电动自行车驱动系统研究毕业论文.doc

I 摘摘 要要 随着社会文明的发展，科学的进步，人类物质文化生活水平的提高和环保、 能源意识的增强，社会呼唤着一种无污染、噪声低、操作简单、速度适中的个人 交通代步工具。电动自行车作为一种理想的“绿色”代步工具，为人们带来了福 音。考虑到我国目前的国情，电动自行车将迅速得到普及。 本课题采用 ATMEL 公司 AVR 系列单片机 ATmgea16 作为控制芯片，兼顾成本与 性能要求，做了以下方面的工作： 首先，综述了电动自行车和稀土无刷直流电机的国内外的发展状况，基于其 应用的特点，对电机的类型、控制策略、功率变换器与控制核心进行了综合的考 虑，提出了适合此情况的稀土无刷直流电机驱动系统方案。 其次，根据 AVR 单片机的特点详细设计了系统的控制策略：将电流检测设计 成分流电阻间接测流；将调速系统设计为电流、速度双闭环控制，以保证调速的 精度和响应速度，并在软件中分别用 PI 算法来实现；制定了电机“软起动”控制 方案；采用了高性能的驱动集成电路 IR2130 来驱动 MOFSET 组成的全桥逆变电路； 将 PWM 波的发生及系统保护等功能采用主控芯片集中处理，增加了系统的可靠性。 最后，依据控制策略设计了系统软、硬件。 关键词关键词：稀土无刷直流电机 AVR 控制系统 PWM II AbstractAbstract With the development of social civilization and scientific progress, human material and cultural living standards and environmental protection, energy, awareness of the community calling for a pollution- free, low noise, simple operation, the speed of personal transportation affordable means of transport- As an ideal “green“ means of transport, electric bicycle brings the gospel- Taking into account Chinas current situation, the electric bike will soon be universal. The issue uses AVR MCU ATmgea16 of ATMEL Company as the controller, taking into account of the cost and performance requirements, doing the following work: First reviewing the electric bicycle and rare earth brushless DC motor development at home and abroad, basing on the characteristics of its application, taking into a comprehensive account the type of motor, control strategy, power converter and the control of the core -A drive system solutions is proposed for this situation rare earth brushless DC motor. Secondly, according to the characteristics of AVR microcontroller，I designed the system control strategy detailed: current detection shunt resistor designed to indirectly measure the flow; speed control system designed for current, velocity, double-loop control to ensure the accuracy and speed of response speed, and PI was used in the software algorithm to achieve ;developing a motor “soft start “ control scheme ;using high-performance integrated circuit IR2130 driver to drive MOFSET full-bridge inverter circuit comprising; the PWM wave occurrence and system protection features such as III centralized control chip used to increase the system reliability. Finally, designing the software and hardware of the system based on the control strategy. KeywordsKeywords: Rare Earth Brushless-DC-motor AVR Control System PWM IV 目目 录录 第第 1 1 章章 绪绪 论论- 1 - 1.1 课题的研究背景与发展状况 .- 1 - 1.2 电动车的发展状况 .- 2 - 1.2.1 电动车的种类 .- 2 - 1.2.2 电动自行车的发展前景 .- 3 - 1.3 电动自行车主要部件的发展状况 .- 4 - 1.3.1 电动自行车电机的发展 .- 5 - 1.3.2 电机控制技术的发展 .- 6 - 1.3.3 电池技术的发展 .- 7 - 第第 2 2 章章 关键部分特性分析关键部分特性分析- 9 - 2.1 稀土永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理 .- 9 - 2.1.1 直流无刷电动机的原理框图 .- 9 - 2.2 电机的运行特性分析 - 14 - 2.2.1 起动特性 - 15 - 2.2.2 电动运行特性 - 15 - 2.2.3 制动特性 - 17 - 2.2.4 机械特性和调速特性分析 - 18 - 2.3 控制系统的整体构成 - 19 - 2.4 位置检测信号处理单元 - 21 - 2.5 电流检测信号处理单元 - 21 - 2.6 电机调速方案 - 22 - 2.7 驱动、逆变电路控制方案 - 25 - 2.8 故障检测与系统保护 - 26 - 2.9 核心控制期间的选择 - 27 - 2.10 本章小结 .- 28 - 第第 3 3 章章 硬件系统概述硬件系统概述.- 29 - 3.1 控制系统组成 - 29 - 3.1.1 核心为处理器 ATmega16- 30 - 3.1.2 控制电源电路设计 - 32 - 3.1.3 信号检测电路设计 - 32 - 3.1.4 三相全桥逆变电路及其功率驱动的设计 - 34 - 3.1.5 PWM 波的控制单元.- 37 - V 3.1.6 速度给定环节 - 39 - 3.1.7 电池电压检测单元 - 40 - 3.2 系统硬件可靠性设计 - 40 - 3.2.1 电源与集成芯片去耦 - 40 - 3.2.2 电磁兼容设计 - 41 - 3.3 本章小结 - 41 - 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计- - 4242 - - 4.1 系统软件设计概述 - 42 - 4.2 主程序的设计 - 43 - 4.3 各功能模块的设计思想 - 45 - 4.3.1 位置检测模块 - 45 - 4.3.2 幻想控制模块 - 45 - 4.3.3 A/D 采样模块.- 47 - 4.3.4 双闭环控制模块 - 48 - 4.4 软件的可靠性设计 - 51 - 4.4.1 采用模块化程序设计方法 - 51 - 4.4.2 合理安排中断 - 51 - 4.4.3 程序“跑飞”与“死锁”的解脱 - 52 - 4.4.4 本章小结 - 52 - 总总 结结.- 53 - 致致 谢谢.- 54 - 参考文献参考文献.- 55 - 附录附录 1 1：电动自行车驱动系统原理图：电动自行车驱动系统原理图 .- 57 - 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 1 - 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 课题的研究背景与发展状况课题的研究背景与发展状况 二十一世纪是“绿色环保”的世纪，环境保护和能源节约问题已成为新世纪 最为突出的两大主题,而汽车行业与这两大主题都息息相关，所以汽车产业无疑要 发生新的革命。 随着工业化和城市化的推进，汽车废气排放及对石油资源的过度消耗所引发 的环境、能源问题也日益严重，已经引起了世界各国的普遍重视。人类面临的最 大的环境问题归纳起来有三个方面：大气污染、水资源污染以及生态环境遭受破 环。 温室气体的大量排放导致全球气温上升，恒河 20 年后或干枯、图瓦卢 50 年 后沉入海底、马尔代夫沉没进入百年倒计时这并不是预言家有意制造的耸人 听闻的无聊预测，而是科学家在考虑温室气体排放后给地球开出的诊断书，气候 变化已经使“拯救地球”的行动刻不容缓。2009 年在丹麦举办的哥本哈根气候峰 会再次呼吁各国一起为减缓全球气候变暖作出努力，我国也在会议上承诺 2020 年 减排目标碳排放下降 4045%。 保护人类赖以生存的自然环境，珍惜地球上有限的石油资源是摆在人们面前 迫切需要解决的两个重大课题，传统燃油汽车在这两个问题上与人们的愿望正好 背道而驰。 研究显示，造成大气污染的气体主要由非甲烷有机物、氧化氮、一氧 化碳组成。据统计，在美国地区，43%的非甲烷有机物、57%的氧化氮、82%的一氧 化碳都是汽车废气排放产生的，而全世界 20%的一氧化碳排放量来源于汽车废气。 由此可见，传统汽车废气已成为城市大气污染的一个主要原因。而且汽车废气排 放出的氮氧化物与碳氢化合物在紫外线的作用下，易形成高毒性的光化学烟雾， 污染我们赖以生存的自然环境，直接危害人体健康，城市空气污染情况日趋严重， 控制汽车废气污染已成为环保部门的严峻课题。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 2 - 因此近几十年来，世界各国政府、学术界以及工业界一直努力致力于研究开 发 和推广使用各种低排放或零排放汽车，以解决空气污染问题。所以，世界上的各 个主要汽车生产和使用国纷纷制定了类似的政策或法规，并投入巨资，开发研究 新型零排放汽车电动车。 1.21.2 电动车的发展状况电动车的发展状况 近年来，采用各种高新技术的电动车层出不穷，给人们带来了一个明确的信 息：我们已经走到了电动车时代的边缘。随着日新月异的技术进步和人们环保意 识的不断提高，21 世纪必将成为电动车全面发展的世纪。 1 20 世纪 70 年代的能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得生机。20 世纪 70 年代初期,美国、英国、法国、德国、意大利、日本等都开始发展电动汽车。 20 世纪 70 年代后期,包括中国在内的许多国家和地区的公司，都开始生产电动 汽车。但是石油价格在 20 世纪 70 年代末开始下跌,电动汽车的商业化失去了动 力,电动汽车的发展走入低谷。20 世纪 80 年代，由于人们日益关注空气质量和 温室效应所产生的影响,电动汽车的发展再次获得生机。20 世纪 90 年代开始， 新一代电动汽车不断涌现，1997 年 10 月底问世的混合动力电动汽车普锐斯 prius，是世界上最早实现批量生产的电动汽车。06 年 4 月，普锐斯全球销量已 经突破 50 万辆，并于今年上半年突破 60 万辆。 1.2.11.2.1 电动车的种类电动车的种类 电动车分类电动车按类型分可分为：电动自行车（如图 1-1） ，电动摩托车（如图 1-2） ，电动汽车(如图 1-3)。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 3 - 图 1-1 电动自行车 图 1-2 电动摩托车 图 1-3 电动汽车 1.2.21.2.2 电动自行车的发展前景电动自行车的发展前景 从 70 年代起，我国电动车辆的研究开发便一直在进行之中，到 1993 年，已 被确定为国家十大重点科技工程，并制定了电动汽车的发展目标。而与汽车相比， 灵活方便的中短途个人交通工具，如自行车、助动车和摩托车等，在全球依然占 据绝大多数。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 4 - 我国对电动自行车的研究起步于 20 世纪 80 年代初期，经历了几次起落，目 前在国内大中城市的应用和推广已可见端倪。但是有部分相关技术水平还存在一 定问题，市场的孕育还未完全进入良性循环，有待进一步改善。 3 据统计，1998 年全国电动自行车的拥有量为五万多辆，发展到 2000 年全国 电动自行车的拥有量已达十几万辆，尤其近一年来，电动自行车的发展速度迅速。 以北京为例，2001 年 1 月，据不完全统计，北京市的电动自行车不到 2 万辆，而 到了 6 月份已有 5 万多辆电动自行车在北京的大街小巷穿行。在笔者调查的某一 路段，一个小时经过的电动自行车就近 30 辆。据北京一家电动自行车销售中心反 馈的信息显示：该销售中心每天电动自行车的销售量可达 100 辆，到了周末日平 均销售量可达 200 辆，而这样的销售中心在北京有好几十家。那么，照这样的发 展速度，可以预见近年内电动自行车将在北京的自行车王国中扮演重要角色。我 国电动自行车产量迅速增长，具体数据见表 1-1。 表表 1-11-1 我国近几年电动自行车产量统计我国近几年电动自行车产量统计 年份产量（万辆）比上一年增长（%） 19985-4-71 200015-4193 200158100 2002160176 2003400150 2004675-768-9 1.31.3 电动自行车主要部件的发展状况电动自行车主要部件的发展状况 电动自行车，是指以蓄电池作为辅助能源，具有两个车轮，能实现人力骑行、 电动或电助动功能的特种自行车。根据国家标准对设计最高时速、空车质量、外 形尺寸的相关规定，电动自行车归属非机动车管理范畴，应同时具备以下 5 个特 征：必须具备脚踏行驶功能，蓄电池只作为辅助能源；必须具备两个车轮；设计 车速不大于 20 公里/小时；整车重量不大于 40 公斤；轮胎宽度（胎内）不大于 54 毫米。电动自行车的型号以 TD（特种自行车种类的电动自行车类）冠号。它虽 然具有普通自行车的外表特征（甚至具有摩托车的外表特征） ，但是主要的是，它 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 5 - 是在普通 自行车的基础上，安装了电机、控制器、蓄电池、转把闸把等操纵部件和显示仪 表系统的机电一体化的个人交通工具。 1.3.11.3.1 电动自行车电机的发展电动自行车电机的发展 电机是电动自行车的关键部件，一辆电动自行车的电机基本决定了这辆车的 性能和档次。为使电动自行车有良好的使用性能，驱动电机应具有宽调速范围、 高转速和足够大的起动转矩。此外，由于电动自行车的驱动电机是车载形式运行 的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性能。 目前车辆驱动用的电动机类型大致有以下几类， 分别为直流电机、交流异步 电机和开关磁阻电机。在电动自行车上，考虑到效率，功率密度等因素，目前主 要采用直流电动机。根据电机的换向方式，直流电机可分为机械换向的有刷直流 电机和电子换向的无刷直流电机。永磁有刷直流电动机是发展历史最悠久的电机， 它的制造水平早已达到了成熟阶段，且具有较高的运行可靠性、良好的调速性能、 较大的过载能力和简单的控制方法，因而在早期被广泛采用。但是直流机的体积 和重量都较大，噪音也大，它采用电刷和换向器进行电流换相，会产生电火花， 而且碳刷容易磨损、损坏，增大维护、维修难度、增加使用成本。在工业中大量 应用的交流异步电机虽然结构简单，却有着调速精度不高的问题，交流同步电机 也存在着控制复杂的缺点。 从电机本身的价格来说，无刷直流电机由于没有电刷和换向器,成本应低于有 刷直流电机，无刷机控制器由于使用的功率管要多于有刷结构，故成本价格应相 差不多。由于无刷电机用一套电子换向电路，取代了电刷和换向器，因而从根本 上克服了有刷电机噪声大，工作可靠性差等缺点。过去无刷直流电机主要应用于 军事领域，随着新材料的应用和电子元器件的发展，无刷直流电机已大规模用于 工业，商业和家电导领域，节能、静音和免维护使其应用领域越来越宽。从结构 来说，应用于电动自行车的无刷直流电机有两种，一种是放在中轴的带齿轮减速 的高速内转子无刷直流电机，另一种是直接安装于轮毅的直接驱动的无刷直流电 机，从综合性能 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 6 - 来说，前者的重量可以较轻，效率可以略高，而后者可靠性、噪声和价格指标要 优于前者。 稀土永磁无刷直流电机是近 20 年发展起来的一类电机，由于电力电子技术， 微电子技术，微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础。目 前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、 微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，显示出广泛的应用前景和强大 的生命力。与其它电机相比它具有几个明显优点:永磁无刷直流电机没有电刷、 而是利用电子换相，故克服了任何由电刷引起的问题。永磁体安装在转子上、 电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易散发出去;结构也变得简 单，并且节省了空间使其磁场损失也得到了减少。它的效率与转速永远保持同 步关系，不会发生失步、震荡等现象，在节约能量方面也有明显优势。从电动自 行车的性能要求看，无刷直流电机即具有直流电机动态特性好、调速性能优良的 特点，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，且电磁转矩大、 脉动小;从结构要求看，这类电机轴向尺寸短，铁心外径较大，结构上为扁平式， 可方便的安装在自行车的后轮轴上，在其工作时力矩直接加到后轮上，不工作时 可像普通自行车那样人工骑行，因此近几年无刷直流电机在电动自行车中的应用 处于上升趋势。本文所研究的驱动系统便是采用直接驱动的无刷直流电机。 1.3.21.3.2 电机控制技术的发展电机控制技术的发展 近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的 应用技术也得到了进一步发展，新产品、新技术层出不穷。由于应用了电力电子 技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高了。已由过去简单的起停控制、 提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，以及这 些被控量的综合控制，使被控制的机械运动更符合预想要求。因此现代电机控制 技术离不开功率器件和电机控制器的发展。电机控制器是无刷直流电动机正常运 行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：对各种信号进行 逻辑综合，以给驱动电路提供各种控制信号；产生 PWM 调制信号，实现电机的调 速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能；实现 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 7 - 短路、过流、欠压等故障保护功能。 现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关，可以说，每一次微处理器 的进步都推动了控制技术的一次飞跃。在微处理器出现之前，控制器只能由模拟 系统构成。由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制，功能单一升级换代困 难，而且由分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使得 维护成本增高，限制了它的发展和应用。随着微处理器的迅速发展和推广，控制 器由模拟式转换成了数模混合式，并进一步发展到全数字式，技术的进步使得许 多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用软件实现，使系统的可靠性和智能化 水平大大提高。全数字系统简化了硬件，缩小了装置体积，消除了温度变化的影 响，升级换代十分容易，控制精度不断提高，重复性能也更好了。目前市场上微 处理器品种繁多，档次、性能各不相同，不同的厂商生产的微处理器都各有特点。 有的价格低廉但功能不够完善，速度慢，如传统的 8051 单片机;有的具有高速的 数字处理能力，能实现一些复杂的控制算法，但价格不菲，如 DSP 微处理器。 5 本论文根据电动自行车控制系统的功能设计要求，希望选用的微处理器具有 响应速度快、功耗低、体积小、价格低廉以及组成系统时所需要的外围器件少的 特点。分析对比各类控制器后决定采用 ATMEL 公司在 2002 年推出的一款具有极高 性能价格比的 AVR 单片机 Atmega16。在论文的后续章节中将对其作详细介绍。 1.3.31.3.3 电池技术的发展电池技术的发展 电池的制造技术近几年来发展很迅速，但它仍是现阶段制约所有电动车辆技 术发展的瓶颈技术。车载蓄电池要求有高的比能量、比功率、循环使用寿命、低 成和合理地运行环境以及便于回收等特性。蓄电池的性能直接制约着电动车辆的 动力性能指标和一次充电的续行里程。目前，对蓄电池的研究，一方面是对传统 铅酸蓄电池的改进和新型蓄电池的研制。近几年开发出的新型化学电池主要有:镍 一铁电池、镍一福电池、镍一金属氢化物电池、纳一硫电池、锂电池、锌电池等。 与传统的铅酸电池相比，这些新型电池在性能上已经有了很大的提升，但在功率 密度上还不能和燃油相媲美。另一方面，燃料电池和超级电容的出现与兴起给电 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 8 - 动车用动力电池 提供了新的发展方向。一般燃料电池比能量都高于铅酸电池，其应用的主要难点 在于如何缩小反应装置和提高反应速度，同时安全性问题和制造价格问题还有待 进一 步完善。超级电容的额定电压虽然很低，但短时大功率输出特性良好，在电动车 辆加速或是制动期间，可以提供很大的功率输出或能力吸收。它作为化学蓄电池 的辅助能源，可以显著减小电动车辆对化学蓄电池的尖峰功率输出的要求，在电 动车辆中的应用也越来越受到重视。 本论文研究的是以 AVR 单片机 ATmega16 为主控芯片，并根据无刷直流电机的 运行原理及自行车的运行特性设计电动自行车驱动系统，主要工作如下： 1.通过分析各种驱动电机优缺点，确定驱动电机的类型并对其控制原理进行 分析，对其运行特性加以研究； 2.设计出相应的驱动方式并分析基本特性； 3.提出系统的具体控制策略，并分析其可行性； 4.通过软、硬件设计，实现系统的控制目的。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 9 - 第第 2 2 章章 关键部分特性分析关键部分特性分析 2.12.1 稀土永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理稀土永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、开关电路、位置传感 器三部分。原理框图如图 2-1 所示。 稀土永磁电动机本体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成。常用的有三 种结构形式：转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体；转子铁心中嵌入矩形板状稀 土永磁体；转子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体。还有一种外转子式 结构，即带有稀土永磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转 子旋转。这种结构形式最适用于电动车辆的驱动。 直流电源开关电路电动机 位置传感器 图 2-1 稀土永磁无刷直流电动机原理框图 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 10 - 2.1.12.1.1 直流无刷电动机的原理框图直流无刷电动机的原理框图 开关电路由逆变器 VF 和驱动电路组成。逆变器主电路有桥式(图 2-2a)和非 桥式(图 2-2b)两种。电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三 相星形六状态。驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送 去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。 转子位置传感器 PS 是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提 供位置信号的一种装置。它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机 本体转子位置；其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号。 A B C B C A n + - NS 电子开关电路电动机 Q1Q5Q3 Q2Q6Q4 图 2-2a 桥式逆变器主电路 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 11 - + - ABC 图 2-2b 非桥式逆变器主电路 以下就两相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例来说明其工作原理。三 个霍尔元件沿圆周均匀分别粘贴于电机端盖上，彼此相差 120电角度，并分别 与定子三相绕组首端所在槽中心线对齐，霍尔传感器转子永磁体为 180电角度 的薄片， 与转子同轴安装，其产生的磁场的端面与霍尔元件的气隙为 1左右，传感器永 磁体轴线与转子主磁极轴线垂直。 设电机处于 A、B 相绕组导通的磁状态初始位置，如图 2-3(a)所示。 A C Y Z X B N S Fa Ff 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 12 - 图 2-3(a) 正转时位置关系 此时霍尔元件 A、B 在传感器磁场作用下，有高电平输出，霍尔1 kBkA uu 元件 C 不受磁场作用，。此时位置信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变0 AC u 器，使功率开关管、导通，绕组 A、B 通电，A 进 B 出，电枢绕组在空间的合 1 V 6 V 成磁势如图 2-3(a)所示，电机在定转子磁场相互作用下顺时针旋转。电流流通 a F 路径为：电源正极管A 相绕组B 相绕组管电源负极。故 A、B 相绕 1 V 6 V 组导通的磁状态对应的霍尔元件信号逻辑为、。当转子经过 60电 kA u kB u kC u 角度，达到如图 b 所示的位置时，位置传感器输出检测信号，经过控制电路逻辑 变换后，使绕组 A、C 相通电，即使开关管截止，导通，而仍导通。电枢 6 V 2 V 1 V 绕组在空间的合成磁势方向如图 2-3(b)所示。 A C Y Z X B N S Fa Ff 图 2-3(b) 电枢绕组在空间的合成磁势方向 在定转子磁势的相互作用下使转子继续沿顺时针方向旋转。电流流通路径为： 电源正极管A 相绕组C 相绕组管电源负极。此时霍尔元件 B 处于 1 V 2 V 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 13 - 传感器永磁体下，有高电平输出=l，霍尔元件 A、C 不受磁场作用， kB u =0。故 A、C 相绕组导通的状态对应的霍尔信号逻辑为、。以 kA u kC u kA u kB u kC u 此类推下去，可得电机转一周时对应的各相绕组导通顺序和功率开关管的导通逻 辑以及三个霍尔元件输出信号的逻辑关系，如表 2-1 所示。 表表 2-12-1 正转时相互位置关系正转时相互位置关系 当转子每转过 60电角度时，逆变器各开关管之间就进行一次换流，定子磁 状态就改变一次。可见电机有六个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中 流过电流的时间相当于转子转过 120电角度。每个开关管的导通角为 120，故 该逆变器为 120导通型。为便于直观，将电机正转时的三相绕组与各开关管导 通顺序的关系见图 2-4。 霍尔元件信号导通绕组导通管子 uhAuhBuhC BA V V 1 6 uhAuhBuhC CA V V 12 uhAuhBuhC CB V V 3 2 uhAuhBuhC AB V V 3 4 uhAuhBuhC AC V V 5 4 uhAuhBuhC BC V V 56 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 14 - t t t A B C 60 120 180 240 300 360 420 120 240 360 V1 V3 V5 V4V4 V6 V2 t t t t t t 图 2-4 三相绕组与各开关管导通顺序关系 2.22.2 电机的运行特性分析电机的运行特性分析 电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。因此我们最关心的是 它的转矩、转速，以及转矩和转速随电压、负载变化而变化的规律。据此，电动 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 15 - 机的运行特性可分为：起动特性、电动运行特性、制动特性、机械特性及调速特 性。对于无刷直流电机，其电势平衡方程式用式 2-1 表示 （式 2- UIEU 1） 式中： 电源电压()；UV 电枢绕组反电势()；EV 平均电枢电流()； acp IA 电枢绕组的平均电阻()； acp r 功率器件的饱和管压降()。UV 对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均用式 2-2 表示。 （式 2-nKE e 2） 式中： 电动机转速(r/min)； n 反电势系数(V/r/min)。 e K 由方程式 2-1、2-2 可得式 2-3 = （式 2-n e K E e axpacp K rIUU 3） 在转速不变时，转矩平衡方程式用式 2-4 表示。 （式 2- 0 TTT L 4） 式中： 电磁转矩(Nm) T 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 16 - 输出转矩(Nm) L T 摩擦转矩(Nm) 0 T 还可以用式 2-5 表示 T （式 2- acpTI KT 5） 转矩系数（Nm/A） 。 T K 在转速变动情况下得出式 2-6 （式 2- dt d JTTT L 0 6） 式中： 转动部分的转动惯量（Nms ） ；j 2 转子的机械角加速度(rad/s )。 dt d2 下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性。 2.2.12.2.1 起动特性起动特性 由方程式 2-1、2-5、2-6 可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢 电流(即起动电流)用公式 2-7 表示。 （式 2- acp n r UU I 7） 其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动机可 以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势 E 增加，电磁转矩 降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。 2.2.22.2.2 电动运行特性电动运行特性 在电动运行状态下，6 只开关管任意时刻只有 2 只开关管导通，分别属于上 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 17 - 桥臂和下桥臂,用图 2-5 表示。 MBA MAB LB LA RA RB eA eB Ud iA iB i= 图 2-5 电动运行等效电路图 由图 2-5 的运行等效电路图可得，在电动运行时 V 管和 V 管导通时通电回路 1 6 的回路电压方程用式 2-8 表示。 （式 2- B A B B B A BABB B AB A AAAAd e dt di L dt di L dt di MRi dt di M dt di LRieU 8） 式中： 、A、B 相电势，电动运行时最大幅值， A e B e 2 d U E 、相电阻，=； B R B R A R B R R 、相电感，=； A L B L A L B L L 、两相互感，= =； AB M BA M AB M BA MM 蓄电池电压； d U 、相电流； A i B i 设，上式可改写为式 2-9. BA iii + = （式 2- dt di ML)( Ri )( 2 1 BAd eeU 9） 在电动运行时，换相前电路电流为零，换相后0。由于很)( 2 1 BAd eeUR 小可以忽略，故在电路接通后过渡过程结束前， 正向增加，电路工作在吸收电功i 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 18 - 率状态，吸收的电功率用式 2-10 表示。 1 P （式 2-iUP d 1 10） 电机的电磁功率及电磁转矩的大小可以用式 2-11 和式 2-12 两式计算： em P em T （式 2-ieeP BAem )( 11） （式 2- em em P T 12） 式中： 转子角速度。 这时，电磁功率及电磁转矩是正的，为电动性质，即与 同向。对管 em T 1 V 和管进行脉宽调制，改变占空比，就可控制电流 的平均值，从而控制平均转 6 Vi 矩。 2.2.32.2.3 制动特性制动特性 制动运行方式可以有反接制动和回馈制动两种： 1.反接制动 该方法是使电动机工作在反接制动状态下，蓄电池化学储能向电能转换，与 车体动能一起通过电动机最终被转换为热能。蓄电池的能量输出与制动过程有关。 可见电动自行车的动能通过运动阻力和电机做功，被完全转换成热能，而热能通 常难以被系统回收利用，所以该制动过程是一个单方向的能量消耗过程。 2.回馈制动 本法不需要改接电源极性，且在电机转速低于额定空载转速时可实现电磁制 动，同时向电源(蓄电池)回馈能量，从而可被系统再次利用。这一方案无疑提高 了系统的运行效率，可以延长车辆的续行里程，该方案明显优于反接制动的方案。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 19 - 根据无刷直流电动机的驱动原理，当对电机进行调速驱动时，施加在电机绕 组上的是与绕组感生电动势反向的 PWM 斩波直流电压。当外加电压大于反电动势 时，电流流入绕组，电源将功率输入电机。当在绕组上施加相反方向的 PWM 电压 时，将使得流过电动机绕组的电流与驱动时的电流方向相反。这样电动机将产生 与驱动时相反方向的转矩，也就是制动转矩。制动电流值在理论上可以很大，其 主要受控制器功率器件的电流限制。 在制动过程中，为使电流连续，施加在绕组电感上的电压平均值该大于零， 即式 2-13. （式 2-0) 12(2)1)(2()2(UEUEUEUav 13） 式中： PWM 驱动的占空比 此时平均电流为： （式 2- a av R UE I 2 ) 12(2 14） 电源输入到电动机的功率为： （式 2- 2 2 ) 12( 2 ) 12() 12()1 ( aa avavavavav R U R UE UIPUIUIP 15） 由此可见，当时，电源可以从电动机侧吸收制动能量。 2 1 由可得0 42 2 2 a av R UUUE d dP U E 22 1 又由=0，可得，在时电源侧获得最大功率的能 0 d dPav a R UUE 2 2 U E 22 1 量回馈，另一方面，由平均电流方程式可知， 值越大，则电动机的制动电流即 制动转矩越大。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 20 - 2.2.42.2.4 机械特性和调速特性分析机械特性和调速特性分析 机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。 由方程式(2-1)(2-2)(2-3)可知式 2-16 和式 2-17。 = （2- acp I acp r UU acp e r nK 16） = （2- acptI KT acp T r UU K acp fe r KnK 17） 式 2-17 等号右边的第一项是常数(当不计U 的变化和电枢反应的影响时)。 所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加。当速度为零时，即为起动电磁转矩。 当方程式 2-17 右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。 实 际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变 化。 又因为功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化而变化，在基极电流不变 时。功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的关系。所以，随着转速的 减小，电动机的反电势也减小，电枢电流增加，U 增大，到一定值以后，增加 较快。所以其机械特性是在接近堵转(即转速很低)时，加快下跌。 如假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也 会提高，同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。当电磁转矩和负载转矩 平衡时，电机就维持在一个较高的转速下运行。如果负载不变，提高外加直流电 压，则转速升高，逆变器的频率提高，反电势增大，使电流减小，电磁转矩又呈 现减小趋势，这样就使电机维持在一个较高的转速下运行。由此可见，由于无刷 直流电动机的自同步性，其调速方法与有刷直流电动机非常相似，可通过调节直 流电压来实现。又从方程式(2-17)可见，改变电源电压，可以很容易地改变输出 转矩(在同一转速下)或(在同一负载下)。所以在电子换向线路及其它控制线路保 持不变的情况下，无刷直流电动机调速性能很好，可以利用改变电源电压来实现 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 21 - 平滑的调速。 根据所需的系统运动特性，按表 2-3 可确定电机应该具备的机械特性，同时 还要求所选择或设计的电机可以在有限的电源电压下正常运行。 表表 2-32-3 电动机基本工作参数及特性方程电动机基本工作参数及特性方程 电动机参数定义符号说明 输出功率 m VFP/* 为机械传动效率，为 m F 行驶阻力，为行驶速度 V 转速 n = nr iV * 2 60 为电动机与车轮的转速， i 车轮半径 r 输出转矩 TnPT/ 2.32.3 控制系统的整体构成控制系统的整体构成 在其它硬件条件相同的情况下，控制系统决定着电动自行车的性能，相当于 系统的神经中枢发出控制命令及处理各种异常情况。它的作用如下： 1.使电动自行车操作灵活舒适； 2.提高电机和蓄电池的效率，节省能源； 3.保护电机及蓄电池； 4.降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度； 5.保障使用者和他人的人身安全。 本文设计的电动自行车控制系统主要由以下几部分组成：以单片机为核心的 主 控电路；以工 RI2130 为核心的驱动电路；功率逆变电路；位置信号处理电路、电 流信号处理电路以及一些外围辅助电路。控制电路的主要功能是完成电机的起动、 换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护；驱动电路的主要功能是利 用工 RI2130 的自举技术驱动功率 MOSFTE 管控制电机电流；而外围辅助电路主要 完成信号的采样、对电路的供电、发出报警信号等功能。 直流电源通过 MOSFTE 构成的逆变桥向 BLDCM 供电，单片机在新的采样周期到 来时，先判断系统的状态，如是静止状态则用软件开环起动，当达到一定速度后 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 22 - 再切换到常规换相运行状态。 “软启动”的电控方案解决了零状态起步耗电大的问 题，大幅度地提高了一次充电的续行里程。常规的换相运行是直接根据位置传感 器传来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。 系统主要控制策略概述，主要介绍系统的整体控制过程。直流电源通过 MOSFTE 构成的逆变桥向 BLDCM 供电单片机在新的采样周期到来时，先判断系统的 状态，如是静止状态则用软件开环起动，当达到一定速度后再切换到常规换相运 行状态。 “软启动”的电控方案解决了零状态起步耗电大的问题，大幅度地提高了 一次充电的续行里程。常规的换相运行是直接根据位置传感器传来的信号进行换 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。 2.42.4 位置检测信号处理单元位置检测信号处理单元 在对无刷直流电机的控制中，磁极位置的测定直接决定了控制效果的好坏。 方波电流驱动无刷直流电机是借助于位置检测信号控制逆变器换流以达到在电机 定子线圈中通以互差的方波电流才能正常运行。 120 本系统采用霍尔元件式位置传感器来检测电机的位置信号。该传感器是一种 半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场 中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。对于两相 导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔 120电角度， 永磁体的极弧宽为 180电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交 替输出三个宽为 180电角度、相位互差 120电角的矩形波信号。这三路信号经 过一定的整形措施后被送到单片机的数字 I/0 口，以确定相位信息。霍尔元件式 位置传感器结构简单、体积小、价格低、工作可靠，但对工作温度有一定要求， 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 23 - 同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。 因此，在对性能和环境要求不是很高的稀土永磁无刷直流电动机应用场合，大量 使用霍尔元件式位置传感器。 2.52.5 电流检测信号处理单元电流检测信号处理单元 电流检测是系统电流环控制的重要环节，对于电流检测有两种方案： 1.采用电流检测模块。现在电流检测模块种类很多，以霍尔器件为主，反应 很灵，但是，对于直流无刷机的控制特点，至少需要检测两相电流，需要两组传 感器，这样就使成本提高了。 2.采用一个分流电阻间接测流。在直流侧接相应阻值和瓦数的分流电阻，通 过测量电阻上的电压，来测量直流回路的电流；然后检测三相绕组的相电压以确 定采样的直流侧电流是哪一相的电流值。这种方案对于 A/D 转换的精度和软件数 据处理有一定要求，但是造价很低，本系统采用第 2 套方案。 2.62.6 电机调速方案电机调速方案 本车采用的无刷直流电动机可以通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在 电动机电枢上的电压来调速。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围 大的优点。本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉 宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。 图 2-6 是对电机进行 PWM 调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管 的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压，秒后， s U 1 t 栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为 0，秒后，栅极输入 2 t 重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） - 24 - Ui 0 t Uo 0 t Us t1t2