無刷直流電機驅動電動自行車設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上江西理工大學應用科學學院電力拖動綜合課程設計專 業(yè)： 自動化 班 級： 092 學 號： 37 姓 名： 拾 光 設計題目： 電動自行車 設計報告格式25分設計內容45分答辯考勤總計得分封面3頁面布局5目錄格式3圖表質量4間行距、字體5頁眉頁腳5設計題目分析5系統(tǒng)控制方案8設備計算、選型7電氣原理圖調節(jié)器參數(shù)整定或程序設計101020主電路5控制電路5總圖5 2012年11月直流無刷電機驅動電動自行車設計目錄1 摘要無刷直流電機控制系統(tǒng)集電機、逆變電路、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，具有高可靠、高效率、壽命長、調速方便等優(yōu)點，在電動調速領域有著廣泛的應用。 

2、;根據(jù)項目參數(shù)要求，采用Mcrochip公司的PIC16F72單片機作為控制芯片，在硬件方面，進行了微控制單元電路設計、邏輯互鎖電路設計、轉子位置信號采集電路設計、電源電路設計、升壓電路設計、系統(tǒng)硬件保護電路設計、三相全橋逆變電路設計、逆變器驅動電路設計和顯示電路設計。 在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和結構化編程。根據(jù)無刷直流電機的控制原理，對系統(tǒng)的控制部分進行了詳細分析。設計了系統(tǒng)狀態(tài)顯示面板程序模塊。利用數(shù)字PI控制理論實現(xiàn)電機速度的閉環(huán)調制，提出了一種電機控制系統(tǒng)的接線模式自識別功能設計方案，能夠自動識別電機的換相角度、霍爾相位和電機輸出相位。2 設計要求:某電動自行車

3、自重40公斤，最高車速為30k m/h（城市平整路面），額定載重量為50公斤，要求采用直流無刷電機驅動，電機的功率235w左右,電池電源的供電電壓為48v左右,設計該系統(tǒng)的軟硬件，要求：1.對電機進行選型設計。2.能用電動車的把手進行調速。3.有電剎車功能。3 電動自行車原理3.1 電動自行車的特點作為一種新能源綠色交通工具，電動自行車具有以下特點:    無污染:電動自行車是以蓄電池發(fā)出的電源作為驅動能源，運行過程中無廢氣排放，不會對大氣造成污染；  低噪音、震動小:電動自行車采用電動機驅動，與用內燃機的摩托相比，運行產(chǎn)生的噪音顯著減小，通常要低10-

4、15db，且運行比較平穩(wěn)；  效率高:摩托車、燃油助力車的效率一般只有30%左右，而電動自行車采用電動機驅動系統(tǒng)，無空轉損頭，電池能量的80%以上轉化成為動力，而且可以在制動時候進行能量回饋，更加提高了他的能量利用率，其效率可高達到70%到80%以上；  安全、輕便、易維護:電動自行車的最高時速限制在30km/h以內，只能在非機動車道行使，可以快速起停，安全可靠。相對于摩托車，他的速度是大受限制，但在人口密集的城市城鎮(zhèn)是足夠了，能讓大眾普遍接受，而且他體積小、重量輕、整車質量大概在30-50kg，即使沒電時腳踏騎行也不會費勁，蓄電池是免維護的，電機的故障率也較低。3.2 電

5、動自行車的組成部分電動自行車一般由動力部分、傳動部分、行車部分、操縱制動部分、電氣儀表部分組成。動力部分：電動自行車的動力部分通常有蓄電池和電機構成，是電動自行車的動力來源。其性能的好壞，直接影響電動自行車的動力性和經(jīng)濟性。傳動部分：電動自行車傳動部分的作用是將動力部分輸出的功率傳遞給驅動輪，驅使電動自行車行使。通過變速器或調速器，使電動自行車獲得行使所需要的驅動力和速度，并保證電動自行車的平穩(wěn)起步和停車，他有變速器、后傳動裝置組成。行車部分：行車部分的作用是使電動自行車構成一個整體，支撐全車的總重量，將傳動部分傳遞到的扭矩轉換成驅使電自行車行使的牽引力，同時承受吸收和傳遞路面作用于車輪上的各

6、種反作用力，確保電動自行車正常、安全行使、他主要有車架、前減震器、前后輪、座墊等組成。操縱控制部分：操縱制動部分的作用是直接控制行車方向、行使速度、制動等，以確保電動自行車行使安全，他有車把、制動裝置、調速手把等組成。電氣儀表部分：電氣儀表裝置是保證車輛安全行使并反映車輛運動狀態(tài)的主要裝置，他使騎行者能正確、有效地對車輛行使適時地進行控制。他由數(shù)據(jù)顯示裝置、充電器等組成。4 電機的選擇4.1 電機介紹直流無刷電機是在有刷直流電機的基礎上發(fā)展起來的,它是以法拉第的電磁感應定律為基礎,而又以新興的電子技術,數(shù)字技術和各種機械原理為后盾。因此具有很強的生命力。1955年，美國D.哈利森等人首次申請用

7、晶體管換向電路代替電動機電刷接觸的專利,即無刷直流電機的雛形,經(jīng)過多年的努力,人們終于在1962年試制成功了借助霍爾元件來實現(xiàn)換流的直流無刷電動機。隨著比霍爾元件靈敏度高千倍左右的光敏二極管的出現(xiàn)。在20世紀80年代前后,又試制成功了借助光敏二極管實現(xiàn)換流的直流無刷電機。在德國N.米斯格林提出采用電容移相換流的方法基礎之上,R.哈尼特司等人試制成功借助數(shù)字式環(huán)分配器和過零鑒別器組合來實現(xiàn)換流的無附加位置傳感器的直流無刷電機。4.2 按工作特性分類1:具有直流電動機特性的無刷直流電動機由直流電源供電,借助位置傳感器來檢測轉子的位置,所檢測出的信號去觸發(fā)相應的電子換向線路,以實現(xiàn)無接觸式換流。該種

8、電機具有有刷直流電機的各種運行特性。2:具有交流電動機特性的無刷直流電動機由直流電源供電,但通過逆變器將直流電變換成交流電,去驅動一般的異步電動機。4.3 按傳感方式分類:無位置傳感器的無刷直流電動機分為電容移相式無刷直流電動機和數(shù)學式無刷直流電動機。4.4 無刷直流電機特點無刷直流電機控制系統(tǒng)集電機、逆變電路、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，具有高可靠、高效率、壽命長、調速方便等優(yōu)點，在電動調速領域有著廣泛的應用。無刷直流電機電動自行車的發(fā)明和使用對解決燃油車造成的嚴重環(huán)境污染和緩解日益突出的能源危機問題有一定的現(xiàn)實意義。5 無刷直流電機工作原理5.1 稀土永磁無刷直流電機的基本結構稀土永磁

9、無刷直流電動機的基本構成包括電動機基體、開關電路、位置傳感器三部分，如圖為直流電動機原理圖：圖5-1直流電動機原理圖5.1.1電機基體  稀土永磁電動機基體是由帶有電樞繞組的定子和永磁轉子組成。常用的有三種結構形式:轉子鐵心外圓粘貼瓦片形稀土永磁體;轉子鐵心中嵌入矩形板狀稀土永磁體:轉子外套上一個整體粘結稀土磁環(huán)的環(huán)形永磁體。還有一種外轉子式結構，即帶有稀土永磁極的轉子在外，嵌有繞組的定子在里。5.1.2開關電路  開關電路由逆變器和驅動電路組成。逆變器主電路有橋式和非橋式兩種。電樞繞組與逆變器聯(lián)接形式多種多樣，但應用最廣泛的是三相星形六狀態(tài)。驅動電路將控制電路的輸出信號進

10、行功率放大，并向各開關管送去能使其飽和導通與關斷的驅動信號。5.1.3轉子位置傳感器  轉子位置傳感器是檢測轉子磁極相對于電樞繞組軸線的位置，向控制器提供位置信號的一種裝置。它由定、轉子組成，其轉子與電動機同軸，以跟蹤電機本體轉子位置；其定子固定于電機本體定子或端蓋，以感應和輸出轉子位置信號。5.2 電機的基本工作原理 一般永磁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產(chǎn)生磁場，其轉子一電樞繞組通電后產(chǎn)生反應磁場，由于電刷的換相作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機的運行過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉矩驅動電動機不停地運轉。直流無刷電動機為了實現(xiàn)無刷換相，首先

11、要求把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上，把永久磁鋼放在轉子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機的結構正好相反，而且還要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關共同組成換相裝置，使得直流無刷電動機在運行過程中由定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉動中的轉子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場，在空間中始終保持在90。左右的電角度，從而產(chǎn)生轉矩推動轉子旋轉.無刷 直 流 電動機按驅動方式可以分為半橋驅動和全橋驅動，按繞組接法又可分為星形連接和角形連接。不同的繞組接法和驅動方式的選擇將會使電動機產(chǎn)生不同的性能并且成本也不同，主要從以下三個方面來進行分析:5.2.1繞組利用率 開關電路由逆變器和驅動電路組成.逆變器主電路有橋式和非

12、橋式兩種。電樞繞組與逆變器聯(lián)接形式多種多樣，但應用最廣泛的是三相星形六狀態(tài)驅動電路將控制電路的輸出信號進行功率放大，并向各開關管送去能使其飽和導通與關斷的驅動信號. 5.2.2轉矩的波動 無刷直流電動機的輸出轉矩波動比普通直流電動機大，因此希望盡量減小轉矩波動。一般相數(shù)越多，轉矩的波動越小，全橋驅動比半橋驅動轉矩的波動小。5.2.3電路成本 相數(shù)越多 ，驅動電路所使用的開關管越多，成本越高，全橋驅動比半橋驅動所使用的開關管多一倍，因此成本要高。多相電動機的結構復雜，成本也高。綜合上述分析，三相電機星形連接全橋驅動方式綜合性能最好，應用最多，本系統(tǒng)即是選擇的這種控制方式，下面

13、介紹三相無刷直流電動機星形連接全橋驅動的基本原理。5.3 三相無刷直流電機星形連接全橋驅動原理  無刷直流電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(shù)的影響，在轉子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。無刷直流電機控制器包括電源部分和控制部分，如圖所示。電源部分提供三相電源給電機，控制部分則按照需求轉換電源頻率。電源部分可以直接以直流電輸入或者以交流電輸入，如果是以交流電輸入就需先經(jīng)轉換器(converter)轉成直流電。不論是直流電輸入或是交流電輸入，送入電機線圈前須先將直流電壓由逆變器(inverter)轉成三相電壓來驅動電機。逆變器一般由六個功率晶體管

14、，分為上橋臂和下橋臂，連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關?？刂撇糠謩t提供PWM脈沖寬度調制信號決定功率晶體管開關頻率及逆變器換相的時機。對于無刷直流電機，當負載變動時，一般希望速度可以穩(wěn)定于設定值而不會有太大的變動，所以電機內部裝有霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度的閉回路控制，同時也作為相序控制的依據(jù)。電機轉動由霍爾傳感器感應到的電機轉子所在位置，決定開啟或關閉逆變器中功率晶體管的順序來控制，若系統(tǒng)要求加速，則增長功率管導通的時間，若要求減速，則縮短功率管導通的時間，此部分工作由PWM脈寬調制信號控制。下圖是三相無刷直流電機工作原理圖和逆變器原理圖圖5-3-1三相無刷直流電機工作

15、原理圖圖5-3-2逆變器原理圖6 電動車的控制部分設計6.1 本設計的主要工作 本對無刷直流電機的控制原理進行了詳細分析，依據(jù)無刷直流電機特性，針對電動自行車的控制需求，進行了無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計。  (1) 硬件部分 硬件部分以PIC16F72單片機作為控制芯片，逆變器由6個MOSFET管組成。通過微控制單元電路、逆變器驅動電路等電路模塊的設計，實現(xiàn)了電機的智能控制以及欠壓保護、過流保護、堵轉保護等保護功能，可靠的對電動車電機和電池進行保護，確保電動車使用及安全。 (2) 軟件部分 在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和結構化編程.實

16、現(xiàn)了信號的采集及處理，實現(xiàn)了電動自行車的電動、定速和助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯情況下具有自檢功能。利用數(shù)字PI控制理論實現(xiàn)電機速度的閉環(huán)調制。具體設計 如下:  選用PICI6P72單片機作為主控芯片;   采用開關型霍爾傳感器作為電機轉子位置傳感器;  通過對PIC單片機編程，實現(xiàn)電動車電動、定速和助力三種工作模式;  通過硬件電路和軟件編程，實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、欠壓、過流、堵轉保護功能;  通過軟硬件設計，實現(xiàn)電動自行車儀表盤顯示控制;  利用PI控制理論實現(xiàn)電機速度的閉環(huán)調制;  提出一 種軟件電機接線模式自識別設計方案

17、. 本設計實現(xiàn)了無刷直流電機的自動控制，硬件結構簡單、成本較低，具有升級空間，便于用戶二次開發(fā).設計中，利用PIC開發(fā)環(huán)境完成軟件編寫和調試;利用邏輯分析儀和示波器等完成硬件調試;借助于電動自行車實體，對軟硬件參數(shù)進行測試，實現(xiàn)結構優(yōu)化.6.2 電機驅動部分設計 無刷直流電機用永磁體制成轉子，用定子繞組換相來代替電刷換相，用霍爾元件傳感轉子位置信息。內置電機的3個霍爾元件會實時的輸出確定的3個電壓信號來表征轉子位置信息，數(shù)字控制電路根據(jù)不同的電壓信號，實現(xiàn)對驅動電路進行選擇性導通，使線圈產(chǎn)生激勵轉子轉動的磁力矩，在一個周期內，每個MOS管導通120°。 換流器中功率MOS管

18、在此設計中用到其開關態(tài)工作原理，MOS管有三個極G(柵極)、S(源極)、D(漏極)，MOS管的一個重要參數(shù)是VT，稱開啟電壓，當柵源電壓VGS 要讓電機轉動起來，首先控制部就必須根據(jù)霍爾傳感器感應到的電機轉子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序.圖6-2驅動部分電路使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以按同一方向繼續(xù)轉動直到控制部決定要電機轉子停止則關閉功率晶體管(或只開下

19、臂功率晶體管);要電機轉子反向則功率晶體管開啟順序相反。6.3 控制部分設計 電路分為譯碼電路部分、過流保護和調速電路部分，譯碼電路部分保障電機連續(xù)運行，控制電路部分主要用來進行電機的調速和過流保護以及相關狀態(tài)的顯示。 圖6-3-1電機譯碼部分設計原理圖考慮到電機連續(xù)安全的運行，防止在換相時交叉導通，若出現(xiàn)這樣的情況，兩管同時導通時，在兩管上的電壓降非常小，如同直接將電源加在導線上一樣，瞬間產(chǎn)生45A以上的電流，MOS管必然會被燒毀，因此同一驅動橋的兩MOS管不能同時導通，只能導通其中一只，在設計時，采用“互鎖”方案，可以防止此種情況的發(fā)生。“互鎖”的原理是當同一對驅動管中有一只導通時，另外一

20、只“G”(柵極)電壓一定是“0”(低電平)，在出現(xiàn)非正常情況而“G”電壓應該為低，但實際是高電平時，可強制性的將其拉到低，實際應用中可以用一片74LS38來實現(xiàn)(74LS38四2輸入與非緩沖器(OC)。 另一種方式來實現(xiàn)，如圖所示的第一個MOS管為P型IGBT，第二個為N型IGBT。圖6-3-2防管子直通電路采用此種設計的原因是保證此對MOS管不在同一時間導通而燒毀，在數(shù)字控制部分輸出為低電平時，第一個MOS管導通,并且在遇到?jīng)]有驅動信號，而TLP521輸入為高電平時，不會出現(xiàn)意外導通的情況。6.4 電機調速過流保護等功能部分電路設計 電機控制部分主要實現(xiàn)電機的調速和過流保護以及剎車的功能。調

21、速是通過對霍爾信號進行采樣，根據(jù)霍爾信號的頻率變化得到表示電機速度的電壓值，將這個電壓輸入到比較器，與調速電阻上的電壓進行比較，來決定輸出為高或者低電平，實現(xiàn)電機的加速和減速.圖6-4-1電機調速原理圖為保證電機的安全運轉，使其通過的電流不超過其最大承受值，所以在設計中必須對其進行保護，過流保護的原理是對下臂MOS管漏極電流進行采樣，放大合理的倍數(shù)后，與參考電壓進行比較，若取樣電壓超過安全值，比較器輸出低電壓，將MOS管截止，從而達到保護電機的作用，如圖：圖6-4-2過流保護原理圖6.5 剎車控制功能剎車控制功能是將兩個比較器的輸出接一開關到地，這樣，無論比較輸出是高電平還是低電平，只要開關接

22、通，均會將其電位直接拉低，截止導通的MOS管，達到剎車的目的。 7 無刷直流電機控制器硬件設計7.1 無刷直流電機控制器  無刷直流電機控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機和DSP芯片控制三種方式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)結構簡單，價格較便宜，但是系統(tǒng)靈活性不足，保護功能有限:以DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復雜，開發(fā)周期長，成本較高，不易在市場上推廣。本設計使用單片機作為主控芯片可以彌補上述兩方案的不足。  目前，市場上有很多無刷電機專用控制芯片，大部分電動車生產(chǎn)廠商采用Motorola公司的MC3303無刷電機專用控制芯片，它具有

23、無刷直流電機控制系統(tǒng)所需要的基本功能。本設計采用PIC16F72單片機作為主控芯片，不僅可以實現(xiàn)專用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，通過軟硬件設計，實現(xiàn)多功能的電機控制 7.2 單片機選擇依據(jù)價格因素。考慮到該設計要與市場接軌，因此價格問題尤為重要，要選擇一個性價比較高的單片機，包括單片機的單片價格和開發(fā)系統(tǒng)的造價。性能因素。通過對該系統(tǒng)分析，8位單片機可以滿足系統(tǒng)控制精度的要求.由于整個系統(tǒng)有多種模擬參數(shù)需要轉換成數(shù)字量，因此選用的單片機應該有多通道A/D轉換模塊。在無刷電機控制中，脈寬調制PWM技術廣泛應用，因此所選單片機應具有脈寬調制輸出端口。安全因素。電子產(chǎn)品的安全性是一個非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心，單片機的安全性必須達到系統(tǒng)要求。7.3 PWM信號在PLC單片機中的處理  改變直流電動機轉速的方法分為勵磁控制法(控制磁通)與電樞電壓控制法(改變電樞端電壓)。在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調制PWM(PulseWidth