電動自行車傳動及控制系統(tǒng)的分析

機電工程現(xiàn)代設(shè)計方法課程論文 電動自行車傳動及控制系統(tǒng)的分析電動自行車是以電動機作為行駛驅(qū)動的原動機，以車載電源作為動力能源的自行車，具有環(huán)保和低能耗的特點，在我國正在逐步推廣和發(fā)展。結(jié)構(gòu)上都是由車體部件、電池，傳動部件、微電腦控制器和測力測速傳感部件（俗稱力矩傳感器）組成。電動自行車離不開電機，電動自行車的發(fā)展也離不開電機的發(fā)展。1電動自行車用電機分類及特點1.1按電機類型分類電動自行車所用直流電機按電機本身類型可分成以下幾類。（1） 普通永磁直流電動機這類電機即為通常使用的永磁直流電動機。電機定子為鐵氧體或釹鐵硼永磁磁鋼磁極，轉(zhuǎn)子為普通直流電機轉(zhuǎn)子，電機轉(zhuǎn)速2000?4000r/min。這類電機需配備減速齒輪箱后才能用于電動自行車上。（2） 普通無刷直流電機將有刷直流電機改為無刷直流電機，所不同的是定子為多相散嵌繞組，而轉(zhuǎn)子為永磁磁極。這類電機轉(zhuǎn)速設(shè)計的較低，一般不需減速機構(gòu)，電機轉(zhuǎn)速500?1000r/min。電機裝于自行車的中軸上（習(xí)慣稱中置電機）。由于采用無刷電機，因此這類電機通過驅(qū)動線路控制很容易實現(xiàn)調(diào)速。（3） 印制繞組、線繞盤式直流電機采用這兩種電機的主要目的是利用這類電機薄餅式結(jié)構(gòu)特點，使電機整體便于在自行車上合理安放。這類電機轉(zhuǎn)速較高，3000?4000r/min,電機功率較大。本類電機需要與減速齒輪機構(gòu)相配才能用于電動自行車上。線繞盤式直流電機由于其繞組參數(shù)便于調(diào)整，因此設(shè)計上可使電機特性有較大的變化，能適應(yīng)多種負(fù)載特性要求。（4） 外轉(zhuǎn)子無刷直流電機這類電機軸向尺寸短，而鐵心外徑較大，因此結(jié)構(gòu)上為扁平式，其電機結(jié)構(gòu)和工作原理與普通無刷電機相類似，但該電機為外轉(zhuǎn)子（定子磁鋼）式無刷直流電機，電機極數(shù)較多，轉(zhuǎn)速較低，在200r/min左右，無需減速齒輪，結(jié)構(gòu)簡單，安裝在自行車后輪軸上。1.2按電機裝在自行車上的位置分類電動自行車用直流電機按其裝在自行車上的位置可分成以下幾類。1）中置電機裝于自行車腳踏處中軸上，通過鏈條將動力傳遞到后輪上。這類電機安裝時自行車腳踏處需進行較大改動，而后輪則不需做任何變動。（2） 輪轂式電機裝于自行車后輪軸中心，電機工作時力矩直接加到后輪上，不工作時可像普通自行車那樣人工騎行。（3） 磨輪式電機裝在自行車后座上靠與后輪摩擦傳遞動力。這種結(jié)構(gòu)為早期產(chǎn)品所采用，目前已很少看到這類電機。（4） 旁褂式電機旁褂式電機通過鏈傳動驅(qū)動后軸，電機裝在自行車側(cè)面。各類電機的特點（1） 輪轂式印制繞組直流電機輪轂式印制繞組直流電機是目前在電動自行車中采用最多的一種電機。之所以如此，是因為兩方面的原因，一是這種電機結(jié)構(gòu)上的特點：扁平，軸向尺寸小，便于安裝。二是由于性能上的特點：運行起來性能穩(wěn)定，可靠，損耗小，效率高，控制靈活。從生產(chǎn)角度講，雖然該產(chǎn)品的技術(shù)上含量較高，但生產(chǎn)上并不難，其成本相對較低，只要注意控制其加工質(zhì)量，把好各個生產(chǎn)關(guān)口，這類電機的批量生產(chǎn)成本會較低，效益（利潤）會很大。（2） 輪轂式無刷直流電機輪轂式無刷直流電機與上類似，也有上述之特點。由于采用無刷控制技術(shù)，因而可省去減速齒輪箱，使電機結(jié)構(gòu)簡化。應(yīng)該說，本類電機是電動自行車中結(jié)構(gòu)上最簡單的電機，其運行性能及控制方式也十分良好及靈活。該類電機制造成本不高，只要電機設(shè)計合理，性能優(yōu)良，其組織批量生產(chǎn)將很容易，各工序均可形成流水線生產(chǎn)，這樣就降低了成本。（3） 中置式電機凡將驅(qū)動電機裝在自行車腳踏處的這種安裝方式，其所采用的電機統(tǒng)稱為中置式電機。這類電機是通過鏈輪鏈條傳遞動力至后輪?！胀o刷直流電機

這類電機即為通常使用的內(nèi)轉(zhuǎn)子式無刷直流電機，電機結(jié)構(gòu)簡單，已有相當(dāng)成熟的加工手段，電機成本較低。由于采用無刷控制，因此電機性能優(yōu)異。※普通永磁直流電機這類電機是最普通的永磁直流電機，電機結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，可靠，生產(chǎn)加工成熟。定子可采用早期的鐵氧體永磁材料，也可采用當(dāng)今高性能稀土永磁材料釹鐵硼。采用鐵氧體磁鋼電機性能要差一些，但電機成本低一些；而采用釹鐵硼磁鋼電機性能將十分好，比如轉(zhuǎn)速低、效率較高、換向性能好等。2電動自行車電機的特性2.1轉(zhuǎn)矩特性電動自行車電機為三相直流電機，通過逆變模擬成三相交流電機工作。根據(jù)電機的基本理論可知無刷直流電動機的三相定子電壓的平衡方程式為：式中，UA、UB、UC—三相定子電壓；eA、eB、eC—三相定子繞組的反電動勢；La、Lb、L。一三相定子繞組的自感；Lab、Lbc^Lca^Lba^Lcb^Lac—三相定子繞組間的互感；由于電機的三相繞組對稱，有：La=Lb=Lc=L；Lab=LBc=LCA=LBA=LCB=LAC=M；iA+iB+iC=0；□aKOOh□aKOOhL-W0 01aHa二0R*0豐0L-M0Pih+00R,1Ic0 DL-M.■it-■創(chuàng)；.式(1)整理可得:其等效電路見圖1所示。電磁轉(zhuǎn)矩方程為:T=(ei€ei€ei)/Q (3)AABBCC式中：Q—電機的角速度。只有在定子繞組電動勢和電流完全同步時，轉(zhuǎn)子才可能產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。在理想情況下，任何時刻定子繞組只有兩相導(dǎo)通，因此,電磁轉(zhuǎn)矩為：T二2EI/Q (4)an電機蒔效也翳式中：Em——相定子繞組反電動勢的最大值；Iman電機蒔效也翳式中：Em——相定子繞組反電動勢的最大值；Im一一相定子繞組電流的最大值；根據(jù)直流電機原理，一相定子繞組反電動勢的最大值為：60主磁通為:(6)將(6)的結(jié)果代入(5)式，得:60€n=K?①(7)Em=N€B€l€v=N?B?l?—?2nr (5)式中:K=N€p/60一常數(shù)；N 相繞組的匝數(shù)；pm一極對數(shù)；n—電機的TOC\o"1-5"\h\ze m轉(zhuǎn)速。因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：\o"CurrentDocument"T二2EI/0二K①I60 (8)dd emdn從式(8)可以看出，電動自行車電機的電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電流的大小成正比，所以，控制逆變器輸出的電流大小就可以控制電動自行車的轉(zhuǎn)矩。電動自行車電機\o"CurrentDocument"的轉(zhuǎn)子運動方程為：d0/dt二(T-T-BQ)/J (9)J式中：Tj一負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B一粘阻尼系數(shù)；J一轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量。2.2轉(zhuǎn)速特性對于電動自行車電機，理想條件下，任何時刻只有兩相定子繞組通電。設(shè)加在定子繞組的電壓為Ud，則電壓方程式為:(10)U二2E+1R=2K①n+1R(10)d mm em m由式(10)可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為:式中：Em一每相定子繞組電動勢；Im—每相定子繞組相電流；n—電動車電機的轉(zhuǎn)速；R一定子回路總電阻.包括電機兩相繞組的電阻和管壓降的等效電阻。從式(11)可以看出，無刷電動自行車的轉(zhuǎn)速可以通過改變加在定子繞組上的電壓進行調(diào)節(jié)。通常．采取調(diào)節(jié)逆變器的PWM觸發(fā)信號的占空比來改變電壓Ud的大小，從而實現(xiàn)電動自行車的調(diào)速。3電動自行車的傳動方案3．1摩帶式傳動起源于美國、臺灣、日本，國內(nèi)都有廠家生產(chǎn)過摩帶式電動自行車。它的優(yōu)點是質(zhì)量輕，價格便宜。但目前國內(nèi)外沒有一家能真正做好。主要原因有：摩帶頭、輪胎部易損壞，泥沙和雜物的堆積容易造成打滑，機械傳動效率不高。作為一種低檔車的傳動部件，這是一種很好的傳動方案。很適合學(xué)生和工資收入較低而上班路程較長的工薪階層。既然摩帶頭易損，我們干脆把它作成易損件，可隨時方便地更換。機械傳動效率不高是永遠(yuǎn)無法克服的．也不必去做無用功。至于減少泥沙堆積造成打滑，是極易解決的小問題。3．2中置式傳動將電機和減速機構(gòu)放置于電動自行車的中軸位置，優(yōu)點是重心低，穩(wěn)定性好、造型美觀。由于電機放在中軸處．大部需要傘齒輪改變傳動方向，經(jīng)齒輪減速后，再通過鏈條驅(qū)動后輪行駛，傘齒輪、減速齒輪和鏈條這三者都要損失機械傳動效率，因此效率不太高。由于機械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，售后服務(wù)難度較大．造價也偏高。中置式傳動是一個產(chǎn)業(yè)化程度很高的成熟方案。中置式傳動還有一種更經(jīng)濟、更可靠的方案，那就是采用內(nèi)轉(zhuǎn)了低速電機，這種方案的優(yōu)點是噪音低，造價低廉、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單，便于維護。3．3側(cè)掛式傳動側(cè)掛式傳動屬軸傳動范疇，優(yōu)點是重量輕，傳動效率高、造價便宜；缺點是現(xiàn)有設(shè)計方案中齒輪減速比大、齒輪磨損快、噪音大。采用拄狀電機還要采用傘齒輪改變傳動方向，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。側(cè)掛式傳動方案中，若能使用盤式電機，即可省去傘齒輪。兩級齒輪減速，二級從動輪帶離合器，并將其固定在后軸皮的左側(cè)端面上。同時設(shè)計密封油箱實現(xiàn)稀油潤滑。這樣的方案還可實現(xiàn)齒輪中心距的調(diào)節(jié)，既可降低齒輪胎損．可減低噪音。這是一個比較成熟、造價低廉、重量輕、傳動效率高的理想傳動方案。3．4輪轂式傳動輪轂式傳動屬于軸傳動類型．其特點是傳動效率高、造型精巧，不破壞白行車的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)．無電騎行性能較好。輪轂式傳動是中國特色，1990年清華大學(xué)就申報了半軸軸結(jié)構(gòu)式高速有刷電機輪轂的發(fā)明專利。是全世界最早提出使用電動輪轂作為電動自行車傳動部件的單位現(xiàn)任，輪轂式傳動的先進性已被越來越多的廠家所認(rèn)識，成為一種潮流。歐，美，日本采用者也越來越多。輪轂式傳動可分為“高速”和“低速”兩大類。高速電機帶齒輪減速器構(gòu)成的電動輪轂稱之為高速電機輪轂。優(yōu)點：質(zhì)量輕，通過齒輪減速增力，扭矩大，爬坡性能好。缺點：齒輪屬小模數(shù)齒輪，又難于實現(xiàn)稀油潤滑，磨損較快。壽命大體在1500h左右，噪音大，一般在60dB以上。高速電機輪轂式又可分為半軸結(jié)構(gòu)和通軸結(jié)構(gòu)兩種。所用盤式電機還可分為高速有刷電機和高速無刷電機兩類，其中高速有刷電機又可細(xì)分為印制繞組和線繞繞組兩種。2000年之前曾在市場上占據(jù)絕大部分市場分額的是以印制電機為核心部件、半軸結(jié)構(gòu)式的電動輪轂。這一兩年來．由于低速電機輪轂的出現(xiàn)其市場分額有大幅度的下降。但它的質(zhì)量輕、扭矩大等優(yōu)點目前還是別的輪轂電機所無法取代的。低速電機輪轂是指沒有齒輪減速的通軸結(jié)構(gòu)輪轂。因其轉(zhuǎn)速可設(shè)計成直接供電動自行車使用的數(shù)值，故稱低速電機輪轂。由于沒有齒輪減速，為了保證達(dá)到騎行所需的功率、所應(yīng)具有的效率、足夠的扭矩和合乎標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速，低速電機輪轂必須要有高性能磁性材料和設(shè)計合理的幾何尺寸；必須要有足夠的矽鋼片疊數(shù)、厚度及相應(yīng)的尺寸；還必須有滿足要求的漆包線線徑、圈數(shù)、匝數(shù)。低速電機輪轂的效率、功率和扭矩設(shè)計好了都可達(dá)到使用要求；電機生產(chǎn)設(shè)備無特殊要求，制作工藝簡單。便于大量生產(chǎn)，因而造價低廉；因無齒輪減速，噪音很低；制造技術(shù)過關(guān)后輪轂壽命也很長。其缺點是重量偏大?？傊请妱幼孕熊囄磥肀容^理想的傳動部件。低速電機輪轂又可分為“低速無刷”和“低速有刷”兩種。低速無刷電機輪轂從技術(shù)性能指標(biāo)看，要優(yōu)于低速有刷電機輪轂。但是低速無刷電機輪轂內(nèi)部有三個霍耳轉(zhuǎn)子位置傳感器．其安裝位置的精確性性能參數(shù)的一致性、經(jīng)過一段時間使用后性能參數(shù)的漂移幅度變化等都會對低速無刷電機輪轂的性能產(chǎn)生影響，搞不好甚至?xí)a(chǎn)生缺相而無法正常使用。其次控制系統(tǒng)比較復(fù)雜、控制器包含：轉(zhuǎn)子位置譯碼電路，換向信號轉(zhuǎn)換電路，功率開關(guān)電路，控制功能電路和保護電路等五大部分組成。因此一個設(shè)計完善的低速無刷電機輪轂相對比較復(fù)雜，價格較高。當(dāng)然現(xiàn)在有專用的控制和驅(qū)動集成電路芯片，這對解決控制性能和減低價格起到了很大作用。如果最們不片面追求低價位．通過某些途徑很好地解決上述問題后，低速無刷電機輪轂是完全可以滿足使用、性能指標(biāo)達(dá)到優(yōu)秀的好產(chǎn)品。低速有刷電機輪轂帆性能角度看不如低速無刷．。但低速有刷器相對簡單，

已是成熟產(chǎn)品，其售價（包括控制器）相對其他兩種輪轂要宜些。所以，合格的低速有刷電機輪轂從目前看是理想選擇。4電動自行車電機的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是電動自行車的大腦和神經(jīng)中樞。它搜集、執(zhí)行用戶指令。檢測電機運行狀況，控制電機動作。電動自行車電機的控制與保護主要通過控制器進行。4.1有刷電機的控制趨樂電議惺時電趨樂電議惺時電as圖2有別電機控制原理框圖有刷電機的控制相對簡單，其一般原理如圖2所示。內(nèi)部穩(wěn)壓電源給控制器內(nèi)部電子元件提供工作電壓：PWM芯片根據(jù)轉(zhuǎn)把的輸入電壓輸出相應(yīng)脈沖寬度的方波給MOS管驅(qū)動電路，其導(dǎo)通時間與關(guān)閉時間受PWM信號的控制。當(dāng)電池電壓降低到控制器設(shè)定值以下時，欠壓保護電路工作,PWM芯片停止PWM信號的輸出，以保護電池不至于在低電壓情況下放電。有刷電機控制器ZK3610A典型控制電路見圖3。有刷電機控制器的核心電路是振蕩器、脈寬調(diào)制等。組成核心電路的器件為電壓比較器和專用脈寬調(diào)制芯片。電路圖的左上方為電動自行車內(nèi)部穩(wěn)壓電源。36V電壓為直流電動機工作電壓，5V電壓為控制電路工作電壓。B83有刷電機典型檢制電踣振蕩器主要包括運算放大器2、電容472、二極管4148及電阻，組成鋸齒波產(chǎn)生電路，用于脈沖波形的產(chǎn)生、變換、測量與控制?？刂齐娐酚蓜x車、轉(zhuǎn)把、PWM以及由5551和5401組成的功率調(diào)節(jié)與驅(qū)動電路組成，直流輸入控制信號為轉(zhuǎn)把和閘把.PWM根據(jù)轉(zhuǎn)把和閘把的輸入信號的變化，輸出不同寬度的脈沖信號送給MOS管驅(qū)動電路，通過控制MOS管的導(dǎo)通控制電機的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路為功率放大電路，控制器采用脈寬調(diào)制的PWM控制方法調(diào)速。該電路的工作原理為：電路正常工作時，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)把來改變7端的電壓值，此直流電壓與鋸齒波發(fā)生電路在電容472上產(chǎn)生的鋸齒波電壓進行比較，當(dāng)7端上的電壓大于472上的電壓時，運算放大器4148輸出為正電壓，從而使5551導(dǎo)通、5041截止，功率場效應(yīng)管75的柵極因此被充電變?yōu)楦唠娖蕉鴮?dǎo)通，電機M得電運轉(zhuǎn)：當(dāng)剎把動作使7端上的電壓小于472上的電壓時，運算放大器4148的輸出為負(fù)電壓，從而使5551截止，由于5041的發(fā)射極與75的柵極回路相連，所以柵極上的高電壓使5041瞬時導(dǎo)通，柵極電荷通過5041迅速放掉，使功率場效應(yīng)管截止，電機M因失電而停轉(zhuǎn)。7端上的電壓越高，輸出導(dǎo)通的占空比則越大，電機M的轉(zhuǎn)速就越快；反之，則轉(zhuǎn)速越低。所以，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)把就可達(dá)到調(diào)節(jié)電動機M轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)電源電壓過低時，“9”端電位降低，“14”端為低電平，即“7”端為低電平，PWM沒有輸入信號，也就沒有輸出，電動自行車電機停止運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了電機的欠壓保護。當(dāng)電路中的電流過大時，通過過流保護電路部分的“11”端和“13”端所接的兩個電容，使“13”端的電位不能突變。即“7”端的電位保持穩(wěn)定。PWM的輸入信號穩(wěn)定，從而穩(wěn)定其輸出端(1)的電壓，使電機避免過大電流的影響。電機兩端并聯(lián)了兩個二極管，主要對電機進行限流。通過剎車端的4148二極管可以看出，剎把有效該端電位為低電平。4.2無刷直流電機的控制無刷直流電機的控制相對有刷直流電機比較復(fù)雜，通常由無刷控制器進行控制。以WZK3610A普通無刷控制器為例，其控制器的原理見圖4。護電需護電需護電踣圖4無刷電機控制原理框圖無刷控制器內(nèi)部穩(wěn)壓電源、欠壓保護電路和限流（或過流）保護電路的作用與有刷電機控制器相應(yīng)部件的作用相同。主處理芯片根據(jù)無刷電機的霍耳信號對上三路和下三路的MOS管驅(qū)動電路給出有選擇性的打開與關(guān)閉信號，以完成對電機的換向。另外，根據(jù)轉(zhuǎn)把的輸入電壓大小，將相應(yīng)脈沖信號的載波信號，與下三路M