電動車調速系統(tǒng)的畢業(yè)論文

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1、 目 錄 摘要 錯誤 ! 未定義書簽。 一、概述 1 （一）電動車的定義 . 1 （二）電動車發(fā)展所面臨問題 1 ( 三 ) 電動車的基本構造和功能 . 2 （四）電動車常用的電動機及要求 . 3 （五）無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機的比較 4 （六）永磁無刷直流電機的性能及應用 5 二、電動車電機的調速及電路設計 6 （一）永磁無刷直流電機結構及基本工作原理 6 （二）永磁無刷直流電機調速系統(tǒng)設計 9 （三）驅動設計的改良 12 （四）無刷直流電機接線圖 13

2、 （五）穩(wěn)壓電路 14 （六）保護電路 14 三、電動自行車的故障檢修 15 （一）電機空載電流大 17 （二）電機發(fā)熱 18 （三）電機的空載 / 負載轉速比大于 1.5 19 （四）電池保養(yǎng)及維護 19 （五）無刷電機缺相 20 四、主要器件性能及原理 20 （一）控制器 20 （二）蓄電池 21 （三）集成轉速傳感器 22 （四） ADC0809芯片 23 （五）三極管 23 - I - 結論 24 致謝 25 參考文獻 25

3、 - II - 電動車電機調速及維護方案設計 樸美英 [ 摘要 ] 電動

4、車是一種安全、經濟、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨特的優(yōu)越 性和競爭力，而且能夠更方便地采用現代控制技術實現其機電一體化的目標，因而具有廣闊的發(fā) 展前景。 隨著永磁材料和功率電子元器件的不斷進步 , 永磁無刷直流電動機得到了快速的發(fā)展 , 它們 被廣泛地用于變速驅動、伺服驅動、兵器、航空、航天和工業(yè)自動化等各個領域。因此 , 合理正 確地設計永磁無刷直流電動機是一個越來越重要的課題。 從本期起分期介紹無刷直流電動機的設 計 , 主要有 : 無刷直流電動機的結構和工作原理 , 以及連接方式 ; 分數槽繞組 ; 磁路計算 ; 電路系統(tǒng)

5、的計算等內容。 [ 關鍵詞 ] 電動車、無刷直流電機、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)、 控制器系統(tǒng) 。 - 1 - 前 言 隨著社會科技的發(fā)展電動車的作用也越來越重要， 目前的電動車一走進了千家萬戶替代了以 前的自行車成為最為普遍的交通工具。但是，由于種種原因他也造成了很多的麻煩。電動車的電 池

6、造成資源的浪費及環(huán)境的污染低成本也有低技術的存在。低成本就意味著地保障率，實際上放 任自流，無序發(fā)展，是不可取的。而應像農用車一樣規(guī)范發(fā)展。比如規(guī)定安全標準，規(guī)定電池必 須回收，規(guī)定不上等級公路。 - 2 - 一、概 述 （一

7、）電動車的定義 它是以蓄電池作為輔助能源 , 具有兩個車輪 , 能實現人力騎行 , 電動或電助動功能的特種自行車。 （二）電動車發(fā)展所面臨問題 第一個趨勢是， 輕量化的發(fā)展趨勢。 一方面，消費者特別是城市消費者偏好正在向更輕巧、更便捷、更安全、更舒適方面轉變， 另一方面，隨著政府管理力度的加大，電動摩托車的管理模式將逐漸明確， 可能只有符合國家標準的電動自行車才能繼續(xù)享受非機動車的待遇， 這在客觀上要求電動自行車向輕量化的方向發(fā)展 （輕量化我認為無論如何講都應該是電動自行車未來發(fā)展的首要趨勢或者是主流趨勢） 。 第二個趨勢是， 鋰電池等新能源的應用將不斷拓展提速。 就在

8、國慶前夕， 工信部消費品司剛剛組織電池行業(yè)和電動自行車行業(yè)的部分企業(yè)召開了鋰電池技術交流銜 接座談會，與會企業(yè)紛紛看好鋰電池的發(fā)展前景，鋰電時代越來越近了。今年，鋰電池電動自行車又得到了進一步的發(fā)展。好孩子、力霸皇、耀馬、捷安特、永久、富士 達等一大批企業(yè)推出了鋰電車， 作為中高端產品投放市場。 從目前鋰電車在北京、 上海、南京、濟南、鄭州等一大批大中城市的銷售情況來看，應該講形勢還是良好的，發(fā)展鋰電車已經成為多數企業(yè)的共識。 第三個趨勢是， 市場的細分將更加深入發(fā)展。 現在電動自行車市場格局已經開始分化，銷售市場正在試圖分化， 新的市場格局正在加快形成。 隨著電動自行車的城

9、市的普及，農村市場將是上一階段電動自行車發(fā)展的重點。 目前，電動自行車產品的細分主要建立在城市經驗的基礎上， 產品的細分還主要停留在外觀款式和速度、 爬坡能力等基本性能方面。 要想開拓農村市場， 就必須根據農村的使用環(huán)境和農民的使用習慣對現有的產品功能和結構進行調整。 同時，城市市場對產品細分的需求也將進一步提升，產品的品牌內涵，功能特點，技術特征，將成為產品細分的關鍵點。如何做好 產品細分將是企業(yè)鞏固和擴大市場份額， 培育差異化的核心競爭力， 實習企業(yè)發(fā)展由量向質提升的關鍵，我認為這是我們行業(yè)的第三個趨勢。 第四個趨勢是，產品技術創(chuàng)新將加速發(fā)展。新產品提升企業(yè)已成為趨勢，時尚的產

10、品，多功能的產品，將占領銷售市場。最重要的是，新產品將在技術創(chuàng)新方面日益成熟，包括永磁高速無刷電機、微電腦控制技術、輕合金材料技術、自動焊接技術 - 3 - 等一批先進技術將在電動自行車中得到更加廣泛的應用。 電動自行車生產過程和產品 本身，也將更加節(jié)能、高效、低碳排放和可循環(huán)，節(jié)能、環(huán)保、高效將是電動自行車 技術創(chuàng)新的核心，將成為激發(fā)更大市場需求的內在動力。 ( 三) 電動車的基本構造和功能 1. 充電器，它是給電池補充電能的裝置 , 一般分二階段和三階段充電模式兩種 . 2. 電池，主要采用鉛酸電池組合

11、, 另外鎳氫電池與鋰離子電池也在一些輕便折疊電動車上開始使用了 . 3. 控制器，它是控制電機轉速的部件 , 也是電動車電氣系統(tǒng)的核心 , 具有欠壓、限流、過流保護功能 . 4. 轉把、閘把、助力傳感器，這些部件都是控制器的信號輸入部件，轉把信號是電動 車速度的控制信號， 閘把信號是電動車剎車時， 閘把內部電子電路輸出給控制器的一個電信號，控制器接收到這個信號， 就會切斷對電機的供電， 從而實現剎車斷電功能，助力傳感器是當電動車處于助力狀態(tài)時，檢測騎行腳蹬力矩式腳蹬速度信號的裝置。 控制器根據助力傳感器信號的大小， 分配給電機不同的電驅動功率， 以達到人力與電力自動匹配

12、，共同驅動電動車的旋轉。 5. 電機，電機是將電池電能轉換成機械能， 驅動電動車輪旋轉的部件。 電動車上使用的常見的有：有刷有齒、有刷無齒、無刷無齒、無刷有齒、側掛電機。 6. 燈具、儀表，燈具、儀表部分的提供照明并指示電動車狀態(tài)的部件組合。儀表一般提供電池電壓顯示，智能型儀表還能顯示整車個電器部件的故障情況。 （四）電動車常用電動機及要求 電動車用電機一般是直流電機， 用有、無永久磁鐵分類， 有永磁電機和串激電機兩類。電機旋轉部分叫轉子， 不轉動叫定子。

13、 永磁電機的轉子或定子有一個是永久磁 - 4 - 鐵，另一個則是漆包線繞的線包； 串激電機的轉子和定子都是漆包線繞制的線包。 同樣功率的電機，永磁電機比串激電機省電。 目前電動車電機普遍采用永磁直流電機。 所謂永磁電機， 是指電機線圈采用永磁 體激磁，不采用線圈激磁的方式。 這樣就省去了激磁線圈工作時消耗的電能， 提高了電機機電轉換效率， 這對使用車載有限能源的電動車來講， 可以降低行駛電流， 延長 續(xù)行里程。電動車電機按照電機的通電形式來分， 可分為有刷電機和無刷電機兩大類；按照電機總成的機械結構來分，一般分為“有齒” （電機

14、轉速高，需要經過齒輪減速）和“無齒”（電機扭矩輸出不經過任何減速）兩大類。 電動車對 電動機的性能有四大要求：即加速性能、穩(wěn)速性能、長時工作性能和 爬坡性 能。 車用 電動機在設計和制造時應考慮的要求是，耐用性。首先要能夠耐 受沖擊和碰撞、顛簸等外力的反復作用，保證正常運轉。 防水防銹蝕。在 電動機的 壽命期內，不能因為運行中受到雨天和偶然淋水而銹跡 斑斑或危及 內部電路和絕 緣。電動機應當是防銹的，密封應當可靠，不能侵入水分。耐氣候性。車用 電動機 的使用環(huán)境不比礦 山設備作業(yè)條件更好， 甚至更復雜。用戶可以是天南地北， 沙漠、沿海、化學腐蝕地帶。 他們有

15、時行進在酷熱溫濕、 或寒冷干燥的地區(qū)， 條件相差懸殊。所有這些不同的環(huán)境，車用 電動機都應當能夠適應。 （五）無刷直流永磁電動機與有刷直流永磁電動機的比較 磁無刷直流電動機是由一塊或多塊永磁體建立磁場的直流電動機， 其性能與恒定 勵磁電流的他勵直流電動機相似， 可以由改變電樞電壓來方便地調速。 與他勵式直流 電動機相比，具有體積小、效率高、結構簡單、用銅量少等優(yōu)點，是小功率直流電動 機的主要類型。 由于永磁無刷直流電機的勵磁來源于永磁體， 所以不象異步機那樣需 要從電網吸取勵磁電流； 由于轉子中無交變磁通， 其轉子上既無銅耗又無鐵耗， 所以 效率比同容

16、量異步電動機高 10%左右，一般來說，永磁直流電機的力能指針（η cos θ）比同容量三相異步電動機高 12%-20%。 - 5 - 圖 1 永磁無刷直流電機 永磁有刷直流電機的工作原理 有刷電機的定子上安裝有固定的主磁極和電刷， 轉子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進入電樞繞組， 產生電樞電流， 電樞電流產生的磁場與主磁

17、場相互作用產生電磁轉矩， 使電機旋轉帶 動負載。由于電刷和換向器的存在，有刷電機的結構復雜，可靠性差，故障多，維護 工作量大，壽命短，換向火花易產生電磁干擾。 圖 2 有刷直流電機 由換當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外接通向片構成的整體稱為換向 器。換向器固定在轉軸上， 換向片與轉軸之間亦互相絕緣。 在換向上放置著一對固定不動的電刷 B1和 B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。 （六）永磁無刷直流電機的性

18、能及應用 永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。 它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結構。加之，它采用永磁體轉子，沒有勵磁損耗，發(fā)熱的電樞組又裝在外面的定子上， 散熱容易。因此，永磁無刷直流電動機沒有換向 - 6 - 火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承， 可以在每分鐘高達幾十萬轉的情況下運行。 無刷直流電動機因其無電刷和機械換向器， 不需要減速裝置， 噪聲低等優(yōu)點， 被廣泛應用于電動自行車中。 1. 壽命長、免維護、

19、可靠性高。在有刷直流電動機中，由于電機轉速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作 1000 小時左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術難度較大， 特別是傳動齒輪的潤滑問題， 是目前有刷方案中比較大的難題。 所以有刷電機就存在噪聲大、 效率低、易產生故障等問題。 因此無刷直流電動機的優(yōu)勢很明顯。 2. 效率高、節(jié)能。一般而言， 因無刷直流電動機沒有機械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調速電路損耗，效率通?？筛哂?85%，但考慮到實際設計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設計為 76%。而有刷直流電動機的效率由于齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在 70%左右。

20、 - 7 - 二、電動車電機的調速控制系統(tǒng)及制動設計 （一）無刷直流電機硬件設計 我們先了解一下直流電動機的調速，想了解直流電機的調速先了解一下直流電機的結構 1. 無刷直流電動機的結構 無刷直流電動機 (brushless DC motor) 是由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關線路三部分組成。 其原理

21、框圖如下圖所示。 圖中，直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電， 位置傳感器隨時檢測到轉子所處的位置， 并根據轉子的位置信號來控制開關管的導通和截止， 從而自動地控制哪些繞組通電， 哪些繞組斷電， 實現了電子換向。 圖 3 無刷直流電動機的原理框圖 無刷直流電動機的基本結構如下圖所示。 無刷直流電動機的轉子是由永磁材料制成的，是具有一定磁極對數的永磁體 。 圖 4 無刷直流電動機的結構示意

22、圖 普通直流電動機的電樞在轉子上，而定子產生固定不動的磁場。為了使直流電 動機旋轉，需要通過換向器和電刷不斷改變電樞繞組中電流的方向， 使兩個磁場的方 - 8 - 向始終保持相互垂直，從而產生恒定的轉矩驅動電動機不斷旋轉。 無刷直流電動機為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉子制成永磁體，這 樣的結構正好和普通直流電動機相反； 然而，即使這樣改變還不夠， 因為定子上的電樞通過直流電后， 只能產生不變的磁場， 電動機依然轉不起來。 為了使電動機轉起來，必須使定子電樞各相繞組不斷地換相通電， 這樣才能使定子磁場

23、隨著轉子的位置在不斷地變化，使定子磁場與轉子永磁磁場始終保持左右的空間角， 產生轉矩推動轉子旋轉。 無刷直流電動機由一臺同步電機、 一組轉子位置檢測器和一套受位置檢測器控制的自控式逆變器組成。 中小型電機的逆變器一般由晶體管組成； 大型電機的逆變器通常采用晶閘管構成 , 稱為晶閘管電動機。 圖 5 無刷直流電機 圖 6 無刷直流電機接線圖 所示為一臺用霍耳元件作為轉子位置檢測元件的小型晶體管無刷直流電動機。 圖中兩個霍耳磁敏檢測元件

24、 HG1和 HG2安放在電動機定子的 X 相和 Y 相繞組的軸線上。它們的輸出端子 x1、x2，y1、 y2 分別用于控制晶體管 BG4、 BG2、BG1和 BG3的通斷。 圖 7 無刷直流電動機接線圖 - 9 - 當磁極 N的軸線對著霍耳元件 HG1時 , 在 HG1中產生 x1 方向上的信號。此信號使晶體 管 BG4導通 , 于是在相繞組 WX1中有電流流通，在 x 軸線上產生一個 S 極磁場，它將吸引轉子上的 N極旋轉 90°。當轉子 N 極轉

25、到 X 相軸線上時， HG1的輸出將變?yōu)榱悖? BG4關斷，而在霍耳元件 HG2中將產生 y2 方向上的信號 , 使晶體管 BG3導通 , 相繞組Wy2中通入電流。又在 y2 軸線上產生 S 極，它再次吸引轉子繼續(xù)旋轉 90°。依此類 推，定子繞組將按照 Wx1→Wy2→Wx2→Wy1→ Wx1的順序輪流通電， 形成一個步進式的旋轉磁場，吸引著轉子不斷地轉動。 在小型無刷直流電動機中逆變器常用半波中零式電路。這種線路結構比較簡單 , 但采用半波逆變 , 電機電視繞組中的電流只沿一個方向流通半個周期， 所以電機的材料利用率較低。 在容量較大的無刷直流電機中通常采用橋式電路，電

26、樞繞組能在正負兩個半周中均通過電流，產生轉矩。無刷直流電機硬件設計方案一 逆變電路按其直流電源性質不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。 電壓逆變電路 電壓型逆變電路的特點 (1)直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動 (2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同 (3)阻感負載時需提供無功。 為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道， 逆變橋 各臂并聯反饋二極管 電流型逆變電路 直流電源為

27、電流源的逆變電路 —— 電流型逆變電路。一般在直流側串聯大電感， 電流脈動很小，可近似看成直流電流源。 - 10 - 電流逆變電路 電流型逆變電路主要特點： (1)直流側串大電感，相當于電流源。 (2)交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。 (3)直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯二

28、極管。 電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。換流方式有負載換流、 強迫換流 功率開關電源電路域 逆變器將直流電轉換成交流電向電機供電。 與一般逆變器不同， 它的輸出頻率不是獨 立調節(jié)的，而是受控于轉子位置信號，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆 變器，無刷直流電動機輸入電流的頻率和電機轉速始終保持同步， 電機和逆變器不會 產生振蕩和失步，這也是無刷直流電動機的重要優(yōu)點之一 - 11 -

29、 （二）無刷直流電機調速系統(tǒng)設計 霍耳轉把輸出電壓的大小，取決于霍耳元件周圍的磁場強度。轉動轉把，改變了霍耳元件周圍的 磁場強度，也就改變了霍耳轉把的輸出電壓。然后把這個電壓輸入控制器，控制器再根據這個信 號的大小進行 PWM 脈寬調制。從而控制功率管的導通關閉的比例以控制電機轉速的大小 2. 閉環(huán)調速系統(tǒng) 環(huán)調速系統(tǒng)不能滿足較高的性能指標要求。根據自動控制原理，為了克服開 環(huán)系統(tǒng)的缺點，提高系統(tǒng)的控制質量，必須采用帶有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 在閉環(huán)系統(tǒng)中， 把系統(tǒng)的輸出量通過檢測裝置 （傳感器）引向系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的輸入量進行比較，

30、從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號。利用此偏 差信號通過控制器（調節(jié)器）產生控制作用，自動糾正偏差。因此，帶輸出量負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有提高系統(tǒng)抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動調節(jié)系統(tǒng)中 (1) 單閉環(huán)調速系統(tǒng) 圖 9 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 (2) 單閉環(huán)調速系統(tǒng)的抗干擾分析 通過這一環(huán)節(jié)可以抑制轉速的下降， 雖然不能做到完全阻止轉速下降， 但比開 環(huán) 轉速的程度會大大降低，從而保證轉速的相對穩(wěn)定性 (3) 單閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性靜特性方

31、程： - 12 - 電機轉速與負載電流之間的關系稱之為閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性 對于有靜差調速系統(tǒng)，如果根據穩(wěn)態(tài)性能指標要求計算出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數，動態(tài)性能可能較差，或根本達不到穩(wěn)態(tài)，也就談不上是否滿足穩(wěn)態(tài)要求。采用比例積分調節(jié)器代替比例放大器后，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定且有足夠的穩(wěn)定裕量。但是采 用 PI 調節(jié)器之后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能是否滿足當時并未提及。通過下面的討論我們將看到，將比例調節(jié)器換成比例積分調節(jié)器之后，不僅改善了動態(tài)性能，而且還能從根本上消除靜差，實現無靜差調速。 3. 雙閉環(huán)直流調速

32、 (1) 雙閉換調速系統(tǒng)原理圖 圖 10 雙閉換調速系統(tǒng)原理圖 (2) 靜態(tài)結構圖 圖 11 靜態(tài)結構圖①兩個調節(jié)器，一環(huán)嵌套一環(huán)；速度環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內環(huán) ②兩個 PI 調節(jié)器均設置有限幅 ；一旦 PI 調節(jié)器限幅 （即飽和），其輸出量為恒值，輸入量的變化不再影響輸出， 除非有反極性的輸入信號使調節(jié)器退出飽和； 即飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關系， 相當于使該調節(jié)器處于斷開。

33、 而輸出未達限幅時，調節(jié)器才起調節(jié)作用， 使輸入偏差電壓在調節(jié)過程中趨于零， 而在穩(wěn)態(tài)時 - 13 - 為零 ③電流檢測采用三相交流電流互感器 ④電流、轉速均實現無靜差。由于轉速與電流調節(jié)器采用 PI 調節(jié)器，所以系統(tǒng) 處于穩(wěn)態(tài)時， 轉速和電流均為無靜差。轉速調節(jié)器 ASR輸入無偏差，實現轉速無靜差 (3) 雙閉調速系統(tǒng)的抗干擾性 圖 12 動態(tài)結構圖 (4) 抗負載擾動作用

34、 由雙閉環(huán)調速系統(tǒng)抗負載擾動作用的動態(tài)結構圖可以看出， 負載擾動作用在電流環(huán)之外，轉速環(huán)之內，所以雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在抗負載擾動方面和單閉環(huán)調速系統(tǒng)只能依靠轉速環(huán)來進行抗擾調節(jié)。 （ 5）抗電網電壓擾動 - 14 - 圖 13 動態(tài)結構圖 由動態(tài)結構圖知： 電網電壓擾動在電流環(huán)之內， 電壓擾動尚未影響到轉速前就已經為電流環(huán)所抑制。 因而雙閉環(huán)系統(tǒng)中電網電壓擾動引起的動態(tài)速降 （升）比單閉環(huán)小得多

35、。 4. 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)優(yōu)點： ① 具有良好的靜特性 ( 接近理想的“挖土機特性” ) 。 ② 具有較好的動態(tài)特性，起動時間短 ( 動態(tài)響應快 ) ，超調量也較小。 ③ 系統(tǒng)抗擾動能力強，電流環(huán)能較好地克服電網電壓波動的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個環(huán)節(jié)擾動的影響，并最后消除轉速偏差 ④ 由兩個調節(jié)器分別調節(jié)電流和轉速。 這樣，可以分別進行設計， 分別調整 ( 先調好電流環(huán)，再調速度環(huán) ) ，調整方便。 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機械特性的硬度大大提高。 在相同負載下兩者的轉速降落分別為

36、 它們的關系是 顯然，當開環(huán)放大系數 K 很大時， 要比 小得多，即閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。 當理想空載轉速相同， 即 時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差 率為 - 15 - 開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為 : 由于 ，而相同負載下 ，所以 Scl 和 Sop 之間的關系為 （ 3）當要求的靜差率一定時，閉

37、環(huán)系統(tǒng)的調速范圍可以大大提高。假如電動機 的最高轉速 相同，對靜差率的要求也相同，那么，根據式（ 8.8 ），當開環(huán) 時 閉環(huán)時 再考慮到式，得 （4）當給定電壓相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉速為 開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉速為 兩者的關系為 閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉速大大降低。如果要維持系統(tǒng)的運行速度不變，使 - 16 -

38、 ，閉環(huán)系統(tǒng)所需要的 要為開環(huán)系統(tǒng)的（ 1+K）倍。因此，如果開環(huán)和閉環(huán) 系統(tǒng)使用同樣水平的的給定電壓 ，又要使運行速度基本相同，閉環(huán)系統(tǒng)必須設置 放大器。因為在閉環(huán)系統(tǒng)中， 由于引入了轉速反饋電壓 Un，偏差電壓 必 須經放大器放大后才能產生足夠的控制電壓 Ucl 。開環(huán)系統(tǒng)中， 和 Ucl 屬于同一數 量級的電壓，可以不必設置放大器。而且，上面提到閉環(huán)調速系統(tǒng)的三項優(yōu)點，都是 K 越大越好，也必須設置放大器。 （三 )驅動系統(tǒng)及電路的設計 電動自行車使用 24V 直流電機，對于這種小功率直流電機的調速方法一般有

39、兩 種。 一種是線性型： 使用功率三級管作為功率放大器的輸出控制直流電機。 線性型驅動的電路結構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉矩運行時，通過電阻 R 的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。 另一種脈寬調制型 :脈寬調速（ PULSE WIDE MODULATION —PWM ）較常用的一種調速方式，這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻 繁的負載沖擊， 還可以實現頻繁的無級快速啟動、 制動和反轉等優(yōu)點。 因此決定采用 PWM 方式控制直流電機。永磁式直流電機脈寬調速原理：永磁式直流電動機電機轉 速由電樞電壓 UD 決定，

40、電樞電壓 UD 越高電機轉速越快，電樞電壓 UD 降為 0V ，電機 就就停轉。直流電機的具體調速過程是：先讓它啟動一段時間，然后切斷電源，電動 機因慣性而降速轉動。 在轉速降到一定限度時使電動機再次接通， 電動機因此而再次 加速，不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源 （即脈動信號） 就可以使電動機的轉速控制 在指定的范圍內。 - 17 - 圖脈沖信號圖 Vmax 為電動機的最大轉速值， Vmin 為電動機的最小轉速值， V

41、D 為二者的平均值。 V D =D*max 式中 D=t/Tc 稱為占空比， D 越大 V D 就越大反之亦然。平均轉速和電樞上的脈沖占空比 D 之間關系如圖 3.6 所示： 由圖可知，平均轉速與占空比并非完全的線性關系， 但可以近似的看成是線性關系。因此，電動機的平均轉速 V D 就可以有占空比 D 加以控制。 圖 3.6 V D/D 關系圖 PWM 調速分為雙向式和單向式兩種： 雙向式：在一個脈沖周期內（ T=Ta+Tb） ,T1 和 T3 導通時間為 Ta

42、,T2 和 T4 導通 時間為 Tb，這樣在 Ta 這段時間內，電機通過的是正向電流，在 Tb 這段時間內為反 相電流。當 Ta=Tb 時電機停轉， Ta>Tb 電機正轉， Ta<Tb 電機反轉。 單向式：單向式的電路和雙向式相同，同的是在電機正轉時， Tb 這段時間內不 通過反相電流；電機反轉時， Ta 內不通過正向電流。其調速原理基本與雙向相同，單向式與雙向式相比， 三極管的開關頻率少一半， 比較不容易發(fā)生上下三極管導通而 造成電源短路的情況，故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差 ;外特性、低速性也不如雙向式好。 綜合以上兩種方式的優(yōu)缺

43、點， 并考慮到電動自行車對調速精度要求不太高， 以及省電、器件損耗等方面因素， 決定采用單向式 PWM ；考慮到編程時可能會產生使 T1、T2、 T3、T4 都導通的情況，以致電源短路，燒毀器件。為了避免出現這種情況，設計了圖 3.7 所示的電路 : 此電路只用一個三極管控制電路的通斷， 用四個繼電器控制電流流向， 從而控制 - 18 - 電機的轉向。這樣無論如何，都不會出現因編程原因而造成電源短路的情況。 由于采用單片機控制電機， 如果單片機的電源采用與電機同一電源， 雖然經過穩(wěn) 壓、濾波，但單片機仍然容易受到電機以及

44、繼電器的干擾。為了避免干擾，采用光電 隔離，單片機和電機采用兩套電源， 4N26 光耦一般需要 2mA 以上的驅動電流， 由于 單片機的輸出電流只有幾百毫安，故需要先接 74LS245 或者接一個三極管增加驅動 能力（ 74LS245 的高電平驅動能力為 15mA）。光耦的輸出再接給達林頓管，考慮到 電機的短路電流有 2A，故選用 TIP132 型號的達林頓管（允許通過的最大瞬時 圖 3.7 電源電路

45、 電流為 8A ）。另外，在達林頓管的 C 極和電源的正極之間接一個耐流為 2A 的二極管，這樣在關斷電源后， 使繼電器反相， 可以讓電機放電， 這樣停時車不至于因為慣性滑行太遠而浪費能源。 因此，切斷電源后要將電動車停下來而采取的無謂制動不能將電能回饋給蓄電池。 考慮到電動自行車對電機轉速距離控制要求不高， 為了簡化程序和外接電路， 所以沒有考慮采用閉環(huán) PWM 控制，用開環(huán) PWM 控制和就可以實現自行車的功能。 - 19 -

46、 圖 3.8 脈沖信號波形圖 工作時 Ta 為高電平，通過光耦驅動復合管 T 導通，此時 Tb 為高電平通過光耦 使三極管導通， 繼電器各線圈被短路。 K1、K2 為常閉觸點， 所以電動機加正向電壓。 當 Tb 為低電平電壓時所有繼電器得電，常開觸點閉合常閉觸點斷開， K1 、K3 斷開 K2、 K4 導通。電動機加反向電壓。如果保證 Ta>Tb 則電動機正轉。通過改變 Ta、 Tb 的占空比即可改變轉速 周邊電路保護 ( 一) 穩(wěn)壓電路

47、 圖 16 穩(wěn)壓電路 24V 直流電源經三端穩(wěn)壓器電路中接入 C1、 C2 是用來實現頻率補償的，可防止 穩(wěn)壓器產生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。大容量的 C3 是電解電容，以 減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。 D是保護二極管，當輸入端意外短 路時，給輸出電容器 C3 一個放電通路，防止 C3兩端電壓作用于調整管的 be 解結， 造成調整管 be 結擊穿而損。 - 20 - （二）保護電路

48、 圖 17 保護電路 減流式保護電路由 T12、R11、R15、R14 和 DZ3、 DZ4 組成， R11 為檢流電阻。保護的目的主要是使調整管（主要是 T11）能在安全區(qū)以內工作，特別要注意使它的功耗不超過 額定值 PCM。首先考慮一種簡單的情況。 假設圖 4.5 中的 DZ3、DZ4和 R14不存在， R15 兩端短路。這時，如果穩(wěn)壓電路工作正常， 即 PC<PCM并且輸出電流 IO 在額定值以內，流過 R11的電流使 =IOR11<0.6V，T12 截止。當輸出電流急劇增加，例如輸出端短路時，輸出

49、電流超過極限值（ IO(CL)=PCM/VI=0.6V/R11）時，即當 >0.6V 時，使 T12 管導通。由于它的分流作用，減小了 T10 的基極電流，從而限制了輸出電流。這種簡單限流保護電路的不足之處是只能將輸出電流限制在額定值以內。 由于調整管的耗散功率 PCM=ICVCE，只有既考慮通過它的電流和它的管壓降 VCE值，又使 PC<PCM，才能全面地進行保護。圖 4.10 中 DZ3、DZ4和 R14、R15所構成的支路就是為實現上述保護目的而設置的。電路中如果（ VI – IOR11– VO）>（VZ3+VZ4），則 DZ3、DZ4擊穿，導致 T12 管發(fā)射結承受正

50、向電壓而導通。 VBE12的值為 經整理后得： 顯然，（ VI –VO）越大，即調整管的 VCE值越大，則 I O越小，從而使調整管的功 耗限制在允許范圍內。由于 I O 的減小，故上述保護稱為減流式保護。 - 21 - 電流采樣及過電流保護設計 電流采樣及過流保護圖

51、 1 電流信號 電機主回路電流信號經采樣電阻獲得。電流信號經過 LM358放大，由單片機PIC16F72A/D通道 RA1（管腳 2）輸入，并進行控制處理。 同時。電流采樣信號通過 LM358 與一固定電壓值比較，當電壓的電流過大時， LM358輸出高 電平，送入 GAL16V8直接關斷輸出，進行邏輯保護。 2 電流采樣 通常對電機三相電流進行控制需要三個獨立的電流閉環(huán)， 而永磁無刷直流電機采用兩相導通方式， 即電機三相定子繞組在某一時刻只有兩相通電， 導通的兩相繞組的電流大小相等，方向相反，因此任意時刻只需控制一個電流量。 電流采樣方式可采取直接采樣

52、兩相電流的方法或采樣直流母線電流的方法。 對于永磁無刷直流電機多采用后一種方法。 采樣直流母線電流有兩種方法， 一種是在待測電路上串入一個小電阻， 用小電阻上的壓降反映電流的大??； 另一種是采用電流傳感器。在電流較大，或要求電隔離的情況下，可以采用磁場平衡式霍爾電流傳感器?？紤]到本控制系統(tǒng)的成本問題，本系統(tǒng)采用第一種電流采樣方式。 3 過流保護 過流保護電路可以對 MOSFET進行保護，將最大電流控制在設定范圍內，當達到 閥值時關閉電機，避免了 MOSFET上通過大電流燒毀的危險。過流保護是控制器的最 后防線，過流保護電阻用的是康銅絲， 當系統(tǒng)電流超過最大保護電

53、流值時， 康銅絲會 燒斷，從而起到保護作用。 - 22 - 護原理圖過流保 3.7.2 LM358 雙運放大電路 如圖 3-15 所示， LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算 放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用， 也適用于雙電源工作模式， 在推薦 的工作條件下， 電源電流與電源電壓無關。 它的使用范圍包括傳感放大器、 直流增益 模塊和其他所有可用單電

54、源供電的使用運算放大器的場合。 LM358 引腳功能圖 欠電壓保護 - 23 - 圖 3-16 欠電壓保護電路圖 如圖 3-17 所示，電池電壓經分壓后接單片機 RA1（管腳 3），由單片機采入進行監(jiān)控。當電池電壓過低時給出欠壓信號，輸出截止，防止電池由于過放而損壞。對于無刷直流

55、電機控制器， 由于輸入控制變量比較多， 控制器可以利用各種輸入信號對控制系統(tǒng)完成相當完善與靈活的保護， 這些保護功能可以大大提高無刷直流電機控制器的可靠性。 三、電動車的故障檢修 （一）電機 電機是電動車的關鍵部件。 由于電動車所帶的能源有限， 作為全天候的交通工具， 更 要求電機能耐受較惡劣的環(huán)境，可靠性要高。 電機在機構上， 分為有刷電機和無刷電機 : 有刷電機是傳統(tǒng)產品， 性能比較穩(wěn)定。 應

56、 該是電動車的首選電機。 無刷電機是新產品，其壽命性能比有刷電機好。但其控制 電路比較復雜， 對元件的老化篩選要求比較嚴格。 雖然電機壽命長但控制電路容易出 毛病。 - 24 - 圖 18 永磁無刷電機 檢修方法： 將萬用表置于直流 20A 擋位，將紅、黑表筆串聯接在控制器的電源輸入 端。打開電源，在電機不轉動的情況下，記錄下此時

57、萬用表的最大電流數值 A1。 轉動轉把，使電機高速空載轉動 10s 以上。等電機轉速穩(wěn)定以后， 開始觀察并記錄此時萬用表的最大數值 A2。 電機的空載電流 =A2-A1 各種電機的無故障最大極限空載電流參考表如下： 當電機的空載電流大于參考表極限數據時，表明電機出現了故障。電機空載電流大的原因有： ①電機內部機械摩擦大。 ②線圈局部短路。 ③磁鋼退磁。 我們繼續(xù)往下做有關的測試與檢查項目，可以進一步判斷出故障原因或故障部 位。 （二）電機發(fā)熱 用非接觸式的紅外線溫度計，或萬用表的溫度測量擋位（帶溫度測量的萬 用表）

58、，測量電機端蓋的溫度超過環(huán)境溫度 25℃以上時， 表明電機的溫升已經超出了正常范圍，一般電機的溫升應在 20℃以下。 電機發(fā)熱的直接原因是由于電流大引起的。 電機電流 I ，電機的輸入電動勢E1，電機旋轉的感生電動勢（又叫反電動勢） E2，與電機線圈電阻 R之間的關系是： - 25 - I= （E1-E2）÷ R I 增大，說明 R 變小或 E2 減小了。 R 變小一般是線圈短路或開路引起的。 E2 減小一般是磁鋼退磁引起的或者是線圈短路、開路引起的。 在電動車的整車的維修實踐中，處理電機發(fā)熱故障的方法，一般是更換

59、電 機。 （三）電機的空載 / 負載轉速比大于 1.5 打開電源，轉動轉把，使電機高速空載轉動 10s 以上。 等電機轉速穩(wěn)定以后， 用手持式速度 / 轉速測量計測量此時電機的空載最高 轉速 N1。 在標準測試條件下，行駛 200m距離以上，開始測量電機的負載最高轉速 N2。空載 / 負載轉速比 =N2÷N1 當電機的空載 / 負載轉速比大于 1.5 時，說明電機的磁鋼退磁已經相當厲害了，應該更換電機里面整套的磁鋼 , 在電動車的實際維修過程中一般是更換整個電機。 （四）電池保養(yǎng)及維護 蓄電池存放時應該是充滿電之后存放

60、，在一個月左右取出來放電或者使用一 到二次，然后再充電繼續(xù)存放；這樣利于延長蓄電池的使用壽命； 一般新的蓄電池前三次充電最好在 8-12 小時，以后掌握在 6-8 小時即可； 蓄電池的充電快、慢無所謂；關鍵是放電時間；放電時間長就可以繼續(xù)使用；蓄電池只要是能夠充電、 放電就還可以繼續(xù)使用； 如果購買國產大品牌的就可以；如果自己會鑒別質量優(yōu)劣， 也可以選購中小廠家的品牌產品； 這樣性價比高一些；一般電池的壽命是以充電、放電的次數來決定的；一般返修、翻新的蓄電池充電次數在 50 次左右，所以購買時都信誓旦旦的告訴你，保修三個月、或者半年； 一過保修期肯定使不長；普通廠家生產的蓄電

61、池充電、放電次數在 100-180 次左 右；使用期限在一年到兩年左右； 好的廠家生產的蓄電池充電、 放電次數 200-300 次左右；使用期限在兩年到三年左右；進口、原裝的蓄電池充電、放電能夠達到 500 次以上，使用年限就更長。 - 26 - 圖 19 蓄電池 不宜騎過就充電電池的壽命是由充放電循環(huán)次數決定的， 充放電的次數越多壽命 縮減越快。充電時間不宜過長許多電動車用戶認為充電時間越長電

62、池電量越 足。這是非常錯誤的。充電時間一般以充電器變燈后延長一小時以內為最佳長時 間的過充容易導致電池變形、失水等現象。從而直接危害電池壽命。嚴禁虧電行 使有的用戶一直到電動車騎不動時再充電，這樣就嚴重傷害性能 。 ( 五 ) 無刷電機缺相 無刷電機缺相一般是由于無刷電機的霍耳元件損壞引起的， 我們可以通過測量霍耳元件輸出引線相對霍耳地線和相對霍耳電源引線的電阻， 用比較法判斷是哪只霍耳元件出現故障。 為保證電機換相位置的精確， 一般建議同時更換所有的三個霍耳元件。 更換霍耳元件之前，必須弄清楚電機的相位代數角是 120 度還是 60 度，一般 60 度相角

63、電機的三個霍耳元件的擺放位置是平行的。 而 120 度相角電機，三個霍耳元件中間的一個霍耳元件是呈翻轉 180 度位置擺放的。 四、主要的元器件性能 （一）控制器 控制器是由周邊器件和主芯片（或單片機）組成。周邊器件是一些功能器件，如執(zhí)行、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開關電路，以及輔助單片機或專用集成電 路完成控制過程的器件； 單片機也稱微控制器， 是在一塊集成片上把存貯器、 有變換 信號語言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調制功能電路以及能使開關電路功率管導通 或截止、通過方波控制功率管的的導通時間以控制電機轉速的驅動電路、 輸入輸出端

64、 - 27 - 口等集成在一起，而構成的計算機片。這就是電動自行車的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出現的高技術產品。 保護功能是對控制器中換相功率管、 電源免過放電， 以及電動機在運行中， 因某種故障或誤操作而導致的可能引起的損傷等故障出現時， 電路根據反饋信號采取的保護措施。電動自行車基本的保護功能和擴展功能保護功能是對控制器中換相功率管、 電源免過放電， 以及電動機在運行中， 因某種故障或誤操作而導致的可能引起的損傷等障出現時，電路根據反饋信號采取的保護措施。 電動自行車基本的保護功能和擴展功能如下： 1. 制動

65、斷電 電動自行車車把上兩個鉗形制動手把均安裝有接點開關。 2. 欠壓保護 這里指的是電源的電壓。 3. 過流保護 電流超限對電機和電路一系列元器件都可能造成損傷， 甚至燒毀， 這是絕對應當避免的。 4. 過載保護 過載保護和過電流保護是相同的，載重超限必然引起電流超限。 5. 欠速保護 仍然屬于過流保護范疇，是為不具備 0 速起步功能的無刷控制系 統(tǒng)而設置。 6. 限速保護 是助力型電動自行車獨有的設計控制程序。 （二）蓄電池 鋰電池的材料 鋰金屬電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負

66、極材料、使用非水電解質溶液的電池。最早出現的鋰電池使用以下反應： 圖 20 - 28 - 正極反應：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。 充電時： LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- 放電時： Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4 負極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現鈦酸鹽可能是更好的材料。負極反 應：放電時鋰離子脫插， 充電時鋰離子插入。 充電時： xLi+ + xe- + 6C → LixC6 放電時： LixC6 → xLi+ + xe- + 6C 鋰電池優(yōu)點 充電器能量比比較高．使用壽命長額定電壓高具備高功率承受力自放電率很 低．重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產品的 1/5-6 ；高低溫適應性強， 可以在 -20 ℃ --60 ℃的環(huán)境下使用，經過工藝上的處理，可以在 -45 ℃環(huán)境下使用； 綠色環(huán)保，不 論生產、使用和報廢，都不含有、也不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質。 生產基本不消耗水。 （三）集成轉速