【正文】 11 3 直流無刷無位置傳感器電動自行車控制器的設(shè)計 直流無刷無位置傳感器電動機的數(shù)學(xué)模型 [7] 無刷 直流電機的無位置傳感器控制的關(guān)鍵 技術(shù) 在于轉(zhuǎn)子位置信息的獲取及估算方法。 120176。 360176。 直流電源 電子電路 電動機本體 負載 10 圖 電機運行時各相產(chǎn)生的反電勢示意圖 240176。 360176。 240176。 120176。 當(dāng)然也可以通過檢測反電勢經(jīng)過電角度 0176。)，到圖 (b)所示的位置，此時使 V4， V5 導(dǎo)通， V3關(guān)閉，讓 AA′相、 CC′ 相有外加電壓， BB′ 相沒有外加電壓，可以檢測 BB′ 相產(chǎn)生的反電勢過過零點再延時 30176。時，和磁動勢 Fa 相垂直， CC′ 相產(chǎn)生的反電勢正好過零點；當(dāng)轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn) 30176。以圖 為例，假設(shè)轉(zhuǎn)子在圖 (a)所示的位置為 0176。故可以通過檢測反電勢過零點，再延時 30176。從圖 中可以看出，反電勢在 60176。 圖 無位置傳感器的直流無刷電機原理框圖 由圖 無刷直流電動機的運行原理圖可知，當(dāng)電機在運行過程中，總有一相繞組沒有導(dǎo)通，此時可以在該相繞組的端口檢測到該繞組產(chǎn)生的反電勢，該反電勢在 60176。 9 無位置傳感器直流無刷電動機 工作 原理 有位置傳感器的直流無刷電機的換向主要靠位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置，確定功率開關(guān)器件的導(dǎo)通順序來實現(xiàn)的，由于安裝位置傳感器增大了電機的體積，同時安裝位置傳感器的位置精度要求比較高，帶來安裝的難度；因此人們在研究過程中發(fā)現(xiàn)，利用電 子線路替代位置傳感器檢測電機在運行過程中產(chǎn)生的反電勢來確定電機轉(zhuǎn)子的位置，實現(xiàn)換向。 120176。 360176。 240176。第一代電動自行車使用的 是有刷高速繞組式電機，電機的轉(zhuǎn)速達 3000轉(zhuǎn)左右，通 過齒輪減速，其噪音大，效率低，故障率高；第二代電動自行車使用的 是有刷低速電機或有位置傳感器的無刷電機，其噪音、故障率有所下降，效 率有所提高，但維護、安裝難度還 是比較大；第三代電動自行車使用的 是無刷無位置傳感器的稀土永磁電機，其噪音小，效率高，維護、安裝都比較方便。如果是有位置傳感器直流無刷電動機，則可以通過傳感器來 直接獲得轉(zhuǎn)子的六個轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置的信息，如果是無位置傳感器無刷直流電動機，則需要通過直流無刷電動機的三相定子繞組的反電勢直接或間接的獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。 無刷直流電動機的運行原理圖 Fa A B C A’ B’ C’ N S (a) A B C A’ B’ C’ N S Fa (b) A B C A’ B’ C’ N S Fa (c) A B C A’ B’ C’ N S Fa (d) A B C A’ B’ C’ N S Fa (e) A B C A’ B’ C’ N S Fa (f) C′ C B A′ A B′ + _ V1 V2 V6 V4 V5 V3 W V U 8 圖 各相繞組導(dǎo)通示意圖 由上述的分析可見，要使直流無刷電動機正確的換 向 運行，必須知道圖 所示的六個轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置，六個轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置即對應(yīng)著直流無刷電動機的反電動勢的過零點后的30176。之間。電角度順序使 V5和 V V1和 V V1和 V V3 和 V2兩兩導(dǎo)通， 即可 使定子磁動勢分別如圖 (c)、圖 (d)、圖 (e)、圖 (f)所示， 從 而形成 圖 逆變器主電路 旋轉(zhuǎn)磁動勢，在這個磁動勢的作用下，轉(zhuǎn)子也會隨之旋轉(zhuǎn) ，如果使開關(guān)管反復(fù)按上述規(guī)律導(dǎo)通，即可使轉(zhuǎn) 子持續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，且定子磁動勢總是超前于轉(zhuǎn)子磁極軸線角度 60176。導(dǎo)電型。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個磁場的方向在電動機運動的過程中始終保持一定的角度，從而產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機不停地運轉(zhuǎn)，與直流有刷電動機不同，直流無刷電動機的電樞轉(zhuǎn)一圈，定子繞組只換 向 6 次，每個極下?lián)Q 向 三次，相當(dāng)于只有三個換向片的直流電動機。 無刷直流電動機的運行原理 [5] 一般的永磁式直流電動機的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動機 氣隙中建立磁場，其電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁場，由電力電子逆變器供給電樞繞組的電流并不是正弦波，而是 120176。通常把這種利用檢測繞組反電動勢獲得位置信號的直流無刷電機稱為反電動勢法無刷直流電機或直流無刷無位置傳感器電機。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。 6 2 電動自行車控制器的系統(tǒng)分析 無刷直流電機的工作原理 無刷直流電動機的發(fā)展 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。 (4) 通過電池的合理選擇，來保證控制器的正常運行。 (2) 在電機的數(shù)字調(diào)速控制中，選擇高效可靠的單片機將使控制系統(tǒng)的硬件電路簡單可靠、軟件編制方便，系統(tǒng)整體性能得以提高。 論文的主要內(nèi)容 本課題研究的主要內(nèi)容是利用現(xiàn)代單片機技術(shù)來解決無位置傳感器無刷直流電機換向問題，從而解決電動自行車控制、驅(qū)動中不完善的地方，同時設(shè)計出方便用戶使用的電 5 動自行車運行參數(shù) 的 顯示。在電機的數(shù)字調(diào)速控制中，選擇高效可靠的單片機將使控制系統(tǒng)的硬件電路簡單可靠、軟件編制方 便，系統(tǒng)整體性能得以提高。而且隨著社會的不斷進步，人們生活水平的提高，環(huán)境保護和能源節(jié)約問題已經(jīng)越來越受到重視，開發(fā) “零污染 ”、高效率的綠色環(huán)保電動自行車替代已成為一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，且具有良好的發(fā)展前景。效率提高就是在單位時間內(nèi)完成更多的任務(wù)， 直接反映到時間的問題上。 雖然電動自行車不能與機動車相比，但是要緩解公交車的壓力，甚至替代公交車，改進電動自行車的性能是當(dāng)今時代的需求。 電動自行車 的輸出功率僅為 ～ ，與普通 125 系列中檔摩托車（輸出功率 8～10Kw）相比，兩者相差 16 倍，電動 自行車 的輸出功率僅為 125 摩托車的 10%左右；與輕型摩托車或燃氣摩托車相比，輸出功率相差 2～ 3 倍，其功率僅為輕便摩托車、助動車、燃氣摩托車的 30%左右。 但是目前電動自行車的發(fā)展受到巨大阻力，可能陷入迷局，呼吁政府支持，主要障礙有：沒有車的名分，無法管理；沒有路權(quán)，無法行駛 [3]。我國電動車事業(yè)雖然起步較晚，但卻是在一個較高的起點上開始的。控制電路中兼有對電池電量監(jiān)視系統(tǒng)，當(dāng)電池放電達到臨界點時可以自動切斷電源，保護電池免受過量放電而損壞或影響壽命 [2]。清華大學(xué)電機系在 20 世紀 90 年代中期，試制了一臺 500W 柱式無刷直流電機，它的體積只有普通 400W 勵磁有刷直流電機的 1/5左右；這種電動機重量輕、容易安裝、節(jié)省電能、并且容易調(diào)控轉(zhuǎn)速，這正是電動自行車所 要求的電動機類型。 現(xiàn)在的電動自行車被 稱為高技術(shù)的結(jié)合體 ，這是很真實的描述。 4) 實現(xiàn)短路、過流、欠電壓等故障保護功能。 2) 產(chǎn)生 PWM 調(diào)制信號， 使 電機的電樞電壓隨給定速度信號而自動變化，實現(xiàn)電機開環(huán)調(diào)速。絕大多數(shù)電動自行車采用的是直流輪轂電機，它們?yōu)橥廪D(zhuǎn)子式，這樣 定子 可以固定在軸承上，非常適用于電動車的驅(qū)動。電動自行車 電機 的驅(qū)動方式有：輪轂式驅(qū)動、中置式驅(qū)動 、摩帶式驅(qū)動 和 側(cè) 掛式驅(qū)動。采用這兩種電機的原因在于它們的控制方法簡單，整車成本相對低廉，控制器可以滿足自行車要求。燃氫電池、納米碳管蓄能高、 壽命長、性能優(yōu)良單成本高昂，隨著科技的發(fā)展，它們將是未來電動自行車動力源的發(fā)展方向。環(huán)保效能更好的鎳氫電池和鋰電池則因為成本較高，導(dǎo)致配載這兩種電池的電動自行車售價偏高。目前電動自行車用蓄電池基本是經(jīng)濟實惠的鉛酸電池 。車架部分不作討論，其他部分介紹 如下： (1) 電源 (蓄電池 ) 電源為電動自行車動力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)提供能量。電動自行車正是在這樣的呼喚下，逐步走進人們的生活中。 正是由于以上原因，電動自行車逐漸受到人們的歡迎，同時電動自行車的廣泛運用在緩解環(huán)境污染方面占有很 大 優(yōu)勢，不僅可以有效節(jié)省能源，而且能夠減少大氣污染。 (4) 效率高 摩托車、燃油助動車的效率一般只有 30%左右，而電動自行車的效率可以達到 70%以上。而摩托車、燃油助動車是由燃油發(fā)動機驅(qū)動，其汽缸產(chǎn)生的噪音比較大，由于受到體積限制，其發(fā)電機的缸數(shù)較少，運行時不夠平穩(wěn)，振動較大。 電動自行車與摩托車、燃油助 動 車相比較，它具有突出的優(yōu)點 [1]： (1) 無污染 電動自行車是以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動能源，以電動機作為動力，運行過程中沒有廢氣排放；因此和摩托車、燃油助動車相比，沒有污染。由于 控制器對電池損耗的控制 問題，限制了電動自行車的速度效率和行駛距離，但可以通過提高系統(tǒng)的效率來改善其性能。發(fā)展短距離的綠色交通工具替代摩托車、燃油助 動 車成為一些國家的經(jīng)濟和社會課題。 DC brushless motor。 at the same time, it reduces the costs of the process of manufacturing and using, improves the convenience of use and maintenance, and it is high efficiency, environmental protection, economy and convenient characteristic with good performance characteristics and huge market potential. Keywords: electric bicycle。s largest bicycle market, the electric bicycle industry in China has a very broad application prospects. Therefore the development of electric bicycle has a good social significance and objective economic benefits. Powered electric bicycles are nowadays mainly Wheel brushless DC motor. Electric bicycle controller as the control core of electric bicycle is a key ponent of electric bicycles, and together with DC motor constitute the drive system of electric bicycles .In order to improve the electric bicycle ride fort, safety, the power driving system of electric bicycle is researched deeply in this article, and it also mainly introduces the function of the electric bicycle controller structure and software amp。 它不僅克服了有刷直流電機的噪音、換向火花等缺點，而且避免了有位置傳感器直流無刷電機因位置傳感器帶來的不足；同時，它降低了制造和使用過程中的成本，提高了使用和維護的方便性，具有效率高、環(huán)保、經(jīng)濟和方便的特點以及具有良好運行性能和 巨大的市場潛力。電動自行車控制器作為電動