電動(dòng)自行車電機(jī)及控制系統(tǒng)

1、電動(dòng)自行車電機(jī)及控制系統(tǒng)王磊 092860030 引言電動(dòng)自行車是以電動(dòng)機(jī)作為行使驅(qū)動(dòng)的原動(dòng)機(jī), 以車載電源作為動(dòng)力能源的自行車, 具有環(huán)保和低能耗的特點(diǎn), 在我國(guó)正在逐步推廣和發(fā)展。據(jù)估算到2006 年,我國(guó)的電動(dòng)自行車的數(shù)量已達(dá)到2100 萬(wàn)輛。由于電動(dòng)自行車所帶的能源有限, 作為全天候的交通工具, 要求電動(dòng)機(jī)重量輕、體積小、效率高; 因?yàn)橐榔潞洼d重,還需要電動(dòng)自行車電機(jī)具有較大的功率、較大的力矩和較強(qiáng)的過載能力。中置電機(jī)傳動(dòng)具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)。重心合理, 保證了騎行穩(wěn)定和安全。輸出扭矩大, 提高起動(dòng)速度和爬坡能力。人力騎行輕快, 當(dāng)斷開電源, 人力騎行時(shí), 電動(dòng)車就與普通自行車毫無(wú)區(qū)別

2、, 使得騎行非常輕快, 維修方便, 因此, 中置電機(jī)傳動(dòng)是比較理想的電機(jī)傳動(dòng)方式, 但對(duì)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(guó)的電動(dòng)自行車主要采用輪轂式稀土永磁有刷直流電機(jī), 中置式無(wú)刷直流電機(jī)是電動(dòng)自行車電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。1 電動(dòng)自行車電機(jī)的特性1.1 轉(zhuǎn)矩特性電動(dòng)自行車電機(jī)為三相直流電機(jī), 通過逆變模擬成三相交流電機(jī)工作。根據(jù)電機(jī)的基本理論可知無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)勢(shì); 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(jī)的三相繞組對(duì)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(zhuǎn)矩方程為:T=(eA+iA+eBiB+eCiC)/ ( 3)式中: 電機(jī)的角速度。只有在定子繞組電動(dòng)勢(shì)和電流完全同步時(shí), 轉(zhuǎn)子才可能產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。在理想情況下, 任何時(shí)刻定子繞組只有兩相導(dǎo)通, 因此, 電磁轉(zhuǎn)矩為:T=2EmIm/ ( 4)式中: Em一相定子繞組反電動(dòng)勢(shì)的最大值; Im一相定子繞組電流的最大值; 根據(jù)直流電機(jī)理論, 一相定子繞組反電動(dòng)勢(shì)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(jié)果代入式( 5) , 得:Em= N·pm/60·m·n=Ke·m·n ( 7)式中: Ke=N·pm/60常數(shù); N一相繞組的匝數(shù);pm極對(duì)數(shù); n電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此, 電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為:T=2EdId/=Ke·m·Id·60/n( 8)從式( 8) 可以看出, 電動(dòng)自行車電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)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(dòng)自行車的轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)自行車電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為:d/dt=(T- Tl- B)/J ( 9)式中: Tl負(fù)載轉(zhuǎn)矩; B粘阻尼系數(shù); J轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。1.2 轉(zhuǎn)速特性對(duì)于電動(dòng)自行車電機(jī), 理想條件下, 任何時(shí)刻只有兩相定子繞組通電。設(shè)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(dǎo)出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為:n= （Ud- Im·R）/2Ke·m( 11)式中: Em每相定子繞組電動(dòng)勢(shì); Im每相定子繞組相電流; n電動(dòng)車電機(jī)的轉(zhuǎn)速; R定子回路總電

6、阻, 包括電機(jī)兩相繞組的電阻和管壓降的等效電阻。從式( 11) 可以看出, 無(wú)刷電動(dòng)自行車的轉(zhuǎn)速可以通過改變加在定子繞組上的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常, 采取調(diào)節(jié)逆變器的PWM觸發(fā)信號(hào)的占空比來(lái)改變電壓Ud 的大小, 從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的調(diào)速。2 電動(dòng)自行車電機(jī)的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是電動(dòng)自行車的大腦和神經(jīng)中樞, 它搜集、執(zhí)行用戶指令, 檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀況, 控制電機(jī)動(dòng)作。電動(dòng)自行車電機(jī)的控制與保護(hù)主要通過控制器進(jìn)行, 控制器主要有: 有刷電機(jī)用普通型驅(qū)動(dòng)控制器( ZK) 、有刷電機(jī)用智能型驅(qū)動(dòng)控制器( ZKC) 、無(wú)刷電機(jī)用普通型驅(qū)動(dòng)控制器(WZK) 、無(wú)刷電機(jī)用智能型驅(qū)動(dòng)控制器(WZKC) , 其特點(diǎn)見

7、表1。不同控制器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理各不相同, 下面以普通型電動(dòng)自行車控制器進(jìn)行說明。2.1 有刷電機(jī)的控制有刷電機(jī)的控制相對(duì)簡(jiǎn)單, 其一般原理如圖2 所示。內(nèi)部穩(wěn)壓電源給控制器內(nèi)部電子元件提供工作電壓; PWM芯片根據(jù)轉(zhuǎn)把的輸入電壓輸出相應(yīng)脈沖寬度的方波給MOS 管驅(qū)動(dòng)電路, 其導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間受PWM信號(hào)的控制。當(dāng)電池電壓降低到控制器設(shè)定值以下時(shí), 欠壓保護(hù)電路工作, PWM芯片停止PWM信號(hào)的輸出, 以保護(hù)電池不至于在低電壓情況下放電。有刷電機(jī)控制器ZK3610A 典型控制電路見圖3。有刷電機(jī)控制器的核心電路是振蕩器、脈寬調(diào)制等。組成核心電路的器件為電壓比較器和專用脈寬調(diào)制芯片。電路圖

8、的左上方為電動(dòng)自行車內(nèi)部穩(wěn)壓電源, 36V電壓為直流電動(dòng)機(jī)工作電壓, 5V 電壓為控制電路工作電壓。控制電路由剎車、轉(zhuǎn)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(hào)為轉(zhuǎn)把和閘把, PWM根據(jù)轉(zhuǎn)把和閘把的輸入信號(hào)的變化, 輸出不同寬度的脈沖信號(hào)送給MOS 管趨動(dòng)電路, 通過控制MOS 管的導(dǎo)通控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路為功率放大電路, 控制器采用脈寬調(diào)制的PWM控制方法調(diào)速。當(dāng)電源電壓過低時(shí), “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(hào), 也就沒有輸出, 電動(dòng)自行車電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn), 實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的欠壓保護(hù)。當(dāng)電路中的電流過大時(shí),

9、通過過流保護(hù)電路部分的“11”端和“13”端所接的兩個(gè)電容, 使“13”端的電位不能突變, 即“7”端的電位保持穩(wěn)定, PWM的輸入信號(hào)穩(wěn)定, 從而穩(wěn)定其輸出端( 1) 的電壓, 使電機(jī)避免過大電流的影響。電機(jī)兩端并聯(lián)了兩個(gè)二極管, 主要對(duì)電機(jī)進(jìn)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(wú)刷直流電機(jī)的控制無(wú)刷直流電機(jī)的控制相對(duì)有刷直流電機(jī)比較復(fù)雜,通常由無(wú)刷控制器進(jìn)行控制。以WZK3610A 普通無(wú)刷控制器為例, 其控制器的原理見圖4。無(wú)刷控制器內(nèi)部穩(wěn)壓電源、欠壓保護(hù)電路和限流( 或過流) 保護(hù)電路的作用與有刷電機(jī)控制器相應(yīng)部件的作用相同。主處理芯片根據(jù)

10、無(wú)刷電機(jī)的霍耳信號(hào)對(duì)上三路和下三路的MOS 管驅(qū)動(dòng)電路給出有選擇性的打開與關(guān)閉信號(hào), 以完成對(duì)電機(jī)的換向。另外, 根據(jù)轉(zhuǎn)把的輸入電壓大小, 將相應(yīng)脈沖寬度的載波信號(hào), 與下三路MOS 管導(dǎo)通信號(hào)混合,以達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。MOS 管驅(qū)動(dòng)電路將PWM 信號(hào)整形放大, 提供給MOS。另外, 對(duì)于上三路的三個(gè)MOS 管來(lái)說, 它們的驅(qū)動(dòng)電平要求高于電池供電電壓, 因此MOS 驅(qū)動(dòng)電路還要具有升壓功能, 將上三路的MOS 管導(dǎo)通信號(hào)變成高于電池電壓的超高方波信號(hào)。MOS 管是大電流開關(guān)元件, 其導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間, 受導(dǎo)通信號(hào)與PWM信號(hào)合成的混合信號(hào)控制。欠壓保護(hù)電路是當(dāng)電池電壓降低到控制器設(shè)定

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