光电驱动电动车的研究电动机控制系统设计.docx

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光电驱动电动车的研究电动机控制系统设计

本科毕业论文（设计）

论文题目：

光电驱动电动车的研究—电动机控制系统

学生姓名：

所在院系：

机电学院

所学专业：

应用电子技术教育

导师姓名：

完成时间：

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

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