【正文】 緊湊，使用便捷，可靠性提高。目前，數(shù)字調(diào)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(gòu)成硬件 系統(tǒng)。 圖 29是對(duì)電機(jī)進(jìn)行 PWM 調(diào)速控制時(shí)的電樞繞組兩端的電壓波形。總之，無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性與有刷直流點(diǎn)及極為相似，有著良好的伺服控制性能。由式 11~13可知： 當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速正常運(yùn)行時(shí)，此時(shí)電樞電流為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 15 工作特性 （ 2） 電機(jī)效率和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，這里只考擦電機(jī)部分的效率與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。 在起動(dòng)時(shí) 電樞電流比較大 ， 為了防止電機(jī) 被 燒壞， 所以 控制器在控制電機(jī)起動(dòng)時(shí)必須要使 PWM 驅(qū)動(dòng)波保持在一個(gè)合理的占空比 里 ，并設(shè)置電流反饋控制 環(huán)節(jié) ， 以 保持電機(jī)在一個(gè)電機(jī)能接受的范圍內(nèi)能快速起動(dòng)。 (15) Km 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)（ N (12) 式中， n 是電機(jī)轉(zhuǎn)速（ r／ min）； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 電機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械。 無(wú)刷直流電機(jī)由電機(jī)本體 、 位置傳感器以及 電子 開關(guān) 電路共同組成換相 裝置，使無(wú)刷直流電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和在轉(zhuǎn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鐵所產(chǎn)生的永久磁場(chǎng)在空間始終保持 090 左右的電角度。綜上所述，組成直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)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(guān)元件 1V 、 2V 、 3V 相接。 [1] 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主要組成部分有電動(dòng)機(jī)主體、位置傳感器 與電子開關(guān)線路等 3 部分，如圖 13 所示。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性與安全性，促進(jìn)整車效率，而且可以節(jié)約能源和降低自行車的維護(hù)成本，從而推動(dòng)電動(dòng)自行車的廣泛應(yīng)用。與其它電機(jī)相比 ，無(wú)刷直流電機(jī)具有主要優(yōu)點(diǎn) 為 ： 無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有電刷、而是利用電子換相，不存在因 電刷 而引起的問(wèn)題。在以歐盟各國(guó)為主 的國(guó)際市場(chǎng)上，全球 電動(dòng)自行車 在 2020 年銷量 達(dá)到 1334 萬(wàn)輛， 2020 年同比增長(zhǎng)19%，達(dá)到 1586 萬(wàn)輛； 2020 年同比增長(zhǎng) 21%，達(dá)到 1929 萬(wàn)輛； 2020 年同比增長(zhǎng)20%，達(dá)到 2324 萬(wàn)輛； 2020 年同比增長(zhǎng) 22%，達(dá)到 2655 萬(wàn)輛。越來(lái)越多的應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)領(lǐng)域中，顯示出了 它 廣泛的應(yīng)用前景。但是傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用電刷，機(jī)械換向 問(wèn)題 一直是 直流電機(jī)的一個(gè)弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。 [3] 對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究 ，雖然 我國(guó)起步較晚 ， 但隨著研究技術(shù)的日益成熟與完善，我國(guó)在無(wú)刷直流電機(jī)領(lǐng)域也得到了迅速的發(fā)展 。但是傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用電刷，以機(jī)械方法換向，因而存在機(jī)械摩擦，由此帶來(lái)噪音大、壽命短等弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)， 機(jī)械換向 問(wèn)題 一直成了有刷直流 電機(jī)的一個(gè)弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性， 從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍 。為了克服機(jī)械換相帶來(lái)的缺點(diǎn)，以 電子開關(guān)線路和位置傳感器集成的 電子換相取代機(jī)械換相的無(wú)刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。軟件程序設(shè)計(jì)部分 主要 結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 了 系統(tǒng)的欠壓 保護(hù) 、過(guò)流 保護(hù) 和堵轉(zhuǎn)保護(hù)。 這樣設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車的正常使用的基本功能，還提升了無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性， 使電 動(dòng)自行車用 的 無(wú)刷直流電機(jī)具 有 更 加 持久的生命力。無(wú)刷直流電動(dòng) 機(jī) (簡(jiǎn)稱 BLDC)以其運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 維護(hù)方便、 功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。為了取代有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索。 2020 年我國(guó)電機(jī)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(chǎn) 602118779千元 。 但近些年來(lái)， 隨著現(xiàn)代 電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、稀土永磁材料和 微機(jī) 控制技術(shù)的發(fā)展 ，使 無(wú)刷直流電機(jī)的 出現(xiàn)解決了 傳統(tǒng)直流電機(jī)的這些缺點(diǎn) 。因此對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)本體及其控制問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有著非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 [2]總體來(lái)說(shuō)，電動(dòng)自行車在我國(guó) 有 很大 的 市場(chǎng)，國(guó)際市場(chǎng)需求也較為平穩(wěn)。 無(wú)刷 直流 電機(jī)的電樞繞組 裝 在定子上，永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，故導(dǎo)熱性能好，產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去；這與傳統(tǒng)的永磁直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反，直流無(wú)刷電機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成的電動(dòng)機(jī)本體外，還要有位置傳感器、控制電路以及功率開關(guān)器件共同構(gòu)成換向裝置，使得直流無(wú)刷電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)，在空間始終保持在 090 左右的電角度。 本設(shè)計(jì)的主要工作 第二章 無(wú)刷直流電機(jī) 概述 無(wú)刷直流電機(jī)是隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型的直流電機(jī)，它的最大特點(diǎn)是沒(méi)有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)。 電動(dòng)機(jī)本體主要包括帶有電樞繞組的定子和轉(zhuǎn)子，定子部分最重要的部件是電子的繞組 ， 當(dāng)電機(jī)接上電源后，電流流入繞組，產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，后者與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電功率，并通過(guò)轉(zhuǎn)子輸出一定的機(jī)械功率從而實(shí)現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能這個(gè)過(guò) 程。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電 子 開 關(guān) 線 路功 率 邏 輯 開 關(guān)電 動(dòng) 機(jī) 主 體位 置 傳 感 器傳 感 器 定 子傳 感 器 轉(zhuǎn) 子主 轉(zhuǎn) 子主 定 子位 置 信 號(hào) 處 理 圖 15 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的組成框圖 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，無(wú)刷直流電機(jī)的工作過(guò)程是電 動(dòng) 機(jī)本體、位置傳感器和電子 開關(guān) 電路三者協(xié)同工作的過(guò)程，只要有任何一方出了差錯(cuò)，都會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行造成很大的影響 。 一般的直流電機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。因此，我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨輸入電壓、電流、負(fù) 載變化而變化的規(guī)律。 是反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)（ V／ r／ min）。m／ A）。另外當(dāng) 電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)也會(huì) 產(chǎn)生 很大的電樞電流，這時(shí) 要 在控制器上設(shè)置一個(gè)過(guò)流保護(hù)電路 以此 電機(jī)的安全。電機(jī)效率：112 1 p ppp ????? 18 式中， ?p 為電機(jī)的損耗； 1p 為電機(jī)的輸入功率， UIP acp?1 ； 2P 為輸出功率，nMP 22 ? 。 (19) 電磁轉(zhuǎn)矩為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 122 無(wú)刷直流電機(jī)機(jī)械特性曲線 圖 14 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為： macpa KTrU ?0 （ 111） eKK1? （ 112） 從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平 1U 時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓 sU ； 1t 秒后，柵極輸 入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為 0； 2t 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。這種方案可以降低設(shè)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(jià)格昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在廣大的民用市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用 。 但 由于整個(gè)控制系統(tǒng)有多種模擬 量 需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此 所 選的單片機(jī)應(yīng)該 具 有多通道 A/D轉(zhuǎn)換模塊。 ★ I／ O 口 ： I／ O 口的數(shù)量和功能是選用單片機(jī)時(shí)首先要考慮的問(wèn)題之一，根據(jù)實(shí)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(guó) Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。 (2) 哈佛總線結(jié)構(gòu) 如圖 34所示， PIC系列單片機(jī)在普林斯頓體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用的哈佛總線結(jié)構(gòu)， 將 程序存儲(chǔ)器 和 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器分開，使得讀程序和對(duì)數(shù)據(jù)的存取可以同時(shí)進(jìn)行 ，為采用不同的字節(jié)寬度，有效擴(kuò)展指令的字長(zhǎng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 C P U程 序 存 儲(chǔ) 器數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器程 序 計(jì)數(shù) 器（ P C ）程 序 地 址數(shù) 據(jù) 總 線數(shù) 據(jù) 地 址數(shù) 據(jù) 總 線 圖 34 PIC系列單片機(jī)哈佛總線結(jié)構(gòu) (3) RISC技術(shù) RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)。 (6)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) PIC單片機(jī)的 I/O端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)輸出引腳可以驅(qū)動(dòng) 2025mA的負(fù)載；它既能夠在高電平下直接驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)，這樣可以大大簡(jiǎn)化控制電路。 5：模擬 /數(shù)字量輸入口：剎車信號(hào)電壓輸入口。 9：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(dāng)電流比較大時(shí)，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(yǔ)言控制 PWM 信號(hào)的周期和高電平持續(xù)時(shí)間，從而控制電機(jī)的電樞電壓，以達(dá)到調(diào)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(guò)自舉電容上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部浮置電源，引腳 6 是與引腳 8 對(duì)應(yīng)的浮偏電源的地端。由于三相逆變器每個(gè)周期總有一個(gè)上下管導(dǎo)通，故上管自舉電容容易充電，三個(gè)上管自舉電路可有序工作。 調(diào)速和剎車輸入模塊主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速輸入。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點(diǎn) 。如果用 317 穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時(shí)，沒(méi)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(huì)出現(xiàn)下述不正常現(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。 過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)。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(qū)動(dòng) MOSFET 部分。也 保證電壓供應(yīng)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(yùn)放輸出端 1； 引腳 2： 運(yùn)放反向輸入端 1； 引腳 3： 運(yùn)放正向輸入端 1； 引腳 4：接地； 引腳 5： 運(yùn)放正向輸入端 2； 引腳 6： 運(yùn)放反向輸入端 2； 引腳 7：運(yùn)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(cè)和過(guò)流保護(hù)電路 在圖 38 中， R45 是康銅電阻，充當(dāng) 過(guò)流保護(hù)電阻， 所以檢測(cè)電流就是通過(guò)采用康銅電阻 R45 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 另外以雙運(yùn)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(gè)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(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。也就是說(shuō)電動(dòng)機(jī)傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)磁極（ N、 S 極）的轉(zhuǎn)角，就要產(chǎn)生出與電機(jī)邏輯分配狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動(dòng)機(jī)的一個(gè)換流全過(guò)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(guò)都在允許的范圍之內(nèi)。因此，根據(jù)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(diào)電壓和 失調(diào)電流 178。 內(nèi)部頻率補(bǔ)償 178。 (32) 由上式計(jì)算得： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 通過(guò)計(jì)算可得，第二路電源電壓約為 。179。 標(biāo)準(zhǔn)三端晶體管封裝。 LM317 特性 ： 可調(diào)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(shè)定。 逆變橋驅(qū)動(dòng)模塊 在 接收到智能控制系統(tǒng) 所 提供的換相 信號(hào) 以及調(diào)速信號(hào)后，通過(guò)一系列的 模數(shù) 轉(zhuǎn)換，使 電機(jī) 控制器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相 對(duì) 應(yīng)的 控制逆變橋電路動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而 以 達(dá)到正確控制逆變橋 電路 動(dòng)作的目的。 IR2103 典型的應(yīng)用電路（驅(qū)動(dòng)電路圖）： 此外， IR2103 所具備的產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間功能如圖 34 所示： 圖 34 死區(qū)時(shí)間波形圖 當(dāng) HIN 和 LIN 同時(shí)從低電平跳變到高電平時(shí)， HO 和 LO 并不是在同一個(gè)時(shí)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(gè)波形跳變處產(chǎn)生了時(shí)間 差 DT，這個(gè)時(shí)間差 DT 就是死區(qū)時(shí)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(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)端，其輸出的電平信號(hào)范圍為 10~20V，其輸出的信號(hào)受引腳 2 和引腳 3 的共同控制，具體的輸入輸出時(shí)序邏輯關(guān)系如圖 33 所示： 圖 33 IR2103 輸入輸出時(shí)序邏輯關(guān)系圖 IR2103 芯片內(nèi)部電路框圖： IR2103 工作原理非常簡(jiǎn)單，在滿足自舉得情況