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单片机调控电动自行车速系统设计,单片机,调控,电动,自行,车速,系统,设计
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I 目录 目录 . 毕业设计任务书 . 调研报告 . 摘要 . 第 1 章 概述 . 1 1.1 电动自行车的意义及发展状况 . 1 1.1.1 电动自行车的意义 . 1 1.1.2 电动自行车的发展状况 . 2 1.2 本课题的主要任务 . 3 第 2 章 电动自行车的研究 . 5 2.1 直流无刷电机原理简介 . 5 2.1.1 直流无刷电机的发展 . 5 2.1.2 直流无刷电机的运行原理 . 5 2.2 电动自行车的驱动电机原理 . 7 2.2.1 有位 置传感器的直流无刷电机原理 . 8 2.2.2 无位置传感器的直流无刷电机原理 . 9 2. 3 电动自行车的转矩 . 10 2. 3. 1 直流无刷电机的平均电磁转矩 . 10 2.3.2 电动自行车的转矩 . 12 第 3 章 直流无刷无位 置传感器电动自行车的控制设计 . 13 3.1 无位置传感器直流无刷电机的数学模型 . 13 3.2 电动自行车的启动方法 . 15 3.3 电动自行车的运行参数显示功能设计 . 17 3.3.1 速度显示 . 17 3.3.2 蓄电池的容量 显示 . 18 第 4 章 驱动控制的硬件设计 . 20 4.1 PIC 单片机简介 . 20 4.2 直流无刷无位置传感器电动机的反电势检测及换向控制 . 21 4.3 驱动电路 . 22 4.4 调速和过流保护 . 24 nts II 4.4.1 电动自行车的调速 . 24 4.4.2 过流保护 . 25 4.5 液晶显示电路 . 26 第 5 章 系统软件构成 . 28 5.1 系统主程序结构 . 28 5.2 中断程序 . 29 5.2.1 反电势过零中断 . 29 5.2.2 定时中断 . 30 5.2.3 A/D 中断 . 32 5.3 程序编写过程中的注意事项 . 34 总 结 . 35 参考文献 . 36 致 谢 . 37 附录 主程序流程图 . 38 外文翻译 . 39 nts III 毕业设计任务书 2013 年 03 月 28 日 毕业设计题目 单片机调控电动自行车速系统设计 指导老师 李润海 职称 工程师 专业名称 机电一体化 班级 机电 21081 学生姓名 刘杰 学号 2060108117 设计要求 本课题研制的电动自行车用无位置传感器直流无刷永磁电动机来驱动，用 PIC16C74 单片机作为主控芯片，它不仅克服了有刷直流电机的噪音、换向火花等缺点，而且避免了有位置传感器直流无刷电机因位置传感器带来的不足；同时，它降低了制造和使用过程中的成本，提高了使用和维护的方便性，具有效率高、环保、经济和方便的特点以及具有良好运行性能和巨大的市场潜力。 完成毕业课题的计划安排 序号 内容 时间安排 1 确定论文题目，得出研究方向和研究计划 2.26-3.03 2 资料收集与整理 3.04-3.11 3 确定论文大纲，得出论文框架 3.12-3.27 4 完成论文并检查修改 3.28-4.18 5 查阅中英资料翻译并定稿 4.19-4.25 答辩提交资料 PLC 竞赛器设计说明书 计划答辩时间 2013 年 4 月 27 日 无锡职业技术学院 控制技术学院 2013 年 03 月 03 日 nts IV 调研报告 当前电动自行车管理存在的问题及思考随着科学技术的高速发展，城市 交通 的日新月异，各种新型交通工具也在不断面世，自行车这种在我国百姓出行代步的重要交通工具，其外观、性能等也在发生不断变化。 1996 年，我国第一辆电动自行车 大陆鸽 在南京研制成功，此后 ,电动自行车便作为一种新型交通工具，以其轻便、灵活、省力、操作简易等优点得到越来越多的消费者的青睐。随着道路上电动自行车的不断增加，关于电动自行车的争议也越来越多，尤其是电动自行车属于机动车或是非机动车的定性以及其合法性的问题，已成为众多业内 人事 关注的焦点。 2004 年 5 月 1 日，中华人民共和国道路交通安全法正式颁布，条款规定将电动自行车定性为非机动车，各地可以根据具体情况对其进行管理登记，但目前我国除北京、广州等大城市实现了对电动车统一管理外，多数省份仍未能及时出台相应法规制度，对电动车的管理仍处于观望阶段。尽管电动自行车在我国大部分地区未能上牌，仍属于“黑户”，但随着电动自行车在速度、外型等方面的不断更新，使得电 动自行车的消费者群体也在日益扩大， 1998 年，我国电动车销售量仅为 6 万辆 ,2003 年则升至 400 万辆 ,面对着电动车队伍的日益扩大 ,研究制定符合广西发展的电动自行车管理对策，及时出台与之相适应的管理法规，进一步改善交通秩序，提高交通管理水平，已成为我区交通管理部门所面临的一个重要问题。 （一）道路交通秩序管理方面 当前，我区电动自行车在车辆定性上仍属于非机动车范畴，因此，在我区各城市道路上，电动自行车仍与自行车、畜力车等混合行驶在非机动车车道内。据研究资料表明，自行车在有隔离带的道路上行驶，平均车速约为 17.8 公里每小时，但如与其他车辆混合行驶，如道路内车速在 30 公里每小时的车辆占 20%以上，自行车的平均车速则会下降至 13 公里每小时甚至更低。因此，电动自行车车速越来越快，不但会对非机动车道内自行车等非机动车形成严重干扰，降低路通行能力，易造成交通堵塞，还容易引发交通事故，造成严重后果。 （二）道路交通事故处理方面 随着道路上电动自行车的日益增多，电动车所引发的道路交通事故数量也在逐渐上升 ,今年 7月 20 日 ,我国甚至出现了第一例电动自行车撞死人的交通事故。目前 ,因我区电动自行车在定上仍属于非机动车，这便使得道路交通 管理部门在交通事故处理中对责任难以认定。例如，假设路面上电动自行车与摩托车发生事故，在电动自行车属于非机动车的前提下，应遵循道路交通安全法中所规定的“行人与非机动车无过错”原则进行责任认定，但由于目前我区路面上行驶的电动自行车在整车质量、车型、车速上已经达到轻便摩托车甚至普通摩托车的标准，如在电动自行车上运用“无过错原则”，不仅违反了道路交通事故责任认定中的因果关系推理原则，还与“无过错原则”的“以人为本”的初衷相驳。同理，当电动自行车与非机动车发生交通事故时，电动自行车与自行车同属于非机动车范畴，我 公 安 交通管理部门在责任认定也难以把握公正尺度，容易对交通事故责任认定工作造成困绕。除此之外，因我区电动自行车目前未能对电动自行 车实行登记上牌，更不存在第三者责任 保险 ，这便容易使部分电动自行车驾驶员在发生交通事故后产生畏罪心理和侥幸心理，造成肇事后逃逸现象，由于车辆无号牌，发生逃逸事故后也难以侦破，对交通管理工作产生严重影响。 nts V （三）车辆和驾驶员管理方面 当前 ，在我区自行车销售市场上，有相当部分电动自行车未能通过安全技术检验标准，车辆的各方面安全性能、技术性能没有得到保证。但由于我区目前缺少对电动自行车的统一管理，使得在路面上行驶的电动自行车得不到公安交通管理部门提供的技术监督，车辆安全系数得不到保障。此外，在电动自行车的驾驶员中，有相当一部分驾驶“轻摩化”电动自行车的驾驶员未经过摩托车驾驶考试，未取得驾驶资格，对车辆驾驶操作技巧以及相关道路交通法规缺乏必要的认识，素质较低。在对电动自行车车辆与驾驶员的缺少统一管理的情况下，道路交通事故隐患也在不断产生，对道路交 通管理工作也产生了不良影响。 三、解决电动自行车所存在问题的对策建议 我区电动自行车的存在，存在一定社会因素和深层次矛盾，涉及面广、人员复杂。因此，为了做到既解决问题，又要保障社会稳定，整治工作的原则应该是：区别对待、分类治理、标本兼治、全面推进。为此试提出如下管理建议： （一）明确分类，准确定性 目前，我区甚至我国大部分地区之所以在电动自行车管理上存在较多漏洞，其中一个重要原因便是电动自行车分类概念模糊，车辆类型定性不清，“身份不明”。因此，将电动自行车和电动摩托车明确区分开来，是管理工作的一个关键。 2004 年 10 月 1 日我国出台的机动车运行安全技术条件 gb72582004 国家标准中对摩托车规定为“无论采用何种驱动方式，其最高设计车速大于 50 公里每小时，若使用内燃机，其排量大于 50ml 的两轮或三轮车辆”。该标准同时还规定：“使用电动驱动的车辆，设计时速大于 20 公里每小时而小于 50 公里每小时的二轮或三轮车辆为轻便摩托车”。依据此标准和电动自行车通用技术条件，我们不难判断，只有时速在 20 公里以下，整车质量不超过 40 公斤的电动自行车符合其定义，应属非机动车范畴。而其他时速超过 20 公里，整车质量超过 40 公斤的 车辆，则应定性为摩托车，应按照机动车辆的身份进行管理。 （二）规范电动自行车车辆生产企业和销售市场 目前，部分电动自行车厂商为了迎合消费者的心理，将电动自行车时速随意提高，所制造的电动摩托车不但各方面技术条件远不符合国家标准，各方面安全系数也得不到保证。而部分电动自行车生产厂家为了掩人耳目，在车身上安装了限制车速的限速销，将车速限制在 20 公以下，但这种极易拔除的限速销在拔销后，车速便能立刻提高到 40 公里以上。而更有部分销售商在出售车辆时为了达到盈利的目的，不顾消费者的人身安全，在销售车辆时帮助消费者拔除电动 自行车上所安装的限速销，以达到提高车速的目的。因此，只有迅速出台相关政策和法规，进一步规范我区电动自行车生产和销售企业，坚决杜绝电动自行车市场上以销售电动自行车的名义出售电动摩托车的这种“挂羊头卖狗肉”现象，我们才能从源头上对目前存在的这种违规车满街跑的现象进行控制，而不会出现“一边卖、一边抓”的混乱局面，为我们公安 机关 交通管理部门的管理工作提供有利的执法环境。 （三）加大路面执法力度 除了要对电动自行车生产企业进行规范管理外，我们公安交通管理部门还应该加大对路面上所行驶的电动自行车管理力度，并结合实际，在全区范围内开展电动自行车专项治理行动。对于不符合国家规定 ,违规生产的各种电动摩托车 ,公安机关交通管理部门应出台相关规定禁nts VI 止其上路行驶。对符合规定的电动自行车，公安机关交管部门则应准许其上路。对于路面上行驶的电动自行车，交通管理部门除按照中华人民共和国道路交通安全法中对非机动车的相关规定对其进行管理外，还应加大路面检查力度 ,检查电动自行车的最高时速是否超过规定 值，杜绝非法改装电动自行车的现象，将电动自行车在非机动车道内的行车速度控制在道路交通安全法所规定的 15 公里每小时以内，以免对车道内其他非机动车造成干扰，同时也避免形成交通隐患。 （四）加大 宣传 力度，提高群众认识 目前，我区大多数百姓对电动自行车认识不足，不能很好地区分电动自行车与违规制造的电动摩托车的区别，在购买车辆时抱着求快心理，因此容易走进误区，购 买了违规制造的车辆。因此，我们在日常交通管理宣传工作中要加大对电动自行车相关知识的宣传力度，通过各类媒体宣传、交通安全课、展出图片等方式， 教育 群众区分电动自行车和电动摩托车的区别，并结合交通事故案例，要求群众以保护自身安全为主，打消群众在买车时的求快心理。同时，对于电动自行车的驾驶员，我们在开展宣传教育时还要重点加强其对相关道路交通 法律 法规的认识，提高电动自行车驾驶员的整体素质，为我们对电动自行车开展整治工作创造一个有利的执法环境，使我们的交通管理工作取得事半功倍的效果。 电动自行车的管理是目前我区道路交通安全管理的难点、热点问题，又是必须加以解决的一个重点问题 ,这是一项艰苦的工作，决不能依赖于短期的突击治理而解决。在交通管理中，我们必须结合我区的实际情况 ,边研究、边 总结 、边 实践 ，以取得良好的效果，从而推动整个交通管理工作达到一个新的水平 ,为道路交通管理工作取得一个良好的成绩。 nts VII 摘要 ： 近年来，随着人们生活的改善，摩托车、燃油助力车得到迅速发展，其排放的尾气已造成 城市空气严重污染，一些城市相继制定法规限制摩托车、燃油助力车的使用来保护环境。发展短距离的绿色交通工具替代摩托车、燃油助力车成为一些国家的经济和社会课题。 电动自行车具有 “ 零排放 ” ，是一种比较好的短距离绿色交通工具。由于电池问题，限制了电动自行车的行驶距离，但可以通过提高系统的效率来改善其性能。 本课题研制的电动自行车用无位置传感器直流无刷永磁电动机来驱动，用 PIC16C74 单片机作为主控芯片，它不仅克服了有刷直流电机的噪音、换向火花等缺点，而且避免了有位置传感器直流无刷电机因位置传感器带来的不足；同时，它 降低了制造和使用过程中的成本，提高了使用和维护的方便性，具有效率高、环保、经济和方便的特点以及具有良好运行性能和巨大的市场潜力。 关键词 ： 电动自行车；位置传感器 ； 直流无刷电动机 ； 单片机控制 nts VIII Abstract:In the recent years， the motorbike has rapidly developed with the improving of living Chinese People. Because of air pollution of internal combustion engine the local governments of different cities in China come on a lot of rules of law to restrict the use of combustion engine and then to promote the environment protection. To replace the motorbike with a short green transportation has become some nations economic and social issue. This paper deals with an electric motor driven bike (EB) and its control stratagem. Without fail， EB 15 very helpful to environment protection. Nevertheless EB has its disadvantages， especially the too weak continuous run distance. Except the battery problem， the efficiency of the whole system 15 also one of the most important problems to be solved. A permanent brush-less and sensor-less DC motor and its control set are specially designed for this developed EB.A study on control stratagem and electronic resorts are given in this paper. A microchip PIC16C74 used as CPU and corresponding software developed by author 15 introduced in this control system. The experiments of the prototype show that the performance， including system efficiency， noise， spark，maintenance-free and its cost are obviously improved. It may be expected， that this EB driving system has really huge market potential. Key Words: Motor Bike； Position Sensor； BLDC Motor； Microcomputer controlled nts 1 第 1 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，环境问题已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气体。具统计，在美国城区的大气中， 43%的非甲烷有机物、 57%氧化氮和 82%一氧化碳都是由燃油机动车废气排放产生的，而全世界 20%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已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，1995 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 76%、 93%和 44%；一些城市如上海、广州、合肥、济南等，己相继出台政策法规，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，已是时代的需要。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： （ 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nts 2 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 20 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 GB 17761-1999）其速度不能超过 20km/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 30%左右，而电动自行车的效率可以达到 70%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。 正是由于以上原因，电动自行车逐渐受到人们的欢迎。 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 1993 年雅马哈公司的 PAS（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 1996 年电动自行车的销售量在 20 万辆以上，1998 年 6、 7 两个月日本共生产电动自行车 29432 辆，据报道日本电动自行车的需求量在 750万辆，而且每年以 5%10%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 50 多家公司参与电动自行车、电动助力车的研究开发，共生产出 48 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 24V 或 36V，功率在180W250W 之间；蓄电池一般以镍铬或镍氢为主，容量 在 5 10Ah 之间，充电一次行驶里程约 2540Km；车速低于 24Km/h。 美国的电动自行车年需求量在 1500 万辆左右，每年以 5%10%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 1998 年 6月推出的一款电动自行车，年销售目标在 1000 万辆。美国 ZAP（ Zero Air Pollution）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，nts 3 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 1000 万辆左右。德国的 MSG 公司、 DIAMANT公司、 SAGHS 公司、英国的 ASGHBAGH 公司、奥地利的 VEIECKRO 公司、 SCHACHANER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 7080 年代经历了几次大起大落之后，到 90 年代初又再度形成热点，顺应了 20 世纪世界环保的潮流。从 1996 年的“上海国际自行车展览会”到 1997 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 20 多家一跃发展到 100 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。 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 100 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 24V、 36V 或 48V，功率在 150W400W 之间；蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为 12Ah，充电时间在 38 小时左右，充电一次行驶里程约 50Km左右；车速低于 20Km/h，爬坡能力在 4 度上下；车型有普通型和豪华型，车重约 35Kg，载重量约 75Kg，百公里耗电量 1Kwh 左右。 1.2 本课题的主要任务 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。 因此，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，同时设计出方便用户使用的电动自行车 运行参数显示和防盗系统。 本论文主要内容包括： nts 4 l、根据直流无刷电机的原理，利用美国 Microchip 公司生产的芯片 PIC16C74A 做为主控芯片，检测直流无刷电机运转时产生的反电势来确定转子的位置，从而确定换向点和换向时刻。 2、利用液晶技术，设计出电动自行车的运行过程中的参数显示系统。 3、实验、计算、分析结果得出结论。 nts 5 第 2 章 电动自行车的研究 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 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 120 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献转矩除了平均转矩之外，还有脉动分量。由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。 nts 6 图 2-1 逆变器主电路 电子换向逆变器主电路如图 2-1 所示， AA 、 BB 、 CC代表直流无刷电动机的三相定子绕组，采用 Y 型连结，逆变器为两两通电方式， 120导电型。首先假设转子处于图 2-2(a)的位置，若此时使 V3、 V4 导通，则电流从 B 端流入， A 端流出，定子磁动势为 Fa，如图 -2(a)示，在 Fa 的作用下，转子将顺时针旋转，转到图 2-2(b)的位置时， 图 2-2 无刷直流电动机的运行原理图 如果使 V4、 V5 导通，则电流由 C 端流入， A 端流出，定子磁动势为 Fb，在 Fb 的作用下，nts 7 转子将继续顺时针旋转，依次类推，如果每隔 60 电角度顺序使 V5 和 V6、 V1 和 V6、 V1和 V2、 V3 和 V2 两两导通，即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60 120 之间。其各相绕组导通示意图如图 2-3 所示。 图 2-3 各相绕组导通示意图 由上述 的分析可见，要使直流无刷电动机正确的换相运行，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 30（ 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的获得转子的位置信息。 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 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 3000 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。 nts 8 2.2.1 有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主要由电动机的 本体、位置传感器和电子开关线路三个部分组成，其原理框图如图 2-4 所示。有位置传感器的直流无刷电机的电流换向主要是通过位置传感器测得转子位置，确定功率开关器件的导通或关闭，其结构原理图如图 2-5 所示，位置传感器是由六只光电器件 Pl、 P1 、 P2、 P2 、 P3、 P3 组成，位置各 图 2-4 有位置传感器的直流无刷电机原理框图 相差 60 ，均匀分布在电机的一端，借助安装在电机轴上的旋转遮光板（或称截光器）的作用，使得从光源依次照射在各个光电器上，并依照某光电 器是否被照射到光线来判断转子的位置。当某光电器被光照射到时，它所连接的功率开关器件就导通，当某光电器没有被光照射到它所连接时的功率开关器件就关闭。图 2-5 中旋转遮光板所在位置，光电器 P2、 Pl 被光照射到，它所连接的 V3、 V4 导通，其所对应的转子位置和绕组产生的磁动势 Fa 如图 2-2(a)所示；当电机按顺时针方向运转，光电器依次是 pl 、 P3， P3、 P2 ， P2 、 Pl， P1、 P3、，P3 、 P2 被光照射到使得它们所对应连接的功率开关器件 V4、 V5， V5、 V6， V6、 V1， V1、V2 ， V2、 V3 依次导通， 其所对应的转子位置和绕组产生的磁动势 Fa 分别如图 2-2(b)、 2-2(c)、2-2(d)、 2-2(e)、 2-2(f)所示，从而实现直流无刷电机的换向。 图 2-5 有位置传感器无刷电机的结构原理图 直流电源 开关电路 电动机本体 位置传感器 nts 9 2.2.2 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置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 2-6 所示。由图 2-2 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 60 的电角度是连续的，由于电难度极大，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 2-7 中可以看出，反电势在60 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 30 ，故可以通过检测反电势过零点，再延时 30换向。以图 2-2 为例，假设转子在图 2-2 (a)所示的位置为
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