【導(dǎo)讀】隨著現(xiàn)代社會的不斷進(jìn)步，環(huán)境和能源問題越來越受到人們的重視。噪聲和節(jié)能的電動交通工具已經(jīng)成為世界各國研制開發(fā)的熱點(diǎn)。為最簡單的電動車輛近幾年在世界各地尤其是亞洲地區(qū)取得了巨大進(jìn)展。求電動自行車車用電動機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣環(huán)境下長期工作。電動自行車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對電動自行車運(yùn)行起著非常重要的作用。成的控制器，在功能和整體性能上都有很大提高。轉(zhuǎn)換器、剎車裝置、電機(jī)驅(qū)動電路和欠壓、過流保護(hù)電路等組成。軟件的綜合設(shè)計(jì)，設(shè)有欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、剎車斷電等多種保護(hù)功能。

　　

【正文】 BuCAiBici AeBe Ce 圖 28 永磁無刷直流電機(jī)的等效電路圖 Equivalent circuit of PM BLDCM （ 2）特性分析 永磁無刷直流電機(jī)的基本物理量有電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、反電動勢和轉(zhuǎn)速等。這些物理量的表達(dá)式和電機(jī)氣隙磁場分布、繞組形式有十分密切的關(guān)系。下面以氣隙磁場波形為方波、兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)電機(jī)為例， 分析永磁無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、反電動勢和轉(zhuǎn)速等特性。為了便于分析，假設(shè)不考慮開關(guān)管動作的過渡過程和電樞繞組的電感。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 23 1）電樞繞組感應(yīng)電動勢 單根導(dǎo)體在氣隙磁場中感應(yīng)電勢為： e= sB Lv （ 27） 式中 sB —— 氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度； L—— 導(dǎo)體的有效長度； v—— 導(dǎo)體相對于磁場的線速度； v= 60nD π =2p?60n（ m/s） （ 28） 式中 n—— 電機(jī)轉(zhuǎn)速； D—— 電機(jī)內(nèi)徑； ? —— 極距； P—— 極對數(shù)； 設(shè)電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為 ?W 則每相繞組的感應(yīng)電勢為： ?e =2 ?W e（ V） （ 29） 將式 (28)代入式 (27)得： e= ?B L p? 60n （ V） （ 210） 方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度對應(yīng)得每極磁通為： LaB i??? ?? （ Wb） （ 211） 式中 ia —— 計(jì)算極弧系數(shù)，則有： ianpe 602 ??? （ V） （ 212） 將式 (212)代入式 (29)得每相繞組感應(yīng)電勢 ： nWapE i ??? ?? 15 （ V） （ 213） 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 24 則線電勢，即電樞感應(yīng)電勢為： nCnWapEE ei ?? ????? ?? 1522 （ V） （ 214） 式中?? WapC ie 152—— 電勢常數(shù) 2）電樞電流 在每個(gè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)有以下電壓平衡方程式 ： aa rIEUU 22 ???? （ 215） 式中 U— 電源電壓； U? —— 開關(guān)管的飽和管壓降； aI —— 每相繞組電流； ar —— 每相繞組電阻。 由上式得 aa rEUUI 22 ???? (A) （ 216） 3）電磁轉(zhuǎn)矩 在任一時(shí)刻，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 emT 由兩相繞組的合成磁場與轉(zhuǎn)子永磁場相互作用而產(chǎn)生，則： ???? ? aaem EIIET 2 （ N M） （ 217） 式中 602 n??? 為電機(jī)的角速度 則有： aaiaiem ICIWapnnIWapT ?????? ?????? ?? 4602152 （ N?M） （ 218） 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 25 式中?? WapC i?? 4為轉(zhuǎn)矩常數(shù) 。 4）轉(zhuǎn)速 將式（ 214）帶入式（ 215）得 ??????eaaC rIUUn 22 (r/min) (219) 機(jī)械特性： eme aee aae TCC rC UUC rIC UUn 22222 ????? ??? ?????? ???（ r/min） (220) 空載轉(zhuǎn)速為 ： ??? ?????????????? pWUUaWapUUCUUniie15222 （ r/min） (221) 5）電勢系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù) 電勢系數(shù)為： ?? ????? ?WapCnEK iee 152（ V min/r） （ 222) 轉(zhuǎn)矩系數(shù)為： ??? ? ????? ?WapCITK iaemT 4（ N m/A) （ 223) 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速以角速度 ? 來表示時(shí)，則電勢系數(shù)為： ee KnEEK?? 26060239。 ????（ V s/rad) （ 224) 將式 (222)代入式 (224)，得： 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 26 T39。 4152260 KWapWapK iie ?????? ?? ?? ?? （ 225) 可見，電勢系數(shù) eK39。 與轉(zhuǎn)矩系數(shù) TK 相等。 永磁無刷直流電機(jī)的機(jī)械特性與傳統(tǒng)直流電機(jī)機(jī)械特性相同，機(jī)械特性較硬，并且有和傳統(tǒng)直流電 機(jī)一樣好的控制性能，可以通過改變供電電壓實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)節(jié)電樞電流達(dá)到轉(zhuǎn)矩控制的目的。 永磁無刷直流電機(jī)的 PWM控制 PWM 控制技術(shù)原理簡介 PWM 控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制 來等效地獲得所需要波形 (含形狀和幅值 )。 采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來 代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 ??00 圖 29 正弦 PWM 控制圖示 Figure 29 Sine PWM control icon 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 27 以正弦 PWM 控制為例。把正弦半波分成 N 等份，如圖 29所示 ,就可把其看成是 N 個(gè)彼此相連的脈沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等 ,都等于 /N,但幅值不等且脈沖頂部不是水平直 線而是曲線 ,各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖列利用相同數(shù) 量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替 ,使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合 ,且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積 (沖量 )相等 ,就得到 PWM 波形。各 PWM 脈沖的幅值相等而寬度是按下弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理 ,PWM 波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負(fù)半周同樣可以得到 PWM 波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱 SPWM (SinusoidalPWM)波形。 要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。 PWM 調(diào)制與電機(jī)轉(zhuǎn)速 PWM 調(diào)速 方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)的等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用 PWM 方式控制直流電機(jī)。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速基本原理 :永磁式直流電動機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓 DU 決定，電樞電壓 DU 越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓 DU 降為 0V，電機(jī)就停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的具體調(diào)速過程是：先讓它啟動一段時(shí)間，然后切斷電源，電動機(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動。 在轉(zhuǎn)速降到一定限度時(shí)使電動機(jī)再次接通電動機(jī)因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號） 就可以使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。如圖 210 所示： 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 28 Tt脈 沖 寬 度電 機(jī) 轉(zhuǎn) 速M(fèi)AXV DVMI NV 圖 210 PWM脈沖信號與電機(jī)轉(zhuǎn)速 Figure 210 PWM pulse and motor speed 上圖中 MAXV 為電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值。 MINV 為電動機(jī)的最小轉(zhuǎn)速值。 DV 為二者的平均值。 DV =D* MAXV 式中 D=t/T 稱為占空比 D 越大 DV 就越大反之亦然。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比 D之間的關(guān)系如圖 211所示 ： 0DDV10 . 5 圖 211 平均轉(zhuǎn)速和脈沖占空比 D 關(guān)系 Figure 211 Relationship between the average speed and the pulse duty cycle D 由上圖知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關(guān)系，但可以近似的看成是線性關(guān)系。因此電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)速 VD 就可以有占空比 D加以控制。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 29 3 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 本文所設(shè)計(jì)的電動自行車控制系統(tǒng)控制器以 AT89C2051單片機(jī)作為控制核心，霍爾調(diào)速手柄、由 A/D 轉(zhuǎn)換器、剎車裝置、電機(jī)驅(qū)動電路、直流電機(jī)和欠壓保護(hù)、過流保護(hù)電路等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖 31所示： A T 8 9 C 2 0 5 1霍 爾 調(diào) 速手 柄A / D 轉(zhuǎn) 換過 流 保 護(hù)欠 壓 保 護(hù)P 1 . 2 ~ 4P 1 . 0P 1 . 1剎 車S A R 、 S A L控 制 信 號P 1 . 5P 3 . 2剎 車 、 欠 壓 、過 流 指 示 燈P 1 . 6 ~ 7 、P 3 . 1直 流電 機(jī) 圖 31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框 圖 Figure Structure diagram of hardware system AT89C2051 單片機(jī)簡介 系統(tǒng)采用的微控制器是 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 8位 CMOS 單片機(jī)AT89C2051，由于它將 8 位 CPU 和閃速存儲器組合在單個(gè)芯片中，為很多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供了一個(gè)高度靈活且價(jià)格低廉的解決方案。 AT89C2051 帶有 2K字節(jié)可編程的 Flash Memory、 128 字節(jié) RAM、 15 根 I/O 線、 2個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 1 個(gè)全雙向的串口、 1 個(gè)精密比較器。其與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS51 的指令集和引腳結(jié)構(gòu)完全兼容。通過在單塊芯片上組合通用的 CPL1 和閃速存儲器 ,ATMEL AT89C2051 是一強(qiáng)勁的微型計(jì)算機(jī) ,它對許多嵌入式控制應(yīng)用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。 AT89C2051是一個(gè)有 20個(gè)引腳的芯片 ,引腳如下圖 ,與 8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比可發(fā)現(xiàn) ,AT89C2051 減少了兩個(gè)對外端口（即 P0、 P2 口） ,使它最大河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 30 可能地減少了對外引腳 ,因而芯片尺寸有所減少。 A T 8 9 C 2 0 5 111 01 12 0R S T( R X D ) P 3 . 0( T X D ) P 3 . 1X T A L 2X T A L 1( I N T 0 ) P 3 . 2( I N T 1 ) P 3 . 3( T 0 ) P 3 . 4( T 1 ) P 3 . 5G N DV C CP 1 . 7P 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4P 1 . 3P 1 . 2P 1 . 1 ( A I N 1 )P 1 . 0 ( A I N 0 )P 3 . 7 圖 32 AT89C2051 外部引腳結(jié)構(gòu)圖 Figure Structure diagram of the external pin AT89C2051 AT89C2051 芯片的 20 個(gè)引腳功能為： Vcc：電源電壓。 GND：地。 P1 口： P1口是一 8位雙向 I/O 口?？谝_ ～ 提供內(nèi)部上拉電阻。 和 要求外部上拉電阻。 和 還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入 (AIN0)和反相輸入（ AIN1)。 P1 口輸出緩沖器可吸收 20mA 電流并能直接驅(qū)動 LED 顯示。當(dāng) P1 口引腳寫入“ 1”時(shí) ,其可用 作輸入端。當(dāng)引腳～ 用作輸入并被外部拉低時(shí) ,它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流(IIL)。 P1 口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。 P3 口： P3口的 ～ 、 是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個(gè)雙向 I/0引腳。 用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號并且它作為一通用 I/O 引腳而不可訪問。 P3口緩沖器可吸收 20mA 電流。當(dāng) P3口引腳寫入“ 1”時(shí) ,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí) ,被外部拉低的 P3 口引腳將用上拉電阻而流出電流 (IIL)。 P3 口還用于實(shí)現(xiàn) AT89C2051 的各種功能 ,如下表 31所示。 P3口還接收一些用于閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 31 表 31 P3口第二功能 Table 31 Second function of P3 P3口引腳 功能