电动自行车电机及控制系统

负载的转动惯量。
１．２ 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：
源自文库
Ｕｄ＝２Ｅｍ＋ＩｍＲ＝２Ｋｅ"ｍｎ＋ＩｍＲ
（ １０）
由式 （ １０） 可以推导出转子的转速为：
ｎ＝ Ｕｄ－ Ｉｍ·Ｒ ２Ｋ·ｅ "ｍ
（ １１）
式 中 ： Ｅｍ—每 相 定 子 绕 组 电 动 势 ； Ｉｍ—每 相 定 子 绕
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表 １ 电动自行车控制器的特性比较
Ｔａｂ．１ Ｆｅ ａｔｕｒｅ ｓ ｃｏｍ ｐａｒｉｓ ｏｎ ｏｆ ｅ ｌｅ ｃｔｒｉｃ ｂｉｃｙｃｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅ ｒ
控制器名称 代表型号 结构 普通有刷 ＺＫ３６１０Ａ 简单 智能有刷 ＺＫＣ３６１０Ｅ 简单 普通无刷 ＷＺＫ３６１０Ａ 复杂 智能无刷 ＷＺＫＣ３６１０Ｅ 复杂
“１１”端 和 “１３”端 所 接 的 两 个 电 容 ， 使 “１３” 端 的 电
工作时， 无刷控制器的相位角必须和无刷电机的相
位不能突变， 即 “７”端的电位保持稳定， ＰＷＭ 的输入 位角一致， 电机才能正常运转。ＷＺＫ３６１０Ａ 普通无刷控
信号稳定， 从而稳定其输出端 （ １） 的电压， 使电机避
ＬＡＢ ＬＢ ＬＣＢ
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（ １）
式 中 ， ｕＡ、ｕＢ、ｕＣ—三 相 定 子 电 压 ； ｅＡ、ｅＢ、ｅＣ—三
２ 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， 控制器主要有： 有刷电机用普通型驱动控制器 （ ＺＫ） 、有刷 电 机 用 智 能 型 驱 动 控 制 器 （ ＺＫＣ） 、无 刷 电 机 用 普 通 型驱 动 控 制 器 （ ＷＺＫ） 、无 刷 电 机 用智 能 型 驱 动控制器 （ ＷＺＫＣ） ， 其特点见表 １。
Ｔ＝２ＥｄＩｄ／!＝Ｋｅ·"ｍ·Ｉｄ·６ｎ０
（ 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：
ｄ!／ｄｔ＝（Ｔ－ Ｔｌ－ Ｂ!）／Ｊ
（ ９）
式中 ： Ｔｌ—负 载 转 矩 ； Ｂ—粘 阻 尼 系 数 ； Ｊ—转 子 及
１ 电动自行车电机的特性
１．１ 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：
收稿日期： ２００８－ ０３－ １２ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ ５０２７７０１０） ； 湖 南 省科学技术厅 湖南省财政厅 （ ０６ＦＪ４１０９） 作者简介： 陈湘 （ １９６７－ ） ， 女， 江苏泰州人， 工学硕士 ， 副 教授， 湖南省维修电工专家委员会委员。主要从事电机传动 及控制的教学和研究。
功率 管数 １￣２ １￣２
６
６
价格 骑行模式
功能描述
单一 “电动” 欠压、限流／过
低
骑行功能
流
“助力”、 欠压、限流／过
中
“电动”、 流、故障自检／
“定 速 ”
显示
单一 “电动” 欠压、限流／过
高
骑行功能
流
欠压、限流、
“助 力 ”、
电机堵转保护、
高
“电 动 ”、
缺相保护、故
“定 速 ”
障自检／显示
不同控制器其内部结构和工作原理各不相同， 下面 以普通型电动自行车控制器进行说明。
端电位为低电平。
控制器的负载为无刷电机， 输入控制信号都是转把
２．２ 无刷直流电机的控制
与闸把。转把与闸把的形式不一样， 它们的信号特征也
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其等效电路见图 １ 所示。电磁转矩方程为：
Ｔ＝（ｅＡ＋ｉＡ＋ｅＢｉＢ＋ｅＣｉＣ）／!
１６２
·测 试 与 控 制·
平， 即 “７”端为低电平， ＰＷＭ 没有输入信号， 也就没有
电路是对控制器输出的最大电流进行限制， 以保护电
输出， 电动自行车电机停止运转， 实现了电机的欠压保护。 池 、控 制 器 、电 机 等 不 会 出 现 允 许 范 围 以 上 的 大 电 流
当电路中的电流过大时， 通过过流保护电路部分的 （ 防止电池过放电）
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：
２．１ 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。
稳压电源
欠压保护电路
ＭＯＳ 管 驱 动 电 路
ＭＯＳ 管
ＰＷＭ 芯 片
限 流／过 流 保 护 电 路
电池
转把、闸把
有刷电机
图 ２ 有刷电机控制原理框图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｄｉａｇｒ ａｍ ｏｆ ｂｒ ｕｓｈ ｍｏｔｏｒ
ＭＢＲ２０１００
３６ｖ
电机 ５５５１
５１ ７５ｎｆ７５
５４０１
０．００８ 负 极
２２０ｎＫ ６３ ４．７ｕＦ ３９Ｋ
１２
１．２Ｋ
图 ３ 有刷电机典型控制电路 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ ｃｉｒ ｃｕｉｔ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｂｒ ｕｓｈ ｍｏｔｏｒ ｓ 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。 控制电路由刹车、转把、ＰＷＭ 以及由 ５５５１ 和 ５４０１ 组成的功率放大电路组成， 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 趋 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。 当电源电压过低时， “９”端电位降低， “１４”端为低电
摘 要： 研究了电动自行车电机的结构和特点， 分析了有刷直流电机和无刷直流电机的原理框图和典型 的控制电路。
关键词： 电动自行车； 电机； 控制电路 中图分类号： ＴＰ２ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－ ６６７３ （ ２００８） ０３－ １６１－ ０３
０ 引言
电动自行车是以电动机作为行使驱动的原动机， 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。据估算到 ２００６ 年， 我 国 的 电 动 自 行 车 的数 量 已 达 到 ２１００ 万 辆 。由 于 电 动 自行车所带的能源有限， 作为全天候的交通工具， 要求 电动机重量轻、体积小、效率高； 因为要爬坡和载重， 还需要电动自行车电机具有较大的功率、较大的力矩和 较强的过载能力。
中置电机传动具有许多显著的优点。 重心合理， 保 证了骑行稳定和安全。 输出扭矩大， 提高起动速度和爬 坡能力。人力骑行轻快， 当断开电源， 人力骑行时， 电动车 就与普通自行车毫无区别， 使得骑行非常轻快， 维修方 便， 因此， 中置电机传动是比较理想的电机传动方式， 但 对 齿 轮 、离 合 器 、箱 体 等 部 件 的 加 工 精 度 和 热 处 理 要 求 比 较高， 增大了加工难度和加工成本。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， 中置式无刷 直流电机是电动自行车电机的发展趋势。
值； Ｉｍ—一相定子绕组电 流的最大值； 根据直流
ｉＣ
ＲＳ
Ｌ－ Ｍ Ｌ－ Ｍ Ｌ－ Ｍ
ｅＡ
＋
－
ｅＢ
＋
－
ｅｃ ＋
－
电机理论， 一相定子绕
图 １ 电机等效电路
组反电动势的最大值为： Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒ ｃｕｉｔ ｏｆ
Ｅｍ＝Ｎ·Ｂ·ｌ·ｖ＝Ｎ·Ｂ·ｌ·
ｍｏｔｏｒ ｓ
ｎ ６０
·２"·ｒ
刹车 转把
４１４ ４７ｎＦ ４７ｎｆ １．８Ｋ ３６ｖ
６ｖ １２ｖ
１．２Ｋ
５ｖ ３６ｖ ５６ｋ
１０４ １Ｋ
１０００ｕｆ
４１４８
１２ｖ ２７Ｋ
８２Ｋ
１００Ｋ
欠压保护
９ ８
１４
２０Ｋ
６８ｋ
７
ＰＷＭ
６
＋ －
１
４１４８
５．１Ｋ
１０４
５６ｋ
５１
过流保护
１１
１３
１０ ２７０Ｋ
１２Ｋ
５
４
＋ －
４７２
２
振荡器
续流二极管
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。
第 ２１ 卷第 ３ 期 ２００８ 年 ５ 月
机电产品开发与创新
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ＆ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ
Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．３ ·Ｍ测ａ试ｙ．，与２０控０８制·
电动自行车电机及控制系统
陈 湘 １， 何怡刚 ２
（ １．湖南铁路科技职业技术学院， 湖南 株洲 ４１２００４； ２． 湖南大学 电气与信息工程学院， 湖南 长沙 ４１００８２）
组 相 电流 ； ｎ—电 动 车 电 机 的 转 速 ； Ｒ—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。
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制器的电气原理见图 ５。
免过大电流的影响。
无刷电机的引线共有 ８ 根， ３ 根绕组相线 （ 黄、蓝、
电机两端并联了两个二极管， 主要对电机进行限
绿） 将与电源连接， 还有 ２ 根较细的为霍尔电源线， ３
流。通 过 刹 车 端 的 ４１４８ 二 极 管 可 以 看 出 ， 刹 把 有 效 该
根为霍尔信号线。
（ ５）
主磁通为： #ｍ＝Ｂ·ｌ·２ｐ"ｍｒ
（ ６）
将式（ ６） 的结果代入式（ ５） ， 得：
Ｅｍ＝
Ｎ·ｐｍ ６０
·#ｍ·ｎ＝Ｋ·ｅ #ｍ·ｎ
（ ７）
１６１
·测 试 与 控 制·
式 中 ： Ｋｅ＝Ｎ·ｐｍ／６０—常 数 ； Ｎ—一 相 绕 组 的 匝 数 ；
ｐｍ—极对数； ｎ—电机的转速。因此， 电磁转矩表达式为：
（ 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：
Ｔ＝２ＥｍＩｍ／!
（ ４）
ｉＡ
ＲＳ
式 中 ： Ｅｍ—一 相 定
子 绕 组 反 电 动 势 的 最 大 ｉＢ ＲＳ