1　引　言

　　電動自行車以電力作動力，騎行中不產生污染，無損于空氣質量。從改善人們的出行方式、保護環境和經濟條件許可情況等因素綜合來看，電動自行車目前乃至今后都有著廣闊的發展空間。
　　電動自行車所用直流電機分為有刷電機和無刷電機兩種。其中有刷電機控制較簡單，但其易磨損的電刷帶來維修保養工作量相對較大、使用壽命相對較短等缺點。而直流無刷電機因為本身沒有易磨損部件，電機壽命長，維修保養工作量小。但直流無刷電機采用電子換向原理工作，其控制過程比有刷電機復雜得多，因此對控制器質量的要求也高得多。
　　電動自行車中影響質量的最主要的部件是電機和控制器，當電機確定后，控制器的質量就決定了電動自行車的運行好壞。控制器的質量由其控制特性和可靠性兩方面決定。控制特性主要指電機運轉的平穩性、調速特性和負載能力。據我們的經驗，運轉的平穩性除與電機機械和裝配質量有一定的關系外，還與控制器、電機間的匹配及采用的控制技術有密切的關系。而控制器的可靠性與采用的元器件、電路設計、裝配質量等因素有關，其中，尤以控制器所用的功率驅動管的負載能力最為重要。在騎行中，控制器的驅動管處于大電流的開關運行過程，因此，從某種意義上講，驅動器的帶負載運行能力是控制器最重要的技術指標。
　　在我們設計電動自行車用直流無刷電機控制器時，為方便對控制器的質量和負載運行能力進行測試，設計了本儀器。

2　系統功能與實現

　　目前電動自行車采用的直流無刷電機都是三相電機，電角度有60度和120度兩種。電機極數大部分為18極，也有16極、20極等?？刂破鞲鶕魻柗答伒碾姍C電極位置，控制相應的功率驅動管的開通或關斷，在定子中產生旋轉磁場，驅動電機的轉子轉動。
　　根據我們的經驗，控制器損壞大多是功率驅動管損壞，由于驅動管損壞再引起其他元器件損壞。因此，對控制器的考驗主要是對功率驅動管的負載能力的考驗。
　　電動自行車用電機功率大多在150W～180W之間，采用36V／24V電池供電。正常工作時，額定電流在4．5～5A（對36V電機）（或對24V電機，6．25～7．5A）。短時間工作電流可達8A（10A），當電機停止轉動時，瞬間電流可達13～15A。目前，電動自行車用電池基本上為密封鉛酸蓄電池，電池的過充電和過放電均會縮短電池的壽命。大電流放電還會引起控制器功率驅動管溫度急劇上升，損壞驅動管，以至于損壞控制器。因此，使用中應盡量避免這種情況出現，控制器必須有這項保護功能（防止過充電保護，在充電器設計中考慮）。控制器設計應確保工作在正常電流范圍內，允許有一定的過載能力和大電流自動保護功能，以保護電池和驅動功率器件。為了防止過放電，控制器要對供電電壓隨時進行檢測，一旦低于閾值（一般為標稱電壓的0．85），關閉控制器輸出。
　　根據上述討論，測試儀主要應實現對控制器的負載運行的考驗，以及對低電壓保護功能的測試。為此，要求測試儀：
　　（1）能提供長時間足夠的輸出功率，為保證對控制器驅動管的考驗，應能穩定輸出10A以上的電流，并具短時間輸出15A電流的能力。
　?。?）應能模擬電池電壓的變化，提供可變電壓輸出，對36V電機控制器而言，應在30～38V之間可調。
　　（3）應能模擬電機工作過程。在對控制器進行考驗時，可不用電機。
　　（4）在控制器帶動電機工作時，應能檢測電機轉速。

3　硬件結構設計

　　測試儀由大功率電源、可調電壓電源、模擬霍爾輸出信號發生器等三個主要部分，和電流、電壓、速度的顯示組成。系統硬件結構框圖如圖1所示。

　　220V交流電通過降壓、整流、濾波產生40V直流電壓的大功率電源，輸出電流8A，短時間最大電流不小于13A。本路電源可長時間提供300W以上的輸出功率和450W短時間輸出最大功率。此大功率電源用來考驗控制器的帶負載運行。
　　可調電壓電源的輸出電壓可調范圍為30～38V，用于測試控制器對電池電壓檢測和控制器的電機驅動輸出關閉。電源輸出回路中加入電壓、電流模擬檢測表，隨時反饋電壓和電流值。測試儀面板上的電流表量程據選用的不同電源設置而不同：選擇大功率輸出電源方式時，滿量程為15A；選擇可調電源方式時，滿量程為1A。
　　電動自行車騎行時，控制器功率驅動管處于開關工作狀態。行駛速度與電機換向頻率成正比。另外，電機電流控制采用脈寬調制（PWM）方式，不同的速度，電機電流也不同。因此，在不同的速度和負載下，功率管上的功率損耗不同。為了反映控制器在不同速度下的工作，測試儀中提供了模擬電機霍爾輸出的脈沖發生器，通過面板開關設置，有4種頻率和60度、120度兩種相位輸出的輸出波形可供選擇，以模擬電機不同的運轉速度。電機繞組采用電阻負載模擬。通過調整負載電阻阻值來改變電流。通過頻率和負載電阻的組合，考驗控制器的負載工作能力。
　　在控制器帶動電機運轉時，本測量儀集成的速度檢測儀通過面板上的LCD顯示器顯示電機速度。
　　脈沖發生器和速度檢測及顯示均由單片機系統來實現。本測量儀選用美國ATMEL公司近年來推出的一種新型高性能低價位、低電壓功耗的8位CMOS單片機AT89C2051作最小微機系統，省略了外接程序存儲器和數據存儲器，亦不用擴充并行接口，直接用單片機芯片片內資源和并行接口就可滿足設計要求。AT89C2051作為一種小型測控系統或便攜式智能儀器儀表的核心器件，性價比優于MCS51系列。封裝為DIP20的芯片；內部集成8位CPU和2K閃速存儲器；128字節的內部RAM；15條可編程I／O線；2個16位定時器／計數器；采用靜態時鐘方式，節省電能；以8031核構成，因此，與MCS51系列單片機兼容。
　　由于脈沖發生和速度檢測分別用在模擬電機工作和控制器帶動電機工作之時，測量儀通過面板上的開關來控制單片機發生脈沖或檢測速度。在被測車輪上置一磁鋼片，當磁鋼經過霍爾傳感器前端時，系統電路將產生一脈沖信號，采集部分通過檢測脈沖得到的數據，送入單片機后經計算處理得到轉速，最后經顯示電路在面板上實時顯示。顯示電路采用帶串口控制驅動器的LCD顯示板。

4　軟件設計與實現

　　根據上述硬件結構，本系統的軟件主要完成脈沖發生和速度的檢測與顯示。主程序中的不斷掃描功能選擇輸入端以轉向相應程序模塊。脈沖發生模塊在內部定時器T0中斷服務程序中產生60度或120度的三相波形；速度檢測模塊則用T0定時器中斷完成1s計時以刷新顯示，用T1中斷完成周期測量。通過設立標志解決定時器沖突，即據不同的標志值轉向相應的中斷服務程序。其中，速度檢測采用電子計數器測周法，其基本原理是由被測信號控制主門開門，用時標脈沖計數。被測信號周期Tx＝NTs，Ts為時標脈沖周期，N為時間Tx內計數器的計數結果。具體到本設計中，時標脈沖即為定時器的溢出，通過計算相鄰兩次低脈沖間間隔的時間得到周期，進而得到轉速。為減少測量誤差，采用多周期測量法，測量多個周期值求平均，雖然這樣做會使測量速度下降，但考慮到本測量儀的實際情況，仍然是值得的。圖2、圖3所示為主要程序流程圖。

5　結束語

　　實際使用表明，本測試儀可模擬自行車電機的工作過程，滿足對電動自行車控制器的負載運行考驗，對提高控制器的可靠性有較好的幫助。