【正文】 對(duì)今后電動(dòng)汽車的研究也有著重要的參考價(jià)值。以歐、美、日為代表的發(fā)達(dá)國家的科研機(jī)構(gòu)、車輛公司在政府的支持下紛紛投巨資開始研制，并成功河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 3 推出了一批性能良好的概念車。如戴姆勒 —— 奔馳公司的NECar3 燃料電池電動(dòng)轎車是使用甲烷為燃料，電池采用高功率密度、結(jié)構(gòu)緊湊的 50kW 質(zhì)子交換膜燃料電池。 歐洲今后的主要研究活動(dòng)包括電池試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)、 EV 和 HEV， FC、汽車新結(jié)構(gòu)、未來燃料、汽車生命周期分析等。德國為目前歐洲電動(dòng)自行車主要市場(chǎng)之一，目前每輛電動(dòng)自行車價(jià)格平均在 2500 馬克左右。在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，美國主要集中力量開發(fā)基于交流異步電動(dòng)機(jī)為主的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)在美國已達(dá)到實(shí)用的要求。在小型兩輪電動(dòng)車上，各種運(yùn)動(dòng)型的車輛在美國占有廣泛的市場(chǎng)。 Zap 公司生產(chǎn)的馬達(dá)包括雙馬達(dá)裝備可安裝在 絕大多數(shù)的自行車或三輪車上。日本學(xué)者通過研究認(rèn)為采用優(yōu)化的矢量控制技術(shù)控制異步機(jī)所得的效率高于普通矢量控制的控制系統(tǒng)，而優(yōu)化的矢量控制系統(tǒng)的效率還是低于永磁無刷直流電機(jī)的效率。日本還河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 5 對(duì)電動(dòng)自行車的使用管理采取了嚴(yán)格限制，只允許智能型電動(dòng)自行車上路，并對(duì)智能型電動(dòng)自行車的要求制定了嚴(yán)格規(guī)定，具體有： 在任何路況情況下，速度小于 15km/h 時(shí)，人力 :電助力 ? 1，即電助 力不允許大于人力，但電助力接近于人力。 為了節(jié)約電能，智能型電助自行車停止運(yùn)行一定時(shí)間 (一般為 3～ 5分鐘 )后，整車處于休眠狀態(tài)。到了 90 年代后期，基本覆蓋全國主要經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)如江蘇、浙江、山東等省。 2021 年，我國首輛超級(jí)電容無軌電動(dòng)車在哈爾濱試驗(yàn)成功，該車時(shí)速為 60公里 /小時(shí)，具有充電快、能量大、壽命長、無污染等優(yōu)點(diǎn)。 0～ 112 公里 /小時(shí)的加速時(shí)間僅 13秒。隨著電動(dòng)自行車需求量的增加，許多廠家瞄準(zhǔn)了這一市場(chǎng)，其中，天津松正機(jī)電技術(shù)有限公司、福奇電子有限公司、上海安乃達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司和沈陽時(shí)運(yùn)科技發(fā)展有限公司等生產(chǎn)的電動(dòng)自行車控制器及相關(guān)配件都得到了廣泛的應(yīng)用 和推廣。機(jī)電一體化的個(gè)人交通工具。等電池電量補(bǔ)充到一定程度以后 ， 電池電壓會(huì)上升到充電器的設(shè)定值 。 （ 2）電池 電池是提供電動(dòng)車能量的隨車能源，目前的電動(dòng)車主要采用鉛酸電池組合。保護(hù)電機(jī)和電池，可使電流有控制地輸出，產(chǎn)生所需動(dòng)力，又不燒壞電機(jī)。助力傳感器是當(dāng)電動(dòng)車處于助力狀態(tài)時(shí) 檢測(cè)騎行腳蹬力矩或腳蹬速度信號(hào)的裝置。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 8 （ 6）燈具、儀表 燈具、儀表部分是提供照明并指示電動(dòng)車狀態(tài)的部件組合。 中國是一個(gè)自行車王國，據(jù)報(bào)道全國自行車擁有量為 億。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 9 電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)屬于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)元件，包括新型交流電動(dòng)機(jī)、新型直流電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)、專用小功率電動(dòng)機(jī)等等。但直流電動(dòng)機(jī)由于電刷的存在而產(chǎn)生的機(jī)械磨損較大，功率密度也偏低，無法實(shí)現(xiàn)高速大容量；而無刷直流 電動(dòng)機(jī)既有直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)越的性能，又依靠電子換向，免去了機(jī)械式電刷和換向器門，消除了機(jī)械磨損，提高了功率密度、最高轉(zhuǎn)速以及容量。盡管這些年來與電動(dòng)車相關(guān)的電機(jī)、電子、蓄電、控制、檢測(cè)等技術(shù)水平有了較大的提高，使其某些動(dòng)力性能如啟動(dòng)性能、加速性能和爬坡性能已可與燃油車輛相比，但是 由于蓄電技術(shù)沒有獲得實(shí)質(zhì)性的突破，致使伴隨其多年的缺點(diǎn)沒有得到根本性的改進(jìn)。此外燃料電池的研發(fā)也是一個(gè)熱點(diǎn)，已經(jīng)有很多國家和企業(yè)投入到此領(lǐng)域中。為了防止過放電，控制器要對(duì)供電電壓隨時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，一旦低于閾值，關(guān)閉控制器輸出。當(dāng)前我國極大多數(shù)廠商的產(chǎn)品都采用輪毅電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，采用這種方式的好處是電動(dòng)車制造商可以不對(duì)車型作大的改動(dòng)，即可裝車，這種方式比較容易在試制階段被接受，但是從電動(dòng)自行車本身的兩個(gè)功能電動(dòng)和人力騎行來看，采用輪毅電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，由于磁阻造成的力矩，以及人力 騎行時(shí)的電機(jī)發(fā)電問題，使人力騎行時(shí)感到費(fèi)力。對(duì)于電動(dòng)自行車的控制器而言，就是將給定速度信號(hào)、傳感器檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)和電動(dòng)機(jī)定子的電 壓、電流反饋信號(hào)河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 11 轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂苹虮Ｗo(hù)指令，監(jiān)督電動(dòng)機(jī)和控制電路的運(yùn)行狀態(tài)，采樣、對(duì)比分析并將信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制指令，來控制電動(dòng)機(jī)的啟停、加減速的運(yùn)行狀態(tài)。 本文內(nèi)容結(jié)構(gòu) 電動(dòng)自行車車用電機(jī)需要高效率、高功率密度、大輸出轉(zhuǎn)矩和在較寬范圍內(nèi)調(diào)速 的的性能，這樣的驅(qū)動(dòng)性能要求從系統(tǒng)的角度對(duì)電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的控制方法和電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。 第二章：對(duì)電動(dòng)自行車用無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理做了詳細(xì)的分析，簡要介紹了 PWM 控制技術(shù) 。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 12 2 永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與工 作 原理 電動(dòng)自行車的運(yùn)行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求很高。 （ 3）電動(dòng)自行車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠在車減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電汽車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機(jī)的摩托車上是不能實(shí)現(xiàn)的。 永磁無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 直流無刷電機(jī)是在直流有刷電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。六十年代初出現(xiàn)了用霍爾元件傳感器的直流無刷電機(jī)，七十年代初出現(xiàn)了比霍爾元件傳感器靈敏度高許多倍的磁敏二極管換流的直流無刷電機(jī)。永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子上裝配高性能永磁材料制成的永磁體，常用的有三種結(jié)構(gòu)形式：如圖 23 所示。圖23 (c)結(jié)構(gòu)是在轉(zhuǎn)子鐵心外套上一個(gè)整體粘結(jié)永磁體環(huán)，適用于體積和功率較小的永磁無刷直流電機(jī)，該種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子的制造工藝性較好。這種 結(jié)構(gòu)形式主要用于電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出信號(hào)的幅值、精度、響應(yīng)速度、工作溫度、抗干擾能力、損耗、體積重量、安裝方便性以及可靠性等。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場(chǎng)中，即輸出霍爾電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其不受外磁場(chǎng)作用時(shí)，其輸出端無信號(hào)。電角度，永磁體的極弧寬度為 180176。電角的矩形波信號(hào)?；魻栐轿恢脗鞲衅鹘Y(jié)構(gòu) 如下圖 24所示： 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 16 HaHb HcS123 圖 24 霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)（ 1永磁體架、 2永磁體、 3霍爾元件） Figure Hall elementposition sensor (1 permanent mag planes、 2 permanent mag、 3 Hall element) （ 2）電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成。電 磁式位置傳感器輸出信號(hào)較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。遮光盤處于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。它省去了轉(zhuǎn)子位置傳感器，因而電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高。 逆變器電路 永磁無刷直流電機(jī)中的逆變器電路起到類似于傳統(tǒng)直流電機(jī)中換向器的作用。電角度，繞組利用率差；圖 26 橋式逆變電路向電機(jī)繞組提供寬為 120176。電角度相較三相三狀態(tài)電路的定子步進(jìn)磁場(chǎng) 120176。晶閘管適用于中大功率電機(jī)、晶體管適用于中小功率電機(jī)。 AZBXCYSNF aF fAZBXCYSNF fF a （ a） （ b） 圖 27 永磁無刷直流電機(jī)工作原理示意圖 Figure 27 Work Principle of PM BLDCM 當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體位于圖 27(a)所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號(hào)，經(jīng)過控制電路以及驅(qū)動(dòng)電路處理后，導(dǎo)通功率開 關(guān)管 T T6， 即繞組 A 、B 通電，且電流方向?yàn)?A 進(jìn) B 出，電樞繞組在空間的合成磁勢(shì)為 Fa，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。則繞組 A、 C 通電，且電流方向?yàn)?A 進(jìn)C 出，電樞繞組在空間合成磁場(chǎng)如圖 27(b)。電角度時(shí)，逆變器 中功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為 T3T2?T3T4?T5T4? T5T6? T1T6?? ，則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受定子合成磁場(chǎng)的作用并沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢姸ㄗ雍铣纱艌?chǎng)在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，而是一種跳躍式的磁場(chǎng)，每個(gè)步進(jìn)角是 60176?？梢婋姍C(jī)在 360176。導(dǎo)通型。若將電感表示為河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 21 級(jí)數(shù)形式且采用多參考坐標(biāo)理論，也可進(jìn)行這種坐標(biāo)變換，但運(yùn)算繁瑣。相帶整距集中繞組，星形連接； (2）忽 略齒槽效應(yīng)，三相繞組完全對(duì)稱，均勻分布于光滑定子的內(nèi)表面； (3）忽略磁路飽和，且不計(jì)渦流和磁滯損耗； (4)不考慮電樞反應(yīng)，則氣隙磁場(chǎng)分布近似為矩形波，平頂寬度為 電角度； (5)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁體不起阻尼作用； 則三相繞組的電壓平衡方程可表示為： ???????????????????????????????????????????????????????????????CBAcBAcBAcBAeeeiiiPLMMMLMMMLiiirrruuu000000 （ 21） 式中 Au 、 Bu 、 Cu —— 定子相繞組電壓 (V)； Ai 、 Bi 、 Ci —— 定子相繞組電流 (A)； Ae 、 Be 、 Ce —— 定子相繞組電動(dòng)勢(shì) (V)； L—— 每相繞組自感 (H)； M—— 每兩相繞組間的互感 (H)； 由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置變換而變化，因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。為了便于分析，假設(shè)不考慮開關(guān)管動(dòng)作的過渡過程和電樞繞組的電感。 4）轉(zhuǎn)速 將式（ 214）帶入式（ 215）得 ??????eaaC rIUUn 22 (r/min) (219) 機(jī)械特性： eme aee aae TCC rC UUC rIC UUn 22222 ????? ??? ?????? ???（ r/min） (220) 空載轉(zhuǎn)速為 ： ??? ?????????????? pWUUaWapUUCUUniie15222 （ r/min） (221) 5）電勢(shì)系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù) 電勢(shì)系數(shù)為： ?? ????? ?WapCnEK iee 152（ V s/rad) （ 224) 將式 (222)代入式 (224)，得： 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 26 T39。 永磁無刷直流電機(jī)的 PWM控制 PWM 控制技術(shù)原理簡介 PWM 控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。如果把上述脈沖列利用相同數(shù) 量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替 ,使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合 ,且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積 (沖量 )相等 ,就得到 PWM 波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱 SPWM (SinusoidalPWM)波形。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速基本原理 :永磁式直流電動(dòng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓 DU 決定，電樞電壓 DU 越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓 DU 降為 0V，電機(jī)就停轉(zhuǎn)。如圖 210 所示： 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 28 Tt脈 沖 寬 度電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速M(fèi)AXV DVMI NV 圖 210 PWM脈沖信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)速 Figure 210 PWM pulse and motor speed 上圖中 MAXV 為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比 D之間的關(guān)系如圖 211所示 ： 0DDV10 . 5 圖 211 平均轉(zhuǎn)速和脈沖占空比 D 關(guān)系 Figure 211 Relationship between the average speed and the pulse duty cycle D 由上圖知，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。其與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS51 的指令集和引腳結(jié)構(gòu)完全兼容。 GND：地。 和 還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入 (AIN0)和反相輸入（ AIN1)。 P1 口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。當(dāng) P3口引腳寫入“ 1”時(shí) ,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 31 表 31 P3口第二功能 Table 31 Second function of P3 P3口引腳 功能