合景首页-合景注册丨首页目前我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为24V、36V和48V，功率在150W～400W之间；蓄电池一般用的是免维护铅酸电池，容量为12AH，充电时间在3～8小时之间，充电一次行驶里程约50km，车速低于20km／h，爬坡能力在4度以下；车型有简易型和豪华型，车重约35kg，载重量约70kg，百公里耗电量1KW左右。

　　电动自行车主要由四个部分组成：车架、电源(蓄电池)、电机和控制器。车架部分不作讨论，其他部分介绍如下：

　　电源为电动自行车动力系统及控制系统提供能量。蓄电池的电能容量、伏安特性、寿命等质量因素对整个动力系统有非常大的影响阳1。目前电动自行车用蓄电池基本是经济实惠的铅酸电池。大多数电动自行车采用48V12AH、36V12AH铅酸电池，24V12AH的电池由于续行里程较短，选择得比较少。环保效能更好的镍氢电池和锂电池则因为成本较高，导致配载这两种电池的电动自行车售价偏高。

　　如果其成本有所下降，进而降低车的售价，那么以配载锂电池与镍氢电池为主的电动自行车将会大面积普及。燃氢电池、纳米碳管蓄能高、寿命长、性能优良但成本高昂，随着科技的发展，它们将是未来电动自行车动力源的发展方向。

　　电气技术发展到今天，各种电机的生产控制技术已经相当成熟，电动自行车电机有多种可以选择，但普遍选择的还是有刷直流电动机和无刷直流电动机(BLDCM)。采用这两种电机的原因在于它们的控制方法简单，整车成本相对低廉，控制性能可以满足自行车要求。无刷直流电动机控制稍复杂，但因没有电刷而在寿命、安全方面优于有刷直流电机。电动自行车电机的驱动方式有：轮毂式驱动、中置式驱动和悬挂式驱动。市场上电动自行车以轮毂驱动为主，而轮毂驱动又以后轮驱动为好，前轮驱动性能相对较差。绝大多数电动自行车采用的是直流轮毂电机，它们为外转子式，这样定子可以固定在轴承上，非常适用于电动车的驱动。

　　控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下几个功能：

　　(1)对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、刹车信号等进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转和停车控制。

　　(2)产生PWM调制信号，使电机的电枢电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。

　　图1.1为电动自行车控制系统图，图1．2为电机控制器的详细框图，主要包括电源电路、控制电路、功率驱动电路以及检测反馈电路。电源电路将蓄电池的提供电压经过转换，为控制电路和功率驱动电路提供工作电压；控制电路接受外部信号，控制电机运行，同时实现控制算法；功率驱动电路将控制电路输出的控制信号进行功率放大，驱动电机运行；检测反馈电路采集电机运行的各种参数，供控制电路使用。

　　无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称“无刷直流’’中就可以看出。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是有机械接触的电刷一换向器结构一直是直流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1955年，美国的D．Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电机的诞生。

　　它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他启动装置。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数(2P=2，4?)组成。图2.1中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中对应的功率开关器件联结，A相、B相、C相绕组分别与功率开关管Vl、V2、V3连接，位置传感器VPl、VP2、VP3跟踪转子与电机转轴相联结，用来检测电动机转子的位置，其输出端与电子开关线路中对应的功率开关器件连接。

　　当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

　　因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的电动机系统。其基本原理框图如图2.2所示。

　　无刷直流电机的开关线路是用来控制电机定子上各相绕组通电的顺序和间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子上各绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。

　　图2.3为无刷直流电动机系统图，以此说明无刷直流电动机的工作原理。电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各项绕组按一定的顺序工作。

　　当转子转至图2.4(a)所示位置时，控制电路根据所获得的转子位置信息，使VTl、VT4导通，即A、B两相通电。电枢绕组在空间产生的磁动势为Fa，与定子磁场产生的磁动势Fr相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60°电角度，到达图2.4(b)所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VTl、VT6导通，A、C两相绕组通电，电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2．4(b)所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。

　　转予在空间每转过60°电角度，逆变器开关就发生一次切换，其导通逻辑为VTl、VT4一VTl、VT6一VT3、VT6一VT3、VT2一VT5、VT2一VT5、VT4一VTl、VT4。在此过程中，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。

　　在图2.4(a)到图2.4(b)的60°电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁场在空间保持图2.4(a)中Fa的位置静止；只有当转子磁场连续旋转60°电角度，到达图2.4(b)所示的Fr位置时，定子磁场才从图2.4(a)的Fa位置跳跃到2.4(b)中的Fa位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式旋转磁场。

　　转子在空间没转过60°电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跳跃。可见，电动机有六种磁状态，每一次有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120°电角度。无刷直流电机的这种工作方式称为两相星形六状态。

　　通常，转矩脉动可以定义为最大电磁转矩和最小电磁转矩之差与额定运行时的平均电磁转矩之间的比值，即

　　式中，T为转矩脉动；Tmax为最大电磁转矩；Tmin为最小电磁转矩；TN为额定运行时的平均转矩。

　　理想的无刷直流电动机绕组反电动势是梯形波，不会有转矩脉动。但是电机本体或是控制系统的对理想情况的任何偏离都会产生转矩脉动。转矩波动分为以下几类：

　　(1)电磁因素引起的转矩脉动。电磁因素引起的转矩脉动是由于绕组电流和永磁场的相互作用而产生的转矩脉动。理想情况下，电枢采用集中绕组结构，电动势波形具有120°电角度的平顶，但实际往往做不到极弧系数为l，且常常采用分布绕组，因此会产生转矩脉动，它与气隙磁通密度分布和绕组电流波形以及绕组形式有关。

　　(2)齿槽引起的转矩脉动。由于定子齿槽的存在，转子旋转时定子磁阻随转子旋转角度变化而变化，因而会产生转矩的脉动。

　　(3)电枢反应引起的转矩脉动。电枢反应改变了永磁体的方波气隙磁感应强度分布波形，使气隙磁场的前极尖部分被加强，后极尖部分被减弱。该畸变的磁场与通电绕组相互作用，电磁转矩随转、定子相对位置的变化而产生了转矩脉动。

　　(4)机械加工引起的转矩脉动。机械加工和材料的不一致也是引起转矩脉动的重要原因。工艺误差造成摩擦转矩不均匀，绕组各相电气参数不对称，各永磁极性能不一致等。

　　(5)电流换相引起的转矩脉动。由于换相时相绕组电流发生瞬变导致电动机的电磁功率瞬变，进而产生了换相转矩波动。换相转矩波动与相绕组旋转反电动势的波形、换相位置角、换相时刻的相电流初值以及相绕组阻抗参数等因素有关。

　　无刷直流电动机每经过一个磁状态，就需要进行一次换相，每一次换相都会对电磁转矩产生一定影响。下面以两相导通星形三相六状态为例，进行换相转矩脉动分析。

　　如图2.5无刷直流电动机等效电路所示，假定功率开关管从VTl、VT6导通变为VT3、VT6导通，电路状态由A、C两相绕组导通切换到B、C两相绕组导通。换相时，VTl关断，由于A相电流不能突变，经VD2续流，形成A相一C相一VT6一VD2一A相的续流回路。同时VT3，VT6导通，形成了电源一VT3一B相一C相一电源的回路。

　　解上述微分方程组，各相电流的换相前的初始值和换相后的稳态值如图2.5所示，设换相开始时刻即积分起始时刻为0时刻，换相时间为tf,A相绕组电流ia降为O，B相绕组电流ib从O上升到稳态值I，C相为非换相绕组，换相前后的电流值均为I。换相期间，各相电流的瞬时值为

　　非换相时的电磁转矩由两相绕组的合成磁动势与转子永磁磁动势相互作用产生，其计算公式为：

　　抑制换相引起的转矩脉动的方法有：电流反馈法、滞环电流法、重叠换相法、PWM斩波法等。

　　非换相相电流的存在导致换相转矩脉动，很多文献通过各种方法致力于使非换相相电流保持恒定，从而使转矩脉动为零。

　　一般来说，电流反馈控制可以分为两种形式：一种是直流侧电流反馈控制，另一种是交流侧电流反馈控制。直流侧电流反馈控制的电流反馈信号由直流侧取出，主要控制电流幅值。由于直流侧电流反馈控制是根据流过直流电源的电流信号进行的，因此只需要一个电流传感器便可得到电流反馈信号。交流侧电流反馈控制的电流反馈信号由交流侧取出，此时，根据转子的位置来确定要控制的相电流，使其跟随给定。在换相过程中，当非换相电流未到达给定值时，PWM控制不起作用；当非换相电流超过设定值时，PWM控制开始起作用，关断所有开关器件，使电流值下降，直至低于设定值再使被关断的开关器件导通，使其值上升，以此往复，即可实现非换相相电流的调节，直至换相完成。

　　其基本原理是：在电流环中采用HCR(HysteresisCurrent Regulatof滞环电流调节器)，通过比较参考电流和实际电流，使得换相时能够给出适合的触发信号。实际电流的幅值和滞环宽度的大小决定了HCR控制信号的输出。当实际电流小于滞环宽度的下限时，MOSFET器件导通；随着电流的上升，达到滞环宽度的上限时，MOSFET器件关断，使电流下降。滞环电流法的特点是：应用简单，快速性好，具有限流能力。

　　电流反馈法、滞环电流法虽然解决了低速换相的转矩脉动问题，但通常在高速时效果不理想。现今，在高速段抑制换相转矩脉动较成熟的方法是重叠换相法。其基本原理是：换相时，本应立即关断的功率开关器件并不是立即关断，两是延长了一个时间间隔，并将本不应开通的开关器件提前导通。传统的重叠换相法中，重叠时闻需预先确定，但选取合适的重叠时间较为困难，且不能从最大程度上减小转矩脉动。

　　重叠换相法分为超前导通和延时导通，超前导通即提前导通下一只该导通的开关管，使原来处于弱磁区域的绕组电流转移一部分到处于磁密较高的下一相绕组中，该电流将产生补偿转矩，以减小转矩波动；延时导通即在该关断绕组时而不关断绕组，使其延时通电，同样可以产生补偿转矩，抑制电流换相过程引起的电磁转矩波动。本系统采用的是后一种方法一延时导通重叠换相法。采用重叠换相时的转矩脉动都要小于普通换相的转矩脉动。转矩脉动的抑制程度与换相时间、PWM占空比以及电机转速有关，选择合适的换相时间长度和PWM占空比能使转矩脉动降到最低。

　　PWM斩波法与交流侧电流反馈控制方法较类似，即开关器件在断开前、导通后进行一定频率的斩波，控制换相过程中绕组端电压，使得各换相电流上升和下降的速率相等，补偿总电流幅值的变化，抑制换相转矩脉动。与重叠换相法相比，该方法具有更小的转矩脉动，适合于精度要求更高的场合。

　　电动自行车的电源一般都是铅酸电池，功率密度小、能量有限，且电动自行车需要频繁起动、刹车、限速，采用能量回馈制动方式能提高车辆的运行能量和效率，延长工作时间，增加续航里程。它无须改动任何硬件就能使电机从电动运行状态切换到能量回馈制动状态，且使制动及能量回收的综合效果达到最佳。

　　无刷直流电动机除了作为电动机输出动力外，还可以作为发电机输出电能，其工作方式分为电动方式和发电方式。

　　低速能量回馈制动是在电动机转速低于额定转速时实现电磁制动，同时向电源回馈能量，这种控制方式制动效果较好，能量回馈效率高，控制方便、安全，是一种较好的电气制动方式。

　　在低速能量回馈制动时，只对相同半桥上3只开关器件，如下半桥VT2、VT4、VT6进行PWM控制；而另半桥上3只开关器件，如上半桥VTl、VT3、VT5总保持截止。以对下半桥进行PWM调制为例，如图2.7所示。当某相反电动势为正向最大的120°电角度的区间内，对该相的下桥臂开关元件进行PWM控制，则可以产生可调的制动电磁转矩。

　　能量回馈制动电路是一个升压斩波电路。由升压斩波器原理可知，充电电流的大小与反电动势的大小及VT2触发脉冲的占空比有关，反电动势越大，则充电电流越太；占空比越大，则充电电流也越大。因此，在反电动势一定的条件下，调节功率开关的占空比，就能控制充电电流的大小，进而控制制动转矩的大小。

　　无刷直流电动机电动状态时，120°电机的两两导通的规律为VTl、VT6一VT3、VT6一VT3、VT2一VT5、VT2一VT5、VT4一VTl、VT4，对应电动状态的每一个状态，回馈制动的控制规律为：VT6一VT6一VT2一VT2一VT4一VT4。

　　本文设计的控制器蓄电池电压为48V，手把输出电压为OV～4V，正常运行时的最大电流值为15A；当出现异常情况，导致电流急剧上升，电流值超过25A时，进入过流保护关闭驱动。功能包括调速、巡航、柔性电子刹车(EABS)、堵转保护、限流、过流保护、欠压保护、防飞车、软启动和60°和120°电机智能适应。

　　当限速线V)转动时，PWM的输出范围3％到95％。当接上限速线V)转动时，PwM输出范围3％到75％，速度最高达20km／h。

　　巡航功能是为了避免骑行者的手腕疲劳而设置的，进入巡航后，可以松开手把，电动自行车仍以手把松开前的速度继续前行。

　　巡航功能分为自动巡航和手动巡航，巡航功能也可以通过把短路子接上就取消该功能，不短接就保留该功能。

　　自动巡航功能进入条件：转把电压必须高于2V，并保持当前电压值(0.1V抖动)至少8秒时间。

　　此功能借鉴于汽车的ABS功能，为了防止在高速骑行时突然刹车，轮胎打滑，或者由于惯性把人摔落车下，而造成的安全事故。它利用电机回馈制动的原理，使电机停下来，而非利用刹车片的摩擦作用，因此有利于保护刹车片，在高速时和下坡时可以向电池充电，增加电池的续航里程。

　　当轮子发生堵转(即使把有发生转动，但是电机未发生转动的情况)，电机绕组中的电流很大，持续时间过长，会使电机绕组过热烧断，损坏电机，同时也会使电池长时间大电流放电，损坏电池，必须及时加以断电保护。处理过程如下：

　　前2秒：PWM以最大占空比输出驱动电机，这是为了防止启动和遇到小障碍物时误进入堵转状态，影响正常骑行。

　　第3秒：检测，若位置还未发生变化将PWM输出停止，电机停转保护，此时手把失效。

　　堵转状态的取消：(1)有刹车信号；(2)轮子转动一个相位角；(3)重新开机。

　　电机中的电流不能无限制增加，所以在保持最大转矩的条件下，限制最大输入电流为15A

　　在正常行驶中若检测到大于25A的电流值立即关闭PWM输出，电机停转保护，转把失效。

　　当电池毫压低于42V（左右偏差O.5V)，并保持1秒后，欠压功能开启，自动关闭电机，等到转把归零后，再次检测电池电压，只有电池电压回升到44V以上才能再次驱动电机。欠压保护是为了保护电池过度放电，影响其使用寿命，使用回差保护，避免电机在欠压点来回启停。

　　当手把损坏时，手把电压输出一直保持在1.25V以上，接通电源，电机就会开始运转，向前飞出去，导致人身事故，同时也是防止某种误操作。

　　电机启动时，会产生很大的冲击电流，这样对电机和电池损害很大，软启动就是为了抑制启动时的冲击电流，使电流缓慢上升，短时间内达到稳定状态。

　　电动自行车用电机根据其位置传感器安装角度的不同分为两种：60°电机和120°电机，这两种电机输出的位置信号不一样，不能使用同样的换相时序，通常控制器也根据电机不同也分为两种，此功能就是兼容两种角度的电机，不需要改动任何硬件。

　　调速是电动自行车的重要功能之一，整个系统的设计都以调速为中心。无刷直流电动机的调速控制特性如下

　　式中，UO为电枢电压（V）；Ia为电枢电流（A）；Ra为电枢电阻；Ke为电动势系数，Ke=Ea/n.

　　由（3.1）式可知，无刷直流电动机的调速方法分为两种：对励磁进行控制的励磁控制方法和对电枢电压(Uo)进行控制的电枢电压控制方法。

　　励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时，通过调整励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速。这种调速方法，调速范围小，在低速时受磁极饱和的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用的很少。电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压实现调速。电枢电压控制法在调速时，保持电枢电流不变，即保持电动机的输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的大的调速范围，因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。

　　电枢电压的控制方式有很多种，从早期的继电器控制到晶闸管控制，到目前的PWM调制，其控制方法的更新与新型开关器件的出现是分不开的。本系统采用PWM调制方法控制电枢电压，即通过调节逆变电路功率器件PWM脉冲驱动信号的占空比来改变电动机绕组两端的平均电压，从而实现无刷直流电动机的调速。

　　PWM (Pulse WidthMulation)脉宽调速，是指通过改变开关器件的通断时间，来改变电枢两端的平均电压，调节电机转速的方式。其原理图如图3.1所示。

　　图3.l(a)是PWM调制调速系统原理示意图。开关S表示脉宽调制器，调速系统的外加电源电压Us为固定的直流电压，当开关S闭合时，直流电源经过S给电动机M供电；开关S断开时，直流电源供给M的电流被切断，并通过二极管续流，电枢两端电压接近为零。改变控制脉冲宽度，从而改变电机绕组输入端平均电压，达到调速目的。脉冲波形见图3.l(b)，其平均电压为

　　式中，T为脉冲时钟周期；ton为导通时间；D为PWM占空比（0≤D≤1）。

　　可见，在电源Us和PWM波周期T固定的条件下，Ud可随D的改变而平滑调节，从而实现电动机的平滑调速。

　　对于两相导通三相六状态无刷直流电动机，一个周期内，每个功率开关器件导通120°电角度，每隔60°电角度有两个开关器件切换，PWM调制方式有五种： on-pwm、pwm-on、H_pwm-L_0n、H_on-L_pwm、H_pwm-L_pwm。

　　PWM调制方式通常分为双斩和单斩两大类型。双斩方式功率管的开关损耗是单斩方式的2倍，降低了控制器的效率。另外，在相同的平均电磁转矩下，单斩方式比双斩方式的稳态转矩脉动小，在相同的PWM占空比及相同的母线电压下，单斩方式的绕组电流稳态值要大于双斩方式的绕组电流稳态值。因此采用单斩方式进行PWM调制控制的BLDCM得到了更为广泛应用。单斩方式又可以分为两大类：一类是6个导通状态始终只对上桥臂或下桥臂的功率管进行PWM调制；另一类是6个功率管轮换进行PWM调制，每个导通状态对应一个功率管斩波，该方式下又可以分为H_pwm-L_on、H_on-L_pwm、on-pwm和pwm-on四种PWM调制方式。

　　换相转矩脉动与PWM调制方式有关。本系统从实际出发，采用H_pwm-L_on调制方式，系统的控制对象为反电动势为梯形波、平顶宽度为120°电角度无刷直流电动机，采用120°导通方式，每一个周期由6个扇区组成，每扇区占60°电角度，每个开关元件导通120°，每一扇区有两个MOSFET同时导通，在此期间，下半桥管恒开通，对应的上半桥管按输出电流和速度进行PWM调制，通过调节PWM的占空比调节相电流和转速。

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