提高电动自行车的直流无刷电机控制功能

摘要：电动自行车方案 根据控制对象电动机的不同，控制器可分为直流有刷电机控制器和直流无刷电机控制器，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。

关键词：电动自行车；电机控制；直流无刷电机控制；Deadtime控制

中国电动车市场状况

　　根据市场不完全统计，2007年产销量约为1250万辆，2008年中国电动车市场总量可能接近2000万辆左右。其中一线市场的成长空间有限，而成长主要来源于中小城市及乡镇这些二三线市场， 过去和目前电动车销售的主战场是大中小城市的青年人和农民工。而专家预计，将来电动车的主要客户群是中老年人、职业女性和广大农村消费者等三类。实际上，农村市场正在逐步成为日后电动车行业增长的新亮点， 据此估算，2010年，中国轻型电动车的产销量将可能达到3000万辆，出口量将可能达到500~600万辆。实现工业产值700亿元，包括上下游带动产值的产业总体规模将达到1300亿。

　　伴随轻型电动车的生产和消费繁荣，中国已经形成全球最大规模的轻型电动车配套产业体系，并在浙江、江苏和天津形成了重要的产业集群和成型的服务网络，成为“长三角”产业结构升级中的一个新亮点。而上海和山东近年电动车生产企业数量也在急剧增加。

　　但自去年2007下半年到今年2008上半年 受到几个因素影响， 电动车市场 稍微停滞整理， 首先是面临各地政策风险不一，各地政府仍有不同看法。如2007年，继海口、广州等禁“电”后，沈阳、厦门、常州也纷纷加入了这个行列。因此目前电动自行车的发展，在各地还面临着一定的政策变化风险。再者就是铅酸充电电池引起的环境污染污染与回收问题， 使得管理政策上趋于保守， 但较先进的充电电池又面临成本过高， 量产不易等问题， 所以充电电池问题如果能解决，对电动车市场必会有另一波高成长期。
　　
改善直流无刷电机控制质量

　　电动自行车方案 根据控制对象电动机的不同，控制器可分为直流有刷电机控制器和直流无刷电机控制器，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。且大电流时碳刷和碳刷接触压降及碳粉短路换向器引起效率较低。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，无刷电机主要是为了消除电刷的磨损，以及电刷接触所产生的噪声。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。目前一些新产品使用无刷直流电机，在电动汽车上大多使用无刷电机。

图1  义隆电子直流无刷马达控制开发板

　　目前电动自行车采用的直流无刷电机都是三相电机，电角度有60度和120度两种。电机极数大部分为18极，也有16极、20极等。控制器根据霍尔回馈的电机电极位置，控制相应的功率驱动管的开通或关断，在定子中产生旋转磁场，驱动电机的转子转动。

　　早期义隆电子即与客户合作开发 电动自行车控制模块， 两年前ADC type 4K 功规 MCU 推出后 ， 因抗干扰特性良好， 客户即节省许多外围抗干扰组件， 降低成本， 今年更推出直流无刷马达专用单芯片， 除整合度更高外 ， 还使用 Flash 制程， 方便客户程序更新升级， 内置 EEPROM 可储存马达控制参数及防盗密码。此外， 一般马达控制中困难度最高的相位Deadtime 控制， 一不小心，往往造成同时导通 使昂贵高压 MOS管烧毁， 也增加开发及量产测试很大困扰， 义隆电子使用直流无刷马达专用单芯片的电动自行车方案， 内置独特的Deadtime Control功能， 可以经由单芯片内的硬件，实时且自动的将不同马达相位转换的Deadtime 做有效控制， 减少程序开发时间及失误， 此芯片还内置 强大程序保护机制， 防止抄版，保护原程序

图2  义隆电子电动自行车控制模块

　　电动自行车除提供Flash及内置 EEPROM， 方便开发外， 高整合性 也很重要， 义隆电子提供的直流无刷马达专用单芯片，内置比较器/运算放大器/ADC 做 过压，过流等保护， 实时的中断控制与PWM联动 ，能精确的控制马达 转速， 加速 减速 及 EABS (Ebike Anti-lock Braking System) ，内建PGA(Programmable Gain Amplify)透过与 ADC连接， 达到实时中断控制， 使过流保护更完整， 外部中断驱动脚， 可使用于无霍尔的相位控制，内建强制关掉PWM功能， 在过载时能实时关掉PWM ，保护MOS管， UART， SPI 界面， 可与表头连接 ，方便外围程序开发，LVD(Low Voltage Detect) 在电池低压时，自动提示功能 ，LVR(Low Voltage Reset)低压自动复位， 避免误动作，目前产品提供 28/32 PIN 直插及贴片不同封装， 方案已与大厂合作开发中。

　　除Deadtime控制及无霍尔控制方案外， 此直流无刷马达专用单芯片 还适用于节能高效率风扇 ， 吊扇， 家电半桥功率控制及航模， 未来义隆电子也将提供系列马达变频控制产品， 让整体马达控制产品线更齐全。

参考文献：

　　1.  迎九，电动自行车：技术市场趋势，电子产品世界，2008.3