【正文】 電刷和換向器（或集電環(huán)）的直流電機(jī)，又稱無換向器直流電機(jī)，它以電子換向器代替機(jī)械電刷和換向器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的換向 。 無刷直流電機(jī)克服了有刷直流電機(jī)由于電刷環(huán)流而引起的磨損，產(chǎn)生火花而又引起噪音，及其對(duì)周圍電路帶來惡劣影響。無刷直流電機(jī)回饋裝置簡(jiǎn)單，功率密度更高，輸出轉(zhuǎn)矩更大，控制結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，使電機(jī)和逆變器各自潛力得到充分發(fā)揮。且調(diào)速性能優(yōu)越，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，不存在勵(lì)磁損耗。同時(shí)，無刷直流電機(jī)既具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備有刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率高等 諸多特點(diǎn)，同時(shí)克服了有刷直流電機(jī)由于機(jī)械電刷和換向器的存在所帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弊病，且降低了制造成本，簡(jiǎn)化了電機(jī)維修。 進(jìn)入九十年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如 GTR 、 MOSFET 、 IGBT 、 MCT 等相繼問世，以及微處理器、大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化 。 這些開關(guān)器件本身向著高 6 頻化、大容量、智能化方向發(fā)展，并出現(xiàn)集半導(dǎo)體開關(guān)、信號(hào)處理、自我保護(hù)等功能為一體的智能功率模塊（ IPM）和大功率集成電路，使無刷直流電動(dòng)機(jī)的關(guān) 鍵部件逆變器的成本降低，且向高頻化、小型化發(fā)展。無刷直流電機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段，目前正朝著超高速、高轉(zhuǎn)矩、高功能化、微型化方向發(fā)展。所以無刷直流電機(jī)在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、及計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及家用電器等方面得到了廣泛的應(yīng)用 。 電動(dòng)自行車的組成 部分 電動(dòng)自行車一般由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、行車部分、操縱制動(dòng)部分、電氣儀表部分組成。 1. 動(dòng)力部分 電動(dòng)自行車的動(dòng)力部分通常由蓄電池和電機(jī)構(gòu)成，是電動(dòng)自行車的動(dòng)力來源。其性能的好壞，直接影響電動(dòng)自行車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性 . 2. 傳動(dòng)部分 電 動(dòng)自行車傳動(dòng)部分的作用是將動(dòng)力部分輸出的功率傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)使電動(dòng)自行車行駛。通過變速器或調(diào)速器，使電動(dòng)自行車獲得行駛所需要的驅(qū)動(dòng)力和速度，并保證電動(dòng)自行車的平穩(wěn)起步和停車。它由變速器、后傳動(dòng)裝置組成。 3. 行車部分 行車部分的作用是使電動(dòng)自行車構(gòu)成一個(gè)整體，支撐全車的總重量，將傳動(dòng)部分傳遞的扭矩轉(zhuǎn)換成驅(qū)使電動(dòng)自行車行駛的牽引力，同時(shí)承受吸收和傳遞路面作用于車輪上的各種反力，確保電動(dòng)自行車正常、安全行駛。它主要由車架、前減震器、前后輪、座墊等組成。 4. 操縱制動(dòng)部分 操縱制動(dòng)部分的作用是直接控制行車方向、行駛速度、 制動(dòng)等，以確保電動(dòng)自行車行駛安全。它由車把、制動(dòng)裝置、調(diào)速手把等組成。電氣儀表裝置是保證車輛安全行駛并反映車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要裝置，它使騎行者能正確、有效地對(duì)車輛行駛適時(shí)地進(jìn)行控制。它由數(shù)據(jù)顯示裝置、充電器等組成。 課題研究的內(nèi)容 由于直流無刷電機(jī)具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡以及家用電器等方面的應(yīng)用得到日益普 7 及。 因此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)自行車的控制系統(tǒng)， 36V電源供電， 采用 MC33033 作為主控制芯片，功率器件 MOSFET 起開關(guān)作用 驅(qū)動(dòng)電機(jī) ，采用 PWM 方式調(diào)速實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)自行車的控制。 第 2章 電動(dòng)自行車的主要技術(shù) 電動(dòng)自行車的基本性能 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)自行車通用技術(shù)條件》，電動(dòng)自行車是以蓄電池為輔助能源，具有兩個(gè)車輪，能實(shí)現(xiàn)人力騎行、電動(dòng)或電力助動(dòng)功能的特種自行車；根據(jù)《道路安全法》，把電動(dòng)自行車劃分為非機(jī)動(dòng)車輛，電動(dòng)自行車的性能不能超出非機(jī)動(dòng)車輛標(biāo)準(zhǔn)。下面介紹《電動(dòng)自行車通用技術(shù)條件》中重要條款。 電動(dòng)自行車采用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)把，通過控制器可以對(duì)電動(dòng)機(jī) 進(jìn)行調(diào)速控制，電動(dòng)車最高時(shí)速 20Km/h。 電動(dòng)自行車必須具有可靠的剎車斷電功能。電動(dòng)自行車騎行剎車制動(dòng)時(shí)，剎車信號(hào)先送到控制器內(nèi)，切斷控制器輸出到電動(dòng)機(jī)的電源，電動(dòng)機(jī)停止輸出動(dòng)力，然后機(jī)械剎車系統(tǒng)制動(dòng)，確保騎行者安全。 電動(dòng)自行車整車質(zhì)量不超過 40Kg。 電動(dòng)自行車比普通自行車多了蓄電池、電動(dòng)機(jī)等質(zhì)量較大的部件，因此比普通自行車重了許多，但不應(yīng)大于 40Kg 這一非機(jī)動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)上限，超過了就不能納入非機(jī)動(dòng)車管理范圍。 電動(dòng)自行車一般采用單塊為 12V/12Ah 鉛蓄電池串聯(lián)組成電動(dòng)自行車電源，每塊鉛酸蓄電池電磁質(zhì)量約 ， 24V 電源兩塊電池加外殼約 ； 36V 電源三塊電池加外殼質(zhì)量約 13Kg。 低速電動(dòng)機(jī)輪廓較重，質(zhì)量約 5Kg，告訴電動(dòng)機(jī)加減速齒輪構(gòu)成的輪廓質(zhì)量約 。 電池質(zhì)量加電動(dòng)機(jī)質(zhì)量約占整車質(zhì)量一半，留給自行車車體部分的約20Kg。 而電動(dòng)自行車在較快速度下運(yùn)行的交通工具，質(zhì)量比自行車大，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求比自行車高。 電動(dòng)自行車必須具有腳踏行駛功能。電動(dòng)自行車納入非機(jī)動(dòng)車管理范疇，腳踏功能是比不可少。 在平坦的瀝青或混凝土路面風(fēng)速不大于 3m/s，電動(dòng)自行車30min 腳踏行駛距離不應(yīng)小于 7Km。 電動(dòng)自行 車電池容量應(yīng)保證一次充滿電后續(xù)駛里程應(yīng)不小于 25Km。 電動(dòng)自行 8 車企業(yè)的產(chǎn)品說明書講一次充電后可行駛 4050Km，其依據(jù)是電池放電時(shí)間在120min 以上，最高車速 20Km/h，這樣算來可以行駛 40Km。 一組優(yōu)質(zhì)的電池應(yīng)能保證使用一年后電池容量能維持續(xù)駛里程大于 25Km。 電動(dòng)自行車以電動(dòng)騎行， 100Km 的電能消耗應(yīng)不大于 。 電動(dòng)自行車電動(dòng)機(jī)的額定連續(xù)輸出功率一般選用 120200W，最大應(yīng)補(bǔ)大于 240W。 電動(dòng)自行車常用蓄電池組標(biāo)稱電壓一般為 24V、 36V、 48V，常用為 36V，最高應(yīng)不大于 48V。 電動(dòng)自行車載重一般為 75Kg，有的達(dá)到 100Kg 左右，載重增加，就要求蓄電池能提供更多的能源，電動(dòng)機(jī)控制器必須增加功率，滿足載重要求。 電動(dòng)自行車的主要技術(shù)參數(shù) 電動(dòng)自行車主要技術(shù)參數(shù)包括四部分： ○ 1 整車主要技術(shù)參數(shù)； ○ 2 蓄電池主要技術(shù)參數(shù)； ○ 3 電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)； ○ 4 控制器主要技術(shù)參數(shù)。這些參數(shù)必須在說明書中注明。 整車主要技術(shù)參數(shù) 外形尺寸： 長(zhǎng) 寬 高（ mm） 千鶴牌： 24in1840 590 1100 英克萊牌： 24in1735 590 1050 22in1790 590 1100 22in1650 630 1045 前后輪中心距（ mm） 24in1230 22in1205 整車品質(zhì)（ Kg，不應(yīng)大于 40Kg） 一輛電動(dòng)自行車的整車質(zhì)量一般為 3035Kg。 最大載重 量（ Kg） 一輛電動(dòng)自行車的最大載重在 75100Kg。 最高車速（ Km/h） 一輛電動(dòng)自行車的最高車速為 20Km/h左右。 續(xù)駛里程（ Km） 一輛電動(dòng)自行車的續(xù)駛里程采用 24V（ 24V/12Ah）供電為 2025；采用36V(36V/12Ah)供電為 4560Km。 9 蓄電池主要技術(shù)參數(shù) 蓄電池的類型：在電動(dòng)自行車中，常用的蓄電池有鉛酸電池，還有鎳氫電池，鋰電池。 蓄電池容量：在電動(dòng)自行車中，常用的蓄電池容量有 10Ah、 12Ah、 14Ah、17Ah。 標(biāo)稱電壓：在電動(dòng)自行車中，常見蓄電池的標(biāo)稱電壓有 24V、 36V、 48V 三種。 一般標(biāo)配為 36V。 同時(shí)蓄電池使用壽命也是本系統(tǒng)的一個(gè)重要因素，影響蓄 電池壽命的因素可分為三個(gè)方面： 首先 是蓄電池本身的性能和質(zhì)量；其次是電動(dòng)自行車系統(tǒng)中的各個(gè)因素； 第三方面是使用者的使 用情況。 同時(shí)在電動(dòng)自行車系統(tǒng)中，影響蓄電池使用壽命的最主要因素有兩個(gè)， 電動(dòng)機(jī)的效率狀態(tài) 充電器的設(shè)計(jì)。如果電動(dòng)機(jī)效率范圍窄，經(jīng)常工作在低效率區(qū)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部容易發(fā)熱，當(dāng)溫度過高時(shí)，磁性材料就會(huì)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的退磁，久而久之效率進(jìn)一步下降，從而進(jìn)入惡性循環(huán)，即使跟換了電池也會(huì)無濟(jì)于事。 電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)輸出功率 電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)輸出功率一般為 120200W，最大 不應(yīng)大于 400W。 電動(dòng)機(jī)額定電壓 常見的電動(dòng)機(jī)額定電壓時(shí) 36V，少數(shù)電動(dòng)機(jī)的額定電壓時(shí) 24V或 48V。 輪廓額定輸出轉(zhuǎn)矩（ N m） 電動(dòng)自行車的輪廓額定輸出轉(zhuǎn)矩為 24in 輪廓額定轉(zhuǎn)矩 22in 輪廓額定轉(zhuǎn)矩 控制器主要技術(shù)參數(shù) 控制的額定電壓 控制器的額定電壓一般為 24V、 36V、 48V 三檔。 控制器的欠電壓保護(hù)值 控制器的欠電壓保護(hù)值 控制器欠電壓保護(hù)值根據(jù)額定電壓不同而不同： 10 額定電壓為 24V 的控制器，其次電壓保護(hù)值為 20V 額定電壓為 36V 的控制器，其欠電壓 保護(hù)值為 額定電壓為 48V 的控制器，其欠電壓保護(hù)值為 過流保護(hù)值 過流保護(hù)值一般由 24V/10A 和 36V12A（ 16A）兩種。 電動(dòng)自行車的電機(jī)控制技術(shù) 電動(dòng)自行車是具有電力驅(qū)動(dòng)，腳踏驅(qū)動(dòng)，電力和腳踏并用等功能的綠色環(huán)保交通工具。電動(dòng)自行車的工作原理和結(jié)論都不復(fù)雜，可以認(rèn)為是在自行車的基礎(chǔ)上加一套電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。電動(dòng)自行車的控制框圖如圖 21 所示，蓄電池通過控制器給電機(jī)供電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)自行車行進(jìn)。電動(dòng)自行車的控制器連接有一個(gè)調(diào)速手柄，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速手柄可以改變控制器輸入端信號(hào)的 電壓值，控制器根據(jù)電壓值的大小，調(diào)節(jié)輸出給電機(jī)的電壓的高低，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 21 電動(dòng)自行車控制框圖 電動(dòng)自行車控制器由外圍器件和主芯片組成，主芯片是由 PWM 發(fā)生器電路，功率器件驅(qū)動(dòng)電路，處理電路，過流與欠壓保護(hù)電路，控制功率管導(dǎo)通時(shí)間的驅(qū)動(dòng)電路以及輸入輸出端口等集成在一起而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)芯 片。 外圍器件是一些功能器件，如電源電路，功率器件，信號(hào)采集電路，執(zhí)行器件和采樣器件等，包括電阻，傳感器和橋式開關(guān)電路，以及專用集成電路來共同完成控制過程。 控制器的設(shè)計(jì)質(zhì)量，特性，所采用的微處理器的功能，功率開關(guān)器件電路及周邊器件布局等，直接關(guān)系到整車的性能和運(yùn)行狀態(tài)，也影響著控制器本身的性能和效率。不同質(zhì)量的控制器同在同一輛車上，也會(huì)在使用上顯示出較大差別。 控制器 電機(jī) 調(diào)速手柄 傳感器 蓄電池 11 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理 無刷直流電機(jī)的基本工作原理是利用轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)組件，使電樞繞組依一定順序通電，從而在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)按一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)， 實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換。 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖 22 所示。 圖 22 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 從圖 22可見，無刷直流電動(dòng)機(jī)組件主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分構(gòu)成。其線圈繞在定子上，一般定子繞組制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其它起動(dòng)裝 置。 其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等） ,本設(shè)計(jì)選用常用的三相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定的極對(duì)數(shù)（ 2p= 2 , 4 ， ? ? ）組成。定子繞組分別與電子開關(guān)線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)接，位置傳感器與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。 當(dāng) 定子 繞組的某一相通 電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變換成電信號(hào)，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。 因此平常所說的無刷直流電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電 12 子開關(guān)線路、電動(dòng)機(jī)本體及位置傳感器三部分組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。無刷直流電機(jī)的工作原理簡(jiǎn)圖如圖 23 所示。 圖 23 無刷直流電機(jī)的工作原理簡(jiǎn)圖 無刷直流電機(jī)借助轉(zhuǎn)子的位置傳感器信號(hào)，通過電子換相線路去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率開關(guān)組件，使電樞繞組依次得電，從而在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷的送出信號(hào)，改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電機(jī)的無接觸式換流過程的實(shí)質(zhì)。 無刷直流電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換相，首先要求把一般直流電機(jī)的電樞繞組放在定子上，這與有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅僅這樣還不行，因?yàn)橛靡话阒绷麟娫唇o定子上各繞 組供電，只能產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，但不能與運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，無刷直流電機(jī)除了由定子、轉(zhuǎn)子組成電機(jī)本體