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摘 要
随着现代社会的不断进步，环境和能源问题越来越受到人们的重视。由于燃油车辆的废气造成的环境污染、噪声污染以及石油资源的危机，无污染、低噪声和节能的电动交通工具已经成为世界各国研制开发的热点。电动自行车作为最简单的电动车辆近几年在世界各地尤其是亚洲地区取得了巨大进展。
电动自行车的运行，与一般的工业应用不同，对驱动系统的要求较高，要求电动自行车车用电动机可靠性好，能够在较恶劣环境下长期工作。直流无刷电机采用逆变器驱动，进行电子换向，具有没有换向火花、抗干扰性强、运行可靠、维护简便、使用寿命长等优点，电动自行车一般采用永磁无刷直流电机作为驱动电机。
电动自行车控制系统的设计对电动自行车运行起着非常重要的作用。利用单片机为控制核心的电机控制器比以往用模拟电路、数字电路、专用芯片所做成的控制器，在功能和整体性能上都有很大提高。本文所设计电动自行车控制系统以ATMEL公司的AT89C2051单片机作为控制核心，由霍尔调速手柄、由A/D转换器、刹车装置、电机驱动电路和欠压、过流保护电路等组成。通过硬件和软件的综合设计，设有欠压保护、过流保护、刹车断电等多种保护功能。

关键词：电动自行车； 永磁无刷直流电机； 控制系统； 过流保护
Abstract
With the constant advancement of modern society, the environment and energy issues more and more people's attention. As fuel vehicle emissions caused by environmental pollution, noise pollution and oil resources of the crisis, non-polluting, low noise and the electric energy-saving modes of transport has become the world's hot spots developed countries. Electric bicycles as the most simple of electric vehicles in recent years around the world especially in the Asian region has made tremendous progress.
The operation of electric bicycles and general industrial applications different, the drive system of higher demand for electric bicycle motor vehicle reliability, and in a harsh environment of long-term work. Brushless DC motor drive inverter used for the conduct of electronic switch, with no change to spark strong anti-interference, reliable operation, maintenance is simple, long life and other advantages of using permanent magnet electric bicycles in general as BLDCM Electric drives.
Electric Bicycle control system designed to run electric bicycles played a very important role. SCM used for the control of the motor controller core than ever before with analog circuits, digital circuits, ASIC caused by controllers, the functions and overall performance has greatly improved. In this paper, designed by Electric Bicycle control system to ATMEL's AT89C2051 SCM control as the core, from Hall governor handles, from A / D converter, brakes, motor-driven and under-voltage circuit, overcurrent protection circuits, and other groups 10%. Through the integrated hardware and software design, with under-voltage protection, overcurrent protection, brake power and other protection.

Key words: Electric bicycles； Eermanent magnet brushless DC motor；
Control system； Overcurrent protection

目 录
1 绪论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 国内外电动车研究现状 2
1.3 电动自行车的结构 6
1.4 电动自行车驱动控制的相关技术 8
1.4.1 电动机 9
1.4.2 电池 9
1.4.3 驱动及控制系统 10
1.5 本文内容结构 11
2 永磁无刷直流电机结构与工作原理 12
2.1 永磁无刷直流电机的结构 12
永磁无刷直流电机驱动系统构成 13
2.1.2 电机本体 14
2.1.3 转子位置传感器 15
2.1.4 逆变器电路 17
2.2 永磁无刷直流电机的运行原理 19
2.2.1 根本运行原理 19
2.2.2 永磁无刷直流电机的数学模型 20
2.3 永磁无刷直流电机的PWM控制 26
2.3.1 PWM控制技术原理简介 26
2.3.3 PWM调制与电机转速 27
3 控制系统硬件电路设计 29
3.1 控制系统系统硬件结构框图 29
3.2 AT89C2051单片机简介 29
3.3 单元电路设计 31
3.3.1 电源电路 31
3.3.2 单片机时钟及复位电路 32
3.3.3 霍尔调速手柄电路 33
3.3.4 刹车电路 34
3.3.5 欠压保护电路 35
3.4 系统过流保护电路 36
3.5 电动机驱动电路 37
3.6 系统总体电路图 39
4 控制系统软件设计 41
4.1 软件设计中应考虑的问题 41
4.2 软件结构框图 41
4.2.1 主程序框图 41
4.2.2 中断效劳程序框图 43
5 总结与展望 44
5.1 控制系统总结 44
5.2 未来的展望 44
致 谢 45
参考文献 46

1 绪论
1.1 课题的背景和意义
随着现代社会的不断进步，环境和能源问题越来越受到人们的重视。由于燃油车辆的废气造成的环境污染、噪声污染以及石油资源的危机，其被“零污染〞、高效率和能源来源广泛的新型电动车代替已成为一个不可逆转的趋势。与燃油车相比，电动车具有节能、可消除空气污染且能源广泛(可来自火力、煤炭、石油、天然气、水力、风力、地热、潮汐、原子能发电)等众多优点，因此电动车的研究己成为世界各国的研究热点之一。
电动车是以电动机作为行驶驱动的原动机、以车载电源作为动力能源的车辆，如：电动自行车、电动摩托车、电动汽车等。回忆电动车的开展历史，可以发现电动车是燃油车的先驱。早在约亨利(J.Henry)创造了直流电动机后不久的1831年，诞生了世界上第一部电动车。而第一部真正具有实际意义的电动车是由苏格兰人德文波特(T.Davenport)于1834年创造的，这部电动车采用的能源是不可充电的简单玻璃封装蓄电池。
1895年到1915年是早期电动车黄金时代，美国经济正处于扩张时期，急需寻找新型工业，以刺激经济进一步开展，电动车正是在这样的情况下开展起来的。这个时期的电动车代表了当时车辆制造技术的精华，高雅的四轮轿车、双轮轻便车、运货车都可以随时起动，加速时完全没有噪音，可以以40km/h的速度行驶。
1912年是电动车的全盛时期，全美国注册的电动车到达了3.4万辆，当时一辆电动轿车大约需要5000～6000美金，相当于今日一辆豪华劳斯莱斯的价格。电动车日渐衰落原因是多方面的，当时的三大主要部件技术都很落后：电动机性能差、效率低、笨重；电池不仅笨重，而且性能太差、寿命和容量都很低；控制系统的技术自然也很落后，可以采用的电子器件在当时尚未出现，电阻控速效率很低，它本身也要消耗太多的电能。美国人凯特林创造的燃油汽车电起动器也是对电动车的重大打击之一。电动车不敌燃油车还有一个原因是当时无法进入乡村，因为当时很多乡村地区没有电力供给。于是在1924年全关汽车展中，电动车销声匿迹了，燃油汽车迎来了黄金时代，一直延续到60年代末。
直到20世纪70年代石油危机时期，美、英、法、日开始投巨资研制电动车，我国清华大学钱伟长等教授上书总理周恩来，建议开发电动车，得到了周恩来总理的支持，拨百万巨款进行研究。在80年代，由于石油供给充分，油价逐步回落至70年代初的水平。汽车的燃油效率在政府的催促之下也大大改善了，因而电动车研发的动力大大的减少了，其步伐明显放慢了。90年代，在能源和环境的双重压力下，电动车的研究再次进入一个活泼期。新材料、新技术的开展，为电动车的开展注入了新的活力。
纵观电动车的开展历史，尽管电动车的出现早于燃油车，但是它的研究力度与后者相比要小得多，在性能上，如：动力性能、续程性能、平安性和经济性，还有待于进一步提高，这些性能与车辆的电力驱动系统都有紧密关系。就电力驱动系统的功率等级和需要考虑的因素来讲，电动汽车与小型两轮电动车有着一定的差异，然而从电力驱动系统中具体构成来讲，传动机构、使用的电机以及电机对应的控制方式，二者根本一致，彼此的技术可以相互借鉴。由于蓄电技术没有获得实质性的突破，目前的蓄电技术还仅适用于小型两轮电动车，小型两轮车辆在当今全球占据绝大多数，有着广阔的用户，因此无论从目前的技术条件还是从市场来讲，对小型两轮电动车进行研究都有非常便利的条件，容易较快地取得有效的技术进步，而且取得的成果对今后电动汽车的研究也有着重要的参考价值。我国是世界上最大的自行车生产和使用王国，开发小型两轮电动车对节省人们日常行车时间和改善生活环境有着非常重要的意义。鉴于以上这些因素，本文选择以电动自行车为研究对象进行研究，进行相应电动自行车驱动电机控制系统的简单设计。
1.2 国内外电动车研究现状
八十年代至今，电动车的相关技术如电力电子、微电子、计算机控制、电机等技术的迅速开展为其开发研制提供了良好的条件。以欧、美、日为代表的兴旺国家的科研机构、车辆公司在政府的支持下纷纷投巨资开始研制，并成功推出了一批性能良好的概念车。与此同时，世界上其它一些国家与地区同样关注电动车的开展，我国也投入了大量的人力、物力进行研发。
〔1〕欧洲电动车研究现状
欧洲的主要国家德、法、英、意、瑞典等均进行了电动汽车的研究，但是各国研究的侧重点不同。对德国而言，它木身电力驱动技术力量十分强大，目前它的研究重点是质子交换膜的燃料电池(PEMFC：proton-exchange membrane fuelcells)的开发，而且己开发出示范型电动车。如戴姆勒——奔驰公司的NECar3燃料电池电动轿车是使用甲烷为燃料，电池采用高功率密度、结构紧凑的50kW质子交换膜燃料电池。使用40L甲烷可以一次行驶400km，最高时速可达145km/h，燃料添加快而方便，而且只排放无污染的纯水。在电力驱动技术方面，德国主要选用交流感应电机与永磁无刷直流电机，英国使用开关磁阻电机。德、法、意对电动车车队进行跟踪测试，瑞典、法国等纷纷为本国的电动车开展策略进行较为深入的研究。
欧洲今后的主要研究活动包括电池试验和标准、EV和HEV，FC、汽车新结构、未来燃料、汽车生命周期分析等。电动自行车的开展也越来越受到重视，由于受油价上涨和环保意识等因素的影响，预计未来3至4年内，电动自行车将成为欧洲自行车商下一阶段推出的主要产品，仅欧洲市场每年的销量就可在300万至400万辆。欧盟委员会在欧洲10国赞助一项E-Tour方案，推动电动车辆的开展，此方案以电动自行车为主。通过将1300辆电动自行车发给大城市，藉此刺激欧洲大城市环保交通工具的使用。德国为目前欧洲电动自行车主要市场之一，目前每辆电动自行车价格平均在2500马克左右。电动自行车进入德国市场之初，曾有专家表示，多数德国人皆视自行车为运开工具，因此销量十分有限，并无太大市场潜力，孰料1998年该类产品销量竟然直线上升，据统计，1998年德国电动自行车总销量为1.5万辆。因此目前参加电动自行车生产的国家及制造商已越来越多，就连原来已制造摩托车为主的意大利著名厂商Piaggio以及Malaguti亦参加到这个行列中，如此足见其市场具有相当的潜力。
〔2〕美国电动车研究现状
在美国政府的积极支持下，美国三大汽车集团公司通用〔GM〕、福特(FORD)、戴姆克莱斯勒(CHRYSER)成为美国开发与推广电动车的主力成员。在具体的技术实现方面，美国主要集中力量开发基于交流异步电动机为主的电力驱动系统技术，该项技术在美国已到达实用的要求。目前，美国正集中力量重点研究蓄电池技术，十分看好基于质子交换膜的燃料电池，为此美国福特公司、戴姆克莱斯勒公司与加拿大巴拉德(Ballard)电力系统公司联手推广基于燃料电池为动力能源的电动车。基于燃料电池的样车NECAR于1994年推出，NECAR5也于2004年推出。
除此之外，美国还在整车性能分析设计方面、市场预测方面也做了大量的研究工作。在小型两轮电动车上，各种运动型的车辆在美国占有广泛的市场。1999年美国电动自行车市场仅有6.5万辆，到了2000年，超过了12万辆。电动自行车及相关产品的生产制造已经引起了美国各大公司的兴趣，如戴姆克莱斯勒汽车公司、通用汽车公司、尤尼克公司均参与电动自行车市场的产品开发及竞争。美国EVRider的电动自行车为美国所设计，但绝大局部为中国大陆制造，市场价位低。Zap公司生产的马达包括双马达装备可安装在绝大多数的自行车或三轮车上。据国外专家估计，美国电动自行车年需求量在一百万辆左右。
〔3〕日本电动车研究现状
日本电动车的生产及技术都占世界领先地位。在电力驱动系统方面，上个世纪70年代至80年代前期，主要使用永磁直流电机系统，之后开始使用交流异步电动机系统，近年来又开始使用永磁无刷直流电机系统，并以永磁无刷直流电机系统为主。日本学者通过研究认为采用优化的矢量控制技术控制异步机所得的效率高于普通矢量控制的控制系统，而优化的矢量控制系统的效率还是低于永磁无刷直流电机的效率。除此之外，日本在整车设计方面及在车辆的控制策略上都进行了精心的研究和试验。日本除了在电动汽车上投入了较大的人力、物力外，还加大了对电动自行车、电动摩托车的投入和研究，使其性能以及年生产力逐年提高。商品化的电动自行车由日本雅马哈公司率先于1994年推出，并随着本田、三洋、松下等知名公司的参与，生产规模日益扩大。日本还对电动自行车的使用管理采取了严格限制，只允许智能型电动自行车上路，并对智能型电动自行车的要求制定了严格规定，具体有：
1、在任何路况情况下，速度小于15km/h时，人力:电助力1，即电助力不允许大于人力，但电助力接近于人力。
2、在任何路况情况下，速度15km/h时，速度每增加lkm/h，电助力下降1/9。
3、速度24km/h时，整车电助动系统关闭。
4、人力蹬踏开始后1秒钟之内，电助动系统按上述开始要求工作；人力蹬踏停止后1秒钟之内，整车电助动系统关闭。
5、为了节约电能，智能型电助自行车停止运行一定时间(一般为3～5分钟)后，整车处于休眠状态。
6、必须保证骑行的连续性，电助力不能有断断续续的现象。
〔4〕国内电动车研究现状
我国电动车与欧、美、日等兴旺国家相比起步较晚。大约在上个世90年代进入开发研制高潮，主要集中在上海、北京、广东和武汉四个地区，涉及大专院校、科研院所以及局部车辆厂。到了90年代后期，根本覆盖全国主要经济兴旺地区如江苏、浙江、山东等省。据有关部门统计目前从事电动车开发和制造的厂家已经有400家左右，有60个机构在从事燃料电池的研究。这些机构中的大多数为研究所，研究的重点是质子交换膜技术，其中有四分之三工作是针对车辆进行的。例如，SAIC打算今年在路上投放少量示范车、同济大学要在今后几年研制出5至7辆燃料电池汽车，该方案得到了政府的资助。
2001年，我国首辆超级电容无轨电动车在哈尔滨试验成功，该车时速为60公里/小时，具有充电快、能量大、寿命长、无污染等优点。我国技术人员自主开发的第一辆以大功率锂离子电池为动力的电动车EV-3由深圳雷天公司开发成功，它的一次充电续驶里程数超过400公里。同年，我国第一辆以“凤凰〞命名的氢燃料电池电动车在上海诞生，这辆根据别克GL8原型车设计的凤凰燃料电池概念车，功能和性能与传统汽车相当。该车可乘5人，总重2500公斤，最高时速113公里。0～112公里/小时的加速时间仅13秒。
在国内，电动自行车的生产与销售也呈逐年上升趋势。1998年我国电动自行车产量仅为5.45万辆，1999年为12.6万辆，2000年又翻一番多，到达27.6万辆。据中国自行车协会预测，我国电动自行车高速增长期将一直持续到2021年，届时我国电动自行车年产量将达100万辆。随着电动自行车需求量的增加，许多厂家瞄准了这一市场，其中，天津松正机电技术、福奇电子、上海安乃达驱动技术和沈阳时运科技开展等生产的电动自行车控制器及相关配件都得到了广泛的应用和推广。对电动自行车的研究在国内己经到达了实用阶段，但其电力驱动技术水平与国外还存在一定的差距，有待进一步提高。
1.3 电动自行车的结构
电动自行车是以蓄电池作为辅助能源,具有两个车轮,能实现人力骑车、电动或电助动功能的特种自行车。它虽然具有普通自行车的外表特征(甚至具有摩托车的外表特征)，但主要的是他是在普通自行车的根底上，安装了电机、控制器、蓄电池、转把、闸把等操作部件和显示仪表系统的。机电一体化的个人交通工具。不同种类的车，其电池置放位置、控制器形式等有所不同。
电动自行车电气局部的配合关系如框图所示,其中虚线表示有些电动车没有此配合关系如下列图1-1所示：

图1-1 电动自行车车电气局部的配合关系
Figure 1-1 Relationship of electric bicycles with electrical part
〔1〕充电器
充电器是给电池充电能的装置，一般分二阶段充电模式与三阶段充当模式两种。二阶段充电模式：先恒压充电，充电电流随电池电压的上升逐渐减小。等电池电量补充到一定程度以后，电池电压会上升到充电器的设定值。此时转换为涓流充电。三阶段充电模式：充电开始时，先恒流充电，迅速给电池补充能量；等电池电压上升以后，转为恒压充电，此时电池电能缓慢补充，电池电压继续上升；到达充电器的充电终止电压值时，转为涓流充电，以保养电池和供给电池的自放电电流。充电器设计采用恒流、恒压、浮充三阶段自动转换方式，对电池产生保护，有效地延长电池寿命。
〔2〕电池
电池是提供电动车能量的随车能源，目前的电动车主要采用铅酸电池组合。用于电动自行车的电池主要有三类，即小型密封式免维护铅酸蓄电池、镍镉电池和镍氢电池。
〔3〕控制器
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，设计有多项保护功能控制系统，具有无级调速、软启动、欠压、限流或过流保护功能。控制器是电动车能量管理与各种控制器信号处理的核心局部。保护电机和电池，可使电流有控制地输出，产生所需动力，又不烧坏电机。
〔4〕转把、闸把、助力传感器
转把、闸把、助力传感器等是控制器的信号输入部件。转把信号是电动车速度控制信号。闸把信号是当电动车刹车时，闸把内部电子电路输出给控制器的一个电信号，控制器接受到这个信号后，就会切断对电机的供电，从而实现刹车断电功能。助力传感器是当电动车处于助力状态时检测骑行脚蹬力矩或脚蹬速度信号的装置。
〔5〕电机
电机是将电池电能转换成机械能，驱动电动车轮旋转的部件。在电动车上使用的电机有许多种。常见的有：有刷有齿轮毂电机、有刷无齿轮毂电机、无刷无齿轮毂电机、无刷有齿轮毂电机、侧挂电机。
〔6〕灯具、仪表
灯具、仪表局部是提供照明并指示电动车状态的部件组合。仪表一般提供电池电压显示。骑行状态显示、灯具状态显示等。智能型仪表还能显示整车各电气部件的故障情况。
中国是一个自行车王国，据报道全国自行车拥有量为4.5亿。随着我国城市化进程加快，用电动自行车替代摩托车、燃油助动车和自行车，一方面可以缓解城市中大气污染问题，另一方面也可以提高人们的生活节奏，因此电动自行车的社会需求市场巨大，据专家预测，本世纪初，我国电动自行车年需求量将到达100万辆以上。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150W-400W之间；蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为12Ah，充电时间在3-8小时左右，充电一次行驶里程约50Km左右；车速低于20Km/h，爬坡能力在4度上下；车型有普通型和豪华型，车重约35Kg，载重量约75Kg，百公里耗电量IKwh左右。如下列图1-2所示，某国产电动自行车外形结构：

图1-2 电动自行车外形结构
Figure 1-2 Form of electric bicycles
1.4 电动自行车驱动控制的相关技术
电动自行车的核心技术包括三方面：电动机、电池技术和驱动与控制系统，涉及电气、电力电子、控制、机械、材料和化工等诸多学科。
电动机
电动机属于驱动系统元件，包括新型交流电动机、新型直流电动机、直接驱动电动机、直线电动机、专用小功率电动机等等。直流电动机只是其中一个重要的分支。目前由于技术水平所限，电动车暂时只能采用直流电动机，目前较多使用的是永磁无刷直流电机，而且要持续一个相当长的时期，待逆变技术、交流电动机技术进一步成熟，交流电动机有望成为电动车的动力主流。
目前，大局部电动自行车厂家所用的电动机为永磁直流电动机，主要原因是：直流电动机是开展历史最悠久的电机，它的制造技术己相当成熟，具有高的运行可靠性，极好的调速性能，极大的过载能力，简单的控制方法。但直流电动机由于电刷的存在而产生的机械磨损较大，功率密度也偏低，无法实现高速大容量；而无刷直流电动机既有直流电动机的优越的性能，又依靠电子换向，免去了机械式电刷和换向器门，消除了机械磨损，提高了功率密度、最高转速以及容量。随着无刷直流电动机的性价比不断提高，其应用前景将越来越广泛。
电池
电池是电动车的能源，也是目前电动车研究中的一个世界性难题。自从电动车19世纪末诞生以来，速度慢、价格高、重量重、续程短等缺点就一直是制约其开展的关键因素。尽管这些年来与电动车相关的电机、电子、蓄电、控制、检测等技术水平有了较大的提高，使其某些动力性能如启动性能、加速性能和爬坡性能已可与燃油车辆相比，但是由于蓄电技术没有获得实质性的突破，致使伴随其多年的缺点没有得到根本性的改良。
当前，电动自行车中采用较多的是密封的铅酸蓄电池，这种电池的能量密度较低，造成电动车续驶里程短，车载能量少，只能采用小功率电机，并使得电动车在最高时速、最大加速能力、最大爬坡能力等方面受到诸多限制。电池的能量密度低是电动车开展的一个瓶颈，但同时也为电动车的研发提供了很大的机遇。国内外已研制了一些新型的电动车用蓄电池，主要有镍氢电池、铿离子电池和铿聚合物电池，与铅酸电池相比，这些电池显著提高了能量密度和功率密度，寿命较长，充放电谏度和效率高，但是价格比拟贵。此外燃料电池的研发也是一个热点，已经有很多国家和企业投入到此领域中。
电池的过充电和过放电均会缩短电池的寿命，大电流放电还会引起控制器功率驱动管温度急剧上升，损坏驱动管，以致于损坏控制器。因此，控制器必须有这项保护功能。控制器设计应确保工作在正常电流范围内，允许有一定的过载能力和大电流自动保护功能，以保护电池和驱动功率器件。为了防止过放电，控制器要对供电电压随时进行检测，一旦低于阈值，关闭控制器输出。
驱动及控制系统
驱动系统为电动自行车提供所需的动力，是衡量电动自行车性能好坏的关键。常见的驱动方式有四种：轮毅电机直接驱动式、中轴式、旁挂式、摩擦式。由于摩擦式靠摩擦轮胎推进，对轮胎的磨损较为严重，此外由于泥水等因素造成的打滑现象，给雨雪天气平安行车带来了困难和危险，因此除了在极少应用场合下使用外，这种方式已经逐渐被放弃。当前我国极大多数厂商的产品都采用轮毅电机直接驱动方式，采用这种方式的好处是电动车制造商可以不对车型作大的改动，即可装车，这种方式比拟容易在试制阶段被接受，但是从电动自行车本身的两个功能电动和人力骑行来看，采用轮毅电机直接驱动方式，由于磁阻造成的力矩，以及人力骑行时的电机发电问题，使人力骑行时感到费力。中轴式对机械的设计和制造水平要求较高，它通过采用双飞结构，解决了人力骑行困难问题。旁挂式相对要求较低，只是在后轮上增加了一条链条来驱动，而且骑行时电机不转动，因此不存在磁阻转矩以及发电问题，减轻了人力骑行时的阻力。
控制系统即控制器，概括的讲是一个中枢系统，它将各种有用信号转变为控制或保护指令，监督电动机和电路的运行状态，采样、比照分析并将信号转化为控制指令。对于电动自行车的控制器而言，就是将给定速度信号、传感器检测到的电动机转子位置信号、转速信号和电动机定子的电压、电流反响信号转变为控制或保护指令，监督电动机和控制电路的运行状态，采样、比照分析并将信号转化为控制指令，来控制电动机的启停、加减速的运行状态。
电动自行车控制系统可以视为以控制器为核心，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、完善及合理发挥尤为重要。电动自行车中的控制器一般必须具备三大功能，一是速度调节，二是过电流控制，三是欠电压保护。
1.5 本文内容结构
电动自行车车用电机需要高效率、高功率密度、大输出转矩和在较宽范围内调速的的性能，这样的驱动性能要求从系统的角度对电动自行车控制系统的控制方法和电机系统进行综合设计。本文围绕电动自行车驱动电机控制和过流保护为中心，着重于电动自行车车用无刷直流电动机原理介绍、对电动自行车控制器进行分析和设计以及控制系统欠压、过流保护等相关电路的分析设计。围绕这一根本思想，本文主要从以下两方面进行相应介绍：
(1)分析了电动自行车车用无刷直流电动机结构及工作原理
(2)采用AT89C2051芯片为控制核心，设计电动自行车驱动电机控制系统的硬件电路和相应软件设计。
相应的各章内容概述如下:
第一章：主要介绍了课题的背景和意义以及国内外电动车尤其是电动自行车的开展情况，并对电动自行车驱动控制的相关技术做了简要介绍。
第二章：对电动自行车用无刷直流电动机结构及工作原理做了详细的分析，简要介绍了PWM控制技术 。
第三章：以 AT89C2051芯片为控制核心，进行电动自行车驱动电机控制系统的硬件电路设计及各单元电路分析。
第四章：系统软件程序结构框图设计。
第五章：总结与展望。

2 永磁无刷直流电机结构与工作原理
电动自行车的运行，与一般的工业应用不同，对驱动系统的要求很高。电动自行车用电动机应具有以下特点：
〔1〕电动自行车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、加速性能好、使用寿命长的特点。
〔2〕电动自行车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。
〔3〕电动自行车用电动机应能够在车减速时实现再生制动，将能量回收并反响回蓄电池，使得电汽车具有最正确能量的利用率，这在内燃机的摩托车上是不能实现的。
〔4〕电动自行车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高一次充电的续驶里程。
另外还要求电动自行车用电动机可靠性好，能够在较恶劣环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格廉价等。鉴于电动自行车对电动机的根本要求采用永磁无刷直流电动机。
2.1 永磁无刷直流电机的结构
直流无刷电机是在直流有刷电机的根底上开展起来的。由于直流有刷电机的换向器和电刷在电机高速运转时容易产生火花，引起火灾、爆炸等事故，因此许多环境限制了直流有刷电机的应用。随着科学技术的开展，开关型晶体管的研制成功，为直流电机的开展带来生机。经过不断的研究和实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来替代直流有刷电机的机械换向装置。六十年代初出现了用霍尔元件传感器的直流无刷电机，七十年代初出现了比霍尔元件传感器灵敏度高许多倍的磁敏二极管换流的直流无刷电机。随着人们的不断努力，又发现了不用位置传感器，而依靠电机绕组在运转时产生的反电势来获得位置信号实现换向的直流无刷电机。通常把这种利用检测绕组反电势获得位置信号的直流无刷电机称为反电势法无刷直流电机或直流无刷无位置传感器电机。
永磁无刷直流电机驱动系统构成
永磁无刷直流电动机的控制器与电机本体紧密结合，是典型的机电一体化器件，由电动机本体、控制器和转子位置传感器三局部组成，下面是永磁无刷直流电机的构成，如图2-1所示：

图2-1 永磁无刷直流电机的构成框图
Figure 2-1 Diagram of the PM BLDCM
下面是三相全波逆变状态的永磁无刷直流电机的构成框图，如图2-2所示：

图2-2永磁无刷直流电机的构成框图〔三相全波逆变状态〕
Figure 2-2 Diagram of PM BLDCM (three-phase full-wave inverter state)

电机本体
永磁无刷直流电机本体结构与永磁同步电机相似，电机本体主要包括转子和定子。永磁无刷直流电机转子上装配高性能永磁材料制成的永磁体，常用的有三种结构形式：如图2-3 所示。其中图2-3 (a)结构是转子铁心外圆粘贴瓦片形永磁体；图2-3 (b)结构是在转子铁心中嵌入矩形板状永磁体。图2-3 (a)和图2-3 (b)结构的永磁无刷直流电机的转子外径套有一个紧圈，以防止电机在高速运行时离心力将永磁体甩出，同时在盐雾等恶劣的环境中也对永磁体起保护作用。紧圈的材料通常用不导磁不锈钢，也可用环氧无纬玻璃丝带缚扎。图2-3 (c)结构是在转子铁心外套上一个整体粘结永磁体环，适用于体积和功率较小的永磁无刷直流电机，该种结构的转子的制造工艺性较好。
永磁无刷直流电机的定子结构与普通的同步电机及异步电机相同，铁心中嵌放对称多相绕组，绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器中各开关管相连接。除了上述根本结构形式外，还有一种外转子式结构，即带有永磁极的转子在外嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转子旋转。这种结构形式主要用于电动车的驱动。

(c) 环形径向磁化

(b) 矩形切向磁化

(a) 瓦形径向磁化

图2-3 电机本体转子结构形式
Figure 2-3 Motor rotor body structure

转子位置传感器
转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件。它对电机转子位置进行检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机转子的位置；其定子固定于电机本体定子或端盖上，以感应和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、精度、响应速度、工作温度、抗干扰能力、损耗、体积重量、安装方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。其中最常用的有以下几种：
〔1〕霍尔元件式位置传感器
霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式。
第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内外表，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体如图2.3 所示。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔120°电角度，永磁体的极弧宽度为180°电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽度为180°电角、相位互差120°电角的矩形波信号。
第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙外表或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。
霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否那么输出信号电平太低，不能正常工作。因此在对性能和环境要求不是很高的永磁无刷直流电机应用场合，大量使用霍尔元件式位置传感器。霍尔元件式位置传感器结构如下列图2-4所示：

图2-4 霍尔元件式位置传感器结构〔1永磁体架、2永磁体、3霍尔元件〕
Figure 2.3 Hall element-position sensor (1 permanent magnet planes、
2 permanent magnet、3 Hall element)
〔2〕电磁式位置传感器
电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成。转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦合，输出绕组中那么感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器工作。这种传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但此输出电压是交流，必须先整流。由于这种传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。
〔3〕光电式位置传感器
光电式位置传感器由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光板所组成。几个光电耦合开关沿圆周均布，每只光电耦合开关由相互对着的红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘处于发光二极管和光敏三极管中间，盘上开有一定角度的窗口。红外发光二极管通电后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同旋转时，红外光间断的照在光敏三极管上，使其不断导通和截至，其输出信号反响了转子的位置，经过放大后去驱动逆变器开关管。光电式位置传感器轻便可靠、安装精度高、抗干扰能力强、调整方便，因此获得了广泛的应用。
近年来，无位置传感器的永磁无刷直流电机开展比拟快。它省去了转子位置传感器，因而电机结构简单、体积小、可靠性