【正文】 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。、免維護(hù)、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。、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?5%，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。 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) 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(kāi)關(guān)線路三部分組成。其原理框圖如下圖所示。圖中，直流電源通過(guò)開(kāi)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(kāi)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)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xx2，yy2分別用于控制晶體管BGBGBG1和BG3的通斷。 圖7 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)接線圖當(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)90176。當(dāng)轉(zhuǎn)子N極轉(zhuǎn)到X相軸線上時(shí)，HG1的輸出將變?yōu)榱?，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)90176。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。 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(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管。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(kāi)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（2） 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 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(kāi)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，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(kāi)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)的靜特性靜特性方程： 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(kāi)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。(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(kāi)。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)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) 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