电动自行车用经济型开关磁阻电动机驱动系统

控 制 微 特 电 机 2006年 第 5期 电动自行车用经济型开关磁阻电动机驱动系统24 收 稿 日 期 : 2005 - 11 - 03电 动 自 行 车 用 经 济 型 开 关 磁 阻 电 动 机 驱 动 系 统周 涛 ,詹 琼 华 ,王 双 红(华 中 科 技 大 学 ,湖 北 武 汉 430074)l Sw r W 30074 , 要 :开 关 磁 阻 电 机 驱 动 系 统 ( 特 点 决 定 了 其非 常 适 合 于 车 辆 负 载 。 针 对 电 动 自 行 车 应 用 的 特 点 ,介 绍 了基 于 单 片 机 的 控 制 方 案 ,由 此 可方 便 地 实 施 开 关 磁 阻 电 机 的 合 控 制 ,经 济可 靠 ,有 广 阔 的 应 用 前 景 。关 键 词 :开 关 磁 阻 电 机 ;电 动 自 行 车 ; 分 类 号 : 41 文 献 标 识 码 : 编 号 : 1004 - 7018( 2006) 05 - 0024 - 03 is to of a on m is WM PC of It is 言随 着 社 会 文 明 的 发 展 ,科 学 的 进 步 ,人 类 物 质 文化 生 活 水 平 的 提 高 和 环 保 、 能 源 意 识 的 增 强 ,社 会 呼唤 着 一 种 无 污 染 、 噪 声 低 、 操 作 简 单 、 速 度 适 中 的 个人 交 通 代 步 工 具 。 电 动 自 行 车 作 为 一 种 理 想 的 代 步工 具 ,自 20世 纪 90年 代 初 以 来 随 着 电 池 性 能 的 提高 得 到 了 迅 猛 的 发 展 。 现 有 的 电 动 自 行 车 驱 动 电 机主 要 是 永 磁 直 流 电 机 ,普 遍 存 在 以 下 问 题 :(1) 电 刷 和 换 向 器 运 行 时 易 产 生 火 花 和 碳 粉 阻塞 而 发 生 故 障 ;(2) 永 磁 材 料 使 用 一 段 时 间 以 后 会 产 生 退 磁 现象 。开 关 磁 阻 电 动 机 双 凸 极 结 构 ,无 永 磁 ,无 电 刷 ,无 换 向 器 ,结 构 简 单 坚 固 ,成 本 低 廉 ,在 宽 广 的 调 速和 功 率 范 围 内 都 具 有 高 输 出 和 高 效 率 1 3 ,由 此 组成 的 开 关 磁 阻 电 动 机 驱 动 系 统 (以 下 简 称 为国 家 863电 动 汽 车 重 大 专 项 优 选 方 案 之 一 ,在 电 动车 驱 动 中 展 现 出 强 有 力 的 竞 争 力 。 大 功 率的 电 动 汽 车 已 研 制 成 功 4, 5 ,在 小 功 率 的 电 动 自 行车 的 应 用 急 待 开 发 。 本 文 针 对 开 关 磁 阻 电 动 机 的 应用 特 点 ,介 绍 了 基 于 单 片 机 用 的 控 制 方 案 ,并 进 行 了 相 关 的 设 计 研 究 。2电 动 自 行 车 正 常 行 驶 的 转 矩 要 求电 动 自 行 车 在 行 驶 过 程 中 由 电 机 输 出 转 矩 经 传动 系 统 传 递 给 电 动 自 行 车 驱 动 轮 (前 轮 和 后 轮 均可 ) ,则 驱 动 轮 所 获 得 的 转 矩 为 : j t : 驱 动 力 矩 , 动 比 , t 为 传 动 效 率 , 机 输 出 转 矩 。 则 电 动 自 行 车 的 驱 动 力 为 : 2式 中 : 动 轮 直 径 ,单 位 为 m。电 动 自 行 车 在 行 驶 过 程 中 会 受 到 各 种 阻 力 ,合称 为 电 动 自 行 车 的 行 驶 阻 力 ,与 自 行 车 的 驱 动 力 相平 衡 ,满 足 : M (m 1 + m 3 ) fg 21. 25M (m 1 + m 3 ) M a = ( m 2 + : 总 阻 力 , 别 为 滚 动 阻 力 、空 气 阻 力 、 爬 坡 阻 力 与 加 速 阻 力 ,单 位 为 N; M 为 总质 量 , m 1、 m 2、 m 3 分 别 为 车 架 质 量 、 电 池 质 量 与 载重 ,单 位 为 阻 系 数 ,取 0. 014; 力 加速 度 , g = 9. 8 m / 风 阻 系 数 ,取 0. 6; 风面 积 ,取 0. 55 动 自 行 车 的 相 对 速 度 ,单 位为 h; 为 爬 坡 度 ,单 位 为 度 ; 速 度 ,单 位为 m / 自 行 车 车 架 质 量 m 1 = 30 径 60. 96 池 质 量 m 2 = 10 标 准 载 重 m 3 = 75 速行 驶 ,则 对 应 不 同 坡 度 情 况 下 的 阻 力 - 速 度 曲 线 如图 1所 示 。 微 特 电 机 2006年 第 5期 控 制电动自行车用经济型开关磁阻电动机驱动系统25图 1 匀 速 行 驶 时 阻 力 曲 线若 电 动 自 行 车 由 轮 毂 直 接 驱 动 ,取 j = 1, t = 1,有 如 下 关 系 : (D /2)V = 0. 1885 : 机 转 速 ,单 位 为 r/m 相 应 的 转 矩 特 性 如 图 2所 示 。图 2 匀 速 行 驶 时 电 机 转 矩 特 性由 图 1、 图 2可 知 ,电 动 自 行 车 在 行 驶 的 过 程中 ,随 着 路 况 和 行 驶 速 度 的 变 化 负 载 变 化 大 ,因 而 要求 驱 动 系 统 在 宽 广 的 速 度 和 功 率 区 间 内 保 持 高 效率 ,同 时 要 兼 顾 一 定 的 动 态 性 能 ,从 而 才 能 保 证 了 电动 自 行 车 的 整 体 性 能 。3系 统 组 成开 关 磁 阻 电 机 驱 动 系 统 ( 要 由 开 关 磁 阻电 动 机 ( 、 功 率 变 换 器 、 控 制 器 、 传 感 器 四 大 部分 组 成 1 ,如 图 3所 示 。 针 对 现 有 的 电 动 自 行 车 的结 构 特 点 ,采 用 轮 毂 直 接 驱 动 的 方 式 ,结 构 简 单 。图 3 结 构 图 采 用 三 相 6 /8极 外 转 子 低 速 电 机 ,功 率 为200 W ,额 定 电 压 36 V,电 机 几 何 参 数 如 表 1所 示 。表 1 电 机 几 何 参 数 (三 相 6 /8极 )转 子 外 径/ 内 径/( )转 子 极 弧/ ( )0. 154 0. 112 0. 02 0. 011 0. 023 0. 0003 18 19功 率 拓 扑 采 用 常 用 的 三 相 不 对 称 半 桥 结 构 ,运行 可 靠 ,控 制 灵 活 ,便 于 在 速 度 大 范 围 变 化 时 采 取 变角 度 控 制 ,从 而 实 现 大 的 高 效 率 区 间 和 功 率 区 间 ,也便 于 实 现 馈 电 功 能 。 开 关 管 均 采 用 低 压 等 级 的 流 回 路 由 快 恢 复 二 极 管 构 成 。 电 流 采用 电 阻 取 样 的 方 式 获 得 ,位 置 传 感 与 常 用 的 光 电 编码 器 相 同 。 由 此 应 用 的 电 机 参 数 : 200 W , 36 V,电 流 按 如 下 公 式 进 行 定 额 :I s = R : I s 为 占 空 比 为 1 /3的 平 顶 波 电 流 幅 值 , 能 量 比 率 , 为 驱 动 系 统 的 效 率 。 取 = 0. 75, 0. 6,则 I s = 12. 35 A,考 虑 一 定 的 过 载 系 数 : (1. 5 2) I s = 18. 52 24. 69 3 = 10. 69 14. 26 管 和 续 流 二 极 管 的 电 压 定 额 都 按 两 倍 的 余量 设 计 ,即 2 72 2 72 司 的 100V /33A)为 开 关 管 , 00V /30A /90 快恢 复 二 极 管 。主 控 器 件 由 司 的 片 机 。 1997年 推 出的 R 的 单 片 机 ,机 器 周 期 即 是 指 令 周 期 ,具有 1M 速 运 行 处 理 能 力 ,最 高 处 理 速 度为 16M 片 内 集 成 了 12 不 同 性 能 和 用 途 的 存 储 器 ,集 成了 拥 有 丰 富 的 功 能 模 块 如 10位 A /D、 捕 获 口等 等 ,但 由 于 采 用 小 引 脚 封 装 (为 D ,所 以 价 格 同 低 档 的 单 片 机 相 当 ,性 价 比 很高 6, 7 。4控 制 器 结 构 及 具 体 实 现4. 1控 制 策 略开 关 磁 阻 电 机 的 常 用 控 制 方 案 1, 2 :电 流 斩 波控 制 ( 、 电 压 制 , 角 度 位 置 控 制( 电 流 斩 波 控 制 的 实 现 可 以 由 软 件 实 现 ,也可 以 由 硬 件 实 现 。 软 件 实 现 需 要 处 理 器 有 快 速 的A / 理 能 力 ,硬 件 实 现 需 要 有 D / 持 ,无论 哪 一 种 方 案 ,都 要 付 出 昂 贵 的 代 价 ,对 于 小 功 率 的电 动 自 行 车 驱 动 系 统 ,经 济 、 可 靠 是 其 设 计 的 重 点 ,因 而 系 统 采 用 基 于 电 压 制 方 案 。经 上 述 的 讨 论 ,电 动 自 行 车 在 运 行 的 过 程 中 负载 变 化 比 较 大 ,电 动 自 行 车 对 功 率 输 出 和 效 率 的 要求 不 仅 仅 是 额 定 运 行 点 ,而 是 要 求 电 机 在 运 行 的 过程 中 有 较 大 的 功 率 区 间 和 高 效 率 区 间 。 把 电 机 在 不同 的 运 行 工 况 下 进 行 效 率 优 化 ,得 到 一 组 ( , 控 制 微 特 电 机 2006年 第 5期 电动自行车用经济型开关磁阻电动机驱动系统26利 用 实 现 ,从 而 实 现 驱 动 系 统 的 高 性 能 。4. 2具 体 实 现整 个 控 制 器 由 ,单片 机 对 来 自 各 方 面 的 信 息 进 行 综 合 处 理 ,如 图 4所示 。 出 的 控 制 信 号 进 行 逻 辑 综 合 ,实现 电 动 自 行 车 调 压 调 速 的 功 能 。图 4 主 控 器 件 的 外 围 接 口 图三 相 位 置 信 号 行 异 或 运 算 得 片 机 通 过 捕 获 口 置 沿 进 行 采 样 ,根 据 位 置 编 码 的 对 应 关 系( 在 相 应 的 相 导 通 信 号 ( 。 过 每 次 边 沿 的 采 样 间 隔 获 得 位 置信 号 率 ,从 而 得 到 电 机 运 行 的 速 度 ,它 们的 对 应 关 系 为 3 nN 样 间 隔 也 为 开 关 磁 阻 电 机 的 位 置 定 位 提 供 了 参考 ,为 实 现 开 关 磁 阻 电 机 的 提 供 了 基 础 。调 压 调 速 生 基 于 手 柄 信 号 ( 助 力 信 号 (A 大 小 来 决 定 宽 ,具体 实 现 由 。 ,不 占 用 ,可 产 生 8位 、 9位 和 10位 相 位 和 频 率 都 可 调 ,方 便 地实 现 调 压 调 速 功 能 。单 片 机 对 外 部 的 信 号 如 刹 车 信 号 (B 电 压采 样 信 号 ( 等 进 行 处 理 ,实 现 系 统 应 有 的 保护 如 欠 压 保 护 和 显 示 。 此 系 统 的 过 流 保 护 和 过 载 保护 由 硬 件 实 现 ,某 一 相 (A 相 )电 路 如 图 5所 示 。 电流 采 样 值 经 低 通 滤 波 后 ,由 运 放 放 大 ,输 入 硬 件 滞 环电 路 和 过 流 保 护 电 路 ,分 别 输 出 调 制 信 号 信 号 载 电 流 值 , 设 定 值 。 过 流 信 号 在 锁 存 ,与 其他 信 号 逻 辑 综 合 后 得 到 某 一 相 (上 下 管 的 驱 动信 号 过 载 保 护 及 过 流 保 护5结 语由 的 控 制 器 容 易 实 现开 关 磁 阻 电 机 的 电 压 控 制 ,可 实现 经 济 可 靠 的 开 关 磁 阻 电 机 驱 动 系 统 ,特 别 适 合 于小 功 率 的 电 动 自 行 车 驱 动 系 统 ,有 很 大 的 应 用 前 景 。参 考 文 献 1 詹 琼 华 . 开 关 磁 阻 电 机 M . 武 汉 :华 中 理 工 大 学 出 版 社 , 1992 2 王 宏 华 . 开 关 型 磁 阻 电 动 机 调 速 控 制 技 术 M . 北 京 :机 械 工业 出 版 社 , 1995 3 刘 迪 吉 . 开 关 磁 阻 调 速 电 动 机 M . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,1994 4 A, C, . of J . 2002 (4) :1656 1660 5 W a et of a 50 - kW J . 2005, 41 (1) : 501 504 6 马 潮 ,詹 卫 前 ,耿 德 根 . 及 其 应 用 手 册 M . 北京 :清 华 大 学 出 版 社 , 2003为 进 一 步 提 高 本 刊 的 编 辑 质 量 ,请 您 对 此 文 在 读者 服 务 卡 上 圈 上 数 字 代 码 :有 价 值 ,请 圈 19;没 有 价 值 ,请 圈 20。(上 接 第 23页 )参 考 文 献 1 刘 文 泽 ,冯 顺 萍 . 电 梯