光电驱动电动车的研究电动机控制系统.docx

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光电驱动电动车的研究电动机控制系统

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摘要

本文从系统要求入手，将整个电机系统分成三个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。

详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况。

系统各部分的控制电路基于AT89C2051单片机。

根据无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制和回馈制动，通过软硬件的配合，实现了整个系统的设计要求。

关键词：

单片机，无刷直流电机，脉宽调速，回馈制动

AStudyofPhotoelectricDrivenElectricVehicles—

MotorControlSystem

Abstract

Thispaperanalyzesthesystemfromtherequirements,thewholesystemofmotorwillbedividedintothreeparts,analysisanddiscussionofthevariouspartsofthecircuitofthecontrolstrategy,implementationmethod.Discussedindetailthestatusofthevarioussystemsandsignaltransduction.PartofthesystemcontrolcircuitbasedonAT89C2051chipmicrocontroller.AccordingtothebrushlessDCmotorcontrolofthePWMpulsewidthandregenerativebrake,throughhardwareandsoftwaresupport,fortheentiresystemdesignrequirements.

Keywords:

Single-chipMicrocomputer,BrushlessDCmotor,PWMpulsespeedcontrolsystem,Regenerativebrake

目录

1绪论1

1.1当前电动自行车发展状况1

1.2电动自行车改进方案2

2无刷直流电动机2

2.1无刷直流电动机的结构2

2.1.1电机本体3

2.1.2直流电源4

2.1.3位置传感器4

2.2无刷直流电动机的工作原理7

2.3无刷直流电动机的分类8

2.4无刷直流电机的基本公式9

2.5无刷直流电机数学模型9

2.6无刷直流电动机的驱动控制10

2.6.1星形联结方式10

2.6.2三相Δ联结方式11

3无刷直流电动机的PWM调速控制12

3.1直流电动机电枢的PWM调速原理12

3.2PWM波的转速控制13

4回馈制动14

4.1回馈制动的控制原理14

4.2回馈制动的数学模型17

4.2.1续流状态17

4.2.2充电状态18

5系统硬件电路设计19

5.1电动车总体结构框图19

5.2AT89C2051芯片介绍19

5.2.1概述19

5.2.2性能介绍19

5.3控制器技术参数21

5.4总体电路设计21

5.4.1驱动电路21

5.4.2回馈制动电路22

6结束语23

致谢23

参考文献24

附录电机控制系统电路总图25

1绪论

随着现代社会的不断进步，环境和能源问题越来越受到人们的重视。

无污染、低噪声和节能的电动交通工具已经成为世界各国研制开发的热点。

电动自行车作为一种有效替代燃油车的绿色交通工具， 拥有节能、环保、便捷三大优点，在减轻或消除城市环境污染方面将发挥着越来越大的作用。

电动自行车中控制器是最关键的部分。

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。

电动自行车在正常运行过程中，控制器可以通过信号采集与处理，将运行速度、电压状况等提供给显示部分。

现在的电动自行车电机主要分有刷和无刷两大类。

其中无刷直流电机的发展前景较好。

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、开关电路功率管和某些相关功能上的差别，并都具有过流保护功能。

本课题主要研究电动车的再生制动，即电动车的驱动电机运行在再生发电状态时,既可以提供制动力,又可以给电池充电回收车体动能,从而延长电动车续驶里程。

同时采用以单片机为核心的控制器，其控制精度高，调试简单，可进行功能扩展，有助于控制器向智能化方向发展。

1.1当前电动自行车发展状况

电动自行车因为轻便、快捷,适应了现代人追求环保、效率、安全的要求，受到了人们的普遍欢迎。

电动车产量逐年增加，到2006年我国的电动自行车的数量已达到2100万辆。

电动自行车采用了很多的新技术和新材料。

单从其驱动装置—电机来看就有很高的技术含量。

电动自行车的电机经过十多年发展，曾经有变频电机、开关磁阻电机、有刷直流电机、无刷电机等多种驱动方案。

目前较为成熟的有两大类:

一类是带减速齿轮的有刷电机，有盘式结构和圆柱结构两种；另一类是不带减速齿轮的直接驱动无刷直流电机。

目前,电动车所使用的直流电机大多数采用有刷电机，其特点是体积小,功率大[1]。

根据实践经验,控制器的损坏,大多是由于驱动管损坏而引起其他元器件损坏。

因此，控制器的好坏主要取决于功率驱动管的负载能力。

电动自行车用电机功率大多是在150～180W之间，采用36V/48V电池供电，额定电流在4.5～5A。

电动自行车用电池为铅酸蓄电池，电池过充电和过放电均会缩短电池寿命。

大电流放电还会引起控制器中功率驱动管的温度急剧上升，损坏驱动管，以至于损坏控制器，因此控制器必须有防止过充电保护。

控制器设计应确保电机工作在额定电流范围内，允许有一定的过载能力和大电流自动保护功能，以保护电池和功率驱动器件。

使用刹车时，控制器要禁止输出。

为了防止过放电，控制器要对供电电压随时进行检测，一旦低于阀值（一般为标称电压的0.85）关闭控制器输出。

1.2电动自行车改进方案

太阳能是一种洁净、无尽的能源。

太阳能发电是21世纪能源利用的趋势。

太阳能光电池是对光有响应并能将光能转换成电力的器件。

光伏效应的实质是：

光子能量转换成电能的过程。

采用光电驱动的电动车，更有利于太阳能的广泛开发和利用，省去麻烦的充电环节，做到对无限资源可持续利用和对环境的零污染，是未来电动自行车的发展趋向。

直流无刷电机具有明显的优势，它既具有直流电动机运行效率高、调速性能好又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点。

目前电动自行车采用的直流无刷电机都是三相电机，定子是电枢绕组，用电子换向取代了机械换向。

电角度有60°和120°两种。

控制器根据霍尔反馈的电机电极位置，控制相应的功率驱动管的开通或关断，在定子中产生旋转磁场，驱动电机的转子转动。

由于电机具有可逆性，电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行，因此可以通过回馈制动，回收制动能量对电池进行充电，提高电动车的行驶里程。

采用回馈制动，可接收电动车下坡、减速、停车时的能量，以节约电能。

结果表明：

采用此种控制方式可达到10%左右的能量回收率，进而提高电动车能量利用率。

根据以上的改进方案其系统的具体设计要求为：

（1）在现有的电动车基础上利用太阳能光电池进行光电转换给蓄电池进行充电，对电动车直流电机和控制电路进行供电；

（2）以单片机为控制中心设计出无刷直流电动机控制系统的控制线路；

（3）无刷直流电动机采用脉宽调制的PWM控制方法调速；

（4）主要实现再生制动，即接收电动车下坡、减速以及停车时的机械能量，馈送给蓄电池，以节约电能。

2无刷直流电动机

无刷直流电动机的本质是自同步运行的永磁同步电动机，由永磁同步电动机、转子位置传感器和控制驱动电路三部分组成。

其基本运行原理是：

根据转子位置传感器所提供的转子位置信号来产生换向信号，控制功率电路的开通与关断，在永磁同步电动机中产生旋转的定子磁动势，这样可以使该定子磁动势与转子磁动势之间的电角度保持在90°左右，从而产生接近于恒定的电磁转矩。

无刷直流电机采用逆变电路驱动，进行电子换向，具有没有换向火花、抗干扰性强、运行可靠、维护简便、使用寿命长等优点。

2.1无刷直流电动机的结构[2]

无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关线路3部分组成，其电机结构示意图如图1所示。

图1无刷直流电动机结构示意图

1--主定子2--主转子3--传感器定子

4--传感器转子5--电子换向开关电路

无刷直流电机的原理框图如图2所示。

图中电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动的控制哪些相绕组通电，哪些相绕组断电，实现电子换相。

图2无刷直流电动机的原理框图

2.1.1电机本体

电动机内部结构分定子和转子两部分。

定子是由定子铁心，电枢绕组及其引出线，传感元件及其引出线，定子支架，轴等部分组成。

定子电枢铁心是由硅钢片冲片叠压而成的，由于电机径向尺寸大，轴向尺寸短，定子铁心一般做成多对极多个槽数，以满足大力矩、低转速的要求。

定子绕组的形式和多相的永磁同步电动机类似，它在实现能量转换过程中起着重要的作用。

绕组相数多取三相，并采用Y型联接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，即为三相半控驱动方式。

电机转子的结构分两种：

一种是将瓦片状的永磁体贴在转子的外表上，如图3（a）所示，称为凸极式；另一种是将永磁体内嵌到转子铁心中，如图（b）所示，称为内嵌式。

它都由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，...）组成，磁钢材料一般采用铁氧体、钕铁硼或钐钴（稀土磁钢）等。

（a）凸极式（b）内嵌式

图3永磁转子结构类型

无刷直流电动机的定子上开有齿槽，齿槽数与转子极数和相数有关，应是它们的整倍数。

绕组的相数有二、三、四相，但应用最多的是三相和四相。

各相绕组分别与电子开关电路相连，开关电路中的开关管受位置传感器信号控制。

2.1.2直流电源

由于采用光电结合的充电方式，太阳能电池板是整个电源的重要组成部分，要将光电转换后的电能同时给蓄电池供电。

太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、防过充电路向蓄电池充电。

其太阳能电池方阵分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关。

由蓄电池提供48V电源给无刷电机和控制器进行供电。

2.1.3位置传感器

无刷直流电动机常用的位置传感器有以下3种。

（1）电磁式位置传感器

电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置检测的。

它的结构如图4所示。

它由转子和定子两部分组成。

转子是一个用非导磁材料制成的圆盘，其上面镶有扇形的导磁材料，扇形导磁片的个数与无刷直流电动机转子磁极的极对数相等。

转子与电动机轴连在一起，随电动机同步转动。

定子是由高频导磁材料的铁心制成，一般有6个极，等间距分布，每个极上都缠有线圈。

图4电磁式位置传感器原理图

其中互相间隔的3个极为同一绕组，接高频电源作为励磁极；另外3个极有自己独立的绕组，作为感应极，是传感器的输出端。

电磁式位置传感器在直流无刷电动机中，用得较多的是开口变压器。

（2）光电式位置传感器

光电式位置传感器利用光电效应进行工作。

它由发光二极管、光敏接受元件、遮光板组成，如图5所示。

其中发光二极管和光敏接受元件分别安装在遮光板的两侧，固定不动，遮光板安装在转子上，随转子转动。

遮光板上开有120°的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数。

当遮光板上的扇形开口对着某个光敏接受元件时，该光敏元件因接收到对面的发光二极管发出的光而产生光电流输出；而其它光敏接收元件由于被遮光板挡住而接收不到光信号没有输出。

这样随着转子的转动，遮光板使光敏接受元件轮流接收光信号，产生不同输出。

根据输出就可以判断转子所处位置。

图5光电式位置传感器工作原理图

光电元件一般是砷化镓发光二极管和光敏三极管。

光敏三极管或光敏二极管的输出较弱，需要整形放大，图6是它的放大整形电路。

经过放大整形输出的是脉冲信号，易于与数字电路接口。

（a）放大整形电路（b）光电传感器实物

图6光电输出的放大整形电路及实物

（3）霍尔式位置传感器

霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应”进行工作的。

利用霍尔式位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔式传感器的转子。

通过感知转子上的磁场强弱变化老辨别转子所处的位置。

“霍尔效应”的原理如图7所示，在长方形半导体薄片上通入电流I，电流方向如图，当在垂直于薄片的方向上施加磁感应强度为B的磁场时，则在与电流I和磁场强度B构成的平面相垂直的方向上会产生一个电动势，称其为霍尔电动势UH，这种效应就是霍尔效应。

其电动势UH大小为：

（1）

式中：

KH为灵敏度系数；I为控制电流（A）；B为磁感应强度（T）；

图7霍尔效应原理

当磁场强度方向与半导体薄片不垂直，而是成θ角时，霍尔电动势大小改为：

（2）

所以，利用永磁转子的磁场，对霍尔半导体通入直流电，当转子磁场强度大小和方向随着它的位置不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小和相位随转子位置而发生变化，从而起到检测转子位置作用。

常用开关型霍尔集成电路作为传感元件，集成电路原理图如图8（a）所示。

其开关特性如图8（b）所示。

（a）霍尔集成电路原理图（b）开关特性

图8霍尔集成电路

位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。

由于电动自行车电机安装在轮毂内，对电机的尺寸和位置传感器体积要求比较高，考虑传感器的体积和性能，通常采用的传感器是霍尔式传感器。

同时霍尔式传感器又具有结构简单，性能可靠，成本低的优点，因此目前使用最广泛的是霍尔式位置传感器。

2.2无刷直流电动机的工作原理

普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场[4]。

为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。

无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。

为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90度左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。

以三相无刷直流电动机为例，来分析它的转动过程。

图9是三相无刷直流电机工作原理图。

采用霍尔式位置传感器，电动机的定子绕组分别为A相、B相、C相，3个位置传感器在空间上间隔120度，分别控制3个开关管V1、V2、V3，这3个开关管则控制对应相绕组的通电与断电。

图9无刷直流电动机原理图

调整好位置传感器的三个信号元件与电机定子三相绕组（AA′、BB′、CC′）之间的相对位置，使得转子磁场转到定子某相绕组下时，该相绕组才导通，以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。

图中，当电动机转子N极位于A（a）处，则传感器a元件感应出信号，使功率晶体管V1导通，A相绕组中便有电流通过，设其方向为A（流入）、X（流出），便产生水平向左的定子磁场，与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转；当N极旋转至B（b）处，b元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断，B相绕组通过电流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至C（c）处，其动作过程与前两处相同。

如此反复循环，电动机即可旋转起来。

由于传感器元件安装位置为空间互差120°电角度，因此三相绕组轮流通电时间也为每相120°。

其各相电压的导通顺序如图10所示。

因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的，所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应,在电机安装时应加以注意。

图10各相绕组的导通示意图

2.3无刷直流电动机的分类[5]

无刷直流电动的本体特点是：

与直流电动机相比较，电磁只包括定转子两部分，而不存在换向器、电刷等机械换向装置；与一般永磁同步电动机相比较，电动机转速范围宽，又无起动问题。

因此电动机的结构设计灵活。

（1）按机械总体结构的不同，可以分为整体式和分装式的结构类型。

整体式电动机提供了包括轴承、转轴、壳体和固定装置等内在的全套电动机装置。

而分体式结构为无壳体的电动机，定子和转子可以分别固定于目标系统中，从而消除联轴器和一些机械构件，使系统结构紧凑，并可以避免机械谐振。

（2）按工作主磁场方向的不同，可以有径向磁场式和轴向磁场式的结构类型。

径向磁场的电动机为常规结构。

而轴向磁场的电动机中气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的。

大多数盘式无刷直流电动机采用无槽结构，可以通过设计使反电动势波形接近于梯形波，易于调节极弧系数来减小转矩脉动。

（3）按电枢绕组的位置不同，可以有内转子式和外转子式。

内转子式的电动机为常规结构，电枢直径小于定子外径。

外转子式无刷直流电动机与之相比较，在外形尺寸相同的情况下，可以获得更大的电枢直径。

（4）按电枢绕组相数的不同，可以分为单相、两相、三相以及多相的无刷直流电动机。

三相无刷直流电动机为常规结构。

2.4无刷直流电机的基本公式

无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等。

这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布，绕组形式有十分密切的关系。

（1）电枢绕组的反电动势

（3）

式中，B为气隙磁感应强度；l为导体的有效长度；v为转子相对于定子导体的线速度。

如果定子每相绕组串联的匝数是N，则每相绕组的反电动势为

（4）

方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为

（5）

其中α是计算极弧系数。

（6）

考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电，所以线电动势E为两相电势之和

（7）

（2）电磁转矩

在任何时刻，方波电动机电磁转矩Te是由两相绕组的合成磁场与转子的磁场相互作用而产生的。

可以利用功率与速度的关系来计算电磁转矩为

（8）

式中ω为角速度，

。

将

代入上式则转矩为

（9）

2.5无刷直流电机数学模型

下面以三相永磁方波电动机为例来分析无刷直流电动机的数学模型。

由于永磁无刷直流电动机气隙磁场、反电动势和电流都是非正弦的，因此采用直交轴坐标变化已不是有效的分析方法。

通常直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型。

该方法既简单又具有较好的准确度。

假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，则三相绕组的电压平衡方程为：

（10）

式中uA、uB、uC为定子相绕组电压；iA、iB、iC为定子相绕组电流；eA、eB、eC为定子相绕组反电动势；L为每相绕组自感；Rn为每相绕组内阻；LAB、LAC、LBA等为每两相绕组的互感。

对于方波电动机由于转子磁阻不随转子的位置变化，因而定子绕组的自感和互感为常数。

当采用星形连接时，

，因而有

（11）

电动机的电磁转矩为

（12）

2.6无刷直流电动机的驱动控制

三相半控桥式驱动电路结构简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电1/3周期，其绕组利用率很低；另外它的输出转矩波动较大。

因此在要求较高的场合，一般均采用的是三相全控电路。

三相全控电路有两两导通和三三导通两种方式。

2.6.1星形联结方式

星形联结的两两导通方式是每次使两个开关管同时导通。

如图11所示。

开关管的导通顺序为：

V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1。

可见共有六种导通状态，因此每隔60°电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通120°电角度。

当电流从开关管V1和V2导通时，电流从V1流入A相绕组，再从C相绕组经V2流回到电源。

其中A相和B相相当于串联。

每相通电电流均为I。

其他以此类推。

如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组所产生的转矩为负，他们合成的转矩大小为

。

但合成转矩T的方向转过了60°电角度。

而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过60°电角度。

与三相半桥式驱动方式相比较，三相全桥星形联结两两导通方式的每个开关管通电120°，每相绕组通电240°，其中正向通电和反向通电各120°。

其输出转矩波形如图12所示。

从图中可以看出，三相全控室的转矩波动比三相半控时小，从0.87Tm到Tm。

绕组的利用率增加了，同时输出的转矩也增加了。

图11三相星形联结全桥驱动电路

图12全控桥输出波形图

星形联结的三三导通方式是指每次使三个开关管同时导通。

如图11所示。

开关管的导通顺序为：

V1V2V3、V2V3V4、V3V4V5、V4V5V6、V5V6V1、V6V1V2、V1V2V3。

当V6V1V2导通时，电流从V1管流入A相绕组，经B和C相绕组分别从V6和V2流出。

经过60°电角度后，换相到V1V2V3通电，这时电流分别从V1和V3流入，经A和B相绕组再流入C相绕组，经V2流出。

在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。

每隔60°换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率管通电180°。

合成转矩为1.5Ta由于三相同时通电，产生的转矩分量互有抵消，所以总的转矩并不比两两导通方式的大。

2.6.2三相Δ联结方式

三相Δ联结电路也可以分为两两通电和三三通电两种控制方式。

如图13所示，三相Δ联结的两两导通方式的各个开关管的导通顺序为：

V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1。

当开关管V1V2导通时，电流从V1流入，分别通过A相绕组和B、C两相绕组，再从V2流出。

这时绕组的联结是B、C两相绕组串联后再通A相绕组并联，如果假定流过A相绕组的电流为I，则流过B、C相绕组的电流分别为I/2。

这里的合成转矩为A相转矩的1.5倍。

这种方式与星形联结的三三导通方式相同。

而三相Δ联结得三三导通方式与星形联结的两两导通方式相同。

综合来看，三相星形联结的两两导通方式和三相Δ联结的三三导通方式所产生的转矩比其他两种的要大。

由于三三导通方式使开关管导通的时间长，增加损耗，所以三相星形联结的两两导通方式是最佳的驱动方式。

图13三相Δ联结全桥驱动电路

3无刷直流电动机的PWM调速控制

3.1直流电动机电枢的PWM调速原理[7]

众所周知，直流电动机转速n的表达式为：

（13）

式中：

U为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；Φ为每极磁通量；K电动机结构参数。

由上式可得，直流电动机的转速控制方法可以分为两类：

对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制电枢控制法。

电枢控制法应用的较多。

绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。

开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电机的电枢电压，实现调速。

其PWM调制原理图和输入输出电压的波形如图14所示。

当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压US。

t1时间后栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢绕组两端电压为0。

t2时间后栅极输入又变为高电平，开关管重复前面的过程。

电动机的电枢绕组两端电压平均值UO为：

（14）

式中α为占空比。

α的变化范围为0≤α≤1。

当电源电压不变的情况下，电枢的端电压