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图4 驱动芯片IR2103S引脚排列
2.2 系统设计的原理依据
2.2.1 无刷直流电机的控制
无刷直流电机由于没有电刷，电机的运转需要受到外部驱动电路的控制，可以用编程的方式实现电机的电子换相和无级调速。脉冲宽度调制属于模拟控制方式，是根据相应载荷的不同来调制MOS管栅极的偏置量，来改变MOS管导通时间的。这种调节方式能保证电源的输出电压在工作发生条件变化时文持恒定，是利用处理器输出的数字信号对模拟电路进行有效控制的一种方法。PWM脉宽调速，是指通过改变开关器件的通断时间，来改变电枢两端的平均电压，调节电机转速的方式。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，可将噪声影响降到最小。电机通过霍尔位置传感器获取转子的位置信息并送给控制器，控制器对位置信号进行逻辑综合，输出PWM波来控制开关管的导通和截止，驱动电机安全稳定运行。
2.2.2 速度电流双闭环调节
整个双闭环控制系统包括电流回馈控制环和速度回馈控制环。系统的电流反馈控制环和速度反馈控制环的控制都是数字控制方式，都由单片机来完成。外环是速度回馈控制环，单片机根据设定的速度值与经霍尔传感器获得的信号计算出的实际速度值运算比较可以得到电流设定值，实际对应的为电机设定的电压值。内环为电流回馈环，对速度控制电路的输出电流设定值与经采样电阻采样放大转换得到的电流值，通过合适的算法，计算出对应的PWM波，从而实现电动机的闭环调速控制。双闭环调速系统把速度控制电路的输出作为电流控制电路的设定值来回馈控制电机的转速。这种方法可以实时根据预设速度大小与实际运行速度大小的差值及时控制电机的转矩，在差值较大时增大电机转矩，加快速度变化，使电机速度较快地把达到预设值。在电机速度接近预设值时，自动减小转矩，避免超调过大，实现快速调速[7]。为了抑制干扰的影响，电流调节环的等效时间常数设置较小，使系统在受到干扰时能迅速反应，使系统的稳定性和抗干扰能力得到提高。而且双闭环调节系统以速度调节电路的输出作为电流调节电路的输入设定值，对速度调节电路的输出做出限制就同时限制了电路中的电流大小，从而实现保护逆变桥的作用。电机的正反转控制由单片机输出相对应的信号控制开关管的导通相序。使用采样电阻将流经MOS管的实际电流大小采样处理后送到单片机，当电动机绕组的相电流大于程序设定值时，单片机能够灵活地调用子程序进行保护。双闭环调速原理图如图5所示。
图5 双闭环调速原理
2.3 整体硬件系统框图
本文设计的电动自行车控制系统包括以单片机为核心的主控模块；以IR2103S为核心的驱动模块；另外还有位置信号检测及综合部分、电流信号采样放大和比较部分以及一些外围功能辅助电路等。控制电路实现电机的启动、电子换相、无级调速、电子刹车制动等控制并可以对电机进行保护；驱动电路利用IR2103S的自举技术驱动大功率MOSFET管的导通和截止驱动电机运行；外围功能电路做到对各种信号的采样处理、对不同电路的供电、保护等。系统整体框图如图6所示。
直流电源通过大功率MOSFET管构成的逆变桥向无刷直流电机供电，在每一次采样周期开始时，单片机先根据霍尔传感器获取的位置信息判断系统的运行状态，若处于静止状态则用软件开环软起动，当速度达到一定值后切换到闭环调节状态。“软启动”可以缓解零状态起步时耗电量大的问题，能延长一次充电的骑行里程。常规的电子换相是直接获取霍尔传感器采集得的信号进行换相控制，同时将电机速度反馈信号和手把给定的速度信号相减，得出偏差，经过控制算法得出控制量。再把控制量以PWM的形式输出给驱动电路，由驱动电路调节逆变器的输出电压，就调节了电机的电流大小，从而调节电磁转矩；当电磁转矩和负载转矩平衡时，系统的速度便达到了给定[8]。电动车在正常骑行时，控制器的大功率MOSFET管处于开关工作状态。电机速度控制采用脉宽调制方式，不同的速度对应电机的电压电流也不同。行驶速度与控制器输出PWM波的电压成正比。因此，不同的速度和负载，功率管的功率损耗也不同。速度调节信号由霍尔调速转把送出，转换处理后送至单片机，由单片机对输入信号进行逻辑综合，输出相对应的PWM脉冲信号至大功率驱动管。过热保护、欠压保护、过流保护和堵转保护等功能的实现，由运算放大器采样放大处理后送至单片机，再由单片机控制是否禁止输出PWM波[9]。
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