【正文】 緊湊，使用便捷，可靠性提高。目前，數(shù)字調速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案：一種采用專用集成電路。另一種是以微處理器為控制核心構成硬件 系統(tǒng)。 圖 29是對電機進行 PWM 調速控制時的電樞繞組兩端的電壓波形?？傊瑹o刷直流電機的運行特性與有刷直流點及極為相似，有著良好的伺服控制性能。由式 11~13可知： 當電機以一定的轉速正常運行時，此時電樞電流為： 錯誤 !未找到引用源。 圖 15 工作特性 （ 2） 電機效率和輸出轉矩之間的關系，這里只考擦電機部分的效率與輸出轉矩的關系。 在起動時 電樞電流比較大 ， 為了防止電機 被 燒壞， 所以 控制器在控制電機起動時必須要使 PWM 驅動波保持在一個合理的占空比 里 ，并設置電流反饋控制 環(huán)節(jié) ， 以 保持電機在一個電機能接受的范圍內能快速起動。 (15) Km 為轉矩系數(shù)（ N (12) 式中， n 是電機轉速（ r／ min）； 錯誤 !未找到引用源。 電機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械。 無刷直流電機由電機本體 、 位置傳感器以及 電子 開關 電路共同組成換相 裝置，使無刷直流電機在運行過程中，定子繞組所產生的磁場和在轉動中轉子磁鐵所產生的永久磁場在空間始終保持 090 左右的電角度。綜上所述，組成直流無刷電動機的主要部件如圖 15 所示。定子 A、 B、 C 相繞組分別于電力開關元件 1V 、 2V 、 3V 相接。 [1] 無刷直流電動機的基本結構 無刷直流電動機的主要組成部分有電動機主體、位置傳感器 與電子開關線路等 3 部分，如圖 13 所示。驅動系統(tǒng)的可靠性與安全性，促進整車效率，而且可以節(jié)約能源和降低自行車的維護成本，從而推動電動自行車的廣泛應用。與其它電機相比 ，無刷直流電機具有主要優(yōu)點 為 ： 無刷直流電機沒有電刷、而是利用電子換相，不存在因 電刷 而引起的問題。在以歐盟各國為主 的國際市場上，全球 電動自行車 在 2020 年銷量 達到 1334 萬輛， 2020 年同比增長19%，達到 1586 萬輛； 2020 年同比增長 21%，達到 1929 萬輛； 2020 年同比增長20%，達到 2324 萬輛； 2020 年同比增長 22%，達到 2655 萬輛。越來越多的應用于國民經濟生活的各個領域中，顯示出了 它 廣泛的應用前景。但是傳統(tǒng)的直流電機均采用電刷，機械換向 問題 一直是 直流電機的一個弱點，它降低了系統(tǒng)的可靠性，從而大大地限制了它的應用范圍。 [3] 對無刷直流電動機的研究 ，雖然 我國起步較晚 ， 但隨著研究技術的日益成熟與完善，我國在無刷直流電機領域也得到了迅速的發(fā)展 。但是傳統(tǒng)的直流電機均采用電刷，以機械方法換向，因而存在機械摩擦，由此帶來噪音大、壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點， 機械換向 問題 一直成了有刷直流 電機的一個弱點，它降低了系統(tǒng)的可靠性， 從而大大地限制了它的應用范圍 。為了克服機械換相帶來的缺點，以 電子開關線路和位置傳感器集成的 電子換相取代機械換相的無刷電機應運而生。軟件程序設計部分 主要 結合硬件結構設計 了 系統(tǒng)的欠壓 保護 、過流 保護 和堵轉保護。 這樣設計不僅實現(xiàn)了電動自行車的正常使用的基本功能，還提升了無刷直流電機運行的可靠性與穩(wěn)定性， 使電 動自行車用 的 無刷直流電機具 有 更 加 持久的生命力。無刷直流電動 機 (簡稱 BLDC)以其運行可靠、結構簡單、 維護方便、 功率密度高、輸出轉矩大、動態(tài)性能好等特點而得到了廣泛應用。為了取代有刷直流電機的機械換向裝置，人們進行了長期的探索。 2020 年我國電機制造業(yè) 行業(yè)規(guī)模以上企業(yè) 共 2439 家 ，全部從業(yè)人員 732404 人， 總 資產 602118779千元 。 但近些年來， 隨著現(xiàn)代 電力電子技術、微電子技術、稀土永磁材料和 微機 控制技術的發(fā)展 ，使 無刷直流電機的 出現(xiàn)解決了 傳統(tǒng)直流電機的這些缺點 。因此對無刷直流電機本體及其控制問題進行系統(tǒng)、深入的研究有著非常重要的理論和現(xiàn)實意義。 [2]總體來說，電動自行車在我國 有 很大 的 市場，國際市場需求也較為平穩(wěn)。 無刷 直流 電機的電樞繞組 裝 在定子上，永磁磁鋼放在轉子上，故導熱性能好，產生的熱量更容易散發(fā)出去；這與傳統(tǒng)的永磁直流電動機的結構剛好相反，直流無刷電機除了由定子和轉子組成的電動機本體外，還要有位置傳感器、控制電路以及功率開關器件共同構成換向裝置，使得直流無刷電機在運動過程中定子繞組所產生的磁場和轉動中的轉子磁鋼產生的永磁磁場，在空間始終保持在 090 左右的電角度。 本設計的主要工作 第二章 無刷直流電機 概述 無刷直流電機是隨著電子技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型的直流電機，它的最大特點是沒有換向器和電刷組成的機械接觸機構。 電動機本體主要包括帶有電樞繞組的定子和轉子，定子部分最重要的部件是電子的繞組 ， 當電機接上電源后，電流流入繞組，產生磁動勢，后者與轉子產生的勵磁磁場相互作用而產生電功率，并通過轉子輸出一定的機械功率從而實現(xiàn)了將電能轉換為機械能這個過 程。位置傳感器的跟蹤轉子與電動機轉軸相連接。 無刷直流電動機電 子 開 關 線 路功 率 邏 輯 開 關電 動 機 主 體位 置 傳 感 器傳 感 器 定 子傳 感 器 轉 子主 轉 子主 定 子位 置 信 號 處 理 圖 15 直流無刷電動機的組成框圖 無刷直流電機的工作原理 無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的，無刷直流電機的工作過程是電 動 機本體、位置傳感器和電子 開關 電路三者協(xié)同工作的過程，只要有任何一方出了差錯，都會對電機的運行造成很大的影響 。 一般的直流電機的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機氣隙中產生磁場。因此，我們最關心的是它的轉矩、轉速，以及轉矩和轉速隨輸入電壓、電流、負 載變化而變化的規(guī)律。 是反電動勢系數(shù)（ V／ r／ min）。m／ A）。另外當 電機發(fā)生堵轉時，電機也會 產生 很大的電樞電流，這時 要 在控制器上設置一個過流保護電路 以此 電機的安全。電機效率：112 1 p ppp ????? 18 式中， ?p 為電機的損耗； 1p 為電機的輸入功率， UIP acp?1 ； 2P 為輸出功率，nMP 22 ? 。 (19) 電磁轉矩為： 錯誤 !未找到引用源。 圖 122 無刷直流電機機械特性曲線 圖 14 調節(jié)特性 調節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為： macpa KTrU ?0 （ 111） eKK1? （ 112） 從機械特性和調節(jié)特性可以看出，無刷直流電動機與一般直流電動機一樣，具有良好的調速控制性能，可以通過調節(jié)電源電壓實現(xiàn)無級調速。當開關管的柵極輸入高電平 1U 時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓 sU ； 1t 秒后，柵極輸 入變?yōu)榈碗娖剑_關管截止，電動機電樞兩端電壓為 0； 2t 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關管的動作重復前面的過程。這種方案可以編程控制，應用范圍廣，且靈活方便。這種方案可以降低設備投 資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。但 是這些專用芯片價格昂貴，外圍電路設計復雜，在廣大的民用市場無法大規(guī)模推廣應用 。 但 由于整個控制系統(tǒng)有多種模擬 量 需要轉換成數(shù)字量，因此 所 選的單片機應該 具 有多通道 A/D轉換模塊。 ★ I／ O 口 ： I／ O 口的數(shù)量和功能是選用單片機時首先要考慮的問題之一，根據實際需要確定數(shù)量， I／ O 多余不僅芯片的體積增大，也增加了成本。 是美國 Microchip公司生產的產品。 (2) 哈佛總線結構 如圖 34所示， PIC系列單片機在普林斯頓體系結構和哈佛體系結構的基礎上采用的哈佛總線結構， 將 程序存儲器 和 數(shù)據存儲 器分開，使得讀程序和對數(shù)據的存取可以同時進行 ，為采用不同的字節(jié)寬度，有效擴展指令的字長奠定了技術基礎。 C P U程 序 存 儲 器數(shù) 據 存 儲 器程 序 計數(shù) 器（ P C ）程 序 地 址數(shù) 據 總 線數(shù) 據 地 址數(shù) 據 總 線 圖 34 PIC系列單片機哈佛總線結構 (3) RISC技術 RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡指令集計算機。 (6)驅動能力強 PIC單片機的 I/O端口驅動負載的能力較強，每個輸出引腳可以驅動 2025mA的負載；它既能夠在高電平下直接驅動發(fā)光二 極管 LED、光電耦合器、小型繼電器等，也能在低電平下直接驅動，這樣可以大大簡化控制電路。 5：模擬 /數(shù)字量輸入口：剎車信號電壓輸入口。 9：單片機外接振蕩器輸入腳。60176。 22：數(shù)字輸出口：同步續(xù)流控制端，當電流比較大時，該口輸出低電平，控制其后邏輯電路，使同步續(xù)流功能開啟。用程序語言控制 PWM 信號的周期和高電平持續(xù)時間，從而控制電機的電樞電壓，以達到調速的目的【 31】。 （ 2） IR2103 主要功能：引腳 8 是高端浮置電源連接端，通過自舉電容上橋臂功率管的驅動器提供內部浮置電源，引腳 6 是與引腳 8 對應的浮偏電源的地端。由于三相逆變器每個周期總有一個上下管導通，故上管自舉電容容易充電，三個上管自舉電路可有序工作。 調速和剎車輸入模塊主要是實現(xiàn)電機的調速輸入。此外，還具有調壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點 。如果用 317 穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時，沒有注意 317 穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會出現(xiàn)下述不正?，F(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。 過流、過熱保護。179。 第一路為電池的電壓，輸出電壓為 +48V，主要為逆變器供電，具體連接見功率驅動 MOSFET 部分。也 保證電壓供應不發(fā)生異常。 引腳圖如下所示： LM358 引腳圖 LM358 引腳功能 ： 引腳 1：運放輸出端 1； 引腳 2： 運放反向輸入端 1； 引腳 3： 運放正向輸入端 1； 引腳 4：接地； 引腳 5： 運放正向輸入端 2； 引腳 6： 運放反向輸入端 2； 引腳 7：運放輸出端 2； 引腳 8：供電。 低功耗電流，適合于電池供電 178。 它們組成的電路原理圖如圖 38 所示： 圖 38 電流檢測和過流保護電路 在圖 38 中， R45 是康銅電阻，充當 過流保護電阻， 所以檢測電流就是通過采用康銅電阻 R45 來實現(xiàn)的。 另外以雙運算放大器 LM358 的 U1B 作為放大器用，其放大的倍數(shù)是 倍。定子是由若干個霍爾元件，按一定的間隔，等距離地安裝在傳感器定子上，以檢測電機轉子的位置。也就是說電動機傳感器的永磁轉子每轉過一對磁極（ N、 S 極）的轉角，就要產生出與電機邏輯分配狀態(tài)相對應的開關狀態(tài)數(shù)，以完成電動機的一個換流全過程。綜上所述，選擇 倍雖然在電流大小的放大精度上有一定的影響 ，但不過都在允許的范圍之內。因此，根據歐姆定律，我們只要 知道電阻 R45 兩端的電壓，就可以知道它的相電流了。 低輸入失調電壓和 失調電流 178。 內部頻率補償 178。 (32) 由上式計算得： 錯誤 !未找到引用源。 通過計算可得，第二路電源電壓約為 。179。 標準三端晶體管封裝。 LM317 特性 ： 可調整輸出電壓低到 。僅僅從公式本身看， R R2 的電阻值可以隨意設定。 逆變橋驅動模塊 在 接收到智能控制系統(tǒng) 所 提供的換相 信號 以及調速信號后，通過一系列的 模數(shù) 轉換，使 電機 控制器輸出的信號轉換成相 對 應的 控制逆變橋電路動作的驅動信號，從而 以 達到正確控制逆變橋 電路 動作的目的。 IR2103 典型的應用電路（驅動電路圖）： 此外， IR2103 所具備的產生死區(qū)時間功能如圖 34 所示： 圖 34 死區(qū)時間波形圖 當 HIN 和 LIN 同時從低電平跳變到高電平時， HO 和 LO 并不是在同一個時間往各自相反的方向跳變，而是 HO 的輸出波形要比 LO 的輸出波形窄，從而在兩個波形跳變處產生了時間 差 DT，這個時間差 DT 就是死區(qū)時間。引腳 7 和引腳 5 分別是輸出逆變橋上橋臂和下橋臂的功率開關器件的驅動信號端，其輸出的電平信號范圍為 10~20V，其輸出的信號受引腳 2 和引腳 3 的共同控制，具體的輸入輸出時序邏輯關系如圖 33 所示： 圖 33 IR2103 輸入輸出時序邏輯關系圖 IR2103 芯片內部電路框圖： IR2103 工作原理非常簡單，在滿足自舉得情況