电动车电机调速系统论文

烟台工程职业技术学院 机电工程 系 机电一体化技术 专业 09 级毕业设计（论文）题 目:电动自行车电机保护系统设计 姓名 李春泽 学号 2009060204 指导教师（签名） 二一一年 十一月十日 机电工程系09级 高职学生毕业设计（论文）任务书 设计题目 电动自行车电机保护系统设计 学生姓名 李春泽 系别 机电工程系 专业 机电一体化技术 班级 机电09305 指导教师 张波 职称 副教授 课题来源 实践需要 任务书下达时间 2011-10 系主任签字 教研室主任签字 一、 毕业设计（论文）主要内容及技术指标 主要内容为电动自行车电机保护系统设计 1、 毕业设计（论文)主要内容：主要内容：（1）完成电动自行车电机保护系统设计 （2）撰写论文2、 毕业设计（论文）基本要求（1）使用先进的调速系统；（2）实现电动自行车电机换向的改良（3）实现保护器保护电机作用；（4） 要求有电路图、系统电路图、原理图等。技术指标：(1)实现电机的安全启动和停止（2）在运行过程中防止出现过载堵转的现象（3)在电动车调速的过程中防止出现过流的现象(4)在电机运行中不能出显换向器烧坏的事件2、 所需数据材料及参考文献:电机及拖动基础（第4版）顾绳谷 电力电子技术基础邢岩 王莉娜 电工学第六版(上册)秦曾煌 交直流调速系统(第二版) 史国生 三、进度计划序号阶段性工作及成果时间安排1申报毕业设计（论文）课题2011年9月2011年10月2开题会，各指导教师下达任务书。2011年10月 3课题设计、撰写论文、实物制作2011年10月11月4上交有关材料给指导老师2011年11月25日前5答辩时间2011年12月15日-20日 指导教师（签名）：【摘要】本文主要介绍可电动自行车的控制系统及传动系统中的电机技术的应用。控制系统中电机主要用于控制器，可对电动机动机在运行中，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制动断电、欠压保护、过流保护、过载保护、欠速保护、限速保护等的保护措施及测速和调速功能；传动系统中电机主要用于驱动装置，传动系统中常用的驱动方式有直流驱动系统和感应电动机驱动系统。 【关键词】无刷电机；制动断电；欠压保护；过流保护；过载保护；欠速保护；限速保护 。前 言随着社会科技的发展电动车的作用也越来越重要他广泛的进入到农村成为农村和城市重要的交通工具。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在人们的日常生活中发挥的作用越来越重要，电动自行车简单方便价格便宜是中低层收入者的首选。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。烟台工程职业技术学院毕业设计（论文)诚 信 承 诺 书本人慎重承诺：我所撰写的设计（论文） 电动自行车电机保护系统设计 是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。 学生( 签名 ) 年 月 日目录摘要II一、概述1 (一)电动车的发展史1 (二)电动车知识介绍1 (三)电动车对电机的要求6 (四)轮毂电机的性能 6 (五)选用轮毂电机8二、总体设计9 (一) 电机换向设计9 (二) 调速方法改良设计12 （三）控制器的改良设计14 （四）驱动系统的设计21三、电路设计24 (一)电源电路24 (二)控制电路24 (三)充电器电路及工作原理26（四）驱动电路27四、主要器件性能及原理28（一）转把28（二）闸把28（三）助力传感器29（四）MOS管29（五）运放29（六）稳压管30（七）PI调节器31结论32致谢32参考文献33一、概 述（一）电动车的发展史电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。后来，由于燃油汽车技术的迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破，从20世纪20年代初至60 代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。进入70年代以来，由于中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。近几十年来，主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力，电动车的各项相关 技术也取得了重大的进展。尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性 的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能。 现代电动车的能源系统、电机驱动系统、智能化的能量管理系统、充电系统、车载空调系统和变速系统，电动车的基础设施建设以及未来智能化的交通系统的发展。根据各类子系统的不同特点.近年来，各种显示高新技术的电动车层出不穷，日新月异。(二）电动车基础知识介绍电动车是以电能为驱动能源，通过电动机将电能转化为机械能驱动行驶的车辆。如电动滑板车、电动自行车、四轮电动代步车、电动沙滩车、电动卡丁车、电动摩托车、电动汽车等。其中：电动自行车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。1.主要结构:(1)、电机 ( 2)、电池 ( 3)、控制器 (4)、充电器 ( 5)、仪表(6)、前后轮 (7)、车架 (8)、塑件等。2.整车主要技术性能：(1)最高车 25公里/小时整车质量 39公斤(2)续行里程： 50公里(3)百公里电耗： 1.5度(4)轮径： 24吋(5)电池种类： 铅酸免维护(6)电池组标称电压： 36伏(7)标称容量: 12安时(8)电动机型式： 有刷直流永磁(9)电动机额定功率： 180瓦(10)额定转速： 210转/分(11)额定电压： 36伏(12)额定输出转矩： 7.5牛.米3.电动车的基本配置电动自行车是由蓄电池、电动轮毂、控制器、充电器四大件和车体部分组成。 目前使用的铅酸蓄电池型号规定有12V7AH、12V8AH、12V10AH、12V10AH （高容量）、12V20AH；电动轮毂型号有：有刷有齿高速电动轮毂（简称高速电机或有声电机）、有刷无齿低速电动轮毂（简称低速电机或无声电机）及无刷无齿程序电机（简称程序电机）；控制器按控制方式分类有全动型、智能型、双控型和非零启动型四种类型，控制系统由主控制器、仪表显示器、调速转把和刹车断电把等组成，其主要功能具有无级调速、刹车断电保护、欠压保护和过流保护等功能；充电器按输出插头分类有莲花插头式、普通电脑插头式、特制电脑插头式。按充电性能分类为普通在线维护充电器、快充在线维护充电器。按充电电压分类为36V、（1）电池组目前电动车用动力源普遍为化学电源蓄电池组，蓄电池是电动车的动力源泉。目前，制约电动车发展的关键因素是动力蓄电池不理想。蓄电池的主要作用就是储能，电动车蓄电池的主要性能指标是比能量、比功率和使用寿命等。要使电动车能与内燃机车相竞争，关键是开发出比能量高、比功率大、使用寿命长、成本低的蓄电池。可用于电动车的电池有铅酸免维护电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锌空电池、燃料电池等。锂离子电池（国内未来几年该电池将会普遍用于电动车）锂离子二次电池作为新型高电压、高能量密度的可充电电池，其独特的物理和电化学性能，具有广泛的民用和国防应用的前景。其突出的特点是：重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、使用寿命长。在同体积重量情况下，锂电池的蓄电能力是镍氢电池的1.6倍，是镍镉电池的4倍，并且目前人类只开发利用了其理论电量的20%30%，开发前景非常光明。同时它是一种真正的绿色环保电池，不会对环境造成污染，许多专家认为该类电池时最理想的小型电动车电池。燃料电池系统是一种新的能源利用和转换装置，是国际上公认的未来最理想的电动车电源。燃料电池用作电动车电源有以下特点：a.电池本身是一种能量转换装置，只决定电源系统的功率输出大小；b.燃料储存装置决定电源系统的总能量，可保证有足够的续驶里程；c.无需充电，添加燃料非常快捷、方便；d.电池系统寿命更长、更安全、更可靠、更环保；e.燃料电池将来产业化生产的成本下降潜力很大。燃料电池有许多种类型，就电池本身的性能而言，大多看好的电动车用燃料电池是质子交换膜燃料电池。该电池具有较多的优点。例如：运行温度比较低；技术相对比较成熟；排放产物比较单一；功率密度较大； 启动速度较快；抗震能力相对较好。由于对该类燃料电池在电动车应用上的普遍重视，使得近几年来不断的产生该类电池的电动车、电动摩托车、电动自行车样品。技术性能都相当不错。这也推动了与质子交换膜燃料电池相关的氢气制取与存储技术的进步，重整制氢与金属储氢技术已接近实用化水平。 图1 电路图（2）电动轮毂自行车轮毂电机是有轮毂、电机部件、后盖和飞轮端盖所组成，其特征在于：所述的轮毂的一端采用飞轮端盖结构，另一端采用整体铸造结构，通过设置在其内部的电机部件和减速装置，使电机的动力经二次减速输出，带动整个轮毂旋转而达到设计目的，该种轮毂电机具有外形美观、体积小、重量轻、寿命长等特点，是电动自行车更新换代产品。 图2 轮毂电机外形图(3)控制器简略地讲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。控制器的设计品质、特性、所采用的微处理器的功能、功率开关器件电路及周边器件布局等，直接关系到整车的性能和运行状态，也影响控制器本身性能和效率。不同品质的控制器，用在同一辆车上，配用同一组相同充放电状态的电池，有时也会在续驶能力上显示出较大差别。 图3 控制器结构图控制器类型目前，电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近。有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的PWM控制方法调速，只是选用驱动电路、集成电路、开关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别。元器件和电路上的差异，构成了控制器性能上的不大相同。控制器从结构上分两种，我们把它称为分离式和整体式。(a)分离式 所谓分离，是指控制器主体和显示部分分离。后者安装在车把上，控制器主体则隐藏在车体包厢或电动箱内，不露在外面。这种方式使控制器与电源、电机间连线距离缩短，车体外观显得简洁。（b)一体式 控制部分与显示部分合为一体，装在一个精致的专用塑料盒子里。盒子安装在车把的正中，盒子的面板上开有数量不等的小孔，孔径45mm，外敷透明防水膜。孔内相应位置设有发光二极管以指示车速、电源和电池剩余电量。（三）控制器的保护功能（4）充电器常用的开关电源式充电器又分半桥式和单激式两大类，单激类又分为正激式和反激式两类。半桥式成本高，性能好，常用于带负脉冲的充电器；单激式成本低，市场占有率高。（三）电动车对电机的要求电动车的运行与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的。1.电动车用电动机应具有瞬时功率大、过载能力强、过载系数应为（34），加速性能好、使用寿命长等特点。2.电动车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。3.电动车用电动机能够在减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动车具有最佳能量的利用率，这在内燃机得摩托车上是不能实现得。4.电动车用电动机应在整个运行范围内，应具有高得效率，以提高1次充电得续驶里程。另外，还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣得环境下长期工作，结构简单并适应大批量生产，运行时噪声低，价格便宜等。 （四）轮毂电机的性能1.结构将双凸极永磁电机作为电动车的驱动电机。该电机结构简单、坚固，维护方便，转速范围宽广、效率高、控制特性优良、成本低。采用永磁双凸轮式电动轮毂后，取消了原来汽车的变速箱、传动轴、后桥等部件，使得电动车体积重量减小，结构更加紧凑。采用电动机驱动替代原机械接触式控制后，可以实现精确的电子控制，提高了能量传输效率，降低了成本；利用电机四相象运行的优点，有效地实现制动能量的回馈利用，提高了电动车的整体性能与性价比。 作为电动车驱动用的轮毂电机，其结构和尺寸要受到汽车相关标准件的严格制约。考虑到汽车运行的可靠性稳定性以及维护方便等要求，轮毂电机在结构上要保证定转子同心且气隙均匀，要保证转子的机械强度和合理的带载方式，要保证电机固定轴合理的承载工作面和整个电机适宜的外型结构，还要求电机易于拆装、维护和更换等。 综合上述考虑，实际测量了一台桑塔那2000型GSI后轮驱动轮部分的相关尺寸，由于该轮毂电机具有以下特点：(1)外转子结构且转子端面为带载端；(2)电枢绕组和永磁体都在定子上；(3)轴向允许长度小，电机为圆盘式扁平结构。 图4 轮毂电机的结构所示电机结构型式有以下优点：(1)适合与汽车驱动轮部分的其他元件配合，且合理利用了有效空间，便于电机的固定与安装；(2)电机固定轴受力合理，转子带载端运行可靠稳定；(3)便于汽车及轮毂电机本身各部件的拆装与维护。在上述结构基础上，又针对5 kW双凸轮式永磁轮毂电机的结构设计，进行了各种相应材料的选择与机械特性的核算和调整。 考虑到电机固定轴主要承受的是弯矩而不是扭矩，选用40Cr的调质钢阶梯轴。充分考虑安全裕量(进行了疲劳强度安全系数校核和静强度安全系数校核)后确定定子周主工作面轴径为50 mm。 计算并选用了一对单列深沟球轴承，根据GBT2761994，选用了60000型大6310、小6210的成对轴承。 定子支架的选择首先根据实际情况求的支架的计算载荷，然后根据圆柱型壳体(厚壁圆桶)的受压弯作用时的l临界应力值验算得出。支架选用7A04(LC4)GBT 31901996以锌为主的铝合金，壁厚5 mm，内径60 mm，完全能够承担定子重量且该材料磁导率很低，而且裕量很大，不会产生应力弯曲等现象，足以保证电机气隙均匀。 根据支架的设计方法及尺寸，轮毂的尺寸也可以确定，硅钢片采用冷轧无取向DW54050，永磁铁采用烧结钕铁硼280135。2.电磁 图5 双凸轮式永磁轮毂电机的截面示意图电机采用外转子结构，外转子尺寸和结构形状参照相同功率传统电机(外定子内转子结构)的定子尺寸和结构形状，外转子电机定子尺寸和结构形状参照相同功率传统电机转子的尺寸和结构形状。结合电机的技术指标(如表2)得出一台3相定转子128极5 kW双凸轮式永磁轮毂电机的结构尺寸 (五)选用轮毂电机我们这次设计所选用的电机为轮毂电机因为轮毂电机在电动车上应用不仅可实现小马拉大车、提高电机驱动效率的效果，还大大简化了机械传动机构，减轻整车自重，减小其传动和附加损耗，即降低成本，也节能减噪，并且如同高档轿车采用四轮驱动，可进一步提高车轮控制的动态响应性，通过微机控制更易实现在传统轿车上较难实施的各种性能优化措施，从而改善操控性和安全性。以此即可全面提高节能环保型电动微轿车的各项性能指标和性价比，使其达到普及型商品化要求，对推广电动汽车和节能减排起到极好效果。 二、总体设计(一)直流电动机的换向电动自行车的驱动方式大多是轮毂式的，有直接驱动的，也有齿轮减速驱动的。其中，直接驱动方式采用低速直流电动机（每分钟转几百转），而齿轮减速驱动方式则采用转速较高的直流电动机（一般2000r/min以上），通过齿轮减速来满足电动自行车所需要的行驶速度。前者的优点是不需要齿轮减速，因而简化了结构，提高了可靠性，降低了噪声；后者的优点是体积小、重量轻。因为电机内有换向器和电刷（又称碳刷）的存在，便产生换向问题，它是有刷直流电动机易出故障的根源之一。1.影响换向的原因（1） 电磁原因在换向时，换向元件中会产生电抗电势和换向电势，这些电势之和一般大于零，称延迟换向。当换向时，后刷边离开一个换向片转向另一个相邻换向片时，换向电流不为零，有电磁能量储存在换向元件内，在前个换向片离开电刷时，换向回路被突然切断，换向元件中的电磁能量就只有击穿空气而释放，从而产生火花。（2） 机械原因对生产而言，由于机械原因而导致换向不良是一个重要方面。机械方面的原因很多，例如：平面换向器表面的平整度、粗糙度及装配时换向器表面与电机轴线的垂直度；换向器片间绝缘突出或换向片突出；电刷接触面研磨不好，电刷与换向器表面只有局部接触；电刷上弹簧压力大小不合适；电刷在刷盒里太松或太紧；各个刷杆之间距离不相等，致使有些电刷所短路的换向元件不在几何中心线上；换向器表面不洁等。（3）电化学原因正常运行的电机，换向器表面会产生很薄的一层褐色氧化亚铜薄膜。实践表明，氧化亚铜薄膜的存在，是电机良好换向的必要条件。这是因为氧化亚铜薄膜本身不仅具有较高的电阻，且其表面还常吸附着薄层水份、氧气和石墨粉末，具有良好的润滑作用，有利于减少电刷和换向器的磨损。2.改善换向的方法和措施为改善换向应该针对影响换向的原因在生产中采取一些必要的方法和措施。下面介绍一些生产中应注意的问题。（1）调节电刷位置根据产生火花的电磁原因，为了减小换向元件中的电势，应将电刷位置调节到物理中心线，但因为物理中心线是随着负载大小而移动的，所以，一般要求将电刷位置调节到几何中心线处。确定几何中心线的方法是：对绕组端部连接到换向器对称的电机，电刷位置应对准磁极中心线；而对绕组端部不对称的电机，视不对称程度而定。总的原则是：被电刷短路的绕组元件的两条边应位于几何中心线或很接近几何中心线处。理论和生产实践都证明，电刷位置调节的好坏，对电机的空载电流和性能影响很大，应引起足够的重视。（2）重视换向器的质量换向器的质量应包括材质和加工质量两方面。换向器的材料是铜合金，如镉铜、银铜等，材质不同，它的硬度、耐磨度，与电刷的接触电阻及导电性能等都会有差别，当然还要考虑价格因素。从加工质量方面，应检测换向器的尺寸、形位公差和表面粗糙度。换向片分布应均匀，换向片间绝缘应下刻，对平面换向器表面平面度要好，与电刷接触的表面其粗糙度应不低于0.80。允许用玻璃砂纸研磨换向器表面（不要用金钢砂纸）。对平面换向器，安装时要注意其与电机轴线的垂直度。（3）电刷的选择电刷是与换向器的滑动接触件，电刷的成份和接触特性好坏，直接影响到电机运行时换向的好坏和它的磨损程度。电刷的接触特性主要指一对电刷接触压降（因正、负级电刷下接触压降不相等，故用一对电刷接触压降来评价）和摩擦系数，这些因素影响到电机运转时电刷与换身器之间的接触损耗（包括电损耗和磨擦损耗）和磨损度。影响电刷接触特性的主要因素有圆周速度、电流密度和施于电刷的单位压力等。对电动自行车用直流电机，圆周速度不大，一般都能满足要求。对这种直流电机的电刷一般提出以下要求：因为电动自行车采用低压电源，因此一对电刷接触压降不能大，一般应在1v以下，这样功率损耗较小。若按照用户使用2年不用更换电刷，按每天骑行2h计算，电刷寿命应在1500h左右。电刷寿命是由它允许磨损的高度决定的，而允许磨损高度则由允许弹簧的最小压力和电刷磨短后在刷盒中运行的稳定性决定。电刷截面积的大小应符合电刷允许电流密度。电流密度过大，引起发热过高，摩擦系数增大，极易引起火花，电机甚至不能正常运行。换向器的磨损应在允许范围内，运行噪声小等。电刷分石墨电刷、电化石墨电刷和金属石墨电刷3大类。对低压直流电机宜采用金属石墨电刷，因为它的一对电刷接触压降小（一般在1.5v以下），耐磨性较好，使用寿命长，并适合于圆周速度低的电机。我们曾经用两种不同成份的电刷对电动自行车用直流电机分别做额定负载下的寿命试验。一种是用金属石墨电刷，运行700h，电刷磨损量为允许磨损量的45%。照此推算，这种电机可以运行1500h才需要更换电刷，可以满足用户使用2年不换电刷的要求。另一种是用石墨电刷，运行600h，电刷已经磨损到不能再用而需要更换了，也就是说用户最多使用1年就要送维修站了。刷盒尺寸和弹簧压力刷盒的作用是将电刷固定在应有位置，但又要保证电刷在刷盒中能自由活动，配合间隙既不能太大，又不能太小。太大了电机运转时电刷可能在换向器表面产生倾斜和跳动，从而影响换向。太小了，当电刷在负载下发热膨胀时可能卡死。而弹簧的作用是施于电刷一定的压力，以保证电刷与换向器在电机运转时始终有良好的接触。施于电刷的单位压力增大，电刷与换向器的接触电阻就减小，则电损耗减小，但摩擦系数增加，使摩擦损耗增加。总损耗呈马鞍形变化，而在总损耗最小时的单位压力下，电刷的磨损率也最小。所以，选择施于电刷的压力时，应考虑电机运行中总损耗和电刷磨损最小时相应的单位压力。对金属石墨电刷这个压力一般在1.5-2.5n/cm2之间。在确定初始压力时，应考虑在电刷磨损过程中缩短时弹簧因伸长其压力会减小的因素。施于电刷的单位压力减小到低于某一极限时，电刷与换向器之间的接触就开始不稳定，容易出现机械性火花，这时就应该更换电刷了。电刷的磨合电刷与换向器表面接触的好坏、接触面积的大小，直接影响直流电机换向的好坏、火花的大小和电刷磨损的速度。所以，电机装配完成后应对其进行空载磨合。磨合的目的是增大电刷与换向器的接触面积，一般应使接触面积达到80%以上，这样在负载时才能保证良好换向。为了缩短磨合时间，可以用提高电压的方法使电机转速提高，但要考虑电机的机械强度，不能高出额定转速过多。未经磨合的电刷与换向器的接触面不够，即为局部接触，使接触处电流密度增大，造成换向不良，电机出厂后造成返修率增加。（二）电动车调速器霍尔传感器可以将电机的转速信号反馈出来。 直流无刷电机本质上是调节直流电压来实现转速调节。但是大多数情况是，出厂的时候厂家一般也会固化这类控制器在电机上，对外只留有控制端接口。控制器开发人员不需要了解其内部升降压的机制，只需要对电机控制输入端输入控制信号即可轻松实现电机调速。 图6 调速器电路图调速器是通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100%变化、从而改变负载、灯光亮度/电机速度。利用脉宽调制(PWM)方式、实现调光/调速、它的优点是电源的能量功率、能得到充分利用、电路的效率高。例如：当输出为50%的方波时，脉宽调制(PWM)电路输出能量功率也为50%，即几乎所有的能量都转换给负载。而采用常见的电阻降压调速时，要使负载获得电源最大50%的功率，电源必须提供71%以上的输出功率，这其中21%消耗在电阻的压降及热耗上。大布部分能量在电阻上被消耗掉了、剩下才是输出的能量、转换效率非常低。此外HW-A-1020型调速因其采用开关方式热耗几乎不存在、HW-A-1020型调速在低速时扭矩非常大、因为调速器带有自动跟踪PWM、另外采用脉宽调制(PWM)方式、可以使负载在工作时得到几乎满电源电压、这样有利于克服电机内在的线圈电阻而使电机产生更大的力矩率1.直流脉宽调速工作原理:是通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100变化、从而改变负载、灯光亮度/电机速度PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压.PWM不是调节电流的.也就是调节方波高电平和低电平的时间比,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压.所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节 图7 直流脉宽调速 图8 直流脉宽调速注意：当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因为电流也是交变的。这个电流的平均值也是零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗这是缺点。（三）控制器1.控制器作用电动车控制器是用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件，它就象是电动车的大脑，是电动车上重要的部件。2.电动车控制器主要功能特点如下：超静音设计技术：独特的电流控制算法，能适用于任何一款无刷电动车电机，并且具有相当的控制效果，提高了电动车控制器的普遍适应性，使电动车电机和控制器不再需要匹配。恒流控制技术：电动车控制器堵转电流和动态运行电流完全一致，保证了电池的寿命，并且提高了电动车电机的启动转矩。自动识别电机模式系统：自动识别电动车电机的换相角度、霍尔相位和电机输出相位，只要控制器的电源线、转把线和刹车线不接错，就能自动识别电机的输入及输出模式，可以省去无刷电动车电机接线的麻烦，大大降低了电动车控制器的使用要求。 随动abs系统：具有反充电/汽车EABS刹车功能，引入了汽车级的EABS防抱死技术，达到了EABS刹车静音、柔和的效果，不管在任何车速下保证刹车的舒适性和稳定性，不会出现原来的abs在低速情况下刹车刹不住的现象，完全不损伤电机，减少机械制动力和机械刹车的压力，降低刹车噪音，大大增加了整车制动的安全性；并且刹车、减速或下坡滑行时将EABS产生的能量反馈给电池，起到反充电的效果，从而对电池进行维护，延长电池寿命，增加续行里程，用户可根据自己的骑行习惯自行调整EABS刹车深度。 电机锁系统：在警戒状态下，报警时控制器将电机自动锁死，控制器几乎没有电力消耗，对电机没有特殊要求，在电池欠压或其他异常情况下对电动车正常推行无任何影响。 自检功能：分动态自检和静态自检，控制器只要在上电状态，就会自动检测与之相关的接口状态，如转把，刹把或其它外部开关等等，一旦出现故障，控制器自动实施保护，充分保证骑行的安全，当故障排除后控制器的保护状态会自动恢复。 反充电功能：刹车、减速或下坡滑行时将EABS产生的能量反馈给电池，起到反充电的效果，从而对电池进行维护，延长电池寿命，增加续行里程。 堵转保护功能：自动判断电机在过流时是处于完全堵转状态还是在运行状态或电机短路状态，如果过流时是处于运行状态，控制器将限流值设定在固定值，以保持整车的驱动能力；如电机处于纯堵转状态，则控制器2秒后将限流值控制在10A以下，起到保护电机和电池，节省电能；如电机处于短路状态，控制器则使输出电流控制在2A以下，以确保控制器及电池的安全。 动静态缺相保护：指在电机运行状态时，电动车电机任意一相发生断相故障时，控制器实行保护，避免造成电机烧毁，同时保护电动车电池、延长电池寿命。 功率管动态保护功能：控制器在动态运行时，实时监测功率管的工作情况，一旦出现功率管损坏的情况，控制器马上实施保护，以防止由于连锁反应损坏其他的功率管后，出现推车比较费力的现象。 防飞车功能：解决了无刷电动车控制器由于转把或线路故障引起的飞车现象，提高了系统的安全性。 1+1助力功能：用户可自行调整采用自向助力或反向助力，实现了在骑行中辅以动力，让骑行者感觉更轻松。 巡航功能：自动/手动巡航功能一体化，用户可根据需要自行选择，8秒进入巡航，稳定行驶速度，无须手柄控制。 模式切换功能：用户可切换电动模式或助力模式。 防盗报警功能：超静音设计，引入汽车级的遥控防盗理念，防盗的稳定性更高，在报警状态下可锁死电机，报警喇叭音效高达125dB以上，具有极强的威慑力。并具有自学习功能，遥控距离长达150米不会有误码产生。 倒车功能：控制器增加了倒车功能，当用户在正常骑行时，倒车功能失效；当用户停车时，按下倒车功能键，可进行辅助倒车，并且倒车速度最高不超过10km/h。 遥控功能：采用先进的遥控技术，长达256的加密算法，灵敏度多级可调，加密性能更好，并且绝无重码现象发生，极大地提高了系统的稳定性，并具有自学习功能，遥控距离长达150米不会有误码产生。 高速控制：采用最新的为马达控制设计专用的单片机，加入全新的BLDC控制算法，适用于低于6000rpm高速、中速或低速电机控制。 电机相位：60度120度电机自动兼容，不管是60度电机还是120度电机，都可以兼容，不需要修改任何设置。 图9 控制器电路图3、控制器改良设计控制器的调速方法可以是开环、单闭环、双闭环下面我们来比较一下各个调速系统在控制器中的优缺点（1）开环调速系统 图10 开环调速系统方框图 图11 开环系统的原理图用直流电动机D来驱动一个需要以恒速转动的负载。当电位器R的滑动端确定在某一个位置时，电位器就给出一个确定的电压Ur，Ur经运算放大器、触发器和可控制硅功率放大器（称控制器）输出电压为Ua，Ua加在直流电动机两端。电动使以一个相应的转速n驱动负载转动。若改变滑动端的位置，Ur就改变，Ua、n都发生改变。故可知，对应电位器滑动端的某一个位置，电动机就运行在某一个对应的转速n上。从而达到了控制电动机的转速n的目的。如果负载发生变化，电动机转速偏离给定值，如果要求电机转速维持给定转速不变，这个系统不能实现。要实现就必须有人参与。由操作人员测出电机的实际转速，与给定的转速进行比较，判断出偏离的值，再由操作人员调整滑动端的位置使电动机转速恢复到给定值。从上面的分析可以看，给定值（Ur）直接控制电机转速，而电机转速n不能反过来影响Ur，这种控制系统称为开环控制系统。缺点由于开环控制不能自动修正被控制量的偏离，因此系统的元件参数变化以及外界未知扰动对控制精度的影响较大。 图12 开环控制系统结构图结构图可以表示开环控制系统输入量与输出量之间的关系，由图可以看出，输入量直接经过控制器作用于被控对象，所以输入量影响输出。当出现扰动时，没有人干预的情况下输出量不能按照输入量所期望的状态去工作，输出量不能反过来影响输入量。2、闭环调速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13 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 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、 开闭环调速比较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 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 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，当开环时 闭环时 （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 闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，在保证一定静差率的要求下，大大提高调速范围。闭环调速系统能够减少稳态降速的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路的电阻降。4、双闭环调速系统 图14 双闭环调速系统静态结构图静态结构图 图15 静态结构图（1）两个调节器，一环嵌套一环；速度环是外环，电流环是内环（2）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，而在稳态时为零（3）电流检测采用三相交流电流互感器（4）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， 控制器采用双闭环控制系统，由于电流环存在，可以实现对电流的限幅，即可以保护电动车在处于各种正常运行情况下最大电流输出值不会超出设定的电流限幅值，实现自动限流，另外由于双闭环的配合作用，可以使电机实现最理想的启动过程和加速过程，使蓄电池的电流得到有效的利用，从而可以增加电动自行车的行驶里程(四）驱动系统的设计 1、驱动电路及原理电动自行车使用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。 图16 驱动电路另一种脉宽调制型:脉宽调速（PULSE WIDE MODULATIONPWM）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。如图所示： 图17 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，VD为二者的平均值。VD=D*max式中D=t/Tc称为占空比，D越大VD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VD就可以有占空比D加以控制。 图18 驱动关系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，TaTb电机正转，TaTb则电动机正转。通过改变Ta、Tb的占空比即可改变转速。3、 电路设计 （一）电动车电源电路电源直接使用24V蓄电池电源则通过三端稳压器78L05将24V电源转换到5V。 图20电源电路图24V直流电源经三端稳压器78L05输出为单片机所要求的+5V电源。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结击穿而损坏。来控制单片机使电动车更好的运转。（二）控制电路 图21 控制电路1、控制电路的保护功能 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。当制动时，开关被推押闭合或被断开，而改变了原来的开关状态。这个变化形成信号传送到控制电路中，电路根据预设程序发出指令，立即切断基极驱动电流，使功率截止，停止供电。因而，既保护了功率管本身，又保护了电动机，也防止了电源的浪费。 (2) 欠压保护：这里指的是电源的电压。当放电最后阶段，在负载状态下，电源电压已经接近“放电终止电压”，控制器面板（或仪表显示盘）即显示电量不足，引起骑行者的注意，计划自己的行程。当电源电压已经达到放终时，电压取样电阻将分流信息馈入比较器，保护电路即按预先设定的程序发出指令，切断电流以保护电子器件和电源。 (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。控制电路中，必须具备这种过电流的保护功能，在过流时经过一定的延时即切断电流。 (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。电动自行车说明书上都特别注明载重能力，但有的骑行者或未注意这一点，或抱着试一下的心理故意超载。如果没有这种保护功能，不一定在哪个环节上引起损伤，但首当其冲的就是开关功率管，只要无刷控制器功率管烧毁一只，变成两相供电后电动机运转即变得无力，骑行者立即可以感觉到脉动异常；若继续骑行，接着就烧毁第2个、第3个功率管。有两相功率管不工作，电动机即停止运行，有刷电机则失去控制功能。因此，由过载引起的过电流是很危险的。但只要有过电流保护，载重超限后电路自动切断电源，因超载而引起的一系列后果都可以避免。 (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。车速超过某一预定值时，电路停止供电不予助力。对电动型电动自行车而言，统一规定车速为20km/h，车用电动机在设计时，额定转速就已经设定好了，控制电路也已经设好。电动自行车只能在不超过这个速度状态下运行。 控制器的位置不会影响到性能，主要视设计者的意图。但有几项原则：（1）在运行操作允许时、（2）在整体布置允许时、（3）在线路布设要求时、（4）在配套设施要求时。(三）充电器电路图及工作原理 图22 充电器电路图通电开始时，C11上有300v左右电压。此电压一路经T1加载到Q1。第二路经R5,C8,C3, 达到U1的第7脚。强迫U1启动。U1的6脚输出方波脉冲，Q1工作，电流经R25到地。同时T1副线圈产生感应电压，经D3,R12给U1提供可靠电源。T1输出线圈的电压经D4,C10整流滤波得到稳定的电压。此电压一路经D7（D7起到防止电池的电流倒灌给充电器的作用）给电池充电。第二路经R14,D5,C9, 为LM358(双运算放大器，1脚为电源地，8脚为电源正)及其外围电路提供12V工作电源。D9为LM358提供基准电压，经R26,R4分压达到LM358的第二脚和第5脚。正常充电时，R27上端有0.150.18V左右电压，此电压经R17加到LM358第三脚，从1脚送出高电压。此电压一路经R18,强迫Q2导通，D6（红灯）点亮，第二路注入LM358的6脚，7脚输出低电压，迫使Q3关断，D10(绿灯)熄灭，充电器进入恒流充电阶段。当电池电压上升到44.2V左右时,充电器进入恒压充电阶段，输出电压维持在44.2V左右，充电器进入恒压充电阶段，电流逐渐减小。当充电电流减小到200mA300mA时，R27上端的电压下降，LM358的3脚电压低于2脚，1脚输出低电压，Q2关断，D6熄灭。同时7脚输出高电压，此电压一路使Q3导通，D10点亮。另一路经D8，W1到达反馈电路，使电压降低。充电器进入涓流充电阶段。12小时后充电结束。开关电源式充电器的正确操作是：充电时，先插电池，后加市电；充足后，先切断市电，后拔电池插头。如果在充电时先拔电池插头，特别是充电电流大（红灯）时，非常容易损坏充电器。 常用的开关电源式充电器又分半桥式和单激式两大类，单激类又分为正激式和反激式两类。半桥式成本高，性能好，常用于带负脉冲的充电器；单激式成本低，市场占有率高。充电器的分类： 用有、无工频（50赫兹）变压器区分，可分为两大类。货运三轮充电器一般使用带工频变压器的充电机，体积大、重量大，费电，但是可靠，便宜；电动自行车和电摩则使用所谓开关电源式充电器，省电，效率高，但是易坏。用电动车充电器根据电路结构可大致分为两种。第一种是以uc3842驱动场效应管的单管开关电源，配合LM358双运放来实现三阶段充电方式。220v交流电经T0双向滤波抑制干扰，D1整流为脉动直流，再经C11滤波形成稳定的300V左右的直流电。U1 为TL3842脉宽调制集成电路。其5脚为电源负极，7脚为电源正极，6脚为脉冲输出直接驱动场效应管Q1(K1358) 3脚为最大电流限制，调整R25(2.5欧姆)的阻值可以调整充电器的最大电流。2脚为电压反馈，可以调节充电器的输出电压。4脚外接振荡电阻R1，和振荡电容C1。T1为高频脉冲变压器，其作用有三个。第一是把高压脉冲将压为低压脉冲。第二是起到隔离高压的作用，以防触电。第三是为uc3842提供工作电源。D4为高频整流管（16A60V），C10为低压滤波电容，D5为12V稳压二极管，U3(TL431)为精密基准电压源，配合U2(光耦合器4N35) 起到自动调节充电器电压的作用。调整w2(微调电阻)可以细调充电器的电压。D10是电源指示灯。D6为充电指示灯。 R27是电流取样电阻（0.1欧姆，5w）改变W1的阻值可以调整充电器转浮充的拐点电流（200300 m