1、電動自行車電機及控制系統王磊 092860030 引言電動自行車是以電動機作為行使驅動的原動機, 以車載電源作為動力能源的自行車, 具有環保和低能耗的特點, 在我國正在逐步推廣和發展。據估算到2006 年,我國的電動自行車的數量已達到2100 萬輛。由于電動自行車所帶的能源有限, 作為全天候的交通工具, 要求電動機重量輕、體積小、效率高; 因為要爬坡和載重,還需要電動自行車電機具有較大的功率、較大的力矩和較強的過載能力。中置電機傳動具有許多顯著的優點。重心合理, 保證了騎行穩定和安全。輸出扭矩大, 提高起動速度和爬坡能力。人力騎行輕快, 當斷開電源, 人力騎行時, 電動車就與普通自行車毫無區別

2、, 使得騎行非常輕快, 維修方便, 因此, 中置電機傳動是比較理想的電機傳動方式, 但對齒輪、離合器、箱體等部件的加工精度和熱處理要求比較高, 增大了加工難度和加工成本。目前我國的電動自行車主要采用輪轂式稀土永磁有刷直流電機, 中置式無刷直流電機是電動自行車電機的發展趨勢。1 電動自行車電機的特性1.1 轉矩特性電動自行車電機為三相直流電機, 通過逆變模擬成三相交流電機工作。根據電機的基本理論可知無刷直流電動機的三相定子電壓的平衡方程式為:式中, uA、uB、uC三相定子電壓; eA、eB、eC三相定子繞組的反電動勢; LA、LB、LC三相定子繞組的自感; LAB、LBC、LCA、LBA、LC

3、B、LAC三相定子繞組間的互感。由于電機的三相繞組對稱, 有: LA=LB=LC=L;LAB=LBC=LCA=LBA=LCB=LAC=M; iA+iB+iC=0; 式( 1) 整理可得:其等效電路見圖1 所示。電磁轉矩方程為:T=(eA+iA+eBiB+eCiC)/ ( 3)式中: 電機的角速度。只有在定子繞組電動勢和電流完全同步時, 轉子才可能產生恒定的電磁轉矩。在理想情況下, 任何時刻定子繞組只有兩相導通, 因此, 電磁轉矩為:T=2EmIm/ ( 4)式中: Em一相定子繞組反電動勢的最大值; Im一相定子繞組電流的最大值; 根據直流電機理論, 一相定子繞組反電動勢的最大值為:Em=N&

4、#183;B·l·v=N·B·l·n/60·2·r ( 5)主磁通為: m=B·l·2r/pm( 6)將式( 6) 的結果代入式( 5) , 得:Em= N·pm/60·m·n=Ke·m·n ( 7)式中: Ke=N·pm/60常數; N一相繞組的匝數;pm極對數; n電機的轉速。因此, 電磁轉矩表達式為:T=2EdId/=Ke·m·Id·60/n( 8)從式( 8) 可以看出, 電動自行車電機的電磁轉矩與磁通和電流

5、的大小成正比, 所以, 控制逆變器輸出的電流大小就可以控制電動自行車的轉矩。電動自行車電機的轉子運動方程為:d/dt=(T- Tl- B)/J ( 9)式中: Tl負載轉矩; B粘阻尼系數; J轉子及負載的轉動慣量。1.2 轉速特性對于電動自行車電機, 理想條件下, 任何時刻只有兩相定子繞組通電。設加在定子繞組的電壓為Ud, 則電壓方程式為:Ud=2Em+ImR=2Kemn+ImR ( 10)由式( 10) 可以推導出轉子的轉速為:n= （Ud- Im·R）/2Ke·m( 11)式中: Em每相定子繞組電動勢; Im每相定子繞組相電流; n電動車電機的轉速; R定子回路總電

6、阻, 包括電機兩相繞組的電阻和管壓降的等效電阻。從式( 11) 可以看出, 無刷電動自行車的轉速可以通過改變加在定子繞組上的電壓進行調節。通常, 采取調節逆變器的PWM觸發信號的占空比來改變電壓Ud 的大小, 從而實現電動自行車的調速。2 電動自行車電機的控制系統控制系統是電動自行車的大腦和神經中樞, 它搜集、執行用戶指令, 檢測電機運行狀況, 控制電機動作。電動自行車電機的控制與保護主要通過控制器進行, 控制器主要有: 有刷電機用普通型驅動控制器( ZK) 、有刷電機用智能型驅動控制器( ZKC) 、無刷電機用普通型驅動控制器(WZK) 、無刷電機用智能型驅動控制器(WZKC) , 其特點見

7、表1。不同控制器其內部結構和工作原理各不相同, 下面以普通型電動自行車控制器進行說明。2.1 有刷電機的控制有刷電機的控制相對簡單, 其一般原理如圖2 所示。內部穩壓電源給控制器內部電子元件提供工作電壓; PWM芯片根據轉把的輸入電壓輸出相應脈沖寬度的方波給MOS 管驅動電路, 其導通時間與關閉時間受PWM信號的控制。當電池電壓降低到控制器設定值以下時, 欠壓保護電路工作, PWM芯片停止PWM信號的輸出, 以保護電池不至于在低電壓情況下放電。有刷電機控制器ZK3610A 典型控制電路見圖3。有刷電機控制器的核心電路是振蕩器、脈寬調制等。組成核心電路的器件為電壓比較器和專用脈寬調制芯片。電路圖

8、的左上方為電動自行車內部穩壓電源, 36V電壓為直流電動機工作電壓, 5V 電壓為控制電路工作電壓?？刂齐娐酚蓜x車、轉把、PWM以及由5551 和5401組成的功率放大電路組成, 直流輸入控制信號為轉把和閘把, PWM根據轉把和閘把的輸入信號的變化, 輸出不同寬度的脈沖信號送給MOS 管趨動電路, 通過控制MOS 管的導通控制電機的轉速。驅動電路為功率放大電路, 控制器采用脈寬調制的PWM控制方法調速。當電源電壓過低時, “9”端電位降低, “14”端為低電平, 即“7”端為低電平, PWM沒有輸入信號, 也就沒有輸出, 電動自行車電機停止運轉, 實現了電機的欠壓保護。當電路中的電流過大時,

9、通過過流保護電路部分的“11”端和“13”端所接的兩個電容, 使“13”端的電位不能突變, 即“7”端的電位保持穩定, PWM的輸入信號穩定, 從而穩定其輸出端( 1) 的電壓, 使電機避免過大電流的影響。電機兩端并聯了兩個二極管, 主要對電機進行限流。通過剎車端的4148 二極管可以看出, 剎把有效該端電位為低電平。2.2 無刷直流電機的控制無刷直流電機的控制相對有刷直流電機比較復雜,通常由無刷控制器進行控制。以WZK3610A 普通無刷控制器為例, 其控制器的原理見圖4。無刷控制器內部穩壓電源、欠壓保護電路和限流( 或過流) 保護電路的作用與有刷電機控制器相應部件的作用相同。主處理芯片根據

10、無刷電機的霍耳信號對上三路和下三路的MOS 管驅動電路給出有選擇性的打開與關閉信號, 以完成對電機的換向。另外, 根據轉把的輸入電壓大小, 將相應脈沖寬度的載波信號, 與下三路MOS 管導通信號混合,以達到控制電機速度的目的。MOS 管驅動電路將PWM 信號整形放大, 提供給MOS。另外, 對于上三路的三個MOS 管來說, 它們的驅動電平要求高于電池供電電壓, 因此MOS 驅動電路還要具有升壓功能, 將上三路的MOS 管導通信號變成高于電池電壓的超高方波信號。MOS 管是大電流開關元件, 其導通時間與關閉時間, 受導通信號與PWM信號合成的混合信號控制。欠壓保護電路是當電池電壓降低到控制器設定

11、值以下時, PWM芯片停止了PWM信號的輸出, 以保護電池不至于在低電壓情況下放電。限流保護( 或過流保護) 電路是對控制器輸出的最大電流進行限制, 以保護電池、控制器、電機等不會出現允許范圍以上的大電流( 防止電池過放電)工作時, 無刷控制器的相位角必須和無刷電機的相位角一致, 電機才能正常運轉。WZK3610A 普通無刷控制器的電氣原理見圖5。無刷電機的引線共有8 根, 3 根繞組相線( 黃、藍、綠) 將與電源連接, 還有2 根較細的為霍爾電源線, 3根為霍爾信號線。控制器的負載為無刷電機, 輸入控制信號都是轉把與閘把。轉把與閘把的形式不一樣, 它們的信號特征也不一樣, 控制器能接受什么樣的轉把信號與閘把信號,就要選擇什么信號的轉把與閘把。3 結論有刷直流電機由于電刷的存在產生的機械磨損比較大, 功率密度偏低, 無法實現高速大容量, 但