（电气工程专业论文）电动自行车无刷直流电机控制器的研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 电动自行车以其价格低廉、节能环保等一系列优点，近几年在我国得到飞速 发展，逐步成为城市居民的重要交通工具。电控系统是电动自行车的核心部件， 其控制器的性能是决定电动自行车稳定可靠运行的重要因素。因此研究一种价格 合理、性能优良的电动自行车控制器具有很高的应用价值和一定的社会意义。 本文以电动自行车控制器为研究目标，采用m i c r o c h i p 技术公司生产 p i c l 6 f 7 2 单片机为主控芯片，以额定电压为3 6 v 的永磁无位置传感器直流无刷 电机为控制对象，主要研究了无位置传感器直流无刷电机的电流换向、过流保护、 电动自行车的起动和调速等问题。 文章研究的主要方面：电源转换、m o s f e t 的保护、电流采样和输出驱动。 开关电源部分较详细地分析了电压模式、电流模式、电流连续模式、电流断续模 式，并以所推导结论为指导设计调试出实际开关电源电路。m o s f e t 保护部分分 析了m o s f e t 功耗来源及降低办法和过流保护与晶体管保护的配合。浮动驱动部 分提出了一种低压条件的浮动驱动方法。电流采样部分设计了采样保持转换电 路、介绍了数字滤波器基本概念和设计结果。 在系统软件设计部分作者针对p i c l 6 f 7 2 单片机应用，设计了直流无刷电机 控制器的程序结构和流程，介绍了部分程序段的编写技巧方法和应注意的事项。 在此部分中作者还对程序存储结构的特殊性、大表格的查表实现、 d 转换采样 特性等问题进行了分析。附录中给出了作者编写程序模块和部分程序以及可参考 的汇编宏定义段。 本课题经过理论分析、硬件设计、软件编写和系统调试，并在电动自行车上 进行了运行试验，控制系统运行稳定可靠，达到了设计指标的要求。 关键词：直流无刷电机控制器，电源转换，输出驱动，电流采样检测 电动自行车无刷直流电机控制器的研究 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cb y c i c l ei sv e r yc h e a pa n di tc a l lr e l i e v et h ea t m o s p h e r i cp o l l u t i o ni nc i t i e s ； m o r e o v e r , i tc a na c c e l e r a t et h et e m p oo fl i f e t h e r e f o r e ，t h es o c i e t yd e m a n do fe l e c t r i cb y c i c l e si s h u g e a st h ek e yp a r to ft h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo nt h i sb i k e ，t h ed cb r u s h l e s sm a c h i n e c o n 仃o l l e rb e c o m e sac o n c e r n e dh o t s p o tr e c e n t l y s ot h er e s e a r c ho ft h i st a s kh a ss o m es o c i a l m e a n i n g t h eo b j e c to ft h i sp a p e ri st h ec o n t r o l l e ro fe l e c t r i cb i c y c l e t h ec o r ec h i po ft h e c o n t r o l l e ri ss c mp i c16 f 2 7 ，w h i c hi sm a n u f a c t u r e db ym i e r o c h i pc o m p a n y t h e d i v e ro ft h i sb i c y c l ei sad cb r u s h l e s sm a c h i n ew i t h o u tp o s i t i o ns e n s o r , w h i c h n o m i n a lv o l t a g ei s3 6 v s o m ep r o b l e m so ft h i sb r u s h l e s sm a c h i n e ，s u c ha sc u r r e n t r e v e r s a l ，o v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n , s t a r t u pa n ds p e e dr e g u l a t i o no ft h i sm o d e lb i c y c l e a r es o l v e dv i ae x p e r i m e n t s i nh a r d w a r ep a r t ，b e l o wa r ed i s c u s s e d ：l o wc o s tm u l t i g r o u pd cs w i t c hp o w e r s u p p l y , m o s f f e tp r o t e c t i o n ，c u r r e n ts a m p l i n ga n df l o a t i n gd r i v e a n di nt h es w i t c h p o w e rs u p p ys e c t i o n ，f o u rm o d e sa lea n a l y z e d ；v o l t a g em o d e , c u r r e n tm o d e ， c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d ea n di n t e r m i t t e n tc u r r e n tm o d e 。w i t ht h ec o n c l u s i o no f t h e s ea n a l y s e s ，ap r a c t i c a lp o w e rs u p p l yc i r c u i ta r ef i n a l l yd e s i g n e da n dd e b u g g e d 。 i nc o n n e c t i o nw i t ht h ea p p l i c a t i o no fs c mp i c16 f 2 7 ，t h ep r o g r a ms t r u c t u r ea n d f l o wo fd i r e c tc u r r e n tb r u s h l e s sm a c h i n ec o n t r o l l e ra r es h o w n , a n ds k i l l so f8 0 m e p r o g r a ma n dn o t i c ea lei n t r o d u c e di nt h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g n t h ep a r t i c u l a r i t yo f p r o g r a ms t o r a g es t r u c t u r e , r e a l i z a t i o no fl o o k u pw i t hb i gt a b l ea n dt h ec o m p a t i b i l i t y o fa ds a m p l ea r ea n a l y z e d t h ep r o g r a mm o d u l e ，s o m eo fp r o g r a ma n dm a c o r a s s e m b l e rd e f i n i t i o ns e g m e n ta r es h o w ni nt h ea p p e n d i x b yp r i n c i p l ed e s i g n , h a r d w a r em a n u f a c t u r e , s o f t w a r ec o m p i l i n ga n ds y s t e m d e b u g , t h ee x p e r i m e n t a lm o d e lm a c h i n ei sg o t t e n i t sn o m i n a lp o w e r , n o m i n a lv o l t a g e , n o m i n a lc u r r e n t , c u r r e n tl i m i t m i o n , a n du n d e rv o l t a g ea r et8 0 w , 3 6 v8 a , io a ，a n d 3 0 v r e s p e c t i v e l y t h em o d e lm a c h i n ew o r k s w e l l k e y w o r d s ：d cs e n s o r - l e s sb r u s h l e s sc o n t r o l l e r s ，t h e p o w e ro fc o n v e r s i o n ， t h ed r i v eo f o u t p u t ，c u r r e n ts a m p l ed e t e c t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囹。 学位论文作者签名： 绎亟眷 导：毒必p 2 签字吼。f 川7 日 签字魄m 产朋d 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： e l 期：州年j1 月 i 盈有 江苏大学工程硕士学位论文 第一章概述 1 1电动自行车的意义及发展状况 1 1 1 电动自行车的意义 人类在进入工业化社会之后，大量使用地球上石油、煤等化石能源，使得空 气中的二氧化碳和二氧化硫急剧增加，造成了酸雨蔓延和温室效应，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，“厄尔尼诺现象”、“拉尼拉 现象”频繁出现。酸雨造成农作物减产，大片森林死亡：温室效应给工农业生产 和人民生活造成的损失，无法估量。目前，发展中国家的空气还在进一步恶化， 我国作为世界上最大的发展中国家，环境问题己经引起党和国家以及人民群众重 视。 研究表明，造成大气污染的主要气体有非甲烷有机物、氧化氮和一氧化碳等。 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，燃油机动车的废气己成为城市大气污染的一个主要来源。 燃油机动车废气中的氮氧化物在太阳紫外线的照射下，容易形成高毒性的光 化学烟雾，再加上机动车的噪音，严重污染着我们赖以生存的自然环境，直接危 害着我们的身体健康。因此，在大城市，燃油机动车的废气和噪音己成为倍受关 注的公害之一。 随着我国改革开放的深入，人民的生活水平日益提高，在家用轿车还没有普 及的情况下，摩托车和燃油助动车得以广泛使用，这给我国城市的环境问题带来 很大压力，例如在上海市，1 9 9 5 年中心城区内机动车的一氧化碳、非甲烷有机 物和氧化氮排污负荷分别占该区域内相应的排放总量的7 6 ，9 3 和4 4 ；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 和燃油助动车的牌照。因此，研制生产出一种无污染、低噪音的交通工具来替代 摩托车和燃油助动车，己是时代的需要。电动自行车正是在这样的呼唤下，逐步 走进人们的生活中。 电动自行车与摩托车、燃油助动车相比较，它具有突出的优点： 电动自行车无刷直流电机控制器的研究 1 、无污染：电动自行车是以蓄电池发出的电能作为驱动能源，以电动机作 为动力，运行过程中没有废气排放：因此和摩托车、燃油助动车相比，没有污染。 2 、低噪音、振动小：电动自行车是由电动机驱动的，电动机在运行中产生 的噪音比较小，运行比较平稳。而摩托车、燃油助动车是由燃油发动机驱动，其 汽缸产生的噪音比较大，由于受到体积限制，其发电机的缸数较少，运行时不够 平稳，振动较大。 3 、最高时速2 0 公里，行驶安全摩托车、燃油助动车的速度快，在机动车道 上行驶，事故率较高：而电动自行车，国家强制性规定( 国标g b1 7 7 6 1 1 9 9 9 ) 其 速度不能超过2 0 k m h ，并且电动自行车一般不能在机动车道上行驶，因此相比 之下安全很多。 4 、效率高摩托车、燃油助动车的效率一般只有3 0 左右，而电动自行车的 效率可以达到7 0 以上。 5 、结构简单、轻便，易维护、维修：电动自行车一般是有蓄电池、控制板、 电机和车身组成：蓄电池用的是免维护的，电机的故障率较低，基本上不要维护， 控制板由于现代的电力电子技术比较成熟，损坏率也比较低，另外电动自行车没 有机械传动结构，体积小、重量轻，因此相比摩托车、燃油助动车来说，其日常 的维护、维修量少得多。 1 1 2 电动自行车的发展状况 为了解决燃油车对环境造成的严重污染和缓解日益突出的能源危机，许多国 家都在寻找替代燃油机车的交通工具。相继开发了以天然气、甲醇为燃料的交通 工具，相比之下，电动车以零污染、高效率、低噪音的特点被认为是真正的“绿 色 交通工具，而电动汽车受到机电、电池的限制，批量进入市场还有一定的难 度，电动自行车却得到迅速的发展。 1 、自从1 9 9 3 年雅马哈公司的p a s ( 能量辅助系统) 进入市场以来，电动自行 车在日本己经成为短距离用交通工具的主流。日本本土1 9 年电动白行车的销售 量在2 0 万辆以上，1 9 9 8 年6 、7 两个月日本共生产电动自行车2 9 4 3 2 辆，据报 道日本电动自行车的需求量在7 5 0 万辆，而且每年以5 - - - 1 0 速度递增，其中 还有一半需进口。相继之下，不少公司如本田、三菱、五十铃等5 0 多家公司参 江苏大学工程硕士学位论文 与电动自行车、电动助力车的研究开发，共生产出4 8 个品种规格。 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3 6 v ， 功率在1 8 0 w - 2 5 0 w 之间；蓄电池一般以镍铬或镍氢为主，容量在8 - 1 2a h 之间， 充电一次行驶里程约2 5 - - 4 0 k m ；车速低于2 4 k m h 。 美国的电动自行车年需求量在1 5 0 0 万辆左右，每年以5 - - 1 0 速度递增，大 部分靠进口：美国克莱斯勒汽车公司的一款电动自行车年销售量在5 万量以上， 而尤尼克公司于1 9 9 8 年6 月推出的一款电动自行车，年销售目标在1 0 0 0 万辆。 美国z a p ( z e r oa i rp o l l u t i o n ) 公司生产的电动自行车是采用摩擦轮驱动方式， 其主要特点是安装方便，可以直接改装普通自行车，下坡或进行锻炼时，驱动电 机可作为发电机向蓄电池充电，从而延长行驶里程和蓄电池的使用寿命，节约能 源。欧盟许多国家对电动自行车的年需求在量1 0 0 0 万辆左右，德国的m s g 公司、 d i a m a n t 公司、s a g h s 公司、英国的a s g h b a g h 公司、奥地利的v e i e c k r o 公司生 产的电动自行车己投入市场，销路很好，致使德国奔驰、法国标致等大公司也把 目标投入到电动自行车这一产品上来。 2 、我国电动自行车在7 0 - 8 0 年代经历了几次大起大落之后，到9 0 年代初又 再度形成热点，顺应了2 0 世纪世界环保的潮流。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，国内开发厂家从2 0 多家一跃发展到1 0 0 多家。许多地方如上海、天津、 江苏、四川等省市都将电动自行车产业列入“九五 重点发展品种。电动自行车 充分运用当今新技术、新材料，尤其采用集成电路、电子元器件，提高了电动自 行车控制器的质量，使其可靠性、安全性、灵活性得到了提高。毋庸至疑，电动 自行车将成为2 1 世纪的交通工具。 中国是一个自行车王国，据报道全国自行车拥有量为4 5 亿。随着我国城市 化进程加快，用电动自行车替代摩托车、燃油助动车和自行车，一方面可以缓解 城市中大气污染问题，另一方面也可以提高人们的生活节奏，因此电动自行车的 社会需求市场巨大，据专家预测，本世纪初，我国电动自行车年需求量将达到 1 0 0 万辆以上。 目前，我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷 的轮式直流电机，工作电压为2 4 v 、3 6 v 或4 8 v ，功率在1 5 0 w - - - 4 5 0 w 之间；蓄电 3 电动自行车无刷直流电机控制器的研究 池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为1 2 a h 充电时间在3 8 小时左右，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1 2 度上下；车型有 普通型和豪华型，车重约3 5 k g ，载重量约7 5 k g 。 由于电动自行车的诸多优点，市场需求量大，因此电动自行车在未来的发展 潜力比较大；但是目前市场上的电动自行车还或多或少存在一些不够完善的地 方。使用有刷直流电动机容易解决电压的换向问题，但是噪音大，而且碳刷容易 磨损、损坏，增大维护、维修难度、增加使用成本：使用位置传感器，容易解决 直流无刷电机换向时，转子的位置检测，但是增大了电机的设计、制造、安装的 难度和电机的体积，也增加成本。 1 1 3 电动自行车的组成 电动自行车一般由以下几部分组成：车架、电源( 蓄电池) 、电动机和控制器。 本文主要介绍的是控制器，其他部分介绍如下： 1 、电源( 蓄电池) 为电动自行车动力系统提供能源。蓄电池的电能容量、伏安特性、寿命等质 量因素对整个动力系统有非常大的影响，目前电动自行车用基本是经济实惠的铅 酸电池。大多数电动自行车采用3 6 v1 2 a h 铅酸电池；2 4 vlz a h 的电池由于续 行里程较短，选择得比较少。环保效能更好的镍氢电池和铿电池则因为成本较高， 导致配载这两种电池的电动自行车售价偏高。如果其成本有所下降，进而降低车 的售价，那么以配载铿电池与镍氢电池为主的自行车将会大面积普及。燃氢电池、 纳米碳管蓄能高、寿命长、性能优良但成本高昂，随着科技的发展，它们将是未 来电动自行车动力源的发展方向。 2 、电机 电气技术发展到今天，各种电机的生产控制技术已经相当成熟，电动自行车 电机有多种可以选择，但普遍选择的还是直流电机和直流无刷电机。采用这两种 电机的原因在于他们的控制方法简单，整车成本相对低廉，控制性能较好地满足 自行车要求。直流无刷电机控制稍复杂，却因没有电刷而在寿命、安全方面优于 直流电机。电动自行车电机的驱动方式有：轮彀式驱动，中置式驱动和悬挂式驱 动。市场上电动自行车以轮彀驱动为主，而轮彀驱动又以后轮驱动为好，前轮驱 江苏大学工程硕士学位论文 动性能相对较差。 绝大多数电动自行车采用的是直流轮彀电机，它们为外转子式，这样定子可 以固定在轴承上，非常适用于电动车的驱动。 直流轮彀电流可分两种：带齿轮减速器构成的直流轮彀电机，称之为高速轮 彀电机和低速轮彀电机，即没有齿轮减速的通轴结构轮彀电机。前者重量轻，通 过齿轮减速增力，扭矩大，爬坡性能好，这些优点目前别的轮彀电机无法比拟： 它的缺点是难于实现液态油润滑，齿轮磨损较快，寿命受到影响，噪音偏大，比 较适合于功率不大、要求减小体积的场合。其市场份额j 下在萎缩。而后者由于没 有齿轮减速，为了保证达到骑行所需的功率，效率，扭矩和转速，低速轮彀电机 必须要有高性能磁性材料和合理的尺寸、足够的矽钢片叠数、厚度及相应的尺寸、 满足要求的漆包线线径、圈数、匝数，因此低速轮彀电机重量普遍较大。低速轮 彀电机生产设备无特殊要求，制作工艺简单，便于大批量生产，因而造价低廉，i 无齿轮减速，噪音很小，寿命、可靠性都很好。因此它是电动车用轮彀电机中又 一个比较理想的驱动部件。 低速轮彀电机又分为“低速无刷轮彀电机”和“低速有刷轮彀电机”两种。 低速有刷轮彀电机从性能角度看不如高速有刷、低速无刷轮彀电机，尤其在大扭 矩情况下使用时效率和高速、无刷轮载电机相比较低，因此在同等容量电池条件 下，行驶距离略少。但是，当其电刷处理得当时具有一定的可行性，再加上有刷 控制器相对简单，己是成熟产品，其总体价格相对便宜。所以，它仍有一定市场， 适应于平坦路面上负载不大的情况下使用场合。 低速无刷电机轮彀从技术性能指标看，要优于低速有刷电机轮彀。它缺点是 轮彀无刷电机轮彀内部有三个霍尔转子位置传感器，其安装位置的精确性、性能 参数的一致性经过一段时间使用后会受到影响，甚至会产生缺相而无法正常使 用。其次，控制系统比较复杂，控制器包含“转子位置译码电路 、“换向信号转 换电路”、。功率开关电路一、“控制功能电路”和“保护电路一等各个部分，因此 一个设计完善的低速无刷电机轮彀控制器相对比较复杂，价格较高。 不过，随着制造工艺技术控制器生产厂家技术的提升，低速无刷轮彀电机是 电动自行车电机的趋势。本研究课题中的控制器就以这种电机为控制对象。 3 、电机控制器 5 电动自行车无刷直流电机控制器的研究 电机控制器是电动自行车运行质量的关键。电机控制器搜集执行用户指令、 检测电机运行状况、控制电机动作，是电动自行车的大脑和神经中枢。直流无刷 电机控制器在电动自行车系统中的作用如图卜1 所示。 图1 - 1 电动自行车系统图 在无刷电机控制器内部又包含有开关电源、控制电路、功率驱动和检测反馈 电路。图1 2 显示出无刷电机控制器内部结构。虚线框内是无刷电机控制器。 图1 - 2 无刷电机控制器内部结构图 检测反馈电路：将电机的运行参数反馈到控制电路。 功率驱动：驱动无刷电机，普遍采用桥式电路。 开关电源：为其他电路部分提供多路独立直流电源。 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 本课题的主要研究工作 本课题主要任务是利用现代电力电子技术来解决无位置传感器无刷直流电 机换向问题，从而解决电动自行车控制、驱动中不完善的地方。 本论文主要研究工作包括： 1 、根据直流无刷电机的原理，解决了影响电动自行车直流无刷电机控制器 性能的技术问题。 2 、采用美国m i c r o c h i p 公司生产的芯片p i c l 6 f 7 2 为主控芯片，检测直流 无刷电机运转时霍尔信号的序列与电机在运转时的固定序列进行比较，从而确 定换向点和换向时刻。 3 、研究直流无刷电机的驱动原理，分析电机的工作特性和性能，设计一款 直流无刷电动自行车控制器，并在电动自行车上调试得到相关参数数据，通过分 析该参数得出结论。 7 电动自行车无刷直流电机控制器的研究 第二章电动自行车的电控系统 2 1 直流无刷电机原理简介 2 1 1 直流无刷电机的发展 直流无刷电机是在直流有刷电机的基础上发展起来的。由于直流有刷电机的 换向器和电刷在电机高速运行时容易产生火花，引起火灾、爆炸等事故，因此许 多环境限制了直流有刷电机的应用。随着科学技术的发展，开关型晶体管的研制 成功，为直流电机的发展带来生机。经过不断的研究和实践，人们终于找到了用 位置传感器和电子换向线路来替代直流有刷电机的机械换向装置。六十年代初出 现了用霍尔元件传感器的直流无刷电机，七十年代初出现了比霍尔元件传感器灵 敏度高许多倍的磁敏二极管换流的直流无刷电机。随着人们的不断努力，又发现 了不用位置传感器，而依靠电机绕组在运转时产生的反电势来获得位置信号实现 换向的直流无刷电机。通常把这种利用检测绕组反电势获得位置信号的直流无刷 电机称为反电势法无刷直流电机或直流无刷无位置传感器电机。 由于直流无刷电机具有没有换向火花，抗干扰性强，运行可靠，维护简便， 使用寿命长等优点，使其得以广泛应用于家庭、办公、工业、军事、航空航天等 领域。 2 1 2 直流无刷电机的运行原理 图2 - 1 逆变器主电路 江苏大学工程硕士学位论文 一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气 隙中建立磁场，其电枢绕组通电后产生电枢反应磁场，由电力电子逆变器供给电 枢绕组的电流并不是正弦波，而是1 2 0 0 的方波，因而三相合成磁动势不是恒速 旋转的，而是跳跃式的步进磁动势，它和恒速旋转的转子磁动势产生的转矩除了 平均转矩之外，还有脉动分量。山于电力电子逆变器的换向作用，使得这两个磁 场的方向在电动机运动的过程中始终保持一定的角度，从而产生最大平均转矩而 驱动电动机不停地运转，与直流有刷电动机不同，直流无刷电动机的电枢转一圈， 定子绕组只换相6 次，每个极下换相三次，相当于只有三个换向片的直流电动机。 电子换向逆变器主电路如图2 2 示，a a ，b b ，c c 代表直流无刷电动机 图2 - 2 无刷直流电动机的运行原理图 的三相定子绕组，采用y 型连结，逆变器为两两通电方式，1 2 0 0 导电型。首先 假设转子处于图2 - 2 ( a ) 的位置，若此时使v 3 ，v 4 导通，则电流从b 端流入，a 端流出，定子磁动势为f e ，如图2 - 2 ( a ) 示，在f a 的作用下，转子将顺时针旋 转，转到图2 2 ( b ) 的位置时，如果使v 4 ，v s 导通，则电流由c 端流入，a 端流 出，定子磁动势为f b ，在f b 的作用下，转子将继续顺时针旋转，依次类推，如 果每隔3 6 0 电角度顺序使v 3 和v 6 ，v 1 和v 6 ，v 1 和v 2 ，v 3 和v 2 两两导通，即 9 电动自行车无刷直流电机控制器的研究 可使定子磁动势分别如图2 - 2 ( c ) 、图2 2 ( d ) ，图2 2 ( e ) ，图2 - 2 ( f ) 所示， 从而形成旋转磁动势，在这个磁动势的作用下，转子也会随之旋转，如果使开关 管反复按上述规律导通，即可使转子持续旋转下去，且定子磁动势总是超前于转 子磁极轴线角度6 0 0 - 1 2 0 0 之间。其各相绕组导通示意图如图2 - 3 所示。 b 宣 i1 +il 讯一 l1 一 矗9- 晶。- 晶。 2 午。 3 。 s 十。 蝴一 图2 3 各相绕组导通不意图 由上述的分析可见，要使直流无刷电动机j 下确的换相运行，必须知道图2 2 所示的六个转子关键位置，六个转子关键位置即对应着直流无刷电动机的反电动 势的过零点后的3 6 0 ( 电角度) 处。如果是有位置传感器直流无刷电动机，则可以 通过传感器来直接获得转子的六个转子关键位置的信息，如果是无位置传感器无 刷直流电动机，则需要通过直流无刷电动机的三相定子绕组的反电势直接或间接 获得转子的位置信息。 2 1 3 直流无刷电机的结构 图2 - 4 是直流无刷电机内部结构的简化示意图。我们以此来介绍无刷电机内 部的结构。一台直流无刷电机由一个永磁转子与多极定子绕组组成。在永磁转子 与定子绕组间存在由定子绕组所激发的磁场，它对永磁转子产生磁力矩。电能就 是由于这个力矩的推动转子运动而转化为机械能的。 为实现顺时针的转子运动，应该在图2 - 4 中电流过程2 结束时进行电流的交 换，启动电流过程3 。对标号为1 到6 的6 个可能的电流过程顺序交换，每次交 江苏大学工程硕士学位论文 换都精确地在正确的时刻进行，一周下来可以驱动转子转动3 6 0 度电气角度。在 图2 4 直流无刷电机内部结构简化示意图1 2 7 j 简化的电机结构图2 - 6 中，电气角一周就是机械角度一周。在实际的应用中，直 流无刷电机有多组定子绕组，相互并行，转子也是多极的。如果有两组这样电路， 机械转动一周电角度转动2 周，所以双绕组电机中，每次电流交换经历的机械转 动角度是3 0 度。下面讨论均用电角度，应注意与机械角度区别。 直流电机具有良好线性机械特性，控制相对简单。直流无刷电机调速和启动 特性好，堵转转矩大，同时它也具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便 等特点；由于解决了换向问题，它的转矩不再受机械换向的限制。完整的无刷电 机系统有电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。转子位置传感器 可分为电磁式( 电磁位置变压器) 、光电式和磁敏式，电磁式体积较大，得到的是 交流高频信号；光电式得到的是直流信号，稳定可靠，信号较弱；磁敏式元件体 积小重量轻。磁敏式元件有霍尔元件、磁敏二极管和磁敏电阻等。其中，霍尔元 件体积小重量轻，结构原理简单。由于电动自行车体积小，且转子采用稀土永磁 钢，故电动自行车电机内一般采用霍尔元件作为位置传感器。 2 2 电动自行车的驱动电机原理 电动自行车的发展离不开其所采用的核心驱动元件一电机的发展，电机是 电动自行车发展的主要标志。第一代电动自行车使用的的是有刷高速绕组式电 机，电机的转速达3 0 0 0 转左右，通过齿轮减速，其噪音大，效率低，故障率高； 第二代电动自行车使用的的是有刷低速电机或有位置传感器的无刷电机，其噪 音、故障率有所下降，效率有所提高，但维护、安装难度还是比较大；第三代电 电动自行车无刷直流电机控制器的研究 动自行车使用的的是无刷无位置传感器的稀土永磁电机，其噪音小，效率高，维 护、安装都比较方便。目前，国内市场上电动自行车使用的电机有三种：有刷电 机、有位置传感器无刷电机和无刷无位置传感器电机。而我们主要介绍的是无刷 无位置传感器电机，也称为直流无刷电机。 2 2 1 无位置传感器的直流无刷电机原理 有位置传感器的直流无刷电机的换向主要靠位黄传感器检测转子的位置，确 定功率开关器件的导通顺序来实现的，由于安装位置传感器增大了电机的体积， 同时安装位置传感器的位置精度要求比较高，带来安装的难度：因此人们在研究 过程中发现，利用电子线路替代位置传感器检测电机在运行过程中产生的反电势 来确定电机转子的位置，实现换向。从而出现了无位置传感器的直流无刷电机， 其原理框图如图2 - 7 所示。由图2 4 无刷直流电动机的运行原理图可知，当电机 在运行过程中，总有一相绕组没有导通，此时可以在该相绕组的端口检测到该绕 组产生的反电势，该反电势在6 0 度的电角度是连续的，由于电机的规格、制造 图2 - 5 无位置传感器的直流无刷电机原理框图 工艺的差异，导致相同电角度的反电势值是不同，若要通过检测反电势的数值来 确定转子的位置，难度极大，因此必须找到该反电势与转子位置的关系，才能确 定转子的位置。从图2 - 6 中可以看出，反电势在6 0 度的电角度过程中总有一次 经过坐标轴( 过零点) ，而此点的电角度和下一次换向点的电角度正好相差3 0 度， 故可以通过检测反电势过零点，再延时3 0 0 换向。以图卜2 为例，假设转子在图 2 - 2 ( a ) 所示的位置为0 度的电角度，v 3 ，v 4 导通，h - h 相、b - b 相有外加电 压，c - c 相的产生的反电势如图2 3 ；当转子旋转3 护时，和磁动势f a 相垂直， c c 相产生的反电势正好过零点：当转子再旋转3 0 度时( 即检测到反电势过零点 再延时3 0 0 ，到图2 2 ( b ) 所示的位置，此时使v 4 ，v 5 导通，v 3 关闭，让a a 相、c - c 相有外加电压，b - b 相没有外加电压，可以检测b - b 相产生的反电势 过过零点再延时3 0 度，让v 5 ，v 6 导通，v 4 关闭，依次类推，可以实现无位置 传感器直流无刷电机的换向。 江苏大学工程硕士学位论文 当然也可以通过检测反电势经过电角度0 度，1 2 0 度，1 8 0 度，2 4 0 度，3 0 0 度，3 6 0 度这些特殊点处直接实现换向，这将在下一章进行叙述，这里将不再赘 述。 o d c c o 刀 一八一一一一 6 i 。 - 如。- 晶。n 。，。i 。，十4 一 图2 6 电机运行时各相产生的反电势示意图 2 2 2 直流无刷电机的驱动及换向 使用m o s f e t 接成桥式开关电路如图2 7 。位置传感器原理图如图2 8 所示， w 1 到w 6 是6 只磁敏检测元件，中间扇型片是与电机转子相连的磁性物质豳1 ，它 图2 - 7n i o s f e t 桥式开关电路图 图2 - 8 位置传感器原理图 所靠近的磁敏检测元件状态输出为i n ，没有靠近的磁敏元件输出状态为o i l 。电 机有s 个通电状态，每一状态有两管同时导通，每个晶体管导通角为a 。电枢合 1 3 电动自行车无刷直流电机控制器的研究 成磁场由通电的两相磁场所一合成。若每相磁密在空间是正弦分布，用向量合成 法可得合成磁密的幅值接近每相磁密的万倍，它在空间也相应有6 个不同位置。 三相星形桥式电路的通电方式也称为两相导通星形六状态。 2 2 3 直流无刷电机的传递函数 直流无刷电机与晋通直流电机的差别仅在于它的换相不用电刷，所以其动态 特性分析与直流电机的分析方法是相同的。 记：直流无刷电机的电枢电压矶，反电动势凡，转速电磁感应常数c 。q ，转 矩电磁常数c 蹦o ，转速n ，转矩为m ，转速q 。 9 3 z 儿= 鱼，c m o - 萼 关于c 。和c m c p 有一条定律：若采用统一的单位制，它们的商总是l 。这可 以用于验算两参数是否计算正确。只需将两式相商可得： c 锄：垦量 c 所m 刀 可见分子分母分别是电述磁场电磁功率和其转化的机械功率，忽略细小 的损耗，根据能量守恒定律，他们是相等的。 直流无刷电机满足微分方程： u a g a + l a r a + l a 鲁 ( 2 1 ) m - m 一鲁 ( 2 2 ) 口f 舣收钉m ? 吒f f p i a , t j = j 赤批= 鲁 由以上微分方程可以整理得到： 也吨l i a + t d 百a l o ) ( 2 3 ) l 一九= 若鲁 ( 2 4 ) 式中乃：m 钐m 表示负载电流 、，打 零初始条件下，取式2 3 、式2 4 两侧的拉氏变换，得到电压与电流间的传递函 江苏大学工程硕士学位论文 数和电流与电动势间的传递函数： i 生盟：上坠 ( 2 5 ) c ，4 ( j ) 一e 口( s ) s + 1 鱼盟：一r a ( 2 6 ) 一= 一 t r l ， ，口( s ) 一i l ( s ) r j s 式2 5 对应的结构图如图2 7 ，式2 6 对应的结构图如图2 - 8 将图2 - 9 与图2 1 0 结合起来，考虑q = e 。c 。，则得结构图如图2 一1 1 。由 图2 1 l 可以看出，直流无刷电动机有两个输入量，一个是外端输入电压u 。，另 一个是负载电流i 。：前者是控制输入量，后者是扰动输入量。如果不需要在结构 图中把电流i 。表现出来，可将扰动量i 。的综合点前移，并进行等效变换，得图 2 - 1 2 。在空载即i f 0 时的结构图如图2 - 1 3 ，即为动态传递函数模型。 ( 5 ) + 如( c ，d ( 5 )+ ， 邑( 图2 - 9图2 - 1 0 图2 1 l 电动自行车直流无刷电机参数：以澳玛电机为例，额定电压u a = 3 6 v ，额定转速 n = 1 6 0 r m i n ，额定功率p = 1 4 0 w ，效率：t l = 7 5 ，额定电流i 。= 5 2 a ，自行车轮胎直 图2 - 1 2 1 5 电动自行车无刷直流电机控制器的研究 u ( s ) _ 一卜 图2 - 1 3 q ( s ) + 径0 6 1 m ，骑车人和车总重量正常计m = 1 0 0 k g ，最大允许启动电流i p = 1 5 a ，可以 推得： q ：= n 2 万：= 1 4 0 2 石= 1 6 7 5 5 r d d s ( 2 7 ) 6 06 0 额定转矩m ：p n ：旦：8 3 5 6 村( 忽略电机本身的摩擦)( 2 8 ) 刀1 6 7 5 5 、 c 等：幺i l v ：百1 4 0 1 6 7 5 5 “6 2 ，彳 c 。一c i 一1 6 1 2 v s r a d r 口= u 口一e ou 口一q c e - - - - - - - - - - - - 一= ：- - - - - - - - - - - - 一 i n i n ( 2 9 ) ( 2 6 ) ：3 6 - 1 6 了7 5 - 5 1 6 1 2 ：1 7 3 f 2 ( 2 1 0 ) 1 = = 一= i 三 5 2 e a = c 。q = 2 7 v j = m * r 2 = 1 0 0 0 3 0 5 2 = 9 3 0 k g m 2 定义机电时间常数矿瓦j r 7 a，电磁时间常她= 等 。 巳c 脚 屹 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 矿志= 竺焉- 6 1 9 s(213)ic r 二= 一d i ，xi 三 ， j e c 小2 1 6 1 2 + 1 6 1 2 ：生：业：0 0 4 6 2 s ( 2 1 4 ) “ r 。1 7 3 把以上变量值代入上面的框图可得直流无刷电机的电压转速传递函数为： ：霉l 一 (215)hut) 2 i 一 喵 0 2 8 6 s + 6 1 9 s + l 其传递函数框图为2 - 1 4 所示： 等效于图2 - 1 5 图2 一1 4 0 盥8 ( 赤+ l x 志+ 1 ) 图2 - 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 据此传递函数可以画出电机的外电压一转速传递函数频率响应波特图如下面图 2 1 6 所示： 图2 - 1 6 2 3 电动自行车的爬坡阻力和转矩 电动自行车在爬坡过程中，受三种阻力，即轮胎和地面问的滚动摩擦力f g 、 迎风阻力f f 和爬坡阻力fa 。为分析简便简化，我们将忽略前两种阻力，仅记 爬坡阻力fq ，其大小等于 fq = g s i nq ( n ) ( 2 1 6 ) 式中g 一车重+ 载重( n )q 一坡度角( 。) 爬坡转矩m qm q - - f q r l - - g s i n q r l ( n m ) 式中r l 一轮胎半径( m ) 近期不断出现可爬1 2 度坡的报导，也有报导可爬1 5 度甚至1 6 度坡，下面就以 1 5 度坡为例计算所需转矩。 依标准：g = 车重+ 载重= ( 4 0 + 7 5 ) k g所以g = 1 1 2 7 ( n ) 1 8 车，轮胎半径r l - - o 2 2 8 ( m ) 将数据代入上式，则所需爬坡转矩m q = 1 1 2 7 x s i n q1 5 x 0 2 2 8 = 6 6 5 ( n m ) 考虑到滚动阻力和迎风阻力，电机所提供的转矩m mq - - 6 6 5 n m 2 4电机的反电势系数k e 和转矩常数k m 电机的反电势系数k e 由多个电机参数，如绕组系数k w ，每相串联匝数w ( 对 于有刷电机为每支路串联匝数) ，电枢直径d a ，有效铁芯长度l6 ，气隙磁密b6 1 7 电动自行车无刷直流电机控制器的研究 等所决定。对于一台已经制作完成的电机，k e 为一定值。对于额定电压、 额定转速相同的电机，即使类型和设计不同的电机，其反电势系数k e 也没有明 显的差别，若效率高的电机反电势系数k e 稍大。 在一定的电磁单位制下，转矩常数i ( i i l 和反电势系数k e 在数值上是相等的， 例如：对于1 8 3 6 v 电动车车速为v = 2 5 k m h 的电动自行车所用电机，两参数如 下：k m 1 n m ak e 1 v s r a d 2 5 爬坡所需电流( 峰值) 计算 由转矩平衡方程： m e = m o + m l = m o + m g + m f + m ( 2 17 ) 式中m e = k m i m a x 一电磁转矩( n m ) i m a x 一最大电流( a ) m o 一电机空载转矩( n m ) m g 一轮胎和地面问的阻力矩( n m ) m 卜迎风阻力矩( n m ) 为计算简单起见，忽略m o 、m g 和m f ，则有 m e m q k m i m a x ma i m a x mq l ( i i l 6 6 5 1 = 6 6 5 ( h ) 在这里特别指出，上述计算的是电机内瞬时峰值电流，而非测功机测量的平均电 流，对于电枢电阻小的电机，- - 贝t j 有较大的差别。也就是说，对于配备3 6 v 电源， 车速为2 5k m h 的1 8 车，要爬1 5 度坡其峰值电流，要大于6 6 5 a 才可行，对 于车速更高、轮胎直径小的电动自行车，其转矩常数l ( n l 更小，则需要更大的电 流。 由此可以看出，随着路面坡度的增加，电动自行车在输出功率不变的情况下， 其最大速度在迅速减小，这给用户的使用带来不便；为了解决这个问题，一方面， 电动自行车在上坡时，对其施加外力( 如用脚踩电动自行车的脚蹬) 来增大转矩， 提高速度：另一方面，在选用电动自行车的驱动电机时，不仅要考虑到电机的功 率，而且要考虑电机的电磁转矩。使用大功率的或输出转矩大的电机也可以解决 电动自行车上坡时遇到的问题，但电动自行车的成本也将提高。 江苏大学工程硕士学位论文 第三章直流无刷电机电动自行车控制器的硬件设计 电动自行车控制器的硬件部分如图3 一l 所示，分成以下部分：电源部分是利 用控制器的电源v s s 经过电压转换产生+ 5 v 和+ 1