无刷直流电机驱动电动自行车设计

江西理工大学应用科学学院江西理工大学应用科学学院 电力拖动综合课程设计电力拖动综合课程设计 专专 业 业 自动化自动化 班班 级 级 092 学学 号 号 37 姓姓 名 名 拾拾 光光 设计题目 设计题目 电动自行车电动自行车 设计报告格式 25 分设计内容 45 分答辩考 勤 电气原理图封 面 3 页 面 布 局 5 目 录 格 式 3 图 表 质 量 4 间行 距 字体 5 页 眉 页 脚 5 设计 题目 分析 5 系统 控制 方案 8 设备计 算 选 型 7 主电 路 5 控制 电路 5 总图 5 调节器 参数整 定或程 序设计 10 1020 总 计 得 分 2012 年年 11 月月 1 直流无刷电机驱动电动自行车设计直流无刷电机驱动电动自行车设计 目录 1摘要 2 2设计要求 2 3电动自行车原理 3 3 1电动自行车的特点 3 3 2电动自行车的组成部分 3 4电机的选择 4 4 1电机介绍 4 4 2按工作特性分类 4 4 3按传感方式分类 4 4 4无刷直流电机特点 4 5无刷直流电机工作原理 5 5 1稀土永磁无刷直流电机的基本结构 5 5 1 1 电机基体 5 5 1 2 开关电路 5 5 1 3 转子位置传感器 5 5 2电机的基本工作原理 5 5 2 1 绕组利用率 6 5 2 2 转矩的波动 6 5 2 3 电路成本 6 5 3三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 6 6电动车的控制部分设计 8 6 1本设计的主要工作 8 6 2电机驱动部分设计 8 6 3控制部分设计 9 6 4电机调速过流保护等功能部分电路设计 11 6 5刹车控制功能 11 7无刷直流电机控制器硬件设计 12 7 1无刷直流电机控制器 12 7 2单片机选择依据 12 7 3PWM 信号在 PLC 单片机中的处理 12 7 4微控制器电路 13 8总结 13 9致谢 13 2 1摘要 无刷直流电机控制系统集电机 逆变电路 检测元件 控制软件和硬件于 一体 具有高可靠 高效率 寿命长 调速方便等优点 在电动调速领域有着 广泛的应用 根据项目参数要求 采用 Mcrochip 公司的 PIC16F72 单片机作为 控制芯片 在硬件方面 进行了微控制单元电路设计 逻辑互锁电路设计 转 子位置信号采集电路设计 电源电路设计 升压电路设计 系统硬件保护电路 设计 三相全桥逆变电路设计 逆变器驱动电路设计和显示电路设计 在软件 方面利用汇编语言 采用模块化编程和结构化编程 根据无刷直流电机的控制 原理 对系统的控制部分进行了详细分析 设计了系统状态显示面板程序模块 利用数字 PI 控制理论实现电机速度的闭环调制 提出了一种电机控制系统的接 线模式自识别功能设计方案 能够自动识别电机的换相角度 霍尔相位和电机 输出相位 2设计要求 某电动自行车自重 40 公斤 最高车速为 30k m h 城市平整路面 额定载重 量为 50 公斤 要求采用直流无刷电机驱动 电机的功率 235w 左右 电池电源的 供电电压为 48v 左右 设计该系统的软硬件 要求 1 对电机进行选型设计 2 能用电动车的把手进行调速 3 有电刹车功能 3 3电动自行车原理 3 1 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 电动自行车是以蓄电池发出的电源作为驱动能源 运行过程中无 废气排放 不会对大气造成污染 低噪音 震动小 电动自行车采用电动机驱动 与用内燃机的摩托相比 运 行产生的噪音显著减小 通常要低 10 15db 且运行比较平稳 效率高 摩托车 燃油助力车的效率一般只有 30 左右 而电动自行车采用 电动机驱动系统 无空转损头 电池能量的 80 以上转化成为动力 而且可以 在制动时候进行能量回馈 更加提高了他的能量利用率 其效率可高达到 70 到 80 以上 安全 轻便 易维护 电动自行车的最高时速限制在 30km h 以内 只能在 非机动车道行使 可以快速起停 安全可靠 相对于摩托车 他的速度是大受 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 而且他体积小 重量轻 整车质量大概在 30 50kg 即使没电时脚踏骑行也不会费劲 蓄电池 是免维护的 电机的故障率也较低 3 2 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 操纵制动部分 电气 仪表部分组成 动力部分 电动自行车的动力部分通常有蓄电池和电机构成 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 驱使电动自行车行使 通过变速器或调速器 使电动自行车获得行使所 需要的驱动力和速度 并保证电动自行车的平稳起步和停车 他有变速器 后 传动装置组成 行车部分 行车部分的作用是使电动自行车构成一个整体 支撑全车的总 重量 将传动部分传递到的扭矩转换成驱使电自行车行使的牵引力 同时承受 吸收和传递路面作用于车轮上的各种反作用力 确保电动自行车正常 安全行 使 他主要有车架 前减震器 前后轮 座垫等组成 操纵控制部分 操纵制动部分的作用是直接控制行车方向 行使速度 制 动等 以确保电动自行车行使安全 他有车把 制动装置 调速手把等组成 电气仪表部分 电气仪表装置是保证车辆安全行使并反映车辆运动状态的 主要装置 他使骑行者能正确 有效地对车辆行使适时地进行控制 他由数据 显示装置 充电器等组成 4 4电机的选择 4 1 电机介绍 直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的 它是以法拉第的电磁感应 定律为基础 而又以新兴的电子技术 数字技术和各种机械原理为后盾 因此具 有很强的生命力 1955年 美国D 哈利森等人首次申请用晶体管换向电路代替 电动机电刷接触的专利 即无刷直流电机的雏形 经过多年的努力 人们终于在 1962年试制成功了借助霍尔元件来实现换流的直流无刷电动机 随着比霍尔元 件灵敏度高千倍左右的光敏二极管的出现 在20世纪80年代前后 又试制成功了 借助光敏二极管实现换流的直流无刷电机 在德国N 米斯格林提出采用电容移 相换流的方法基础之上 R 哈尼特司等人试制成功借助数字式环分配器和过零鉴 别器组合来实现换流的无附加位置传感器的直流无刷电机 4 2 按工作特性分类 1 具有直流电动机特性的无刷直流电动机由直流电源供电 借助位置传感器来检 测转子的位置 所检测出的信号去触发相应的电子换向线路 以实现无接触式换 流 该种电机具有有刷直流电机的各种运行特性 2 具有交流电动机特性的无刷直流电动机由直流电源供电 但通过逆变器将直流 电变换成交流电 去驱动一般的异步电动机 4 3 按传感方式分类 无位置传感器的无刷直流电动机分为电容移相式无刷直流电动机和数学式无刷 直流电动机 4 4 无刷直流电机特点 无刷直流电机控制系统集电机 逆变电路 检测元件 控制软件和硬件于一体 具有高可靠 高效率 寿命长 调速方便等优点 在电动调速领域有着广泛的 应用 无刷直流电机电动自行车的发明和使用对解决燃油车造成的严重环境污 染和缓解日益突出的能源危机问题有一定的现实意义 5 5无刷直流电机工作原理 5 1 稀土永磁无刷直流电机的基本结构 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机基体 开关电路 位置传感器 三部分 如图为直流电动机原理图 图 5 1 直流电动机原理图 5 1 1 电机基体 稀土永磁电动机基体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成 常用的有 三种结构形式 转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体 转子铁心中嵌入矩形板状 稀土永磁体 转子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体 还有一种外转子 式结构 即带有稀土永磁极的转子在外 嵌有绕组的定子在里 5 1 2 开关电路 开关电路由逆变器和驱动电路组成 逆变器主电路有桥式和非桥式两种 电枢绕组与逆变器联接形式多种多样 但应用最广泛的是三相星形六状态 驱 动电路将控制电路的输出信号进行功率放大 并向各开关管送去能使其饱和导 通与关断的驱动信号 5 1 3 转子位置传感器 转子位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置 向控制器提 供位置信号的一种装置 它由定 转子组成 其转子与电动机同轴 以跟踪电 机本体转子位置 其定子固定于电机本体定子或端盖 以感应和输出转子位置 信号 5 2 电机的基本工作原理 一般永磁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产 生磁场 其转子一电枢绕组通电后产生反应磁场 由于电刷的换相作用 使得 这两个磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直 从而产生最 大转矩驱动电动机不停地运转 直流无刷电动机为了实现无刷换相 首先要求 把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上 把永久磁钢放在转子上 这与传统 直流永磁电动机的结构正好相反 而且还要由位置传感器 控制电路以及功率 6 逻辑开关共同组成换相装置 使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组所 产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场 在空间中始终保持在 90 左 右的电角度 从而产生转矩推动转子旋转 无刷 直 流 电动机按驱动方式可以 分为半桥驱动和全桥驱动 按绕组接法又可分为星形连接和角形连接 不同的 绕组接法和驱动方式的选择将会使电动机产生不同的性能并且成本也不同 主 要从以下三个方面来进行分析 5 2 1 绕组利用率 开关电路由逆变器和驱动电路组成 逆变器主电路有桥式和非桥式两种 电枢绕 组与逆变器联接形式多种多样 但应用最广泛的是三相星形六状态驱动电路将 控制电路的输出信号进行功率放大 并向各开关管送去能使其饱和导通与关断 的驱动信号 5 2 2 转矩的波动 无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大 因此希望尽量减小转矩 波动 一般相数越多 转矩的波动越小 全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小 5 2 3 电路成本 相数越多 驱动电路所使用的开关管越多 成本越高 全桥驱动比半桥驱动 所使用的开关管多一倍 因此成本要高 多相电动机的结构复杂 成本也高 综合上述分析 三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好 应用最多 本 系统即是选择的这种控制方式 下面介绍三相无刷直流电动机星形连接全桥驱 动的基本原理 5 3 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响 在转子极数固定情况下 改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速 无 刷直流电机控制器包括电源部分和控制部分 如图所示 电源部分提供三相电 源给电机 控制部分则按照需求转换电源频率 电源部分可以直接以直流电输 入或者以交流电输入 如果是以交流电输入就需先经转换器 converter 转成直 流电 不论是直流电输入或是交流电输入 送入电机线圈前须先将直流电压由 逆变器 inverter 转成三相电压来驱动电机 逆变器一般由六个功率晶体管 分为上桥臂和下桥臂 连接电机作为控制流经电机线圈的开关 控制部分则提 供 PWM 脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机 对于 无刷直流电机 当负载变动时 一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大 的变动 所以电机内部装有霍尔传感器 hall sensor 作为速度的闭回路控制 同时也作为相序控制的依据 电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位 置 决定开启或关闭逆变器中功率晶体管的顺序来控制 若系统要求加速 则 增长功率管导通的时间 若要求减速 则缩短功率管导通的时间 此部分工作 由 PWM 脉宽调制信号控制 下图是三相无刷直流电机工作原理图和逆变器原理 图 7 图 5 3 1 三相无刷直流电机工作原理图 图 5 3 2 逆变器原理图 8 6电动车的控制部分设计 6 1 本设计的主要工作 本论文对无刷直流电机的控制原理进行了详细分析 依据无刷直流电机特 性 针对电动自行车的控制需求 进行了无刷直流电机控制系统的设计 1 硬件部分 硬件部分以 PIC16F72 单片机作为控制芯片 逆变器由 6 个 MOSFET 管组成 通过微控制单元电路 逆变器驱动电路等电路模块的设计 实现了电机的智能 控制以及欠压保护 过流保护 堵转保护等保护功能 可靠的对电动车电机和 电池进行保护 确保电动车使用及安全 2 软件部分 在软件方面利用汇编语言 采用模块化编程和结构化编程 实现了信号的采 集及处理 实现了电动自行车的电动 定速和助力三种工作模式并且在系统出 错情况下具有自检功能 利用数字 PI 控制理论实现电机速度的闭环调制 具体设计 如下 选用 PICI6P72 单片机作为主控芯片 采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器 通过对 PIC 单片机编程 实现电动车电动 定速和助力三种工作模式 通过硬件电路和软件编程 实现系统自检 欠压 过流 堵转保护功能 通过软硬件设计 实现电动自行车仪表盘显示控制 利用 PI 控制理论实现电机速度的闭环调制 提出一 种软件电机接线模式自识别设计方案 本设计实现了无刷直流电机的自动控制 硬件结构简单 成本较低 具有升级 空间 便于用户二次开发 设计中 利用 PIC 开发环境完成软件编写和调试 利 用逻辑分析仪和示波器等完成硬件调试 借助于电动自行车实体 对软硬件参数 进行测试 实现结构优化 6 2 电机驱动部分设计 无刷直流电机用永磁体制成转子 用定子绕组换相来代替电刷换相 用霍 尔元件传感转子位置信息 内置电机的 3 个霍尔元件会实时的输出确定的 3 个 电压信号来表征转子位置信息 数字控制电路根据不同的电压信号 实现对驱 动电路进行选择性导通 使线圈产生激励转子转动的磁力矩 在一个周期内 每个 MOS 管导通 120 换流器中功率 MOS 管在此设计中用到其开关态工作原理 MOS 管有三个极 G 栅极 S 源极 D 漏极 MOS 管的一个重要参数是 VT 称开启电压 当栅 源电压 VGS 要让电机转动起来 首先控制部就必须根据霍尔传感器感应到的电机转子目 前所在位置 然后依照定子绕线决定开启 或关闭 换流器 inverter 中功率晶 体管的顺序 9 图 6 2 驱动部分电路 使电流依序流经电机线圈产生顺向 或逆向 旋转磁场 并与转子的磁铁相互作 用 如此就能使电机顺时 逆时转动 当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一 组信号的位置时 控制部又再开启下一组功率晶体管 如此循环电机就可以按 同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管 或只开下 臂功率晶体管 要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反 6 3 控制部分设计 电路分为译码电路部分 过流保护和调速电路部分 译码电路部分保障电 机连续运行 控制电路部分主要用来进行电机的调速和过流保护以及电池相关 状态的显示 图 6 3 1 电机译码部分设计原理图 考虑到电机连续安全的运行 防止在换相时交叉导通 若出现这样的情况 两 管同时导通时 在两管上的电压降非常小 如同直接将电源加在导线上一样 10 瞬间产生 45A 以上的电流 MOS 管必然会被烧毁 因此同一驱动桥的两 MOS 管不能同时导通 只能导通其中一只 在设计时 采用 互锁 方案 可以防止 此种情况的发生 互锁 的原理是当同一对驱动管中有一只导通时 另外一只 G 栅极 电压一定是 0 低电平 在出现非正常情况而 G 电压应该为低 但 实际是高电平时 可强制性的将其拉到低 实际应用中可以用一片 74LS38 来 实现 74LS38 四 2 输入与非缓冲器 OC 另一种方式来实现 如图所示的第一个 MOS 管为 P 型 IGBT 第二个为 N 型 IGBT 图 6 3 2 防管子直通电路 采用此种设计的原因是保证此对 MOS 管不在同一时间导通而烧毁 在数字控 制部分输出为低电平时 第一个 MOS 管导通 并且在遇到没有驱动信号 而 TLP521 输入为高电平时 不会出现意外导通的情况 11 6 4 电机调速过流保护等功能部分电路设计 电机控制部分主要实现电机的调速和过流保护以及刹车的功能 调速是通过 对霍尔信号进行采样 根据霍尔信号的频率变化得到表示电机速度的电压值 将这个电压输入到比较器 与调速电阻上的电压进行比较 来决定输出为高或 者低电平 实现电机的加速和减速 图 6 4 1 电机调速原理图 为保证电机的安全运转 使其通过的电流不超过其最大承受值 所以在设计中 必须对其进行保护 过流保护的原理是对下臂 MOS 管漏极电流进行采样 放大 合理的倍数后 与参考电压进行比较 若取样电压超过安全值 比较器输出低 电压 将 MOS 管截止 从而达到保护电机的作用 如图 图 6 4 2 过流保护原理图 6 5 刹车控制功能 刹车控制功能是将两个比较器的输出接一开关到地 这样 无论比较输出是高 电平还是低电平 只要开关接通 均会将其电位直接拉低 截止导通的 MOS 管 达到刹车的目的 12 7无刷直流电机控制器硬件设计 7 1 无刷直流电机控制器 无刷直流电机控制器在控制方式上主要有以专用集成芯片 单片机和 DSP 芯 片控制三种方式 以专用集成芯片为核心的控制器 系统结构简单 价格较便 宜 但是系统灵活性不足 保护功能有限 以 DSP 芯片为核心的控制器 控制精 度较高 但是算法较复杂 开发周期长 成本较高 不易在市场上推广 本设 计使用单片机作为主控芯片可以弥补上述两方案的不足 目前 市场上有很多无刷电机专用控制芯片 大部分电动车生产厂商采用 Motorola 公司的 MC3303 无刷电机专用控制芯片 它具有无刷直流电机控制系 统所需要的基本功能 本设计采用 PIC16F72 单片机作为主控芯片 不仅可以实 现专用控制芯片 MC33035 的全部功能 而且容易实现系统扩展 通过软硬件设 计 实现多功能的电机控制 7 2 单片机选择依据 价格因素 考虑到该设计要与市场接轨 因此价格问题尤为重要 要选择一个性价比较高 的单片机 包括单片机的单片价格和开发系统的造价 性能因素 通过对该系统分析 8 位单片机可以满足系统控制精度的要求 由于整个系统有 多种模拟参数需要转换成数字量 因此选用的单片机应该有多通道 A D 转换模 块 在无刷电机控制中 脉宽调制 PWM 技术广泛应用 因此所选单片机应具有 脉宽调制输出端口 安全因素 电子产品的安全性是一个非常重要的环节 作为控制系统的核心 单片机的安 全性必须达到系统要求 7 3 PWM 信号在 PLC 单片机中的处理 改变直流电动机转速的方法分为励磁控制法 控制磁通 与电枢电压