【文章內(nèi)容簡介】 能，驅(qū)動電動車輪旋轉(zhuǎn)的部件。在電動車上使用的電機有許多種。常見的有：有刷有齒輪轂電機、有刷無齒輪轂電機、無刷無齒輪轂電機、無刷有齒輪轂電機、側(cè)掛電機。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (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車狀態(tài)的部件組合。儀表一般提供電池電壓顯示 。 騎行狀態(tài)顯示、燈具狀態(tài)顯示等。智能型儀表還能顯示整車各電氣部件的故障情況。 中國是一個自行車王國，據(jù)報道全國自行車擁有量為 億。隨著我國城市化進程加快，用電動自行車替代摩托車、燃油助 動車和自行車，一方面可以緩解城市中大氣污染問題，另一方面也可以提高人們的生活節(jié)奏，因此電動自行車的社會需求市場巨大，據(jù)專家預(yù)測，本世紀初，我國電動自行車年需求量將達到 100 萬輛以上。目前，我國市場上國產(chǎn)電動自行車的品種規(guī)格較多，驅(qū)動多數(shù)用有刷或無刷的輪式直流電機，工作電壓為 24V、 36V 或 48V，功率在150W400W 之間 ； 蓄電池一般用的是免維護鉛酸蓄電池，容量為 12Ah，充電時間在 38小時左右，充電一次行駛里程約 50Km 左右；車速低于 20Km/h，爬坡能力在 4 度上下；車型有普通型和豪華型，車重約 35Kg，載重量約 75Kg，百公里耗電量 IKwh 左右。如下圖 12所示，某國產(chǎn)電動自行車外形結(jié)構(gòu)： 圖 12 電動自行車外形結(jié)構(gòu) Figure 12 Form of electric bicycles 電動自行車驅(qū)動控制的相關(guān)技術(shù) 電動自行車的核心技術(shù)包括三方面：電動機、電池技術(shù)和驅(qū)動與控制系統(tǒng)，涉及電氣、電力電子、控制、機械、材料和化工等諸多學(xué)科。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 9 電動機 電動機屬于驅(qū)動系統(tǒng)元件，包括新型交流電動機、新型直流電動機、直接驅(qū)動電動機、直線電動機、專用小功率電動機等等。 直流電動機只是其中一個重要的分支。目前由于技術(shù)水平所限，電動車暫時只能采用直流電動機，目前較多使用的是永磁無刷直流電機，而且要持續(xù)一個相當長的時期，待逆變技術(shù)、交流電動機技術(shù)進一步成熟，交流電動機有望成為電動車的動力主流。 目前，大部分電動自行車廠家所用的電動機為永磁直流電動機，主要原因是：直流電動機是發(fā)展歷史最悠久的電機，它的制造技術(shù)己相當成熟，具有高的運行可靠性，極好的調(diào)速性能，極大的過載能力，簡單的控制方法。但直流電動機由于電刷的存在而產(chǎn)生的機械磨損較大，功率密度也偏低，無法實現(xiàn)高速大容量；而無刷直流 電動機既有直流電動機的優(yōu)越的性能，又依靠電子換向，免去了機械式電刷和換向器門，消除了機械磨損，提高了功率密度、最高轉(zhuǎn)速以及容量。隨著無刷直流電動機的性價比不斷提高，其應(yīng)用前景將越來越廣泛。 電池 電池是電動車的能源，也是目前電動車研究中的一個世界性難題。自從電動車 19 世紀末誕生以來，速度慢、價格高、重量重、續(xù)程短等缺點就一直是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。盡管這些年來與電動車相關(guān)的電機、電子、蓄電、控制、檢測等技術(shù)水平有了較大的提高，使其某些動力性能如啟動性能、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)沒有獲得實質(zhì)性的突破，致使伴隨其多年的缺點沒有得到根本性的改進。 當前，電動自行車中采用較多的是密封的鉛酸蓄電池，這種電池的能量密度較低，造成電動車續(xù)駛里程短，車載能量少，只能采用小功率電機，并使得電動車在最高時速、最大加速能力、最大爬坡能力等方面受到諸多限制。電池的能量密度低是電動車發(fā)展的一個瓶頸，但同時也為電動車的研發(fā)提供了很大的機遇。國內(nèi)外已研制了一些新型的電動車用蓄電池，主要有鎳氫電池、鏗離河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 10 子電池和鏗聚合物電池，與鉛酸電池相比，這些電池顯著提高了能量密度和功率密度，壽命較長，充放電諫度和 效率高，但是價格比較貴。此外燃料電池的研發(fā)也是一個熱點，已經(jīng)有很多國家和企業(yè)投入到此領(lǐng)域中。 電池的過充電和過放電均會縮短電池的壽命 ， 大電流放電還會引起控制器功率驅(qū)動管溫度急劇上升，損壞驅(qū)動管，以致于損壞控制器。因此，控制器必須有這項保護功能?？刂破髟O(shè)計應(yīng)確保工作在正常電流范圍內(nèi)，允許有一定的過載能力和大電流自動保護功能，以保護電池和驅(qū)動功率器件。為了防止過放電，控制器要對供電電壓隨時進行檢測，一旦低于閾值，關(guān)閉控制器輸出。 驅(qū)動及控制系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)為電動自行車提供所需的動力，是衡量電動自行車性 能好壞的關(guān)鍵。常見的驅(qū)動方式有四種：輪毅電機直接驅(qū)動式、中軸式、旁掛式、摩擦式。由于摩擦式靠摩擦輪胎推進，對輪胎的磨損較為嚴重，此外由于泥水等因素造成的打滑現(xiàn)象，給雨雪天氣安全行車帶來了困難和危險，因此除了在極少應(yīng)用場合下使用外，這種方式已經(jīng)逐漸被放棄。當前我國極大多數(shù)廠商的產(chǎn)品都采用輪毅電機直接驅(qū)動方式，采用這種方式的好處是電動車制造商可以不對車型作大的改動，即可裝車，這種方式比較容易在試制階段被接受，但是從電動自行車本身的兩個功能電動和人力騎行來看，采用輪毅電機直接驅(qū)動方式，由于磁阻造成的力矩，以及人力 騎行時的電機發(fā)電問題，使人力騎行時感到費力。中軸式對機械的設(shè)計和制造水平要求較高，它通過采用雙飛結(jié)構(gòu)，解決了人力騎行困難問題。旁掛式相對要求較低，只是在后輪上增加了一條鏈條來驅(qū)動，而且騎行時電機不轉(zhuǎn)動，因此不存在磁阻轉(zhuǎn)矩以及發(fā)電問題，減輕了人力騎行時的阻力。 控制系統(tǒng)即控制器，概括的講是一個中樞系統(tǒng)，它將各種有用信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂苹虮Ｗo指令，監(jiān)督電動機和電路的運行狀態(tài)，采樣、對比分析并將信號轉(zhuǎn)化為控制指令。對于電動自行車的控制器而言，就是將給定速度信號、傳感器檢測到的電動機轉(zhuǎn)子位置信號、轉(zhuǎn)速信號和電動機定子的電 壓、電流反饋信號河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 11 轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂苹虮Ｗo指令，監(jiān)督電動機和控制電路的運行狀態(tài)，采樣、對比分析并將信號轉(zhuǎn)化為控制指令，來控制電動機的啟停、加減速的運行狀態(tài)。 電動自行車控制系統(tǒng)可以視為以控制器為核心，包括轉(zhuǎn)把、剎把、儀表以及相關(guān)的傳感器、開關(guān)按鈕等器件的集成。其中控制器決定了電動車的操控性能，因此控制器功能的提高、完善及合理發(fā)揮尤為重要。電動自行車中的控制器一般必須具備三大功能，一是速度調(diào)節(jié)，二是過電流控制，三是欠電壓保護。 本文內(nèi)容結(jié)構(gòu) 電動自行車車用電機需要高效率、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)動性能要求從系統(tǒng)的角度對電動自行車控制系統(tǒng)的控制方法和電機系統(tǒng)進行綜合設(shè)計。 本文圍繞電動自行車驅(qū)動電機控制和過流保護為中心 ， 著重于電動自行車 車 用無刷直流電動機原理介紹、對電動自行車控制器進行分析和設(shè)計以及控制系統(tǒng)欠壓、過流保護等相關(guān)電路的分析設(shè)計。圍繞這一基本思想，本文主要從以下兩方面進行相應(yīng)介紹： (1)分析了電動自行車 車 用無刷直流電動機結(jié)構(gòu)及工作原理 (2)采用 AT89C2051 芯片為控制核心，設(shè)計電動自行車驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的硬件電路和相應(yīng)軟件設(shè)計。 相應(yīng)的各章內(nèi)容概述如下 : 第一章： 主要介紹了課題的背景和意義以及國內(nèi)外電動車尤其是電動自行車的發(fā)展情況，并對電動自行車驅(qū)動控制的相關(guān)技術(shù)做了簡要介紹。 第二章：對電動自行車用無刷直流電動機結(jié)構(gòu)及工作原理做了詳細的分析，簡要介紹了 PWM 控制技術(shù) 。 第三章：以 AT89C2051 芯片為控制核心，進行電動自行車驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計及各單元電路分析。 第四章：系統(tǒng) 軟件 程序結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計。 第五章：總結(jié)與展望。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 12 2 永磁無刷直流電機結(jié)構(gòu)與工 作 原理 電動自行車的運行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求很高。電動自行車用電動機應(yīng)具有以下特 點： （ 1）電動自行車用電動機應(yīng)具有瞬時功率大，過載能力強、加速性能好 、使用壽命長的特點。 （ 2）電動自行車用電動機應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。 （ 3）電動自行車用電動機應(yīng)能夠在車減速時實現(xiàn)再生制動，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)燃機的摩托車上是不能實現(xiàn)的。 （ 4）電動自行車用電動機應(yīng)在整個運行范圍內(nèi)，具有高的效 率，以提高 一次充電的續(xù)駛里程。 另外還要求電動自行車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。鑒于電動自行車對電動機的基本要求采用永磁無刷直流電動機。 永磁無刷直流電機的結(jié)構(gòu) 直流無刷電機是在直流有刷電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于直流有刷電機的換向器和電刷在電機高速運轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生火花，引起火災(zāi)、爆炸等事故，因此許多環(huán)境限制了直流有刷電機的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)型晶體管的研制成功，為直流電機的發(fā)展帶來生機。經(jīng)過不斷的研究和 實踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換向線路來替代直流有刷電機的機械換向裝置。六十年代初出現(xiàn)了用霍爾元件傳感器的直流無刷電機，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。隨著人們的不斷努力，又發(fā)現(xiàn)了不用位置傳感器，而依靠電機繞組在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反電勢來河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 13 獲得位置信號實現(xiàn)換向的直流無刷電機。通常把這種利用檢測繞組反電勢獲得位置信號的直流無刷電機稱為反電勢法無刷直流電機或直流無刷無位置傳感器電機。 永磁無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成 永磁無刷直流電動機的控制器與電機本體緊密 結(jié)合，是典型的機電一體化器件，由電動機本體、控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成，下面是永磁無刷直流電機的構(gòu)成，如圖 21 所示： 直流電源 控制與驅(qū)動電路 電動機本體位置傳感器轉(zhuǎn)矩輸出 圖 21 永磁無刷直流電機的構(gòu)成框圖 Figure 21 Diagram of the PM BLDCM 下面是三相全波逆變狀態(tài)的永磁無刷直流電機的構(gòu)成框圖，如圖 22所示： +T 1T 4UD 5D 2T 5T 2D 1T 3D 3T 6D 6D 4電機本體轉(zhuǎn)子位置傳感器控制 、 驅(qū)動電路 圖 22 永磁無刷直流電機的構(gòu)成框圖（三相全波逆變狀態(tài)） Figure 22 Diagram of PM BLDCM (threephase fullwave inverter state) 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 14 電機本體 永磁無刷直流電機本體結(jié)構(gòu)與永磁同步電機相似，電機本體主要包括轉(zhuǎn)子和定子。永磁無刷直流電機轉(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。其中圖 23 (a)結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子鐵心外圓粘貼瓦片形永磁體；圖 23 (b)結(jié)構(gòu)是在轉(zhuǎn)子鐵心中嵌入矩形板狀永磁體。圖 23 (a)和圖 23 (b)結(jié)構(gòu)的永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)子外徑套有一個緊圈，以防止電機在高速運行時 離心力將永磁體甩出，同時在鹽霧等惡劣的環(huán)境中也對永磁體起保護作用。緊圈的材料通常用不導(dǎo)磁不銹鋼，也可用環(huán)氧無緯玻璃絲帶縛扎。圖23 (c)結(jié)構(gòu)是在轉(zhuǎn)子鐵心外套上一個整體粘結(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，該種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子的制造工藝性較好。 永磁無刷直流電機的定子結(jié)構(gòu)與普通的同步電機及異步電機相同，鐵心中嵌放對稱多相繞組，繞組可接成星形或三角形，并分別與逆變器中各開關(guān)管相連接。除了上述基本結(jié)構(gòu)形式外，還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，即帶有永磁極的轉(zhuǎn)子在外嵌有繞組的定子在里。電機運行時，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種 結(jié)構(gòu)形式主要用于電動車的驅(qū)動。 圖 23 電機本體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式 Figure 23 Motor rotor body structure (c) 環(huán)形徑向磁化 (b) 矩形切向磁化 (a) 瓦形徑向磁化 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 15 轉(zhuǎn)子位置傳感器 轉(zhuǎn)子位置傳感器是永磁無刷直流電機的關(guān)鍵部件。它對電機轉(zhuǎn)子位置進行檢測，其輸出信號經(jīng)過邏輯變換后去控制開關(guān)管的通斷，使電機定子各相繞組按順序?qū)ǎＷC電機連續(xù)工作。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電機本體同軸，以跟蹤電機轉(zhuǎn)子的位置；其定子固定于電機本體定子或端 蓋上，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要技術(shù)指標為：輸出信號的幅值、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。其種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。其中最常用的有以下幾種： （ 1）霍爾元件式位置傳感器 霍爾元件式位置傳感器是磁敏式位置傳感器的一種。它是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的。當霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場中，即輸出霍爾電勢信號，當其不受外磁場作用時，其輸出端無信號。用霍爾元件作轉(zhuǎn)子位置傳感器通常有兩種 方式。 第一種方式是將霍爾元件粘貼于電機端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電機軸同軸的永磁體如圖 所示。對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機，三個霍爾元件在空間彼此相隔 120176。電角度，永磁體的極弧寬