电动自行车电机及控制系统

1、电动自行车电机及控制系统王磊 092860030 引言电动自行车是以电动机作为行使驱动的原动机, 以车载电源作为动力能源的自行车, 具有环保和低能耗的特点, 在我国正在逐步推广和发展。据估算到2006 年,我国的电动自行车的数量已达到2100 万辆。由于电动自行车所带的能源有限, 作为全天候的交通工具, 要求电动机重量轻、体积小、效率高; 因为要爬坡和载重,还需要电动自行车电机具有较大的功率、较大的力矩和较强的过载能力。中置电机传动具有许多显著的优点。重心合理, 保证了骑行稳定和安全。输出扭矩大, 提高起动速度和爬坡能力。人力骑行轻快, 当断开电源, 人力骑行时, 电动车就与普通自行车毫无区别

2、, 使得骑行非常轻快, 维修方便, 因此, 中置电机传动是比较理想的电机传动方式, 但对齿轮、离合器、箱体等部件的加工精度和热处理要求比较高, 增大了加工难度和加工成本。目前我国的电动自行车主要采用轮毂式稀土永磁有刷直流电机, 中置式无刷直流电机是电动自行车电机的发展趋势。1 电动自行车电机的特性1.1 转矩特性电动自行车电机为三相直流电机, 通过逆变模拟成三相交流电机工作。根据电机的基本理论可知无刷直流电动机的三相定子电压的平衡方程式为:式中, uA、uB、uC三相定子电压; eA、eB、eC三相定子绕组的反电动势; LA、LB、LC三相定子绕组的自感; LAB、LBC、LCA、LBA、LC

3、B、LAC三相定子绕组间的互感。由于电机的三相绕组对称, 有: LA=LB=LC=L;LAB=LBC=LCA=LBA=LCB=LAC=M; iA+iB+iC=0; 式( 1) 整理可得:其等效电路见图1 所示。电磁转矩方程为:T=(eA+iA+eBiB+eCiC)/ ( 3)式中: 电机的角速度。只有在定子绕组电动势和电流完全同步时, 转子才可能产生恒定的电磁转矩。在理想情况下, 任何时刻定子绕组只有两相导通, 因此, 电磁转矩为:T=2EmIm/ ( 4)式中: Em一相定子绕组反电动势的最大值; Im一相定子绕组电流的最大值; 根据直流电机理论, 一相定子绕组反电动势的最大值为:Em=N&

4、#183;B·l·v=N·B·l·n/60·2·r ( 5)主磁通为: m=B·l·2r/pm( 6)将式( 6) 的结果代入式( 5) , 得:Em= N·pm/60·m·n=Ke·m·n ( 7)式中: Ke=N·pm/60常数; N一相绕组的匝数;pm极对数; n电机的转速。因此, 电磁转矩表达式为:T=2EdId/=Ke·m·Id·60/n( 8)从式( 8) 可以看出, 电动自行车电机的电磁转矩与磁通和电流

5、的大小成正比, 所以, 控制逆变器输出的电流大小就可以控制电动自行车的转矩。电动自行车电机的转子运动方程为:d/dt=(T- Tl- B)/J ( 9)式中: Tl负载转矩; B粘阻尼系数; J转子及负载的转动惯量。1.2 转速特性对于电动自行车电机, 理想条件下, 任何时刻只有两相定子绕组通电。设加在定子绕组的电压为Ud, 则电压方程式为:Ud=2Em+ImR=2Kemn+ImR ( 10)由式( 10) 可以推导出转子的转速为:n= （Ud- Im·R）/2Ke·m( 11)式中: Em每相定子绕组电动势; Im每相定子绕组相电流; n电动车电机的转速; R定子回路总电

6、阻, 包括电机两相绕组的电阻和管压降的等效电阻。从式( 11) 可以看出, 无刷电动自行车的转速可以通过改变加在定子绕组上的电压进行调节。通常, 采取调节逆变器的PWM触发信号的占空比来改变电压Ud 的大小, 从而实现电动自行车的调速。2 电动自行车电机的控制系统控制系统是电动自行车的大脑和神经中枢, 它搜集、执行用户指令, 检测电机运行状况, 控制电机动作。电动自行车电机的控制与保护主要通过控制器进行, 控制器主要有: 有刷电机用普通型驱动控制器( ZK) 、有刷电机用智能型驱动控制器( ZKC) 、无刷电机用普通型驱动控制器(WZK) 、无刷电机用智能型驱动控制器(WZKC) , 其特点见

7、表1。不同控制器其内部结构和工作原理各不相同, 下面以普通型电动自行车控制器进行说明。2.1 有刷电机的控制有刷电机的控制相对简单, 其一般原理如图2 所示。内部稳压电源给控制器内部电子元件提供工作电压; 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, 其导通时间与关闭时间受PWM信号的控制。当电池电压降低到控制器设定值以下时, 欠压保护电路工作, PWM芯片停止PWM信号的输出, 以保护电池不至于在低电压情况下放电。有刷电机控制器ZK3610A 典型控制电路见图3。有刷电机控制器的核心电路是振荡器、脉宽调制等。组成核心电路的器件为电压比较器和专用脉宽调制芯片。电路图

8、的左上方为电动自行车内部稳压电源, 36V电压为直流电动机工作电压, 5V 电压为控制电路工作电压。控制电路由刹车、转把、PWM以及由5551 和5401组成的功率放大电路组成, 直流输入控制信号为转把和闸把, PWM根据转把和闸把的输入信号的变化, 输出不同宽度的脉冲信号送给MOS 管趋动电路, 通过控制MOS 管的导通控制电机的转速。驱动电路为功率放大电路, 控制器采用脉宽调制的PWM控制方法调速。当电源电压过低时, “9”端电位降低, “14”端为低电平, 即“7”端为低电平, PWM没有输入信号, 也就没有输出, 电动自行车电机停止运转, 实现了电机的欠压保护。当电路中的电流过大时,

9、通过过流保护电路部分的“11”端和“13”端所接的两个电容, 使“13”端的电位不能突变, 即“7”端的电位保持稳定, PWM的输入信号稳定, 从而稳定其输出端( 1) 的电压, 使电机避免过大电流的影响。电机两端并联了两个二极管, 主要对电机进行限流。通过刹车端的4148 二极管可以看出, 刹把有效该端电位为低电平。2.2 无刷直流电机的控制无刷直流电机的控制相对有刷直流电机比较复杂,通常由无刷控制器进行控制。以WZK3610A 普通无刷控制器为例, 其控制器的原理见图4。无刷控制器内部稳压电源、欠压保护电路和限流( 或过流) 保护电路的作用与有刷电机控制器相应部件的作用相同。主处理芯片根据

10、无刷电机的霍耳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, 以完成对电机的换向。另外, 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。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 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。欠压保护电路是当电池电压降低到控制器设定

11、值以下时, PWM芯片停止了PWM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( 防止电池过放电)工作时, 无刷控制器的相位角必须和无刷电机的相位角一致, 电机才能正常运转。WZK3610A 普通无刷控制器的电气原理见图5。无刷电机的引线共有8 根, 3 根绕组相线( 黄、蓝、绿) 将与电源连接, 还有2 根较细的为霍尔电源线, 3根为霍尔信号线。控制器的负载为无刷电机, 输入控制信号都是转把与闸把。转把与闸把的形式不一样, 它们的信号特征也不一样, 控制器能接受什么样的转把信号与闸把信号,就要选择什么信号的转把与闸把。3 结论有刷直流电机由于电刷的存在产生的机械磨损比较大, 功率密度偏低, 无法实现高速大容量, 但