電動(dòng)車調(diào)速系統(tǒng)的畢業(yè)論文

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1、 目 錄 摘要 錯(cuò)誤 ! 未定義書簽。 一、概述 1 （一）電動(dòng)車的定義 . 1 （二）電動(dòng)車發(fā)展所面臨問(wèn)題 1 ( 三 ) 電動(dòng)車的基本構(gòu)造和功能 . 2 （四）電動(dòng)車常用的電動(dòng)機(jī)及要求 . 3 （五）無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較 4 （六）永磁無(wú)刷直流電機(jī)的性能及應(yīng)用 5 二、電動(dòng)車電機(jī)的調(diào)速及電路設(shè)計(jì) 6 （一）永磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)及基本工作原理 6 （二）永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 （三）驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的改良 12 （四）無(wú)刷直流電機(jī)接線圖 13

2、 （五）穩(wěn)壓電路 14 （六）保護(hù)電路 14 三、電動(dòng)自行車的故障檢修 15 （一）電機(jī)空載電流大 17 （二）電機(jī)發(fā)熱 18 （三）電機(jī)的空載 / 負(fù)載轉(zhuǎn)速比大于 1.5 19 （四）電池保養(yǎng)及維護(hù) 19 （五）無(wú)刷電機(jī)缺相 20 四、主要器件性能及原理 20 （一）控制器 20 （二）蓄電池 21 （三）集成轉(zhuǎn)速傳感器 22 （四） ADC0809芯片 23 （五）三極管 23 - I - 結(jié)論 24 致謝 25 參考文獻(xiàn) 25

3、 - II - 電動(dòng)車電機(jī)調(diào)速及維護(hù)方案設(shè)計(jì) 樸美英 [ 摘要 ] 電動(dòng)

4、車是一種安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨(dú)特的優(yōu)越 性和競(jìng)爭(zhēng)力，而且能夠更方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其機(jī)電一體化的目標(biāo)，因而具有廣闊的發(fā) 展前景。 隨著永磁材料和功率電子元器件的不斷進(jìn)步 , 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)得到了快速的發(fā)展 , 它們 被廣泛地用于變速驅(qū)動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)、兵器、航空、航天和工業(yè)自動(dòng)化等各個(gè)領(lǐng)域。因此 , 合理正 確地設(shè)計(jì)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)越來(lái)越重要的課題。 從本期起分期介紹無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè) 計(jì) , 主要有 : 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 , 以及連接方式 ; 分?jǐn)?shù)槽繞組 ; 磁路計(jì)算 ; 電路系統(tǒng)

5、的計(jì)算等內(nèi)容。 [ 關(guān)鍵詞 ] 電動(dòng)車、無(wú)刷直流電機(jī)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、 控制器系統(tǒng) 。 - 1 - 前 言 隨著社會(huì)科技的發(fā)展電動(dòng)車的作用也越來(lái)越重要， 目前的電動(dòng)車一走進(jìn)了千家萬(wàn)戶替代了以 前的自行車成為最為普遍的交通工具。但是，由于種種原因他也造成了很多的麻煩。電動(dòng)車的電 池

6、造成資源的浪費(fèi)及環(huán)境的污染低成本也有低技術(shù)的存在。低成本就意味著地保障率，實(shí)際上放 任自流，無(wú)序發(fā)展，是不可取的。而應(yīng)像農(nóng)用車一樣規(guī)范發(fā)展。比如規(guī)定安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定電池必 須回收，規(guī)定不上等級(jí)公路。 - 2 - 一、概 述 （一

7、）電動(dòng)車的定義 它是以蓄電池作為輔助能源 , 具有兩個(gè)車輪 , 能實(shí)現(xiàn)人力騎行 , 電動(dòng)或電助動(dòng)功能的特種自行車。 （二）電動(dòng)車發(fā)展所面臨問(wèn)題 第一個(gè)趨勢(shì)是， 輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。 一方面，消費(fèi)者特別是城市消費(fèi)者偏好正在向更輕巧、更便捷、更安全、更舒適方面轉(zhuǎn)變， 另一方面，隨著政府管理力度的加大，電動(dòng)摩托車的管理模式將逐漸明確， 可能只有符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)自行車才能繼續(xù)享受非機(jī)動(dòng)車的待遇， 這在客觀上要求電動(dòng)自行車向輕量化的方向發(fā)展 （輕量化我認(rèn)為無(wú)論如何講都應(yīng)該是電動(dòng)自行車未來(lái)發(fā)展的首要趨勢(shì)或者是主流趨勢(shì)） 。 第二個(gè)趨勢(shì)是， 鋰電池等新能源的應(yīng)用將不斷拓展提速。 就在

8、國(guó)慶前夕， 工信部消費(fèi)品司剛剛組織電池行業(yè)和電動(dòng)自行車行業(yè)的部分企業(yè)召開了鋰電池技術(shù)交流銜 接座談會(huì)，與會(huì)企業(yè)紛紛看好鋰電池的發(fā)展前景，鋰電時(shí)代越來(lái)越近了。今年，鋰電池電動(dòng)自行車又得到了進(jìn)一步的發(fā)展。好孩子、力霸皇、耀馬、捷安特、永久、富士 達(dá)等一大批企業(yè)推出了鋰電車， 作為中高端產(chǎn)品投放市場(chǎng)。 從目前鋰電車在北京、 上海、南京、濟(jì)南、鄭州等一大批大中城市的銷售情況來(lái)看，應(yīng)該講形勢(shì)還是良好的，發(fā)展鋰電車已經(jīng)成為多數(shù)企業(yè)的共識(shí)。 第三個(gè)趨勢(shì)是， 市場(chǎng)的細(xì)分將更加深入發(fā)展。 現(xiàn)在電動(dòng)自行車市場(chǎng)格局已經(jīng)開始分化，銷售市場(chǎng)正在試圖分化， 新的市場(chǎng)格局正在加快形成。 隨著電動(dòng)自行車的城

9、市的普及，農(nóng)村市場(chǎng)將是上一階段電動(dòng)自行車發(fā)展的重點(diǎn)。 目前，電動(dòng)自行車產(chǎn)品的細(xì)分主要建立在城市經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 產(chǎn)品的細(xì)分還主要停留在外觀款式和速度、 爬坡能力等基本性能方面。 要想開拓農(nóng)村市場(chǎng)， 就必須根據(jù)農(nóng)村的使用環(huán)境和農(nóng)民的使用習(xí)慣對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。 同時(shí)，城市市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品細(xì)分的需求也將進(jìn)一步提升，產(chǎn)品的品牌內(nèi)涵，功能特點(diǎn)，技術(shù)特征，將成為產(chǎn)品細(xì)分的關(guān)鍵點(diǎn)。如何做好 產(chǎn)品細(xì)分將是企業(yè)鞏固和擴(kuò)大市場(chǎng)份額， 培育差異化的核心競(jìng)爭(zhēng)力， 實(shí)習(xí)企業(yè)發(fā)展由量向質(zhì)提升的關(guān)鍵，我認(rèn)為這是我們行業(yè)的第三個(gè)趨勢(shì)。 第四個(gè)趨勢(shì)是，產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新將加速發(fā)展。新產(chǎn)品提升企業(yè)已成為趨勢(shì)，時(shí)尚的產(chǎn)

10、品，多功能的產(chǎn)品，將占領(lǐng)銷售市場(chǎng)。最重要的是，新產(chǎn)品將在技術(shù)創(chuàng)新方面日益成熟，包括永磁高速無(wú)刷電機(jī)、微電腦控制技術(shù)、輕合金材料技術(shù)、自動(dòng)焊接技術(shù) - 3 - 等一批先進(jìn)技術(shù)將在電動(dòng)自行車中得到更加廣泛的應(yīng)用。 電動(dòng)自行車生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品 本身，也將更加節(jié)能、高效、低碳排放和可循環(huán)，節(jié)能、環(huán)保、高效將是電動(dòng)自行車 技術(shù)創(chuàng)新的核心，將成為激發(fā)更大市場(chǎng)需求的內(nèi)在動(dòng)力。 ( 三) 電動(dòng)車的基本構(gòu)造和功能 1. 充電器，它是給電池補(bǔ)充電能的裝置 , 一般分二階段和三階段充電模式兩種 . 2. 電池，主要采用鉛酸電池組合

11、, 另外鎳氫電池與鋰離子電池也在一些輕便折疊電動(dòng)車上開始使用了 . 3. 控制器，它是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的部件 , 也是電動(dòng)車電氣系統(tǒng)的核心 , 具有欠壓、限流、過(guò)流保護(hù)功能 . 4. 轉(zhuǎn)把、閘把、助力傳感器，這些部件都是控制器的信號(hào)輸入部件，轉(zhuǎn)把信號(hào)是電動(dòng) 車速度的控制信號(hào)， 閘把信號(hào)是電動(dòng)車剎車時(shí)， 閘把內(nèi)部電子電路輸出給控制器的一個(gè)電信號(hào)，控制器接收到這個(gè)信號(hào)， 就會(huì)切斷對(duì)電機(jī)的供電， 從而實(shí)現(xiàn)剎車斷電功能，助力傳感器是當(dāng)電動(dòng)車處于助力狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)騎行腳蹬力矩式腳蹬速度信號(hào)的裝置。 控制器根據(jù)助力傳感器信號(hào)的大小， 分配給電機(jī)不同的電驅(qū)動(dòng)功率， 以達(dá)到人力與電力自動(dòng)匹配

12、，共同驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的旋轉(zhuǎn)。 5. 電機(jī)，電機(jī)是將電池電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能， 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)的部件。 電動(dòng)車上使用的常見(jiàn)的有：有刷有齒、有刷無(wú)齒、無(wú)刷無(wú)齒、無(wú)刷有齒、側(cè)掛電機(jī)。 6. 燈具、儀表，燈具、儀表部分的提供照明并指示電動(dòng)車狀態(tài)的部件組合。儀表一般提供電池電壓顯示，智能型儀表還能顯示整車個(gè)電器部件的故障情況。 （四）電動(dòng)車常用電動(dòng)機(jī)及要求 電動(dòng)車用電機(jī)一般是直流電機(jī)， 用有、無(wú)永久磁鐵分類， 有永磁電機(jī)和串激電機(jī)兩類。電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分叫轉(zhuǎn)子， 不轉(zhuǎn)動(dòng)叫定子。

13、 永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子或定子有一個(gè)是永久磁 - 4 - 鐵，另一個(gè)則是漆包線繞的線包； 串激電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子都是漆包線繞制的線包。 同樣功率的電機(jī)，永磁電機(jī)比串激電機(jī)省電。 目前電動(dòng)車電機(jī)普遍采用永磁直流電機(jī)。 所謂永磁電機(jī)， 是指電機(jī)線圈采用永磁 體激磁，不采用線圈激磁的方式。 這樣就省去了激磁線圈工作時(shí)消耗的電能， 提高了電機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率， 這對(duì)使用車載有限能源的電動(dòng)車來(lái)講， 可以降低行駛電流， 延長(zhǎng) 續(xù)行里程。電動(dòng)車電機(jī)按照電機(jī)的通電形式來(lái)分， 可分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)兩大類；按照電機(jī)總成的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)分，一般分為“有齒” （電機(jī)

14、轉(zhuǎn)速高，需要經(jīng)過(guò)齒輪減速）和“無(wú)齒”（電機(jī)扭矩輸出不經(jīng)過(guò)任何減速）兩大類。 電動(dòng)車對(duì) 電動(dòng)機(jī)的性能有四大要求：即加速性能、穩(wěn)速性能、長(zhǎng)時(shí)工作性能和 爬坡性 能。 車用 電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)和制造時(shí)應(yīng)考慮的要求是，耐用性。首先要能夠耐 受沖擊和碰撞、顛簸等外力的反復(fù)作用，保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 防水防銹蝕。在 電動(dòng)機(jī)的 壽命期內(nèi)，不能因?yàn)檫\(yùn)行中受到雨天和偶然淋水而銹跡 斑斑或危及 內(nèi)部電路和絕 緣。電動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)是防銹的，密封應(yīng)當(dāng)可靠，不能侵入水分。耐氣候性。車用 電動(dòng)機(jī) 的使用環(huán)境不比礦 山設(shè)備作業(yè)條件更好， 甚至更復(fù)雜。用戶可以是天南地北， 沙漠、沿海、化學(xué)腐蝕地帶。 他們有

15、時(shí)行進(jìn)在酷熱溫濕、 或寒冷干燥的地區(qū)， 條件相差懸殊。所有這些不同的環(huán)境，車用 電動(dòng)機(jī)都應(yīng)當(dāng)能夠適應(yīng)。 （五）無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較 磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由一塊或多塊永磁體建立磁場(chǎng)的直流電動(dòng)機(jī)， 其性能與恒定 勵(lì)磁電流的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相似， 可以由改變電樞電壓來(lái)方便地調(diào)速。 與他勵(lì)式直流 電動(dòng)機(jī)相比，具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用銅量少等優(yōu)點(diǎn)，是小功率直流電動(dòng) 機(jī)的主要類型。 由于永磁無(wú)刷直流電機(jī)的勵(lì)磁來(lái)源于永磁體， 所以不象異步機(jī)那樣需 要從電網(wǎng)吸取勵(lì)磁電流； 由于轉(zhuǎn)子中無(wú)交變磁通， 其轉(zhuǎn)子上既無(wú)銅耗又無(wú)鐵耗， 所以 效率比同容

16、量異步電動(dòng)機(jī)高 10%左右，一般來(lái)說(shuō)，永磁直流電機(jī)的力能指針（η cos θ）比同容量三相異步電動(dòng)機(jī)高 12%-20%。 - 5 - 圖 1 永磁無(wú)刷直流電機(jī) 永磁有刷直流電機(jī)的工作原理 有刷電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷， 轉(zhuǎn)子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過(guò)電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組， 產(chǎn)生電樞電流， 電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主磁

17、場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩， 使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶 動(dòng)負(fù)載。由于電刷和換向器的存在，有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障多，維護(hù) 工作量大，壽命短，換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。 圖 2 有刷直流電機(jī) 由換當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過(guò)換向片和電刷與外接通向片構(gòu)成的整體稱為換向 器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上， 換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。 在換向上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷 B1和 B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過(guò)換向片和電刷與外電路接通。 （六）永磁無(wú)刷直流電機(jī)的性

18、能及應(yīng)用 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)。 它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)機(jī)的外特性而沒(méi)有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒(méi)有勵(lì)磁損耗，發(fā)熱的電樞組又裝在外面的定子上， 散熱容易。因此，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有換向 - 6 - 火花，沒(méi)有無(wú)線電干擾，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維修簡(jiǎn)便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承， 可以在每分鐘高達(dá)幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的情況下運(yùn)行。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)因其無(wú)電刷和機(jī)械換向器， 不需要減速裝置， 噪聲低等優(yōu)點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車中。 1. 壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、

19、可靠性高。在有刷直流電動(dòng)機(jī)中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作 1000 小時(shí)左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術(shù)難度較大， 特別是傳動(dòng)齒輪的潤(rùn)滑問(wèn)題， 是目前有刷方案中比較大的難題。 所以有刷電機(jī)就存在噪聲大、 效率低、易產(chǎn)生故障等問(wèn)題。 因此無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)很明顯。 2. 效率高、節(jié)能。一般而言， 因無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有機(jī)械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調(diào)速電路損耗，效率通?？筛哂?85%，但考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)中的最高性價(jià)比，為減少材料消耗，一般設(shè)計(jì)為 76%。而有刷直流電動(dòng)機(jī)的效率由于齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在 70%左右。

20、 - 7 - 二、電動(dòng)車電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)及制動(dòng)設(shè)計(jì) （一）無(wú)刷直流電機(jī)硬件設(shè)計(jì) 我們先了解一下直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，想了解直流電機(jī)的調(diào)速先了解一下直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 1. 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) (brushless DC motor) 是由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。 其原理

21、框圖如下圖所示。 圖中，直流電源通過(guò)開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電， 位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子所處的位置， 并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來(lái)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止， 從而自動(dòng)地控制哪些繞組通電， 哪些繞組斷電， 實(shí)現(xiàn)了電子換向。 圖 3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理框圖 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的，是具有一定磁極對(duì)數(shù)的永磁體 。 圖 4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意

22、圖 普通直流電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，而定子產(chǎn)生固定不動(dòng)的磁場(chǎng)。為了使直流電 動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，需要通過(guò)換向器和電刷不斷改變電樞繞組中電流的方向， 使兩個(gè)磁場(chǎng)的方 - 8 - 向始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為了去掉電刷，將電樞放到定子上去，而轉(zhuǎn)子制成永磁體，這 樣的結(jié)構(gòu)正好和普通直流電動(dòng)機(jī)相反； 然而，即使這樣改變還不夠， 因?yàn)槎ㄗ由系碾姌型ㄟ^(guò)直流電后， 只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)， 電動(dòng)機(jī)依然轉(zhuǎn)不起來(lái)。 為了使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)，必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電， 這樣才能使定子磁場(chǎng)

23、隨著轉(zhuǎn)子的位置在不斷地變化，使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)始終保持左右的空間角， 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由一臺(tái)同步電機(jī)、 一組轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和一套受位置檢測(cè)器控制的自控式逆變器組成。 中小型電機(jī)的逆變器一般由晶體管組成； 大型電機(jī)的逆變器通常采用晶閘管構(gòu)成 , 稱為晶閘管電動(dòng)機(jī)。 圖 5 無(wú)刷直流電機(jī) 圖 6 無(wú)刷直流電機(jī)接線圖 所示為一臺(tái)用霍耳元件作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)元件的小型晶體管無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。 圖中兩個(gè)霍耳磁敏檢測(cè)元件

24、 HG1和 HG2安放在電動(dòng)機(jī)定子的 X 相和 Y 相繞組的軸線上。它們的輸出端子 x1、x2，y1、 y2 分別用于控制晶體管 BG4、 BG2、BG1和 BG3的通斷。 圖 7 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)接線圖 - 9 - 當(dāng)磁極 N的軸線對(duì)著霍耳元件 HG1時(shí) , 在 HG1中產(chǎn)生 x1 方向上的信號(hào)。此信號(hào)使晶體 管 BG4導(dǎo)通 , 于是在相繞組 WX1中有電流流通，在 x 軸線上產(chǎn)生一個(gè) S 極磁場(chǎng)，它將吸引轉(zhuǎn)子上的 N極旋轉(zhuǎn) 90°。當(dāng)轉(zhuǎn)子 N 極轉(zhuǎn)

25、到 X 相軸線上時(shí)， HG1的輸出將變?yōu)榱悖? BG4關(guān)斷，而在霍耳元件 HG2中將產(chǎn)生 y2 方向上的信號(hào) , 使晶體管 BG3導(dǎo)通 , 相繞組Wy2中通入電流。又在 y2 軸線上產(chǎn)生 S 極，它再次吸引轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 90°。依此類 推，定子繞組將按照 Wx1→Wy2→Wx2→Wy1→ Wx1的順序輪流通電， 形成一個(gè)步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，吸引著轉(zhuǎn)子不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。 在小型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中逆變器常用半波中零式電路。這種線路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 , 但采用半波逆變 , 電機(jī)電視繞組中的電流只沿一個(gè)方向流通半個(gè)周期， 所以電機(jī)的材料利用率較低。 在容量較大的無(wú)刷直流電機(jī)中通常采用橋式電路，電

26、樞繞組能在正負(fù)兩個(gè)半周中均通過(guò)電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。無(wú)刷直流電機(jī)硬件設(shè)計(jì)方案一 逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。 電壓逆變電路 電壓型逆變電路的特點(diǎn) (1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng) (2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同 (3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功。 為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功提供通道， 逆變橋 各臂并聯(lián)反饋二極管 電流型逆變電路 直流電源為

27、電流源的逆變電路 —— 電流型逆變電路。一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感， 電流脈動(dòng)很小，可近似看成直流電流源。 - 10 - 電流逆變電路 電流型逆變電路主要特點(diǎn)： (1)直流側(cè)串大電感，相當(dāng)于電流源。 (2)交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。 (3)直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二

28、極管。 電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、 強(qiáng)迫換流 功率開關(guān)電源電路域 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電。 與一般逆變器不同， 它的輸出頻率不是獨(dú) 立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆 變器，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步， 電機(jī)和逆變器不會(huì) 產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一 - 11 -

29、 （二）無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 霍耳轉(zhuǎn)把輸出電壓的大小，取決于霍耳元件周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，改變了霍耳元件周圍的 磁場(chǎng)強(qiáng)度，也就改變了霍耳轉(zhuǎn)把的輸出電壓。然后把這個(gè)電壓輸入控制器，控制器再根據(jù)這個(gè)信 號(hào)的大小進(jìn)行 PWM 脈寬調(diào)制。從而控制功率管的導(dǎo)通關(guān)閉的比例以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小 2. 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足較高的性能指標(biāo)要求。根據(jù)自動(dòng)控制原理，為了克服開 環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 在閉環(huán)系統(tǒng)中， 把系統(tǒng)的輸出量通過(guò)檢測(cè)裝置 （傳感器）引向系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的輸入量進(jìn)行比較，

30、從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號(hào)。利用此偏 差信號(hào)通過(guò)控制器（調(diào)節(jié)器）產(chǎn)生控制作用，自動(dòng)糾正偏差。因此，帶輸出量負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有提高系統(tǒng)抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 (1) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖 9 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 (2) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾分析 通過(guò)這一環(huán)節(jié)可以抑制轉(zhuǎn)速的下降， 雖然不能做到完全阻止轉(zhuǎn)速下降， 但比開 環(huán) 轉(zhuǎn)速的程度會(huì)大大降低，從而保證轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性 (3) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性靜特性方

31、程： - 12 - 電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的關(guān)系稱之為閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 對(duì)于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求計(jì)算出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)性能可能較差，或根本達(dá)不到穩(wěn)態(tài)，也就談不上是否滿足穩(wěn)態(tài)要求。采用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例放大器后，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定且有足夠的穩(wěn)定裕量。但是采 用 PI 調(diào)節(jié)器之后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能是否滿足當(dāng)時(shí)并未提及。通過(guò)下面的討論我們將看到，將比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器之后，不僅改善了動(dòng)態(tài)性能，而且還能從根本上消除靜差，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。 3. 雙閉環(huán)直流調(diào)速

32、 (1) 雙閉換調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖 10 雙閉換調(diào)速系統(tǒng)原理圖 (2) 靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖 11 靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖①兩個(gè)調(diào)節(jié)器，一環(huán)嵌套一環(huán)；速度環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán) ②兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器均設(shè)置有限幅 ；一旦 PI 調(diào)節(jié)器限幅 （即飽和），其輸出量為恒值，輸入量的變化不再影響輸出， 除非有反極性的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和； 即飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系， 相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)器處于斷開。

33、 而輸出未達(dá)限幅時(shí)，調(diào)節(jié)器才起調(diào)節(jié)作用， 使輸入偏差電壓在調(diào)節(jié)過(guò)程中趨于零， 而在穩(wěn)態(tài)時(shí) - 13 - 為零 ③電流檢測(cè)采用三相交流電流互感器 ④電流、轉(zhuǎn)速均實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。由于轉(zhuǎn)速與電流調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器，所以系統(tǒng) 處于穩(wěn)態(tài)時(shí)， 轉(zhuǎn)速和電流均為無(wú)靜差。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR輸入無(wú)偏差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差 (3) 雙閉調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾性 圖 12 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 (4) 抗負(fù)載擾動(dòng)作用

34、 由雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)作用的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出， 負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之外，轉(zhuǎn)速環(huán)之內(nèi)，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在抗負(fù)載擾動(dòng)方面和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)只能依靠轉(zhuǎn)速環(huán)來(lái)進(jìn)行抗擾調(diào)節(jié)。 （ 5）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) - 14 - 圖 13 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 由動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖知： 電網(wǎng)電壓擾動(dòng)在電流環(huán)之內(nèi)， 電壓擾動(dòng)尚未影響到轉(zhuǎn)速前就已經(jīng)為電流環(huán)所抑制。 因而雙閉環(huán)系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降 （升）比單閉環(huán)小得多

35、。 4. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)： ① 具有良好的靜特性 ( 接近理想的“挖土機(jī)特性” ) 。 ② 具有較好的動(dòng)態(tài)特性，起動(dòng)時(shí)間短 ( 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 ) ，超調(diào)量也較小。 ③ 系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，電流環(huán)能較好地克服電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，而速度環(huán)能抑制被它包圍的各個(gè)環(huán)節(jié)擾動(dòng)的影響，并最后消除轉(zhuǎn)速偏差 ④ 由兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速。 這樣，可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)， 分別調(diào)整 ( 先調(diào)好電流環(huán)，再調(diào)速度環(huán) ) ，調(diào)整方便。 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的硬度大大提高。 在相同負(fù)載下兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為

36、 它們的關(guān)系是 顯然，當(dāng)開環(huán)放大系數(shù) K 很大時(shí)， 要比 小得多，即閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。 當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速相同， 即 時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差 率為 - 15 - 開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為 : 由于 ，而相同負(fù)載下 ，所以 Scl 和 Sop 之間的關(guān)系為 （ 3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉

37、環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。假如電動(dòng)機(jī) 的最高轉(zhuǎn)速 相同，對(duì)靜差率的要求也相同，那么，根據(jù)式（ 8.8 ），當(dāng)開環(huán) 時(shí) 閉環(huán)時(shí) 再考慮到式，得 （4）當(dāng)給定電壓相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速為 開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速為 兩者的關(guān)系為 閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速大大降低。如果要維持系統(tǒng)的運(yùn)行速度不變，使 - 16 -

38、 ，閉環(huán)系統(tǒng)所需要的 要為開環(huán)系統(tǒng)的（ 1+K）倍。因此，如果開環(huán)和閉環(huán) 系統(tǒng)使用同樣水平的的給定電壓 ，又要使運(yùn)行速度基本相同，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置 放大器。因?yàn)樵陂]環(huán)系統(tǒng)中， 由于引入了轉(zhuǎn)速反饋電壓 Un，偏差電壓 必 須經(jīng)放大器放大后才能產(chǎn)生足夠的控制電壓 Ucl 。開環(huán)系統(tǒng)中， 和 Ucl 屬于同一數(shù) 量級(jí)的電壓，可以不必設(shè)置放大器。而且，上面提到閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，都是 K 越大越好，也必須設(shè)置放大器。 （三 )驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及電路的設(shè)計(jì) 電動(dòng)自行車使用 24V 直流電機(jī)，對(duì)于這種小功率直流電機(jī)的調(diào)速方法一般有

39、兩 種。 一種是線性型： 使用功率三級(jí)管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。 線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電阻 R 的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。 另一種脈寬調(diào)制型 :脈寬調(diào)速（ PULSE WIDE MODULATION —PWM ）較常用的一種調(diào)速方式，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻 繁的負(fù)載沖擊， 還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、 制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。 因此決定采用 PWM 方式控制直流電機(jī)。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速原理：永磁式直流電動(dòng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn) 速由電樞電壓 UD 決定，

40、電樞電壓 UD 越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓 UD 降為 0V ，電機(jī) 就就停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的具體調(diào)速過(guò)程是：先讓它啟動(dòng)一段時(shí)間，然后切斷電源，電動(dòng) 機(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動(dòng)。 在轉(zhuǎn)速降到一定限度時(shí)使電動(dòng)機(jī)再次接通， 電動(dòng)機(jī)因此而再次 加速，不斷的給電樞兩端送入脈動(dòng)電壓源 （即脈動(dòng)信號(hào)） 就可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制 在指定的范圍內(nèi)。 - 17 - 圖脈沖信號(hào)圖 Vmax 為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值， Vmin 為電動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)速值， V

41、D 為二者的平均值。 V D =D*max 式中 D=t/Tc 稱為占空比， D 越大 V D 就越大反之亦然。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比 D 之間關(guān)系如圖 3.6 所示： 由圖可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關(guān)系， 但可以近似的看成是線性關(guān)系。因此，電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速 V D 就可以有占空比 D 加以控制。 圖 3.6 V D/D 關(guān)系圖 PWM 調(diào)速分為雙向式和單向式兩種： 雙向式：在一個(gè)脈沖周期內(nèi)（ T=Ta+Tb） ,T1 和 T3 導(dǎo)通時(shí)間為 Ta

42、,T2 和 T4 導(dǎo)通 時(shí)間為 Tb，這樣在 Ta 這段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)通過(guò)的是正向電流，在 Tb 這段時(shí)間內(nèi)為反 相電流。當(dāng) Ta=Tb 時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)， Ta>Tb 電機(jī)正轉(zhuǎn)， Ta<Tb 電機(jī)反轉(zhuǎn)。 單向式：?jiǎn)蜗蚴降碾娐泛碗p向式相同，同的是在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)， Tb 這段時(shí)間內(nèi)不 通過(guò)反相電流；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)， Ta 內(nèi)不通過(guò)正向電流。其調(diào)速原理基本與雙向相同，單向式與雙向式相比， 三極管的開關(guān)頻率少一半， 比較不容易發(fā)生上下三極管導(dǎo)通而 造成電源短路的情況，故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差 ;外特性、低速性也不如雙向式好。 綜合以上兩種方式的優(yōu)缺

43、點(diǎn)， 并考慮到電動(dòng)自行車對(duì)調(diào)速精度要求不太高， 以及省電、器件損耗等方面因素， 決定采用單向式 PWM ；考慮到編程時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生使 T1、T2、 T3、T4 都導(dǎo)通的情況，以致電源短路，燒毀器件。為了避免出現(xiàn)這種情況，設(shè)計(jì)了圖 3.7 所示的電路 : 此電路只用一個(gè)三極管控制電路的通斷， 用四個(gè)繼電器控制電流流向， 從而控制 - 18 - 電機(jī)的轉(zhuǎn)向。這樣無(wú)論如何，都不會(huì)出現(xiàn)因編程原因而造成電源短路的情況。 由于采用單片機(jī)控制電機(jī)， 如果單片機(jī)的電源采用與電機(jī)同一電源， 雖然經(jīng)過(guò)穩(wěn) 壓、濾波，但單片機(jī)仍然容易受到電機(jī)以及

44、繼電器的干擾。為了避免干擾，采用光電 隔離，單片機(jī)和電機(jī)采用兩套電源， 4N26 光耦一般需要 2mA 以上的驅(qū)動(dòng)電流， 由于 單片機(jī)的輸出電流只有幾百毫安，故需要先接 74LS245 或者接一個(gè)三極管增加驅(qū)動(dòng) 能力（ 74LS245 的高電平驅(qū)動(dòng)能力為 15mA）。光耦的輸出再接給達(dá)林頓管，考慮到 電機(jī)的短路電流有 2A，故選用 TIP132 型號(hào)的達(dá)林頓管（允許通過(guò)的最大瞬時(shí) 圖 3.7 電源電路

45、 電流為 8A ）。另外，在達(dá)林頓管的 C 極和電源的正極之間接一個(gè)耐流為 2A 的二極管，這樣在關(guān)斷電源后， 使繼電器反相， 可以讓電機(jī)放電， 這樣停時(shí)車不至于因?yàn)閼T性滑行太遠(yuǎn)而浪費(fèi)能源。 因此，切斷電源后要將電動(dòng)車停下來(lái)而采取的無(wú)謂制動(dòng)不能將電能回饋給蓄電池。 考慮到電動(dòng)自行車對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速距離控制要求不高， 為了簡(jiǎn)化程序和外接電路， 所以沒(méi)有考慮采用閉環(huán) PWM 控制，用開環(huán) PWM 控制和就可以實(shí)現(xiàn)自行車的功能。 - 19 -

46、 圖 3.8 脈沖信號(hào)波形圖 工作時(shí) Ta 為高電平，通過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)復(fù)合管 T 導(dǎo)通，此時(shí) Tb 為高電平通過(guò)光耦 使三極管導(dǎo)通， 繼電器各線圈被短路。 K1、K2 為常閉觸點(diǎn)， 所以電動(dòng)機(jī)加正向電壓。 當(dāng) Tb 為低電平電壓時(shí)所有繼電器得電，常開觸點(diǎn)閉合常閉觸點(diǎn)斷開， K1 、K3 斷開 K2、 K4 導(dǎo)通。電動(dòng)機(jī)加反向電壓。如果保證 Ta>Tb 則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。通過(guò)改變 Ta、 Tb 的占空比即可改變轉(zhuǎn)速 周邊電路保護(hù) ( 一) 穩(wěn)壓電路

47、 圖 16 穩(wěn)壓電路 24V 直流電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器電路中接入 C1、 C2 是用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)?，可防? 穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。大容量的 C3 是電解電容，以 減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。 D是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端意外短 路時(shí)，給輸出電容器 C3 一個(gè)放電通路，防止 C3兩端電壓作用于調(diào)整管的 be 解結(jié)， 造成調(diào)整管 be 結(jié)擊穿而損。 - 20 - （二）保護(hù)電路

48、 圖 17 保護(hù)電路 減流式保護(hù)電路由 T12、R11、R15、R14 和 DZ3、 DZ4 組成， R11 為檢流電阻。保護(hù)的目的主要是使調(diào)整管（主要是 T11）能在安全區(qū)以內(nèi)工作，特別要注意使它的功耗不超過(guò) 額定值 PCM。首先考慮一種簡(jiǎn)單的情況。 假設(shè)圖 4.5 中的 DZ3、DZ4和 R14不存在， R15 兩端短路。這時(shí)，如果穩(wěn)壓電路工作正常， 即 PC<PCM并且輸出電流 IO 在額定值以內(nèi)，流過(guò) R11的電流使 =IOR11<0.6V，T12 截止。當(dāng)輸出電流急劇增加，例如輸出端短路時(shí)，輸出

49、電流超過(guò)極限值（ IO(CL)=PCM/VI=0.6V/R11）時(shí)，即當(dāng) >0.6V 時(shí)，使 T12 管導(dǎo)通。由于它的分流作用，減小了 T10 的基極電流，從而限制了輸出電流。這種簡(jiǎn)單限流保護(hù)電路的不足之處是只能將輸出電流限制在額定值以內(nèi)。 由于調(diào)整管的耗散功率 PCM=ICVCE，只有既考慮通過(guò)它的電流和它的管壓降 VCE值，又使 PC<PCM，才能全面地進(jìn)行保護(hù)。圖 4.10 中 DZ3、DZ4和 R14、R15所構(gòu)成的支路就是為實(shí)現(xiàn)上述保護(hù)目的而設(shè)置的。電路中如果（ VI – IOR11– VO）>（VZ3+VZ4），則 DZ3、DZ4擊穿，導(dǎo)致 T12 管發(fā)射結(jié)承受正

50、向電壓而導(dǎo)通。 VBE12的值為 經(jīng)整理后得： 顯然，（ VI –VO）越大，即調(diào)整管的 VCE值越大，則 I O越小，從而使調(diào)整管的功 耗限制在允許范圍內(nèi)。由于 I O 的減小，故上述保護(hù)稱為減流式保護(hù)。 - 21 - 電流采樣及過(guò)電流保護(hù)設(shè)計(jì) 電流采樣及過(guò)流保護(hù)圖

51、 1 電流信號(hào) 電機(jī)主回路電流信號(hào)經(jīng)采樣電阻獲得。電流信號(hào)經(jīng)過(guò) LM358放大，由單片機(jī)PIC16F72A/D通道 RA1（管腳 2）輸入，并進(jìn)行控制處理。 同時(shí)。電流采樣信號(hào)通過(guò) LM358 與一固定電壓值比較，當(dāng)電壓的電流過(guò)大時(shí)， LM358輸出高 電平，送入 GAL16V8直接關(guān)斷輸出，進(jìn)行邏輯保護(hù)。 2 電流采樣 通常對(duì)電機(jī)三相電流進(jìn)行控制需要三個(gè)獨(dú)立的電流閉環(huán)， 而永磁無(wú)刷直流電機(jī)采用兩相導(dǎo)通方式， 即電機(jī)三相定子繞組在某一時(shí)刻只有兩相通電， 導(dǎo)通的兩相繞組的電流大小相等，方向相反，因此任意時(shí)刻只需控制一個(gè)電流量。 電流采樣方式可采取直接采樣

52、兩相電流的方法或采樣直流母線電流的方法。 對(duì)于永磁無(wú)刷直流電機(jī)多采用后一種方法。 采樣直流母線電流有兩種方法， 一種是在待測(cè)電路上串入一個(gè)小電阻， 用小電阻上的壓降反映電流的大小； 另一種是采用電流傳感器。在電流較大，或要求電隔離的情況下，可以采用磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器?？紤]到本控制系統(tǒng)的成本問(wèn)題，本系統(tǒng)采用第一種電流采樣方式。 3 過(guò)流保護(hù) 過(guò)流保護(hù)電路可以對(duì) MOSFET進(jìn)行保護(hù)，將最大電流控制在設(shè)定范圍內(nèi)，當(dāng)達(dá)到 閥值時(shí)關(guān)閉電機(jī)，避免了 MOSFET上通過(guò)大電流燒毀的危險(xiǎn)。過(guò)流保護(hù)是控制器的最 后防線，過(guò)流保護(hù)電阻用的是康銅絲， 當(dāng)系統(tǒng)電流超過(guò)最大保護(hù)電

53、流值時(shí)， 康銅絲會(huì) 燒斷，從而起到保護(hù)作用。 - 22 - 護(hù)原理圖過(guò)流保 3.7.2 LM358 雙運(yùn)放大電路 如圖 3-15 所示， LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算 放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用， 也適用于雙電源工作模式， 在推薦 的工作條件下， 電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。 它的使用范圍包括傳感放大器、 直流增益 模塊和其他所有可用單電

54、源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 LM358 引腳功能圖 欠電壓保護(hù) - 23 - 圖 3-16 欠電壓保護(hù)電路圖 如圖 3-17 所示，電池電壓經(jīng)分壓后接單片機(jī) RA1（管腳 3），由單片機(jī)采入進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)電池電壓過(guò)低時(shí)給出欠壓信號(hào)，輸出截止，防止電池由于過(guò)放而損壞。對(duì)于無(wú)刷直流

55、電機(jī)控制器， 由于輸入控制變量比較多， 控制器可以利用各種輸入信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)完成相當(dāng)完善與靈活的保護(hù)， 這些保護(hù)功能可以大大提高無(wú)刷直流電機(jī)控制器的可靠性。 三、電動(dòng)車的故障檢修 （一）電機(jī) 電機(jī)是電動(dòng)車的關(guān)鍵部件。 由于電動(dòng)車所帶的能源有限， 作為全天候的交通工具， 更 要求電機(jī)能耐受較惡劣的環(huán)境，可靠性要高。 電機(jī)在機(jī)構(gòu)上， 分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī) : 有刷電機(jī)是傳統(tǒng)產(chǎn)品， 性能比較穩(wěn)定。 應(yīng)

56、 該是電動(dòng)車的首選電機(jī)。 無(wú)刷電機(jī)是新產(chǎn)品，其壽命性能比有刷電機(jī)好。但其控制 電路比較復(fù)雜， 對(duì)元件的老化篩選要求比較嚴(yán)格。 雖然電機(jī)壽命長(zhǎng)但控制電路容易出 毛病。 - 24 - 圖 18 永磁無(wú)刷電機(jī) 檢修方法： 將萬(wàn)用表置于直流 20A 擋位，將紅、黑表筆串聯(lián)接在控制器的電源輸入 端。打開電源，在電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，記錄下此時(shí)

57、萬(wàn)用表的最大電流數(shù)值 A1。 轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，使電機(jī)高速空載轉(zhuǎn)動(dòng) 10s 以上。等電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定以后， 開始觀察并記錄此時(shí)萬(wàn)用表的最大數(shù)值 A2。 電機(jī)的空載電流 =A2-A1 各種電機(jī)的無(wú)故障最大極限空載電流參考表如下： 當(dāng)電機(jī)的空載電流大于參考表極限數(shù)據(jù)時(shí)，表明電機(jī)出現(xiàn)了故障。電機(jī)空載電流大的原因有： ①電機(jī)內(nèi)部機(jī)械摩擦大。 ②線圈局部短路。 ③磁鋼退磁。 我們繼續(xù)往下做有關(guān)的測(cè)試與檢查項(xiàng)目，可以進(jìn)一步判斷出故障原因或故障部 位。 （二）電機(jī)發(fā)熱 用非接觸式的紅外線溫度計(jì)，或萬(wàn)用表的溫度測(cè)量擋位（帶溫度測(cè)量的萬(wàn) 用表）

58、，測(cè)量電機(jī)端蓋的溫度超過(guò)環(huán)境溫度 25℃以上時(shí)， 表明電機(jī)的溫升已經(jīng)超出了正常范圍，一般電機(jī)的溫升應(yīng)在 20℃以下。 電機(jī)發(fā)熱的直接原因是由于電流大引起的。 電機(jī)電流 I ，電機(jī)的輸入電動(dòng)勢(shì)E1，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的感生電動(dòng)勢(shì)（又叫反電動(dòng)勢(shì)） E2，與電機(jī)線圈電阻 R之間的關(guān)系是： - 25 - I= （E1-E2）÷ R I 增大，說(shuō)明 R 變小或 E2 減小了。 R 變小一般是線圈短路或開路引起的。 E2 減小一般是磁鋼退磁引起的或者是線圈短路、開路引起的。 在電動(dòng)車的整車的維修實(shí)踐中，處理電機(jī)發(fā)熱故障的方法，一般是更換

59、電 機(jī)。 （三）電機(jī)的空載 / 負(fù)載轉(zhuǎn)速比大于 1.5 打開電源，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，使電機(jī)高速空載轉(zhuǎn)動(dòng) 10s 以上。 等電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定以后， 用手持式速度 / 轉(zhuǎn)速測(cè)量計(jì)測(cè)量此時(shí)電機(jī)的空載最高 轉(zhuǎn)速 N1。 在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，行駛 200m距離以上，開始測(cè)量電機(jī)的負(fù)載最高轉(zhuǎn)速 N2?？蛰d / 負(fù)載轉(zhuǎn)速比 =N2÷N1 當(dāng)電機(jī)的空載 / 負(fù)載轉(zhuǎn)速比大于 1.5 時(shí)，說(shuō)明電機(jī)的磁鋼退磁已經(jīng)相當(dāng)厲害了，應(yīng)該更換電機(jī)里面整套的磁鋼 , 在電動(dòng)車的實(shí)際維修過(guò)程中一般是更換整個(gè)電機(jī)。 （四）電池保養(yǎng)及維護(hù) 蓄電池存放時(shí)應(yīng)該是充滿電之后存放

60、，在一個(gè)月左右取出來(lái)放電或者使用一 到二次，然后再充電繼續(xù)存放；這樣利于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命； 一般新的蓄電池前三次充電最好在 8-12 小時(shí)，以后掌握在 6-8 小時(shí)即可； 蓄電池的充電快、慢無(wú)所謂；關(guān)鍵是放電時(shí)間；放電時(shí)間長(zhǎng)就可以繼續(xù)使用；蓄電池只要是能夠充電、 放電就還可以繼續(xù)使用； 如果購(gòu)買國(guó)產(chǎn)大品牌的就可以；如果自己會(huì)鑒別質(zhì)量?jī)?yōu)劣， 也可以選購(gòu)中小廠家的品牌產(chǎn)品； 這樣性價(jià)比高一些；一般電池的壽命是以充電、放電的次數(shù)來(lái)決定的；一般返修、翻新的蓄電池充電次數(shù)在 50 次左右，所以購(gòu)買時(shí)都信誓旦旦的告訴你，保修三個(gè)月、或者半年； 一過(guò)保修期肯定使不長(zhǎng)；普通廠家生產(chǎn)的蓄電

61、池充電、放電次數(shù)在 100-180 次左 右；使用期限在一年到兩年左右； 好的廠家生產(chǎn)的蓄電池充電、 放電次數(shù) 200-300 次左右；使用期限在兩年到三年左右；進(jìn)口、原裝的蓄電池充電、放電能夠達(dá)到 500 次以上，使用年限就更長(zhǎng)。 - 26 - 圖 19 蓄電池 不宜騎過(guò)就充電電池的壽命是由充放電循環(huán)次數(shù)決定的， 充放電的次數(shù)越多壽命 縮減越快。充電時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)許多電動(dòng)車用戶認(rèn)為充電時(shí)間越長(zhǎng)電

62、池電量越 足。這是非常錯(cuò)誤的。充電時(shí)間一般以充電器變燈后延長(zhǎng)一小時(shí)以內(nèi)為最佳長(zhǎng)時(shí) 間的過(guò)充容易導(dǎo)致電池變形、失水等現(xiàn)象。從而直接危害電池壽命。嚴(yán)禁虧電行 使有的用戶一直到電動(dòng)車騎不動(dòng)時(shí)再充電，這樣就嚴(yán)重傷害性能 。 ( 五 ) 無(wú)刷電機(jī)缺相 無(wú)刷電機(jī)缺相一般是由于無(wú)刷電機(jī)的霍耳元件損壞引起的， 我們可以通過(guò)測(cè)量霍耳元件輸出引線相對(duì)霍耳地線和相對(duì)霍耳電源引線的電阻， 用比較法判斷是哪只霍耳元件出現(xiàn)故障。 為保證電機(jī)換相位置的精確， 一般建議同時(shí)更換所有的三個(gè)霍耳元件。 更換霍耳元件之前，必須弄清楚電機(jī)的相位代數(shù)角是 120 度還是 60 度，一般 60 度相角

63、電機(jī)的三個(gè)霍耳元件的擺放位置是平行的。 而 120 度相角電機(jī)，三個(gè)霍耳元件中間的一個(gè)霍耳元件是呈翻轉(zhuǎn) 180 度位置擺放的。 四、主要的元器件性能 （一）控制器 控制器是由周邊器件和主芯片（或單片機(jī)）組成。周邊器件是一些功能器件，如執(zhí)行、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開關(guān)電路，以及輔助單片機(jī)或?qū)Ｓ眉呻? 路完成控制過(guò)程的器件； 單片機(jī)也稱微控制器， 是在一塊集成片上把存貯器、 有變換 信號(hào)語(yǔ)言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調(diào)制功能電路以及能使開關(guān)電路功率管導(dǎo)通 或截止、通過(guò)方波控制功率管的的導(dǎo)通時(shí)間以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)電路、 輸入輸出端

64、 - 27 - 口等集成在一起，而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)片。這就是電動(dòng)自行車的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出現(xiàn)的高技術(shù)產(chǎn)品。 保護(hù)功能是對(duì)控制器中換相功率管、 電源免過(guò)放電， 以及電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中， 因某種故障或誤操作而導(dǎo)致的可能引起的損傷等故障出現(xiàn)時(shí)， 電路根據(jù)反饋信號(hào)采取的保護(hù)措施。電動(dòng)自行車基本的保護(hù)功能和擴(kuò)展功能保護(hù)功能是對(duì)控制器中換相功率管、 電源免過(guò)放電， 以及電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中， 因某種故障或誤操作而導(dǎo)致的可能引起的損傷等障出現(xiàn)時(shí)，電路根據(jù)反饋信號(hào)采取的保護(hù)措施。 電動(dòng)自行車基本的保護(hù)功能和擴(kuò)展功能如下： 1. 制動(dòng)

65、斷電 電動(dòng)自行車車把上兩個(gè)鉗形制動(dòng)手把均安裝有接點(diǎn)開關(guān)。 2. 欠壓保護(hù) 這里指的是電源的電壓。 3. 過(guò)流保護(hù) 電流超限對(duì)電機(jī)和電路一系列元器件都可能造成損傷， 甚至燒毀， 這是絕對(duì)應(yīng)當(dāng)避免的。 4. 過(guò)載保護(hù) 過(guò)載保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)是相同的，載重超限必然引起電流超限。 5. 欠速保護(hù) 仍然屬于過(guò)流保護(hù)范疇，是為不具備 0 速起步功能的無(wú)刷控制系 統(tǒng)而設(shè)置。 6. 限速保護(hù) 是助力型電動(dòng)自行車獨(dú)有的設(shè)計(jì)控制程序。 （二）蓄電池 鋰電池的材料 鋰金屬電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)

66、極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰電池使用以下反應(yīng)： 圖 20 - 28 - 正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。 充電時(shí)： LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- 放電時(shí)： Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4 負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。負(fù)極反 應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫插， 充電時(shí)鋰離子插入。 充電時(shí)： xLi+ + xe- + 6C → LixC6 放電時(shí)： LixC6 → xLi+ + xe- + 6C 鋰電池優(yōu)點(diǎn) 充電器能量比比較高．使用壽命長(zhǎng)額定電壓高具備高功率承受力自放電率很 低．重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的 1/5-6 ；高低溫適應(yīng)性強(qiáng)， 可以在 -20 ℃ --60 ℃的環(huán)境下使用，經(jīng)過(guò)工藝上的處理，可以在 -45 ℃環(huán)境下使用； 綠色環(huán)保，不 論生產(chǎn)、使用和報(bào)廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。 生產(chǎn)基本不消耗水。 （三）集成轉(zhuǎn)速