【正文】 1 1 緒論 電動(dòng)自行車 研究 的目的和意義 近年來(lái)，隨著人們生活的改善，摩托車、燃油助力車得到迅速發(fā)展，其排放的尾氣已造成城市空氣嚴(yán)重污染，一些城市相繼制定法規(guī)限制摩托車、燃油助 動(dòng) 車的使用來(lái)保護(hù)環(huán)境。電動(dòng)自行車具有 “ 零排放 ” ，是一種比較好的短距離綠色交通工具。因此要減少污染并提高其工作效率，對(duì)電動(dòng)自行車控制器的研究和設(shè) 計(jì)是現(xiàn)在科技的必然趨勢(shì)。 (2) 低噪音、振動(dòng)小 電動(dòng)自行車是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中產(chǎn)生的噪音比較小，運(yùn)行比較平穩(wěn)。 (3) 最高時(shí)速 20 公里，行駛安全 摩托車、燃油助動(dòng)車的速度快，在機(jī)動(dòng) 車道上行駛，事故率較高；而電動(dòng)自行車，國(guó)家強(qiáng)制性規(guī)定（國(guó)標(biāo) GB 177611999）其速度不能超過(guò) 20km/h，并且電動(dòng)自行車一般不能在機(jī)動(dòng)車道上行駛，因此相比之下安全很多。 (5) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，易維護(hù)、維修 電動(dòng)自行車一般是有蓄電池、控制板、電機(jī)和車身組成；蓄電池用的是免維護(hù)的，電機(jī)的故障率較低，基本上不要維護(hù)，控制板由于現(xiàn)代的電力電子技術(shù)比較成熟，損壞率也 2 比較低，另外電動(dòng)自行車沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕，因此 相比摩托車、燃油助動(dòng)車來(lái)說(shuō)，其日常的維護(hù)、維修量少得多。 因此，研制生產(chǎn)出一種無(wú)污染、低噪音的交通工具來(lái)替代摩托車和燃油助動(dòng)車，已是時(shí)代的需要。 電動(dòng)自行車的基本 結(jié)構(gòu) 與 發(fā)展 電動(dòng)自行車的構(gòu)成 電動(dòng)自行車主要有四個(gè)部分組成：車架、電源 (蓄電池 )、電機(jī)和控制器。蓄電池的電能容量、伏安特性、壽命等質(zhì)量因素對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)有非常大的影響。大多數(shù)電動(dòng)自行車采用 48V12AH、 36V12AH 鉛酸電池， 另外 24V12AH 的電池由于續(xù)行里程較短，選擇得比較少。如果其成本有所下降，進(jìn)而降低車的售價(jià)，那么以配載鋰電池和鎳氫電池為主的電動(dòng)自行車將會(huì)大面積普及。 (2) 電機(jī) 電氣技術(shù)發(fā)展到今天，各種電機(jī)的產(chǎn)生控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，電動(dòng)自行車電機(jī)有多種選擇， 但 普遍選擇的還是有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī) 相當(dāng)于有刷電機(jī)的 控制稍復(fù)雜，但因沒(méi)有電刷 而在壽命、安全方面優(yōu)于有刷直流電機(jī)。市場(chǎng)上電動(dòng)自行車以輪轂 式 驅(qū)動(dòng)為主，而輪轂式 驅(qū)動(dòng)又以后輪驅(qū)動(dòng)為好，前輪驅(qū)動(dòng)性能相對(duì)較差。 3 (3) 控制器 控制器是無(wú)刷直流電機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下幾個(gè)功能： 1) 對(duì) 單片機(jī)控制 輸出的信號(hào)、 PWM 調(diào)制信號(hào)、剎車信號(hào)等進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開(kāi)關(guān)的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停車控制。 3) 對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)和電流閉環(huán) 調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能。 電動(dòng)自行車的發(fā)展?fàn)顩r 及 趨勢(shì) 隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的提高和強(qiáng)化，以及對(duì)節(jié)能的重視，又由于電力電子技術(shù)的發(fā)展和橫向滲透，新的高能永磁材料的出現(xiàn)，以及鎘鎳電池、鎳氫電池、全密封免維護(hù)鉛酸電池的出現(xiàn)，終于使電動(dòng)自行車進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的途徑，將殘疾人電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改進(jìn)搬到兩輪自行車上來(lái)，為了能使他們的產(chǎn)品暢通無(wú)阻，順利通過(guò)審查走向市場(chǎng)，電動(dòng)自行車實(shí)際上都是助力性的，不允許具有單獨(dú)電動(dòng)行駛的功能。比如，電動(dòng)機(jī)采用第三代永磁材料釹鐵硼之后，體積可以做得很小。在電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方面，采用了 最新 電力電子器件和集成電路，達(dá)到智能控制的境界。 經(jīng)過(guò)我國(guó)技術(shù)界的專家們的努力，我國(guó)的電動(dòng)自行車事業(yè)得到迅速的發(fā)展。目前我國(guó)可以從事電動(dòng)自行車生產(chǎn)和車用電源專業(yè)企業(yè)的企業(yè)已有很多家，所有這些廠家都有著雄厚的資金和技術(shù)家底，有著相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)能力和豐富的經(jīng)驗(yàn)。 電動(dòng)自行車要發(fā)展是毋庸置疑的， 4 鑒于我國(guó)目前的能源局勢(shì)和世界產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局，發(fā)展還需要刻不容緩 ， 但要如何解決這眼前的障 礙來(lái)促使其發(fā)展呢？經(jīng)研究 車輛定位是個(gè)核心問(wèn)題，將其置于慢車道行駛可以解決矛盾。如果將這種動(dòng)力的車輛置于機(jī)動(dòng)車道，它在加速性能、最高時(shí)速、上坡能力等各個(gè)方面會(huì)與“真正的機(jī)動(dòng)車”存在很大的差距，是肯定不合適的；相反，將其作為慢車道行駛的車輛則 不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，原因是電動(dòng) 自行 車已經(jīng)全面采用現(xiàn)行高檔摩托車的輪系和制動(dòng)系統(tǒng)，它的制動(dòng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通自行車，制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間僅為自行車的 50%以下，再輔之以自動(dòng)的電磁阻力系統(tǒng)，可以吸收絕大部分因自重增加或速度稍快而增加的慣性能量，操作的安全性優(yōu)越，對(duì)于其它慢車道上的交通參與者不會(huì)構(gòu)成任何危險(xiǎn)。 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)著人們思維的進(jìn)化，同樣促使著人們工作效率的提高。要提高效率就要節(jié)省時(shí)間，交通是時(shí)間花費(fèi)的一個(gè)方面，私人汽車畢竟只是一部分人能承受的，公交車也是限時(shí)限量的，怎樣可以既節(jié)省金錢(qián)又方便快捷呢？電動(dòng)自行車應(yīng)該是個(gè)不錯(cuò)的選擇，它集便宜、安全、方便快捷于一身 。近年來(lái)，無(wú)刷直流電機(jī) (BLDCM)以其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率密度高，輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)而得到了廣泛 應(yīng)用。如今電動(dòng)自行車已是公認(rèn)的綠色交通工具 ， 日本和美國(guó)的電動(dòng)自行車技術(shù)水平勝過(guò)我國(guó)，無(wú)論從車的外觀和內(nèi)在質(zhì)量上都堪稱佳品，但 其價(jià)格卻令國(guó)人望而生畏 ，因而研制新型系統(tǒng)有效限制制造成本是必然趨勢(shì) [4]。 本論文主要內(nèi)容包括： (1) 根據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)的原理，利用 PIC16C74單片機(jī)作為主控芯片，檢測(cè)直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置，從而確定換向點(diǎn)和換向時(shí)刻。 (3) 本系統(tǒng)使用的單片機(jī)內(nèi)部有 PWM 模塊，通過(guò)改變脈沖寬度寄存器或脈沖周期寄存器的值，就可以改變輸出的 PWM 占空比，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 (5) 電動(dòng)自行車 速度 和 電量數(shù)字顯示模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)施。由于直流有刷電機(jī)的換向器和電刷在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)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(jī)的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)不斷的研究和實(shí)踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換向線路來(lái)替代直流有刷電機(jī)的機(jī)械換向裝置 。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(jī)繞組在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì)來(lái)獲得位置信號(hào)實(shí)現(xiàn)換向的直流無(wú)刷電機(jī)。 由于直流無(wú)刷電機(jī)具有沒(méi)有換向火花，抗干擾性強(qiáng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使其得以廣泛應(yīng)用于家庭、辦公、工業(yè)、軍事、航空航天等領(lǐng)域。的方波，因而三相合成磁動(dòng)勢(shì)不是恒速旋轉(zhuǎn)的，而是跳躍式的步進(jìn)磁動(dòng)勢(shì)，它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩 ， 除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動(dòng)分量。 電子換向逆變器主電路如圖 所示， AA′ 、 BB′ 、 CC′ 代表直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組，采用 Y 型連結(jié)，逆變器為兩兩通電方式， 120176。首先假設(shè)轉(zhuǎn)子處于圖 (a)的位置，若此時(shí)使 V V4導(dǎo)通，則電流從 B 端流入， A 端流出，定子磁動(dòng)勢(shì)為 Fa，如圖(a)示，在 Fa 的作用下，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到圖 (b)的位置時(shí)，如果使 V V5導(dǎo)通，則 電流由 C 端流入， A 端流出，定子磁動(dòng)勢(shì)為 Fb，在 Fb 的作用下，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)順時(shí) 7 針旋轉(zhuǎn)，依次類推，如果每隔 60176。~120176。其各相繞組導(dǎo)通示意圖如圖 所示 (電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) )。(電角度 )處。 電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理 電動(dòng)自行車的發(fā)展離不開(kāi)其所采用的核心驅(qū)動(dòng)元件 ——電機(jī) 的發(fā)展，電機(jī)是電動(dòng)自行車發(fā)展的主要標(biāo)志。 本課題是通過(guò)利用單片機(jī)主控芯片來(lái)檢測(cè)來(lái)無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置，從而確定換 向 點(diǎn)和換 向 時(shí)刻。 300176。 ωt A—A′ ωt C—C′ ωt B—B′ 60176。 180176。從而出現(xiàn)了無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)，其原理框圖如圖 所示 [6]。的電角度是連續(xù)的，由于 此時(shí)檢測(cè) 難度極大，因此必須找到該反電勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，才能確定轉(zhuǎn)子的位置。的電角度過(guò)程中總 有一次經(jīng)過(guò)坐標(biāo)軸 (過(guò)零點(diǎn) )，而此點(diǎn)的電角度和下一次換向點(diǎn)的電角度正好相差 30176。換向。電角度， V3，V4導(dǎo)通， AA′ 相、 BB′ 相有外加電壓， CC′ 相的產(chǎn)生的反電勢(shì)如圖 ；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 30176。時(shí) (即檢測(cè)到反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)再延時(shí) 30176。讓 V5， V6導(dǎo)通， V4 關(guān)閉，依次類推，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)的換向。 60176。 180176。 300176。這些特殊點(diǎn)處直接實(shí)現(xiàn)換向，這將在下一章進(jìn)行敘述。 300176。 60176。 180176。無(wú)位置傳感器檢測(cè)方法主要包括反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法、反電動(dòng)勢(shì)三次諧波積分檢測(cè)法、續(xù)流 二極管 檢測(cè)法、反電動(dòng)勢(shì)積分法、磁鏈估計(jì)法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法等。其 原理 如下： 直流無(wú)刷電機(jī)本體的三相繞組通常是二線制的，要檢測(cè)不導(dǎo)通相繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)，必須要找一個(gè)基準(zhǔn)參考點(diǎn)，為了更好地解釋和說(shuō)明檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零的原理，現(xiàn)建立以電源中點(diǎn)為基準(zhǔn)參考點(diǎn)的無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型?？芍? 當(dāng) AS 、 BS 導(dǎo)通時(shí)，即電流從 A 相流入， B 相流出， BAii?? ， V A A B V BU U U U? ? ? (式 ) AA A iAdiU R i L Udt? ? ? (式 ) BB B i BdiU R i L Udt? ? ? (式 ) 當(dāng) AS 、 CS 導(dǎo)通時(shí)，即電流從 A 相流入， C 相流出， CAii?? ， VA A C VCU U U U? ? ? (式 ) 由 (式 )、 (式 )可得： ? ?A V A V B V C A B C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) 同理可得： ? ?B V B V C V A A B C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) ? ?C V C V A V B A B C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) 再由 (式 )、 (式 )及 BAii?? 可得： A B i A i BU U U U? ? ? (式 ) 12 同理可得： B C i B i CU U U U? ? ? (式 ) C A iC iAU U U U? ? ? (式 ) 綜合 (式 )、 (式 )、 (式 )可得： A B C iA iB iCU U U U U U? ? ? ? ? (式 ) 將 (式 )分別代入 (式 )、 (式 )、 (式 )得： ? ?A V A V B V C i A i B i C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) ? ?B V B V C V A i A i B i C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) ? ?C V C V A V B i A i B i C1U 2 U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) ? ?0 V A V B V C i A i B i C1U U U U U U U3? ? ? ? ? ? (式 ) A B Ci i i 0? ? ? (式 ) 將 (式 )代入 (式 )得： CC AV A i A V X i A AX A X A1 d iU U U U R i L3 d t????? ? ? ?