电动车调速系统的毕业论文

目录摘要错误 ! 未定义书签。一、概述1（一）电动车的定义 .1（二）电动车发展所面临问题1( 三 ) 电动车的基本构造和功能.2（四）电动车常用的电动机及要求.3（五）无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较4（六）永磁无刷直流电机的性能及应用5二、电动车电机的调速及电路设计6（一）永磁无刷直流电机结构及基本工作原理6（二）永磁无刷直流电机调速系统设计9（三）驱动设计的改良12（四）无刷直流电机接线图13（五）稳压电路14（六）保护电路14三、电动自行车的故障检修15（一）电机空载电流大17（二）电机发热18（三）电机的空载 / 负载转速比大于1.519（四）电池保养及维护19（五）无刷电机缺相20四、主要器件性能及原理20（一）控制器20（二）蓄电池21（三）集成转速传感器22（四） ADC0809芯片23（五）三极管23- I -结论24致谢25参考文献25- II -电动车电机调速及维护方案设计朴美英 摘要 电动车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，因而具有广阔的发展前景。随着永磁材料和功率电子元器件的不断进步, 永磁无刷直流电动机得到了快速的发展, 它们被广泛地用于变速驱动、伺服驱动、兵器、航空、航天和工业自动化等各个领域。因此, 合理正确地设计永磁无刷直流电动机是一个越来越重要的课题。从本期起分期介绍无刷直流电动机的设计 , 主要有 : 无刷直流电动机的结构和工作原理 , 以及连接方式 ; 分数槽绕组 ; 磁路计算 ; 电路系统的计算等内容。 关键词 电动车、无刷直流电机、双闭环直流调速系统、控制器系统 。- 1 -前言随着社会科技的发展电动车的作用也越来越重要，目前的电动车一走进了千家万户替代了以前的自行车成为最为普遍的交通工具。但是，由于种种原因他也造成了很多的麻烦。电动车的电池造成资源的浪费及环境的污染低成本也有低技术的存在。低成本就意味着地保障率，实际上放任自流，无序发展，是不可取的。而应像农用车一样规范发展。比如规定安全标准，规定电池必须回收，规定不上等级公路。- 2 -一、概述（一）电动车的定义它是以蓄电池作为辅助能源 , 具有两个车轮 , 能实现人力骑行 , 电动或电助动功能的特种自行车。（二）电动车发展所面临问题第一个趋势是， 轻量化的发展趋势。 一方面，消费者特别是城市消费者偏好正在向更轻巧、更便捷、更安全、更舒适方面转变， 另一方面，随着政府管理力度的加大，电动摩托车的管理模式将逐渐明确， 可能只有符合国家标准的电动自行车才能继续享受非机动车的待遇， 这在客观上要求电动自行车向轻量化的方向发展 （轻量化我认为无论如何讲都应该是电动自行车未来发展的首要趋势或者是主流趋势） 。第二个趋势是， 锂电池等新能源的应用将不断拓展提速。 就在国庆前夕， 工信部消费品司刚刚组织电池行业和电动自行车行业的部分企业召开了锂电池技术交流衔接座谈会，与会企业纷纷看好锂电池的发展前景，锂电时代越来越近了。今年，锂电池电动自行车又得到了进一步的发展。好孩子、力霸皇、耀马、捷安特、永久、富士达等一大批企业推出了锂电车， 作为中高端产品投放市场。 从目前锂电车在北京、 上海、南京、济南、郑州等一大批大中城市的销售情况来看，应该讲形势还是良好的，发展锂电车已经成为多数企业的共识。第三个趋势是， 市场的细分将更加深入发展。 现在电动自行车市场格局已经开始分化，销售市场正在试图分化， 新的市场格局正在加快形成。 随着电动自行车的城市的普及，农村市场将是上一阶段电动自行车发展的重点。 目前，电动自行车产品的细分主要建立在城市经验的基础上， 产品的细分还主要停留在外观款式和速度、 爬坡能力等基本性能方面。 要想开拓农村市场， 就必须根据农村的使用环境和农民的使用习惯对现有的产品功能和结构进行调整。 同时，城市市场对产品细分的需求也将进一步提升，产品的品牌内涵，功能特点，技术特征，将成为产品细分的关键点。如何做好产品细分将是企业巩固和扩大市场份额， 培育差异化的核心竞争力， 实习企业发展由量向质提升的关键，我认为这是我们行业的第三个趋势。第四个趋势是，产品技术创新将加速发展。新产品提升企业已成为趋势，时尚的产品，多功能的产品，将占领销售市场。最重要的是，新产品将在技术创新方面日益成熟，包括永磁高速无刷电机、微电脑控制技术、轻合金材料技术、自动焊接技术- 3 -等一批先进技术将在电动自行车中得到更加广泛的应用。电动自行车生产过程和产品本身，也将更加节能、高效、低碳排放和可循环，节能、环保、高效将是电动自行车技术创新的核心，将成为激发更大市场需求的内在动力。( 三) 电动车的基本构造和功能1. 充电器，它是给电池补充电能的装置 , 一般分二阶段和三阶段充电模式两种 .2. 电池，主要采用铅酸电池组合 , 另外镍氢电池与锂离子电池也在一些轻便折叠电动车上开始使用了 .3. 控制器，它是控制电机转速的部件 , 也是电动车电气系统的核心 , 具有欠压、限流、过流保护功能 .4. 转把、闸把、助力传感器，这些部件都是控制器的信号输入部件，转把信号是电动车速度的控制信号， 闸把信号是电动车刹车时， 闸把内部电子电路输出给控制器的一个电信号，控制器接收到这个信号， 就会切断对电机的供电， 从而实现刹车断电功能，助力传感器是当电动车处于助力状态时，检测骑行脚蹬力矩式脚蹬速度信号的装置。控制器根据助力传感器信号的大小， 分配给电机不同的电驱动功率， 以达到人力与电力自动匹配，共同驱动电动车的旋转。5. 电机，电机是将电池电能转换成机械能， 驱动电动车轮旋转的部件。 电动车上使用的常见的有：有刷有齿、有刷无齿、无刷无齿、无刷有齿、侧挂电机。6. 灯具、仪表，灯具、仪表部分的提供照明并指示电动车状态的部件组合。仪表一般提供电池电压显示，智能型仪表还能显示整车个电器部件的故障情况。（四）电动车常用电动机及要求电动车用电机一般是直流电机， 用有、无永久磁铁分类， 有永磁电机和串激电机两类。电机旋转部分叫转子， 不转动叫定子。 永磁电机的转子或定子有一个是永久磁- 4 -铁，另一个则是漆包线绕的线包； 串激电机的转子和定子都是漆包线绕制的线包。 同样功率的电机，永磁电机比串激电机省电。目前电动车电机普遍采用永磁直流电机。所谓永磁电机， 是指电机线圈采用永磁体激磁，不采用线圈激磁的方式。 这样就省去了激磁线圈工作时消耗的电能， 提高了电机机电转换效率， 这对使用车载有限能源的电动车来讲， 可以降低行驶电流， 延长续行里程。电动车电机按照电机的通电形式来分， 可分为有刷电机和无刷电机两大类；按照电机总成的机械结构来分，一般分为“有齿” （电机转速高，需要经过齿轮减速）和“无齿”（电机扭矩输出不经过任何减速）两大类。电动车对电动机的性能有四大要求：即加速性能、稳速性能、长时工作性能和爬坡性 能。 车用 电动机在设计和制造时应考虑的要求是，耐用性。首先要能够耐受冲击和碰撞、颠簸等外力的反复作用，保证正常运转。防水防锈蚀。在电动机的寿命期内，不能因为运行中受到雨天和偶然淋水而锈迹斑斑或危及内部电路和绝缘。电动机应当是防锈的，密封应当可靠，不能侵入水分。耐气候性。车用电动机的使用环境不比矿 山设备作业条件更好， 甚至更复杂。用户可以是天南地北， 沙漠、沿海、化学腐蚀地带。 他们有时行进在酷热温湿、 或寒冷干燥的地区， 条件相差悬殊。所有这些不同的环境，车用 电动机都应当能够适应。（五）无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较磁无刷直流电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。与他励式直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率直流电动机的主要类型。 由于永磁无刷直流电机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流； 由于转子中无交变磁通， 其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，永磁直流电机的力能指针（cos）比同容量三相异步电动机高12%-20%。- 5 -图 1永磁无刷直流电机永磁有刷直流电机的工作原理有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流， 电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。图 2有刷直流电机由换当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外接通向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上， 换向片与转轴之间亦互相绝缘。 在换向上放置着一对固定不动的电刷 B1和 B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。（六）永磁无刷直流电机的性能及应用永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。 它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗，发热的电枢组又装在外面的定子上， 散热容易。因此，永磁无刷直流电动机没有换向- 6 -火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承， 可以在每分钟高达几十万转的情况下运行。无刷直流电动机因其无电刷和机械换向器， 不需要减速装置， 噪声低等优点， 被广泛应用于电动自行车中。1. 寿命长、免维护、可靠性高。在有刷直流电动机中，由于电机转速较高，电刷和换向器磨损较快，一般工作 1000 小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大， 特别是传动齿轮的润滑问题， 是目前有刷方案中比较大的难题。 所以有刷电机就存在噪声大、 效率低、易产生故障等问题。 因此无刷直流电动机的优势很明显。2. 效率高、节能。一般而言， 因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于 85%，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为 76%。而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在 70%左右。- 7 -二、电动车电机的调速控制系统及制动设计（一）无刷直流电机硬件设计我们先了解一下直流电动机的调速，想了解直流电机的调速先了解一下直流电机的结构1. 无刷直流电动机的结构无刷直流电动机 (brushless DC motor) 是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。 其原理框图如下图所示。 图中，直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电， 位置传感器随时检测到转子所处的位置， 并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止， 从而自动地控制哪些绕组通电， 哪些绕组断电， 实现了电子换向。图 3 无刷直流电动机的原理框图无刷直流电动机的基本结构如下图所示。 无刷直流电动机的转子是由永磁材料制成的，是具有一定磁极对数的永磁体 。图 4 无刷直流电动机的结构示意图普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方- 8 -向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反； 然而，即使这样改变还不够， 因为定子上的电枢通过直流电后， 只能产生不变的磁场， 电动机依然转不起来。 为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电， 这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间角， 产生转矩推动转子旋转。 无刷直流电动机由一台同步电机、 一组转子位置检测器和一套受位置检测器控制的自控式逆变器组成。 中小型电机的逆变器一般由晶体管组成； 大型电机的逆变器通常采用晶闸管构成 , 称为晶闸管电动机。图 5 无刷直流电机图 6 无刷直流电机接线图所示为一台用霍耳元件作为转子位置检测元件的小型晶体管无刷直流电动机。 图中两个霍耳磁敏检测元件 HG1和 HG2安放在电动机定子的 X 相和 Y 相绕组的轴线上。它们的输出端子 x1、x2，y1、 y2 分别用于控制晶体管 BG4、 BG2、BG1和 BG3的通断。图 7 无刷直流电动机接线图- 9 -当磁极 N的轴线对着霍耳元件HG1时 , 在 HG1中产生 x1 方向上的信号。此信号使晶体管 BG4导通 , 于是在相绕组 WX1中有电流流通，在 x 轴线上产生一个 S 极磁场，它将吸引转子上的 N极旋转 90°。当转子 N 极转到 X 相轴线上时， HG1的输出将变为零，BG4关断，而在霍耳元件 HG2中将产生 y2 方向上的信号 , 使晶体管 BG3导通 , 相绕组Wy2中通入电流。又在 y2 轴线上产生 S 极，它再次吸引转子继续旋转 90°。依此类推，定子绕组将按照 Wx1Wy2Wx2Wy1 Wx1的顺序轮流通电， 形成一个步进式的旋转磁场，吸引着转子不断地转动。 在小型无刷直流电动机中逆变器常用半波中零式电路。这种线路结构比较简单 , 但采用半波逆变 , 电机电视绕组中的电流只沿一个方向流通半个周期， 所以电机的材料利用率较低。 在容量较大的无刷直流电机中通常采用桥式电路，电枢绕组能在正负两个半周中均通过电流，产生转矩。无刷直流电机硬件设计方案一逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。电压逆变电路电压型逆变电路的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(3)阻感负载时需提供无功。 为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路 电流型逆变电路。一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源。- 10 -电流逆变电路电流型逆变电路主要特点：(1)直流侧串大电感，相当于电流源。(2)交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流功率开关电源电路域逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同， 它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一- 11 -（二）无刷直流电机调速系统设计霍耳转把输出电压的大小，取决于霍耳元件周围的磁场强度。转动转把，改变了霍耳元件周围的磁场强度，也就改变了霍耳转把的输出电压。然后把这个电压输入控制器，控制器再根据这个信号的大小进行PWM 脉宽调制。从而控制功率管的导通关闭的比例以控制电机转速的大小2. 闭环调速系统环调速系统不能满足较高的性能指标要求。根据自动控制原理，为了克服开环系统的缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统。在闭环系统中， 把系统的输出量通过检测装置 （传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统具有提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中(1) 单闭环调速系统图 9 闭环系统方框图(2) 单闭环调速系统的抗干扰分析通过这一环节可以抑制转速的下降，虽然不能做到完全阻止转速下降，但比开环转速的程度会大大降低，从而保证转速的相对稳定性(3) 单闭环调速系统的静特性静特性方程：- 12 -电机转速与负载电流之间的关系称之为闭环调速系统的静特性对于有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差，或根本达不到稳态，也就谈不上是否满足稳态要求。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且有足够的稳定裕量。但是采用 PI 调节器之后的系统稳态性能是否满足当时并未提及。通过下面的讨论我们将看到，将比例调节器换成比例积分调节器之后，不仅改善了动态性能，而且还能从根本上消除静差，实现无静差调速。3. 双闭环直流调速(1) 双闭换调速系统原理图图 10 双闭换调速系统原理图(2) 静态结构图图 11 静态结构图两个调节器，一环嵌套一环；速度环是外环，电流环是内环两个 PI 调节器均设置有限幅 ；一旦 PI 调节器限幅 （即饱和），其输出量为恒值，输入量的变化不再影响输出， 除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和； 即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系， 相当于使该调节器处于断开。 而输出未达限幅时，调节器才起调节作用， 使输入偏差电压在调节过程中趋于零， 而在稳态时- 13 -为零电流检测采用三相交流电流互感器电流、转速均实现无静差。由于转速与电流调节器采用PI 调节器，所以系统处于稳态时，转速和电流均为无静差。转速调节器ASR输入无偏差，实现转速无静差(3) 双闭调速系统的抗干扰性图 12 动态结构图(4) 抗负载扰动作用由双闭环调速系统抗负载扰动作用的动态结构图可以看出， 负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，所以双闭环调速系统在抗负载扰动方面和单闭环调速系统只能依靠转速环来进行抗扰调节。（ 5）抗电网电压扰动- 14 -图 13 动态结构图由动态结构图知： 电网电压扰动在电流环之内， 电压扰动尚未影响到转速前就已经为电流环所抑制。 因而双闭环系统中电网电压扰动引起的动态速降 （升）比单闭环小得多。4. 双闭环调速系统优点：具有良好的静特性 ( 接近理想的“挖土机特性”) 。具有较好的动态特性，起动时间短( 动态响应快 ) ，超调量也较小。 系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差 由两个调节器分别调节电流和转速。 这样，可以分别进行设计， 分别调整 ( 先调好电流环，再调速度环 ) ，调整方便。闭环系统静特性比开环系统机械特性的硬度大大提高。 在相同负载下两者的转速降落分别为它们的关系是显然，当开环放大系数K 很大时，要比小得多，即闭环系统的特性要硬得多。当理想空载转速相同， 即时，闭环系统的静差率要小得多。闭环系统的静差率为- 15 -开环系统的静差率为 :由于，而相同负载下，所以 Scl 和 Sop 之间的关系为（ 3）当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高。假如电动机的最高转速相同，对静差率的要求也相同，那么，根据式（8.8 ），当开环时闭环时再考虑到式，得（4）当给定电压相同时，闭环系统的理想空载转速为开环系统的理想空载转速为两者的关系为闭环系统的理想空载转速大大降低。如果要维持系统的运行速度不变，使- 16 -，闭环系统所需要的要为开环系统的（ 1+K）倍。因此，如果开环和闭环系统使用同样水平的的给定电压，又要使运行速度基本相同，闭环系统必须设置放大器。因为在闭环系统中， 由于引入了转速反馈电压Un，偏差电压必须经放大器放大后才能产生足够的控制电压Ucl 。开环系统中，和 Ucl 属于同一数量级的电压，可以不必设置放大器。而且，上面提到闭环调速系统的三项优点，都是K 越大越好，也必须设置放大器。（三 )驱动系统及电路的设计电动自行车使用24V 直流电机，对于这种小功率直流电机的调速方法一般有两种。一种是线性型： 使用功率三级管作为功率放大器的输出控制直流电机。 线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转矩运行时，通过电阻 R 的电流大，发热厉害，损耗大。另一种脉宽调制型 :脉宽调速（ PULSE WIDE MODULATION PWM ）较常用的一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击， 还可以实现频繁的无级快速启动、 制动和反转等优点。 因此决定采用 PWM 方式控制直流电机。永磁式直流电机脉宽调速原理：永磁式直流电动机电机转速由电枢电压 UD 决定，电枢电压 UD 越高电机转速越快，电枢电压UD 降为 0V ，电机就就停转。直流电机的具体调速过程是：先让它启动一段时间，然后切断电源，电动机因惯性而降速转动。 在转速降到一定限度时使电动机再次接通，电动机因此而再次加速，不断的给电枢两端送入脉动电压源（即脉动信号） 就可以使电动机的转速控制在指定的范围内。- 17 -图脉冲信号图Vmax 为电动机的最大转速值， Vmin 为电动机的最小转速值， V D 为二者的平均值。 V D =D*max 式中 D=t/Tc 称为占空比， D 越大 V D 就越大反之亦然。平均转速和电枢上的脉冲占空比 D 之间关系如图 3.6 所示：由图可知，平均转速与占空比并非完全的线性关系， 但可以近似的看成是线性关系。因此，电动机的平均转速 V D 就可以有占空比 D 加以控制。图 3.6 V D/D 关系图PWM 调速分为双向式和单向式两种：双向式：在一个脉冲周期内（T=Ta+Tb） ,T1 和 T3 导通时间为 Ta,T2 和 T4 导通时间为 Tb，这样在 Ta 这段时间内，电机通过的是正向电流，在Tb 这段时间内为反相电流。当 Ta=Tb 时电机停转， Ta>Tb 电机正转， Ta<Tb 电机反转。单向式：单向式的电路和双向式相同，同的是在电机正转时，Tb 这段时间内不通过反相电流；电机反转时， Ta 内不通过正向电流。其调速原理基本与双向相同，单向式与双向式相比， 三极管的开关频率少一半， 比较不容易发生上下三极管导通而造成电源短路的情况，故可靠性有所提高，但控制性能比双向式稍差 ;外特性、低速性也不如双向式好。综合以上两种方式的优缺点， 并考虑到电动自行车对调速精度要求不太高， 以及省电、器件损耗等方面因素， 决定采用单向式 PWM ；考虑到编程时可能会产生使 T1、T2、 T3、T4 都导通的情况，以致电源短路，烧毁器件。为了避免出现这种情况，设计了图 3.7 所示的电路 :此电路只用一个三极管控制电路的通断，用四个继电器控制电流流向， 从而控制- 18 -电机的转向。这样无论如何，都不会出现因编程原因而造成电源短路的情况。由于采用单片机控制电机， 如果单片机的电源采用与电机同一电源，虽然经过稳压、滤波，但单片机仍然容易受到电机以及继电器的干扰。为了避免干扰，采用光电隔离，单片机和电机采用两套电源，4N26 光耦一般需要 2mA 以上的驱动电流， 由于单片机的输出电流只有几百毫安，故需要先接74LS245 或者接一个三极管增加驱动能力（ 74LS245 的高电平驱动能力为15mA）。光耦的输出再接给达林顿管，考虑到电机的短路电流有2A，故选用 TIP132 型号的达林顿管（允许通过的最大瞬时图 3.7 电源电路电流为 8A ）。另外，在达林顿管的 C 极和电源的正极之间接一个耐流为 2A 的二极管，这样在关断电源后， 使继电器反相， 可以让电机放电， 这样停时车不至于因为惯性滑行太远而浪费能源。 因此，切断电源后要将电动车停下来而采取的无谓制动不能将电能回馈给蓄电池。考虑到电动自行车对电机转速距离控制要求不高， 为了简化程序和外接电路， 所以没有考虑采用闭环 PWM 控制，用开环 PWM 控制和就可以实现自行车的功能。- 19 -图 3.8 脉冲信号波形图工作时 Ta 为高电平，通过光耦驱动复合管T 导通，此时 Tb 为高电平通过光耦使三极管导通， 继电器各线圈被短路。 K1、K2 为常闭触点， 所以电动机加正向电压。当 Tb 为低电平电压时所有继电器得电，常开触点闭合常闭触点断开，K1 、K3 断开K2、 K4 导通。电动机加反向电压。如果保证Ta>Tb 则电动机正转。通过改变Ta、Tb 的占空比即可改变转速周边电路保护( 一) 稳压电路图 16 稳压电路24V 直流电源经三端稳压器电路中接入C1、 C2 是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。大容量的C3 是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3 一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be 解结，造成调整管 be 结击穿而损。- 20 -（二）保护电路图 17 保护电路减流式保护电路由 T12、R11、R15、R14 和 DZ3、 DZ4 组成， R11 为检流电阻。保护的目的主要是使调整管（主要是 T11）能在安全区以内工作，特别要注意使它的功耗不超过额定值 PCM。首先考虑一种简单的情况。 假设图 4.5 中的 DZ3、DZ4和 R14不存在， R15 两端短路。这时，如果稳压电路工作正常， 即 PC<PCM并且输出电流 IO 在额定值以内，流过 R11的电流使 =IOR11<0.6V，T12 截止。当输出电流急剧增加，例如输出端短路时，输出电流超过极限值（ IO(CL)=PCM/VI=0.6V/R11）时，即当 >0.6V 时，使 T12 管导通。由于它的分流作用，减小了 T10 的基极电流，从而限制了输出电流。这种简单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内。 由于调整管的耗散功率 PCM=ICVCE，只有既考虑通过它的电流和它的管压降 VCE值，又使 PC<PCM，才能全面地进行保护。图 4.10 中 DZ3、DZ4和 R14、R15所构成的支路就是为实现上述保护目的而设置的。电路中如果（ VI IOR11 VO）>（VZ3+VZ4），则 DZ3、DZ4击穿，导致 T12 管发射结承受正向电压而导通。 VBE12的值为经整理后得：显然，（ VI VO）越大，即调整管的VCE值越大，则I O越小，从而使调整管的功耗限制在允许范围内。由于I O 的减小，故上述保护称为减流式保护。- 21 -电流采样及过电流保护设计电流采样及过流保护图1 电流信号电机主回路电流信号经采样电阻获得。电流信号经过 LM358放大，由单片机PIC16F72A/D通道 RA1（管脚 2）输入，并进行控制处理。 同时。电流采样信号通过 LM358 与一固定电压值比较，当电压的电流过大时， LM358输出高电平，送入 GAL16V8直接关断输出，进行逻辑保护。2 电流采样通常对电机三相电流进行控制需要三个独立的电流闭环， 而永磁无刷直流电机采用两相导通方式， 即电机三相定子绕组在某一时刻只有两相通电， 导通的两相绕组的电流大小相等，方向相反，因此任意时刻只需控制一个电流量。电流采样方式可采取直接采样两相电流的方法或采样直流母线电流的方法。 对于永磁无刷直流电机多采用后一种方法。 采样直流母线电流有两种方法， 一种是在待测电路上串入一个小电阻， 用小电阻上的压降反映电流的大小； 另一种是采用电流传感器。在电流较大，或要求电隔离的情况下，可以采用磁场平衡式霍尔电流传感器。考虑到本控制系统的成本问题，本系统采用第一种电流采样方式。3 过流保护过流保护电路可以对MOSFET进行保护，将最大电流控制在设定范围内，当达到阀值时关闭电机，避免了MOSFET上通过大电流烧毁的危险。过流保护是控制器的最后防线，过流保护电阻用的是康铜丝，当系统电流超过最大保护电流值时，康铜丝会烧断，从而起到保护作用。- 22 -护原理图过流保3.7.2 LM358 双运放大电路如图 3-15 所示， LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下， 电源电流与电源电压无关。 它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358引脚功能图欠电压保护- 23 -图 3-16 欠电压保护电路图如图 3-17 所示，电池电压经分压后接单片机 RA1（管脚 3），由单片机采入进行监控。当电池电压过低时给出欠压信号，输出截止，防止电池由于过放而损坏。对于无刷直流电机控制器， 由于输入控制变量比较多， 控制器可以利用各种输入信号对控制系统完成相当完善与灵活的保护， 这些保护功能可以大大提高无刷直流电机控制器的可靠性。三、电动车的故障检修（一）电机电机是电动车的关键部件。 由于电动车所带的能源有限，作为全天候的交通工具， 更要求电机能耐受较恶劣的环境，可靠性要高。电机在机构上， 分为有刷电机和无刷电机:有刷电机是传统产品， 性能比较稳定。 应该是电动车的首选电机。无刷电机是新产品，其寿命性能比有刷电机好。但其控制电路比较复杂， 对元件的老化筛选要求比较严格。虽然电机寿命长但控制电路容易出毛病。- 24 -图 18 永磁无刷电机检修方法：将万用表置于直流20A 挡位，将红、黑表笔串联接在控制器的电源输入端。打开电源，在电机不转动的情况下，记录下此时万用表的最大电流数值A1。转动转把，使电机高速空载转动 10s 以上。等电机转速稳定以后， 开始观察并记录此时万用表的最大数值 A2。电机的空载电流 =A2-A1各种电机的无故障最大极限空载电流参考表如下：当电机的空载电流大于参考表极限数据时，表明电机出现了故障。电机空载电流大的原因有：电机内部机械摩擦大。线圈局部短路。磁钢退磁。我们继续往下做有关的测试与检查项目，可以进一步判断出故障原因或故障部位。（二）电机发热用非接触式的红外线温度计，或万用表的温度测量挡位（带温度测量的万用表），测量电机端盖的温度超过环境温度 25以上时， 表明电机的温升已经超出了正常范围，一般电机的温升应在 20以下。电机发热的直接原因是由于电流大引起的。 电机电流 I ，电机的输入电动势E1，电机旋转的感生电动势（又叫反电动势） E2，与电机线圈电阻 R之间的关系是：- 25 -I=（E1-E2）÷ RI 增大，说明 R 变小或 E2 减小了。 R 变小一般是线圈短路或开路引起的。E2 减小一般是磁钢退磁引起的或者是线圈短路、开路引起的。在电动车的整车的维修实践中，处理电机发热故障的方法，一般是更换电机。（三）电机的空载 / 负载转速比大于1.5打开电源，转动转把，使电机高速空载转动10s 以上。等电机转速稳定以后， 用手持式速度 / 转速测量计测量此时电机的空载最高转速 N1。在标准测试条件下，行驶 200m距离以上，开始测量电机的负载最高转速 N2。空载 / 负载转速比 =N2÷N1当电机的空载 / 负载转速比大于 1.5 时，说明电机的磁钢退磁已经相当厉害了，应该更换电机里面整套的磁钢 , 在电动车的实际维修过程中一般是更换整个电机。（四）电池保养及维护蓄电池存放时应该是充满电之后存放，在一个月左右取出来放电或者使用一到二次，然后再充电继续存放；这样利于延长蓄电池的使用寿命； 一般新的蓄电池前三次充电最好在 8-12 小时，以后掌握在 6-8 小时即可；蓄电池的充电快、慢无所谓；关键是放电时间；放电时间长就可以继续使用；蓄电池只要是能够充电、 放电就还可以继续使用； 如果购买国产大品牌的就可以；如果自己会鉴别质量优劣， 也可以选购中小厂家的品牌产品； 这样性价比高一些；一般电池的寿命是以充电、放电的次数来决定的；一般返修、翻新的蓄电池充电次数在 50 次左右，所以购买时都信誓旦旦的告诉你，保修三个月、或者半年；一过保修期肯定使不长；普通厂家生产的蓄电池充电、放电次数在100-180 次左右；使用期限在一年到两年左右； 好的厂家生产的蓄电池充电、 放电次数 200-300 次左右；使用期限在两年到三年左右；进口、原装的蓄电池充电、放电能够达到500 次以上，使用年限就更长。- 26 -图 19 蓄电池不宜骑过就充电电池的寿命是由充放电循环次数决定的，充放电的次数越多寿命缩减越快。充电时间不宜过长许多电动车用户认为充电时间越长电池电量越足。这是非常错误的。充电时间一般以充电器变灯后延长一小时以内为最佳长时间的过充容易导致电池变形、失水等现象。从而直接危害电池寿命。严禁亏电行使有的用户一直到电动车骑不动时再充电，这样就严重伤害性能。( 五 ) 无刷电机缺相无刷电机缺相一般是由于无刷电机的霍耳元件损坏引起的， 我们可以通过测量霍耳元件输出引线相对霍耳地线和相对霍耳电源引线的电阻， 用比较法判断是哪只霍耳元件出现故障。为保证电机换相位置的精确， 一般建议同时更换所有的三个霍耳元件。 更换霍耳元件之前，必须弄清楚电机的相位代数角是 120 度还是 60 度，一般 60 度相角电机的三个霍耳元件的摆放位置是平行的。 而 120 度相角电机，三个霍耳元件中间的一个霍耳元件是呈翻转 180 度位置摆放的。四、主要的元器件性能（一）控制器控制器是由周边器件和主芯片（或单片机）组成。周边器件是一些功能器件，如执行、采样等，它们是电阻、传感器、桥式开关电路，以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的器件； 单片机也称微控制器， 是在一块集成片上把存贮器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输入输出端- 27 -口等集成在一起，而构成的计算机片。这就是电动自行车的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出现的高技术产品。保护功能是对控制器中换相功率管、 电源免过放电， 以及电动机在运行中， 因某种故障或误操作而导致的可能引起的损伤等故障出现时， 电路根据反馈信号采取的保护措施。电动自行车基本的保护功能和扩展功能保护功能是对控制器中换相功率管、电源免过放电， 以及电动机在运行中， 因某种故障或误操作而导致的可能引起的损伤等障出现时，电路根据反馈信号采取的保护措施。 电动自行车基本的保护功能和扩展功能如下：1. 制动断电电动自行车车把上两个钳形制动手把均安装有接点开关。2. 欠压保护这里指的是电源的电压。3. 过流保护电流超限对电机和电路一系列元器件都可能造成损伤，甚至烧毁，这是绝对应当避免的。4. 过载保护过载保护和过电流保护是相同的，载重超限必然引起电流超限。5. 欠速保护仍然属于过流保护范畴，是为不具备0 速起步功能的无刷控制系统而设置。6. 限速保护是助力型电动自行车独有的设计控制程序。（二）蓄电池锂电池的材料 锂金属电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池使用以下反应：图 20- 28 -正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时： LiFePO4 Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放电时： Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- LiFePO4负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。充电时： xLi+ + xe- + 6C LixC6放电时： LixC6 xLi+ + xe- + 6C锂电池优点充电器能量比比较高使用寿命长额定电压高具备高功率承受力自放电率很低重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的 1/5-6 ；高低温适应性强， 可以在 -20 -60 的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在 -45 环境下使用； 绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。 生产基本不消耗水。（三）集成转速