【正文】 180176。電角度，永磁體的極弧寬為 180176。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場(chǎng)中，即輸出霍爾電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其不受外磁場(chǎng)作用時(shí)，其輸出端無信號(hào)。?120本系統(tǒng)采用霍爾元件式位置傳感器來檢測(cè)電機(jī)的位置信號(hào)。 位置檢測(cè)信號(hào)處理單元在對(duì)無刷直流電機(jī)的控制中，磁極位置的測(cè)定直接決定了控制效果的好壞。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(hào)進(jìn)行換相控制，同時(shí)將電機(jī)速度反饋信號(hào)和手把給定的速度信號(hào)相減，得出偏差，經(jīng)過控制算法得出控制量。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(shí)，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(dòng)，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)。再把控制量以 PWM 的形式輸出給驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)的速度便達(dá)到了給定。 “軟啟動(dòng)”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?？刂齐娐返闹饕δ苁峭瓿呻姍C(jī)的起動(dòng)、換相、調(diào)速、制動(dòng)等控制并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、電池的保護(hù)；驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是利用工 RI2130 的自舉技術(shù)驅(qū)動(dòng)功率 MOSFTE 管控制電機(jī)電流；而外圍輔助電路主要完成信號(hào)的采樣、對(duì)電路的供電、發(fā)出報(bào)警信號(hào)等功能。它的作用如下：；，節(jié)省能源；；；。根據(jù)所需的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性，按表 23 可確定電機(jī)應(yīng)該具備的機(jī)械特性，同時(shí)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。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)。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(shì)增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，這樣就使電機(jī)維持在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。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(huì)提高，同時(shí)反電勢(shì)增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)也減小，電樞電流增加，△U 增大，到一定值以后，增加較快。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(shí)。當(dāng)方程式 217 右邊兩項(xiàng)相等時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。所以電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。由方程式(21)(22)(23)可知式 216 和式 217。2由 可得042????aavREd?UE21??又由 = 0，可得，在 時(shí)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(dòng)機(jī)的制動(dòng)電流即制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大。制動(dòng)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。當(dāng)在繞組上施加相反方向的 PWM 電壓時(shí)，將使得流過電動(dòng)機(jī)繞組的電流與驅(qū)動(dòng)時(shí)的電流方向相反。根據(jù)無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，當(dāng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動(dòng)時(shí)，施加在電機(jī)繞組上的是與繞組感生電動(dòng)勢(shì)反向的 PWM 斬波直流電壓。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(shí)可實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)，同時(shí)向電源(蓄電池)回饋能量，從而可被系統(tǒng)再次利用。蓄電池的能量輸出與制動(dòng)過程有關(guān)。對(duì) 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。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。 （式 2BABABBAAAd edtiLtidtiMRidttiLRieU ??????8）式中：、 —A、B 相電勢(shì)，電動(dòng)運(yùn)行時(shí)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(dòng)運(yùn)行時(shí)，換相前電路電流為零，換相后 0。 電動(dòng)運(yùn)行特性 在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，6 只開關(guān)管任意時(shí)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。所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動(dòng)機(jī)可以很快起動(dòng)，并能帶負(fù)載直接起動(dòng)。 起動(dòng)特性由方程式 225 、26 可知，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，由于反電勢(shì)為零，因此電樞電流( 即起動(dòng)電流) 用公式 27 表示。s ） ；j 2—轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度(rad/s )。TK在轉(zhuǎn)速變動(dòng)情況下得出式 26 （式 2dtJTL???06）式中：—轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nm)0T還可以用式 25 表示 （式 2acpTIK?5）—轉(zhuǎn)矩系數(shù)（Nm)T—輸出轉(zhuǎn)矩(NeK由方程式 222 可得式 23= = （式 2neKEeaxpcrIU??3）在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式用式 24 表示。U?V對(duì)于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢(shì)均用式 22 表示。據(jù)此，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可分為：起動(dòng)特性、電動(dòng)運(yùn)行特性、制動(dòng)特性、機(jī)械特性及調(diào)速特性?；魻栐盘?hào) 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(dòng)機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械。導(dǎo)通型。每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通角為 120176?？梢婋姍C(jī)有六個(gè)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(shí)間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 120176。表 21 正轉(zhuǎn)時(shí)相互位置關(guān)系當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 60176。故 A、C 相繞組導(dǎo)通的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的霍爾信號(hào)邏輯為 、 、 。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。電樞621繞組在空間的合成磁勢(shì)方向如圖 23(b)所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過 60176。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。ACYZXBNSFaFf圖 23(a) 正轉(zhuǎn)時(shí)位置關(guān)系此時(shí)霍爾元件 A、B 在傳感器磁場(chǎng)作用下，有高電平輸出 ，霍爾1?kBAu元件 C 不受磁場(chǎng)作用， 。電角度的薄片，與轉(zhuǎn)子同軸安裝，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)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。三個(gè)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。它由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置；其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。逆變器主電路有橋式(圖 22a)和非橋式(圖 22b)兩種。這種結(jié)構(gòu)形式最適用于電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)。還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，即帶有稀土永磁極的轉(zhuǎn)子在外，嵌有繞組的定子在里。稀土永磁電動(dòng)機(jī)本體是由帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。第 2 章 關(guān)鍵部分特性分析 稀土永磁無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)本體、開關(guān)電路、位置傳感器三部分。它作為化學(xué)蓄電池的輔助能源，可以顯著減小電動(dòng)車輛對(duì)化學(xué)蓄電池的尖峰功率輸出的要求，在電動(dòng)車輛中的應(yīng)用也越來越受到重視。一般燃料電池比能量都高于鉛酸電池，其應(yīng)用的主要難點(diǎn)在于如何縮小反應(yīng)裝置和提高反應(yīng)速度，同時(shí)安全性問題和制造價(jià)格問題還有待進(jìn)一步完善。與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比，這些新型電池在性能上已經(jīng)有了很大的提升，但在功率密度上還不能和燃油相媲美。目前，對(duì)蓄電池的研究，一方面是對(duì)傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的改進(jìn)和新型蓄電池的研制。車載蓄電池要求有高的比能量、比功率、循環(huán)使用壽命、低成和合理地運(yùn)行環(huán)境以及便于回收等特性。在論文的后續(xù)章節(jié)中將對(duì)其作詳細(xì)介紹。??5本論文根據(jù)電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求，希望選用的微處理器具有響應(yīng)速度快、功耗低、體積小、價(jià)格低廉以及組成系統(tǒng)時(shí)所需要的外圍器件少的特點(diǎn)。有的價(jià)格低廉但功能不夠完善，速度慢，如傳統(tǒng)的 8051 單片機(jī)。全數(shù)字系統(tǒng)簡(jiǎn)化了硬件，縮小了裝置體積，消除了溫度變化的影響，升級(jí)換代十分容易，控制精度不斷提高，重復(fù)性能也更好了。由模擬器件構(gòu)成的控制器只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制，功能單一升級(jí)換代困難，而且由分立器件構(gòu)成的系統(tǒng)控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴(yán)重，使得維護(hù)成本增高，限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與微處理器的發(fā)展息息相關(guān)，可以說，每一次微處理器的進(jìn)步都推動(dòng)了控制技術(shù)的一次飛躍。因此現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)離不開功率器件和電機(jī)控制器的發(fā)展。由于應(yīng)用了電力電子技術(shù)，電機(jī)的控制技術(shù)變得更加靈活，效率也更高了。本文所研究的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)便是采用直接驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)。從電動(dòng)自行車的性能要求看，無刷直流電機(jī)即具有直流電機(jī)動(dòng)態(tài)特性好、調(diào)速性能優(yōu)良的特點(diǎn)，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，且電磁轉(zhuǎn)矩大、脈動(dòng)小。結(jié)構(gòu)也變得簡(jiǎn)單，并且節(jié)省了空間使其磁場(chǎng)損失也得到了減少。與其它電機(jī)相比它具有幾個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn):①永磁無刷直流電機(jī)沒有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何由電刷引起的問題。稀土永磁無刷直流電機(jī)是近 20 年發(fā)展起來的一類電機(jī)，由于電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，微機(jī)和稀土永磁材料的發(fā)展為無刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。過去無刷直流電機(jī)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著新材料的應(yīng)用和電子元器件的發(fā)展，無刷直流電機(jī)已大規(guī)模用于工業(yè)，商業(yè)和家電導(dǎo)領(lǐng)域，節(jié)能、靜音和免維護(hù)使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬。從電機(jī)本身的價(jià)格來說，無刷直流電機(jī)由于沒有電刷和換向器,成本應(yīng)低于有刷直流電機(jī)，無刷機(jī)控制器由于使用的功率管要多于有刷結(jié)構(gòu)，故成本價(jià)格應(yīng)相差不多。但是直流機(jī)的體積和重量都較大，噪音也大，它采用電刷和換向器進(jìn)行電流換相，會(huì)產(chǎn)生電火花，而且碳刷容易磨損、損壞，增大維護(hù)、維修難度、增加使用成本。根據(jù)電機(jī)的換向方式，直流電機(jī)可分為機(jī)械換向的有刷直流電機(jī)和電子換向的無刷直流電機(jī)。目前車輛驅(qū)動(dòng)用的電動(dòng)機(jī)類型大致有以下幾類， 分別為直流電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。為使電動(dòng)自行車有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)速和足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。它雖然具有普通自行車的外表特征（甚至具有摩托車的外表特征） ，但是主要的是，它是在普通自行車的基礎(chǔ)上，安裝了電機(jī)、控制器、蓄電池、轉(zhuǎn)把閘把等操縱部件和顯示儀表系統(tǒng)的機(jī)電一體化的個(gè)人交通工具。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)最高時(shí)速、空車質(zhì)量、外形尺寸的相關(guān)規(guī)定，電動(dòng)自行車歸屬非機(jī)動(dòng)車管理范疇，應(yīng)同時(shí)具備以下 5 個(gè)特征：必須具備腳踏行駛功能，蓄電池只作為輔助能源；必須具備兩個(gè)車輪；設(shè)計(jì)車速不大于 20 公里/小時(shí)；整車重量不大于 40 公斤；輪胎寬度（胎內(nèi)）不大于54 毫米。我國(guó)電動(dòng)自行車產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，具體數(shù)據(jù)見表 11。據(jù)北京一家電動(dòng)自行車銷售中心反饋的信息顯示：該銷售中心每天電動(dòng)自行車的銷售量可達(dá) 100 輛，到了周末日平均銷售量可達(dá) 200 輛，而這樣的銷售中心在北京有好幾十家。以北京為例，2022 年 1 月，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，北京市的電動(dòng)自行車不到 2 萬輛，而到了 6 月份已有 5 萬多輛電動(dòng)自行車在北京的大街小巷穿行。但是有部分相關(guān)技術(shù)水平還存在一定問題，市場(chǎng)的孕育還未完全進(jìn)入良性循環(huán)，有待進(jìn)一步改善 。而與汽車相比，靈活方便的中短途個(gè)人交通工具，如自行車、助動(dòng)車和摩托車等，在全球依然占據(jù)絕大多數(shù)。 電動(dòng)車的種類電動(dòng)車分類電動(dòng)車按類型分可分為：電動(dòng)自行車（如圖 11） ，電動(dòng)摩托車（如圖12） ，電動(dòng)汽車(如圖 13)。20 世紀(jì) 90 年代開始，新一代電動(dòng)汽車不斷涌現(xiàn)，1997 年 10 月底問世的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車普銳斯prius，是世界上最早實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的電動(dòng)汽車。但是石油價(jià)格在 20 世紀(jì) 70 年代末開始下跌,電動(dòng)汽車的商業(yè)化失去了動(dòng)力,電動(dòng)汽車的發(fā)展走入低谷。20 世紀(jì)70 年代初期,美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、日本等都開始發(fā)展電動(dòng)汽車。隨著日新月異的技術(shù)進(jìn)步和人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，21 世紀(jì)必將成為電動(dòng)車全面發(fā)展的世紀(jì) 。所以，世界上的各個(gè)主要汽車生產(chǎn)和使用國(guó)紛紛制定了類似的政策或法規(guī)，并投入巨資，開發(fā)研究新型零排放汽車—電動(dòng)車。而且汽車廢氣排放出的氮氧化物與碳?xì)浠衔镌谧贤饩€的作用下，易形成高毒性的光化學(xué)煙霧，污染我們賴以生存的自然環(huán)境，直接危害人體健康，城市空氣污染情況日趨嚴(yán)重，控制汽車廢氣污染已成為環(huán)保部門的嚴(yán)峻課題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)地區(qū)，43%的非甲烷有機(jī)物、57%的氧化氮、82%的一氧化碳都是汽車廢氣排放產(chǎn)生的，而全世界 20%的一氧化碳排放量來源于汽車廢氣。 保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境，珍惜地球上有限的石油資源是擺在人們面前迫切需要解決的兩個(gè)重大課題，傳統(tǒng)燃油汽車在這兩個(gè)問題上與人們的愿望正好背道而