电动自行车传动及控制系统的分析.docx

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电动自行车传动及控制系统的分析

机电工程现代设计方法课程论文

——电动自行车传动及控制系统的分析

电动自行车是以电动机作为行驶驱动的原动机，以车载电源作为动力能源的自行车，具有环保和低能耗的特点，在我国正在逐步推广和发展。

结构上都是由车体部件、电池，传动部件、微电脑控制器和测力测速传感部件（俗称力矩传感器）组成。

电动自行车离不开电机，电动自行车的发展也离不开电机的发展。

1电动自行车用电机分类及特点

1.1　按电机类型分类

电动自行车所用直流电机按电机本身类型可分成以下几类。

（1）　普通永磁直流电动机

这类电机即为通常使用的永磁直流电动机。

电机定子为铁氧体或钕铁硼永磁磁钢磁极，转子为普通直流电机转子，电机转速2000～4000r/min。

这类电机需配备减速齿轮箱后才能用于电动自行车上。

（2）　普通无刷直流电机

将有刷直流电机改为无刷直流电机，所不同的是定子为多相散嵌绕组，而转子为永磁磁极。

这类电机转速设计的较低，一般不需减速机构，电机转速500～1000r/min。

电机装于自行车的中轴上（习惯称中置电机）。

由于采用无刷电机，因此这类电机通过驱动线路控制很容易实现调速。

（3）印制绕组、线绕盘式直流电机

采用这两种电机的主要目的是利用这类电机薄饼式结构特点，使电机整体便于在自行车上合理安放。

这类电机转速较高，3000～4000r/min，电机功率较大。

本类电机需要与减速齿轮机构相配才能用于电动自行车上。

线绕盘式直流电机由于其绕组参数便于调整，因此设计上可使电机特性有较大的变化，能适应多种负载特性要求。

（4）　外转子无刷直流电机

这类电机轴向尺寸短，而铁心外径较大，因此结构上为扁平式，其电机结构和工作原理与普通无刷电机相类似，但该电机为外转子（定子磁钢）式无刷直流电机，电机极数较多，转速较低，在200r/min左右，无需减速齿轮，结构简单，安装在自行车后轮轴上。

1.2　按电机装在自行车上的位置分类

电动自行车用直流电机按其装在自行车上的位置可分成以下几类。

（1）　中置电机

装于自行车脚踏处中轴上，通过链条将动力传递到后轮上。

这类电机安装时自行车脚踏处需进行较大改动，而后轮则不需做任何变动。

（2）　轮毂式电机

装于自行车后轮轴中心，电机工作时力矩直接加到后轮上，不工作时可像普通自行车那样人工骑行。

（3）　磨轮式电机

装在自行车后座上靠与后轮摩擦传递动力。

这种结构为早期产品所采用，目前已很少看到这类电机。

（4）　旁褂式电机

旁褂式电机通过链传动驱动后轴，电机装在自行车侧面。

各类电机的特点

（1）　轮毂式印制绕组直流电机

　　轮毂式印制绕组直流电机是目前在电动自行车中采用最多的一种电机。

之所以如此，是因为两方面的原因，一是这种电机结构上的特点：

扁平，轴向尺寸小，便于安装。

二是由于性能上的特点：

运行起来性能稳定，可靠，损耗小，效率高，控制灵活。

从生产角度讲，虽然该产品的技术上含量较高，但生产上并不难，其成本相对较低，只要注意控制其加工质量，把好各个生产关口，这类电机的批量生产成本会较低，效益（利润）会很大。

（2）　轮毂式无刷直流电机

　　轮毂式无刷直流电机与上类似，也有上述之特点。

由于采用无刷控制技术，因而可省去减速齿轮箱，使电机结构简化。

应该说，本类电机是电动自行车中结构上最简单的电机，其运行性能及控制方式也十分良好及灵活。

该类电机制造成本不高，只要电机设计合理，性能优良，其组织批量生产将很容易，各工序均可形成流水线生产，这样就降低了成本。

（3）　中置式电机

凡将驱动电机装在自行车脚踏处的这种安装方式，其所采用的电机统称为中置式电机。

这类电机是通过链轮链条传递动力至后轮。

※普通无刷直流电机

　　这类电机即为通常使用的内转子式无刷直流电机，电机结构简单，已有相当成熟的加工手段，电机成本较低。

由于采用无刷控制，因此电机性能优异。

※普通永磁直流电机

　　这类电机是最普通的永磁直流电机，电机结构简单，工作稳定，可靠，生产加工成熟。

定子可采用早期的铁氧体永磁材料，也可采用当今高性能稀土永磁材料钕铁硼。

采用铁氧体磁钢电机性能要差一些，但电机成本低一些；而采用钕铁硼磁钢电机性能将十分好，比如转速低、效率较高、换向性能好等。

2电动自行车电机的特性

2．1转矩特性

电动自行车电机为三相直流电机，通过逆变模拟成三相交流电机工作。

根据电机的基本理论可知无刷直流电动机的三相定子电压的平衡方程式为：

式中，UA、UB、UC—三相定子电压；eA、eB、eC—三相定子绕组的反电动势；LA、LB、LC—三相定子绕组的自感；LAB、LBC、LCA、LBA、LCB、LAC—三相定子绕组间的互感；由于电机的三相绕组对称，有：

LA＝LB＝LC＝L；LAB＝LBC＝LCA＝LBA＝LCB＝LAC＝M；iA+iB+iC=0；

式

（1）整理可得：

其等效电路见图1所示。

电磁转矩方程为：

T=（

）/Ω（3）

式中：

Ω—电机的角速度。

只有在定子绕组电动势和电流完全同步时，转子才可能产生恒定的电磁转矩。

在理想情况下，任何时刻定子绕组只有两相导通，因此，电磁转矩为：

（4）

式中：

Em—一相定子绕组反电动势的最大值；

Im—一相定子绕组电流的最大值；根据直流电机原理，一相定子绕组反电动势的最大值为：

（5）

主磁通为：

（6）

将（6）的结果代入（5）式，得：

（7）

式中:

一常数；N一一相绕组的匝数；pm一极对数；n一电机的转速。

因此，电磁转矩表达式为：

（8）

从式（8）可以看出，电动自行车电机的电磁转矩与磁通和电流的大小成正比，所以，控制逆变器输出的电流大小就可以控制电动自行车的转矩。

电动自行车电机

的转子运动方程为：

（9）

式中：

TJ一负载转矩；B一粘阻尼系数；J一转子及负载的转动惯量。

2．2转速特性

对于电动自行车电机，理想条件下，任何时刻只有两相定子绕组通电。

设加在定子绕组的电压为Ud，则电压方程式为：

（10）

由式（10）可以推导出转子的转速为：

（11）

式中：

Em一每相定子绕组电动势；Im一每相定子绕组相电流；n一电动车电机的转速；R一定子回路总电阻．包括电机两相绕组的电阻和管压降的等效电阻。

从式（11）可以看出，无刷电动自行车的转速可以通过改变加在定子绕组上的电压进行调节。

通常．采取调节逆变器的PWM触发信号的占空比来改变电压Ud的大小，从而实现电动自行车的调速。

3电动自行车的传动方案

3．1摩带式传动

起源于美国、台湾、日本，国内都有厂家生产过摩带式电动自行车。

它

的优点是质量轻，价格便宜。

但目前国内外没有一家能真正做好。

主要原因有：

摩带头、轮胎部易损坏，泥沙和杂物的堆积容易造成打滑，机械传动效率不高。

作为一种低档车的传动部件，这是一种很好的传动方案。

很适合学生和工资收入较低而上班路程较长的工薪阶层。

既然摩带头易损，我们干脆把它作成易损件，可随时方便地更换。

机械传动效率不高是永远无法克服的．也不必去做无用功。

至于减少泥沙堆积造成打滑，是极易解决的小问题。

3．2中置式传动

将电机和减速机构放置于电动自行车的中轴位置，优点是重心低，稳定性好、造型美观。

由于电机放在中轴处．大部需要伞齿轮改变传动方向，经齿轮减速后，再通过链条驱动后轮行驶，伞齿轮、减速齿轮和链条这三者都要损失机械传动效率，因此效率不太高。

由于机械结构比较复杂，售后服务难度较大．造价也偏高。

中置式传动是一个产业化程度很高的成熟方案。

中置式传动还有一种更经济、更可靠的方案，那就是采用内转了低速电机，这种方案的优点是噪音低，造价低廉、可靠性好、结构简单，便于维护。

3．3侧挂式传动

侧挂式传动属轴传动范畴，优点是重量轻，传动效率高、造价便宜；缺点是现有设计方案中齿轮减速比大、齿轮磨损快、噪音大。

采用拄状电机还要采用伞齿轮改变传动方向，结构复杂。

侧挂式传动方案中，若能使用盘式电机，即可省去伞齿轮。

两级齿轮减速，二级从动轮带离合器，并将其固定在后轴皮的左侧端面上。

同时设计密封油箱实现稀油润滑。

这样的方案还可实现齿轮中心距的调节，既可降低齿轮胎损．可减低噪音。

这是一个比较成熟、造价低廉、重量轻、传动效率高的理想传动方案。

3．4轮毂式传动

轮毂式传动属于轴传动类型．其特点是传动效率高、造型精巧，不破坏白行车的传统结构．无电骑行性能较好。

轮毂式传动是中国特色，1990年清华大学就申报了半轴轴结构式高速有刷电机轮毂的发明专利。

是全世界最早提出使用电动轮毂作为电动自行车传动部件的单位现任，轮毂式传动的先进性已被越来越多的厂家所认识，成为一种潮流。

欧，美，日本采用者也越来越多。

轮毂式传动可分为“高速”和“低速”两大类。

高速电机带齿轮减速器构成的电动轮毂称之为高速电机轮毂。

优点：

质量轻，通过齿轮减速增力，扭矩大，爬坡性能好。

缺点：

齿轮属小模数齿轮，又难于实现稀油润滑，磨损较快。

寿命大体在1500h左右，噪音大，一般在60dB以上。

高速电机轮毂式又可分为半轴结构和通轴结构两种。

所用盘式电机还可分为高速有刷电机和高速无刷电机两类，其中高速有刷电机又可细分为印制绕组和线绕绕组两种。

2000年之前曾在市场上占据绝大部分市场分额的是以印制电机为核心部件、半轴结构式的电动轮毂。

这一两年来．由于低速电机轮毂的出现其市场分额有大幅度的下降。

但它的质量轻、扭矩大等优点目前还是别的轮毂电机所无法取代的。

低速电机轮毂是指没有齿轮减速的通轴结构轮毂。

因其转速可设计成直接供电动自行车使用的数值，故称低速电机轮毂。

由于没有齿轮减速，为了保证达到骑行所需的功率、所应具有的效率、足够的扭矩和合乎标准的转速，低速电机轮毂必须要有高性能磁性材料和设计合理的几何尺寸；必须要有足够的矽钢片叠数、厚度及相应的尺寸；还必须有满足要求的漆包线线径、圈数、匝数。

低速电机轮毂的效率、功率和扭矩设计好了都可达到使用要求；电机生产设备无特殊要求，制作工艺简单。

便于大量生产，因而造价低廉；因无齿轮减速，噪音很低；制造技术过关后轮毂寿命也很长。

其缺点是重量偏大。

总之．它是电动自行车未来比较理想的传动部件。

低速电机轮毂又可分为“低速无刷”和“低速有刷”两种。

低速无刷电机轮毂从技术性能指标看，要优于低速有刷电机轮毂。

但是低速无刷电机轮毂内部有三个霍耳转子位置传感器．其安装位置的精确性性能参数的一致性、经过一段时间使用后性能参数的漂移幅度变化等都会对低速无刷电机轮毂的性能产生影响，搞不好甚至会产生缺相而无法正常使用。

其次控制系统比较复杂、控制器包含：

转子位置译码电路，换向信号转换电路，功率开关电路，控制功能电路和保护电路等五大部分组成。

因此一个设计完善的低速无刷电机轮毂相对比较复杂，价格较高。

当然现在有专用的控制和驱动集成电路芯片，

这对解决控制性能和减低价格起到了很大作用。

如果最们不片面追求低价位．通过某些途径很好地解决上述问题后，低速无刷电机轮毂是完全可以满足使用、性能指标达到优秀的好产品。

低速有刷电机轮毂帆性能角度看不如低速无刷．。

但低速有刷器相对简单，已是成熟产品，其售价（包括控制器）相对其他两种轮毂要宜些。

所以，合格的低速有刷电机轮毂从目前看是理想选择。

4电动自行车电机的控制系统

控制系统是电动自行车的大脑和神经中枢。

它搜集、执行用户指令。

检测电机运行状况，控制电机动作。

电动自行车电机的控制与保护主要通过控制器进

行。

4．1有刷电机的控制

有刷电机的控制相对简单，其一般原理如图2所示。

内部稳压电源给控制器内部电子元件提供工作电压：

PWM芯片根据转把的输入电压输出相应脉冲宽度的方波给MOS管驱动电路，其导通时间与关闭时间受PWM信号的控制。

当电池电压降低到控制器设定值以下时，欠压保护电路工作，PWM芯片停止PWM信号的输出，以保护电池不至于在低电压情况下放电。

有刷电机控制器ZK3610A典型控制电路见图3。

有刷电机控制器的核心电路是振荡器、脉宽调制等。

组成核心电路的器件为电压比较器和专用脉宽调制芯片。

电路图的左上方为电动自行车内部稳压电源。

36V电压为直流电动机工作电压，5V电压为控制电路工作电压。

振荡器主要包括运算放大器2、电容472、二极管4148及电阻，组成锯齿波产生电路，用于脉冲波形的产生、变换、测量与控制。

控制电路由刹车、转把、PWM以及由5551和5401组成的功率调节与驱动电路组成，直流输入控制信号为转把和闸把．PWM根据转把和闸把的输入信号的变化，输出不同宽度的脉冲信号送给MOS管驱动电路，通过控制MOS管的导通控制电机的转速。

驱动电路为功率放大电路，控制器采用脉宽调制的PWM控制方法调速。

该电路的工作原理为：

电路正常工作时，通过调节转把来改变7端的电压值，此直流电压与锯齿波发生电路在电容472上产生的锯齿波电压进行比较，当7端上的电压大于472上的电压时，运算放大器4148输出为正电压，从而使5551导通、5041截止，功率场效应管75的栅极因此被充电变为高电平而导通，电机M得电运转：

当刹把动作使7端上的电压小于472上的电压时，运算放大器4148的输出为负电压，从而使5551截止，由于5041的发射极与75的栅极回路相连，所以栅极上的高电压使5041瞬时导通，栅极电荷通过5041迅速放掉，使功率场效应管截止，电机M因失电而停转。

7端上的电压越高，输出导通的占空比则越大，电机M的转速就越快；反之，则转速越低。

所以，调节转把就可达到调节电动机M转速的目的。

当电源电压过低时，“9”端电位降低，“14”端为低电平，即“7”端为低电平，PWM没有输入信号，也就没有输出，电动自行车电机停止运转，实现了电机的欠压保护。

当电路中的电流过大时，通过过流保护电路部分的“11”端和“13”端所接的两个电容，使“13”端的电位不能突变。

即“7”端的电位保持稳定。

PWM的输入信号稳定，从而稳定其输出端

（1）的电压，使电机避免过大电流的影响。

电机两端并联了两个二极管，主要对电机进行限流。

通过刹车端的4148二极管可以看出，刹把有效该端电位为低电平。

4．2无刷直流电机的控制

无刷直流电机的控制相对有刷直流电机比较复杂，通常由无刷控制器进行控制。

以WZK3610A普通无刷控制器为例，其控制器的原理见图4。

无刷控制器内部稳压电源、欠压保护电路和限流（或过流）保护电路的作用与有刷电机控制器相应部件的作用相同。

主处理芯片根据无刷电机的霍耳信号对上三路和下三路的MOS管驱动电路给出有选择性的打开与关闭信号，以完成对电机的换向。

另外，根据转把的输入电压大小，将相应脉冲信号的载波信号，与下三路MOS管导通信号混合，以达到控制电机速度的目的。

MOS管驱动电路将PWM信号整形放大，提供给MOS。

另外，对于上三路的三个MOS管来说，它们的驱动电平要求高于电池供电电压，因此MOS驱动电路还要具有升压功能。

将上三路的MOS管导通信号变成高于电池电压的超高方波信号。

MOS管是大电流开关元件。

其导通时间与关闭时间，受导通信号与PWM信号合成的混合信号控制。

欠压保护电路是当电池电压降低到控制器设定值以下时，PWM芯片停止了PWM信号的输出，以保护电池不至于在低电压情况下放电。

限流保护（或过流保护）电路是对控制器输出的最大电流进行限制．以保护电

池、控制器、电机等不会出现允许范围以上的大电流（防止电池过放电）工作时，无刷控制器的相位角必须和无刷电机的相位角一致，电机才能正常运转。

WZK3610A普通无刷控制器的电气原理见图5。

无刷电机的引线共有8根，3根绕组相线（黄、蓝、绿）将与电源连接，还有2根较细的为霍尔电源线，3根为霍尔信号线。

控制器的负载为无刷电机，输入控制信号都是转把与闸把。

转把与闸把的形式不一样，它们的信号特征也不一样，控制器能接受什么样的转把信号与闸把信号，就要选择什么信号的转把与闸把。

5总结

目前我国的电动自行车主要采用轮毂式稀土永磁有刷直流电机和中置式无刷直流电机。

经过多年生产实践及了解到有关生产厂家的情况，认为印制绕组直流电机和外转子无刷直流电机为电动自行车首选电机，也是发展趋势。

参考文献：

[1]陈祥，何怡刚，2008，21（3）

[2]马贵龙.电动自行车传动方案综述.电器工业，2002.6P5

[3]三浦宏文，等.机电一体化实用手册.科学出版社，2005