（机械电子工程专业论文）电动自行车控制保护系统.pdf

四川大学硕士学位论文 电动自行车控制保护系统 机械电子工程专业 研究生：李虹霖指导教师：韩震宇 近年来，燃油交通工具因尾气排放问题己造成了城市空气的严重污染。于是 发展绿色交通工具已成为一个重要的课题。 考虑到我国目前的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义j 而且灵活、 轻巧、“零排放”、价格低廉等优点，将使电动自行车迅速得到普及。 随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的控制器发展迅速。 但是目前，市场上大多数的电动自行车产品均采用低集成度元件控制装置。其缺 点是功能过于简单，不能充分发挥系统的潜力及处理一些特殊的控制问题。本课 题采用a t m e l 公司a v r 系列单片机加m e g a l 6 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，在数学模型的基础上对系统动力源一无刷直流电机的特性进行了研究； 其次，根据a 恨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 成电阻间接测流；采用电机自动识别技术使电动自行车装配和维护更方便，采用 了红外遥控防盗功能使其系统更加实用，采用了高性能的驱动集成电路毪1 0 3 来驱动m o s f e t 组成的全桥逆变电路，驱动形式为单极性p w m 调制；将p w m 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； 另外，依据控制策略设计了系统软、硬件，并讨论了可靠性设计问题； 最后，改装了试验样机，通过实验室观测及运行，验证了系统运行的可靠性。 由此得出结论：本课题设计的基于a 己单片机的电动自行车控制系统有运行 性能良好，可靠性高、升级换代容易特点，为后续的研究工作提供了一定的基础。 关键词：电动自行车a 呱单片机控制系统无刷直流电机 西j | i 大学硕士学位论文 s t u d yo 珏重h ee l e e 毛n e b i k ec o 珏t 薹l 建蕤dp 薹露t e e ts y s 鼍e 薹鼓 s p e c i a l 够：m e c h a t r o n i c s 粕s 专g r a d u a 融王王。登群i n “ s u p e r 城s o r ：z h e 致y uh a n a b s 仃a c t 殛r e c e 盛粥a 礴，魄ew 菸t eg a s 舶越也eg a s o l 迹挚摊t o 撒曲i l e sh a sc 粗s 醚s 科e 怼 p 0 1 1 u t i o np r o b l e m si nc i t i e s s o ，i t sm o r ea n dm o r ei n l p o r t a n tt od e v e l o pt h es 0c a l l e d ”舀联潍a 疆o 强i o b i l e s ”。c o 丑区i 蠢两鑫鬈锄fc o 畦丑毒拶s 霞a 氛l s ，幻宅i 懿莺l 印擞ee l e e 蕊e 南i 瞎w i l l b eh c l p 龟lt 0s o l v et h ep o l h l t i o np r o b l e m w i 也t l 心v i r t t l e so f ：f l e x i b i l i 戗s l i m 妣s sa n d z e r ow a s 静- g 雒，d 鳅矗c - b 墩ei sm o r ea n dm o r ep o p u l 筑 b y 烈1 1 1 a n c i n gt h e 越v i n 争m o t o rt e c h n o l o g ya n dp o w 嚣d e 、r i c e st e c h n o l o g 甄也e c o n 协o ls y s t e md e l o p e dq v i c k l yb u tn o w a ( 1 a y s ，m o s to ft h ee l e c t r i c - b i c y c l ep r o m l c t s 近t 魏em a 熔或sa 如烈b 弘i 球e 嚣撕o 鑫d e 嚣d e v 童c e s 遮搬c i fe o 妇ls 磷t 淞。藤l e 口r o b l 锄i st h a tt h e 劬c t i o no ft h e s ed e i v i c e si st o os i n l et o 缸l l yu t i l 娩et h es y s t e n 酽s p 酏e 嫩巍越d 幻s o l v es o m e 印e c 主鑫e 魂t 氆懿出g 纯l 毅耋妁l 邸e s 磊。璐k 拯sp 喇积， a i m e g a l6 a na 、瓜s 嘶e sm c up r 0 “c to fa r m 匣lc o m p a r l yh a sb e i 。nu s e d t 1 1 e c o n s i d e r a i i o nb 融w e e nl o w e o s ta n dg o o d c o n 咖l l i n l 葛p e 舶n n a 觳e eh a sb e e nw e n b a l a n c e db yc h o o s i n gt h i sc e n 锄1 c 0 觳t l l i 觳gu n i t t h ef o u o w i n gw o r k sh a _ v eb e 蛆 p r e s 姐t e di nt h i sp r o j e c t f i 赋l y t h e 娩黯参蘸s 氐o ft ks y s l e m s 越v 遗gs 翎霞争倦e 鸯斑s h e s s d c m 雠双 h a s b e e n 棚1 a l v z e db a s e do nt h em a m e m a t i c a lm o d e l & l 豉b 锈氆。o ，瞧ec o 咖l l i 珏窑s t r 躐e 窒黟氛a sb e 髓d e s i 翟算l 醐遗西e t a 主lb a s e do n 也e c h a r a c t e r i s t i co f 觚m c u 1 h i sp a r ti i l c l u d e st h ef o l l o w i n gw o r k s 。硼1 ec u 船：n ti s m e a s u f e di n d i r e c t i yb yu s i n gar e s i s t o 硼1 et e c h l o l o g ya u t o m a t i c a l l yi d e n t i 铆n g b r u s h l e s s d c m o t o r 耀a k e 至tc o 州e n i e n tf o rt h ep r o 出】c e r 毅以f e p a i r e rt op r o d u c ea 觳d r 印a i re l e c t 打c b i k e t h ec h 撇c t e r i s t i cg u a r d i n ga g a j n s tt h e 危t 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o je c t ，m ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w t h a tt h es y s t e mb a s e do nm e 肌m c uh a st h ev i r t u e so fh i g h - p e r f o r m a n c e ，h i g h t o 如r t h e rd e v e l o p i i 培t h i sp a p e rp r e s e n t e da ne x p e r i m e n t a lb a s ef o rt h e 向r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ： e l e c t r i c b i k ea v rm i c r o c o n t r o l l e r c o n t r o ls y s t 锄 b m s h l e s s d c m o t o r 四川大学硕士学位论文 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的 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谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归四川大学所有，特此声明。 研究生考啦z 钦 7 4 指导老师： ，口j-s 文肌鄂函 四川大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及发展状况 1 1 1 能源与环境问题 第一章绪论_ 帚一早三百t 匕 二十一世纪是“绿色环保”的世纪，环境保护和能源节约问题己成为新世纪 最为突出的两大主题。随着工业的发展，城市汽车数量急剧上升，石油资源严重 匾乏。研究表明目前世界石油蕴藏量按照现在的消耗速度仅可供使用5 0 到7 0 年。 自1 9 9 3 年开始，我国已变为石油净进口国，2 0 0 0 年我国石油进口量为7 0 0 0 万 吨，预计2 0 0 5 年后将超过1 5 亿万吨。近年来，石油价格猛涨，2 0 0 4 年，石油 最高达到了每桶5 4 9 美元。而石油与国家安全密切相关，其作为一种战略物质 大量进口则必然制于人，该问题己引起各国的极大重视【l 】。 再从环境角度讲，石油燃烧造成的大气污染日益严重。在世界环境污染最为 严重的十大城市中，我国就占了7 个，形势的严峻可见一斑 2 】o 汽车排出的c o 、 h c 、n o x 和微尘颗粒等，会对人类的身体健康造成危害；另外汽车排出的二氧 化碳虽然对人体健康无害，但它造成的温室效应破坏大自然的生态平衡，对大气 造成严重影响。 因此，这两大问题成为了“绿色交通工具 研究开发和推广应用的积极因 素。 1 1 2 国内外电动车的研究状况 八十年代至今，电动车的相关技术如电力电子、微电子、计算机控制、电机 等技术的迅速发展为其开发研制提供了良好的条件。以欧、美、日为代表的发达 国家的科研机构、车辆公司在政府的支持下纷纷投巨资开始研制，并成功推出了 一批性能良好的概念车。与此同时，世界上其它一些国家与地区同样关注电动车 四川大学硕士学位论文 的发展，我国也投入了大量的人力、物力进行研发。 1 ) 欧渊电动车研究现状 欧洲的主要国家德、法、英、意、瑞典等均进行了电动汽车的研究，但是各 国研究的侧重点不同。对德国两言，它本身电力驱动技术力量十分强大，霹前它 的研究重点是质子交换膜的燃料电池( p e c ：p r o t o n e x c h a n g em e m b r a j l e e l c e l l s ) 的开发，而且己开发出示范型咆动车。如戴姆勒一奔驰公司的溅c a 妈 燃料电池电动轿车是使用甲烷为燃料，电池采用高功率密度、结构紧凑的5 0 k w 质子交换膜燃料电池。使用4 0 l 甲烷可以一次行驶4 0 0 k m ，最高时速可达1 4 5 k n l h l 燃料添加快雨方便，而且只排放无污染的纯水。在电力驱动技术方面，德国主要 选用交流感应电机与永磁无刷直流电机，英国使用开关磁阻电机。德、法、意对 电动车车队进行跟踪测试，瑞典、法国等纷纷为本国的电动车发展策略进行较为 深入的研究。欧洲今后的主要研究活动包括电池试验和标准、e v 和瑚wf c ， 汽车新结构、未来燃料、汽车生命周期分析等【3 】。电动自行车的发展也越来越受 到重视。由于受油价上涨和环保意识等因素的影响，预计未来3 至4 年内，电动 自行车将成为欧洲自行车商下一阶段推蕊的主要产品，仅欧洲市场每年的销量就 可在3 0 0 万至4 0 0 万辆。欧盟委员会在欧洲1 0 国赞助一项e t b u r 计划，推动电 动车辆的发展，此计划以电动囱行车为主。通过将1 3 0 0 辆电动自行车发给大城 市，藉此刺激欧洲大城市环保交通工具的使用。德国为目前欧洲电动自行车主要 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。电动自行车进入德 国市场之初，曾有专家表示，多数德国入皆视自行车为运动工具，因此销量十分 有限，并无太大市场潜力，孰料1 9 9 8 年该类产晶销量竟然直线上升，据统计， 1 9 9 8 年德莺电动自行车总销量为l 。5 万辆。因此醺前加入电动自行车生产的国家 及制造商已越来越多，就连原来制造摩托车为主的意大利著名厂商p i a g 西。以及 m 蠢a g u t i 亦加入到这个行列中，如此足见其市场具有相当盼潜力。 ( 2 ) 美国电动车研究现状 在美国政府的积极支持下，美国三大汽车集团公司通用( g m ) 、福特口o r d ) ， 戴姆克莱斯勒( c 翔5 w s e r ) 成为美国开发与推广电动车的主力成员。在具体的技 术实现方面，美国主要集中力量开发基于交流异步电动机为主的电力驱动系统技 2 四川大学硕士学位论文 术，该项技术在美国已达到实用的要求。目前，美国正集中力量重点研究蓄电池 技术，十分看好基于质子交换膜的燃料电池，为此美国福特公司、戴姆克莱斯勒 公司与加拿大巴拉德( b a l l 莉) 电力系统公司联手推广基于燃料电池为动力能源的 电动车。基于燃料电池的样车n e c a r 于1 9 9 4 年推出，n e c 吣也于2 0 0 4 年推 出【引。除此之外，美国还在整车性能分析设计方面、市场预测方面也做了大量的 研究工作。在小型两轮电动车上，各种运动型的车辆在美国占有广泛的市场。1 9 9 9 年美国电动自行车市场仅有6 5 万辆，到了2 0 0 0 年，超过了1 2 万辆。电动自行 车及相关产品的生产制造已经引起了美国各大公司的兴趣，如戴姆克莱斯勒汽车 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。美 国e v r i d e r 的电动自行车为美国所设计，但绝大部分为中国大陆制造，市场价位 低。z a p 公司生产的马达包括双马达装备可安装在绝大多数的自行车或三轮车 上。据国外专家估计，美国电动自行车年需求量在一百万辆左右。 ( 3 ) 日本电动车研究现状 日本电动车的生产及技术都占世界领先地位。在电力驱动系统方面，上个世 纪7 0 年代至8 0 年代前期，主要使用永磁直流电机系统，之后开始使用交流异步 电动机系统，近年来又开始使用永磁无刷直流电机系统，并以永磁无刷直流电机 系统为主。日本学者通过研究认为采用优化的矢量控制技术控制异步机所得的效 率高于普通矢量控制的控制系统，而优化的矢量控制系统的效率还是低于永磁无 刷直流电机的效率。除此之外，日本在整车设计方面及在车辆的控制策略上都进 行了精心的研究和试验。日本除了在电动汽车上投入了较大的人力、物力外，还 加大了对电动自行车、电动摩托车的投入和研究，使其性能以及年生产力逐年提 高。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、松下等知名公司的参与，生产规模日益扩大。日本还对电动自行车的使用 管理采取了严格限制，只允许智能型电动自行车上路，并对智能型电动自行车的 要求制定了严格规定，具体有： 1 、在任何路况情况下，速度小于1 5 k n n 时，人力：电助力 = 1 ，即电助 不允许大于人力，但电助力接近于人力。 2 、在任何路况情况下，速度大于1 5 虹池时，速度每增加1k 妇，电助力下 1 9 。 四川大学硕士学位论文 3 、速度脚4 虹堋时，整车电助动系统关闭。 4 、人力蹬踏开始后1 秒钟之内，电助动系统按上述要求开始工雩# ：人力蹬 踏停止后1 秒钟之内，整车电助动系统关闭。 5 、为了节约电能，智能型电动自行车停止运行一定时间( 一般为3 5 分钟) 后，整车处于休眠状态。 6 、必须保证骑行的连续性，电助力不能有断断续续豹现象。 ( 4 ) 国内电动车研究现状 我国电动车与欧、美、日等发达国家相比起步较晚。大约在上个世纪9 0 年 代进入开发研制高潮，主要集中在上海、北京、广东和武汉四个地区，涉及大专 院校、科研院所以及部分车辆厂。到了9 0 年代后期，基本覆盖全国主要经济发 达地区如江苏、浙江、出东等省。据有关部门统计目前从事电动车开发和制造的 厂家已经有4 0 0 家左右，有6 0 个机构在从事燃料电池的研究。这些机构中的大 多数为研究所，研究的重点是旗子交换膜技术，其中有遥分之三工作是针对车辆 进行的。例如，s a i c 打算今年在路上投放少量示范车。同济大学要在今后几年 研制出5 至7 辆燃料电池汽车，该计划得到了政府的资助【冠1 9 9 6 年，国家科委 组织了“国家重大科技产业工程项目电动汽车实施方案综合评审会。国家“8 6 3 刀 计划，将电动汽车列为“9 5 及l o 5 国家重大科技产业 项引6 1 。 2 0 0 1 年，我国首辆超级电容无轨电动车在哈尔滨试验成功，该车时速为6 0 公里小时，具有充电快、能量大、寿命长、无污染等优点。我国技术人员自主 开发的第一辆以大功率锂离子电池为动力的电动车e v 3 嗽深圳雷天公司开发成 功，它的一次充电续驶里程数超过4 0 0 公里。同年，我国第一辆以“凤凰”命名 的氢燃料电、遣电动车在上海诞生，这辆根据别克g 璐原型车设计的凤凰燃料电 池概念车，功能和性能与传统汽车相当。该车可乘5 人，总重2 5 0 0 公斤，最高 时速量1 3 公里。乱1 1 2 公里翻、时的加速时闻仅1 3 秒。 在国内，电动自行车的生产与销售也呈逐年上升趋势。1 9 9 8 年我国电动自 行车产量仅为5 4 5 万辆，1 9 9 9 年为1 2 6 万辆，2 0 0 0 年又翻一番多，达到2 7 。6 万辆。据中国自行车协会预测，我国电动自行车高速增长期将一盏持续到2 0 l o 年，届时我国电动自行车年产量将达1 0 0 万辆。随着电动自行车需求量的增加， 霹 四川大学硕士学位论文 许多厂家瞄准了这一市场，其中，天津松正机电技术有限公司、福奇电子有限公 司i 上海安乃达驱动技术有限公司和沈阳时运科技发展有限公司等生产的电动自 行车控制器及相关配件都得到了广泛的应用和推广。对电动自行车的研究在国内 已经达到了实用阶段，但其电力驱动技术水平与国外还存在一定的差距，有待进 一步提高。 1 1 3 电动自行车的发展前景展望 汽车、摩托车的出现，确实给人们带来了不少的方便、乐趣和实惠。燃油设 备以石油为能源，这种资源已经不多了，有人估计全球的石油资源还可以采4 0 年。为此科学工作者们早已开始了石油代用品及适合于使用代用品的机器构造的 研究，如天然气、甲醇、氢等。但是除氢以外的代用品，燃烧后仍然有废气排出 并有危害，不能解决污染问题同时它们大量耗氧。而这些机器的振动、噪声、磨 损及效率低下等问题并没有彻底解决。 我们再来看一下内燃机的效率：据测定，汽油的能量为1 2 8 k w 依舀而小轮 助力摩托往往每百公里要消耗2 l 汽油，即耗能量为1 7 9 k 吼。我们再看一下电 动自行车，经实际测定电动自行车每百公里耗能为1 k 叽左右，用5 0 0 w 直流电动 机装备的电动摩托车，车速为5 0 舢，百公里的电耗量为1 2 5 脚( 电动机的效 率为0 8 ) ，若再计入充放电效率o 8 ，则每公里耗电为1 9 5 k 啪，充分考虑未知因素 也不超过2 5k 叽的能耗对比之下，二冲程燃油发动机的能源利用率不到同等 功能电动车1 5 ，它的能耗相当于电动自行车的1 7 倍，电动摩托车的7 倍，但是它 的能力却达不到电动摩托7 倍，电动自行车的1 7 倍，甚至连电动自行车的5 倍也 达不到。可见燃油发动机的效率之低，能源的浪费之惊人。而且它浪费的部分被 排出后还加重了环境的污染，危害人类的健康等一系列不良后果。 电动自行车的能源来自电能。电能可以取自多种其它能源。现在，火力发电、 重油发电、坑口电站。只能称为传统方式了，比较新的技术为核电站、水 电站、燃料电池电站，以及以风力、潮汐、海湾地势、沼气、太阳能、生物发电 等等，所以其能源是取之不尽，用之不竭。 电动自行车都是白天行驶、夜间充电。将来电动自行车进入千家万户，用电 四川大学硕士学位论文 量是很大的，夜间充电的用电量也是很可观的。这，有利于电网的平衡。我国白 天是用电高峰，丽到了夜闻劂进入用电低谷。据统计，全国昼夜峰谷相差每天达 到1 2 0 0 亿度。可见夜间电力富裕之多，为了均衡电网的峰谷差，国家甚至用建 立储筢电站的方法储存夜间富裕的电能，夜闻抽本蓄能、到了自天用电高峰时再 用蓄能的水发电。如果电动自行车得到普及，对缓解电网的峰谷差会起到积极的 作用，因为它充分利用了富裕的电能，这实际上也是一种节能措施f 刀。 在许多大城市为了创造适合于健康生活的幽雅清净的环境，政府已经制定措 施，逐步限制和淘汰摩托车，取而代之的是清洁环保的电动自行车。所以电动自 行车有广阔的市场。 l 。2 电动自行车的组成部分及特点 l 。2 1 电动自行车的组成部分 电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、操纵制动郝分、电气仪 表部分组成【8 】。 动力部分 电动鲁行车的动力部分通常由蓄电池和电机构成，是电动自行车的动力来 源。其性能的好坏，直接影响电动自行车的动力性和经济性。 传动部分 电动自行车传动部分的作用是将动力部分输出的功率传递给驱动轮，驱使电 动叁行车行驶。通过变速器或调速器，使电动自行车获得行驶所需要的驱动力窝 速度，并保证电动自行车的平稳起步和停车。它由变速器、后传动装置组成。 行车部分 行车部分的作用是使电动囱行车构成一个整体，支撑全车的总重量，将传动 部分传递的扭矩转换成驱使电动自行车行驶的牵弓l 力，同时承受吸收和传递路面 作用于车轮上的各种反力，确保电动自行车正常、安全行驶。它主要由车架、前 减震器、前后轮、座垫等组成。 操纵制动部分 辱 朋川大学硕士学位论文 操纵制动部分的作用是直接控制行车方向、行驶速度、制动等，以确保电动 宣行车行驶安全。它塞车把、制动装置、调速手把等组成。 电气仪表部分 电气仪表装置是傺证车辆安全行驶并反映车辆运动状态的主要装置，它使骑 行者能正确、有效地对车辆行驶适时地进行控制。它由数据显示装置、充电器等 组成。 1 2 - 2 电动自行车的特点 作为一种新能源绿色交通工具，电动自行车具有以下特点： 无污染：电动囊行车是以蓄电漶发出的电能作为驱动能源，运行过程中 无废气排放，不会对大气造成污染； 低噪音、振动小：电动自行车采用电动机驱动，与用内燃机的摩托车相 比，运行中产生的噪音显著减小，通常要低l o 1 5 曲，且运行比较平稳； 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 采用电视驱动系统，无空转损失，电池麓量的8 0 以上转化为动力，两 且可以在制动时进行能量回馈，更加提高了它的能量利用率，其效率可 达到7 0 到8 0 以上； 安全、轻便、易维护：电动自行车的最高时速限制在2 0 k n 伽以内，只 能在非机动车道行驶，可以快速起停，安全可靠。相对于摩托车，它的 速度是大受限制，但在人口密集的城市城镇是足够了，能让大众普遍接 受。而且它体积小、重量轻，整车质量大概在3 3 5 埏，即使没电时脚 踏骑行也不会很费劲。蓄电池是免维护的，电机的故障率也较低。 以上的这些基本特点使电动自行车成为了当前交通工具市场的一大亮点，市 场需求不断扩大，因此其未来的发展潜力很大。 1 3电动自行车电机的发展 电机是电动自行车的关键部件。为使电动自行车有良好的使用性能，驱动电 7 四川大学硕士学位论文 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，这要求电视体积小。重量轻、效率高、且具有较好的 能量回馈性能。 永磁有霉| j 壹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，因丽在早期被广泛采用。但是直流电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。 稀土永磁无刷直流电机是近2 0 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 前无劂直流电枫的发震已经和大功率开关器斧、专用集成电路、稀永磁材料、 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，敌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 量更容易散发如去；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。从电动鸯行车的性麓要求看，无刷直流电机郄具有直流电 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；麸结构要求看，这类电机辘向尺寸短， 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，不工作时可像酱逶自行车那样人工骑行，嚣此近几年无 刷直流电机在电动自行车中的应用处于上升趋势。 1 4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 鬈 四川大学硕士学位论文 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。己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 9 】。 1 4 1 功率半导体器件与驱动电路的发展 自从上个世纪5 0 年代，硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究取得了 飞速的发展。6 0 年代后期，可关断晶闸管g ，r o 实现了门极可关断功能，并使斩 波频率扩展到1 k h 以上。7 0 年代到8 0 年代，高功率晶体管、功率m o s f e t 和 绝缘栅门控双极性晶体管i g b t 相继问世，功率器件实现了全控功能，使得高频 应用成为可能。在中小功率的电动机中功率变换器多由m o s f e t 或i g b t 构成， 具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。 在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展。驱动电路是将控制 电路的输出信号进行功率放大、并向各功率管送去能使其饱和导通和可靠关断的 驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着功率管的一些参数和特性，从而影响 着整个电动机控制系统的正常工作。传统的驱动电路大多是采用分立元件搭接而 成，这种方法使得电路复杂、调试困难、可靠性差。随着集成电路技术的发展， 现在每一类功率器件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成 电路都是经过优化设计而定型的，它的使用可大大提高整机的可靠性。已经可以 做到使用一片驱动器件，一个驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必 为每个开关元件独立提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电 路的设计【l o 】。 1 4 2 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； 9 四川大学硕士学位论文 产生p w m 调制信号，实现电机的调速；实现飞车、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惠怠耀关，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。毒模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制，功能单一井级换代垂 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【l l 】。 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。醴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8 0 5 l 单片杭；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d s p 微处理器。 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舳l 公司推出的一款具有极高性能价 格比的越限单片机斌m e g a l 6 。在论文的后续章节中将对其作详细介绍。 l 。5 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 成本和合理地运行环境以及便予回收等特性。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： 镍铁电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、纳硫电池、锂电泡、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 密度上还不畿和燃油褶媲美。另一方面，燃料电池和超级电容的出现与兴起给电 差o 四川大学硕士学位论文 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【1 2 ，1 3 】。 1 6 课题来源及需达到的性能要求 目前在市场上的电动自行车品种很多。在市场上供应的控制器主要采用电动 机专用控制芯片，价格相对较贵，由于很多没有a d 转换功能和p w m 波生成功能， 所以需要较多的比较放大器和其它硬件电路来保证其功能，相应增加了控制器成 本，不能实现无级调速。基于以上原因四川省精工薄膜开关有限公司委托我们一 一四川大学机械电子工程研究所开发电动自行车无刷直流电机控制保护系统，这 便是本课题的来源之处。 在无刷直流电机控制保护系统研制之前，经双方协商后，达成了以下的共识。 本系统最终应满足以下性能指标： 电动机供电电压直流4 8 v ； 电机过流保护：当电机堵转电流超过1 5 a 时关闭p w m 从而制动电动机； 电机欠压保护：当电压小于4 3 5 v 时提示用用户电量不足请充电，电压小于 4 2 v 时关闭p w m 制动电动机，直到电瓶电压达到4 3 5 后再打开p w m ； 无级调速：转动转把调整转把输入电压，通过p w m 脉宽调制实现无级调速，规 定转把的输入电压为1 1 v 至4 2 v ； 巡航功能：在骑行的过程中如果按下巡航按键则一直保持当前速度行驶直到 取消巡航功能； 刹车断电：当刹车时关闭p w m 制动电动机，同时取消巡航； 飞车保护：当转把电压大于1 1 v 才输出p w m ，从而防止了在开关管击穿后一 上电就飞车的情况； 红外遥控功能：由于现在电动自行车经常发生被盗情况，小偷只要把电源线 心川大学硕士学位论文 进行连接并且打开锁后即可以骑走电动自行车，为了防盗我们增加了红外防 盗功能，只有当车主打开电源舞关并且按下红癸线“开锬帮按键后方可 ；鏊进 入芯片控制系统、驱动电动机转动，所以可以达到很好的防盗功能； 限速功糍：可戳通过跳线来选择电动童行车是否限制速度；当选择了限速瑟 电动自行车只能按规定的最大速度进行行驶； 6 彭1 2 0 电霜度自动蓼 别：匿前枣场上主要有两种电受度的无刷直流电动机， 分别为6 0 度和1 2 0 度，控制软件应该自动对电动机的电角度进行识别从而 选用相应的驱动程序进行电机的驱动。 软件系统功能尽可麓完善，且具有友善便利的人祝接口和良好豹扩展髋。 董。7 论文内容 本论文研究缝是黻越毽单片祝越撩e g a l 6 隽主控芯片，并根据无刷矗流电 机的运行原理及自行车的运行特性设计的电动自行车控制系统，主要工作如下： 对无剥直流电枫的控制原理进行分析，对其运程特性加以研究； 分拼电动自行车用蓄电池的基本特性； 提出系统的具体控制策略，并分析其可行性； 通过软、硬件设计，实现系统的控制罄的； 实验验证系统的运行效果。 堇2 四川大学硕士学位论文 2 。重引言 第二章控制原理分析 根据能量转换和传递关系，电动自行车可以划分为蓄电洼、电褫帮机械车体 三个主要部分。蓄电池和机械车体分别作为能源和负载，由电机驱动系统将两者 联系起来。因此，机械车体运行的好坏就取决于蓄电池和电动机这两者的配合。 本章将对蓄电池和电动自行车用无刷直流机的特性进行详细的分析。 2 1 。l 蓄电池特性分析 襁对于燃油类能源丽言，罄翦蓄电池的能量密度较低，是限制和影响电动自 行车性能的主要因素，因此在电动白行车的设计中恰当的选择蓄电池显得十分重 要。可以按照电动自行军一次充电所要求的行程及克服行驶阻力所需做的功来确 定蓄电池容量和功率等级。蓄电池的工作过程就是化学能与电能相互转换的变化 规律。当蓄电池将化学能转化为电能而供电机使用时，叫放电过程；当外界将反 电流通入蓄电池，使其将电能转变成化学能并储存起来，这时为充电过程。这种 充放电的过程是可逆的，可循环的。这也是蓄电池的一大特性一可重复性【1 4 】。蓄 电池基本工作性能参数和特性方程如表2 1 所示。 由表中蓄电池的放电效率和放电时间特性方程可知，由于内阻的影响，蓄电 池的放电效率隧放电电流增大丽线性下降，放电时间剥相应按指数曲线下降。当 蓄电池以恒定电流( 标准的1 0 h 率电流) 连续放电时，则端电压随放电时间变化的 曲线如图2 。l 所示。可以明显的看出放电的三个阶段【1 5 】：放电开始阶段曲线o a 段) ，端电压下降很快。其原因是由于极板表面和有效物质细孔内的电解液因化 学反应而使比重骤减。放电中期( 曲线a b 段) ，端电压缓慢降低。是因为极板外 较浓的硫酸向极板微孔内扩散，减缓了微孔内电篇液比重下降速度。放电末期( 曲 线b c 段) ，端电压很快降落。这时极板上的过氧化铅和铅，由于硫酸铅的体积 四川大学硕士学位论文 蓄电池工作参数定义符号说明 端电压 = 虬一r 冰厶 u o 为蓄电池的开路电压 斑为蓄电池的内阻 黼为放电电流 放电时间f t = k 謇i 叶 k 、n 分别为与蓄电池 “ 形式有关的参数 输出功率乞最= 球厶 放电效率qq = 量一( 墨辜乞吃) 表2 1 蓄电池基本工作性能参数和特性方程 较大，逐步堵塞了电解液的扩散通道，使电解液扩散嚣难，翻快了微孔中电解液 比重下降的速度，而内电阻却随电解液比重降低和极板上硫酸铅的增多而升高， 使电势和端电压均快速下降。到c 点端电压降至l 。8 v 时，应该停止放电。切断 电路后，由于化学反应中止而扩散仍在困难地进行，将蓄电池静置一段时间，其 端电压回升到2 v 左右( 曲线c e 段) 。当端电压降至l 。8 v 继续放电时( 曲线c d 段) ， 端电压急剧下降。因为电解液这时几乎停止渗入有效物质的微孔内部，微孔内部 的电解液几乎变成了水，电势急剧下降，内电阻上升，端电压的下降更快。可见， c 点为蓄电池电压急刷下降的临界点，所对应的电压，称为蓄电池的放电终止电 压。若继续放电，极板表面和有效物质微孔内部将形成硫酸铅的晶块，造成极板 硫化，影响使用寿命。如过度放魄，掇板将发生不可恢复的翘莹和臃肿，使蓄电 池报废。 因此，在驱动功率一定的情况下，为提高蓄电池的放电效率和延长放电时间、 扩展电动自行车的行驶里程，应对蓄电池电压进行实时检测，一旦欠压就采取相 应的保护措施，防止电池损坏。 差霹 四川大学硕士学位论文 2 o 2l6 8 1 01 2 图2 1 蓄电池放电时端电压曲线 2 。2 永磁无刷直流电机驱动组成及运行原理 2 。2 。l 永磁无刷直流电机驱动系统构成 永磁无刷直流电机驱动系统包括嘲：枫本体、转子位置传感器和逆交器电路， 如图2 2 所示。 1 5 四川大学硕士学位论文 逆变器 2 2 1 1 电机本体 图2 2 永磁无刷赢流电机构成框图 永磁无刷直流电枫本体结构与永磁同步电机相似，电机本体主要包括转子和 定予。永磁无刷直流电机转子上装配高性能永磁材料制成的永磁体，常用的有三 种结构形式：如图2 。3 新示。其中图2 3 结构是转子铁心外圆粘贴瓦片形永磁 体；图2 3 ( b ) 结构是在转子铁心中嵌入矩形板状永磁体。图2 3 ( a ) 和图2 3 ( b ) 结 构的永磁无刷直流电机的转子外径套有一个紧圈，以防止电机在高速运行时离心 力将永磁体甩出，同时在盐雾等恶劣的环境中也对永磁体起保护作用。紧圈的材 料通常用不导磁不锈钢，也可用环氧无纬玻璃丝带缚扎。图2 3 ( c ) 结构是在转子 铁心外套上一个整体粘结永磁体环，适用于体积和功率较小的永磁无刷直流电 机，该种结构的转子的制造工艺性较好。 永磁无刷直流电机的定子结构与普通的同步电机及异步电机福同，铁心中嵌 放对称多相绕组，绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器中各开关管相连接。 除了上述基本结构形式外，还有一种外转形式结构，韶带有永磁极的转子在辩， l 艿 四川大学硕士学位论文 嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转子旋转。这种结构形式主要用于电动车 的驱动。 ( a ) 瓦形径向磁化 s n b ) 矩形切向磁化 ( c ) 环形径向磁化 图2 3 电机本体转子结构形式 2 2 1 2 转子位置传感器 s 转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件。它对电机转子位置进行 检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按 顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电 机本体同轴，以跟踪电机转子的位置；其定子固定于电机本体定子或端盖上，以 感应和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、 精度，响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装方便性以及可 靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器 式以及编码器等。其中最常用的有以下几种： 1 ) 霍尔元件式位置传感器 1 7 四川大学硕士学位论文 霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件， 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井磁场中，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。用霍尔元件作转子位置 传感器通常有两种方式。第一种方式是将霍尔元件粘贴予电机端盖内表面，靠近 霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体，如图2 4 所示。 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穗隔1 2 0 0 电角度，永磁体的极弧宽度为1 8 0 0 电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍 2 3 图