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1、 煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程 系 機(jī)電一體化技術(shù) 專業(yè) 09 級(jí) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目:電動(dòng)自行車電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓名 李春澤 學(xué)號(hào) 2009060204 指導(dǎo)教師（簽名） 二○一一年 十一月十日 機(jī)電工程系09級(jí) 高職學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 設(shè)計(jì)題目 電動(dòng)自行車電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2、 學(xué)生姓名 李春澤 系別 機(jī)電工程系 專業(yè) 機(jī)電一體化技術(shù) 班級(jí) 機(jī)電09305 指導(dǎo)教師 張波 職稱 副教授 課題來源 實(shí)踐需要 任務(wù)書下達(dá)時(shí)間 2011-10 系主任簽字 教研室主任簽字 一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo) 主要內(nèi)容為電動(dòng)自行

3、車電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)主要內(nèi)容： 主要內(nèi)容：（1）完成電動(dòng)自行車電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) （2）撰寫論文 2、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基本要求 （1）使用先進(jìn)的調(diào)速系統(tǒng)； （2）實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車電機(jī)換向的改良 （3）實(shí)現(xiàn)保護(hù)器保護(hù)電機(jī)作用； （4） 要求有電路圖、系統(tǒng)電路圖、原理圖等。 技術(shù)指標(biāo)： (1)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的安全啟動(dòng)和停止（2）在運(yùn)行過程中防止出現(xiàn)過載堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象（3)在電動(dòng)車調(diào)速的過程中防止出現(xiàn)過流的現(xiàn)象(4)在電機(jī)運(yùn)行中不能出顯換向器燒壞的事件 2、 所需數(shù)據(jù)材料及參考文獻(xiàn): 《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)（第4版）》顧繩谷 《電力電子技術(shù)基礎(chǔ)》

4、邢巖 王莉娜 　　 《 電工學(xué)》第六版(上冊(cè))秦曾煌 《交直流調(diào)速系統(tǒng)》(第二版) 史國(guó)生 三、進(jìn)度計(jì)劃 序號(hào) 階段性工作及成果 時(shí)間安排 1 申報(bào)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題 2011年9月—2011年10月 2 開題會(huì)，各指導(dǎo)教師下達(dá)任務(wù)書。 2011年10月 3 課題設(shè)計(jì)、撰寫論文、實(shí)物制作 2011年10月—11月 4 上交有關(guān)材料給指導(dǎo)老師 2011年11月25日前 5 答辯時(shí)間 2011年12月15日-20日

5、 指導(dǎo)教師（簽名）： 【摘要】本文主要介紹可電動(dòng)自行車的控制系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)中電機(jī)主要用于控制器，可對(duì)電動(dòng)機(jī)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，因某種故障或誤操作而導(dǎo)致的可能引起的損傷等故障出現(xiàn)時(shí)，電路根據(jù)反饋信號(hào)采取的制動(dòng)斷電、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、欠速保護(hù)、限速保護(hù)等的保護(hù)措施及測(cè)速和調(diào)速功能；傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)方式有直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 【關(guān)鍵詞】無刷電機(jī)；制動(dòng)斷電；欠壓保護(hù)；過流保護(hù)；過載保護(hù)；欠速保護(hù)；限速保護(hù) 。 前 言 隨著社會(huì)科技的發(fā)展電動(dòng)車的作用也越來

6、越重要他廣泛的進(jìn)入到農(nóng)村成為農(nóng)村和城市重要的交通工具。目前的電動(dòng)車一走進(jìn)了千家萬戶替代了以前的自行車成為最為普遍的交通工具在人們的日常生活中發(fā)揮的作用越來越重要，電動(dòng)自行車簡(jiǎn)單方便價(jià)格便宜是中低層收入者的首選。但是，由于種種原因他也造成了很多的麻煩。電動(dòng)車的電池造成資源的浪費(fèi)及環(huán)境的污染低成本也有低技術(shù)的存在。低成本就意味著地保障率，實(shí)際上放任自流，無序發(fā)展，是不可取的。而應(yīng)像農(nóng)用車一樣規(guī)范發(fā)展。比如規(guī)定安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定電池必須回收，規(guī)定不上等級(jí)公路。 煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文) 誠 信 承 諾 書 本人慎重承諾： 我所撰寫的

7、設(shè)計(jì)（論文）《 電動(dòng)自行車電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 》是在老師的指導(dǎo)下自主完成，沒有剽竊或抄襲他人的論文或成果。如有剽竊、抄襲，本人愿意為由此引起的后果承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的研究成果歸屬學(xué)校所有。 學(xué)生( 簽名 ) 年 月 日 目　　錄 摘要 II 一、概述 1 (一)電動(dòng)車的發(fā)展史 1 (二)電動(dòng)車知識(shí)介紹 1 (三)電動(dòng)車對(duì)電機(jī)的要求 6 (四)輪轂電機(jī)的性能 6 (五)選用輪轂電機(jī) 8 二、總體設(shè)計(jì) 9

8、 (一) 電機(jī)換向設(shè)計(jì) 9 (二) 調(diào)速方法改良設(shè)計(jì) 12 （三）控制器的改良設(shè)計(jì) 14 （四）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21 三、電路設(shè)計(jì) 24 (一)電源電路 24 (二)控制電路 24 (三)充電器電路及工作原理 26 （四）驅(qū)動(dòng)電路 27 四、主要器件性能及原理 28 （一）轉(zhuǎn)把 28 （二）閘把 28 （三）助力傳感器 29 （四）MOS管 29 （五）運(yùn)放 29 （六）穩(wěn)壓管 30 （七）PI調(diào)節(jié)器 31 結(jié)論 32 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 一、概 述 （一）電動(dòng)車的發(fā)展史 電動(dòng)車的發(fā)展史比燃油汽車更長(zhǎng)，世界上第一輛

9、機(jī)動(dòng)車就是電動(dòng)車。后來，由于燃油汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，而電動(dòng)車在能源技術(shù)和行駛里程的研制上長(zhǎng)期未能取得突破，從20世紀(jì)20年代初至60 代末，電動(dòng)車的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)沉寂期。進(jìn)入70年代以來，由于中東石油危機(jī)的爆發(fā)以及人類對(duì)自然環(huán)境的日益關(guān)注，電動(dòng)車才再度成為技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。近幾十年來，主要工業(yè)化國(guó)家為電動(dòng)車的開發(fā)投入了大量的人力和財(cái)力，電動(dòng)車的各項(xiàng)相關(guān) 技術(shù)也取得了重大的進(jìn)展。盡管電動(dòng)車在能源和行駛里程的研制方面，至今尚未取得突破性 的進(jìn)展，但是電動(dòng)車的美好前景仍然激勵(lì)著人們鍥而不舍地開發(fā)新型電動(dòng)車，改善其性能。 現(xiàn)代電動(dòng)車的能源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、智能化的能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、車載空調(diào)系

10、統(tǒng)和變速系統(tǒng)，電動(dòng)車的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及未來智能化的交通系統(tǒng)的發(fā)展。根據(jù)各類子系統(tǒng)的不同特點(diǎn).近年來，各種顯示高新技術(shù)的電動(dòng)車層出不窮，日新月異。 (二）電動(dòng)車基礎(chǔ)知識(shí)介紹 電動(dòng)車是以電能為驅(qū)動(dòng)能源，通過電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)行駛的車輛。如電動(dòng)滑板車、電動(dòng)自行車、四輪電動(dòng)代步車、電動(dòng)沙灘車、電動(dòng)卡丁車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車等。 其中：電動(dòng)自行車是以蓄電池作為輔助能源，具有兩個(gè)車輪，能實(shí)現(xiàn)人力騎行、電動(dòng)或電助動(dòng)功能的特種自行車。 1.主要結(jié)構(gòu): (1)、電機(jī) ( 2)、電池 ( 3)、控制器 (4)、充電器 ( 5)、儀表 (6)、前后輪 (7)、車架 (8)

11、、塑件等。 2.整車主要技術(shù)性能： (1)最高車 25公里/小時(shí)整車質(zhì)量 39公斤(2)續(xù)行里程： 50公里 (3)百公里電耗： 1.5度(4)輪徑： 24吋 (5)電池種類： 鉛酸免維護(hù)(6)電池組標(biāo)稱電壓： 36伏 (7)標(biāo)稱容量: 12安時(shí)(8)電動(dòng)機(jī)型式： 有刷直流永磁 (9)電動(dòng)機(jī)額定功率： 180瓦(10)額定轉(zhuǎn)速： 210轉(zhuǎn)/分 (11)額定電壓： 36伏(12)額定輸出轉(zhuǎn)矩： 7.5牛.米 3.電動(dòng)車的基本配置 電動(dòng)自

12、行車是由蓄電池、電動(dòng)輪轂、控制器、充電器四大件和車體部分組成。 　　目前使用的鉛酸蓄電池型號(hào)規(guī)定有12V7AH、12V8AH、12V10AH、12V10AH （高容量）、12V20AH；電動(dòng)輪轂型號(hào)有：有刷有齒高速電動(dòng)輪轂（簡(jiǎn)稱高速電機(jī)或有聲電機(jī)）、有刷無齒低速電動(dòng)輪轂（簡(jiǎn)稱低速電機(jī)或無聲電機(jī)）及無刷無齒程序電機(jī)（簡(jiǎn)稱程序電機(jī)）；控制器按控制方式分類有全動(dòng)型、智能型、雙控型和非零啟動(dòng)型四種類型，控制系統(tǒng)由主控制器、儀表顯示器、調(diào)速轉(zhuǎn)把和剎車斷電把等組成，其主要功能具有無級(jí)調(diào)速、剎車斷電保護(hù)、欠壓保護(hù)和過流保護(hù)等功能；充電器按輸出插頭分類有蓮花插頭式、普通電腦插頭式、特制電腦插頭式。按充電性

13、能分類為普通在線維護(hù)充電器、快充在線維護(hù)充電器。按充電電壓分類為36V、 （1）電池組 目前電動(dòng)車用動(dòng)力源普遍為化學(xué)電源——蓄電池組，蓄電池是電動(dòng)車的動(dòng)力源泉。目前，制約電動(dòng)車發(fā)展的關(guān)鍵因素是動(dòng)力蓄電池不理想。蓄電池的主要作用就是儲(chǔ)能，電動(dòng)車蓄電池的主要性能指標(biāo)是比能量、比功率和使用壽命等。要使電動(dòng)車能與內(nèi)燃機(jī)車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵是開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)、成本低的蓄電池?？捎糜陔妱?dòng)車的電池有鉛酸免維護(hù)電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋅空電池、燃料電池等。鋰離子電池（國(guó)內(nèi)未來幾年該電池將會(huì)普遍用于電動(dòng)車） 鋰離子二次電池作為新型高電壓、高能量密度的可充電電池，其獨(dú)特的物理和電

14、化學(xué)性能，具有廣泛的民用和國(guó)防應(yīng)用的前景。其突出的特點(diǎn)是：重量輕、儲(chǔ)能大、無污染、無記憶效應(yīng)、使用壽命長(zhǎng)。在同體積重量情況下，鋰電池的蓄電能力是鎳氫電池的1.6倍，是鎳鎘電池的4倍，并且目前人類只開發(fā)利用了其理論電量的20%～30%，開發(fā)前景非常光明。同時(shí)它是一種真正的綠色環(huán)保電池，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，許多專家認(rèn)為該類電池時(shí)最理想的小型電動(dòng)車電池。 燃料電池系統(tǒng)是一種新的能源利用和轉(zhuǎn)換裝置，是國(guó)際上公認(rèn)的未來最理想的電動(dòng)車電源。燃料電池用作電動(dòng)車電源有以下特點(diǎn)：a.電池本身是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，只決定電源系統(tǒng)的功率輸出大??；b.燃料儲(chǔ)存裝置決定電源系統(tǒng)的總能量，可保證有足夠的續(xù)駛里程；c.無需

15、充電，添加燃料非常快捷、方便；d.電池系統(tǒng)壽命更長(zhǎng)、更安全、更可靠、更環(huán)保；e.燃料電池將來產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的成本下降潛力很大。 燃料電池有許多種類型，就電池本身的性能而言，大多看好的電動(dòng)車用燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池。該電池具有較多的優(yōu)點(diǎn)。例如：①運(yùn)行溫度比較低；②技術(shù)相對(duì)比較成熟；③排放產(chǎn)物比較單一；④功率密度較大；⑤ 啟動(dòng)速度較快；⑥抗震能力相對(duì)較好。由于對(duì)該類燃料電池在電動(dòng)車應(yīng)用上的普遍重視，使得近幾年來不斷的產(chǎn)生該類電池的電動(dòng)車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)自行車樣品。技術(shù)性能都相當(dāng)不錯(cuò)。這也推動(dòng)了與質(zhì)子交換膜燃料電池相關(guān)的氫氣制取與存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步，重整制氫與金屬儲(chǔ)氫技術(shù)已接近實(shí)用化水平。

16、 圖1 電路圖 （2）電動(dòng)輪轂 自行車輪轂電機(jī)是有輪轂、電機(jī)部件、后蓋和飛輪端蓋所組成，其特征在于：所述的輪轂的一端采用飛輪端蓋結(jié)構(gòu)，另一端采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置在其內(nèi)部的電機(jī)部件和減速裝置，使電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)二次減速輸出，帶動(dòng)整個(gè)輪轂旋轉(zhuǎn)而達(dá)到設(shè)計(jì)目的，該種輪轂電機(jī)具有外形美觀、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是電動(dòng)自行車更新?lián)Q代產(chǎn)品。 圖2 輪轂電機(jī)外形圖 (3)控制器 簡(jiǎn)略地講控制器是由周邊器件和主芯片（或單片機(jī)）組成。周邊器件是一些功能器件，如執(zhí)行

17、、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開關(guān)電路，以及輔助單片機(jī)或?qū)Ｓ眉呻娐吠瓿煽刂七^程的器件；單片機(jī)也稱微控制器，是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號(hào)語言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調(diào)制功能電路以及能使開關(guān)電路功率管導(dǎo)通或截止、通過方波控制功率管的的導(dǎo)通時(shí)間以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)電路、輸入輸出端口等集成在一起，而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)片。這就是電動(dòng)自行車的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出現(xiàn)的高技術(shù)產(chǎn)品。 　　控制器的設(shè)計(jì)品質(zhì)、特性、所采用的微處理器的功能、功率開關(guān)器件電路及周邊器件布局等，直接關(guān)系到整車的性能和運(yùn)行狀態(tài)，也影響控制器本身性能和效率。不同品質(zhì)的控制器，用在同一輛車上，配用同一組相同充放電狀態(tài)

18、的電池，有時(shí)也會(huì)在續(xù)駛能力上顯示出較大差別。 圖3 控制器結(jié)構(gòu)圖 ①控制器類型 目前，電動(dòng)自行車所采用的控制器電路原理基本相同或接近。 　　有刷和無刷直流電機(jī)大都采用脈寬調(diào)制的PWM控制方法調(diào)速，只是選用驅(qū)動(dòng)電路、集成電路、開關(guān)電路功率晶體管和某些相關(guān)功能上的差別。元器件和電路上的差異，構(gòu)成了控制器性能上的不大相同?？刂破鲝慕Y(jié)構(gòu)上分兩種，我們把它稱為分離式和整體式。 　　(a)分離式 所謂分離，是指控制器主體和顯示部分分離。后者安裝在車把上，控制器主體則隱藏在車體包廂或電動(dòng)箱內(nèi)，不露在外面。這種方式使控制器與電源、電機(jī)間連線距離縮短，車體外觀顯得簡(jiǎn)

19、潔。 （b)一體式 控制部分與顯示部分合為一體，裝在一個(gè)精致的專用塑料盒子里。盒子安裝在車把的正中，盒子的面板上開有數(shù)量不等的小孔，孔徑4~5mm，外敷透明防水膜?？變?nèi)相應(yīng)位置設(shè)有發(fā)光二極管以指示車速、電源和電池剩余電量。（三）控制器的保護(hù)功能 （4）充電器 常用的開關(guān)電源式充電器又分半橋式和單激式兩大類，單激類又分為正激式和反激式兩類。半橋式成本高，性能好，常用于帶負(fù)脈沖的充電器；單激式成本低，市場(chǎng)占有率高。 （三）電動(dòng)車對(duì)電機(jī)的要求 電動(dòng)車的運(yùn)行與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，非常復(fù)雜。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是很高的。 1.電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有瞬時(shí)功率大、過載能力強(qiáng)、過載系數(shù)應(yīng)為（3~4

20、），加速性能好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 2.電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時(shí)具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動(dòng)和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時(shí)具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。 3.電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)能夠在減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電動(dòng)車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機(jī)得摩托車上是不能實(shí)現(xiàn)得。 4.電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，應(yīng)具有高得效率，以提高1次充電得續(xù)駛里程。 另外，還要求電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣得環(huán)境下長(zhǎng)期工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)噪聲低，價(jià)格便宜等。 （

21、四）輪轂電機(jī)的性能 1.結(jié)構(gòu) 將雙凸極永磁電機(jī)作為電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，維護(hù)方便，轉(zhuǎn)速范圍寬廣、效率高、控制特性優(yōu)良、成本低。采用永磁雙凸輪式電動(dòng)輪轂后，取消了原來汽車的變速箱、傳動(dòng)軸、后橋等部件，使得電動(dòng)車體積重量減小，結(jié)構(gòu)更加緊湊。采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)替代原機(jī)械接觸式控制后，可以實(shí)現(xiàn)精確的電子控制，提高了能量傳輸效率，降低了成本；利用電機(jī)四相象運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，有效地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回饋利用，提高了電動(dòng)車的整體性能與性價(jià)比。 作為電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)用的輪轂電機(jī)，其結(jié)構(gòu)和尺寸要受到汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件的嚴(yán)格制約?？紤]到汽車運(yùn)行的可靠性穩(wěn)定性以及維護(hù)方便等要求，輪轂電機(jī)在結(jié)構(gòu)上要保證定轉(zhuǎn)子同心且

22、氣隙均勻，要保證轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度和合理的帶載方式，要保證電機(jī)固定軸合理的承載工作面和整個(gè)電機(jī)適宜的外型結(jié)構(gòu)，還要求電機(jī)易于拆裝、維護(hù)和更換等。 綜合上述考慮，實(shí)際測(cè)量了一臺(tái)桑塔那2000型GSI后輪驅(qū)動(dòng)輪部分的相關(guān)尺寸， 由于該輪轂電機(jī)具有以下特點(diǎn)：(1)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)且轉(zhuǎn)子端面為帶載端；(2)電樞繞組和永磁體都在定子上；(3)軸向允許長(zhǎng)度小，電機(jī)為圓盤式扁平結(jié)構(gòu)。 圖4 輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu) 所示電機(jī)結(jié)構(gòu)型式有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)適合與汽車驅(qū)動(dòng)輪部分的其他元件配合，且合理利用了有效空間，便于電機(jī)的固定與安裝；(2)電機(jī)固定軸受力合理，轉(zhuǎn)子帶載端運(yùn)行可靠穩(wěn)定；(3)便于汽

23、車及輪轂電機(jī)本身各部件的拆裝與維護(hù)。在上述結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，又針對(duì)5 kW雙凸輪式永磁輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了各種相應(yīng)材料的選擇與機(jī)械特性的核算和調(diào)整。 考慮到電機(jī)固定軸主要承受的是彎矩而不是扭矩，選用40Cr的調(diào)質(zhì)鋼階梯軸。充分考慮安全裕量(進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核和靜強(qiáng)度安全系數(shù)校核)后確定定子周主工作面軸徑為50 mm。 計(jì)算并選用了一對(duì)單列深溝球軸承，根據(jù)GB／T276—1994，選用了60000型大6310、小6210的成對(duì)軸承。 定子支架的選擇首先根據(jù)實(shí)際情況求的支架的計(jì)算載荷，然后根據(jù)圓柱型殼體(厚壁圓桶)的受壓彎作用時(shí)的l臨界應(yīng)力值驗(yàn)算得出。支架選用7A04(LC4)

24、GB／T 3190—1996以鋅為主的鋁合金，壁厚5 mm，內(nèi)徑60 mm，完全能夠承擔(dān)定子重量且該材料磁導(dǎo)率很低，而且裕量很大，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力彎曲等現(xiàn)象，足以保證電機(jī)氣隙均勻。 根據(jù)支架的設(shè)計(jì)方法及尺寸，輪轂的尺寸也可以確定，硅鋼片采用冷軋無取向DW540—50，永磁鐵采用燒結(jié)釹鐵硼280／135。 2.電磁 圖5 雙凸輪式永磁輪轂電機(jī)的截面示意圖 電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子尺寸和結(jié)構(gòu)形狀參照相同功率傳統(tǒng)電機(jī)(外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu))的定子尺寸和結(jié)構(gòu)形狀，外轉(zhuǎn)子電機(jī)定子尺寸和結(jié)構(gòu)形狀參照相同功率傳統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的尺寸和結(jié)構(gòu)形狀。結(jié)合電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)(如表2)得出一臺(tái)

25、3相定轉(zhuǎn)子12／8極5 kW雙凸輪式永磁輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸 (五)選用輪轂電機(jī) 我們這次設(shè)計(jì)所選用的電機(jī)為輪轂電機(jī)因?yàn)檩嗇炿姍C(jī)在電動(dòng)車上應(yīng)用不僅可實(shí)現(xiàn)小馬拉大車、提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率的效果，還大大簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減輕整車自重，減小其傳動(dòng)和附加損耗，即降低成本，也節(jié)能減噪，并且如同高檔轎車采用四輪驅(qū)動(dòng)，可進(jìn)一步提高車輪控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，通過微機(jī)控制更易實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)轎車上較難實(shí)施的各種性能優(yōu)化措施，從而改善操控性和安全性。以此即可全面提高節(jié)能環(huán)保型電動(dòng)微轎車的各項(xiàng)性能指標(biāo)和性價(jià)比，使其達(dá)到普及型商品化要求，對(duì)推廣電動(dòng)汽車和節(jié)能減排起到極好效果。 二、總體設(shè)計(jì)

26、 (一)直流電動(dòng)機(jī)的換向 電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)方式大多是輪轂式的，有直接驅(qū)動(dòng)的，也有齒輪減速驅(qū)動(dòng)的。其中，直接驅(qū)動(dòng)方式采用低速直流電動(dòng)機(jī)（每分鐘轉(zhuǎn)幾百轉(zhuǎn)），而齒輪減速驅(qū)動(dòng)方式則采用轉(zhuǎn)速較高的直流電動(dòng)機(jī)（一般2000r/min以上），通過齒輪減速來滿足電動(dòng)自行車所需要的行駛速度。前者的優(yōu)點(diǎn)是不需要齒輪減速，因而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，降低了噪聲；后者的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕。 因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)有換向器和電刷（又稱碳刷）的存在，便產(chǎn)生換向問題，它是有刷直流電動(dòng)機(jī)易出故障的根源之一。 1.影響換向的原因 （1） 電磁原因 在換向時(shí)，換向元件中會(huì)產(chǎn)生電抗電勢(shì)和換向電勢(shì)，這些電勢(shì)之和一般大于零，稱延遲換

27、向。當(dāng)換向時(shí)，后刷邊離開一個(gè)換向片轉(zhuǎn)向另一個(gè)相鄰換向片時(shí)，換向電流不為零，有電磁能量?jī)?chǔ)存在換向元件內(nèi)，在前個(gè)換向片離開電刷時(shí)，換向回路被突然切斷，換向元件中的電磁能量就只有擊穿空氣而釋放，從而產(chǎn)生火花。 （2） 機(jī)械原因 　　　對(duì)生產(chǎn)而言，由于機(jī)械原因而導(dǎo)致?lián)Q向不良是一個(gè)重要方面。機(jī)械方面的原因很多，例如：平面換向器表面的平整度、粗糙度及裝配時(shí)換向器表面與電機(jī)軸線的垂直度；換向器片間絕緣突出或換向片突出；電刷接觸面研磨不好，電刷與換向器表面只有局部接觸；電刷上彈簧壓力大小不合適；電刷在刷盒里太松或太緊；各個(gè)刷桿之間距離不相等，致使有些電刷所短路的換向元件不在幾何中心線上；換向器表面不潔等。

28、　 （3）電化學(xué)原因　　 　　正常運(yùn)行的電機(jī)，換向器表面會(huì)產(chǎn)生很薄的一層褐色氧化亞銅薄膜。實(shí)踐表明，氧化亞銅薄膜的存在，是電機(jī)良好換向的必要條件。這是因?yàn)檠趸瘉嗐~薄膜本身不僅具有較高的電阻，且其表面還常吸附著薄層水份、氧氣和石墨粉末，具有良好的潤(rùn)滑作用，有利于減少電刷和換向器的磨損。　　 　2.改善換向的方法和措施　　 　　為改善換向應(yīng)該針對(duì)影響換向的原因在生產(chǎn)中采取一些必要的方法和措施。下面介紹一些生產(chǎn)中應(yīng)注意的問題?！　? （1）調(diào)節(jié)電刷位置　　 　　根據(jù)產(chǎn)生火花的電磁原因，為了減小換向元件中的電勢(shì)，應(yīng)將電刷位置調(diào)節(jié)到物理中心線，但因?yàn)槲锢碇行木€是隨著負(fù)載大小而移動(dòng)的，所以，一般

29、要求將電刷位置調(diào)節(jié)到幾何中心線處。確定幾何中心線的方法是：對(duì)繞組端部連接到換向器對(duì)稱的電機(jī)，電刷位置應(yīng)對(duì)準(zhǔn)磁極中心線；而對(duì)繞組端部不對(duì)稱的電機(jī)，視不對(duì)稱程度而定?？偟脑瓌t是：被電刷短路的繞組元件的兩條邊應(yīng)位于幾何中心線或很接近幾何中心線處?！　? 理論和生產(chǎn)實(shí)踐都證明，電刷位置調(diào)節(jié)的好壞，對(duì)電機(jī)的空載電流和性能影響很大，應(yīng)引起足夠的重視。　　 　?。?）重視換向器的質(zhì)量　　 　　換向器的質(zhì)量應(yīng)包括材質(zhì)和加工質(zhì)量?jī)煞矫??！　? 　　換向器的材料是銅合金，如鎘銅、銀銅等，材質(zhì)不同，它的硬度、耐磨度，與電刷的接觸電阻及導(dǎo)電性能等都會(huì)有差別，當(dāng)然還要考慮價(jià)格因素?！　? 　　從加工質(zhì)量方面，應(yīng)檢測(cè)

30、換向器的尺寸、形位公差和表面粗糙度。換向片分布應(yīng)均勻，換向片間絕緣應(yīng)下刻，對(duì)平面換向器表面平面度要好，與電刷接觸的表面其粗糙度應(yīng)不低于0.80。允許用玻璃砂紙研磨換向器表面（不要用金鋼砂紙）。對(duì)平面換向器，安裝時(shí)要注意其與電機(jī)軸線的垂直度?！? 　（3）電刷的選擇　　 　　電刷是與換向器的滑動(dòng)接觸件，電刷的成份和接觸特性好壞，直接影響到電機(jī)運(yùn)行時(shí)換向的好壞和它的磨損程度。電刷的接觸特性主要指一對(duì)電刷接觸壓降（因正、負(fù)級(jí)電刷下接觸壓降不相等，故用一對(duì)電刷接觸壓降來評(píng)價(jià)）和摩擦系數(shù)，這些因素影響到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電刷與換身器之間的接觸損耗（包括電損耗和磨擦損耗）和磨損度。影響電刷接觸特性的主要因素有圓

31、周速度、電流密度和施于電刷的單位壓力等。對(duì)電動(dòng)自行車用直流電機(jī)，圓周速度不大，一般都能滿足要求。對(duì)這種直流電機(jī)的電刷一般提出以下要求：　　 　?、僖?yàn)殡妱?dòng)自行車采用低壓電源，因此一對(duì)電刷接觸壓降不能大，一般應(yīng)在1v以下，這樣功率損耗較小。 　?、谌舭凑沼脩羰褂?年不用更換電刷，按每天騎行2h計(jì)算，電刷壽命應(yīng)在1500h左右。電刷壽命是由它允許磨損的高度決定的，而允許磨損高度則由允許彈簧的最小壓力和電刷磨短后在刷盒中運(yùn)行的穩(wěn)定性決定。 　?、垭娝⒔孛娣e的大小應(yīng)符合電刷允許電流密度。電流密度過大，引起發(fā)熱過高，摩擦系數(shù)增大，極易引起火花，電機(jī)甚至不能正常運(yùn)行。 換向器的磨損應(yīng)在允許范圍內(nèi)，

32、運(yùn)行噪聲小等?！　　? 　　電刷分石墨電刷、電化石墨電刷和金屬石墨電刷3大類。對(duì)低壓直流電機(jī)宜采用金屬石墨電刷，因?yàn)樗囊粚?duì)電刷接觸壓降小（一般在1.5v以下），耐磨性較好，使用壽命長(zhǎng)，并適合于圓周速度低的電機(jī)。　　 　　我們?cè)?jīng)用兩種不同成份的電刷對(duì)電動(dòng)自行車用直流電機(jī)分別做額定負(fù)載下的壽命試驗(yàn)。一種是用金屬石墨電刷，運(yùn)行700h，電刷磨損量為允許磨損量的45%。照此推算，這種電機(jī)可以運(yùn)行1500h才需要更換電刷，可以滿足用戶使用2年不換電刷的要求。另一種是用石墨電刷，運(yùn)行600h，電刷已經(jīng)磨損到不能再用而需要更換了，也就是說用戶最多使用1年就要送維修站了。　　 　?、芩⒑谐叽绾蛷椈蓧毫?/p>

33、　　 　　刷盒的作用是將電刷固定在應(yīng)有位置，但又要保證電刷在刷盒中能自由活動(dòng)，配合間隙既不能太大，又不能太小。太大了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電刷可能在換向器表面產(chǎn)生傾斜和跳動(dòng)，從而影響換向。太小了，當(dāng)電刷在負(fù)載下發(fā)熱膨脹時(shí)可能卡死。而彈簧的作用是施于電刷一定的壓力，以保證電刷與換向器在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)始終有良好的接觸。施于電刷的單位壓力增大，電刷與換向器的接觸電阻就減小，則電損耗減小，但摩擦系數(shù)增加，使摩擦損耗增加?？倱p耗呈馬鞍形變化，而在總損耗最小時(shí)的單位壓力下，電刷的磨損率也最小。所以，選擇施于電刷的壓力時(shí)，應(yīng)考慮電機(jī)運(yùn)行中總損耗和電刷磨損最小時(shí)相應(yīng)的單位壓力。對(duì)金屬石墨電刷這個(gè)壓力一般在1.5-2.5n/

34、cm2之間。在確定初始?jí)毫r(shí)，應(yīng)考慮在電刷磨損過程中縮短時(shí)彈簧因伸長(zhǎng)其壓力會(huì)減小的因素。施于電刷的單位壓力減小到低于某一極限時(shí)，電刷與換向器之間的接觸就開始不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)機(jī)械性火花，這時(shí)就應(yīng)該更換電刷了。 　　⑤電刷的磨合　　 　　電刷與換向器表面接觸的好壞、接觸面積的大小，直接影響直流電機(jī)換向的好壞、火花的大小和電刷磨損的速度。所以，電機(jī)裝配完成后應(yīng)對(duì)其進(jìn)行空載磨合。磨合的目的是增大電刷與換向器的接觸面積，一般應(yīng)使接觸面積達(dá)到80%以上，這樣在負(fù)載時(shí)才能保證良好換向。為了縮短磨合時(shí)間，可以用提高電壓的方法使電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，但要考慮電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度，不能高出額定轉(zhuǎn)速過多。未經(jīng)磨合的電刷與換向

35、器的接觸面不夠，即為局部接觸，使接觸處電流密度增大，造成換向不良，電機(jī)出廠后造成返修率增加?！　? （二）電動(dòng)車調(diào)速器　 霍爾傳感器可以將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋出來。 直流無刷電機(jī)本質(zhì)上是調(diào)節(jié)直流電壓來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。但是大多數(shù)情況是，出廠的時(shí)候廠家一般也會(huì)固化這類控制器在電機(jī)上，對(duì)外只留有控制端接口?？刂破鏖_發(fā)人員不需要了解其內(nèi)部升降壓的機(jī)制，只需要對(duì)電機(jī)控制輸入端輸入控制信號(hào)即可輕松實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。 圖6 調(diào)速器電路圖 調(diào)速器是通過改變輸出方波的占空比使負(fù)載上的平均電流功率從0-100%變化、從而改變負(fù)載、燈光亮度/電機(jī)速度。利用脈寬調(diào)制

36、(PWM)方式、實(shí)現(xiàn)調(diào)光/調(diào)速、它的優(yōu)點(diǎn)是電源的能量功率、能得到充分利用、電路的效率高。例如：當(dāng)輸出為50%的方波時(shí)，脈寬調(diào)制(PWM)電路輸出能量功率也為50%，即幾乎所有的能量都轉(zhuǎn)換給負(fù)載。而采用常見的電阻降壓調(diào)速時(shí)，要使負(fù)載獲得電源最大50%的功率，電源必須提供71%以上的輸出功率，這其中21%消耗在電阻的壓降及熱耗上。大布部分能量在電阻上被消耗掉了、剩下才是輸出的能量、轉(zhuǎn)換效率非常低。此外HW-A-1020型調(diào)速因其采用開關(guān)方式熱耗幾乎不存在、HW-A-1020型調(diào)速在低速時(shí)扭矩非常大、因?yàn)檎{(diào)速器帶有自動(dòng)跟蹤PWM、另外采用脈寬調(diào)制(PWM)方式、可以使負(fù)載在工作時(shí)得到幾乎滿電源電壓、

37、這樣有利于克服電機(jī)內(nèi)在的線圈電阻而使電機(jī)產(chǎn)生更大的力矩率 1.直流脈寬調(diào)速 工作原理:是通過改變輸出方波的占空比使負(fù)載上的平均電流功率從0-100％變化、從而改變負(fù)載、燈光亮度/電機(jī)速度PWM的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓. PWM不是調(diào)節(jié)電流的.也就是調(diào)節(jié)方波高電平和低電平的時(shí)間比,占空比越大,高電平時(shí)間越長(zhǎng),則輸出的脈沖幅度越高,即電壓越高.如果占空比為0%,那么高電平時(shí)間為0,則沒有電壓輸出.如果占空比為100%,那么輸出全部電壓. 所以通過調(diào)節(jié)占空比,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的,而且輸出電壓可以無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié) 圖7 直流脈寬調(diào)速

38、 圖8 直流脈寬調(diào)速 注意：當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因?yàn)殡娏饕彩墙蛔兊摹＿@個(gè)電流的平均值也是零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗這是缺點(diǎn)。 （三）控制器 1.控制器作用 電動(dòng)車控制器是用來控制電動(dòng)車電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、進(jìn)退、速度、停止以及電動(dòng)車的其它電子器件的核心控制器件，它就象是電動(dòng)車的大腦，是電動(dòng)車上重要的部件。 2.電動(dòng)車控制器主要功能特點(diǎn)如下： 超靜音設(shè)計(jì)技術(shù)：獨(dú)特的電流控制算法，能適用于任何一款無刷電動(dòng)車電機(jī)，并且具有相當(dāng)?shù)目刂菩Ч岣吡穗妱?dòng)車控制器的普遍適應(yīng)性，使電動(dòng)車電機(jī)和控制器不再需要匹配。恒流控制技術(shù)：

39、電動(dòng)車控制器堵轉(zhuǎn)電流和動(dòng)態(tài)運(yùn)行電流完全一致，保證了電池的壽命，并且提高了電動(dòng)車電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。自動(dòng)識(shí)別電機(jī)模式系統(tǒng)：自動(dòng)識(shí)別電動(dòng)車電機(jī)的換相角度、霍爾相位和電機(jī)輸出相位，只要控制器的電源線、轉(zhuǎn)把線和剎車線不接錯(cuò)，就能自動(dòng)識(shí)別電機(jī)的輸入及輸出模式，可以省去無刷電動(dòng)車電機(jī)接線的麻煩，大大降低了電動(dòng)車控制器的使用要求。 隨動(dòng)abs系統(tǒng)：具有反充電/汽車EABS剎車功能，引入了汽車級(jí)的EABS防抱死技術(shù)，達(dá)到了EABS剎車靜音、柔和的效果，不管在任何車速下保證剎車的舒適性和穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)原來的abs在低速情況下剎車剎不住的現(xiàn)象，完全不損傷電機(jī)，減少機(jī)械制動(dòng)力和機(jī)械剎車的壓力，降低剎車噪音，大大增加了

40、整車制動(dòng)的安全性；并且剎車、減速或下坡滑行時(shí)將EABS產(chǎn)生的能量反饋給電池，起到反充電的效果，從而對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)，延長(zhǎng)電池壽命，增加續(xù)行里程，用戶可根據(jù)自己的騎行習(xí)慣自行調(diào)整EABS剎車深度。 　　電機(jī)鎖系統(tǒng)：在警戒狀態(tài)下，報(bào)警時(shí)控制器將電機(jī)自動(dòng)鎖死，控制器幾乎沒有電力消耗，對(duì)電機(jī)沒有特殊要求，在電池欠壓或其他異常情況下對(duì)電動(dòng)車正常推行無任何影響。 　　自檢功能：分動(dòng)態(tài)自檢和靜態(tài)自檢，控制器只要在上電狀態(tài)，就會(huì)自動(dòng)檢測(cè)與之相關(guān)的接口狀態(tài)，如轉(zhuǎn)把，剎把或其它外部開關(guān)等等，一旦出現(xiàn)故障，控制器自動(dòng)實(shí)施保護(hù)，充分保證騎行的安全，當(dāng)故障排除后控制器的保護(hù)狀態(tài)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。 　　反充電功能：剎車、減速或下

41、坡滑行時(shí)將EABS產(chǎn)生的能量反饋給電池，起到反充電的效果，從而對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)，延長(zhǎng)電池壽命，增加續(xù)行里程。 　　堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能：自動(dòng)判斷電機(jī)在過流時(shí)是處于完全堵轉(zhuǎn)狀態(tài)還是在運(yùn)行狀態(tài)或電機(jī)短路狀態(tài)，如果過流時(shí)是處于運(yùn)行狀態(tài)，控制器將限流值設(shè)定在固定值，以保持整車的驅(qū)動(dòng)能力；如電機(jī)處于純堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，則控制器2秒后將限流值控制在10A以下，起到保護(hù)電機(jī)和電池，節(jié)省電能；如電機(jī)處于短路狀態(tài)，控制器則使輸出電流控制在2A以下，以確?？刂破骷半姵氐陌踩?　　動(dòng)靜態(tài)缺相保護(hù)：指在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)車電機(jī)任意一相發(fā)生斷相故障時(shí)，控制器實(shí)行保護(hù)，避免造成電機(jī)燒毀，同時(shí)保護(hù)電動(dòng)車電池、延長(zhǎng)電池壽命。 　　功率管動(dòng)

42、態(tài)保護(hù)功能：控制器在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率管的工作情況，一旦出現(xiàn)功率管損壞的情況，控制器馬上實(shí)施保護(hù)，以防止由于連鎖反應(yīng)損壞其他的功率管后，出現(xiàn)推車比較費(fèi)力的現(xiàn)象。 　　防飛車功能：解決了無刷電動(dòng)車控制器由于轉(zhuǎn)把或線路故障引起的飛車現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的安全性。 　　1+1助力功能：用戶可自行調(diào)整采用自向助力或反向助力，實(shí)現(xiàn)了在騎行中輔以動(dòng)力，讓騎行者感覺更輕松。 　　巡航功能：自動(dòng)/手動(dòng)巡航功能一體化，用戶可根據(jù)需要自行選擇，8秒進(jìn)入巡航，穩(wěn)定行駛速度，無須手柄控制。 　　模式切換功能：用戶可切換電動(dòng)模式或助力模式。 　　防盜報(bào)警功能：超靜音設(shè)計(jì)，引入汽車級(jí)的遙控防盜理念，防盜的穩(wěn)定性更高，在

43、報(bào)警狀態(tài)下可鎖死電機(jī)，報(bào)警喇叭音效高達(dá)125dB以上，具有極強(qiáng)的威懾力。并具有自學(xué)習(xí)功能，遙控距離長(zhǎng)達(dá)150米不會(huì)有誤碼產(chǎn)生。 　　倒車功能：控制器增加了倒車功能，當(dāng)用戶在正常騎行時(shí)，倒車功能失效；當(dāng)用戶停車時(shí)，按下倒車功能鍵，可進(jìn)行輔助倒車，并且倒車速度最高不超過10km/h。 　　遙控功能：采用先進(jìn)的遙控技術(shù)，長(zhǎng)達(dá)256的加密算法，靈敏度多級(jí)可調(diào)，加密性能更好，并且絕無重碼現(xiàn)象發(fā)生，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并具有自學(xué)習(xí)功能，遙控距離長(zhǎng)達(dá)150米不會(huì)有誤碼產(chǎn)生。 　　高速控制：采用最新的為馬達(dá)控制設(shè)計(jì)專用的單片機(jī)，加入全新的BLDC控制算法，適用于低于6000rpm高速、中速或低速電機(jī)控制

44、。 　　電機(jī)相位：60度120度電機(jī)自動(dòng)兼容，不管是60度電機(jī)還是120度電機(jī)，都可以兼容，不需要修改任何設(shè)置。 圖9 控制器電路圖 3、控制器改良設(shè)計(jì) 控制器的調(diào)速方法可以是開環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)下面我們來比較一下各個(gè)調(diào)速系統(tǒng)在控制器中的優(yōu)缺點(diǎn) （1）開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖10 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方框圖 圖11 開環(huán)系統(tǒng)的原理圖 用直流電動(dòng)機(jī)D來驅(qū)動(dòng)一個(gè)需要以恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的負(fù)載。當(dāng)電位器R的滑動(dòng)端確定在某一個(gè)位置時(shí)，電位器就給出一個(gè)確定的電壓

45、Ur，Ur經(jīng)運(yùn)算放大器、觸發(fā)器和可控制硅功率放大器（稱控制器）輸出電壓為Ua，Ua加在直流電動(dòng)機(jī)兩端。電動(dòng)使以一個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。若改變滑動(dòng)端的位置，Ur就改變，Ua、n都發(fā)生改變。故可知，對(duì)應(yīng)電位器滑動(dòng)端的某一個(gè)位置，電動(dòng)機(jī)就運(yùn)行在某一個(gè)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n上。從而達(dá)到了控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的目的。 如果負(fù)載發(fā)生變化，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏離給定值，如果要求電機(jī)轉(zhuǎn)速維持給定轉(zhuǎn)速不變，這個(gè)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)就必須有人參與。由操作人員測(cè)出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，判斷出偏離的值，再由操作人員調(diào)整滑動(dòng)端的位置使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定值。 從上面的分析可以看，給定值（Ur）直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，而

46、電機(jī)轉(zhuǎn)速n不能反過來影響Ur，這種控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。 缺點(diǎn)由于開環(huán)控制不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，因此系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外界未知擾動(dòng)對(duì)控制精度的影響較大。 圖12 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 結(jié)構(gòu)圖可以表示開環(huán)控制系統(tǒng)輸入量與輸出量之間的關(guān)系，由圖可以看出，輸入量直接經(jīng)過控制器作用于被控對(duì)象，所以輸入量影響輸出。當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，沒有人干預(yù)的情況下輸出量不能按照輸入量所期望的狀態(tài)去工作，輸出量不能反過來影響輸入量。 2、閉環(huán)調(diào)速 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足較高的性能指標(biāo)要求。根據(jù)自動(dòng)控制原理，為了克服開環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負(fù)

47、反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 在閉環(huán)系統(tǒng)中，把系統(tǒng)的輸出量通過檢測(cè)裝置（傳感器）引向系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的輸入量進(jìn)行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號(hào)。利用此偏差信號(hào)通過控制器（調(diào)節(jié)器）產(chǎn)生控制作用，自動(dòng)糾正偏差。因此，帶輸出量負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有提高系統(tǒng)抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 (1)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖13 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 (2) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾分析 通過這一環(huán)節(jié)可以抑制轉(zhuǎn)速的下降，雖然不能做到完全阻止轉(zhuǎn)速下降，但比開環(huán) 轉(zhuǎn)速的程度

48、會(huì)大大降低，從而保證轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性 (3)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 靜特性方程 電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的關(guān)系稱之為閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 對(duì)于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求計(jì)算出系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)性能可能較差，或根本達(dá)不到穩(wěn)態(tài)，也就談不上是否滿足穩(wěn)態(tài)要求。采用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例放大器后，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定且有足夠的穩(wěn)定裕量。但是采用PI調(diào)節(jié)器之后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能是否滿足當(dāng)時(shí)并未提及。通過下面的討論我們將看到，將比例調(diào)節(jié)器換成比例積分調(diào)節(jié)器之后，不僅改善了動(dòng)態(tài)性能，而且還能從根本上消除靜差，實(shí)現(xiàn)無

49、靜差調(diào)速。 3、 開閉環(huán)調(diào)速比較 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的硬度大大提高。在相同負(fù)載下兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 它們的關(guān)系 顯然，當(dāng)開環(huán)放大系數(shù)K很大時(shí)，要比小得多，即閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。 當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速相同，即時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率為 開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為 由于，而相同負(fù)載下，所以Scl和Sop之間的關(guān)系為 當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。假如電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn) 速相同，對(duì)靜差率的要求也相同，那么，當(dāng)開環(huán)時(shí) 閉環(huán)時(shí)

50、 （4）當(dāng)給定電壓相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速為 開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速為 兩者的關(guān)系為 閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，在保證一定靜差率的要求下，大大提高調(diào)速范圍。 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)降速的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化相應(yīng)的改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路的電阻降。 4、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 　 圖14 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖15 靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （1）兩個(gè)調(diào)

51、節(jié)器，一環(huán)嵌套一環(huán)；速度環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán) （2）兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器均設(shè)置有限幅 ；一旦PI調(diào)節(jié)器限幅（即飽和），其輸出量為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反極性的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；即飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)器處于斷開。而輸出未達(dá)限幅時(shí)，調(diào)節(jié)器才起調(diào)節(jié)作用，使輸入偏差電壓在調(diào)節(jié)過程中趨于零，而在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零 （3）電流檢測(cè)采用三相交流電流互感器 （4）電流、轉(zhuǎn)速均實(shí)現(xiàn)無靜差。由于轉(zhuǎn)速與電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，所以系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)， 控制器采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于電流環(huán)存在，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的限幅，即可以保護(hù)電動(dòng)車在處于各種正常運(yùn)行情況下最大電

52、流輸出值不會(huì)超出設(shè)定的電流限幅值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限流，另外由于雙閉環(huán)的配合作用，可以使電機(jī)實(shí)現(xiàn)最理想的啟動(dòng)過程和加速過程，使蓄電池的電流得到有效的利用，從而可以增加電動(dòng)自行車的行駛里程 (四）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1、驅(qū)動(dòng)電路及原理 電動(dòng)自行車使用24V直流電機(jī)，對(duì)于這種小功率直流電機(jī)的調(diào)速方法一般有兩種。 一種是線性型：使用功率三級(jí)管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。 圖16 驅(qū)動(dòng)電路 另一種脈寬調(diào)制型:脈寬調(diào)速（PULSE WIDE M

53、ODULATION—PWM）較常用的 一種調(diào)速方式，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用PWM方式控制直流電機(jī)。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速原理：永磁式直流電動(dòng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓UD決定，電樞電壓UD越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓UD降為0V，電機(jī)就就停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的具體調(diào)速過程是：先讓它啟動(dòng)一段時(shí)間，然后切斷電源，電動(dòng)機(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時(shí)使電動(dòng)機(jī)再次接通，電動(dòng)機(jī)因此而再次加速，不斷的給電樞兩端送入脈動(dòng)電壓源（即脈動(dòng)信號(hào)）就可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。如圖所示：

54、 圖17 脈沖信號(hào)圖 Vmax為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值，Vmin為電動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)速值，VD為二者的平均值。VD=D*max式中D=t/Tc稱為占空比，D越大VD就越大反之亦然。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比D之間關(guān)系如圖3.6所示： 由圖可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關(guān)系，但可以近似的看成是線性關(guān)系。因此，電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速VD就可以有占空比D加以控制。 圖18 驅(qū)動(dòng)關(guān)系 PWM調(diào)速分為雙向式和單向式兩種： 雙向式：在一個(gè)脈沖周期內(nèi)（T=Ta+Tb）,T1和

55、T3導(dǎo)通時(shí)間為Ta,T2和T4導(dǎo)通時(shí)間為Tb，這樣在Ta這段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)通過的是正向電流，在Tb這段時(shí)間內(nèi)為反相電流。當(dāng)Ta=Tb時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，Ta>Tb電機(jī)正轉(zhuǎn)，Ta

56、會(huì)出現(xiàn)因編程原因而造成電源短路的情況。 考慮到電動(dòng)自行車對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速距離控制要求不高，為了簡(jiǎn)化程序和外接電路，所以沒有考慮采用閉環(huán)PWM控制，用開環(huán)PWM控制和就可以實(shí)現(xiàn)自行車的功能。 圖19脈沖信號(hào)波形圖 工作時(shí)Ta為高電平，通過光耦驅(qū)動(dòng)復(fù)合管T導(dǎo)通，此時(shí)Tb為高電平通過光耦使三極管導(dǎo)通，繼電器各線圈被短路。K1、K2為常閉觸點(diǎn)，所以電動(dòng)機(jī)加正向電壓。當(dāng)Tb為低電平電壓時(shí)所有繼電器得電，常開觸點(diǎn)閉合常閉觸點(diǎn)斷開，K1、K3斷開K2、K4導(dǎo)通。電動(dòng)機(jī)加反向電壓。如果保證Ta>Tb則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。通過改變Ta、Tb的占空比即可改變轉(zhuǎn)速。 3、 電路設(shè)計(jì)

57、 （一）電動(dòng)車電源電路 電源直接使用24V蓄電池電源則通過三端穩(wěn)壓器78L05將24V電源轉(zhuǎn)換到5V。 圖20電源電路圖 24V直流電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器78L05輸出為單片機(jī)所要求的+5V電源。電路中接入C1、C2是用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)模煞乐狗€(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。大容量的C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端意外短路時(shí)，給輸出電容器C3一個(gè)放電通路，防止C3兩端電壓作用于調(diào)整管的be解結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。來控制單片機(jī)使電動(dòng)車更好的運(yùn)轉(zhuǎn)。 （二）控制電路

58、 圖21 控制電路 1、控制電路的保護(hù)功能 　　保護(hù)功能是對(duì)控制器中換相功率管、電源免過放電，以及電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，因某種故障或誤操作而導(dǎo)致的可能引起的損傷等故障出現(xiàn)時(shí)，電路根據(jù)反饋信號(hào)采取的保護(hù)措施。電動(dòng)自行車基本的保護(hù)功能和擴(kuò)展功能如下： 　　（1)制動(dòng)斷電：電動(dòng)自行車車把上兩個(gè)鉗形制動(dòng)手把均安裝有接點(diǎn)開關(guān)。當(dāng)制動(dòng)時(shí)，開關(guān)被推押閉合或被斷開，而改變了原來的開關(guān)狀態(tài)。這個(gè)變化形成信號(hào)傳送到控制電路中，電路根據(jù)預(yù)設(shè)程序發(fā)出指令，立即切斷基極驅(qū)動(dòng)電流，使功率截止，停止供電。因而，既保護(hù)了功率管本身，又保護(hù)了電動(dòng)機(jī)，也防止了電源的浪費(fèi)。

59、　　(2) 欠壓保護(hù)：這里指的是電源的電壓。當(dāng)放電最后階段，在負(fù)載狀態(tài)下，電源電壓已經(jīng)接近“放電終止電壓”，控制器面板（或儀表顯示盤）即顯示電量不足，引起騎行者的注意，計(jì)劃自己的行程。當(dāng)電源電壓已經(jīng)達(dá)到放終時(shí)，電壓取樣電阻將分流信息饋入比較器，保護(hù)電路即按預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出指令，切斷電流以保護(hù)電子器件和電源。 　　(3) 過流保護(hù)：電流超限對(duì)電機(jī)和電路一系列元器件都可能造成損傷，甚至燒毀，這是絕對(duì)應(yīng)當(dāng)避免的?？刂齐娐分校仨毦邆溥@種過電流的保護(hù)功能，在過流時(shí)經(jīng)過一定的延時(shí)即切斷電流。 　　(4) 過載保護(hù)：過載保護(hù)和過電流保護(hù)是相同的，載重超限必然引起電流超限。電動(dòng)自行車說明書上都特別

60、注明載重能力，但有的騎行者或未注意這一點(diǎn)，或抱著試一下的心理故意超載。如果沒有這種保護(hù)功能，不一定在哪個(gè)環(huán)節(jié)上引起損傷，但首當(dāng)其沖的就是開關(guān)功率管，只要無刷控制器功率管燒毀一只，變成兩相供電后電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)即變得無力，騎行者立即可以感覺到脈動(dòng)異常；若繼續(xù)騎行，接著就燒毀第2個(gè)、第3個(gè)功率管。有兩相功率管不工作，電動(dòng)機(jī)即停止運(yùn)行，有刷電機(jī)則失去控制功能。因此，由過載引起的過電流是很危險(xiǎn)的。但只要有過電流保護(hù)，載重超限后電路自動(dòng)切斷電源，因超載而引起的一系列后果都可以避免。 　　(5) 欠速保護(hù)：仍然屬于過流保護(hù)范疇，是為不具備0速起步功能的無刷控制系統(tǒng)而設(shè)置， 　　(6) 限速保護(hù)：是助力型

61、電動(dòng)自行車獨(dú)有的設(shè)計(jì)控制程序。車速超過某一預(yù)定值時(shí)，電路停止供電不予助力。對(duì)電動(dòng)型電動(dòng)自行車而言，統(tǒng)一規(guī)定車速為20km/h，車用電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，額定轉(zhuǎn)速就已經(jīng)設(shè)定好了，控制電路也已經(jīng)設(shè)好。電動(dòng)自行車只能在不超過這個(gè)速度狀態(tài)下運(yùn)行。 控制器的位置不會(huì)影響到性能，主要視設(shè)計(jì)者的意圖。但有幾項(xiàng)原則：（1）在運(yùn)行操作允許時(shí)、（2）在整體布置允許時(shí)、（3）在線路布設(shè)要求時(shí)、（4）在配套設(shè)施要求時(shí)。 (三）充電器電路圖及工作原理 圖22 充電器電路圖 　　通電開始時(shí)，C11上有300v左右電壓。此電壓一路經(jīng)T1加載到Q1。第二路經(jīng)R5,C8,C3, 達(dá)到U1的

62、第7腳。強(qiáng)迫U1啟動(dòng)。U1的6腳輸出方波脈沖，Q1工作，電流經(jīng)R25到地。同時(shí)T1副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)D3,R12給U1提供可靠電源。T1輸出線圈的電壓經(jīng)D4,C10整流濾波得到穩(wěn)定的電壓。此電壓一路經(jīng)D7（D7起到防止電池的電流倒灌給充電器的作用）給電池充電。第二路經(jīng)R14,D5,C9, 為L(zhǎng)M358(雙運(yùn)算放大器，1腳為電源地，8腳為電源正)及其外圍電路提供12V工作電源。D9為L(zhǎng)M358提供基準(zhǔn)電壓，經(jīng)R26,R4分壓達(dá)到LM358的第二腳和第5腳。正常充電時(shí)，R27上端有0.15－0.18V左右電壓，此電壓經(jīng)R17加到LM358第三腳，從1腳送出高電壓。此電壓一路經(jīng)R18,強(qiáng)迫Q2導(dǎo)

63、通，D6（紅燈）點(diǎn)亮，第二路注入LM358的6腳，7腳輸出低電壓，迫使Q3關(guān)斷，D10(綠燈)熄滅，充電器進(jìn)入恒流充電階段。當(dāng)電池電壓上升到44.2V左右時(shí),充電器進(jìn)入恒壓充電階段，輸出電壓維持在44.2V左右，充電器進(jìn)入恒壓充電階段，電流逐漸減小。當(dāng)充電電流減小到200mA—300mA時(shí)，R27上端的電壓下降，LM358的3腳電壓低于2腳，1腳輸出低電壓，Q2關(guān)斷，D6熄滅。同時(shí)7腳輸出高電壓，此電壓一路使Q3導(dǎo)通，D10點(diǎn)亮。另一路經(jīng)D8，W1到達(dá)反饋電路，使電壓降低。充電器進(jìn)入涓流充電階段。1－2小時(shí)后充電結(jié)束。 開關(guān)電源式充電器的正確操作是：充電時(shí)，先插電池，后加市電；充足后，先切斷

64、市電，后拔電池插頭。如果在充電時(shí)先拔電池插頭，特別是充電電流大（紅燈）時(shí)，非常容易損壞充電器。 　　常用的開關(guān)電源式充電器又分半橋式和單激式兩大類，單激類又分為正激式和反激式兩類。半橋式成本高，性能好，常用于帶負(fù)脈沖的充電器；單激式成本低，市場(chǎng)占有率高。 充電器的分類： 用有、無工頻（50赫茲）變壓器區(qū)分，可分為兩大類。貨運(yùn)三輪充電器一般使用帶工頻變壓器的充電機(jī)，體積大、重量大，費(fèi)電，但是可靠，便宜；電動(dòng)自行車和電摩則使用所謂開關(guān)電源式充電器，省電，效率高，但是易壞。用電動(dòng)車充電器根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可大致分為兩種。第一種是以u(píng)c3842驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的單管開關(guān)電源，配合LM358雙運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)三階

65、段充電方式。220v交流電經(jīng)T0雙向?yàn)V波抑制干擾，D1整流為脈動(dòng)直流，再經(jīng)C11濾波形成穩(wěn)定的300V左右的直流電。U1 為TL3842脈寬調(diào)制集成電路。其5腳為電源負(fù)極，7腳為電源正極，6腳為脈沖輸出直接驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q1(K1358) 3腳為最大電流限制，調(diào)整R25(2.5歐姆)的阻值可以調(diào)整充電器的最大電流。2腳為電壓反饋，可以調(diào)節(jié)充電器的輸出電壓。4腳外接振蕩電阻R1，和振蕩電容C1。T1為高頻脈沖變壓器，其作用有三個(gè)。第一是把高壓脈沖將壓為低壓脈沖。第二是起到隔離高壓的作用，以防觸電。第三是為uc3842提供工作電源。D4為高頻整流管（16A60V），C10為低壓濾波電容，D5為12V穩(wěn)壓二極管，U3(TL431)為精密基準(zhǔn)電壓源，配合U2(光耦合器4N35) 起到自動(dòng)調(diào)節(jié)充電器電壓的作用。調(diào)整w2(微調(diào)電阻)可以細(xì)調(diào)充電器的電壓。D10是電源指示燈。D6為充電指示燈。 R27是電流取樣電阻（0.1歐姆，5w）改變W1的阻值可以調(diào)整充電器轉(zhuǎn)浮充的拐點(diǎn)電流（200－300 m