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正文內(nèi)容

電動自行車驅(qū)動系統(tǒng)研究畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-07-24 15:56 本頁面
 

【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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn) B 出,電樞繞組在空間的合1V6成磁勢 如圖 23(a)所示,電機(jī)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(fù)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(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過 60176。電kAuBkC角度,達(dá)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(fù)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(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 60176。電角度時,逆變器各開關(guān)管之間就進(jìn)行一次換流,定子磁狀態(tài)就改變一次。可見電機(jī)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(dāng)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(jī)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(jī)的運(yùn)行特性分析電動機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動機(jī)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(fù)載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此,電動機(jī)的運(yùn)行特性可分為:起動特性、電動運(yùn)行特性、制動特性、機(jī)械特性及調(diào)速特性。對于無刷直流電機(jī),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(jī)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(jī)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(jī)的各種運(yùn)行特性。 起動特性由方程式 225 、26 可知,電動機(jī)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(jī)可以很快起動,并能帶負(fù)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(jìn)入正常工作狀態(tài)。 電動運(yùn)行特性 在電動運(yùn)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(yùn)行等效電路圖由圖 25 的運(yùn)行等效電路圖可得,在電動運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(jì)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(jìn)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(yùn)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(jī)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(jī)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(yùn)動阻力和電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速低于額定空載轉(zhuǎn)速時可實(shí)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(yùn)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(jī)的驅(qū)動原理,當(dāng)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動時,施加在電機(jī)繞組上的是與繞組感生電動勢反向的 PWM 斬波直流電壓。當(dāng)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(jī)。當(dāng)在繞組上施加相反方向的 PWM 電壓時,將使得流過電動機(jī)繞組的電流與驅(qū)動時的電流方向相反。這樣電動機(jī)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(jī)的功率為:(式 222)1()1()12()1( ??????? ??? aaavavav RUEIPUIP15)由此可見,當(dāng) 時,電源可以從電動機(jī)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(jī)的制動電流即制動轉(zhuǎn)矩越大。 機(jī)械特性和調(diào)速特性分析機(jī)械特性是指外加電源電壓恒定時,電動機(jī)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(xiàng)是常數(shù)(當(dāng)不計(jì)△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(dāng)速度為零時,即為起動電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)方程式 217 右邊兩項(xiàng)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(shí)際上,由于電動機(jī)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?yàn)楣β示w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(jī)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(jī)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(jī)負(fù)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(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時,電機(jī)就維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。如果負(fù)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(jī)維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。由此可見,由于無刷直流電動機(jī)的自同步性,其調(diào)速方法與有刷直流電動機(jī)非常相似,可通過調(diào)節(jié)直流電壓來實(shí)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(fù)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(jī)調(diào)速性能很好,可以利用改變電源電壓來實(shí)現(xiàn)平滑的調(diào)速。根據(jù)所需的系統(tǒng)運(yùn)動特性,按表 23 可確定電機(jī)應(yīng)該具備的機(jī)械特性,同時還要求所選擇或設(shè)計(jì)的電機(jī)可以在有限的電源電壓下正常運(yùn)行。表 23 電動機(jī)基本工作參數(shù)及特性方程電動機(jī)參數(shù) 定義 符號說明輸出功率 mVFP?/*?為機(jī)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(jī)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(dāng)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(jì)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(jī)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。控制電路的主要功能是完成電機(jī)的起動、換相、調(diào)速、制動等控制并實(shí)現(xiàn)對電機(jī)、電池的保護(hù);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(jī)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(jī)在新的采樣周期到來時,先判斷系統(tǒng)的狀態(tài),如是靜止?fàn)顟B(tài)則用軟件開環(huán)起動,當(dāng)達(dá)到一定速度后再切換到常規(guī)換相運(yùn)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(yùn)行是直接根據(jù)位置傳感器傳來的信號進(jìn)行換相控制,同時將電機(jī)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(jī)的電流大小,從而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩;當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時,系統(tǒng)的速度
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