电机，它可以分为(1) 直流有刷电机：a 印制绕组盘式电机b无铁芯式线绕电机c电枢式永磁电机(2) 直流无刷电机：a内转子式无刷电机b外转子式无刷电机[3]。

电机是电动自行车的心脏，是关键部件，电机要适应频繁起动，频繁变速又考虑到薄形安装特点，目前大都采用盘式结构，同时为了适应道路使用和环境特点，电机通常设计成全封闭结构形式，具有可靠防护性能。

这样的设计为电动自行车的智能化提供了可靠的保证，也是市场上应用最多的。

近年来，电动自行车整车性能有大幅度的提高，电动自行车的动力部件电机目前品种多，有刷电机有：有刷高速电机，有刷无齿低速电机。

无刷电机有控制器置于电机内的及外置控制器的无刷电机，从形状看有盘式电机，柱状电机及座式电机。

品种多，有利于发展新车型，值得高兴的是目前应用于电动自行车的电机大多具有较高的效率，大多数效率超过70％，且具有较宽的电机效率曲线平台。

一般称之谓效率特性曲线较硬，这能保证当负载及速度变化时，以较高的效率运行。

电动自行车的动力源，电池的比能量和寿命近年来均有较大提高，以36V成组的铅酸电池组为例：在充完电后大多数电动自行车的续行里程能超过50公里或接近70公里。

充电器也从原来的开关型向三段式、智能型充电器发展。

电动自行车近年来的发展和进步是巨大的，这是广大业者的辛勤劳动和心血的结晶[5]。

任务要求及实现目标的可行性分析
控制器是控制电机转速的部件，也是电动车电气系统的核心，具有欠压、限流或过流保护功能。

智能型控制器还具有多种骑行模式和整车电气部件自检功能。

控制器是电动车能量管理与各种控制信号处理的核心部件。

（1）任务要求：
用市场上先进的器件用于满足实现电动自行车工作的要求。

这个可以借鉴大联大集团旗下品佳集团根据电动自行车市场的需求推出了基于英飞凌8位单片机SAF-XC846的全
数字电动自行车控制器整体解决方案。

在电动自行车电机控制中，能准确实时地进行电流控制是控制器的关键所在。

XC846片上ADC的转换速度快(最小时间1.5uS)，并具有与同步PWM比较匹配的自动触发转换方式，可同时并行进行4路ADC转换提高了系统处理速度和精度，因此，采用XC846方案在每个PWM周期内都能实现准确的电机电流控制。

根据BLDC电机的特性，在整体方案中采用先进的换相电流补偿处理算法，从而有效提高了电机运行效率，并降低了电机的转矩脉动和启动噪声。

在过流保护和MOSFET保护方面，除了运用XC846片上特有的CTR AP硬件故障保护功能之外，在软件算法上还采用了先进的峰值电流PID算法控制和相电流保护算法，以防止实际工作电流超过MOSFET额定值而造成MOSFET管永久性损坏。

上述多种软硬件相结合的电流处理和保护显著提高了控制器的性能和可靠性。

用这种方法就可解决电动自行车控制器难以实现控制的问题[4]。

（2）实现预期目标可行性分析
作为电动自行车，在前进工程中，应满足快速、自动、智能的特点。

以下即为电动自行车控制器的控制过程：当想要启动电动自行车时，按下电子打火后能快速启动电动机，使之前进，在前进过程中，能实现变速快、稳的特点。

如遇上突发事件，如遇到障碍物，过路行人的时候，按下刹车，可以实现电动自行车中电机立马抱死刹车，因惯性移动的距离小，减少对车或人的伤害。

二.重点研究的关键问题及解决思路
该电动自行车应用先进的拖动技术和控制器技术，为电动自行车的普及提供了良好的基础条件，这也为电动自行车智能化实现成为现实。

（1）选择合适的电机，设计出相应的控制器，连动装置。

（2）绘制二维装配图和零件图。

（3）对整体机型进行三维建模，选择出最优的设计。

三.工作条件及解决办法
新疆位于祖国大陆的西北边陲，这里的地势较为平坦，人们近距离出行普遍使用自行车，自行车存在着速度慢，骑车累的劣势，而电动自行车的研究及投入使用，更能满足人们的需求。

市场上较为先进的电动自行车我们可以在模仿的基础上，设计出更为先进优良的类型。

而塔里木大学是一所综合性大学，学校图书馆有藏书 60多万册，有专门的学生阅览室和140种期刊杂志的教师阅览室以及电子阅览室。

每个学生都配有一台上网电脑，教室也配备上网电脑，另有多媒体教室和多种数据库可随时为学生提供服务。

资料设备：学校图书馆有藏书 60多万册，有专门的学生阅览室和140种期刊杂志的教师阅览室以及电子阅览室。

每个学生都配有一台上网电脑，教室也配备上网电脑，另有多媒体教室和多种数据库可随时为学生提供服务。

（1）文献法。

用于有关理论研究，选辑资料。

在科学理论的指导下研究每一个方案的可行性。

（2）行动研究法。

实践是检验真理的唯一标准，以模拟实验为主要开展形式，强调学生的亲身经历，要求学生积极参与到各种活动中去，在活动中发现和解决问题，发展实践能力和创新能力。

（3）评价和分析法。

通过比较分析辨出方法措施的优劣与可行性，去劣存优，去粗存精，进而总结出一套行之可效的可操作、可推广的实用模式。

（4）总结法。

对设计过程中的一些经验体会及时写成书面材料并进行总结反思，与指导老师交流。

四.工作方案及进度
第 1～3 周查阅文献，撰写开题报告。

第4～8 周根据现有电动自行车控制器的条件确定新型电动自行车的设计方案.
第 4～8 周据工作要求,计算并查阅相关手册,选择和设计各零部件
第 9～10 周运用AUTOCAD软件,绘制二维零件图和装配图.
第 10～1周运用三维软件完成整体零件的三维建模
第12～13周从工艺性能,经济性能,实用性能等方面对产品进行综合评价，校核修正。

完成产品说明书
第12～14周答辩。

五.参考文献
[1]杨骏．电动车直流无刷电动机转矩脉动现象及其控制方法．电动自行车，2005，(10)：29-31．
[2]谢宝昌，任永德．电机的DSP控制技术及其应用．北京：航空航天大学出版社，2005：250-258．
[3]郭帅，何永义．PSoC的动态配置能力及其实现方法．单片机与嵌入式系统应用，2003，(1)：23-26．
[4]谭建成．电机控制专用集成电路．北京：机械工业出版社，1997：95-106．
[5]邱建琪，陈永校．电动自行车用永磁无刷直流电机电磁转矩控制．微电机，2004，(4)：37-40．
[6]纪志成，姜建国，沈艳霞，等．永磁无刷直流电动机转矩脉动及其抑制方法．微特电机，2003，(5)：33-37．
[7]张磊，瞿文龙，陆海峰．无刷直流电机换相转矩脉动的抑制．电工电能新技术，2005.。