[精品论文]光电驱动电动车的研究—电动机控制系统

毕业设计课程定做 QQ1714879127 毕业设计课程定做 QQ1714879127 论论文文题题目：光目：光电驱动电动车电驱动电动车的研究的研究电动电动机控制系机控制系统统 摘摘 要要 本文从系统要求入手，将整个电机系统分成三个部分，分析和讨论了各个部 分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工况及信号的传递 情况。系统各部分的控制电路基于 AT89C2051 单片机。根据无刷直流电动机的 特性实施脉宽 PWM 控制和回馈制动，通过软硬件的配合，实现了整个系统的设 计要求。 关关键词键词： ：单片机，无刷直流电机，脉宽调速，回馈制动 A Study of Photoelectric Driven Electric Vehicles Motor Control System Abstract This paper analyzes the system from the requirements, the whole system of motor will be divided into three parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit of the control strategy, implementation method.Discussed in detail the status of the various systems and signal transduction. Part of the system control circuit based on AT89C2051 chip microcontroller. According to the brushless DC motor control of the PWM pulse width and regenerative brake, through hardware and software support, for the entire system design requirements. Key words: Single-chip Microcomputer, Brushless DC motor, PWM pulse speed control system, Regenerative brake 0 目目 录录 1 绪论1 1.1 当前电动自行车发展状况1 1.2 电动自行车改进方案2 2 无刷直流电动机2 2.1 无刷直流电动机的结构2 2.1.1 电机本体.3 2.1.2 直流电源.4 2.1.3 位置传感器.4 2.2 无刷直流电动机的工作原理7 2.3 无刷直流电动机的分类8 2.4 无刷直流电机的基本公式9 2.5 无刷直流电机数学模型9 2.6 无刷直流电动机的驱动控制10 2.6.1 星形联结方式.10 2.6.2 三相 联结方式11 3 无刷直流电动机的 PWM 调速控制 12 3.1 直流电动机电枢的 PWM 调速原理12 3.2 PWM 波的转速控制13 4 回馈制动14 4.1 回馈制动的控制原理14 4.2 回馈制动的数学模型17 1 4.2.1 续流状态.17 4.2.2 充电状态.18 5 系统硬件电路设计19 5.1 电动车总体结构框图19 5.2 AT89C2051 芯片介绍.19 5.2.1 概述.19 5.2.2 性能介绍.19 5.3 控制器技术参数21 5.4 总体电路设计21 5.4.1 驱动电路.21 5.4.2 回馈制动电路.22 6 结束语23 致谢23 参考文献24 附录 电机控制系统电路总图25 1 1 绪论绪论 随着现代社会的不断进步，环境和能源问题越来越受到人们的重视。无污染、 低噪声和节能的电动交通工具已经成为世界各国研制开发的热点。电动自行车 作为一种有效替代燃油车的绿色交通工具， 拥有节能、环保、便捷三大优点，在 减轻或消除城市环境污染方面将发挥着越来越大的作用。电动自行车中控制器 是最关键的部分。目前，电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近。 电动自行车在正常运行过程中，控制器可以通过信号采集与处理，将运行速度、 电压状况等提供给显示部分。 现在的电动自行车电机主要分有刷和无刷两大类。其中无刷直流电机的发 展前景较好。有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的 PWM 控制方法调速，只 是选用驱动电路、集成电路、开关电路功率管和某些相关功能上的差别，并都具 有过流保护功能。本课题主要研究电动车的再生制动，即电动车的驱动电机运行 在再生发电状态时,既可以提供制动力,又可以给电池充电回收车体动能,从而延 长电动车续驶里程。同时采用以单片机为核心的控制器，其控制精度高，调试简 单，可进行功能扩展，有助于控制器向智能化方向发展。 1.1 当前当前电动电动自行自行车发车发展状况展状况 电动自行车因为轻便、快捷,适应了现代人追求环保、效率、安全的要求，受 到了人们的普遍欢迎。电动车产量逐年增加，到 2006 年我国的电动自行车的数 量已达到 2100 万辆。 电动自行车采用了很多的新技术和新材料。单从其驱动装置电机来看就 有很高的技术含量。电动自行车的电机经过十多年发展，曾经有变频电机、开关 磁阻电机、有刷直流电机、无刷电机等多种驱动方案。目前较为成熟的有两大类: 一类是带减速齿轮的有刷电机，有盘式结构和圆柱结构两种；另一类是不带减速 齿轮的直接驱动无刷直流电机。 目前, 电动车所使用的直流电机大多数采用有刷电机，其特点是体积小,功 率大1。根据实践经验,控制器的损坏,大多是由于驱动管损坏而引起其他元器件 损坏。因此，控制器的好坏主要取决于功率驱动管的负载能力。电动自行车用电 机功率大多是在 150180 W 之间，采用 36V/ 48V 电池供电，额定电流在 4.55A。电动自行车用电池为铅酸蓄电池，电池过充电和过放电均会缩短电池 寿命。大电流放电还会引起控制器中功率驱动管的温度急剧上升，损坏驱动管， 以至于损坏控制器，因此控制器必须有防止过充电保护。控制器设计应确保电机 工作在额定电流范围内，允许有一定的过载能力和大电流自动保护功能，以保护 电池和功率驱动器件。使用刹车时，控制器要禁止输出。为了防止过放电，控制 器要对供电电压随时进行检测，一旦低于阀值(一般为标称电压的 0. 85)关闭控制 2 器输出。 1.2 电动电动自行自行车车改改进进方案方案 太阳能是一种洁净、无尽的能源。太阳能发电是 21 世纪能源利用的趋势。太 阳能光电池是对光有响应并能将光能转换成电力的器件。光伏效应的实质是：光 子能量转换成电能的过程。采用光电驱动的电动车，更有利于太阳能的广泛开发 和利用，省去麻烦的充电环节，做到对无限资源可持续利用和对环境的零污染， 是未来电动自行车的发展趋向。 直流无刷电机具有明显的优势，它既具有直流电动机运行效率高、调速性能 好又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点。目前电动自行车采 用的直流无刷电机都是三相电机，定子是电枢绕组，用电子换向取代了机械换向。 电角度有 60和 120两种。控制器根据霍尔反馈的电机电极位置，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。 由于电机具有可逆性，电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行，因此 可以通过回馈制动，回收制动能量对电池进行充电，提高电动车的行驶里程。采 用回馈制动，可接收电动车下坡、减速、停车时的能量，以节约电能。结果表明 ： 采用此种控制方式可达到 10 %左右的能量回收率，进而提高电动车能量利用率。 根据以上的改进方案其系统的具体设计要求为： （1）在现有的电动车基础上利用太阳能光电池进行光电转换给蓄电池进行充 电，对电动车直流电机和控制电路进行供电； （2）以单片机为控制中心设计出无刷直流电动机控制系统的控制线路； （3）无刷直流电动机采用脉宽调制的 PWM 控制方法调速； （4）主要实现再生制动，即接收电动车下坡、减速以及停车时的机械能量，馈 送给蓄电池，以节约电能。 2 无刷直流无刷直流电动电动机机 无刷直流电动机的本质是自同步运行的永磁同步电动机，由永磁同步电动 机、转子位置传感器和控制驱动电路三部分组成。其基本运行原理是：根据转子 位置传感器所提供的转子位置信号来产生换向信号，控制功率电路的开通与关 断，在永磁同步电动机中产生旋转的定子磁动势，这样可以使该定子磁动势与转 子磁动势之间的电角度保持在 90左右，从而产生接近于恒定的电磁转矩。无刷 直流电机采用逆变电路驱动，进行电子换向，具有没有换向火花、抗干扰性强、 运行可靠、维护简便、使用寿命长等优点。 3 2.1 无刷直流无刷直流电动电动机的机的结结构构2 无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关线路 3 部分 组成，其电机结构示意图如图 1 所示。 图 1 无刷直流电动机结构示意图 1-主定子 2-主转子 3-传感器定子 4-传感器转子 5-电子换向开关电路 无刷直流电机的原理框图如图 2 所示。图中电源通过开关电路向电动机定 子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来 控制开关管的导通和截止，从而自动的控制哪些相绕组通电，哪些相绕组断电， 实现电子换相。 直流电源电子开关无刷电动机 位置传感器 输出 图 2 无刷直流电动机的原理框图 2.1.1 电电机本体机本体 电动机内部结构分定子和转子两部分。定子是由定子铁心，电枢绕组及其引 出线，传感元件及其引出线，定子支架，轴等部分组成。定子电枢铁心是由硅钢 片冲片叠压而成的，由于电机径向尺寸大，轴向尺寸短，定子铁心一般做成多对 极多个槽数，以满足大力矩、低转速的要求。定子绕组的形式和多相的永磁同步 电动机类似，它在实现能量转换过程中起着重要的作用。绕组相数多取三相，并 采用 Y 型联接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，即为 4 三相半控驱动方式。电机转子的结构分两种：一种是将瓦片状的永磁体贴在转子 的外表上，如图 3（a）所示，称为凸极式；另一种是将永磁体内嵌到转子铁心中， 如图（b）所示，称为内嵌式。它都由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，.）组成，磁 钢材料一般采用铁氧体、钕铁硼或钐钴（稀土磁钢）等。 (a) 凸极式 (b ) 内嵌式 图 3 永磁转子结构类型 无刷直流电动机的定子上开有齿槽，齿槽数与转子极数和相数有关，应是它 们的整倍数。绕组的相数有二、三、四相，但应用最多的是三相和四相。各相绕组 分别与电子开关电路相连，开关电路中的开关管受位置传感器信号控制。 2.1.2 直流直流电电源源 由于采用光电结合的充电方式，太阳能电池板是整个电源的重要组成部分， 要将光电转换后的电能同时给蓄电池供电。太阳能电池方阵一般由多块太阳能 电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、防过充电路向蓄电池充电。 其太阳能电池方阵分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关。由蓄电池提供 48V 电源给无刷电机和控制器进行供电。 2.1.3 位置位置传传感器感器 无刷直流电动机常用的位置传感器有以下 3 种。 （1）电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置检测的。它的结构如图 4 所 示。它由转子和定子两部分组成。转子是一个用非导磁材料制成的圆盘，其上面 镶有扇形的导磁材料，扇形导磁片的个数与无刷直流电动机转子磁极的极对数 相等。转子与电动机轴连在一起，随电动机同步转动。定子是由高频导磁材料的 铁心制成，一般有 6 个极，等间距分布，每个极上都缠有线圈。 5 图 4 电磁式位置传感器原理图 其中互相间隔的 3 个极为同一绕组，接高频电源作为励磁极；另外 3 个极有 自己独立的绕组，作为感应极，是传感器的输出端。电磁式位置传感器在直流无 刷电动机中，用得较多的是开口变压器。 （2）光电式位置传感器 光电式位置传感器利用光电效应进行工作。它由发光二极管、光敏接受元件、 遮光板组成，如图 5 所示。其中发光二极管和光敏接受元件分别安装在遮光板的 两侧，固定不动，遮光板安装在转子上，随转子转动。 遮光板上开有 120的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子 磁极的极对数。当遮光板上的扇形开口对着某个光敏接受元件时，该光敏元件因 接收到对面的发光二极管发出的光而产生光电流输出；而其它光敏接收元件由于 被遮光板挡住而接收不到光信号没有输出。这样随着转子的转动，遮光板使光敏 接受元件轮流接收光信号，产生不同输出。根据输出就可以判断转子所处位置。 图 5 光电式位置传感器工作原理图 光电元件一般是砷化镓发光二极管和光敏三极管。光敏三极管或光敏二极 管的输出较弱，需要整形放大，图 6 是它的放大整形电路。经过放大整形输出的 是脉冲信号，易于与数字电路接口。 6 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:28-May-2009Sheet of File:E:三三三 三三protel三三三三三三三.DD BDrawn By: R1 V1 D1 V2 R2 P + - 三三三三U0 + （a）放大整形电路 （b）光电传感器实物 图 6 光电输出的放大整形电路及实物 （3）霍尔式位置传感器 霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应”进行工作的。利用霍尔式位置传感器工 作的无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔式传感器的转子。通过感知转子 上的磁场强弱变化老辨别转子所处的位置。 “霍尔效应”的原理如图 7 所示，在长方形半导体薄片上通入电流 I，电流方向如 图，当在垂直于薄片的方向上施加磁感应强度为 B 的磁场时，则在与电流 I 和磁 场强度 B 构成的平面相垂直的方向上会产生一个电动势，称其为霍尔电动势 UH，这种效应就是霍尔效应。其电动势 UH大小为： （1）IBKU HH 式中：KH为灵敏度系数；I 为控制电流（A）；B 为磁感应强度（T）； 图 7 霍尔效应原理 当磁场强度方向与半导体薄片不垂直，而是成 角时，霍尔电动势大小改为： （2）cosIBKU HH 所以，利用永磁转子的磁场，对霍尔半导体通入直流电，当转子磁场强度大 小和方向随着它的位置不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，霍 尔电动势的大小和相位随转子位置而发生变化，从而起到检测转子位置作用。 7 常用开关型霍尔集成电路作为传感元件，集成电路原理图如图 8(a)所示。其 开关特性如图 8(b)所示。 （a）霍尔集成电路原理图 （b）开关特性 图 8 霍尔集成电路 位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开 关电路提供正确的换相信息。由于电动自行车电机安装在轮毂内，对电机的尺寸 和位置传感器体积要求比较高，考虑传感器的体积和性能，通常采用的传感器是 霍尔式传感器。同时霍尔式传感器又具有结构简单，性能可靠，成本低的优点， 因此目前使用最广泛的是霍尔式位置传感器。 2.2 无刷直流无刷直流电动电动机的工作原理机的工作原理 普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场4。为了使直 流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个 磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体， 这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子 上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电 动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随 着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持 90 度左右的 空间角，产生转矩推动转子旋转。 以三相无刷直流电动机为例，来分析它的转动过程。 图 9 是三相无刷直流电机工作原理图。采用霍尔式位置传感器，电动机的定 子绕组分别为 A 相、B 相、C 相，3 个位置传感器在空间上间隔 120 度，分别控 制 3 个开关管 V1、V2、V3，这 3 个开关管则控制对应相绕组的通电与断电。 8 图 9 无刷直流电动机原理图 调整好位置传感器的三个信号元件与电机定子三相绕组(AA 、BB、CC) 之间的相对位置，使得转子磁场转到定子某相绕组下时，该相绕组才导通，以保 证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图中，当电动机转子 N 极位 于 A(a) 处，则传感器 a 元件感应出信号，使功率晶体管 V1 导通，A 相绕组中 便有电流通过，设其方向为 A(流入) 、X(流出) ，便产生水平向左的定子磁场， 与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转；当 N 极旋 转至 B(b) 处，b 元件输出信号使晶体管 V2 导通而其余关断，B 相绕组通过电 流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至 C(c)处，其动作过程与前两 处相同。如此反复循环，电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位置为空间 互差 120电角度，因此三相绕组轮流通电时间也为每相 120。其各相电压的导通 顺序如图 10 所示。因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来 控制的，所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应,在电机安装 时应加以注意。 9 图 10 各相绕组的导通示意图 2.3 无刷直流无刷直流电动电动机的分机的分类类5 无刷直流电动的本体特点是：与直流电动机相比较，电磁只包括定转子两部 分，而不存在换向器、电刷等机械换向装置；与一般永磁同步电动机相比较，电动 机转速范围宽，又无起动问题。因此电动机的结构设计灵活。 （1）按机械总体结构的不同，可以分为整体式和分装式的结构类型。整体式 电动机提供了包括轴承、转轴、壳体和固定装置等内在的全套电动机装置。而分 体式结构为无壳体的电动机，定子和转子可以分别固定于目标系统中，从而消除 联轴器和一些机械构件，使系统结构紧凑，并可以避免机械谐振。 （2）按工作主磁场方向的不同，可以有径向磁场式和轴向磁场式的结构类型。 径向磁场的电动机为常规结构。而轴向磁场的电动机中气隙是平面型的，气隙磁 场是轴向的。大多数盘式无刷直流电动机采用无槽结构，可以通过设计使反电动 势波形接近于梯形波，易于调节极弧系数来减小转矩脉动。 （3）按电枢绕组的位置不同，可以有内转子式和外转子式。内转子式的电动 机为常规结构，电枢直径小于定子外径。外转子式无刷直流电动机与之相比较， 在外形尺寸相同的情况下，可以获得更大的电枢直径。 （4）按电枢绕组相数的不同，可以分为单相、两相、三相以及多相的无刷直流 电动机。三相无刷直流电动机为常规结构。 2.4 无刷直流无刷直流电电机的基本公式机的基本公式 无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等。 这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布，绕组形式有十分密切的关系。 三1三电枢绕组的反电动势 （3）Blve 式中，B 为气隙磁感应强度；l 为导体的有效长度；v 为转子相对于定子导体的线 速度。 如果定子每相绕组串联的匝数是 N，则每相绕组的反电动势为 （4） 60 4 2 lBNnp NeEx 方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为 （5） lB 其中 是计算极弧系数。 （6） 15 npN Ex 10 考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电，所以线电动势 E 为两相电势之和 （7）nKeExE 2 （2）电磁转矩 在任何时刻，方波电动机电磁转矩 Te 是由两相绕组的合成磁场与转子的磁 场相互作用而产生的。可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩为 （8） EI Te 式中 为角速度，。 60 2 n 将 代入上式则转矩为nKeExE 2 （9）IK p INT Me 4 2.5 无刷直流无刷直流电电机数学模型机数学模型 下面以三相永磁方波电动机为例来分析无刷直流电动机的数学模型。 由于永磁无刷直流电动机气隙磁场、反电动势和电流都是非正弦的，因此采 用直交轴坐标变化已不是有效的分析方法。通常直接利用电动机本身的相变量 来建立数学模型。该方法既简单又具有较好的准确度。 假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，则三相绕组的 电压平衡方程为： （10） C B A C B A CCBCA BCBBA ACABA C B A n n n C B A e e e i i i p LLL LLL LLL i i i R R R u u u 00 00 00 式中 uA、uB、uC为定子相绕组电压；iA、iB、iC为定子相绕组电流；eA、eB、eC为定子 相绕组反电动势；L 为每相绕组自感；Rn为每相绕组内阻；LAB、LAC、LBA等为每 两相绕组的互感。 对于方波电动机由于转子磁阻不随转子的位置变化，因而定子绕组的自感和互 感为常数。当采用星形连接时，因而有0 CBA iii （11） C B A C B A C B A n n n C B A e e e i i i p ML ML ML i i i R R R u u u 00 00 00 00 00 00 电动机的电磁转矩为 （12） CCBBAAe ieieieT 1 11 2.6 无刷直流无刷直流电动电动机的机的驱动驱动控制控制 三相半控桥式驱动电路结构简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只 通电 1/3 周期，其绕组利用率很低；另外它的输出转矩波动较大。因此在要求较高 的场合，一般均采用的是三相全控电路。三相全控电路有两两导通和三三导通两 种方式。 2.6.1 星形星形联结联结方式方式 星形联结的两两导通方式是每次使两个开关管同时导通。如图 11 所示。开 关管的导通顺序为：V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1。可见共有六种导 通状态，因此每隔 60电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关 管，每个开关管导通 120电角度。当电流从开关管 V1 和 V2 导通时，电流从 V1 流入 A 相绕组，再从 C 相绕组经 V2 流回到电源。其中 A 相和 B 相相当于串联。 每相通电电流均为 I。其他以此类推。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为 正，那么从绕组所产生的转矩为负，他们合成的转矩大小为。但合成转矩 T a T3 的方向转过了 60电角度。而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着 转过 60电角度。 与三相半桥式驱动方式相比较，三相全桥星形联结两两导通方式的每个开 关管通电 120，每相绕组通电 240，其中正向通电和反向通电各 120。其输出转 矩波形如图 12 所示。从图中可以看出，三相全控室的转矩波动比三相半控时小， 从 0.87Tm 到 Tm。绕组的利用率增加了，同时输出的转矩也增加了。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:11-May-2009Sheet of File:E:三三三 三三三三三三.DD BDrawn By: V4V6V2 C A B + _ V1V3V5 图 11 三相星形联结全桥驱动电路 12 图 12 全控桥输出波形图 星形联结的三三导通方式是指每次使三个开关管同时导通。如图 11 所示。 开关管的导通顺序为： V1V2V3、V2V3V4、V3V4V5、V4V5V6、V5V6V1、V6V1V2、V1V2V3。当 V6V1V2 导通时，电流从 V1 管流入 A 相绕组，经 B 和 C 相绕组分别从 V6 和 V2 流出。经过 60电角度后，换相到 V1V2V3 通电，这时电流分别从 V1 和 V3 流入，经 A 和 B 相绕组再流入 C 相绕组，经 V2 流出。在这种通电方式里，每瞬 间均有三个功率管通电。每隔 60换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率 管通电 180。合成转矩为 1.5Ta 由于三相同时通电，产生的转矩分量互有抵消， 所以总的转矩并不比两两导通方式的大。 2.6.2 三相三相 联结联结方式方式 三相 联结电路也可以分为两两通电和三三通电两种控制方式。 如图 13 所示，三相 联结的两两导通方式的各个开关管的导通顺序为： V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1。当开关管 V1V2 导通时，电流从 V1 流入，分别通过 A 相绕组和 B、C 两相绕组，再从 V2 流出。这时绕组的联结是 B、C 两相绕组串联后再通 A 相绕组并联，如果假定流过 A 相绕组的电流为 I，则 流过 B、C 相绕组的电流分别为 I/2。这里的合成转矩为 A 相转矩的 1.5 倍。这种 方式与星形联结的三三导通方式相同。而三相 联结得三三导通方式与星形联 结的两两导通方式相同。 综合来看，三相星形联结的两两导通方式和三相 联结的三三导通方式所 产生的转矩比其他两种的要大。由于三三导通方式使开关管导通的时间长，增加 损耗，所以三相星形联结的两两导通方式是最佳的驱动方式。 13 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:11-May-2009Sheet of File:E:三三三 三三三三三三.DD BDrawn By: V4V6V2 C BA + _ V1V3V5 图 13 三相 联结全桥驱动电路 3 无刷直流无刷直流电动电动机的机的 PWM 调调速控制速控制 3.1 直流直流电动电动机机电电枢的枢的 PWM 调调速原理速原理7 众所周知，直流电动机转速 n 的表达式为： （13） K IRU n 式中：U 为电枢端电压；I 为电枢电流； R 为电枢电路总电阻； 为每极磁通量； K 电动机结构参数。 由上式可得，直流电动机的转速控制方法可以分为两类：对励磁磁通进行控 制的励磁控制法和对电枢电压进行控制电枢控制法。电枢控制法应用的较多。 绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器 件工作在开关状态，通过脉宽调制 PWM 来控制电机的电枢电压，实现调速。其 PWM 调制原理图和输入输出电压的波形如图 14 所示。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 US。 t1时间后栅极输入变 为低电平，开关管截止，电动机电枢绕组两端电压为 0。t2时间后栅极输入又变为 高电平，开关管重复前面的过程。电动机的电枢绕组两端电压平均值 UO为： （14） SS S O UU T t tt Ut U 1 21 1 0 式中 为占空比。 的变化范围为 01。当电源电压不变的情况下，电枢的端 电压的平均值 UO取决于占空比的大小。改变 值就可以改变端电压的平均值， 从而达到调速的目的，这就是 PWM 调速原理。 14 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:28-May-2009Sheet of File:E:三三三 三三protel三三三三三三三.DD BDrawn By: V D2 三三三三三D1 Ui Us （a）原理图 （b）输入输出电压波形 图 14 PWM 调速控制原理及电压波形图 3.2 PWM 波的波的转转速控制速控制 脉冲宽度调制器（PWM）的基本原理是将直流信号和一个调制信号比较。电 压波形如图 15 所示，将直流控制电压在比较器的输入端与三角波相加，同时进 行比较的还有负的偏移电压。 当直流电压为零时，得到正负半周脉冲宽度相等的调制输出电压。 当直流电压大于零时，使输入端合成电压为正的宽度增大，即锯齿波过零的 时间提前，在输出端得到高电平比低电平宽的调制输出电压。 当直流电压小于零时，输入端合成电压被降低，高电平宽度减小，低电平宽 度增加。 无刷直流电动机的转速进行准确的控制，首先要准确地测量出它的转速。可 以利用转子位置传感器的输出脉冲信号来反映电动机的转速。先将位置传感器 信号经过采样调理电路后送至单片机的外部中断源的输入口。随着电动机的转 动，中断输入口将不断接收到脉冲信号并进入中断服务程序，在中断服务程序中 启动一定时器以开始计时，直至下一次进入该中断程序时，停止计定时，此时， 定时器计时结果便是电动机转动一圈所需时间，即可计算出电动机转速。 t t t tt Ut+UctUt+UctUt+Uct UpwmUpwmUpwm 15 图 15 三角波脉宽调制器 4 回回馈馈制制动动 电动车的驱动电机运行在再生发电状态时,既可以提供制动力,又可以给电池 充电回收车体动能,从而延长电动车续驶里程。 4.1 回回馈馈制制动动的控制原理的控制原理 回馈制动的控制原理是升压斩波8，即在一个 PWM 周期内，如图 16 所示， 当 t0-t1 时绕组电感积蓄磁场能量，导致回路电流上升，此时的系统状态称为续 流状态；当 t1-t2时，定子绕组电感放电，向蓄电池充电，导致回路电流下降，称为 充电状态。 图 16 一个 PWM 周期内的电流波形 半桥调制控制系统主要由蓄电池、逆变电路、无刷直流电动机和系统控制单 元等几部分组成，图 17 所示为电路连接图。图中 T1T6为功率开关器件， D1D6 为续流二极管.。回馈制动期间，采取两两导通的方式，在三相桥式电路 中，每一瞬间将有 2 个功率管导通，每隔 60换相 1 次，具体换相时刻根据电动 机的位置传感器 HALL 信号进行判断，每次换相时一个导通的功率管被分断， 而另外一个桥臂上原先分断的功率管导通，即桥臂之间进行轮流换相，每个功率 管导通 120，且作 PWM 运行，如图 18 示。 16 图 17 半桥调制控制原理图 回馈制动只有处于相同半桥上的三个元件有 PWM 开关动作,而另半个桥上 的三个元件则总是截止的。现以对下半桥进行 PWM 控制为例,当某相反电动势 为正向最大的 120电角度的区间内,对该相的下桥臂开关元件进行 PWM 控制,则 可以产生可调的制动电磁转矩。 图 18 PWM 与 HALL 信号的对应关系 当电机转速低于额定转速，或电机电源切断后，由于惯性的作用，电动机仍 要继续旋转，这时的电动机就变成一台减速的发电机，电枢绕组中同样会产生电 动势。在发电状态下，利用控制器的控制信号将功率主电路中上半桥功率管 T1，T3，T5 全关闭，而下半桥功率管 T2，T4，T6 分别按一定规律进行 PWM 控制。 因上半桥续流二极管的存在，其等效电路如同一个半控整流电路。因电动车电源 是蓄电池，电机在进入发电状态时，其发电电压必须高于蓄电池电压才能输出电 功率，采取的控制方法是半控整流的 PWM 升压原理。电机低转速时，控制器控 制 T2，T4，T6，使其按规律作 PWM 工作，以产生泵升电压。当泵升电压高于蓄电 17 池端电压时，输出电能。这里，选择 T1 和 T6 导通区间进行分析，在发电运行时， T1 和 T6 并不导通，而是 T4 导通，且处于脉宽调制工作状态。 半控整流的 PWM 升压工作原理其实就是升压斩波13。在一个 PWM 周期内， 当 T4 打开时，绕组电感积蓄磁场能量，导致回路内电流上升；当 T4关断时，绕组 电感向蓄电池充电，导致回路电流下降。在这一过程中，通过选择合适的 PWM 占空比 ，可在蓄电池两端获得 UocUn （Uoc 为蓄电池内电压，Un 为充电回路 电压），从而实现能量回馈。等效原理图见图 19 示。回馈制动实质就是在 T4 导 通时，电机机械能转换为磁场能量储存在电机绕组中；在 T4 截止时，将电机的机 械能及储存在电机绕组中的磁场能量转换为电能，经电感升压斩波作用，将能量 回馈给蓄电池。由于电枢电流方向与反电势方向相反，故电机获得制动转矩 T。 图19 回馈制动等效电路 令 uba=0，i=-ia=ib，可得回路的电压方程为： （15）0)(2)(2 ba eeri dt di TL 回路电流为： (0tt1) （16） t TL r baba e r ee I r ee ti 2 )0( 2 )( 则从 t0 导通至 t1 截止时，存储于电机电感 2（L-T）的磁场能量为: （17） idtreeedtiuW t ba t 11 00 11 2 式中：W1为 t0-t1 期间内由动能转化的电磁能。 当电流 i0 增加到 i1 时，T4 关断；在t1，TPWM内，T4 截止，其工作流程为：A 相绕组VD1蓄电池VD6B 相绕组A 相绕组，通过续流作用向蓄电池充 电，电机电感释放磁场能量。当不考虑电流 i 和 Uab的脉动，且忽略电阻 r 时，由 上式可得： 18 （18） PWM ba ab d ee u 1 )( 式中：dPWM=t1/TPWM。控制 dPWM 的大小，即可使蓄电池两端的电压 UabUd。控制 器以闭环控制方式自动调整 dPWM，使 Uab 不超过蓄电池的上限电压，发电电流 不超过蓄电池允许的上限电流。基于上述原理，在不改变硬件电路的情况下，通 过改变 PWM 脉冲的控制方式可实现电动车的能量回馈制动。在电动车减速、下 坡限速时，采用对 T2，T4，T6 进行 PWM 调制，而使 T1，T3，T5 保持截止，以构 成 Boost 升压斩波电路，从而实现能量回馈。 4.2 回回馈馈制制动动的数学模型的数学模型13 4.2.1 续续流状流状态态 以 HALL 状态 001 为例，此时由图 18 可知: T2、T3 接受 PWM 信号。当 T2、T3 导通时，系统的状态如图 20 所示，状态方程如下: (19) O O O C B A C B A C B A n n n C D U U U e e e i i i p ML ML ML i i i R R R E U 00 00 00 00 00 000 式中：EC 为电动机 C 相端的端电压；UD 为电池端电压；UO 为电动机中点电压； iA、iB、iC 为相电流; R 为定子三相绕组电阻；p 为微分算子；eA、eB、eC 为三相反 电势；L 为绕组自感；M 为绕组互感。 由 BA ii 且 BA ee0 C i 可得，系统续流状态时的回路方程: AAAD RipiMLeU222 （20） 由于系统处于制动状态，故电动机的 A 相反电势 eA 0，B 相反电势 eB 0, 回路电流 iA 处于上升阶段，车辆的动能转化为磁场能储存在绕组电感中, 其中 有部分能量以热的形式消耗在电动机的绕组阻抗上。 19 图20 回馈制动时的续流状态 4.2.2 充充电电状状态态 以 HALL 状态 001 时为例, 此时 T2、T3接受 PWM 信号. 当 T2、T3分断时, 系统的状态如图 21 所示, 满足状态方程: (21) O O O C B A C B A C B A n n n C C U U U e e e i i i p ML ML ML i i i R R R E U 00 00 00 00 00 00 0 图21 回馈制动时的充电状态 20 5 系系统统硬件硬件电电路路设计设计 5.1 电动车总电动车总体体结结构框构框图图 电动自行车的电气部分由电源、轮毂、控制器、霍尔调速转把、刹车手把等 组成。总体结构框图见图 22 所示14。 电动自行车在骑行中, 控制器的功率驱动管处于开关状态。行驶速度与控制 器输出的电压成正比。电机电流控制采用脉宽调制(PWM) 方式, 不同的速度电 机电流也不同。因此，在不同的速度和负载下,功率管的功率损耗也不同。其速度 由霍尔调速手把送出信号，经 A/D 转换后送至单片机，再由单片机根据输入信号 的强弱，输出相对应的 PWM 脉冲信号送到功率驱动管。欠压保护和过流保护功 能，由运算放大器分别采样后送至单片机,再由单片机控制禁止输出。 AT89C2051 霍尔转把信号A/D 转换 欠压保护 电机过流保护 电机驱动电路 电机霍尔信号 直流无刷电动机 电源稳压系统 刹车断电信号 图22 光电电动车电气原理结构框图 5.2 AT89C2051 芯片介芯片介绍绍 5.2.1 概述概述 AT89C2051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS8 位单片机， 片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机 数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产， 兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功 能强大 AT89C2051 单片机可提供许多高性价比的应用场合。 5.2.2 性能介性能介绍绍 （1）主要功能特性： 兼容 MCS51 指令系统； 2KB 可重编程 FLASH 存储器（1000 次）； 21 2.76V 电压范围； 全静态工作：0Hz24KHz； 1288 位内部 RAM； 15 条可编程 I/O 线； 两个 16 位定时器/计数器； 6 个中断源，两个外部中断源； 可编程串行通道； 高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）； 直接驱动 LED 的输出端口； 低功耗空闲和掉电模式 （2）AT89C2051 引脚功能说明： VCC：电源电压 GND：地 P1 口：P1 口是一组 8 位双向 I/O 接口，P1.2P1.7 提供内部上拉电阻，P1.0 和 P1.1 内部无上拉电阻。P1 口输出缓冲器可吸收 20mA 的电流并可直接驱动 LED。 P3 口：P3 口的 P3.0P3.5、P3.7 是带有内部上拉电阻的 7 个双向 I/O 接口。 当 P3 口写入 1 时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。 (a) AT89C2051封装 (b) IR2103驱动芯片封装 图23 芯片管脚功能图 RST：复位输出。 XTAL1：振荡器的反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 P3 口的特殊功能如表 1 所示： 22 表1 P3口的特殊功能 5.3 控制器技控制器技术术参数参数 额定电压：DC 48V； 额定功率：150W180W； 欠压保护：DC 42V 0.5V； 限流值：200.5A； 静态电流：50mA； 静态功耗：3W； 转把电压：14.2V； 电压回程值：44 .5V 5.4 总总体体电电路路设计设计 控制器总电路以 AT89C2051 为核心的电动车控制器电路图，如图附录 1 所 示。由于 89C2051 内部没有 PWM 和 A/D 转换，因此它要借助了三个模拟比较器 完成相应工作。IC8B 作为电池欠压检测器，欠压时，给单片机(13)脚一个低电平； IC8D 做过流检测器，过流时，给单片机脚一个低电平；借助普通 I/O 口(11)脚 输出，通过积分电路和转把模拟速度信号在 IC8A 进行比较后.输入单片机(12)脚， 用软件完成 PWM 控制，然后分三相六路输出到三个专用驱动芯片 IR2103。由 IR2103 驱动每相的上、下桥的 VDMOS 管，从而使电动车运行。图中 CD4001 为 四 2 输入或非门。刹车把手有三态: 常态时车辆行驶；轻握把手时开关动作,驱动 电路断电,电制动电路接通；重握把手时,机、电制动并用。 5.4.1 驱动电驱动电路路 IR2103 是半桥式驱动芯片，可以快速可靠地驱动 MOSFET 管。其中 HO 接 上桥臂 NMOS 管的栅极；LO 接下桥臂的 NMOS 管的栅极，无刷电机就接在两桥 引脚功能特性 P3.0RXD （串行输入口) P3.1TXD （串行输出口） P3.2 (外中断0)0INT P3.3 (外中断1)1INT P3.4T0 (定时/计数器0外部输入) P3.5T1 （定时/计数器1外部输入） 23 臂的中间。从驱动芯片输出信号端到 MOSFET 的门极之间分别加了电阻 R2R7，它们的作用是限制电流，同时起阻尼作用。其封装如图 21（b）所示。 驱动电路中场效应管为 N 沟道增强型功率管 STP60NF06，它的最大漏源极 电压 VDSS=60V，饱和导通时的漏源极之间电阻 RDS0.016。最大漏极电流 ID=60A。 5.4.2 回回馈馈制制动电动电路路 图 24 为回馈制动电路。UC3843A 是高性能固定频率电流模式控制器转为直 流至直流变换器应用设计。它具有可微调的振荡器、能进行精确地占空比控制、 高增益误差放大器、电流取样比较器及温度补偿，是驱动功率 MOSFET 的理想 器件。具有管脚数量少、调试方便、性能优良等特点。 电动车下坡、停车或减速时，电动机再生制动发电，利用电感开关可将电机 端越来越小的电势提升起来并箝位，即产生一个泵升电压，且该电压必须大于蓄 电池的电压，才能给蓄电池充电。泵升电压的大小与电机功率和减速时间以及频 率变化率有关系，如泵升电压过高会损坏储能电容或整流桥以及电机无法快速 制动。利用大电容等大储能元件，可以更快速、高效地吸收电机回收能量。再生 制动除对能量进行回收外，另一重要优点是制动快而稳，大大减少机械制动磨损。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:26-Ma