第一章 电动车电子配件原理及分类.doc

第一章 电动车电子配件原理及分类第一节 转把A） 开关型霍尔：当敏感面有磁场时元件输出低,无磁场时输出高,供电电压为4.5V24V，输出电路为集电极开路，开关型霍尔元件一般用于电动车电子刹把，无刷电机内部三个位置传感器、助力传感器、车轮速度传感器等。B） 线形霍尔：当元件敏感面磁场强弱变化时，其输出为1.0V4.2V连续线形变化（若电源供点为5V）。C） 管脚排列：电动自行车的调速把是采用线性霍尔元件，其输出电压是随磁场线性变化的，输出电压有几种（若电源供电为5V）：1.0V4.2V、4.2V1.0V、04.2V、1.0V5V、05V等。市场中绝大部分用的是1.0V4.2V的转把（叫正把），常规产品默认正把，而由于历史原因，市场少量存在4.2V1.0V转把（反把），可以定制与之相配的产品。其它输出电压的转把市场中存在很少，已成为事实中的非标产品。正把（1.0V4.2V）与反把（4.2V1.0V）可以自己改：打开转把，把两个磁铁都转180，再装好，正把、反把就互相转换了。电动车厂家若自己设置20km/h限速，可以打开转把再产生高速的磁铁上用502粘一个厚纸片，使转把转不到最高速区就可以了。霍尔转把的供电电压一般为5V，只有供电5V才输出上面的电压值，有一种用MC33035做的普通无刷控制器，因MC3305有输出6.2V的基准电压，利用此6.2V给霍尔转把供电，其输出最大值也相应有所提高（约5V）。霍尔转把有三个引线：绿（信号）、红（电源）、黄（地线），规定标准排列顺序是：1.信号、2.电源、3.地线。霍尔转把有长线（1200mm）、短线（450mm）之分，与不同的车型和控制器配套使用，短线的一般是TJC3-3Pin白插头插在电路板上，长线的一般是SM-3Pin黑插针插头，直接与控制器线对接。锁定转把的转把上加了一个机械开关按纽，的智能型控制器（ZKC3615E、ZKC3615G、WZKC3615E等）利用此按纽作为模式转换按纽，用于1：1助力、电动、定速、故障自检的模式转换。第二节 断电刹把一、断电刹把作用当刹车时，控制器检测到刹车信号，无论转把在什么状态都断开电机供电。二、分类机械常开、机械常闭、电子常高、电子常低。机械刹把就是一种机械开关，所以有两条引线。在不刹车时有断开与闭合之分，所以叫常开、常闭，市场中大容量使用机械常开刹把，只有极少使用机械常闭刹把，属市场中不兼容产品。电子刹把是采用开关型霍尔元件的，所以有三条引线，规定标准排列为1黄（信号）、2红（电源）、3（地线），在不刹车时也有输出高低之分，所以叫常高、常底，注意：电子常高刹把因刹车时处于低电位，所以很多人又称为低电位刹把。市场中大量使用电子常高刹把，只有极少客户用电子常低刹把。机械常开刹把和电子常高刹把，都可以左右刹把直接并联工作，而机械常闭刹把则串联工作，电子常低刹把则用附加电路工作。机械刹把的缺点是防水性能差，长时间使用易发生接触不良，可靠性很低，一般点黄油使用也只能使用一年，但价格便宜；电子刹把防水能好，长时间使用也没有接触不良问题，但价格稍高，一般追求质量的厂家才使用。刹把也有长线（1200mm）、短线（450mm）之分，与不同的车型和控制器配套使用，短线的一般是TJC3-3Pin白插头在电路板上，长线的一般是SM-3Pin黑插针插头，直接与控制器线对接。电子刹把接三根线，机械常开刹把则只接插座的两边两针，中间的电源不接，只接信号线和地线。电子刹把供电电压范围为4.5V24V，根据控制器不同一般分为5V、12V、15V，都是可以可靠工作的。第三节 助力传感器助力传感器也是采用霍尔元件，用支架固定在右中轴旁，中轴上装有磁环，中轴转一周则磁环上的五个磁钢使霍尔元件输出五个脉冲，智能型控制器检测到后，则可计算出1：1助力力矩给电机供电了。且新型助力传感器可以识别中轴的前转后转，只有向前转时，控制器才给电机供电。第四节 电动车用电池（简述）主要分为干式铅酸电池、胶体电池、锂离子电池、镍氢电池等；电压分为36V（三块12V电池）。因铅酸电池价格最低，所以现在市场中几乎都是铅酸电池，且为36V的，容量为12AH，但它体积大、重量重、容量低、寿命短。而锂离子电池和镍氢电池没有上述缺点，但价格高得多，所以应用极少。第五节 电动车用充电器（简述）36V铅酸电池恒流恒压充电器，一般主要参数为：220V交流输入，输出最高电压42V、充电电流为恒流方式2.2A，当电池电压充至42V时，则自动转为涓流方式了，且有充满指示。第六节 电动车用的电机（简述）随着电动车技术的发展和完善，电机经历了几代产品，随历史进程主要有：高速有刷中置电机、高速有刷轮毂电机（有刷有齿）、低速有刷轮毂电机（有刷无齿）、低速无刷轮毂电机（无刷无齿）、高速无刷轮毂电机（无刷有齿）等。基本上的性能判断是：有刷电机有碳刷磨损定期维护更换问题，且大电流时碳刷和碳刷接触压降及碳粉短路换向器引起效率较底。无刷电机则没有此问题，但因无刷电机需电子转向，所以无刷电机控制器成本大幅增加，且因其电路复杂，故障率也偏高。高速电机有齿轮减速，导致噪声大且齿轮及轴承等环节随使用时间及负载情况故障率偏高，成本也偏高但高速电机的效率尤其是低速启动的效率较好，所以启动较有力。低速电机没有齿轮也就没有了它的故障点，且成本较低，但在低速区启动时效率低，力量小。现在最常用的是低速有刷电机和低速无刷电机，简称有刷电机和无刷电机，下面简述原理：普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电机旋转，需要通过转向器和电刷不断地改变电枢组中电流的方向，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机不断旋转。有刷电机引线有两根。无刷直流电机为了去掉电刷，将电枢放到定子上，而转子作成永磁体，这样的结构正好与普通直流电机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场，电机依然转不起来。为了使电机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断低变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。实际的方式为：直流电源通过开关电路向电机定子绕组供电，三个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六个开关管的导通和截止，从而自动地控制了哪个绕组通电，及通电方向，从而实现了电子换向。无刷电机的引线共8根，三根绕组相线（粗）A黄、B蓝、C绿，定义为A（黄）、B（蓝）、C（绿），五根霍尔元件引线（细），一般定义为电源（红）、地线（黑）、黄（SA）、兰（SB）、绿（SC）。只有8根线都对接了，电机才正常运转，若电机反转有两种办法解决：1.把后轮反装；2.电机的粗线A、B互换插，霍尔信号细线SA、SC互换插。无刷电机按霍尔元件的点角度可分为60和120电机。其实，现在的120电机只是把三个霍尔元件的中间一个反面安装了，并无本质区别，当然，这样驱动译码表也就不同了。从外部识别方法是看三个电机霍尔的状态，60电机有000和111状态，即三个霍尔可以输出全低或全高，没有010和101状态；120电机则没有000和111状态，而有010和101状态。可以使用智能无刷控制器进入自检状态看相应霍尔状态指示灯的亮灭判断。顺便说一下，智能无刷控制器可自动识别60、120角电机而正常运转，其它任何厂家的控制器无此功能；智能控制器还有故障自检功能，其他厂家控制器也没有此功能。第二章 控制器原理及可靠性第一节 控制器及分类一、 控制器的命名、特点控制器的功能主要是控制电机旋转速度，并对整车的电气系统进行有效的保护。根据所要驱动的电机的形式、参数的不同，要选择的控制器参数也不同。国标对电动车用控制器的命名标准如下：1. 控制器的命名控制器型号有下列部分构车（W） ZK（C） XXXX X控制器系列号A、B、C、D、E、F、G、H等，由生产商自定义产品参数：前两位是额定工作电压，后两位是额定工作电流。代表直流电动机控制器，C是指用单片机控制的智能型。代表电机种类，W代表无刷电机，无字头的代表有刷电机。产品名称代号ZK：有刷电机用普通型驱动控制器ZKC：有刷电机用智能型驱动控制器WZK：无刷电机用普通型驱动控制器WZKC：无刷电机用智能型驱动控制器命名举例ZK3615A：普通有刷控制器，额定电压36V，额定电流15A，厂家A类产品。ZK3615C：普通有刷控制器，额定电压36V，额定电流15A，厂家C类产品。ZKC2415KA：智能有刷控制器，额定电压24V，额定电流15A，厂家KA类产品。WZK3615C：普通无刷控制器，额定电压36V，额定电流15A，厂家C类产品。WZKC3615E：智能无刷控制器，额定电压36V，额定电流15A，厂家E类产品。2. 控制器的特点电动自行车用各种型号的控制器特点如下表：控制器名称代表型号电路结构功率管数价格骑行模式功能描述普通有刷ZK3615A简单2低单一“电动”骑行功能欠压、限流/过流智能有刷ZKC3615E简单2中“助力”、“电动”、“定速”欠压、限流/过流、故障自检/显示欠压、限流/过流普通无刷WZK3615A复杂6高单一“电动”骑行功能智能无刷WZKC3615E复杂6高“助力”、“电动”、“定速”欠压、限流、堵转保护、缺相保护、故障自检/显示二、 典型模块电路结构与通用参数各种控制器的特点不一样，其内部的工作原理也不一样，下面分别介绍各种控制器的电路结构与典型的电路图。1. 有刷控制器的模块电路与电路图典型的有刷控制器原理框图如下，其中： 稳定电压欠压保护电路MOS管驱动电路MOS管PWM芯片限流/过流保护电路电池转把、闸把有刷电机内部稳压电源用以提供控制器内部电子元件的工作电压。PWM芯片根据转把的输入电压，输出相应脉冲宽度的方波给MOS 管驱动电路。MOS管驱动电路将PWM信号整形提供给MOS管。MOS管是大电流开关元件，其导通时间与关闭时间，受PWM信号的控制。欠压保护电路在电池电压降低到控制器设定值以下时，停止PWM芯片信号的输出，以保护电池不至于在低电压情况下放电。限流保护（或过流保护）电路是对控制器输出的最大电流进行限制，以保护电池、控制器、电机等不会出现允许范围以上的大电流。有刷控制器的代表型号ZK3615A，其典型电路图如下：有刷控制器ZK3615A典型电路图对有刷控制器来讲，一般有以下通用参数：标称项目使用参数额定电压匹配使用的电池额定电压额定电流允许长时间放电的最大电流欠压保护电池电压在保护数值以上允许给电机供电限流/过流保护允许短时间放电的最大电流使用温度控制器内部元器件能正常工作的温度范围转把信号可以正常调速的转把信号电压数值刹把信号刹车时，刹把信号的高低电位维修时，应根据电动车实际使用的环境（如温度等）和匹配的要求（如电池电压、转把信号、刹把信号、电机功率等参数），选择合适的控制器。2. 无刷控制器的模块与电路图典型的普通无刷控制器原理框图如上，其中：内部稳压电源提供控制器内部电子元件的工作电压。主处理芯片根据无刷电机的霍尔信号对上三路和下三路的MOS管驱动电路，给出有选择性的打开与关闭信号，以完成对电机的转向。同时，根据转把的输入电压大小，将相应脉冲宽度的载波信号，与下三路MOS管导通信号混合，以达到控制电机速度的目的。MOS管驱动电路将PWM信号整形放大，提供给MOS管。另外，对于上三路的三个MOS管来说，它们的驱动电平要求高于电池供电电压，因此MOS管驱动电路还要具有升压功能，将上三路的MOS管导通信号变成高于电池电压的超高方波信号。MOS管是大电流开关元件，其导通时间与关闭时间，受导通信号与PWM信号合成的混合信号控制。欠压保护电路在电池电压降低到控制器设定值以下时，停止PWM芯片信号的输出，以保护电池不至于在低电压情况下放电。限流保护（或过流保护）电路对控制器输出的最大电流进行限制，以保护电池、控制器、电机等不会出现允许范围以上的大电流。需要强调的是，无刷控制器相角必须和无刷电机相角一致，这样电机才能转动。三、 控制器分类产品系列型号功能无刷普通控制器WZK3615A欠压回升监测、减流、过流、欠压保护（无显示表头）WZK3615C欠压回升监测、减流、过流、欠压保护：助立、电动骑行模式：整车电气故障检测（电机转速信号输出）智能普通控制器WZK3615E欠压回升监测、减流、过流、欠压保护：助力、电动、定速骑行模式：整车电器故障检测（电机转速信号输出）WZK3615G欠压回升监测、减流、过流、欠压保护：助力、电动、定速骑行模式；自动模式转换；整车电气故障检测WZK3615KA助力、电动骑行模式；自动模式转换有刷普通控制器ZK3615A欠压、过流保护（无显示表头）ZK3615B欠压、过流保护（配显示表头）ZK3615C欠压、过流保护（无显示表头）有刷智能控制器ZKC3615E欠压回升监测、欠压、过流保护：助力、电动、定速骑行模式；按纽模式转换；整车电气故障检测ZKC3615G欠压回升检测、欠压、过流保护；助力、电动、定速骑行模式；自动模式转换；整车电气故障检测有刷智能控制器ZKC3615EA欠压回升检测、欠压、过流保护；助力、电动、定速骑行模式；按纽模式转换；整车电气故障检测ZKC3615GA欠压回升检测、欠压、过流保护；助力、电动、定速骑行模式；自动模式转换ZKC3615KA欠压回升检测、欠压、过流保护；助力、电动骑行模式；自动模式转换第二节 智能电动车故障检测介绍一、 智能型控制器能提供电动车整车的主要功能智能型电动车具有“1：1助力”、“电动”、“定速”三种骑行模式：A. “1：1助力”：当脚蹬车速大于2Km/h时，跟随骑行脚蹬力矩的大小，控制器按1：1电动力矩提供电机电流。B. “电动”：电动车随转把角度的变化，可在020Km/h范围内无级调速。C. “定速”：电动车可在020Km/h范围内锁定车速，定速行驶。二、 智能型电动车的电气部件故障自检功能智能型电动车具有整车电气故障自检功能，操作如下：先按住模式转换按纽或捏住电动车刹把，再打开整车电源，此时电动车处于整车电器部件检测状态，首先各指示灯闪3次，检测指示灯是否能正常工作，在此状态下，除电源指示灯外，其余各指示灯指示各电气部件的电路信号情况，具体检测方法为：A. 测指示电机的三个霍尔元件：缓慢转动电机，电量指示灯顺序指示三个霍尔元件的通电情况与电机磁钢的位置关系。转动电机时，三个指示灯应该是顺序变化，如果有的指示灯没有灭和亮的变化，则证明某霍尔元件损坏或接触不良。B. 判断无刷电机的相位代数角：在自检状态下，如果检测霍尔元件的指示灯点亮的顺序是100，110，111，011，001，000（其中1代表亮，0代表灭），则说明该无刷电机的相角是60度；如果检测霍尔元件的指示灯点亮的顺序是：100，110，010，011，001，101（其中1代表亮，0代表灭），则说明该无刷电机的相角是120度。也可以这样理解：如果三个霍尔元件没有同时全部是高电位和全部是低电位的状态，则说明该无刷电机是120度电机，反之是60度的电机（智能有刷控制器没有此项）。C. 检测指示：缓慢转动转把，“欠压”指示灯的闪烁率与转把转动角度呈对应关系。转把在原始位置，指示灯不闪，转把转动角度越大，指示灯闪的越快，表示转把信号正常，如果没有此对应关系，可能转把损坏或引线接触不良。D. 模式转换按钮检测指示：按住模式转换按钮，“助力”指示灯亮，松开则不亮。E. 断电刹把检测与指示：分别捏左右刹把，“电动”指示灯亮，表示断电刹把有效。F. 助力传感器检测与指示：缓慢转动脚蹬轮盘一圈，“定速”指示灯闪烁5次，表示传感器与感应磁钢工作正常，否则可能有以下几种可能发生：传感器接触不良、磁钢丢失、磁钢极性反向、磁钢与传感器距离太远。三、 智能型电动车整车操作说明A. 打开电源开关，控制器内部微电脑芯片进行程序自检，电动车进入“电动”骑行模式，此时电动车行驶速度完全受转把控制。B. 按一下模式转换按纽，电动车进入“1：1助力”骑行模式，电动车行驶速度取决于脚蹬力和电助力，电机的运行速度不受转把的控制，但一旦刹车，控制器立即停止对电机供电。此骑行模式适合道路情况比较复杂，电动车速度较低但又需要频繁改变速度的环境下使用，但是电动车骑行特别轻快，比一般自行车骑行还要省力，此时电动车的耗电很少，在“1：1助力”状态下行驶，电动车可以骑行130公里以上。在“1：1助力”骑行模式时，按一下模式转换按纽，可以切换到“电动”骑行模式。C. 当电动车在“电动”模式下行驶时，按住模式转换按纽，不要松开，1秒钟后，进入“定速”行驶模式，电动车以刚按下按纽时的车速锁定行驶速度，此时可以松开按纽和转把。当需要解除“定速”行驶，可以按一下模式转换按纽，或捏刹把，电动车可回到“电动”骑行模式。智能型电动自行车在行驶过程中，随着续行里程的增加，电池电压慢慢下降，控制器设有两级电压保护。一级电压保护时，欠压灯亮，连续欠压10秒钟以上，电动车跳到“1：1助力”状态，用户只可以“1：1助力”骑行，在“1：1助力”状态长时间骑行到二级电压保护时，“欠压”灯与“助力”灯将同时闪烁，此时控制器将停止对电机的供电，以免电池深放电，此时“1：1助力”灯与“欠压”灯保持闪烁状态，以警示欠压。如果电池电压回升，控制器也能识别此时的电压是回升电压，同样不能给电机供电。四、 过流减流保护功能装有智能型控制器的电动自行车整车在骑行时，控制器能根据转把转动角度，电机运行速度，电池电压数值，电机运行电流等参数判别电动车是处于何种负载（正常负载、轻微过载、严重过载）情况下运行，能针对不同的负载情况，运行最优化的驱动程序，可以始终使电机与电池处于良好的匹配状态。在驱动电机运行的过程中，控制器对电机进行“速度电流”相关控制，控制器判断电机电流与电动车车速是否在相关范围内，如果在相关范围内，控制器以不超过限流设定值为依据控制电动车车速；当电机电流与电动车车速严重不相关时，即使电机电流没有达到限流设定值，如果电机电流大于10A，控制器首先减流到10A供电，然后再次判断车速与电机电流的相关性，在相关范围内，进入正常供电模式；如果没有相关性，控制器进一步减流供电。控制器每否定一次相关判断，电机电流减小一半，直到控制器停止对电机的供电，让电动车进入“助力”骑行模式。如果电机堵转，控制器也能立即发现，同时停止对电机供电。这样，确保在各种负载情况下，用户都可以放心使用智能型电动车。第三节 控制器可靠性及质量判断1. 电动车控制器的实现方式与组成部分目前电动自行车用有刷无刷控制器普遍采用PWM调速方式，控制器内部必需要PWM发生器电路，另外还有电源电路，功率器件，功率器件驱动电路，控制部件（转把、刹把、电机霍尔等）信号采集与处理电路，过流与欠压等保护电路。2. 影响控制器可靠性的因素控制器的失效，从表现形式来看，一般有以下几种，1）功率器件损坏；2）控制器内部供电电源损坏；3）控制器工作时断时续。4）连接线磨损及接插件接触不良或脱落引起控制信号丢失。针对以上失效形式的起因分析如下：a) 功率器件的损坏，一般有以下几种可能：电机损坏引起的，功率器件本身的质量差或选用等级不够引起的，器件安装或振动、松动引起的，电机过载引起的，功率器件驱动电路损坏或参数设计不合理引起的。b) 控制器内部电源损坏，一般有以下几种可能：控制器内部电路短路，外围控制部件短路，外部引线短路。c) 控制器工作起来时断时续，一般有以下几种可能：器件本身在高温或地温环境下参数漂移，控制器总体设计功耗大导致某些器件局部温度过高而使器件本身进入保护状态，接触不良。d) 连接线磨损及接插件接触不良或脱落，一般有以下几种可能：线材选择不合理，对线材的保护不完备，接插件的选型不好，线束与接插件的压接不牢。3. 提高控制器可靠性的方案了解电动车控制系统可能发生故障点以后，有针对性的可靠性设计就有了目标。A. 首先是功率器件的型号，品牌，产地与供应商的选择，然后对功率器件的筛选老化，以上两点是提高功率器件可靠性前提。在此基础上，对功率器件安装工艺的设计和对功率器件驱动电路的设计才有意义，对无刷电机控制器而言，一般上三路功率管的驱动比较复杂，目前大多数厂家采用专用驱动芯片驱动。专用驱动芯片的不足之处是价格较高，内部的变频电路采用了有源电路，转换效率偏低，其主要的应用场合是在周围电路完全没有交流电存在情况下，利用其内部电路完成变频、升压与整流。在电动自行车无刷控制其中由于有了PWM信号，就可以直接从电机换相的交流信号中取出频率信号进行倍压整流，用于无刷控制器的上三路功率管的驱动，这样从电路原理上分析，有以下几点好处：1、降低驱动功率损耗，2、简化驱动电路，3、使用无源电路直接有效的提高驱动电路的可靠性。4、可以根据用户需要，很灵活的实现刹车对电机的电制动功能。B. 对于控制器的内部电源，为了防止控制器内部或外部短路对电源的损坏，同时也是出于对电源自身的保护，可以把电源设计成多路独立供电方式，这样既可以防止局部电路（转把、刹把、电机传感器等）发生短路而烧坏控制器，又可以防止电源电压异常升高而击穿外部器件。基于以上考虑，为降低电源自身的功耗，提高电源的转换效率，可以采用DC-DC模块（直流变换器）来实现。由于DC-DC模块的负载能力强，自身的功率损耗相当低（不到0.1W），这样在提高控制器的整体效率，降低控制器的运行温度方面有着线性稳压器无可比拟的优点。总之，在有刷或无刷控制器的电路中，由于控制器内部电源担负着模块电路与电动车外围控制器件的供电，因此控制器内部电源的可靠性就相当重要了，这样不但能提高整个控制系统的可靠性，同时也避免了在整车装配过程中由于误操作而损坏控制器。C. 要克服控制器对温度的敏感，第一是选择温度系数好的元器件，第二是从设计上降低模块电路的功率消耗，第三是尽量减少无用功消耗，第四是充分考虑到控制器的散热。如果采用无功率消耗的功率管驱动方案，加上高效率的DC-DC电源模块，可以将控制器的工作电流降低到30mA以下。在这里需要解释一下的是，在电动车控制器里，用于采样电流信号的小阻值大功率电阻器件属于控制器的功率器件之一，电流采样电阻的功率消耗属于无用功消耗，应该算控制器功率损耗的一部分，要减小控制器的功率，降低控制器的运行温度，可以利用电机的转速于电机电流的绝对对应关系，通过检测电机转动转速来监测电机电流，从而达到控制电流的目的。其中涉及的关键技术点是，一定要有电机堵转和换相信号丢失或错相监测，以免控制器功率管击穿或电机短路时，电流得不到控制。由于控制器直接读取转速电流，不但可以对过流保护或减流保护控制的非常精确，还可以利用转速信号与转把信号和电池电压信号的对应关系，判断出电机是处于什么样的负载情况下运行。如果是无刷电机，控制器可以针对不同的负载情况与不同的转速信号，选择最优化的驱动方案，这在优化了无刷控制器与电机负载的全功率匹配的同时也提高了无刷控制器的可靠性。D. 由于电动车电气系统信号的传输是用连接线束来完成的，出于提高电动车整车的可靠性和提高控制器本身的可靠性出发，对电动车连接线束与接插件的要求是：连接可靠，防水，防尘，抗振，防氧化，防磨损。基于以上要求，电动车连接线束与接插件要有完备的防护套，接插件一定要达到汽车级的接插标准，因为电动车的使用环境从某种意义上讲，比汽车的使用环境还要恶劣。4. 控制器实时保护功能对控制器可靠性的作用对于控制器的欠压保护功能，保护的是电池，过流保护功能不但保护了电机，还保护了控制器本身，这是控制器最基本的保护功能。如果控制器只具有欠压与过流（或限流）保护功能，实际上是把对电机的所有保护功能全部转化成过流（或限流）保护功能，这样对在复杂工况下使用的电动车电气系统来说，其设计可靠性就很低了。对于无刷电机控制器，由于输入控制变量与控制器使用的功率器件比较多，控制器可以利用各种信号对控制系统完成相当完善与相当灵活的保护，这些保护功能可以有：过流保护、减流保护、低电流过载保护、电机换相信号错误保护，在没有过流的情况下电机堵转直接保护等。无刷控制器通过直接读取各种控制信号，进行实时处理或保护，这种就可以大大提高无刷控制器的设计可靠性。从批量使用的效果来看，采用实时控制与保护技术的无刷控制器返修率可以控制在千分之二内。第三章 电动车电气知识300问第一节 电机篇1.什么是电机？答：电机是将电池电能转换成机械能，驱动电动车车轮旋转的部件。2. 什么叫绕组？答：电枢绕组是直流电机的核心部分，是铜质漆包线绕制的线圈。当电枢绕组在电机的磁场中旋转都会产生感生电动势。3. 什么叫做磁场？答：在永磁体或电流周围所发生的力场及凡是磁力所能达到的空间或磁力作用的范围。4. 什么叫做磁场强度？答：定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线1/2米远处的磁场强度为1A/m（安/米，国际单位制SI）；在CGS单位制（厘米-克-秒）中，为纪念奥斯特对电磁学的贡献，定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线0.2厘米远处的磁场强度为10e（奥斯特），10e = 1/4.103A/m。磁场强度通常用H表示。5. 什么叫安培定则？答：用右手握住导线，让伸直的大拇指方向跟电流方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。6. 什么叫磁通？答：磁通又叫磁通量：设在均强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁场的磁感应强度为B，平面的面积为S，我们定义磁感应强度B与面积S的乘积，叫做穿过这个面的磁通量。7. 什么是定子？答：有刷或无刷电机工作时不转动的部分。轮毂式有刷或无刷无齿电机的电机轴叫定子，此种电机可以叫内定子电机。8. 什么是转子？答：有刷或无刷电机工作时转动的部分。轮毂式有刷或无刷无齿电机的外壳叫转子，此种电机可以叫外转子电机。9. 什么是碳刷？答：有刷电机里面顶在换相器表面，电机转动的时候，将电能通过换相器输送给线圈，由于其主要成分是碳，称为碳刷，它是易磨损的。应定期维护更换，并清理积碳。10. 什么是刷握？答：在有刷电机里面盛装并保持碳刷位置的机械导槽。11. 什么是换相器？答：有刷电机里面，具有相互绝缘的条状金属表面，随电机转子转动时，条状金属交替接触电刷的正负极，实现电机线圈电流方向的正负交替变化，完成有刷电机线圈的换相。12. 什么是相序？答：无刷电机线圈的排列顺序。13. 什么是磁钢？答：一般用于称呼高磁场强度的磁性材料，电动车电机都采用钕铁硼稀土磁钢。14. 什么叫反电动势？答：由电机的转子切割磁力线而产生，其方向与外加电源相反，故称为反电动势。15. 什么是有刷电机？答：电机工作时，线圈和换相器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是靠随电机转动的换相器和电刷来完成的。在电动车行业有刷电机分高速有刷电机和低速有刷电机。有刷电机和无刷电机有很多区别，从名字上可以看出有刷电机有碳刷，无刷电机没有碳刷。16. 什么是低速有刷电机？有何特点？答：在电动车行业中，低速有刷电机是指轮毂式低速大转矩无齿轮传动有刷直流电动机，电机定转子相对转速就是车轮的转速。定子上的磁钢为57对，转子电枢的槽数为3957个。由于电枢绕组固定在转子外壳内，借助转动的外壳，热量容易散发。转动的外壳又编织着36根辐条，更有利热的传导。17. 有刷有齿电机的特点？答：有刷电机中因为有电刷，其主要隐患就是“电刷磨损”，用户应该注意到有刷电机又分为有齿和无齿两种。目前许多厂家选用有刷有齿电机，它是一种高速电机，所谓“有齿”就是通过齿轮减速机构，将电机转速调低（因国标规定电动自行车时速不得超过20公里，故电机转速应在170转/每分钟左右）。由于是高速电机通过齿轮减速，其特点是启动时骑行者感觉动力强劲，而且爬破能力较强。但是电动轮毂是封闭的只是在出厂前加注了润滑剂（油），用户很难进行日常保养，而且齿轮本身也有机械磨损，一年左右因润滑不足导致齿轮磨损加剧，噪音增大，使用时电流也增大，影响电机和电池寿命。18. 什么是无刷电机？答：由控制器提供不同电流方向的直流电，来达到电机里面线圈电流方向的交替变化。无刷电机的转子和定子之间没有电刷和换相器。19. 电机如何实现换相？答：无刷或有刷电机在转动时，电机里面线圈的通电方向需要交替变换，从而达到电机能连续转动。有刷电机的换相靠换相器和电刷共同完成，无刷电机靠控制器来完成。20. 什么是缺相？答：无刷电机或无刷控制器的三相电路中，有一相不能工作。缺相分主相位缺相和霍尔却相。表现为电机抖动不能工作，或转动无力且噪音大。控制器在缺相状态下工作是很容易烧毁的。21. 电机常见的种类有哪几种？答：常见的电机有：有刷有齿轮毂电机、有刷无齿轮毂电机、无刷无齿轮毂电无刷有齿轮毂点电机、侧挂电机等。22. 从电机的种类上怎么区分是高低速电机？答：A. 有刷有齿轮毂电机、无刷有齿轮毂电机属于高速电机；B. 有刷无齿轮毂电机、无刷无齿轮毂电机属于低速电机。23. 电机的效率是怎么定义的？答：电机的效率是指电机所输出的机械能与电源所提供的电能之比。用字母“”表示。24.为什么要选择电机的功率？选择电机功率的意义何在？答：电机额定功率的选择是一个很重要又很复杂的问题。负载时，如果电机额定功率过大，电机就经常处于轻载运行，电机本身的容量得不到充分发挥，变成“大马拉小车”，同时电机运行效率低、性能不好，都会增加运行费用。反过来，电机额定功率要求得小，那便是“小马拉大车”，电机电流超过额定电流，电机内损耗加大，效率降低是小事，重要的是影响电机的寿命，即使过载不多，电机的寿命也会减少较多；过载较多，会破坏电机绝缘材料的绝缘性能甚至烧毁。当然，电机额定功率小，可能根本就拖不了负载，会使电机长时间处于启动状态而过热损坏。所以应该严格按照电动车运行情况选定电机的额定功率。25.无刷电机是如何分类的？答：从相角上可分为两个大类，即分为60和120相位角的无刷电机；按速度分，可分为高速无刷电机和低速无刷电机；按电机是否具有位置传感器来分，又分为有位置传感器无刷电机和无位置传感器无刷电机。26.什么是无位置传感器无刷电机？答：对于无位置传感器无刷电机，必须要先将电动车用脚蹬起来，使电机具有一定的旋转速度以后，控制器才能识别到无刷电机的相位，之后控制器才能对电机供电。因其不能实现零速启动，所以用的很少。但其因为没有传感器，所有少了一个故障点，而且其成本更低。27.一般直流无刷电机为什么要有三个霍尔？答：简要的说，直流无刷电机为了能转动，必须使定子线圈的磁场和转子永久磁体的磁场之间始终存在一定的角度。转子转动的过程也就是转子磁场方向改变的过程，为了使二者磁场存在角度，到一定的程度后，定子线圈的磁场方向必须改变。那么怎么知道要改变定子磁场方向了呢？那就靠那三个霍尔了。可以认为那三个霍尔肩负着告诉控制器何时改变电流方向的任务。28.无刷电机霍尔的耗电量大致范围是多少？答：无刷电机霍尔的耗电量大致范围是6mA-20mA不等。29.无刷电机霍尔的电压范围是多少？答：无刷电机霍尔的电压范围一般是324V。30.一般电机在多高的温度下能够正常工作？电机最多能够承受多高的温度？答：如果测量电机盖的温度超过环境温度25度以上时，表明电机的温升已经超出了正常范围，一般电机的温升应该在20度以下。一般电机线圈是由漆包线绕制而成，而漆包线在温度高于150度左右时其漆膜会因为温度过高而脱落，造成线圈短路。当线圈温度在150度以上时电机外壳所表现出的温度在100度左右，所以如果以其外壳温度为依据则电机所承受的最高温度为100度左右。31.电机的温升应在20C以下，即电机端盖的温度超过环境温度应小于20C，但电机发热超过20C的原因是什么？答：电机发热的直接原因是由于电流大引起的。一般可能是线圈短路或开路、磁钢退磁或电机效率低等造成，正常情况则是电机长时间大电流运转。32.什么原因导致电机会发热？这是一个怎样的过程？答：电机负载运行时电机内有功率损耗，最终都将变成热能，这就会使电机温度升高，超过了周围环境温度。电机温度比环境温度高出的值称为温升。一旦有了温升，电机就要向周围散热；温升越高、散热越快。当电机单位时间发出的热量等于散出的热量时，电机温度不再增加，而保持着一个稳定不变的温度，即处于发热与散热平衡的状态。33.一般电机的允许温升是多少？电机的温升对电机中的哪个部分影响最大？是怎么定义的？答：电机负载运行时，从尽量发挥它的作用出发，所带负载即输出功率越大越好（若不考虑机械强度）。但是输出功率越大、损耗功率P越大，温升越高。我们知道，电机内耐温最薄弱的东西是绝缘材料，如漆包线。绝缘材料耐温有个限度，在这个限度内，绝缘材料的物理、化学、机械、电气等各方面性能比较稳定，其工作寿命一般越为20年。超过了这个限度，绝缘材料的寿命就加剧缩短，甚至会烧毁。这个温度限度，称为绝缘材料的允许温度。绝缘材料的允许温度，就是电机的允许温度；绝缘材料的寿命，一般就是电机的寿命。环境温度随时间、地点而异，设计电机时规定取40C为我国的标准环境温度。因此绝缘材料或电机的允许温度减去40C即为允许温升，用 max表示。不同绝缘材料的允许温度是不一样的，按照允许温度的高低，电机常用的绝缘材料分为A、E、B、F、H五种。按环境温度为40C计算，这五种绝缘材料及其允许温度和允许温升如下表所示：等级绝缘材料允许温度/C允许温度/CA经过浸渍处理的棉、丝、纸板、木材等，普通绝缘漆10565E环氧树脂、聚脂薄膜，青壳纸，三醋酸纤维薄膜，高强度绝缘漆12080B用提高了耐热性能的有机漆作粘合剂的云母、石棉和玻璃纤维组合物13090F用耐热优良的环氧树脂粘合或浸渍的云母、石棉和玻璃纤维组合物155115H用硅有树脂粘合或浸渍的云母、石棉和玻璃纤维组合物，硅有机橡胶18014034.怎样测量无刷电机的相角？答：接通控制器电源，由控制器给霍尔元件供电，就可以检测到无刷电机的相角了。方法如下：用万用表的+20V直流电压档，并将红表笔接+5V线，黑表笔分别测量三个引线的高低电压（这里的红黑表笔的用法上有一个技巧），按60及120电机的换相表对照即可。35.为什么任意一台直流无刷控制器和直流无刷电机不能随意接上就能正常转动？为什么直流无刷会有倒相序一说？答：一般来说直流无刷电机在实际转动中是这样的一个过程：电机转动-转子磁场方向改变-当定子磁场方向和转子磁场方向的夹角到60度电角度时-霍尔信号改变-相线电流方向改变-定子磁场向前跨越60度电角度-定子磁场方向和转子磁场方向的夹角变为120度电角度-电机继续转动。这样我们就明白了，霍尔有六种正确的状态。当特定的霍尔状态告诉控制器时，控制器就有特定的相线输出状态。所以倒相叙就是要完成这样一个任务，就是使定子的电角度始终按一个方向以60度电角度步进。36.如果60的无刷控制器用在120无刷电机上会有什么状况？反之又如何？答：都会导致缺相的现象，不能正常运转；一种智能型无刷控制器能够自动识别60电机或120电机，从而可以兼容适配二种电机，使得维修更换更加容易。37.直流无刷控制器和直流无刷电机怎样能倒出正确的相序？答：第一步要保证霍尔线的电源线（红线+5V）和地线（黑线）与控制器上相对应的线插接好，而三个电机霍尔线（细线）与三个电机线（粗线）对控制器的接法共有36种，最简单而笨的方法是每种状态逐一试验。换接时可以不断电进行，但一定要仔细，也要有一定的次序。要注意每次拧转把不要太大如果电机转动不顺利（抖动或噪音很大），则这种状态就是不对的，转把拧的太大就有损控制器。如果出现反转的情况，在知道控制器的相序的情况下就是把控制器霍尔线a、c互换，电机线A相与B相互换，即可倒为正转。最后验证接的正确的方法是大电流运转时正常。38.如何用120度无刷控制器控制60度电机？答：在无刷电机霍尔信号线b相与控制器采样信号线之间加反向电路即可。 +5V电机霍尔信号b39.有刷高速电机和有刷低速电机有什么直观上的区别？答：A. 高速电机有超越离合器（象飞轮一样的功能），往一个方向转轻松，往另一个方向转费力；低速电机双向转都一样轻松。B. 高速电机的车转动时噪音较大，低速电机转动噪音较小。有经验的人很容易凭耳朵识别。40. 根据国家的标准，直流电机的额定数据有哪些？答：1. 额定容量（功率）PN（KW）；2. 额定功率PN（KW）；3. 额定电压UN（V）；4. 额定电流IN（A）；5. 额定转速NN（r/min）；6. 励磁方式和额定励磁电流IfN（A）41. 直流电机的功率是怎样定义的？答：电机接通电源后，转子的线圈便在磁场中受力，于是转子产生了电磁转矩，在电磁转矩的作用下是电机旋转起来。此时由于旋转作用，向转子轴上的输出的机械功率成为电机的功率。42. 什么是电机的额定运行状态？答：在电机运行时，若各个物理量都与它的额定值一样，就称为额定运行状态，在额定运行状态下工作，电机能可靠的运行，并具有最好的综合性能。43.电机的额定转矩是怎么算出来的？答：电机轴上输出的额定转矩可以用T12n表示，其大小是输出的机械功率额定值除以转角速度的额定值，即T2n+=Pn其中Pn的单位为W、Nn的单位为r/min、T2n单位是N.M，如果PNM单位用KN，系数9.55改为9550。故可以得出如果在电机额定功率相等的条件下，电机的转速越低其转矩越大。44. 电机的启动电流是怎样定义的？答：一般要求电机的启动电流不能超过其额定电流的25倍，这也是为什么在对控制器上做限流保护的一个重要原因45. 市场上销售的电机转速为什么越来越高？及有何影响？答：A. 供应商方面提速可以降低成本，同样是低速电机，速度高了线圈的匝数少了、也省了硅钢片、磁钢数目也少了，购买者认为速度高就好。B. 额定速度工作时，其效率不变，但在低速区时效率明显低了，也就是启动无力。C. 效率低，需要用大电流启动，骑行电流也大，对控制器的限流要求大，对电池也不好。46. 出现电机异常发热怎么维修？答：维修处理的方法一般为更换电机，或进行维护保养。47. 电机的空载电流大于参考表极限数据时表明电机出现了故障，产生的原因有哪些？怎么维修？答：电机内部机械摩擦大；线圈局部短路；磁钢退磁；直流电机换相器积碳。维修处理的方法一般为更换电机，或更换碳刷，清理积碳。48. 各种电机的无故障最大极限空载电流是多少？（只供参考）答：电机形式额定电压24V时额定电压36V时侧挂电机2.2A1.8A高速有刷电机1.7A1.0A低速有刷电机1.0A0.6A高速无刷电机1.7A1.0A低速无刷电机1.0A0.6A49. 电机的空转电流如何测量？答：将万用表置于20A档位，将红黑表笔串联接在控制器的电源输入端。打开电源，在电机不转的情况下，记录下此时万用表的最大电流A1。转动转把，使电机高速空载转动10s以上，等待电机转速稳定后，开始观察并记录此时万用表的最大数值A2。电机的空转电流=A2-A1。50. 电动车常用电机的比较：答：电机形式传动形式电机效率爬坡性能维护周期体积维护内容噪音成本无刷无齿无刷低速外转子电机、直接驱动80%一般无大无小低无刷有齿高速无刷电机、行星齿轮减速83%好3年左右小润滑齿轮中高有刷有齿高速有刷电机、2级齿轮减速78%好1年左右大更换碳刷、润滑齿轮大高有刷无齿低速有刷外转子电机、直接驱动76%差2年左右小更换碳刷、清理积碳小低51. 电机的引线方式有哪些？答：电机形式出线形式备注无刷无齿出线8根，三根粗线A、B、C，5根细线为霍尔电源线及霍尔a、b、c；一般定义为电源（红）、地线（黑）、黄（SA）、兰（SB）、绿（SC）。只有8根线都接对了，电机才正常运转。理论上有36种接法，有6种是可以转动的，其中三种正转，三种反转。其他接法电机不转或抖动，犹如缺相；若电机反转有两种办法解决：1.把后轮反装；2.电机的粗线A、B互换插，霍尔信号细线SA、SC互换插。无刷有齿有刷无齿出线2根，电机正负极接反则电机反转，对电机无影响有刷有齿出线2根，电机正负极接反内部电机心反转，可以听见电机转动的声音，但实际看不见电机转动52. 如何识别电机的