小型电动车的驱动电路设计方案

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1 绪论

1.1本课题的目的和意义

1.1.1无刷直流电动机的发展电动机作为能量转换装置，应用于国民经济的各个领域。

电动机一般分为交流电机和直流电机。相比较交流电动机，直流电动机具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的场合。但直流电动机的换向是依靠换向器和电刷进行换流，在频繁的运转过程中，由于换向器和电刷的摩擦，一方面消耗电刷，使我们不得不定期检查和更换电刷，耗时耗力:另一方面又产生电火花、电磁干扰，影响附近的电气设备。针对这种情况，早在上个世纪30年代就有人开始研究天漏目直流电动机。1951年，美国D.H 等人首次成功的实现了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷，这标志着现代无刷直流电机的诞生卿.在进入20世纪60年代以后，电力电子技术和计算机技术的应用使电机的发展经历了持久的革命性的变化。作为机电一体化的产品，无刷直流电动机也得以发展，并开始进入初步的应用阶段。无刷直流电动机既具有普通直流电动机调速性能好的特点，又具有交流电动机结构简单、便于维护的特点。因此得到了一定范围内的初步应用。

自 20 世纪70年代开始，稀土永磁材料的发展，使无刷直流电动机有了进一步的发展，但由于永磁材料的价格昂贵，研究开发重点只能在航空、航天领域用的电动机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。在进入 80 年代后较低价格的钦铁硼永磁材料的出现，使无刷直流电机能够在化工、纺织以及家用电器等民用领域初显身手。

在90年代后，随着电力半导体器件的飞速发展，如GTR、GTO、MOSFET、IGB 的相继出现，另外微处理器、集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性变化，这些开关器件在向高频化、智能化、大容量化的方向发展伪，使无刷直流电

动机的很重要的一无刷直流电机控制系统的研究与实现个环节一逆变器的价格下降，使无刷直流电动机的成本进一步的下降，其控制技术更加成熟。目前稀土永磁材料开发技术的成熟和方兴未艾的电力电子技术的发展，使得无刷直流电动机正朝着高速化、高转矩、多功能化、低成本化的方向发展。

1.1.2无刷直流电动机的应用

在加世纪80年代前，无刷直流电动机由于昂贵的稀土价格和不太理想的运行性能限制了它的应用，大部分无刷直流电动机只局限于实验室阶段的应用和小功率在航空等个别领域的应用。

进入9 0 年代后，稀土材料价格的下降和控制器性能的提高，使稀土永磁电机的开发和应用进入了一个新阶段。一方面，原有开发的成果在国防、工农业和日常生活等方面得到较好的应用;另一方面，正向较大功率傲高转速、高转矩、高功能化和微型化方向发展，扩展新的电机品种和应用领域。在上个世纪末，稀土永磁电机的单台容量已超过1000kw，最高转速已超过300000rpm，最低转速低于0.01rpm，最小电机外径只有0.8mm，长1.2mm。在其它领域，如航空工业中美国制成驱动航天飞机升降副翼用的12.6kw，9000r\min稀土永磁无刷直流电动机，效率为95%，仅重7.65kg;还有军事国防设备中的电传动装甲车辆、鱼雷大功率无刷直流电动机、稀土永磁无刷直流无齿电梯曳引机、稀土永磁无刷直流发电机等。微特电机的应用己经深入到各个领域，数量和品种都以相当快的速度发展着，每年全球都有数十亿台的需求量，其中以无刷直流电动机的增长最为迅速。据资料统计，近些年来，无刷直流电动机的应用每年以大约15%的比例在增加问。在这样的增长中，一个不可逆转的趋势是无刷直流电动机正在很多场合取代着其它种类的电动机，根据有关专家估计无刷直流电动机的发展趋势有如下的四方面:取代直流有刷电动机，取代步进电动机，取代小型的异步电动机，电动车辆电动机口。表1说明了无刷直流电动机应用的增长情况。

表1.1无刷直流电动机生产情况表

另外，在所有类型电机中，无刷直流电动机的损耗较小、效率较高。有资料做过对比分析，对于7.5kw的异步电机系统效率可达86.4%，但是同样容量的无刷直流电动机效率可达92.4%。要求的“创建节约型社会”的有着非常重要的意义。

因此，当前对无刷直流电动机及其控制器的研发对于十一五政府报告。

1.2.1无剧直流电动机研究现状

对于无刷直流电动机而言，几个有待深入研究的问题有:转矩脉动问题、换向角的最佳选取问题、无位置传感器的转子位置检测问题、控制算法问题、抗干扰问题。

自上世纪末起，无刷直流电动机的研究热潮逐渐形成。在国内，我国的无刷直流电动机的研究在小功率(从几十瓦到几百瓦)已经从科研转向生产，如西安微电机研究所研制的碑42ZW-1、55ZW-1、70ZW-1系列产品，上海交大研制的卫早卜专用的无刷直流电动机，上海微电机研究所的无刷直流力矩电动机，还有浙江联宜电机厂生产的小功率的电动机的生产已经形成一定规模等，但大功率了田传速的无刷直流电动机的研究方面发展不快，还未形成系列产品。

在国外,各国研究人员纷纷推出自己最新科研成果，其中美国的几Ahmed Rubaaj博士及其同事共同研制出一种新型的无刷直流电动机，其转子跟普通的无刷直流电动机一样，而其定子却和普通的有刷直流机的转子极为相似，并能以转子位置传感器及逻辑开关电路，使定子绕组依次换相。其优点是可在较大范围内自然换向,充分提高了电机体积的利用率。再如:美国的工Y.Hung博士等人，利用定子电流谐波的最优权重的设计方法，通过电流调节器等装置有效减少了电磁转矩及齿槽引起的转矩波动.还有英国的丫s.Cen博士研制成功了无齿槽的无刷直流电动机，其主要作用也是减少转矩波动，提高电机效率。

1.2.2本文研究的主要内容

(1)为了更好的研究无刷直流电动机的控制系统，本文将完成以下工作:(1) 以8位单片机为核心开发一套小型无刷直流电机的控制器。包括驱动板和主电路。在此控制器中，要求有转速监测、过电流、过电压等保护，此控制器考虑到经济性能采用霍尔传感器反馈，功率开关器件采用MOSFET管。在控制性能要求不高的情况下，此种方案经济实用。(2) 用8位单片机或DSP为核心开发一套无刷直流电机控制器.要求：转矩与输入电流呈线性关系。此控制器采用编码器反馈，功率开关器件采用IGBT模块，并且有完善的保护功能:过流保护、过压、欠压保护、过热保护、缺相保护、短路保护等。