機(jī)電工程現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(jī)作為行駛驅(qū)動的原動機(jī)，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(diǎn)，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(jī)，電動自行車的發(fā)展也離不開電機(jī)的發(fā)展。1電動自行車用電機(jī)分類及特點(diǎn)1.1按電機(jī)類型分類電動自行車所用直流電機(jī)按電機(jī)本身類型可分成以下幾類。（1） 普通永磁直流電動機(jī)這類電機(jī)即為通常使用的永磁直流電動機(jī)。電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子，電機(jī)轉(zhuǎn)速2000?4000r/min。這類電機(jī)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(jī)將有刷直流電機(jī)改為無刷直流電機(jī)，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(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)的較低，一般不需減速機(jī)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)速500?1000r/min。電機(jī)裝于自行車的中軸上（習(xí)慣稱中置電機(jī)）。由于采用無刷電機(jī)，因此這類電機(jī)通過驅(qū)動線路控制很容易實(shí)現(xiàn)調(diào)速。（3） 印制繞組、線繞盤式直流電機(jī)采用這兩種電機(jī)的主要目的是利用這類電機(jī)薄餅式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使電機(jī)整體便于在自行車上合理安放。這類電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，3000?4000r/min,電機(jī)功率較大。本類電機(jī)需要與減速齒輪機(jī)構(gòu)相配才能用于電動自行車上。線繞盤式直流電機(jī)由于其繞組參數(shù)便于調(diào)整，因此設(shè)計(jì)上可使電機(jī)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(jī)這類電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理與普通無刷電機(jī)相類似，但該電機(jī)為外轉(zhuǎn)子（定子磁鋼）式無刷直流電機(jī)，電機(jī)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(jī)裝在自行車上的位置分類電動自行車用直流電機(jī)按其裝在自行車上的位置可分成以下幾類。1）中置電機(jī)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(jī)安裝時自行車腳踏處需進(jìn)行較大改動，而后輪則不需做任何變動。（2） 輪轂式電機(jī)裝于自行車后輪軸中心，電機(jī)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(jī)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(jī)。（4） 旁褂式電機(jī)旁褂式電機(jī)通過鏈傳動驅(qū)動后軸，電機(jī)裝在自行車側(cè)面。各類電機(jī)的特點(diǎn)（1） 輪轂式印制繞組直流電機(jī)輪轂式印制繞組直流電機(jī)是目前在電動自行車中采用最多的一種電機(jī)。之所以如此，是因?yàn)閮煞矫娴脑?，一是這種電機(jī)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)：扁平，軸向尺寸小，便于安裝。二是由于性能上的特點(diǎn)：運(yùn)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(jī)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(jī)輪轂式無刷直流電機(jī)與上類似，也有上述之特點(diǎn)。由于采用無刷控制技術(shù)，因而可省去減速齒輪箱，使電機(jī)結(jié)構(gòu)簡化。應(yīng)該說，本類電機(jī)是電動自行車中結(jié)構(gòu)上最簡單的電機(jī)，其運(yùn)行性能及控制方式也十分良好及靈活。該類電機(jī)制造成本不高，只要電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)凡將驅(qū)動電機(jī)裝在自行車腳踏處的這種安裝方式，其所采用的電機(jī)統(tǒng)稱為中置式電機(jī)。這類電機(jī)是通過鏈輪鏈條傳遞動力至后輪?！胀o刷直流電機(jī)

這類電機(jī)即為通常使用的內(nèi)轉(zhuǎn)子式無刷直流電機(jī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，已有相當(dāng)成熟的加工手段，電機(jī)成本較低。由于采用無刷控制，因此電機(jī)性能優(yōu)異?！胀ㄓ来胖绷麟姍C(jī)這類電機(jī)是最普通的永磁直流電機(jī)，電機(jī)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(jī)性能要差一些，但電機(jī)成本低一些；而采用釹鐵硼磁鋼電機(jī)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(jī)的特性2.1轉(zhuǎn)矩特性電動自行車電機(jī)為三相直流電機(jī)，通過逆變模擬成三相交流電機(jī)工作。根據(jù)電機(jī)的基本理論可知無刷直流電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)蒔效也翳式中：Em——相定子繞組反電動勢的最大值；Iman電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)\o"CurrentDocument"的轉(zhuǎn)子運(yùn)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(jī)，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(jī)的轉(zhuǎn)速；R一定子回路總電阻.包括電機(jī)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(jìn)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(shí)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(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī)和減速機(jī)構(gòu)放置于電動自行車的中軸位置，優(yōu)點(diǎn)是重心低，穩(wěn)定性好、造型美觀。由于電機(jī)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(jī)械傳動效率，因此效率不太高。由于機(jī)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(jì)、更可靠的方案，那就是采用內(nèi)轉(zhuǎn)了低速電機(jī)，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是噪音低，造價低廉、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)。3．3側(cè)掛式傳動側(cè)掛式傳動屬軸傳動范疇，優(yōu)點(diǎn)是重量輕，傳動效率高、造價便宜；缺點(diǎn)是現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案中齒輪減速比大、齒輪磨損快、噪音大。采用拄狀電機(jī)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(jī)，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(jì)密封油箱實(shí)現(xiàn)稀油潤滑。這樣的方案還可實(shí)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(diǎn)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(bào)了半軸軸結(jié)構(gòu)式高速有刷電機(jī)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(jìn)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(jī)帶齒輪減速器構(gòu)成的電動輪轂稱之為高速電機(jī)輪轂。優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕，通過齒輪減速增力，扭矩大，爬坡性能好。缺點(diǎn)：齒輪屬小模數(shù)齒輪，又難于實(shí)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(jī)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(jī)還可分為高速有刷電機(jī)和高速無刷電機(jī)兩類，其中高速有刷電機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)目前還是別的輪轂電機(jī)所無法取代的。低速電機(jī)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(jì)成直接供電動自行車使用的數(shù)值，故稱低速電機(jī)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(jī)輪轂必須要有高性能磁性材料和設(shè)計(jì)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(jī)輪轂的效率、功率和扭矩設(shè)計(jì)好了都可達(dá)到使用要求；電機(jī)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(diǎn)是重量偏大。總之．它是電動自行車未來比較理想的傳動部件。低速電機(jī)輪轂又可分為“低速無刷”和“低速有刷”兩種。低速無刷電機(jī)輪轂從技術(shù)性能指標(biāo)看，要優(yōu)于低速有刷電機(jī)輪轂。但是低速無刷電機(jī)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(jī)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(hù)電路等五大部分組成。因此一個設(shè)計(jì)完善的低速無刷電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)輪轂從目前看是理想選擇。4電動自行車電機(jī)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(jī)運(yùn)行狀況，控制電機(jī)動作。電動自行車電機(jī)的控制與保護(hù)主要通過控制器進(jìn)行。4.1有刷電機(jī)的控制趨樂電議惺時電趨樂電議惺時電as圖2有別電機(jī)控制原理框圖有刷電機(jī)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(hù)電路工作,PWM芯片停止PWM信號的輸出，以保護(hù)電池不至于在低電壓情況下放電。有刷電機(jī)控制器ZK3610A典型控制電路見圖3。有刷電機(jī)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(jī)工作電壓，5V電壓為控制電路工作電壓。B83有刷電機(jī)典型檢制電踣振蕩器主要包括運(yùn)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。控制電路由剎車、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(jī)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(jìn)行比較，當(dāng)7端上的電壓大于472上的電壓時，運(yùn)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(jī)M得電運(yùn)轉(zhuǎn)：當(dāng)剎把動作使7端上的電壓小于472上的電壓時，運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的欠壓保護(hù)。當(dāng)電路中的電流過大時，通過過流保護(hù)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(jī)避免過大電流的影響。電機(jī)兩端并聯(lián)了兩個二極管，主要對電機(jī)進(jìn)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(jī)的控制無刷直流電機(jī)的控制相對有刷直流電機(jī)比較復(fù)雜，通常由無刷控制器進(jìn)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(hù)電需護(hù)電需護(hù)電踣圖4無刷電機(jī)控制原理框圖無刷控制器內(nèi)部穩(wěn)壓電源、欠壓保護(hù)電路和限流（或過流）保護(hù)電路的作用與有刷電機(jī)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(jī)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(jī)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