電動(dòng)自行車用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器設(shè)計(jì)

1、電動(dòng)自行車用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器設(shè)計(jì)王宏華, 王友義(河海大學(xué), 江蘇南京210024摘要:本文結(jié)合作者研制實(shí)踐, 論述了電動(dòng)自行車用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思路及具體實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞:電動(dòng)自行車; 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī); 控制器中圖分類號:TM352,T M571文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號:10072760X (2001 20220030203A Design of Switched R eluctance Motor Drive for E lectrical BicycleW ANG H ong 2hua ,W ANG Y ou 2yi(Department of Automation ,

2、Hehai University ,Nanjing 210024,China Abstract :This paper presents s ome design considerations for electrical bicycle which is driven by a 150W switched reluctance m otor. S ome detail designs and research results are given in the paper. K ey w ords :electrical bicycle ;switched reluctance m otor

3、;controller1引言市場前景誘人, 。在我國, 已有百余家企業(yè)敏銳地抓住電動(dòng)自行車這一時(shí)代造就的巨大商機(jī), 投身電動(dòng)自行車產(chǎn)品的研究、開發(fā)、生產(chǎn), 相信將有更多的企業(yè)躋身于電動(dòng)自行車市場的國際性競爭。眾所周知, 電動(dòng)自行車開發(fā)中的“瓶頸”是蓄電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)自行車的心臟, 堅(jiān)固可靠、高效率、低噪聲是對其基本的要求。目前, 采用機(jī)械換向的印刷繞組盤式電機(jī), 作為一種高性能的直流伺服電機(jī), 被廣泛用于電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng); 采用功率電子開關(guān)電路取代機(jī)械換向器的直流無刷電機(jī), 在電動(dòng)自動(dòng)車中, 也有較多的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展, 融新的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)開關(guān)型磁阻

4、電動(dòng)機(jī)(S witched Reluc 2tance M otors , 簡稱SR 電機(jī) 與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體的新型機(jī)電一體化的交流調(diào)整系統(tǒng)開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)(S withched Reluctance M o 2tor Drives , 簡稱 SRD , 在電動(dòng)車輛(Electrical Vehicle 驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用, 開始受到重視。SR 電機(jī)系雙凸極變磁阻電動(dòng)機(jī), 其定子和轉(zhuǎn)子凸極均由具有高磁導(dǎo)率收稿日期:2000207211作者簡介:王宏華. 河海大學(xué)電氣學(xué)院副院長, 教授; 定子極, 徑向相對的兩個(gè)繞組串聯(lián)(或并聯(lián) , 構(gòu)成一“相”。SR 電機(jī)可設(shè)計(jì)成多種不同相數(shù)結(jié)構(gòu),

5、且定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同搭配。作者認(rèn)為SR 電機(jī)在電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)中具有明顯優(yōu)勢, 這是因?yàn)?a SR 電機(jī)堅(jiān)固, 制造工藝簡單, 成本低。突出優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子無任何繞組亦無永磁體, 定子線圈嵌裝容易, 端部短而牢固, 適用于環(huán)境惡劣場合。b 轉(zhuǎn)矩方向與相電流方向無關(guān)。只要控制各相在不同電感區(qū)域內(nèi)的瞬時(shí)電流, 既能方便地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)和制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的切換, 無須輔助電力電子開關(guān)器件, 故可降低系統(tǒng)成本。相電流的單向流動(dòng), 使得其功率主電路結(jié)構(gòu)簡單, 且具有普通交流電機(jī)系統(tǒng)及無刷直流電機(jī)系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點(diǎn):相繞組與主開關(guān)是串聯(lián)的, 從結(jié)構(gòu)上排除了短路故障的可能。c 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大, 在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)均具

6、有高輸出和高效率, 具有顯著的節(jié)能效果。d 控制參數(shù)多, 控制方式靈活, 可方便地實(shí)現(xiàn)無級調(diào)整。鑒于以上認(rèn)識(shí), 我們開展了電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)用SR 電機(jī)的研究和開發(fā)工作。302電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)用SR 電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)我們通過對電動(dòng)自行車市場的調(diào)研并且基于研究開發(fā)SRD 的經(jīng)驗(yàn), 提出如下SR 電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo):a 額定電壓:36V (DC ; b 額定電流6A ; c 額定功率150W ; d 額定轉(zhuǎn)速190r/min ; 在0210r/min 范圍內(nèi)無級調(diào)速; e 額定效率>75%; f 額定轉(zhuǎn)矩>5. 8N m , 過載倍數(shù)>2. 5; g 噪聲<53dB ; h 外型為

7、圓盤型, 直徑×軸向尺寸控制在180mm ×40mm 之內(nèi); i 載重90kg 。采用電壓PW M 控制實(shí)現(xiàn)SR 電機(jī)無級調(diào)速, 控制器具有如下基本功能:a 電池電量顯示; b 無級調(diào)整; c 起動(dòng)電流緩沖; d 過載限流及保護(hù); e 欠壓保護(hù); f 剎車制動(dòng)。設(shè)計(jì)推薦選用36V 、7A h 的鉛酸免維護(hù)電池。數(shù)、極弧設(shè)計(jì)準(zhǔn)則, 可用于SR 電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的初步計(jì)算; 此外, 類比法也是SR 電機(jī)初步設(shè)計(jì)階段行之有效的估算方法。第一臺(tái)140W 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)定子外徑為150mm , 鐵芯疊長為20mm , 采用DR510-50,0. 5mm 硅鋼片疊壓。3. 2功率變換器設(shè)計(jì)功率變

8、換器在整個(gè)SRD 成本中占有主要比例, 而且其性能的好壞對系統(tǒng)性能指標(biāo)有直接影響。因此, 功率變換器設(shè)計(jì)是提高性能/ 價(jià)格比的關(guān)鍵之一。圍繞處理放電繞組磁場能量問題, 已出現(xiàn)多種不同的主電路結(jié)構(gòu)形式, 如不對稱半橋電路、雙繞組功率變換器、雙極性直流電源功率變換器、帶貯能電容的功率變換器、Miller 功率變換器等。經(jīng)綜合比較和實(shí)驗(yàn)研究, 確定采用六管不對稱半橋線路(圖2 。33. 1SR 電機(jī)設(shè)計(jì)SR 電機(jī)可設(shè)計(jì)成多種不同相數(shù)的結(jié)構(gòu), 且定子和轉(zhuǎn)子極數(shù)有多種不同的搭配。相數(shù)多 , 利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 且主開關(guān)器件多, 成本高。研究表明, 低于三相的SR 電機(jī)沒有自起動(dòng)能力。綜合考

9、慮, 選用三相(6/4 SR 電機(jī)結(jié)構(gòu), 圖1為樣機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片示意圖。圖2功率變換器主電路圖1三相(6/4 SR 電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子沖片示意圖由于SR 電機(jī)內(nèi)部磁場的非線性及由非線性開關(guān)電源供電, 其電磁轉(zhuǎn)矩精確解析很困難。Lawren 2s on 等以線性化方法為基礎(chǔ)提出的SR 電機(jī)極數(shù)、相圖2線路的特點(diǎn)是:a 各主開關(guān)管的電壓定額為U s 。b 由于主開關(guān)管的電壓定額與電機(jī)繞組的電壓定額近似相等, 所以這種線路用足了主開關(guān)管的額定電壓, 有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流。因?yàn)椴捎?6V 的DC 電源, 若采用雙極性直流電源電路, 只有一半的電源電壓(18V 加到相繞組兩端, 會(huì)引起電流增

10、大。c 由于每相繞組接至各自的不對稱半橋, 在電路上, 相與相之間的電流控制是完全獨(dú)立的。d 可給相繞組提供三種電壓回路, 即上、下主開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的正電壓回路; 一只主開關(guān)保持導(dǎo)通另一只主開關(guān)關(guān)斷時(shí)的零電壓回路; 上、下主開關(guān)均關(guān)斷時(shí)的負(fù)電壓回路。這樣, 采用斬波調(diào)速方式運(yùn)行時(shí), 可采用能量非回饋式斬波方式, 即在斬波續(xù)流期間, 相電流在“零電壓回路”中續(xù)流, 避免了電機(jī)與電源間的無功能量變換, 這對增加轉(zhuǎn)矩、提高功率變換器容量的利用率、抑制電源電壓波動(dòng)、降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都是有利的。31江蘇機(jī)械制造與自動(dòng)化2001年第 2期電氣技術(shù)與自動(dòng)化電動(dòng)自行車用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及控制器設(shè)計(jì)e 每相需兩只主開

11、關(guān), 未能充分發(fā)揮單極性的SR 電機(jī)功率變換器較其它交流調(diào)速系統(tǒng)變流器固有的優(yōu)勢?？紤]到應(yīng)用場合為低壓小功率, 故選用P ower M OSFET 為主開關(guān)器件。主開關(guān)器件在關(guān)斷狀態(tài)所承受的最小正向阻斷電壓為U s +U L , 其中U L 為考慮引線電感導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)的電壓尖脈沖所加的裕U L 與漏電感、量, 換相電流、電機(jī)工況及軸上機(jī)械能、濾波電容的大小均有關(guān), 難以精確確定?？紤]到現(xiàn)在器件定額值指的已是安全極限值, 超過即會(huì)損壞器件, 安全系數(shù)應(yīng)為2左右, 耐壓定額U r 應(yīng)滿足U r (1. 82. 2 U s 。因?yàn)镻 ower M OSFET 電流峰值/有效值額定較大, 故有效值電流定

12、額將是決定功率變換器容量的主要參數(shù)。但精確確定電流定額困難很大, 一般近似計(jì)算。經(jīng)計(jì)算選用的P ower M OSEFT 為2SK 1389, 續(xù)流二極管選用快恢復(fù)二極管M UR460。控制。安裝在SR 電機(jī)上的三個(gè)轉(zhuǎn)子位置光電傳感器輸出的三個(gè)位置信號, 送至邏輯控制電路, 以準(zhǔn)確、及時(shí)地產(chǎn)生對應(yīng)的“開”“、關(guān)”信號, 控制對應(yīng)相繞組的通、斷。因轉(zhuǎn)子位置檢測信號的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比, 所以, 位置檢測信號通過F/V 集成電路得到速度反饋信號。脈沖寬度調(diào)制由線性PW M 集成電路SG 3524實(shí)現(xiàn)。其為定頻脈寬調(diào)制電路, 斬波頻率f T 由外接電容C T 和外接電阻R T 決定。從減小電機(jī)負(fù)載

13、電流脈動(dòng)和減小電機(jī)噪聲方面考慮, 以增大f T 為宜; 但從降低M OSFET 開關(guān)損耗、換相損耗及改善低速特性, f T 亦不宜太大。當(dāng)然f T 過小, 還可能使起動(dòng)困難, 或影響低速性能, 故f T 的合理設(shè)計(jì), 對系統(tǒng)整體性能提高有重要意義, 一般可在1215kH z 內(nèi)選取。為使系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)、, 速度調(diào)節(jié)采用。3. 3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者采用電壓PW M 制。研制的用 3。, 已研制出第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī), 并且在實(shí)施中進(jìn)行了負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn)。所用的負(fù)載為CZ (10N m 磁粉制動(dòng)器, 性能測試采用Z J 型(10N m 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和Z J Y W1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀。測試結(jié)果為:在SR 電機(jī)(定子外徑為150mm , 鐵芯疊長為20mm 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī) 輸出功率為140W 左右的一些運(yùn)行點(diǎn)上, 其直接輸出轉(zhuǎn)矩(不經(jīng)減速齒輪放大 已達(dá)1N m 左右。當(dāng)然, 這樣的出力, 如不通過一級減速齒輪放大仍然不夠。但是現(xiàn)在SR 電機(jī)外徑僅為150mm , 鐵芯疊長僅為20mm , 其尺寸還有增大的余地。隨著徑向尺寸和鐵芯疊長的增大, 其輸出轉(zhuǎn)矩將成比例增大。經(jīng)第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn), 我們獲得了一些經(jīng)驗(yàn), 正在修改設(shè)計(jì)數(shù)據(jù), 增加鐵芯疊長, 研制新的樣機(jī)。作者相信:經(jīng)過不斷的努力,SR 電機(jī)在電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中將發(fā)揮重要作用。參考文獻(xiàn):1王宏華1開關(guān)磁阻電