（测试计量技术及仪器专业论文）基于psoc的电动自行车控制器.pdf

中文摘要 电动自行车因结构简单、轻便、易维护等突出优点而受到人们的普遍欢迎， 市场需求量越来越大。无刷直流电机的控制是电动自行车的关键技术，由于成本 的限制，目前市场上的多数无刷直流电机控制器存在诸多问题。本文的目的就是 解决其中的关键技术问题，设计一款适合市场需求的低成本、可靠性好、功能齐 全的电动自行车无刷直流电机控制器。 本文从无刷直流电机的结构和工作原理出发，详细阐述了无刷直流电机在导 通、续流和换相三种不同状态下的电压方程以及无刷直流电机的转矩特性与其动 态数学模型，进而对电动自行车的性能作了深刻地分析，论述了电动自行车的电 磁转矩的影响因素。 论文以可编程片上系统( p s o c ) c y 8 c 2 4 4 2 3 作为控制系统的主控芯片，采用 分立元件组成无刷电机的驱动电路，大大降低了产品的成本。文中详细阐述了功 率m o s f e t 的特性、热损耗的原因及其驱动电路，浮动驱动部分通过比较使用低 成本、易实现的自举法，论文还对电机位置信号、转把速度信号等各种信号检测 电路以及p s o c 的硬件电路配置方法作了描述。 在软件设计部分本文根据市场需求，提出了软件设计方案，利用p s o c 的特 点合理搭配了各功能模块，规划了无刷直流电机控制系统的程序结构、流程，介 绍了无刷直流电机的电子换相、电源电压监视等部分程序的设计流程以及编写 p s o c 程序时的注意事项。 最后，以额定电压3 6 v 、额定功率2 5 0 w 的电机为样机，对控制器的性能和 各项功能进行了严格的测试，给出了测试的图形、数据和结果，测试表明，该控 制器可靠性好，成本低，符合产品的开发要求。 关键词：无刷直流电机，可编程片上系统，浮动驱动，电子换相 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cb i c y c l e sa l ep o p u l a rm o r ea n dm o r ef o rt h e i rs i m p l e s t r u c t u r e ， p o r t a b l e ，e a s yt om a i n t a i na n do t h e ro u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s ，t h em a r k e td e m a n di s g r o w i n g t h ec o n t r o lo fb r u s h l e s si x 3m o t o r ( b l d c m ) i st h ek e yt e c h n o l o g yf o r e l e c t r i cb i c y c l e s d u et oc o s tc o n s t r a i n t s ，a tp r e s e n t , m a n yo fb l d c mc o n t r o l l e r sa r c p l a g u e dw i t hp r o b l e m s t h eo b j e c t i v e so ft h i ss t u d ya r et os e t t l et h ek e yt e c h n i c a l i s s u e s ，a n dd e s i g nab l d c mc o n t r o l l e rf o re l e c t r i cb i c y c l e st om e e tt h e n e e d so f l o w - c o s t , h i g hr e l i a b i l i t ya n dc o m p l e t ef u n c t i o n b a s e do nt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l eo fb l d c m ，t h ev o l t a g ee q u a t i o n s o fb l d c mi nc o n d u c t i o n ，f r e e w h e e l i n ga n dc o m m u t a t i o ns t a t ea r ep r e s e n t e d a t t e r m a t , t h et o r q u ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c ma lea l s o i n t r o d u c e d o nt h i sb a s i s ，t h et h e s i sh a sm a d ea p r o f o u n da n a l y s i so fe l e c t r i cb i c y c l e s p e r f o r m a n c e ，a n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro f t h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e p r o g r a m m a b l es y s t e mo nc h i p ( p s o c ) c y 8 c 2 4 4 2 3i su s e da st h em a i n c o n t r o l l i n gc h i po ft h es y s t e m ，a n dt h ed r i v ec i r c u i ti sc o m p o s e do fd i s c r e t e c o m p o n e n t s , t h ec o s to ft h ep r o d u c ti sg r e a t l yr e d u c e d t h i st h e s i sa l s od i s c u s s e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e rm o s f e ta n di t sd r i v ec i r c u i t am e t h o db a s e do n b o o t s t r a p p i n gi su s e di nt h ef l o a t i n gd r i v ec i r c u i tf o ri t sl o wc o s ta n de a s yt oa c h i e v e t h ed e t e c t i o nc i r c u i t so fb l d c m p o s i t i o ns i g n a la n ds p e e ds i g n a la r ed e s c r i b e dw i t h p s o ch a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nm e t h o d i ns o t t w a r ep a r t , a c c o r d i n gt ot h em a r k e td e m a n d , ap r o g r a mi sp r e s e n t e d b a s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp s o c ，t h ef u n c t i o n a lm o d u l e sa n dt h em a i np r o c e d u r e s t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ea r r a n g e d i nt h ed e t a i l s ，t h ee l e c t r o n i cc o m m u t a t i o n ， p o w e rm o n i t o r i n ga n ds o m eo t h e rp r o c e d u r e sa l ei n t r o d u c e d f i n a l l y , t h em o t o rw i t har a t e dv o l t a g eo f3 6 vr a t e dp o w e ro f2 5 0 wi ss e l e c t e d a sp r o t o t y p et ot e s tt h ep e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n so ft h ec o n t r o l l e r , t h eg r a p h i c sa n d d a t ao ft h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sc o n t r o l l e rc a ns a t i s f yt h en e e d so ft h em a r k e t w i t hl o wc o s ta n dg o o dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o lp r o g r a m m b l es y s t e mo nc h i p ，f l o a t i n g d r i v e ，e l e c t r o n i cc o m m u t a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：划诤签字f 了期： 2 , - 7 年 2 月岁同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕生盎堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：刘砰 导师签名： 签- 7 - h 期：) 内7 年月岁r 签字r 期：7 年2 月厂r 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 科学技术以前所未有的速度和规模迅猛发展，增强了人类改变自然的能力， 给人类社会带来空前的繁荣。然而，由于过度的开发自然资源，大量使用地球上 石油、煤等化石能源，使得空气中的碳氧化物、硫氧化物以及氮氧化物等急剧增 加，破坏了原有的平衡，造成了臭氧层的破坏，酸雨蔓延和温室效应等，特别是 二十世纪后期，酸雨大面积扩展，几乎蔓延至所有国家，造成农作物减产，大片 森林死亡，给人类带来巨大的损失。目前，发展中国家的大气还在进一步恶化， 我国是仅次于欧洲和北美的第三大酸雨区，我国的大气污染主要是酸雨和浮尘， 随着人们环保观念的加强，我国的环境问题已经引起党和国家以及广大人民群众 的重视。 研究表明，大气污染主要是由人类活动向大气输送的污染物造成的，这些污 染物主要有非甲烷有机物、氧化氮和一氧化碳等气体。据统计【l l ，在美国城区的 大气中，4 3 的非甲烷有机物、5 7 氧化氮和8 2 一氧化碳都是由燃油机动车废 气排放产生的，而全世界有2 0 的一氧化碳排放量来源于燃油机动车的废气。由 此可见，燃油机动车的废气已经成为城市大气污染的一个主要来源。 我国人口众多，人民的生活水平相对发达国家还很落后，广大人民尚无力购 买轿车，而且轿车的维护成本很高，因此，多数人选择摩托车和燃油助力车作为 代步工具，但是摩托车和燃油助力车排放的尾气和发出的噪音对我们的生存环境 造成很大污染，影响着人们的身体健康，而且使用者本身也会存在安全隐患。在 这种情况下，我国的一些城市如上海、广州、合肥、济南等，已相继出台政策法 规，停止或限量核发摩托车和燃油助力车的牌照。因此，如果能够研制生产一 种新的无污染、低噪音、骑行安全的交通工具以替代摩托车和燃油助力车，将会 大大改善人们的生存环境，并带给人们极大的便利。正是在这种客观背景下，经 过广大人员的共同努力，推出了新一代交通工具一电动自行车。 早在上个世纪6 0 年代，我国自行研制的第一代电动自行车样品就问世了，但 生不逢时。8 0 年代，我国的电动自行车在环保和节能的潮流带动下再度兴起，但 由于种种原因仍好景不长。9 0 年代中期，我国再度掀起开发电动自行车的热潮。 业内人士分析，我国电动自行车第三次升温主要有三大原因：首先得益于政府的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 支持，从1 9 9 7 年年底起，国内许多省市相继出台了一些限制摩托车、燃油助力车 上路行驶的规定，这在宏观上为电动自行车的发展创造了一个较好的环境和机 遇；二是市场的需求，近年来，城市范围不断扩大，人们的收入水平不断提高， 部分工薪族购买省力轻便的代步工具的需求越来越旺，私家汽车消费目前还不适 合上班族，所以电动自行车成为老百姓交通工具的首选；第三个原因就是电动自 行车技术的进步，关键技术如电机、电池及充电技术已日趋成熟，特别是核心技 术的规范化为电动自行车进入市场扫清了道路【2 】。 电动自行车与摩托车、燃油助力车性能对比情况如表1 1 所示，它具有无污 染、噪音小、行驶安全、效率高，结构简单、轻便，易维护等突出优点，从而逐 渐受到人们的欢迎。 表1 1 电动自行车与燃油车的性能对比f 2 】 类型 项目 电动自行车燃油助力车摩托车 牌照管理范围自行车机动车机动车 上牌费用 1 0 元左右 停止挂牌暂停挂牌 年度费用3 0 0 5 0 0 元1 0 0 0 元3 0 0 0 元 维修、维护费用 近于自行车5 0 0 元年8 0 0 冠年 百公里费用如5 元6 - 8 元l o 1 2 元 故障、无电、无油时骑行推行推行 电机与发电机免维护里程 3 0 0 0 0 k m 7 0 0 0 k m 7 0 0 0 k m 污染、噪音无有有 政府态度大力支持明令禁止限制及部分地区不上牌 1 2 电动自行车的发展现状 1 2 1 国外发展状况 国外的电动自行车主要作用是轻松代步及休闲健身工具，可在大型的停车 场、超市和旅游区里使用。日本发展电动自行车较早，其生产及技术都占世界领 先地位。商品化的电动自行车由日本雅马哈公司率先于1 9 9 4 年推出，并随着本 田、三洋、松下、普利斯通等知名公司的参与，生产规模日益庞大。据报道，日 本本土1 9 9 6 年电动自行车的销售量为2 0 万辆以上，并以每年5 - - - 1 0 的速度 递增【3 】。日本的电动自行车的驱动系统多为永磁无刷电机，工作电压为2 4 v 或 天津大学硕士学位论文第一章绪论 3 6 v ，功率在1 8 0 2 5 0 w 之间；蓄电池一般以镍铬或镍氢为主，容量在5 1 0 a h 之间，充电一次行驶里程约2 5 - - 4 0 k m ；车速低于2 4 r , m h 。安全、可靠、舒适、 简洁和轻量化始终是日本电动自行车追逐的目标。 受油价上涨和环保意识等因素的影响，欧盟执委会在欧洲1 0 国赞助一项 e t o u t 计划，推动电动车车辆的发展，此计划以电动自行车为主。电动自行车在 欧洲市场的年销量在3 0 0 万至4 0 0 万辆【4 l 。德国为目前欧洲电动自行车的主要市 场之一，目前每辆电动自行车价格平均在2 5 0 0 马克左右。电动自行车在进入德 国市场之初，曾有专家表示，多半德国人皆视自行车为运动工具，因此销量有限， 并无太大市场，孰料1 9 9 8 年该类产品销售竟直线上升。因此，目前加入生产的 国家和制造商越来越多，就连原以制造摩托车为主的意大利著名厂商p i a g g i o 以 及m a l a g u t i 也加入制造行列，足见其市场具有相当的潜力。 美国近几年来电动自行车发展很快，由于美国政府提倡节省费用，鼓励少用 汽车，已有不少人转而使用电动自行车。1 9 9 9 美国电动自行车市场仅有6 5 万辆， 2 0 0 0 年，超过1 2 万辆，增长幅度惊人，已经引起了美国各大公司的兴趣。如克 莱斯勒汽车公司、通用汽车公司、尤尼克公司均参与电动自行车市场的产品开发 及竞争。只要产品进一步改善，地方政府提供安全骑车道路及停车场，美国电动 自行车市场还将进一步扩大网。 由于电动自行车的市场潜力巨大，德国的“奔驰”、法国的“标致”等许多 大公司也加入到电动自行车的研制开发行列。但是由于国外很多电动自行车价格 偏高、售后服务跟不上，不但无力进入中国市场，相反他们还要大量进口。 1 2 2 国内发展状况 我国是一个自行车大国，据报道，全国自行车拥有量为4 5 亿。电动自行车 在7 0 8 0 年代经历了几次大起大落后，到了9 0 年代初顺应环保的潮流，再度形 成热点。从1 9 9 6 年的“上海国际自行车展览会”到1 9 9 7 年在浙江上虞召开的 “全国电动自行车信息交流会”的短短的一年里，国内生产厂家从2 0 多家一跃 发展到1 0 0 多家1 3 l 。其生产企业囊括了我国现有的各类所有制企业，包括最权威 学术机构在内的大专院校、研究所以及装备精良的军工企业等，尤以江苏、上海 和浙江等省市最为集中。据中国自行车协会统计资料表明，目前我国从事电动自 行车开发生产的企业有6 0 0 多家，且还有不断发展的趋势。据统计，1 9 9 8 年我 国电动自行车的产量为5 4 万台，1 9 9 9 年为1 4 8 万台，2 0 0 0 年为2 9 3 万台，2 0 0 1 年为5 8 万台，2 0 0 2 年为1 5 9 万台，2 0 0 3 年为4 0 0 万台，2 0 0 4 年为5 5 0 万台， 截止到2 0 0 5 年，已突破1 0 0 0 万台，我国电动自行车已从导入期进入成长期【5 】。 目前，我国市场卜国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的轮式直流电机，按车轮直径可分为四种：5 1 0 c m ( 2 0 英寸) 、5 5 0 c m ( 2 2 英寸) 、 6 1 0 c m ( 2 4 英寸) 和6 6 0 c m ( 2 6 英寸) ；按蓄电池标定电压可分为三种：2 4 v 、 3 6 v 和4 8 v ，大部分采用全封闭的免维修铅酸电池，也有极少部分采用镍氢电池， 充电一次行驶里程约5 0 k m 左右；车速低于2 0 k m h ，爬坡能力在4 。以上，百公 里耗电量l k w h 左右。 1 3 电动自行车的控制技术简介 从技术方面看，电动自行车主要包括三个方面的核心技术：电机、控制器和 电池。本文主要研究电动自行车的控制系统，即电动自行车的无刷电机控制器， 因此，在此简单介绍目前市场控制器的发展状况。 控制器是电动自行车的大脑，其主要作用是控制电机的转速、提高电机和蓄 电池的效率、节省能源、保护电机和蓄电池以及降低电动自行车在受到破坏时的 损伤程度。电动自行车的控制器是跟电机配套的，当前市场上的电动自行车所采 用的电机主要分有刷直流电机和无刷直流电机两种。有刷直流电机采用机械换 向，对控制系统的技术要求较低，相对成本低于无刷电机，但是其寿命短、噪声 大、效率低，较易损坏。而无刷电机由于采用电子换向，并且不需要齿轮减速， 从根本上消除了电刷磨损和齿轮磨损，不存在定期更换电刷，噪音小。因此，它 具有无干扰、寿命长、效率高、运行可靠、维护简单等优点，而且由于转速不受 机械换向的限制，可在宽广的范围内平滑地调速，与有刷直流电机相比，无刷直 流电机的控制系统复杂，成本要高。在电动自行车最初发展的几年里，有刷电机 占据着市场的主导地位，但是随着控制技术的改进以及新的芯片的出现，控制器 的总体成本开始下降，而无刷电机相对有刷电机的一系列优点，促使越来越多的 厂商采用无刷直流电机作为电动自行车的驱动。 电动自行车常用的无刷直流电机控制器目前主要有两种类型：一种是采用生 产厂商提供的已有的专用集成电路作为主控芯片的控制器；一种是采用需要设计 人员编程的单片机作为主控芯片的控制器。前者是厂商根据无刷直流电机的控制 要求，将控制逻辑电路和一些保护电路集成到一个芯片内，它提高了系统的抗干 扰性，使控制器更加可靠，同时也减轻了研发人员的负担，节省了开发时间，提 高了开发效率，一般这类控制器称为模拟式控制器；后者采用单片机，由设计人 员根据无刷电机的控制要求，编写相应的控制程序和保护程序，这类控制器的特 点是使用灵活，设计人员可以根据市场要求增加相应的功能，从而使不同结构电 机的控制得到优化，以实现控制器与电机良好达到最好的匹配，通常将此类控制 器称为数字式控制器。数字式无刷直流电机控制器是目前市场发展的主流，随着 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 电子元器件成本的不断下降和性能的不断提高，它将得到更广泛的应用。 1 4 本课题的任务 电动自行车所具有的诸多优点使其具有广阔的市场，但是由于其发展历史尚 短，国家尚无完善的法规管理，导致目前市场上的电动自行车品种多样，或多或 少的存在一些不完善的地方。使用有刷电机控制系统简单，成本低，但是噪音大， 效率低，并且需要定期更换碳刷，增加了维护成本。而从以上的分析可以预见， 使用无刷电机是市场发展的主流。本课题的任务是根据当前的市场需求，研制出 一款新的低成本的用于电动自行车的直流无刷电机控制器，从而解决电动自行车 控制、驱动中不完善的地方，以便更加贴近用户的要求，投入市场使用。 本论文的主要内容包括： 1 、根据直流无刷电机的原理，建立无刷电机的数学模型，按照电动自行车 的具体要求，制定电动自行车控制器的方案，完成系统主控芯片的选型 和驱动电路的实现方法选择。 2 、根据总体方案划分各个功能模块，确定了各个功能模块的实现方案，并 绘制出硬件线路板。 3 、根据无刷直流电机的控制规律及电动自行车的功能需求，完成了p s o c 的 程序开发，并在电路板上进行实验验证。 4 、结合电路板，对控制器的各种功能加以调试，最终完成系统的整体功能 及性能的测试，并对结果进行分析，得出结论。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题的研究背景，阐述了发展电动自行车的积极意义，接着 介绍了国内与国外电动自行车领域的最新发展动态，并对当前电动自行车控制器 技术的发展状况及方向进行了阐述，最后叙述了本文的意义以及本文的主要工 作。 天津大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的特性分析 第二章无刷直流电机的特性分析 本章主要介绍电动自行车所用的无刷直流电机的结构和工作原理以及无刷 直流电机在不同状态下的特性方程，列出了无刷直流电机的数学模型，在此基础 上分析了电动自行车的电磁转矩的特性及影响因素。 2 1 无刷直流电机的结构和原理 有刷直流电机具有旋转的电枢和固定的磁场。因此，有刷直流电机必须有一 个滑动的接触机构电刷和换向器，通过它们把电流馈给旋转着的电枢。无刷 直流电机，具有旋转的磁场和固定的电枢。它的最大特点是以半导体开关器件代 替了由换向器和电刷组成的机械式换向结构。由于没有了滑动电接触，也就没有 了换向器的机械磨损、换向火花和电磁干扰，同时，转子采用永磁体激磁，没有 激磁损耗，提高了电机的整体效率，加之，容易发热的电枢绕组又位于定子上， 因此，其热阻小，散热方便【6 】。 2 1 1 无刷直流电机的结构 图2 1 无刷直流电动机的结构原理图 动机 功率驱动 电路 本文采用的样机是有位置传感器的无刷直流电机，它的内部装有位置传感器 用来检测转子在运行过程中的位置，转子位置传感器与电子换向线路一起，替代 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电机的特性分析 有刷直流电动机的机械换向装置，这种有位置传感器的无刷直流电机的结构原理 如图2 1 所示1 7 l 。 当无刷直流电机的定子绕组的某一相通以电流时，该电流与转子永久磁钢所 产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位 置信息变换成电信号，去控制功率驱动电路，从而使各相定子绕组按照一定的次 序导通。驱动电路中的功率开关器件的导通次序是与转子转角同步的，从而起到 了机械换向器的换向作用。因此，无刷直流电机的基本结构在原理上可以认为是 一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及转子位置传感器三者组成的电动机 系统，其原理框图如图2 2 所示。 图2 2 无刷直流电动机的原理框图 电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似， 都是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于直流无刷电动机中永久 磁钢装在转子上，而有刷电动机的磁钢装在定子上。 直流无刷电动机的电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的 顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组 成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关 系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。 而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但位置传感器 所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑 处理后才能去控制逻辑开关单元。综上所述，组成直流无刷电动机的各主要部件 框图如图2 3 所示1 7 j 。 直 流 无 刷 电 动 机 电动机本体 电子开关线路 位置传感器 圭塞至i 珂 琢藏瓣 面酥瓢 传感器定子 传感器转子 图2 3 无刷直流电动机的组成框图 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电机的特性分析 2 1 2 无刷直流电机的基本工作原理 直流无刷电机为了实现无电刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组 放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统的直流永磁电动机的结构正好相 反。下面就其定子绕组、磁体以及运行方式详细介绍无刷直流电动机的工作原理。 三相无刷直流电机的定子一般是由3 个空间完全对称的单相集中绕组组成 的。三相绕组采用星形接法或三角形接法，实际应用中以星形居多。电动机的转 子上粘有已充磁的永磁体，有位置传感器的直流无刷电机为了检测电动机转子的 极性，在电动机内装有位置传感器。 无刷直流电动机的控制原理如图2 4 所示，通过电机内部的转子位置传感器 的反馈信号得到电机当前的位置信号，然后微处理器根据转子的位置反馈信号输 出驱动信号，通过换相驱动电路打开功率逆变桥的相应功率管，从而实现对电机 三相绕组的通电。三相星形结构的无刷电机采用两相导通六状态控制方式，在运 行时只有两相绕组导通，第三相绕组处于悬空状态。三相逆变电路高压侧与低压 侧都只有1 个功率开关器件导通，也就是其中一相的2 个功率开关器件始终处于 关断状态。 图2 - 4 无刷直流电机的工作原理图 下面根据图2 - 4 来叙述无刷直流电机的换相原理。如图2 4 所示，设无刷直流 电机的开始导通的是a 、b 两相绕阻，此时功率管t l 和t 6 导通，电流由a 相流入， 由b 相流出。这种状态维持6 0 。电角度后开始换相，t 6 关断，t 2 导通，此时导通 相为a 、c 相，电流由a 相流入，由c 相流出，这种状态维持6 0 。电角度后又开始换 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电机的特性分析 相，以此类推，整个过程形成了三相六拍状态，各功率管的导通顺序为： t i t 6 一t i t 2 - t 3 t 2 - t 3 t 4 一t 5 t 4 一t s t 6 一t i t 6 。电流状态由a b 、a c 、b c 、b a 、c a 、c b 形 成六个状态，每个状态维持6 0 。电角度，每相绕组导通1 2 0 。电角度，控制过程 逻辑状态如表2 1 所示，h l 、h 2 和h 3 是对应的霍尔位置传感器输出的逻辑电平。 表2 1 三相无刷直流电机顺时针导通顺序表 转子位置 绕组电 角仅 t l t 2 t 3 t 4t 5t 6h lh 2h 3 流流向 3 0 。- 9 0 0 导通导通 a - bloo 9 0 。1 5 0 。 导通导通a 一 c 1 1 o 1 5 0 。2 1 0 。导通导通b 一 c010 2 1 0 。2 7 0 。 导通导通 b - a01l 2 7 0 。一3 3 0 。导通导通c - a001 3 3 0 。3 9 0 。 导通导通 c - b101 2 2 无刷直流电机的数学模型 本文选取的三相无刷直流电机的绕组是星形接法，采用两相通电六状态控制 方式，为了更好的控制无刷直流电机，有必要了解无刷直流电机的特性方程及其 运行过程中的数学模型。为了便于分析，作出如下假设【8 l ： 定子三相绕组完全对称，空间互差1 2 0 。，参数相同； 转子永磁体产生的气隙磁场为梯形波，三相绕组反电势为梯形波，波顶宽 度1 2 0 。电角度； 忽略定子铁心齿槽效应的影响； 忽略功率器件导通和关断时间的影响，功率器件的导通压降恒定，关断后 等效电阻无穷大； 忽略定子绕组电枢反应的影响： 电机气隙磁导均匀，认为磁路不饱和，不计磁滞损耗与涡流损耗。 2 2 1 电压方程 无刷直流电机绕组等效电路如图2 5 所示，由于三相绕组采用星形接法，因 此三相绕组的电流之和等于0 ，即： i + i b + i c = 0 ( 2 - 1 ) 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电机的特性分析 可得三相绕组的电压方程为： 兰兰 ( 墨 + c 一m ，丢( 兰 + ( 圣 c 2 2 ， 其中： h a o 、材舯、z ，r n 一定子三相绕组相电压5、材肋、一疋亍二相玩组楣电虚； 卜定子每相绕组的内阻； 三、m 一定子每相绕组自感与两相绕组之间的互感。 、之一定子三相绕组相电流； 巳、龟一定子三相绕组每相反电势。 o ( a ) a 、b 两相导通等效电路 图2 5 三相直流无刷电机等效电路 1 两相导通状态 三相星形接法的无刷直流电机通常采用两相导通状态，如图2 5 ( b ) 所示。 假设a 、b 两相导通，c 相不导通，并且是高压侧斩波导通，低压侧全导通，这 时，导通的两相电流等于五，方向相反，反电势等于e ，方向相反，不导通相的 电流为0 ，可得： u a o - - i g 肋= 2 r l , + 2 ( 三一m ) d i ，+ 2 e , ( 2 - 3 ) 因为西= - 珐，p 彳= - - e b ，将式( 2 2 ) 中a 相与b 相的2 个相电压方程相加可得： 甜o + 甜县d = 0( 2 - 4 ) ，0 o ，。l = 、一、 d d 口缈缈彬，。 天津大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的特性分析 如果忽略功率开关器件的导通压降，那么电机定子绕组的中性点。的电压 为： ：丢( 。a 0 + b o ) ：昙 ( 2 - 5 ) 当a 相绕组高压侧功率开关器件关断，而b 相绕组低压侧功率开关器件仍 然导通时，电机a 相和b 相绕组进入续流状态，这时，直流母线上的电流等于 0 ，a 相绕组电流通过低压侧的续流二极管与b 相绕组低压侧的功率开关器件流 通。 2 两相续流状态 无刷直流电机在绕组导通过程中，为了限制电流过大，通常采用电流斩波控 制来关断功率开关器件。关断方式分为硬关断和软关断两种，硬关断方式就是把 导通的2 个功率开关器件都关断，绕组电流通过同相桥臂另一侧的续流二极管回 馈给电源；硬关断方式开关损耗比较大，在实际应用中多采用软关断方式，软关 断方式只关断一个功率开关器件，另一个继续导通。软关断方式又有两种情形： 高压侧斩波低压侧全导通，或者是低压侧斩波高压侧全导通。这两种情形下直流 母线电流都等于0 。以高压侧斩波控制为例，软关断控制续流方式等效电路如图 2 6 所示。 图2 - 6 软关断续流方式等效电路 可得续流状态下的电机的数学模型为： o = 2 以+ 2 ( 三一肘) 丢+ 2 巨+ + 其中： 场一续流二极管上的压降； 珞阿一功率管导通的压降。 绕组中性点o 的电压以及a 相、b 相的相电压分别为： ：+ 烈iv s , 一v o ) 0 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电机的特性分析 i i a o = 一去( k 彤+ v d ) ( 2 8 ) 2 一i l y 册+j 【z 。劲 二 1 z = 去( + ) ( 2 - 9 )z 2i i 跏+ y d jt) 二 由于功率管导通时的压降要小于续流时的功率二极管上的压降，所以续流过 程中绕组中性点电压低于直流母线电压的负极电压，a 相绕组的相电压小于0 但 接近于0 ，b 相绕组的相电压大于0 而接近于0 。 3 换相状态 当控制器接到位置传感器的换相信号时，输出相应的驱动逻辑，控制电机的 绕组进入换相状态，换相状态同时存在着续流和换流的过程。假设电机绕组由原 来的a 、b 两相导通转换为a 、c 两相导通，即b 相低压侧功率开关器件关断， 而c 相低压侧功率开关器件全导通，a 相高压侧斩波控制，如图2 7 所示。 图2 7 换流过程等效电路 o 这样在关断b 相导通c 相的换相过程中，b 相通过高压侧功率二极管处于 续流状态，b 相绕组反电势和电流都衰减。c 相绕组换流，电流逐步增加，c 相 绕组的反电势等于a 相绕组的反电势，但方向相反，a 相绕组电流会先下降再 上升，但是三相电流之和仍然等于0 ，即： 为： i a + i b + i c = 0 结合式( 2 1 0 ) 和图2 7 可以得出： i j a o + u b 0 + 材c 0 2 e b ( 2 - 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 根据换相等效电路可以得到三相绕组端点电压与电源端点电压之间的关系 、u a = u p 一 ( 2 一1 2 ) 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电机的特性分析 = + ( 2 一1 3 ) u c = + ( 2 一1 4 ) 将式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 代入到( 2 1 4 ) 中，可以得绕组的中性点 电压为： = 詈+ + 三( )( 2 - 1 5 ) 将式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 分别减去( 2 1 5 ) 中的中性点电压后，可 以得到三相绕组的电压表达式分别为： 。：昙( 一+ ) 一( 2 - 1 6 ) ：昙( + 2 v o + e b ) ( 2 - 1 7 ) = 号一三( 一) + ( 2 - 1 8 ) 刚换相的时候b 相绕组反电势e b 小于0 ，因此绕组中性点相对于电源负极 的电压超过电源电压的扔，比换流前的配以要大，b 相绕组的电流会随着自身 反电势的减小而快速衰减，特别是转速较高时b 相绕组电流的衰减将会非常迅 速。c 相绕组具有较大的反相电压，绕组电流会很快地增长，但是增长的速度会 越来越慢。a 相绕组相电压首先因中性点电压上升而减小，相电流也会减小。但 随着b 相绕组的反电势减小，a 相相电压开始回升，a 相绕组电流不再减小而开 始增大，等到b 相电流衰减到0 时，b 相绕组没有电流续流二极管关断，中性点 电压恢复到阮啦的水平，并且a 相和c 相绕组电流大小相等，方向相反，系统 又进入两相斩波导通状态。 通过以上的介绍，我们对三相无刷直流电机不同运行状态下的特性有了较好 的了解，详细推导过程及分析可参阅文献【8 】。 2 2 2 转矩方程 永磁无刷直流电动机的电磁转矩是由定子绕组中的磁钢与转子磁钢产生的 磁场相互作用而产生的。定子绕组产生的电磁转矩表达式为： 乃= l ( e a l + + 吃t ) ( 2 - 1 9 ) 天津大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的特性分析 式中： 乃一三相绕组产生的合成电磁转矩； q 一转子的机械角速度。 从式( 2 - 1 9 ) 中可知，无刷直流电机的电磁转矩的大小与电流成正比，所以 控制逆变器输出的方波电流的幅值就可以控制无刷直流电机的转矩。为了产生恒 定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电势为梯形波，且在每半个周期内，方 波电流的持续时间为1 2 0 。电角度，梯形波反电势的平顶部分也为1 2 0 。电角度， 两者应严格同步。由于无刷电机采用两相导通方式，任何时刻，只有两相绕组导 通，则电磁功率为： 只= + p 8 + 屯= 2 巨( 2 - 2 0 ) 因此，电磁转矩又可以表示为： 互= q = 2 巨q ( 2 - 2 1 ) 电机的运动方程为： 乃一互= - ，警瑚( 2 - 2 2 ) 其中： 死一负载转矩。 卢电机的转动惯量； 肛阻尼系数。 2 2 3 无刷直流电动机的传递函数 为了更好地分析无刷直流电机的特性，寻求一种有效的控制方法以得到良好 的动态性能，有必要推出无刷直流电机的传递函数，而无刷直流电机与普通直流 电机的差别仅在于它换相时不用电刷，因此，其动态特性分析与普通直流电机是 相同的。由于无刷直流电机采用两相绕组导通运行的方式，根据前面推导的电压 方程，可得两相绕组导通时的电压方程为： = 玑一2 ：2 以+ 2 ( l - m ) 丢+ 2 置( 2 - 2 3 ) 定义疋为反电势系数，则有： 巨= k q( 2 - 2 4 ) 天津大学硕士学位论文第二章无刷盲流电机的特性分析 定义k r 为电磁转矩系数，则： 互= k r l , ( 2 2 5 ) 对式( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 和( 2 2 5 ) 进行拉氏变换可得： r a s ) - r , ( s ) = d s q ( d + b q ( s ) ( s ) = 2 r ( s ) + 2 ( l m ) s t ( s ) + 2 巨o ) 巨( s ) = i c q o ) z ( s ) = 砗t ( s ) 根据上述状态画出无刷直流电机的动态模型如图2 8 所示。 ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 图2 8 无刷直流电机动态数学模型 在上述无刷直流电动机的动态模型中，将直流母线的电压例作为电动机 的输入量，输出量为电机的机械角速度q 例，负载转矩作为系统外部的扰动量。 2 3 电动自行车的电磁转矩 电动自行车的启动速度、过载能力和爬坡性能等指标是衡量电动自行车性能 好坏的重要参数，这些指标都直接跟电动自行车的驱动能力有关，而电动自行车 的驱动力来源于电机，无刷直流电动机提供电动自行车的电磁转矩。 电动自行车的加速性和过载能力完全取决于电机能够产生的最大电磁转矩。 电磁转矩大，则电动自行车加速快、过载能力强，爬坡性能好。由式( 2 2 5 ) 知， 电磁转矩瓦= k r ，。，其中转矩系数断对于电压、车速、轮胎直径相同的电动自 行车，相差不大，效率高的电机k r 稍大，所以电磁转矩疋的大小基本上取决于 电流厶的大小，厶值大，电磁转矩大，加速快、过载能力强，但是五的值不能太 大，否则将会对电机和控制器以及电源造成极大的损害，缩短其寿命。 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电机的特性分析 2 3 1 加速性能 电动自行车的加速快慢取决于电机输出的电磁转矩的大小，由式( 2 - 2 2 ) 知， 电动自行车的电磁转矩为： z ：五+ 施+ j 粤( 2 - 3 0 ) 由上面的分析知道，电动自行车的电磁转矩疋跟转矩系数和绕组电流有关， 转矩系数和绕组电流越大，电磁转矩瓦越大，速度变化越快。在电动自行车输 出电磁转矩瓦一定的情况下，电动自行车的加速性能取决于负载的大小，而负 载死与整车重量、负载重量、轮胎规格、道路状况、风力大小和方向有关。由 此可以看出，转矩系数大，绕组电流大而负载转矩小的电动自行车加速快。 2 3 2 爬坡能力 当电动自行车在上坡路( 设坡面角度为口) 行驶时，电动自行车的驱动力等 于水平路面上行驶的推动力与负载重量沿坡面的分量之和。因此，可得转矩平衡 方程式为： 乙= + 乏 ( 2 - 3 1 ) 其中，是电动自行车在坡面上行驶时电机连续输出的平均电磁转矩； 是电动自行车以爬坡相同车速行驶在水平路面上时的负载转矩；而死是负载 转矩沿坡面的分量： 乏= 乙s i n ) ( 2 3 2 ) 从式( 2 3 1 ) 和式( 2 3 2 ) 可知，当保持一定车速行驶时，电机所能提供的 电磁转矩越大，爬坡能力越强，而当整车重量和载重越小时，电动自行车的爬坡 能力越强，在同样的电机输出转矩下，所能爬坡的角度口越大。 2 3 3 过载能力 电动自行车的过载指的是转矩过载或功率过载，一般指转矩过载9 1 。电动自 行车的过载能力本质上跟爬坡能力是一样的，它跟电机的机械特性有关，电机的 特性硬，则过载能力强，负载性好。此外，对于相同的电机来说，控制器所允许 通过电机绕组电流的大小也影响着电动自行车的过载能力，电流越大，过载能力 越强，而电流的大小需要考虑控制器、电源和电机的寿命，必须限制在系统安全 工作电流范围内。 天津大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的特性分析 2 4 本章小结 本章首先介绍了电动自行车所用的无刷直流电机的结构和工作原理，为了使 读者能更好地理解论文的内容，参照有关书籍列出了无刷直流电机在不同状态下 的电压方程，无刷电机的转矩方程，以及无刷直流电机的动态数学模型，最后分 析了电动自行车的电磁驱动转矩的特性及其影响因素。有关无刷直流电机详细的 特性分析，请参考文献【7 】【8 】。 天津大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 本章将详细介绍电动自行车控制系统的硬件设计。 3 1 系统的总体设计 本系统的总体控制原理框图如图3 1 所示，无刷直流电机处于两相导通、三 相六状态工作方式。单片机接收电动自行车转把给定的速度信号，并根据电流 反馈调整输出的p w m 信号的占空比，控制着电机转子的转速。无刷电机内部的 霍尔元件的输出信号经过位置信号检测电路，将电机转子的当前位置反馈给单 片机，单片机根据此反馈信号计算出电机的转速同时输出对应的换相信号。驱 动