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單片機
調控
電動
自行
車速
系統(tǒng)
設計
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單片機調控電動自行車速系統(tǒng)設計,單片機,調控,電動,自行,車速,系統(tǒng),設計
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I 目錄 目錄 . 畢業(yè)設計任務書 . 調研報告 . 摘要 . 第 1 章 概述 . 1 1.1 電動自行車的意義及發(fā)展狀況 . 1 1.1.1 電動自行車的意義 . 1 1.1.2 電動自行車的發(fā)展狀況 . 2 1.2 本課題的主要任務 . 3 第 2 章 電動自行車的研究 . 5 2.1 直流無刷電機原理簡介 . 5 2.1.1 直流無刷電機的發(fā)展 . 5 2.1.2 直流無刷電機的運行原理 . 5 2.2 電動自行車的驅動電機原理 . 7 2.2.1 有位 置傳感器的直流無刷電機原理 . 8 2.2.2 無位置傳感器的直流無刷電機原理 . 9 2. 3 電動自行車的轉矩 . 10 2. 3. 1 直流無刷電機的平均電磁轉矩 . 10 2.3.2 電動自行車的轉矩 . 12 第 3 章 直流無刷無位 置傳感器電動自行車的控制設計 . 13 3.1 無位置傳感器直流無刷電機的數學模型 . 13 3.2 電動自行車的啟動方法 . 15 3.3 電動自行車的運行參數顯示功能設計 . 17 3.3.1 速度顯示 . 17 3.3.2 蓄電池的容量 顯示 . 18 第 4 章 驅動控制的硬件設計 . 20 4.1 PIC 單片機簡介 . 20 4.2 直流無刷無位置傳感器電動機的反電勢檢測及換向控制 . 21 4.3 驅動電路 . 22 4.4 調速和過流保護 . 24 nts II 4.4.1 電動自行車的調速 . 24 4.4.2 過流保護 . 25 4.5 液晶顯示電路 . 26 第 5 章 系統(tǒng)軟件構成 . 28 5.1 系統(tǒng)主程序結構 . 28 5.2 中斷程序 . 29 5.2.1 反電勢過零中斷 . 29 5.2.2 定時中斷 . 30 5.2.3 A/D 中斷 . 32 5.3 程序編寫過程中的注意事項 . 34 總 結 . 35 參考文獻 . 36 致 謝 . 37 附錄 主程序流程圖 . 38 外文翻譯 . 39 nts III 畢業(yè)設計任務書 2013 年 03 月 28 日 畢業(yè)設計題目 單片機調控電動自行車速系統(tǒng)設計 指導老師 李潤海 職稱 工程師 專業(yè)名稱 機電一體化 班級 機電 21081 學生姓名 劉杰 學號 2060108117 設計要求 本課題研制的電動自行車用無位置傳感器直流無刷永磁電動機來驅動，用 PIC16C74 單片機作為主控芯片，它不僅克服了有刷直流電機的噪音、換向火花等缺點，而且避免了有位置傳感器直流無刷電機因位置傳感器帶來的不足；同時，它降低了制造和使用過程中的成本，提高了使用和維護的方便性，具有效率高、環(huán)保、經濟和方便的特點以及具有良好運行性能和巨大的市場潛力。 完成畢業(yè)課題的計劃安排 序號 內容 時間安排 1 確定論文題目，得出研究方向和研究計劃 2.26-3.03 2 資料收集與整理 3.04-3.11 3 確定論文大綱，得出論文框架 3.12-3.27 4 完成論文并檢查修改 3.28-4.18 5 查閱中英資料翻譯并定稿 4.19-4.25 答辯提交資料 PLC 競賽器設計說明書 計劃答辯時間 2013 年 4 月 27 日 無錫職業(yè)技術學院 控制技術學院 2013 年 03 月 03 日 nts IV 調研報告 當前電動自行車管理存在的問題及思考隨著科學技術的高速發(fā)展，城市 交通 的日新月異，各種新型交通工具也在不斷面世，自行車這種在我國百姓出行代步的重要交通工具，其外觀、性能等也在發(fā)生不斷變化。 1996 年，我國第一輛電動自行車 大陸鴿 在南京研制成功，此后 ,電動自行車便作為一種新型交通工具，以其輕便、靈活、省力、操作簡易等優(yōu)點得到越來越多的消費者的青睞。隨著道路上電動自行車的不斷增加，關于電動自行車的爭議也越來越多，尤其是電動自行車屬于機動車或是非機動車的定性以及其合法性的問題，已成為眾多業(yè)內 人事 關注的焦點。 2004 年 5 月 1 日，中華人民共和國道路交通安全法正式頒布，條款規(guī)定將電動自行車定性為非機動車，各地可以根據具體情況對其進行管理登記，但目前我國除北京、廣州等大城市實現了對電動車統(tǒng)一管理外，多數省份仍未能及時出臺相應法規(guī)制度，對電動車的管理仍處于觀望階段。盡管電動自行車在我國大部分地區(qū)未能上牌，仍屬于“黑戶”，但隨著電動自行車在速度、外型等方面的不斷更新，使得電 動自行車的消費者群體也在日益擴大， 1998 年，我國電動車銷售量僅為 6 萬輛 ,2003 年則升至 400 萬輛 ,面對著電動車隊伍的日益擴大 ,研究制定符合廣西發(fā)展的電動自行車管理對策，及時出臺與之相適應的管理法規(guī)，進一步改善交通秩序，提高交通管理水平，已成為我區(qū)交通管理部門所面臨的一個重要問題。 （一）道路交通秩序管理方面 當前，我區(qū)電動自行車在車輛定性上仍屬于非機動車范疇，因此，在我區(qū)各城市道路上，電動自行車仍與自行車、畜力車等混合行駛在非機動車車道內。據研究資料表明，自行車在有隔離帶的道路上行駛，平均車速約為 17.8 公里每小時，但如與其他車輛混合行駛，如道路內車速在 30 公里每小時的車輛占 20%以上，自行車的平均車速則會下降至 13 公里每小時甚至更低。因此，電動自行車車速越來越快，不但會對非機動車道內自行車等非機動車形成嚴重干擾，降低路通行能力，易造成交通堵塞，還容易引發(fā)交通事故，造成嚴重后果。 （二）道路交通事故處理方面 隨著道路上電動自行車的日益增多，電動車所引發(fā)的道路交通事故數量也在逐漸上升 ,今年 7月 20 日 ,我國甚至出現了第一例電動自行車撞死人的交通事故。目前 ,因我區(qū)電動自行車在定上仍屬于非機動車，這便使得道路交通 管理部門在交通事故處理中對責任難以認定。例如，假設路面上電動自行車與摩托車發(fā)生事故，在電動自行車屬于非機動車的前提下，應遵循道路交通安全法中所規(guī)定的“行人與非機動車無過錯”原則進行責任認定，但由于目前我區(qū)路面上行駛的電動自行車在整車質量、車型、車速上已經達到輕便摩托車甚至普通摩托車的標準，如在電動自行車上運用“無過錯原則”，不僅違反了道路交通事故責任認定中的因果關系推理原則，還與“無過錯原則”的“以人為本”的初衷相駁。同理，當電動自行車與非機動車發(fā)生交通事故時，電動自行車與自行車同屬于非機動車范疇，我 公 安 交通管理部門在責任認定也難以把握公正尺度，容易對交通事故責任認定工作造成困繞。除此之外，因我區(qū)電動自行車目前未能對電動自行 車實行登記上牌，更不存在第三者責任 保險 ，這便容易使部分電動自行車駕駛員在發(fā)生交通事故后產生畏罪心理和僥幸心理，造成肇事后逃逸現象，由于車輛無號牌，發(fā)生逃逸事故后也難以偵破，對交通管理工作產生嚴重影響。 nts V （三）車輛和駕駛員管理方面 當前 ，在我區(qū)自行車銷售市場上，有相當部分電動自行車未能通過安全技術檢驗標準，車輛的各方面安全性能、技術性能沒有得到保證。但由于我區(qū)目前缺少對電動自行車的統(tǒng)一管理，使得在路面上行駛的電動自行車得不到公安交通管理部門提供的技術監(jiān)督，車輛安全系數得不到保障。此外，在電動自行車的駕駛員中，有相當一部分駕駛“輕摩化”電動自行車的駕駛員未經過摩托車駕駛考試，未取得駕駛資格，對車輛駕駛操作技巧以及相關道路交通法規(guī)缺乏必要的認識，素質較低。在對電動自行車車輛與駕駛員的缺少統(tǒng)一管理的情況下，道路交通事故隱患也在不斷產生，對道路交 通管理工作也產生了不良影響。 三、解決電動自行車所存在問題的對策建議 我區(qū)電動自行車的存在，存在一定社會因素和深層次矛盾，涉及面廣、人員復雜。因此，為了做到既解決問題，又要保障社會穩(wěn)定，整治工作的原則應該是：區(qū)別對待、分類治理、標本兼治、全面推進。為此試提出如下管理建議： （一）明確分類，準確定性 目前，我區(qū)甚至我國大部分地區(qū)之所以在電動自行車管理上存在較多漏洞，其中一個重要原因便是電動自行車分類概念模糊，車輛類型定性不清，“身份不明”。因此，將電動自行車和電動摩托車明確區(qū)分開來，是管理工作的一個關鍵。 2004 年 10 月 1 日我國出臺的機動車運行安全技術條件 gb72582004 國家標準中對摩托車規(guī)定為“無論采用何種驅動方式，其最高設計車速大于 50 公里每小時，若使用內燃機，其排量大于 50ml 的兩輪或三輪車輛”。該標準同時還規(guī)定：“使用電動驅動的車輛，設計時速大于 20 公里每小時而小于 50 公里每小時的二輪或三輪車輛為輕便摩托車”。依據此標準和電動自行車通用技術條件，我們不難判斷，只有時速在 20 公里以下，整車質量不超過 40 公斤的電動自行車符合其定義，應屬非機動車范疇。而其他時速超過 20 公里，整車質量超過 40 公斤的 車輛，則應定性為摩托車，應按照機動車輛的身份進行管理。 （二）規(guī)范電動自行車車輛生產企業(yè)和銷售市場 目前，部分電動自行車廠商為了迎合消費者的心理，將電動自行車時速隨意提高，所制造的電動摩托車不但各方面技術條件遠不符合國家標準，各方面安全系數也得不到保證。而部分電動自行車生產廠家為了掩人耳目，在車身上安裝了限制車速的限速銷，將車速限制在 20 公以下，但這種極易拔除的限速銷在拔銷后，車速便能立刻提高到 40 公里以上。而更有部分銷售商在出售車輛時為了達到盈利的目的，不顧消費者的人身安全，在銷售車輛時幫助消費者拔除電動 自行車上所安裝的限速銷，以達到提高車速的目的。因此，只有迅速出臺相關政策和法規(guī)，進一步規(guī)范我區(qū)電動自行車生產和銷售企業(yè)，堅決杜絕電動自行車市場上以銷售電動自行車的名義出售電動摩托車的這種“掛羊頭賣狗肉”現象，我們才能從源頭上對目前存在的這種違規(guī)車滿街跑的現象進行控制，而不會出現“一邊賣、一邊抓”的混亂局面，為我們公安 機關 交通管理部門的管理工作提供有利的執(zhí)法環(huán)境。 （三）加大路面執(zhí)法力度 除了要對電動自行車生產企業(yè)進行規(guī)范管理外，我們公安交通管理部門還應該加大對路面上所行駛的電動自行車管理力度，并結合實際，在全區(qū)范圍內開展電動自行車專項治理行動。對于不符合國家規(guī)定 ,違規(guī)生產的各種電動摩托車 ,公安機關交通管理部門應出臺相關規(guī)定禁nts VI 止其上路行駛。對符合規(guī)定的電動自行車，公安機關交管部門則應準許其上路。對于路面上行駛的電動自行車，交通管理部門除按照中華人民共和國道路交通安全法中對非機動車的相關規(guī)定對其進行管理外，還應加大路面檢查力度 ,檢查電動自行車的最高時速是否超過規(guī)定 值，杜絕非法改裝電動自行車的現象，將電動自行車在非機動車道內的行車速度控制在道路交通安全法所規(guī)定的 15 公里每小時以內，以免對車道內其他非機動車造成干擾，同時也避免形成交通隱患。 （四）加大 宣傳 力度，提高群眾認識 目前，我區(qū)大多數百姓對電動自行車認識不足，不能很好地區(qū)分電動自行車與違規(guī)制造的電動摩托車的區(qū)別，在購買車輛時抱著求快心理，因此容易走進誤區(qū)，購 買了違規(guī)制造的車輛。因此，我們在日常交通管理宣傳工作中要加大對電動自行車相關知識的宣傳力度，通過各類媒體宣傳、交通安全課、展出圖片等方式， 教育 群眾區(qū)分電動自行車和電動摩托車的區(qū)別，并結合交通事故案例，要求群眾以保護自身安全為主，打消群眾在買車時的求快心理。同時，對于電動自行車的駕駛員，我們在開展宣傳教育時還要重點加強其對相關道路交通 法律 法規(guī)的認識，提高電動自行車駕駛員的整體素質，為我們對電動自行車開展整治工作創(chuàng)造一個有利的執(zhí)法環(huán)境，使我們的交通管理工作取得事半功倍的效果。 電動自行車的管理是目前我區(qū)道路交通安全管理的難點、熱點問題，又是必須加以解決的一個重點問題 ,這是一項艱苦的工作，決不能依賴于短期的突擊治理而解決。在交通管理中，我們必須結合我區(qū)的實際情況 ,邊研究、邊 總結 、邊 實踐 ，以取得良好的效果，從而推動整個交通管理工作達到一個新的水平 ,為道路交通管理工作取得一個良好的成績。 nts VII 摘要 ： 近年來，隨著人們生活的改善，摩托車、燃油助力車得到迅速發(fā)展，其排放的尾氣已造成 城市空氣嚴重污染，一些城市相繼制定法規(guī)限制摩托車、燃油助力車的使用來保護環(huán)境。發(fā)展短距離的綠色交通工具替代摩托車、燃油助力車成為一些國家的經濟和社會課題。 電動自行車具有 “ 零排放 ” ，是一種比較好的短距離綠色交通工具。由于電池問題，限制了電動自行車的行駛距離，但可以通過提高系統(tǒng)的效率來改善其性能。 本課題研制的電動自行車用無位置傳感器直流無刷永磁電動機來驅動，用 PIC16C74 單片機作為主控芯片，它不僅克服了有刷直流電機的噪音、換向火花等缺點，而且避免了有位置傳感器直流無刷電機因位置傳感器帶來的不足；同時，它 降低了制造和使用過程中的成本，提高了使用和維護的方便性，具有效率高、環(huán)保、經濟和方便的特點以及具有良好運行性能和巨大的市場潛力。 關鍵詞 ： 電動自行車；位置傳感器 ； 直流無刷電動機 ； 單片機控制 nts VIII Abstract:In the recent years， the motorbike has rapidly developed with the improving of living Chinese People. Because of air pollution of internal combustion engine the local governments of different cities in China come on a lot of rules of law to restrict the use of combustion engine and then to promote the environment protection. To replace the motorbike with a short green transportation has become some nations economic and social issue. This paper deals with an electric motor driven bike (EB) and its control stratagem. Without fail， EB 15 very helpful to environment protection. Nevertheless EB has its disadvantages， especially the too weak continuous run distance. Except the battery problem， the efficiency of the whole system 15 also one of the most important problems to be solved. A permanent brush-less and sensor-less DC motor and its control set are specially designed for this developed EB.A study on control stratagem and electronic resorts are given in this paper. A microchip PIC16C74 used as CPU and corresponding software developed by author 15 introduced in this control system. The experiments of the prototype show that the performance， including system efficiency， noise， spark，maintenance-free and its cost are obviously improved. It may be expected， that this EB driving system has really huge market potential. Key Words: Motor Bike； Position Sensor； BLDC Motor； Microcomputer controlled nts 1 第 1 章 概述 1.1 電動自行車的意義及發(fā)展狀況 1.1.1 電動自行車的意義 人類在進入工業(yè)化社會之后，大量使用地球上石油、煤等化石能源，使得空氣中的二氧化碳和二氧化硫急劇增加，造成了酸雨蔓延和溫室效應，特別是二十世紀后期，酸雨大面積擴展，幾乎蔓延至所有國家，“厄爾尼諾現象”、“拉尼拉現象”頻繁出現。酸雨造成農作物減產，大片森林死亡；溫室效應給工農業(yè)生產和人民生活造成的損失，無法估量。目前，發(fā)展中國家的空氣還在進一步惡化，我國作為世界上最大的發(fā)展中國家，環(huán)境問題已經引起黨和國家以及人民群眾重視。 研究表明，造成大氣污染的主要氣體有非甲烷有機物、氧化氮和一氧化碳等氣體。具統(tǒng)計，在美國城區(qū)的大氣中， 43%的非甲烷有機物、 57%氧化氮和 82%一氧化碳都是由燃油機動車廢氣排放產生的，而全世界 20%的一氧化碳排放量來源于燃油機動車的廢氣。由此可見，燃油機動車的廢氣己成為城市大氣污染的一個主要來源。 燃油機動車廢氣中的氮氧化物在太陽紫外線的照射下，容易形成高毒性的光化學煙霧，再加上機動車的噪音，嚴重污染著我們賴以生存的自然環(huán)境，直接危害著我們的身體健康。因此，在大城市，燃油機動車的廢氣和噪音已成為倍受關注的公害 之一。 隨著我國改革開放的深入，人民的生活水平日益提高，在家用轎車還沒有普及的情況下，摩托車和燃油助動車得以廣泛使用，這給我國城市的環(huán)境問題帶來很大壓力，例如在上海市，1995 年中心城區(qū)內機動車的一氧化碳、非甲烷有機物和氧化氮排污負荷分別占該區(qū)域內相應的排放總量的 76%、 93%和 44%；一些城市如上海、廣州、合肥、濟南等，己相繼出臺政策法規(guī)，停止或限量核發(fā)摩托車和燃油助動車的牌照。因此，研制生產出一種無污染、低噪音的交通工具來替代摩托車和燃油助動車，已是時代的需要。電動自行車正是在這樣的呼喚下，逐步走進人們 的生活中。 電動自行車與摩托車、燃油助動車相比較，它具有突出的優(yōu)點： （ 1）無污染 電動自行車是以蓄電池發(fā)出的電能作為驅動能源，以電動機作為動力，運行過程中沒有廢氣排放；因此和摩托車、燃油助動車相比，沒有污染。 （ 2）低噪音、振動小 電動自行車是由電動機驅動的，電動機在運行中產生的噪音比較小，運行比較平穩(wěn)。而nts 2 摩托車、燃油助動車是由燃油發(fā)動機驅動，其汽缸產生的噪音比較大，由于受到體積限制，其發(fā)電機的缸數較少，運行時不夠平穩(wěn)，振動較大。 （ 3）最高時速 20 公里，行駛安全 摩托車、燃油助動車的速度快，在機動車 道上行駛，事故率較高；而電動自行車，國家強制性規(guī)定（國標 GB 17761-1999）其速度不能超過 20km/h，并且電動自行車一般不能在機動車道上行駛，因此相比之下安全很多。 （ 4）效率高 摩托車、燃油助動車的效率一般只有 30%左右，而電動自行車的效率可以達到 70%以上。 （ 5）結構簡單、輕便，易維護、維修 電動自行車一般是有蓄電池、控制板、電機和車身組成；蓄電池用的是免維護的，電機的故障率較低，基本上不要維護，控制板由于現代的電力電子技術比較成熟，損壞率也比較低，另外電動自行車沒有機械傳動結構，體積小、重 量輕，因此相比摩托車、燃油助動車來說，其日常的維護、維修量少得多。 正是由于以上原因，電動自行車逐漸受到人們的歡迎。 1.1.2 電動自行車的發(fā)展狀況 為了解決燃油車對環(huán)境造成的嚴重污染和緩解日益突出的能源危機，許多國家都在尋找替代燃油機車的交通工具。相繼開發(fā)了以天然氣、甲醇為燃料的交通工具，相比之下，電動車以零污染、高效率、低噪音的特點被認為是真正的“綠色”交通工具，而電動汽車受到機電、電池的限制，批量進入市場還有一定的難度，電動自行車卻得到迅速的發(fā)展。 1、自從 1993 年雅馬哈公司的 PAS（能量輔助系統(tǒng) ）進入市場以來，電動自行車在日本己經成為短距離用交通工具的主流。日本本土 1996 年電動自行車的銷售量在 20 萬輛以上，1998 年 6、 7 兩個月日本共生產電動自行車 29432 輛，據報道日本電動自行車的需求量在 750萬輛，而且每年以 5%10%速度遞增，其中還有一半需進口。相繼之下，不少公司如本田、三菱、五十鈴等 50 多家公司參與電動自行車、電動助力車的研究開發(fā)，共生產出 48 個品種規(guī)格。日本的電動自行車的驅動系統(tǒng)多為永磁無刷電機，工作電壓為 24V 或 36V，功率在180W250W 之間；蓄電池一般以鎳鉻或鎳氫為主，容量 在 5 10Ah 之間，充電一次行駛里程約 2540Km；車速低于 24Km/h。 美國的電動自行車年需求量在 1500 萬輛左右，每年以 5%10%速度遞增大部分靠進口；美國克萊斯勒汽車公司的一款電動自行車年銷售量在 5 萬量以上，而尤尼克公司于 1998 年 6月推出的一款電動自行車，年銷售目標在 1000 萬輛。美國 ZAP（ Zero Air Pollution）公司生產的電動自行車是采用摩擦輪驅動方式，其主要特點是安裝方便，可以直接改裝普通自行車，nts 3 下坡或進行鍛煉時，驅動電機可作為發(fā)電機向蓄電池充電，從而延長行駛里程和蓄電池 的使用壽命，節(jié)約能源。 歐盟許多國家對電動自行車的年需求在量 1000 萬輛左右。德國的 MSG 公司、 DIAMANT公司、 SAGHS 公司、英國的 ASGHBAGH 公司、奧地利的 VEIECKRO 公司、 SCHACHANER公司生產的電動自行車己投入市場，銷路很好，致使德國奔馳、法國標致等大公司也把目標投入到電動自行車這一產品上來。 2、我國電動自行車在 7080 年代經歷了幾次大起大落之后，到 90 年代初又再度形成熱點，順應了 20 世紀世界環(huán)保的潮流。從 1996 年的“上海國際自行車展覽會”到 1997 年在浙江上虞召開的“全國電 動自行車信息交流會”的短短的一年里，國內開發(fā)廠家從 20 多家一躍發(fā)展到 100 多家。許多地方如上海、天津、江蘇、四川等省市都將電動自行車產業(yè)列入“九五”重點發(fā)展品種。電動自行車充分運用當今新技術、新材料，尤其采用集成電路、電子元器件，提高了電動自行車控制器的質量，使其可靠性、安全性、靈活性得到了提高。 中國是一個自行車王國，據報道全國自行車擁有量為 4.5 億。隨著我國城市化進程加快，用電動自行車替代摩托車、燃油助動車和自行車，一方面可以緩解城市中大氣污染問題，另一方面也可以提高人們的生活節(jié)奏，因此電動自行車的社會 需求市場巨大，據專家預測，本世紀初，我國電動自行車年需求量將達到 100 萬輛以上。 目前，我國市場上國產電動自行車的品種規(guī)格較多，驅動多數用有刷或無刷的輪式直流電機，工作電壓為 24V、 36V 或 48V，功率在 150W400W 之間；蓄電池一般用的是免維護鉛酸蓄電池，容量為 12Ah，充電時間在 38 小時左右，充電一次行駛里程約 50Km左右；車速低于 20Km/h，爬坡能力在 4 度上下；車型有普通型和豪華型，車重約 35Kg，載重量約 75Kg，百公里耗電量 1Kwh 左右。 1.2 本課題的主要任務 由于電動自行車的諸多優(yōu)點 ，市場需求量大，因此電動自行車在未來的發(fā)展?jié)摿Ρ容^大；但是目前市場上的電動自行車還或多或少存在一些不夠完善的地方。使用有刷直流電動機容易解決電壓的換向問題，但是噪音大，而且碳刷容易磨損、損壞，增大維護、維修難度、增加使用成本；使用位置傳感器，容易解決直流無刷電機換向時，轉子的位置檢測，但是增大了電機的設計、制造、安裝的難度和電機的體積，也增加成本。 因此，本課題主要任務是利用現代電力電子技術來解決無位置傳感器無刷直流電機換向問題，從而解決電動自行車控制、驅動中不完善的地方，同時設計出方便用戶使用的電動自行車 運行參數顯示和防盜系統(tǒng)。 本論文主要內容包括： nts 4 l、根據直流無刷電機的原理，利用美國 Microchip 公司生產的芯片 PIC16C74A 做為主控芯片，檢測直流無刷電機運轉時產生的反電勢來確定轉子的位置，從而確定換向點和換向時刻。 2、利用液晶技術，設計出電動自行車的運行過程中的參數顯示系統(tǒng)。 3、實驗、計算、分析結果得出結論。 nts 5 第 2 章 電動自行車的研究 2.1 直流無刷電機原理簡介 2.1.1 直流無刷電機的發(fā)展 直流無刷電機是在直流有刷 電機的基礎上發(fā)展起來的。由于直流有刷電機的換向器和電刷在電機高速運行時容易產生火花，引起火災、爆炸等事故，因此許多環(huán)境限制了直流有刷電機的應用。隨著科學技術的發(fā)展，開關型晶體管的研制成功，為直流電機的發(fā)展帶來生機。經過不斷的研究和實踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換向線路來替代直流有刷電機的機械換向裝置。六十年代初出現了用霍爾元件傳感器的直流無刷電機，七十年代初出現了比霍爾元件傳感器靈敏度高許多倍的磁敏二極管換流的直流無刷電機。隨著人們的不斷努力，又發(fā)現了不用位置傳感器，而依靠電機繞組在運轉時產生的反電 勢來獲得位置信號實現換向的直流無刷電機。通常把這種利用檢測繞組反電勢獲得位置信號的直流無刷電機稱為反電勢法無刷直流電機或直流無刷無位置傳感器電機。 由于直流無刷電機具有沒有換向火花，抗干擾性強，運行可靠，維護簡便，使用壽命長等優(yōu)點，使其得以廣泛應用于家庭、辦公、工業(yè)、軍事、航空航天等領域。 2.1.2 直流無刷電機的運行原理 一般的永磁式直 流電動機的定 子由永久磁 鋼組成，其 主要作用是在 電動機 氣隙中建立磁場，其電樞繞組通電后產生電樞反應磁場，由電力電子逆變器供給電樞繞組的電流并不是正弦波，而是 120 的方波，因而三相合成磁動勢不是恒速旋轉的，而是跳躍式的步進磁動勢，它和恒速旋轉的轉子磁動勢產生獻轉矩除了平均轉矩之外，還有脈動分量。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個磁場的方向在電動機運動的過程中始終保持一定的角度，從而產生最大平均轉矩而驅動電動機不停地運轉，與直流有刷電動機不同，直流無刷電動機的電樞轉一 圈，定子繞組只換相 6 次，每個極下換相三次，相當于只有三個換向片的直流電動機。 nts 6 圖 2-1 逆變器主電路 電子換向逆變器主電路如圖 2-1 所示， AA 、 BB 、 CC代表直流無刷電動機的三相定子繞組，采用 Y 型連結，逆變器為兩兩通電方式， 120導電型。首先假設轉子處于圖 2-2(a)的位置，若此時使 V3、 V4 導通，則電流從 B 端流入， A 端流出，定子磁動勢為 Fa，如圖 -2(a)示，在 Fa 的作用下，轉子將順時針旋轉，轉到圖 2-2(b)的位置時， 圖 2-2 無刷直流電動機的運行原理圖 如果使 V4、 V5 導通，則電流由 C 端流入， A 端流出，定子磁動勢為 Fb，在 Fb 的作用下，nts 7 轉子將繼續(xù)順時針旋轉，依次類推，如果每隔 60 電角度順序使 V5 和 V6、 V1 和 V6、 V1和 V2、 V3 和 V2 兩兩導通，即可使定子磁動勢分別如圖 2-2(c)、圖 2-2(d)、圖 2-2(e)、圖 2-2(f)所示，從而形成旋轉磁動勢，在這個磁動勢的作用下，轉子也會隨之旋轉，如果使開關管反復按上述規(guī)律導通，即可使轉子持續(xù)旋轉下去，且定子磁動勢總是超前于轉子磁極軸線角度60 120 之間。其各相繞組導通示意圖如圖 2-3 所示。 圖 2-3 各相繞組導通示意圖 由上述 的分析可見，要使直流無刷電動機正確的換相運行，必須知道圖 2-2 所示的六個轉子關鍵位置，六個轉子關鍵位置即對應著直流無刷電動機的反電動勢的過零點后的 30（ 電角度）處。如果是有位置傳感器直流無刷電動機，則可以通過傳感器來直接獲得轉子的六個轉子關鍵位置的信息，如果是無位置傳感器無刷直流電動機，則需要通過直流無刷電動機的三相定子繞組的反電勢直接或間接的獲得轉子的位置信息。 2.2 電動自行車的驅動電機原理 電動自行車的發(fā)展離不開其所采用的核心驅動元件 電機的發(fā)展，電機是電動自行車發(fā)展的主要標志。第一代電動自行車 使用的的是有刷高速繞組式電機，電機的轉速達 3000 轉左右，通過齒輪減速，其噪音大，效率低，故障率高；第二代電動自行車使用的的是有刷低速電機或有位置傳感器的無刷電機，其噪音、故障率有所下降，效率有所提高，但維護、安裝難度還是比較大；第三代電動自行車使用的的是無刷無位置傳感器的稀土永磁電機，其噪音小，效率高，維護、安裝都比較方便。目前，國內市場上電動自行車使用的電機有三種：有刷電機、有位置傳感器無刷電機和無刷無位置傳感器電機。 nts 8 2.2.1 有位置傳感器的直流無刷電機原理 有位置傳感器的直流無刷電機主要由電動機的 本體、位置傳感器和電子開關線路三個部分組成，其原理框圖如圖 2-4 所示。有位置傳感器的直流無刷電機的電流換向主要是通過位置傳感器測得轉子位置，確定功率開關器件的導通或關閉，其結構原理圖如圖 2-5 所示，位置傳感器是由六只光電器件 Pl、 P1 、 P2、 P2 、 P3、 P3 組成，位置各 圖 2-4 有位置傳感器的直流無刷電機原理框圖 相差 60 ，均勻分布在電機的一端，借助安裝在電機軸上的旋轉遮光板（或稱截光器）的作用，使得從光源依次照射在各個光電器上，并依照某光電 器是否被照射到光線來判斷轉子的位置。當某光電器被光照射到時，它所連接的功率開關器件就導通，當某光電器沒有被光照射到它所連接時的功率開關器件就關閉。圖 2-5 中旋轉遮光板所在位置，光電器 P2、 Pl 被光照射到，它所連接的 V3、 V4 導通，其所對應的轉子位置和繞組產生的磁動勢 Fa 如圖 2-2(a)所示；當電機按順時針方向運轉，光電器依次是 pl 、 P3， P3、 P2 ， P2 、 Pl， P1、 P3、，P3 、 P2 被光照射到使得它們所對應連接的功率開關器件 V4、 V5， V5、 V6， V6、 V1， V1、V2 ， V2、 V3 依次導通， 其所對應的轉子位置和繞組產生的磁動勢 Fa 分別如圖 2-2(b)、 2-2(c)、2-2(d)、 2-2(e)、 2-2(f)所示，從而實現直流無刷電機的換向。 圖 2-5 有位置傳感器無刷電機的結構原理圖 直流電源 開關電路 電動機本體 位置傳感器 nts 9 2.2.2 無位置傳感器的直流無刷電機原理 有位置傳感器的直流無刷電機的換向主要靠位置傳感器檢測轉子的位置，確定功率開關器件的導通順序來實現的，由于安裝位置傳感器增大了電機的體積，同時安裝位置傳感器的位置精度要求比較高，帶來安裝的難度；因此人們在研究過程中發(fā)現，利用電子線路替代位置傳感器檢測電機在運行過程中產生 的反電勢來確定電機轉子的位置，實現換向。從而出現了無位置傳感器的直流無刷電機，其原理框圖如圖 2-6 所示。由圖 2-2 無刷直流電動機的運行原理圖可知，當電機在運行過程中，總有一相繞組沒有導通，此時可以在該相繞組的端口檢測到該繞組產生的反電勢，該反電勢在 60 的電角度是連續(xù)的，由于電難度極大，因此必須找到該反電勢與轉子位置的關系，才能確定轉子的位置。從圖 2-7 中可以看出，反電勢在60 的電角度過程中總有一次經過坐標軸（過零點），而此點的電角度和下一次換向點的電角度正好相差 30 ，故可以通過檢測反電勢過零點，再延時 30換向。以圖 2-2 為例，假設轉子在圖 2-2 (a)所示的位置為
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