【文章內(nèi)容簡介】 BC圖 22b 非橋式逆變器主電路以下就兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機為例來說明其工作原理。三個霍爾元件沿圓周均勻分別粘貼于電機端蓋上，彼此相差 120176。電角度，并分別與定子三相繞組首端所在槽中心線對齊，霍爾傳感器轉(zhuǎn)子永磁體為 180176。電角度的薄片，與轉(zhuǎn)子同軸安裝，其產(chǎn)生的磁場的端面與霍爾元件的氣隙為 1㎜左右，傳感器永磁體軸線與轉(zhuǎn)子主磁極軸線垂直。設(shè)電機處于 A、B 相繞組導(dǎo)通的磁狀態(tài)初始位置，如圖 23(a)所示。ACYZXBNSFaFf圖 23(a) 正轉(zhuǎn)時位置關(guān)系此時霍爾元件 A、B 在傳感器磁場作用下，有高電平輸出 ，霍爾1?kBAu元件 C 不受磁場作用， 。此時位置信號經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變0?Cu器，使功率開關(guān)管 、 導(dǎo)通，繞組 A、B 通電， A 進 B 出，電樞繞組在空間的合1V6成磁勢 如圖 23(a)所示，電機在定轉(zhuǎn)子磁場相互作用下順時針旋轉(zhuǎn)。電流流通aF路徑為：電源正極→ 管→A 相繞組→B 相繞組→ 管→電源負極。故 A、B 相繞1 6V組導(dǎo)通的磁狀態(tài)對應(yīng)的霍爾元件信號邏輯為 、 、 。當轉(zhuǎn)子經(jīng)過 60176。電kAuBkC角度，達到如圖 b 所示的位置時，位置傳感器輸出檢測信號，經(jīng)過控制電路邏輯變換后，使繞組 A、C 相通電，即使開關(guān)管 截止， 導(dǎo)通，而 仍導(dǎo)通。電樞621繞組在空間的合成磁勢方向如圖 23(b)所示。ACYZXBNSF aF f圖 23(b) 電樞繞組在空間的合成磁勢方向在定轉(zhuǎn)子磁勢的相互作用下使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。電流流通路徑為：電源正極→ 管→A 相繞組→C 相繞組→ 管→電源負極。此時霍爾元件 B 處于1V2V傳感器永磁體下，有高電平輸出 =l，霍爾元件 A、C 不受磁場作用，kBu= =0。故 A、C 相繞組導(dǎo)通的狀態(tài)對應(yīng)的霍爾信號邏輯為 、 、 。以kAuC kAuBkC此類推下去，可得電機轉(zhuǎn)一周時對應(yīng)的各相繞組導(dǎo)通順序和功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯以及三個霍爾元件輸出信號的邏輯關(guān)系，如表 21 所示。表 21 正轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系當轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 60176。電角度時，逆變器各開關(guān)管之間就進行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次?？梢婋姍C有六個磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過電流的時間相當于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 120176。電角度。每個開關(guān)管的導(dǎo)通角為 120176。，故該逆變器為 120176。導(dǎo)通型。為便于直觀，將電機正轉(zhuǎn)時的三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系見圖 24?；魻栐盘?導(dǎo)通繞組 導(dǎo)通管子 uhABhC BAV V16 CV V 2 hABhC V V3 ABV V 4 uhABhCCV V5 V V 6t?tA B C?6012?80?403?60?42022?40?36V 1V 3V 5V 4V 4V 6V 2tt?t?圖 24 三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)通順序關(guān)系 電機的運行特性分析電動機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械。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)速隨電壓、負載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電動機的運行特性可分為：起動特性、電動運行特性、制動特性、機械特性及調(diào)速特性。對于無刷直流電機，其電勢平衡方程式用式 21 表示 （式 2UIE???1）式中：—電源電壓( )；UV—電樞繞組反電勢 ( )；E—平均電樞電流( )；acpIA—電樞繞組的平均電阻(Ω)；r—功率器件的飽和管壓降( )。U?V對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢均用式 22 表示。 （式 2nKEe?2）式中：—電動機轉(zhuǎn)速(r/min)；n—反電勢系數(shù)(V/r/min)。eK由方程式 222 可得式 23= = （式 2neKEeaxpcrIU??3）在轉(zhuǎn)速不變時，轉(zhuǎn)矩平衡方程式用式 24 表示。 （式 20TL??4） 式中：—電磁轉(zhuǎn)矩(Nm)T—輸出轉(zhuǎn)矩(Nm)L—摩擦轉(zhuǎn)矩(Nm)0T還可以用式 25 表示 （式 2acpTIK?5）—轉(zhuǎn)矩系數(shù)（Nm/A） 。TK在轉(zhuǎn)速變動情況下得出式 26 （式 2dtJTL???06）式中：—轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量（Nms ） ；j 2—轉(zhuǎn)子的機械角加速度(rad/s )。dt?下面從這些基本公式出發(fā)，來討論無刷直流電動機的各種運行特性。 起動特性由方程式 225 、26 可知，電動機在起動時，由于反電勢為零，因此電樞電流( 即起動電流) 用公式 27 表示。 （式 2acpnrUI???7）其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以起動電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動機可以很快起動，并能帶負載直接起動。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢 E 增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進入正常工作狀態(tài)。 電動運行特性 在電動運行狀態(tài)下，6 只開關(guān)管任意時刻只有 2 只開關(guān)管導(dǎo)通，分別屬于上橋臂和下橋臂,用圖 25 表示。MB AMA BLBLARARBeAeBUdiAiBi=圖 25 電動運行等效電路圖由圖 25 的運行等效電路圖可得，在電動運行時 V 管和 V 管導(dǎo)通時通電回路16的回路電壓方程用式 28 表示。 （式 2BABABBAAAd edtiLtidtiMRidttiLRieU ??????8）式中：、 —A、B 相電勢，電動運行時最大幅值 ，e 2dUE?、 —相電阻， = = ；BRARB、 —相電感， = = ；ALL、 —兩相互感， = = ；MAMBA—蓄電池電壓；dU、 —相電流；AiB設(shè) ，上式可改寫為式 ??+ = （式 2dtiL)(R)]([21BAdeU?9） 在電動運行時，換相前電路電流為零，換相后 0。由于 很)]([21BAde?R小可以忽略，故在電路接通后過渡過程結(jié)束前， 正向增加，電路工作在吸收電功i率狀態(tài)，吸收的電功率 用式 210 表示。1P （式 2iUPd?110） 電機的電磁功率 及電磁轉(zhuǎn)矩 的大小可以用式 211 和式 212 兩式計算：ememT （式 2iPBAe)(??11） （式 2?emT12）式中：Ω—轉(zhuǎn)子角速度。這時，電磁功率及電磁轉(zhuǎn)矩是正的， 為電動性質(zhì)，即與 Ω 同向。對 管emT1V和 管進行脈寬調(diào)制，改變占空比，就可控制電流 的平均值，從而控制平均轉(zhuǎn)6V i矩。 制動特性制動運行方式可以有反接制動和回饋制動兩種：該方法是使電動機工作在反接制動狀態(tài)下，蓄電池化學(xué)儲能向電能轉(zhuǎn)換，與車體動能一起通過電動機最終被轉(zhuǎn)換為熱能。蓄電池的能量輸出與制動過程有關(guān)?？梢婋妱幼孕熊嚨膭幽芡ㄟ^運動阻力和電機做功，被完全轉(zhuǎn)換成熱能，而熱能通常難以被系統(tǒng)回收利用，所以該制動過程是一個單方向的能量消耗過程。本法不需要改接電源極性，且在電機轉(zhuǎn)速低于額定空載轉(zhuǎn)速時可實現(xiàn)電磁制動，同時向電源(蓄電池)回饋能量，從而可被系統(tǒng)再次利用。這一方案無疑提高了系統(tǒng)的運行效率，可以延長車輛的續(xù)行里程，該方案明顯優(yōu)于反接制動的方案。根據(jù)無刷直流電動機的驅(qū)動原理，當對電機進行調(diào)速驅(qū)動時，施加在電機繞組上的是與繞組感生電動勢反向的 PWM 斬波直流電壓。當外加電壓大于反電動勢時，電流流入繞組，電源將功率輸入電機。當在繞組上施加相反方向的 PWM 電壓時，將使得流過電動機繞組的電流與驅(qū)動時的電流方向相反。這樣電動機將產(chǎn)生與驅(qū)動時相反方向的轉(zhuǎn)矩，也就是制動轉(zhuǎn)矩。制動電流值在理論上可以很大，其主要受控制器功率器件的電流限制。在制動過程中，為使電流連續(xù)，施加在繞組電感上的電壓平均值該大于零，即式 213. （式 20)12()1(2()( ??????? UEUEUav ??13） 式中：—PWM 驅(qū)動的占空比此時平均電流為： （式 2aavRUEI2)1(????14）電源輸入到電動機的功率為：（式 222)1()1()12()1( ??????? ??? aaavavav RUEIPUIP15）由此可見，當 時，電源可以從電動機側(cè)吸收制動能量。2由 可得042????aavREd?UE21??又由 = 0，可得，在 時電源側(cè)獲得最大功率的能0??PavaU2量回饋，另一方面，由平均電流方程式可知，α 值越大，則電動機的制動電流即制動轉(zhuǎn)矩越大。 機械特性和調(diào)速特性分析機械特性是指外加電源電壓恒定時，電動機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由方程式(21)(22)(23)可知式 216 和式 217。= － （2acpIcrU??acpenK16） = ﹣ （2acptIKT?acpTracpfer17）式 217 等號右邊的第一項是常數(shù)(當不計△U 的變化和電樞反應(yīng)的影響時)。所以電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。當速度為零時，即為起動電磁轉(zhuǎn)矩。當方程式 217 右邊兩項相等時，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實際上，由于電動機損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。又因為功率晶體管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時。功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動機的反電勢也減小，電樞電流增加，△U 增大，到一定值以后，增加較快。所以其機械特性是在接近堵轉(zhuǎn)(即轉(zhuǎn)速很低)時，加快下跌。如假定外加直流電壓一定，減小電機負載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會提高，同時反電勢增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。當電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩平衡時，電機就維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。如果負載不變，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升高，逆變器的頻率提高，反電勢增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈現(xiàn)減小趨勢，這樣就使電機維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。由此可見，由于無刷直流電動機的自同步性，其調(diào)速方法與有刷直流電動機非常相似，可通過調(diào)節(jié)直流電壓來實現(xiàn)。又從方程式(217)可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩(在同一轉(zhuǎn)速下)或(在同一負載下)。所以在電子換向線路及其它控制線路保持不變的情況下，無刷直流電動機調(diào)速性能很好，可以利用改變電源電壓來實現(xiàn)平滑的調(diào)速。根據(jù)所需的系統(tǒng)運動特性，按表 23 可確定電機應(yīng)該具備的機械特性，同時還要求所選擇或設(shè)計的電機可以在有限的電源電壓下正常運行。表 23 電動機基本工作參數(shù)及特性方程電動機參數(shù) 定義 符號說明輸出功率 mVFP?/*?為機械傳動效率， 為m?F行駛阻力， 為行駛速度V轉(zhuǎn)速 n=nri260?為電動機與車輪的轉(zhuǎn)速，i車輪半徑r輸出轉(zhuǎn)矩 T PT/? 控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成在其它硬件條件相同的情況下，控制系統(tǒng)決定著電動自行車的性能，相當于系統(tǒng)的神經(jīng)中樞—發(fā)出控制命令及處理各種異常情況。它的作用如下：；，節(jié)省能源；；；。本文設(shè)計的電動自行車控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：以單片機為核心的主控電路；以工 RI2130 為核心的驅(qū)動電路；功率逆變電路；位置信號處理電路、電流信號處理電路以及一些外圍輔助電路?？刂齐娐返闹饕δ苁峭瓿呻姍C的起動、換相、調(diào)速、制動等控制并實現(xiàn)對電機、電池的保護；驅(qū)動電路的主要功能是利用工 RI2130 的自舉技術(shù)驅(qū)動功率 MOSFTE 管控制電機電流；而外圍輔助電路主要完成信號的采樣、對電路的供電、發(fā)出報警信號等功能。直流電源通過 MOSFTE 構(gòu)成的逆變橋向 BLDCM 供電，單片機在新的采樣周期到來時，先判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，如是靜止狀態(tài)則用軟件開環(huán)起動，當達到一定速度后再切換到常規(guī)換相運行狀態(tài)。 “軟啟動”的電控方案解決了零狀態(tài)起步耗電大的問題，大幅度地提高了一次充電的續(xù)行里程。常規(guī)的換相運行是直接根據(jù)位置傳感器傳來的信號進行換相控制，同時將電機速度反饋信號和手把給定的速度信號相減，得出偏差，經(jīng)過控制算法得出控制量。再把控制量以 PWM 的形式輸出給驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就調(diào)節(jié)了電機的電流大小，從而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；當電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩平衡時，系統(tǒng)的速度