技术领域
[0001] 本
发明涉及
电机控制领域，特别涉及一种基于空间矢量脉宽调制的
电动自行车控制方法及系统。
背景技术
[0002] 电动自行车作为新
能源产业，发展前景可观。作为电动自行车的核心
控制器，其控制策略直接影响电动自行车的巡航里程和使用寿命。
[0003] 空间矢量脉宽调制（简称SVPWM）的主要思想是以三相对称
正弦波电压供电时三相对称
电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同
开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。传统的SPWM方法从电源的
角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于
微处理器的实时控制。
[0004] 普通的三相全桥是由六个开关器件构成的三个半桥。这六个开关器件组合起来（同一个桥臂的上下半桥的
信号相反）共有8种安全的开关状态.其中000、111（这里是表示三个上桥臂的开关状态）这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的
电流。因此称其为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量。它们将360度的电压空间分为60度一个扇区，共六个扇区，利用这六个基本有效矢量和两个零量，可以合成360度内的任何矢量。
[0005] 当要合成某一矢量时先将这一矢量分解到离它最近的两个基本矢量，而后用这两个基本矢量去表示，而每个基本矢量的作用大小就利用作用时间长短去代表。用电压矢量按照不同的时间比例去合成所需要的电压矢量。从而保证生成电压
波形近似于正弦波。
[0006] 电动自行车按
驱动电机分为有刷直流电机和无刷直流电机。有刷直流电机采用永磁有刷直流电机，这种电机有点事控制系统简单，成本低，过载能
力强。无刷直流电机采用科技含量较高的永磁无刷直流电机，由于无须电刷，没有动
齿轮，不存在电刷的机械磨损。因此无干扰、寿命长、维护简单。
[0007]
现有技术的缺点：效率不够高、噪音较高和启动不稳等
缺陷。
发明内容
[0008] 本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
[0009] 为达到上述目的，本发明的
实施例一方面提出一种基于空间矢量脉宽调制的
电动车控制系统，包括：初始化模
块，用于初始化所述电动车的
定时器实施例和输入输出口；检测模块，用于检测电机的输入电流、配置电压、
刹车状态、霍尔状态和霍尔信号；调节模块，用于通过空间矢量脉宽调制
算法调节电机的转速；以及保护模块，用于出现异常状态下进行保护，其中，所述异常状态包括：电流过大、电压过低或所述电机发生堵转。
[0010] 根据本发明实施例的系统，通过空间矢量脉宽调制算法调节电机的转速简化了调整步骤，同时对电机的检测防止电机或
电池损坏的情况，从而保证系统的正常运行，提高了安全性和可靠性。
[0011] 本发明的一个实施例中，所述系统还包括：刹车模块，用于当触发刹车事件时停止所述电机的运转；以及巡航模块，用于当转把信号值在某一值或某一区间不变时所述电机按照原来行驶速度转动。
[0012] 本发明的一个实施例中，其特征在于，所述调节模块具体包括：系数计算单元，用于计算空间矢量脉宽调制的系数；
位置计算单元，用于计算电压矢量的空间位置；以及转速调节单元，用于通过空间矢量脉宽调制的系数和电压矢量的空间位置调节PWM占空比，即
三相电压矢量。
[0013] 本发明的一个实施例中，所述保护模块具体包括：过滤保护子模块，用于当配置电流大于预设电流值时限制电流流量；欠压保护子模块，用于当配置电压小于预设电压值时停止电机转动；以及堵转保护子模块，用于当发生堵转时调整电机转速。
[0014] 本发明的一个实施例中，所述过滤保护子模块进一步包括：过滤单元，用于对电流进行过滤消除干扰；第一判断单元，用于判断所述检测模块所检测的电流值是否大于预设电流值；以及第一处理单元，用于当所述检测电流值大于预设电流值时限制电流流量。
[0015] 本发明的一个实施例中，所述欠压保护子模块进一步包括：第二判断单元，用于判断所述检测模块所检测的电压值是否小于预设电压值；以及第二处理单元，用于当所述检测电压值小于预设电压值时停止电机转动。
[0016] 本发明的一个实施例中，所述堵转保护子模块进一步包括：第三判断单元，用于根据所述检测模块所检测的霍尔状态判断是否发生堵转；以及第三处理单元，用于当发生所述堵转时调整所述电机转速。
[0017] 本发明的一个实施例中，所述刹车模块具体包括：第四判断单元，用于判断所述检测模块是否检测到刹车行为；以及第四处理单元，用于当触发刹车事件时停止所述电机的运转。
[0018] 本发明的一个实施例中，所述巡航模块具体包括：获取单元，用于获取转把信号值；第五判断单元，用于判断转把信号值是否在某一值或某一区间的预设时间内不变；以及第五处理单元，用于当转把值在某一值或某一区间的预设时间内不变时所述电机按照原来行驶速度转动。
[0019] 为达到上述目的，本发明另一方面的实施例提出一种基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制方法，包括以下步骤：S1：初始化所述电动自行车的定时器实施例和输入输出口；S2：检测电机的输入电流、配置电压、刹车状态、霍尔状态和霍尔信号；S3：通过空间矢量脉宽调制算法调节电机的转速；以及S4：出现异常状态下进行保护，其中，所述异常状态包括：电流过大、电压过低或所述电机发生堵转。
[0020] 根据本发明实施例的方法，通过空间矢量脉宽调制算法调节电机的转速简化了调整步骤，同时对电机的检测防止电机或电池损坏的情况，从而保证系统的正常运行，提高了安全性和可靠性。
[0021] 本发明的一个实施例中，所述方法还包括：S5：当触发刹车事件时停止所述电机的运转；以及S6：当转把信号值在某一值或某一区间不变时所述电机按照原来行驶速度转动。
[0022] 本发明的一个实施例中，所述步骤S3具体包括：S31：计算空间矢量脉宽调制的系数；S32：计算电压矢量的空间位置；以及S33：通过空间矢量脉宽调制的系数和电压矢量的空间位置调节PWM占空比，即三相电压矢量。
[0023] 本发明的一个实施例中，所述步骤S4具体包括：S41：当配置电流大于预设电流值时限制电流流量；S42：当配置电压小于预设电压值时停止电机转动；以及S43：当发生堵转时调整电机转速。
[0024] 本发明的一个实施例中，所述步骤S41进一步包括：S411：对电流进行过滤消除干扰；S412：判断检测电流值是否大于预设电流值；以及S413：当所述电流值大于预设电流值时限制电流流量。
[0025] 本发明的一个实施例中，所述步骤S42进一步包括：S421：判断检测电压值是否小于预设电压值；以及S422：当所述检测电压值小于预设电压值时停止电机转动。
[0026] 本发明的一个实施例中，所述步骤S43进一步包括：S431：根据所检测的霍尔状态判断是否发生堵转；以及S432：当发生所述堵转时调整所述电机转速。
[0027] 本发明的一个实施例中，所述步骤S5具体包括：S51：判断是否检测到刹车行为；以及S52：当触发刹车事件时停止所述电机的运转。
[0028] 本发明的一个实施例中，所述步骤S6具体包括：S61：获取转把信号值；S62：判断转把信号值是否在某一值或某一区间的预设时间内不变；以及S63：当转把值在某一值或某一区间的预设时间内不变时所述电机按照原来行驶速度转动。
[0029] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0030] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0031] 图1为根据本发明一个实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制系统的结构
框图；
[0032] 图2为根据本发明一个实施例的调节模块的结构框图；
[0033] 图3为根据本发明一个实施例的保护模块的结构框图；
[0034] 图4为根据本发明一个实施例的过滤保护子模块的结构框图；
[0035] 图5为根据本发明一个实施例的欠压保护子模块的结构框图；
[0036] 图6为根据本发明一个实施例的堵转保护子模块的结构框图；
[0037] 图7为根据本发明另一个实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制系统的结构框图；
[0038] 图8为根据本发明一个实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制方法的
流程图；以及
[0039] 图9为根据本发明另一个实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制方法的流程图。
具体实施方式
[0040] 下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0041] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0042] 图1为本发明实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制系统的结构框图，如图1所示，根据本发明实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制系统包括初始化模块100、检测模块200、调节模块300和保护模块400。
[0043] 具体地，初始化模块100用于初始化电动自行车的定时器和输入输出口。为定时器赋初值，并设置输入输出口。
[0044] 检测模块200用于检测电机的输入电流、配置电压、刹车状态、霍尔状态和霍尔信号。系统上电经初步检测之后，进入正常运行。在运行过程中检测模块200实时检测电机的输入电流和配置电压、刹车状态、霍尔状态和霍尔信号，并将所检测到的信息发送到对应的保护模块进行对比处理。
[0045] 调节模块300用于通过空间矢量脉宽调制算法调节电机的转速。
[0046] 图2为根据本发明一个实施例的调节模块的结构框图。如图2所示，调节模块300包括：系数计算单元310、位置计算单元320和转速调节单元330。
[0047] 更具体地，系数计算单元310用于计算空间矢量脉宽调制的系数。
[0048] 在本发明的一个实施例中，将转把信号的检测端口设置为AD端口，检测模拟量。将检测到的八位二进制数值带入空间矢量脉宽调制的系数计算公式，得出空间矢量脉宽调制的系数。由于是公知常识在此不再说明。
[0049] 位置计算单元320用于计算电压矢量的空间位置。
[0050] 在本发明的一个实施例中，通过霍尔
传感器的
输入信号来确定空间起始位置，也就是电压矢量所在的区间。再根据定时器的值进行角度补偿，并每个周期增加一个角度增量，最后60度电角度除以上一个区间的周期数pwmCnt得到空间角度。
[0051] 转速调节单元330用于通过空间矢量脉宽调制的系数和电压矢量的空间位置调节PWM占空比，即三相电压矢量。
[0052] 在本发明的一个实施例中，根据空间矢量脉宽调制的系数获得空间角度的正弦量，再根据空间角度的正弦量得到三相PWM输出，即三相电压矢量。
[0053] 在本发明的一个实施例中，获得三相PWM输出后判断空间矢量的空间，并查表求得主矢量副矢量的作用时间来计算，零矢量的作用时间，进而判断是否超调。当不超调时输出三相PWM即三相电压矢量。
[0054] 保护模块400用于出现异常状态下进行保护，其中，异常状态包括电流过大、电压过低或电机发生堵转。
[0055] 图3为根据本发明一个实施例的保护模块的结构框图。如图3所示，保护模块400包括：过滤保护子模块410、欠压保护子模块420和堵转保护子模块430。
[0056] 过滤保护子模块410用于当配置电流大于预设电流值时限制电流流量。
[0057] 图4为根据本发明一个实施例的过滤保护子模块的结构框图。如图4所示，过滤保护子模块410包括：第一判断单元411和第一处理单元412。
[0058] 第一判断单元411用于判断检测模块所检测的电流值是否大于预设电流值。
[0059] 第一处理单元412用于当检测电流值大于预设电流值时限制电流流量。
[0060] 在本发明的一个实施例中，首先进入定时中断并由第一判断单元411根据检测模块200对输入电流的检测，当检测到的电流值大于
阈值时过滤计数器加1，当计数器的计数值超过阈值时，第一处理单元411限制电流流量。
[0061] 根据本发明实施例的系统，通过输入电流的检测调整电机转速，提高了系统运行的安全性，保证电机的使用寿命同时可以节约能源。
[0062] 图5为根据本发明一个实施例的欠压保护子模块的结构框图。如图5所示，欠压保护子模块420包括：第二判断单元421和第二处理单元422。
[0063] 第二判断单元421用于判断检测模块所检测的电压值是否小于预设电压值。
[0064] 第二处理单元422用于当检测电压值小于预设电压值时停止电机转动。
[0065] 在本发明的一个实施例中，由第二判断单元421根据检测模块200对输入电压的检测，当检测到的电压值小于阈值时欠压计数器加1，否则清零，当计数器的计数值超过阈值时，第二处理单元422停止电机的运转。
[0066] 在本发明的一个实施例中，设置电压检测端口为AD输入端口，检测到的电压值与预置量比较，如果小于预置值，则欠压计数器加1，否则清零，当欠压计数器达到欠压条件发生的值时，进行欠压保护，现象是电机停止运转。
[0067] 根据本发明实施例的系统，通过配置电压的检测调整电机转速，提高了电池使用的寿命，同时提高了系统的
稳定性。
[0068] 图6为根据本发明一个实施例的堵转保护子模块的结构框图。如图6所示，堵转保护子430包括：第三判断单元431和第三处理单元432。
[0069] 第三判断单元431用于根据检测模块所检测的霍尔状态判断是否发生堵转。
[0070] 第三处理单元432用于当发生堵转时调整电机转速。
[0071] 在本发明的一个实施例中，第三判断单元431根据检测模块200对实时对霍尔状态的检测并将检测到的霍尔状态与电机负载过大或电机卡死时的霍尔状态进行比较判断是否为堵转状态。当发生堵转时堵转计数器加1，并且在预设时间内堵转计数器超过阈值，则由第三处理单元432将调整电机转速直至停止转动。如果在也设时间内没有超过阈值则将堵转计数器清零。
[0072] 根据本发明实施例的系统，通过对霍尔状态的检测调整电机转速，提高了系统运行的安全性，保证电机的使用寿命同时可以节约能源。
[0073] 图7为根据本发明另一个实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制系统的结构框图。如图7所示，基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制系统还包括刹车模块500和巡航模块600。
[0074] 刹车模块500用于当触发刹车事件时停止电机的运转。
[0075] 在本发明的一个实施例中，刹车模块500包括：第四判断单元和第四处理单元。
[0076] 第四判断单元用于判断检测模块是否检测到刹车行为。
[0077] 第四处理单元，用于当触发刹车事件时停止电机的运转。
[0078] 在本发明的一个实施例中，第四判断单元根据检测模块200对刹车状态的检测判断刹车状态和程度，并根据刹车程度由第四处理单元调整电机的运转。
[0079] 巡航模块600用于当转把信号值在某一值或某一区间不变时电机按照原来行驶速度转动。
[0080] 在本发明的一个实施例中，巡航模块600包括：获取单元、第五判断单元和第五处理单元。
[0081] 获取单元用于获取转把信号值。
[0082] 第五判断单元用于判断转把信号值是否在某一值或某一区间的预设时间内不变。
[0083] 第五处理单元用于当转把值在某一值或某一区间的预设时间内不变时所述电机按照原来行驶速度转动。
[0084] 在本发明的一个实施例中，在一个时间段内对转把进行数次检测，并通过获取单元获取其检测的转把值。再计算相邻两个转把值的差值，然后求其差值的和的同时转把计数器加1。当计数器的数值大于预设值且转把的差值也大于阈值时，通过第五处理单元保持行驶速度。
[0085] 根据本发明实施例的系统，通过对转把的检测判断用户的行驶状态，提高了系统的智能性方便了用户。
[0086] 图8为本发明实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制方法的流程图。如图8所示，根据本发明实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制方法，包括以下步骤：
[0087] S101，初始化电动自行车的定时器、中断优先级和输入输出口。
[0088] 具体地，为定时器赋初值，并设置输入输出口。
[0089] S102，检测电机的输入电流、配置电压、刹车状态、霍尔状态和霍尔信号。
[0090] 具体地，系统上电经初步检测之后，进入正常运行。在运行过程中检测模块200实时检测电机的输入电流和配置电压，并且检测刹车状态、霍尔状态以及霍尔信号。同时将所检测到的信息发送到对应的保护模块进行对比处理。
[0091] S103，通过空间矢量脉宽调制算法调节电机的转速。
[0092] 具体地，首先计算空间矢量脉宽调制的系数。将转把信号的检测端口设置为AD端口，检测模拟量。将检测到的八位二进制数值带入空间矢量脉宽调制的系数计算公式，得出空间矢量脉宽调制的系数。由于是公知常识在此不再说明。
[0093] 然后，计算电压矢量的空间位置。通过霍尔传感器的输入信号来确定空间起始位置，也就是电压矢量所在的区间。再根据定时器的值进行角度补偿，并每个周期增加一个角度增量，最后60度电角度除以上一个区间的周期数pwmCnt得到空间角度。
[0094] 最后，通过空间矢量脉宽调制的系数和电压矢量的空间位置调节PWM占空比，即三相电压矢量。根据空间矢量脉宽调制的系数获得空间角度的正弦量，再根据空间角度的正弦量得到三相PWM输出，即三相电压矢量。
[0095] S104，出现异常状态下进行保护，其中，异常状态包括：电流过大、电压过低或电机发生堵转。
[0096] 对异常状态的保护包括：过滤保护、欠压保护和堵转保护。
[0097] 当配置电流大于预设电流值时限制电流流量进行过滤保护。首先进入定时中断，对输入电流的检测，以及过滤消除干扰。然后，判断检测电流值是否大于预设电流值。当检测到的电流值大于阈值时过滤计数器加1，当计数器的计数值超过阈值时，限制电流流量进行过滤保护。
[0098] 根据本发明实施例的方法，通过输入电流的检测调整电机转速，提高了系统运行的安全性，保证电机的使用寿命同时可以节约能源。
[0099] 当配置电压小于预设电压值时停止电机转动进行欠压保护。首先，实时检测配置电压并将所检测到的电压与预设电压值进行比较。当检测的配置电压小于阈值时，欠压计数器加1，否则清零。当计数器的计数值超过阈值时，停止电机的运转进行欠压保护。
[0100] 根据本发明实施例的方法，通过配置电压的检测调整电机转速，提高了电池使用的寿命，同时提高了系统的稳定性。
[0101] 当发生堵转时调整电机转速进行堵转保护。霍尔传感器实时检测霍尔信号，并将所检测到的霍尔状态与发生堵转状态下的霍尔状态进行比较。如果相同堵转计数器加1，当预设时间内堵转计数器超过阈值，则调整电机转速直至停止转动进行堵转保护。如果在预设时间内没有超过阈值则将堵转计数器清零。
[0102] 根据本发明实施例的方法，通过对霍尔状态的检测调整电机转速，提高了系统运行的安全性，保证电机的使用寿命同时可以节约能源。
[0103] 图9为根据本发明另一个实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制方法的流程图。如图9所示，根据本发明实施例的基于空间矢量脉宽调制的电动自行车控制方法，包括以下步骤：
[0104] S201，初始化电动自行车的定时器、中断优先级和输入输出口。
[0105] S202，检测电机的输入电流、配置电压、刹车状态、霍尔状态和霍尔信号。
[0106] S203，通过空间矢量脉宽调制算法调节电机的转速。
[0107] S204，出现异常状态下进行保护，其中，异常状态包括：电流过大、电压过低或电机发生堵转。
[0108] S205，当触发刹车事件时停止电机的运转。根据刹车状态的检测判断刹车状态和程度，并根据刹车程度由调整电机的运转直至停止。
[0109] S206，当转把信号值在某一值或某一区间不变时电机按照原来行驶速度转动。首先获取转把信号值，然后判断转把信号值是否在某一值或某一区间的预设时间内不变。当转把值在某一值或某一区间的预设时间内不变时电机按照原来行驶速度转动。
[0110] 在本发明的一个实施例中，在一个时间段内对转把进行数次检测，并获取其检测的转把值。再计算将相邻两个转把值的差值，然后求其差值的和的同时转把计数器加1。当计数器的数值大于预设值且转把的差值也大于阈值时，取一个平均速度进行行驶。
[0111] 根据本发明实施例的方法，通过对转把的检测判断用户的行驶状态，提高了系统的智能性方便了用户。
[0112] 应当理解，本发明的方法实施例中的描述与系统实施例中的各个模块和单元的具体操作过程相同，此处不再详细描述。
[0113] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、
修改、替换和变型。
