【正文】 樣的實時監(jiān)測系統(tǒng)對蓄電池的保護、延長使用壽命有重要的意義。蓄電池的電勢是指蓄電池在開路時的端電壓，由于蓄電池內(nèi)阻r的存在，當蓄電池兩端接上負載R時，內(nèi)阻上就會產(chǎn)生壓降，此時蓄電池的端電壓不是電勢E，而是: U=EIr （310）而蓄電池的內(nèi)阻與蓄電池的容量成反比，在充電過程中，內(nèi)阻逐漸減小，在放電過程中增加，通過實驗的辦法可測出蓄電池的容量與端電壓的關(guān)系，并建立表格存于單片機的EEPROM中。如果放電電流不是一個恒定的常數(shù)，蓄電池的容量為不同的放電電流與相應時間的乘積之和: Q=Id1Td1+Id2Td2++IdnTdn (39)由于蓄電池的容量受到很多因素的影響，長時間的使用，反復的充放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準確測量蓄電池的容量比較困難。當蓄電池以恒定電流放電時，它的容量等于放電電流和放電時間的乘積: Q=IdTd (38)式中Q的單位為(A表31 換相表 H1 H2 H3 導通的管子 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0電機靜止，無導通管 1 1 1 出錯電動自行車在使用過程中實時監(jiān)測蓄電池的容量情況將給用戶帶來很大的方便，它能提供蓄電池的電能大約能夠使車輛行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等信息。首先找出三個轉(zhuǎn)子位置傳感器信號H1，H2, H3的狀態(tài)與六只功率管導通之間的關(guān)系，以表格形式存放在單片機的EEPROM中，如表31所示。期間不進行位置檢測，換相時間間隔由軟件延時控制，且該時間間隔不變，程序控制PWM波占空比逐漸增大以提高電壓，因此這是一種恒頻升壓的起動方式。 軟起動控制策略為:先由程序控制給任意兩相定子繞組通電而另一相關(guān)斷，則電機定子合成磁勢軸線在空間有一確定方向，把轉(zhuǎn)子磁極拖到與其重合的位置，經(jīng)過一段時間即可確定轉(zhuǎn)子的初始位置。這樣就增加了系統(tǒng)成本且使系統(tǒng)復雜化。無刷直流電機的反電動勢大小和電機的轉(zhuǎn)速成正比，在電機靜止時電動勢為零，沒有換相信號，電機不能自起動。它們是脈寬為180度，相位上互差120度的方波信號。所以在本系統(tǒng)中將利用轉(zhuǎn)子位置傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號來反映電機的轉(zhuǎn)速。該控制器是通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)自適應、自組織功能的，加權(quán)系數(shù)的調(diào)整采用有監(jiān)督的Hebb學習規(guī)則。當時，也即偏差較大時，采用P控制可使超調(diào)量大為降低。對于速度環(huán)的控制本系統(tǒng)根據(jù)AVR單片機邏輯判斷能力強、編程靈活的特點采用改進的PI算法一積分分離PI算法來實現(xiàn)。，高的采樣頻率必然要求高的PWM頻率，一方面，PWM頻率越高，輸出波形越理想，但另一方面，功率器件消耗的功率也越高，引起發(fā)熱、散熱的問題，另外，高的PWM頻率可能使電磁輻射更加嚴重。其中采樣周期的選取要考慮以下三個因素[17]:，根據(jù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理，采用頻率至少為低通信號頻譜最高頻率的2倍。，增量只與最近的兩次采樣有關(guān)，容易獲得較好的控制效果，并且消除了當偏差存在時產(chǎn)生飽和的危險。增量型算法表達式是: (33)其中它們兩者在本質(zhì)上是一樣的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的優(yōu)點:，所以由誤動作造成的影響比較小。數(shù)字PI控制是普遍采用的一種過程控制算法，P是指比例象(Proportional)，是指積分項(Integral)，基本的PI控制算法有位置型和增量型兩種。而且雙閉環(huán)系統(tǒng)以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，對速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅就限定了電樞中的電流，起到了保護逆變橋的作用。這樣做的好處在于可以根據(jù)給定速度與實際速度的差額及時控制電機的轉(zhuǎn)矩，在速度差值比較大時電機轉(zhuǎn)矩大，速度變化快，以便盡快地把電機轉(zhuǎn)速拉向給定值，在轉(zhuǎn)速接近給定值時，又能使轉(zhuǎn)矩自動減小，這樣可避免過大的超調(diào)，以利于調(diào)速過程的快速性。與給定載波比較后，形成PWM調(diào)制波，控制逆變器的實際輸出電壓。這種控制方式把速度調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器作為輔助調(diào)節(jié)器。 最簡單的調(diào)速系統(tǒng)為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，但它的調(diào)速精度太低，不適用于電動自行車的調(diào)速系統(tǒng)。所以當電源電壓不變時，電樞的端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變α值就可改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的。當開關(guān)管的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓Us, 秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為0, 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復前面的過程。本系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動方式使半導體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制(PWM)來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速[19]。本車采用的無刷直流電動機可以通過改變電樞電路中的外串電阻或改變加在電動機電樞上的電壓來調(diào)速。然后檢測三相繞組的相電壓以確定采樣的直流側(cè)電流是哪一相的電流值?，F(xiàn)在電流檢測模塊種類很多，以霍爾器件為主，反應很靈敏。因此，在對性能和環(huán)境要求不是很高的稀土永磁無刷直流電動機應用場合，大量使用霍爾元件式位置傳感器[10]。這三路信號經(jīng)過一定的整形措施后被送到單片機的數(shù)字I/0口，以確定相位信息。對于兩相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機，三個霍爾元件在空間彼此相隔1200電角度，永磁體的極弧寬為1800電角度。該傳感器是一種半導體器件，是利用霍爾效應制成的。方波電流驅(qū)動無刷直流電機是借助于位置檢測信號控制逆變器換流以達到在電機定子線圈中通以互差1200的方波電流才能正常運行[16]。當電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩平衡時，系統(tǒng)的速度便達到了給定。常規(guī)的換相運行是直接根據(jù)位置傳感器傳來的信號進行換相控制，同時將電機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。報警信號單片機電源保護電路驅(qū)動電路IR2131S電流信號處理電路位置信號處理電路BLDCM整流穩(wěn)壓功率逆變器電池電壓轉(zhuǎn)速給定 直流電源通過MOSFET構(gòu)成的逆變橋向BLDCM供電，單片機在新的采樣周期到來時，先判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，如是靜止狀態(tài)則用軟件開環(huán)起動，當達到一定速度后再切換到常規(guī)換相運行狀態(tài)。驅(qū)動電路的主要功能是利用工R2131S的自舉技術(shù)驅(qū)動功率MOSFET管控制電機電流。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。以工R2131S為核心的驅(qū)動電路。它的作用如下[6]:。根據(jù)所需的系統(tǒng)運動特性，按表2 3可確定電機應該具備的機械特性，同時還要求所選擇或設計的電機可以在有限的電源電壓下正常運行。又從方程式(223)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(在同一負載下)。如果負載不變，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，這樣就使電機維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。 如假定外加直流電壓一定，減小電機負載，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。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動機的反電勢也減小，電樞電流增加，DU增大，到一定值以后，增加較快。又因為功率晶體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。當方程式(223)右邊兩項相等時，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。所以電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。機械特性是指外加電源電壓恒定時，電動機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。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 （218）其中驅(qū)動的占空比此時平均電流為 (219)電源輸入到電動機的功率為 (220)由此可見，當時，電源可以從電動機側(cè)吸收制動能量。這樣電動機將產(chǎn)生與驅(qū)動時相反方向的轉(zhuǎn)矩，也就是制動轉(zhuǎn)矩。當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。（2）回饋制動 本法不需要改接電源極性，且在電機轉(zhuǎn)速低于額定空載轉(zhuǎn)速時可實現(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。蓄電池的能量輸出與制動過程有關(guān)。制動運行方式可以有反接制動和回饋制動兩種。這時，電磁功率及電磁轉(zhuǎn)矩是正的，為電動性質(zhì)，與?同向。設，上式可改寫為: (214)在電動運行時，換相前電路電流為零，換相后會。 —蓄電池電壓。 —相電感，La =Lb =L 。在電動運行狀態(tài)下，6只開關(guān)管任意時刻只有2只開關(guān)管導通，分別屬于上橋臂和下橋臂。所以起動電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動機可以很快起動，并能帶負載直接起動。下面從這些基本公式出發(fā)，來討論無刷直流電動機的各種運行特性[5]。在轉(zhuǎn)速變動情況下，則有 (211)式中系數(shù): J—轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量(()。由方程式(26)、(27)可知 (28)在轉(zhuǎn)速不變時，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為: （29）式中—電磁轉(zhuǎn)矩(N*m) —輸出轉(zhuǎn)矩(N*m) —摩擦轉(zhuǎn)矩(N*m)這里 (210) —轉(zhuǎn)矩系數(shù)((N對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢均可表示為: (27)式中—電動機轉(zhuǎn)速(r/min)。 —電樞繞組的平均電阻(ω)。 —電樞繞組反電勢((V)。據(jù)此，電動機的運行特性可分為:起動特性、電動運行特性、制動特性、機械特性及調(diào)速特性。 電動機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械。由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化，因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。 —微分算子。 —每相繞組的自感((H)。 —定子相繞組電流(A)。而直接利用電動機本身的相變量來建立數(shù)學模型的方法即簡單又具有較好的準確度[8]。為便于直觀?？梢婋姍C有六個磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導通，每相繞組中流過電流的時間相當于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120度電角度。電機轉(zhuǎn)一周時對應的各相繞組導通順序和功率開關(guān)管的導通邏輯以及三個霍爾元件輸出信號的邏輯關(guān)系，如表22所示。三個霍爾元件沿圓周均勻分別粘貼于電機端蓋上，彼此相差120度。它由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電動機同軸，以跟蹤電機本體轉(zhuǎn)子位置。驅(qū)動電路將控制電路的輸出信號進行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號。逆變器主電路有橋式和非橋式()兩種。這種結(jié)構(gòu)形式最適用于電動車輛的驅(qū)動。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。常用的有三種結(jié)構(gòu)形式:轉(zhuǎn)子鐵心外圓粘貼瓦片形稀土永磁體。[13]。表21蓄電池基本工作性能參數(shù)及特性方程蓄電池工作參數(shù)定義符號說明端電壓UdUd=U0IdRiU0為蓄電池的開路電壓Ri為蓄電池的內(nèi)阻Id為放電電流輸出功率PdPd=UdId放電時間tt=KIdnK．n分別為與蓄電池型有關(guān)的參數(shù)放電效率=1（RiId/Ud）由表21中蓄電池的放電效率和放電時間特性方程可知，由于內(nèi)阻的影響，蓄電池放電效率隨放電電流增大而線性下降，放電時間則相應按指數(shù)曲線下降[11]。當外界將反電流通入蓄電池，使其將電能轉(zhuǎn)變成化學能并儲存起來，這時為充電過程。 蓄電池的工作過程就是化學能與電能相互轉(zhuǎn)換的變化規(guī)律。第二章 關(guān)鍵部件的特性分析 相對于燃油類能源而言，目前蓄電池的能量密度較低，是限制和影響電動自行車性能的主要因素，因此在電動自行車的設計中恰當?shù)倪x擇蓄電池顯得十分重要。.電氣儀表部分電氣儀表裝置是保證車輛安全行駛并反映車輛運動狀態(tài)的主要裝置，它使騎行者能正確、有效地對車輛行駛適時地進行控制。.操縱制動部分操縱制動部分的作用是直接控制行車方向、行駛速度、制動等，以確保電動自行車行駛安全。.行車部分行車部分的作用是使電動自行車構(gòu)成一個整體，支撐全車的總重量，將傳動部分傳遞的扭矩轉(zhuǎn)換成驅(qū)使電動自行車行駛的牽引力，同時承受吸收和傳遞路面作用于車輪上的各種反力，確保電動自行車正常、安全行駛。通過變速器或調(diào)速器，使電動自行車獲得行駛所需要的驅(qū)動力和速度，并保證電動自行車的平穩(wěn)起步和停車