新电动自行车的设计

新电动自行车的设计 摘要 20世纪汽车产业高速发展，资源无节制消耗，污染物的过量排放，还有受油价上涨和环保意识等因素的影响，电动自行车已成为大部分人的选择。但是，电动自行车的动力性能由驱动系统决定且续驶里程(即能量供给)受限于蓄电池的存储电量，为提高动力性能和续航里程，须对电动自行车驱动电机的特性及能量回收控制策略进行分析研究。 本文研究了电动自行车在制动过程中的能量回馈，设计了永磁无刷直流电动机在电动自行车制动过程中的能量再生反馈控制系统。从理论上分析了永磁无刷直流电动机利用位置传感器检测转子位置的方法,并对换相过程做较详细的介绍。 本文首先系统的对电动自行车的运行状态进行了分析，分别对电动自行车的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行了计算。根据所需要的牵引力，在本设计中也对无刷直流电动机和电池进行了选型计算。再其次，本文对电动自行车的能量反馈控制方案进行了研究，内容包括轮毂电机的调速、电动车再生制动的控制。本文着重研究并设计了永磁无刷直流轮毂电机的能量的回收。 关键词:电动自行车;动力性能;再生制动;电机控制;永磁无刷直流轮毂电机 ---------------------------------------------- Abstract Automobile industries have development of high speed in 20 century. However, Dynamical performances of electric vehicle are decided by drive systems and extension of driving range(energy supply) restricts development, prevalence and is limit to electricity capacity of storage battery. In order to improve dynamical performances and extension of driving range, we must analyze and research traits of drive motor and control tactic of energy recycle in electric vehicle. In this paper, the electric bike in the braking energy in the process of feedback, the design of the permanent magnet brushless DC motor in the electric bicycle brake renewable energy in the process of feedback control system. In theory analysis of the use of permanent magnet brushless DC motor position rotor position sensor detection method, and for the process of doing a more detailed briefing. Firstly, the paper analyzes the composing of in-wheel motor in detail. Secondly, Its subsystem of carried on analysis to the movement appearance of the dynamoelectric bicycle, to the movement resistance, inertial dint, braking force and need of led dint to carry on a calculation. According to need of lead dint, in this design also to do PMBLDCM and battery to carry on to choose a calculation. Thirdly, the paper presents research work on EB Energy feedback control strategy, which involves in-wheel motor PWM modulation, The regenerative braking of EB close-loop control. The dual polar driving method for permanent magnet brushless DC in-wheel motor is emphasized. Keywords Permanent Magnet Brushless DC Motor (PMBLDCM) Energy feedback Motor control regenerative braking permanent magnet brushless DC ---------------------------------------------- 目 录 摘要 ............................................................................................................................................ I ABSTRACT ............................................................................................................................. II 1 绪论 ..................................................................................................................................... 1 1.1 课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 来源，目的，意义与该课题的市场前景................................................................ 1 1.2 有关电动自行车的概念 .................................................................................................. 1 1.2.1 什么是电动自行车 ................................................................................................... 1 1.2.2 电动自行车的种类 ................................................................................................... 1 1.2.3 电机 .......................................................................................................................... 2 1.2.4 电池 .......................................................................................................................... 2 1.2.5 控制器 ...................................................................................................................... 3 1.3 电动自行车整车参数的设计 .......................................................................................... 3 1.4 设计任务 ......................................................................................................................... 3 1.5 研究意义 ......................................................................................................................... 4 2 电动自行车动力性能分析 ..................................................................................................... 5 2.1 电动车运行方程 .............................................................................................................. 5 2.2 电动自行车的行驶力学 .................................................................................................. 6 2.2.1 车辆模型 .................................................................................................................. 6 2.2.2 电动车阻力计算 ....................................................................................................... 7 2.2.3 空气阻力 .................................................................................................................. 8 2.2.4 电动车惯性力的计算 ............................................................................................... 8 2.2.5 电动车的牵引力计算 ............................................................................................... 9 2.3 电动自行车的动力性能 ................................................................................................ 10 2.3.1 自行车基本参数介绍 ............................................................................................. 11 2.4 制动系统 ....................................................................................................................... 11 2.4.1 电动自行车刹车分类 ............................................................................................. 11 2.4.2 制动力的分析与求解 ............................................................................................. 11 2.4.3 手动制动器的设计 ................................................................................................. 12 2.5 蓄电池的种类和结构 .................................................................................................... 14 2.6 动力传动系统设计 ........................................................................................................ 15 2.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响 ...................................................................... 15 2.6.2 电动自行车驱动系统的构成 ................................................................................. 16 2.6.3 无刷直流电动机驱动系统 ..................................................................................... 16 3 电动自行车的运行控制....................................................................................................... 18 ---------------------------------------------- 3.1 电动机的选择................................................................................................................ 18 3.1.1 直流电动机的特点 ................................................................................................. 18 3.1.2 电动机容量选择的原则 ......................................................................................... 19 3.1.3 电动机的发热与冷却 ............................................................................................. 19 3.1.4 选择步骤: ............................................................................................................ 20 3.1.5 无刷直流电动轮毂的选型计算.............................................................................. 20 3.1.6 电动自行车的续行距离 ......................................................................................... 21 3.2 无刷电动机的调速控制系统 ........................................................................................ 22 3.2.1 直流电动机的机械特性 ......................................................................................... 22 3.2.2 脉宽调制(PWM) ............................................................................................... 23 3.2.3 传感器 .................................................................................................................... 23 3.3 电动车控制系统设计 .................................................................................................... 24 3.3.1 控制系统的组成 ..................................................................................................... 24 3.3.2 控制系统 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ................................................................................................. 24 4 电动自行车的能量回收....................................................................................................... 28 4.1 制动模式与能量的分析 ................................................................................................ 28 4.2 能量回馈的控制策略 .................................................................................................... 29 4.3 电动自行车能量的消耗评价方法 ................................................................................. 29 4.3.1 能量流分配关系及能量测量 ................................................................................. 30 4.3.2 能耗影响因素分析 ................................................................................................. 30 4.4 制动效能及制动能量回收的约束条件 ......................................................................... 30 4.4.1 自行车的制动效能 ................................................................................................. 30 4.5 制动能量回收控制算法 ................................................................................................ 31 4.5.1 制动能量回收的约束条件 ..................................................................................... 31 4.6 永磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理 .................................................. 32 4.6.1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理 .................................................................. 32 4.6.2 直流电动机的制动方式 ......................................................................................... 33 4.6.3 永磁无刷直流电机能量回馈制动原理 .................................................................. 35 结论 ......................................................................................................................................... 39 致谢 ......................................................................................................................................... 40 参考文献 ................................................................................................................................. 41 ---------------------------------------------- 1 绪论 1.1 课题来源，目的，意义与该课题的市场前景 当今时代，电动自行车已经成为人们日常生活不可缺少的代步工具，改变了人们的生活方式提高了人们的生活质量。自上世纪以来，汽车工业的发展就开始面临两大难以回避的挑战:能源短缺与环境保护。根据目前世界石油总储量和年产量计算，石油资源最多再能支持三四十年的工业消费，再加上政治、局部战争等不稳定因素对能源安全的影响，汽车的燃料供应存在着潜在的隐患。此外汽车废气造成的大气污染日益严重。针对上述问题，现在电动汽车、电动自行车已经进入中国市场。 该课题的目的是通过对电动自行车制动能量的回收过程进行分析和研究，为提高制动能量回收能力提出解决方案。 该课题的意义:首先本设计的课题使我们对电动自行车有了进一步的了解，对制动能量再生有了新的认识，所谓制动能量再生，是指电动自行车减速制动时将其中一部分机械能转化为其他形式的能量这里是电能，并且将其充进电池。制动能量再生方法原理是先将电动自行车制动或减速时的一部分机械能转化为电能存储在电池中，同时产生一定的负荷阻力使电动自行车速度降低;当电动车再次起动或加速时再生系统又将存储的能量再次转化为电动自行车行驶时所需要的动能。这样就可以提高一次充电的续行距离，避免了不必要的能量损失。 1.2 有关电动自行车的概念 1.2.1 什么是电动自行车 电动自行车是以电池作为辅助能源，具有两个车轮，能实现人力骑行、电动或电助动功能的特种自行车。它虽然具有普通自行车的外 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 特征，但更主要的是，它是在普通自行车的基础上，安装电动机、控制器、电池、转把、闸把等操纵部件和显示仪表系统的、机电一体化的个人交通工具。 1.2.2 电动自行车的种类 电动自行车以其驱动力性质、整车结构及电动机驱动方式的不同，可以分成以下三种类型: 按驱动力性质分:有电动型和助力型两种。 按整车结构分:有两轮、三轮、电动轮椅三种。 按电动机形式及驱动方式分:有直驱车轮的轮毂式直流电动机、中轴链式驱动的柱式直流电动机、电动箱式驱动的柱式和盘式直流电动机。 ---------------------------------------------- 1.2.3 电机 由于电动自行车要求的功率较小，所带有的能源有限，故希望电机的驱动系统的体积小、功率高，而其中以直流电机最为合适。目前，电动自行车所使用的电机大多数为有刷直流电动机，但是随着技术的进步与电子元件成本的不断下降，无刷直流电机将成为今后电动自行车的发展主流。 1、有刷直流电机 电动自行车上使用的有刷直流电机主要有两种:一是印制绕组电机，二是绕线盘式电机。前者的应用较后者多一点。有刷直流电机的优点是控制系统简单，成本较低，过载能力强，但需要换向器(整流子)，影响电机的效率。 有刷直流电机又可以分为有齿和无齿两种。有刷有齿电机是一种高速电机，所谓“有齿”就是通过齿轮减速机构，将电机转速降低(国家标准规定电动自行车的转速不超过km/h20)。由于高速电机通过齿轮减速，其特点是骑车者的感觉动力较强，而且爬坡的能力较强。但是电动轮毂是封闭的，只是在出厂前加注了润滑脂，用户很难进行日常保养。而且齿轮本身就有机械磨损，一年左右因为润滑不足导致齿轮磨损加剧，噪音增大，影响电机和电池的寿命。另一种是有刷无齿电机，这是一种外转子式电动机，没有齿轮减速机构，直接采用低速输出，消除了齿轮噪音，其电机输出转矩较有刷有齿电机要小，故动力性能和爬坡性能相对要弱一些。但运行安全，电刷磨损小、噪音小这是他的优点。 2、无刷直流电机 无刷直流电机由于没有电刷，不需要齿轮减速，从根本上消除了电刷磨损和齿轮磨损，不存在定期更换电刷，而且噪音很小。因此，他无干扰、寿命长、效率高、运行可靠、维护简单，且转速由于不受机械换向的限制，可在宽广的范围内平滑调速，与有刷直流电机相比成本低，但是控制系统复杂成本高。 无刷直流电机就起结构而言，是由电动机本体转子位置传感器以及电子电路换向组成。电动自行车上采用的是无刷电动轮毂电动机一般制成多相，如采用三相，它的电枢放在定子上，永磁磁极位于转子上。反映电动机定转子位置传感器输出信号，通过定子换向电路去驱动与电枢绕组联接的相应的功率器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生一个跳跃式旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子位置的旋转，位置传感器通过电子换向线路不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，保证在一定的范围内定子磁场与转子磁场成正交关系，保持转矩连续不断的产生，输出机械功率，从而实现了无接触式电磁换向。 我国电动自行车用无刷直流电机的研制和生产厂家有上海微电机研究所、浙江卧龙集团等。今后二合一轮毂式无刷直流电机和无位置传感器无刷直流电机是电动自行车车用电机的发展方向。 1.2.4 电池 ---------------------------------------------- 电池是电动车的动力源，电池质量直接影响电动自行车的行驶里程和寿命。目前电池选用的是铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等。 镍镉电池属碱性电池，我国产量较大，主要生产厂家有深圳比迪亚有限公司和上海电池厂等。镍镉电池可以快速充电，其过充、过放电性能均好，循环寿命较长，达2000次。但它的价格是铅酸电池的4.5倍，而且旧电池得不到很好的回收，会因重金属镉造成严重 3.2kg16km的污染。常用的是24V 5Ah，重量，一次充电续行里程，按标准的80%放电，寿命约500次。 1.2.5 控制器 控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。其主要的作用是提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。 电动自行车常用的无刷直流电机的控制器的目的是有两种类型:一是采用专用集成电路制作的控制器;另一种是采用单片机为控制器件的控制器。前者针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟控制器;后者采用单片机，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可以适应不同规格的无刷电动机，增加功能方便，如果电机缺相保护，堵转保护，添加力矩传感器，可以根据不同的电机进行结构的优化以达到良好的匹配等，通常将此类控制器称为数字式控制器。但无论是数字式还是模拟式控制器，其工作原理大致相同;用电子控制代替电刷控制线圈电流换向，根据电机内的位置传感器信号，决定换向的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。 1.3 电动自行车整车参数的设计 在设计前先将文章中计算需要的数据假定如下: mkg整车质量() 50 2 2ms/重力加速度() 10 g 0.02滚动阻力系数() u mkg人重() 70 1 D车轮直径() 400 mm d后轴转子直径() 10 mm 1.4 设计任务 对电动自行车的运行状态进行了分析，分别对电动自行车的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行计算。 利用现代电子技术及电动机发电反馈制动理论，设计一套能够在电气制动的同时，发---------------------------------------------- 电给电瓶充电的发电反馈制动系统。 利用该系统能够实现将自行车及人体的动能通过电动机的发电运行状态转化为电能，并经过相应的处理和控制电路，达到给电瓶充电和自行车减速的双重目的。 完成发电反馈制动系统机械连动机构、发电反馈制动电控系统、发电反馈回路的设计、电动机选型。 1.5 研究意义 首先本设计的课题使我们对电动自行车有了进一步的了解，对制动能量再生有了新的认识，所谓制动能量再生，是指电动自行车减速制动时将其中一部分机械能转化为其他形式的能量这里是电能，并且将其充进电池。制动能量再生方法原理是先将电动自行车制动或减速时的一部分机械能转化为电能存储在电池中，同时产生一定的负荷阻力使电动自行车速度降低;当电动车再次起动或加速时再生系统又将存储的能量再次转化为电动自行车行驶时所需要的动能。这样就可以提高一次充电的续行距离，避免了不必要的能量损失。 ---------------------------------------------- 2 电动自行车动力性能分析 动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、驱动轮等组成。电动自行车的动力性评价指标有最高车速、加速时间和最大爬坡度。然而，电动机的最大功率与额定功率下观察甚多，而最大功率工况不能长时间运行，因此必须用电动机的额定工况计算电动自行车的最大爬坡度和最高车速。电动自行车的加速过程和起步时间较短，理论上可以用电动机的外特性进行设计计算。下面从自行车直线行驶动理学模型来进行分析。 2.1 电动车运行方程 电动自行车在路面上运行，有各种不同方向和不同大小的作用力作用在电动自行车上，电动自行车牵引学主要研究对自行车运行有直接影响的力，也就是与电动自行车方向相平行的外力及外力的分力，这些力可以分为三种: F电动自行车的牵引力它是由电力机车的牵引电动机所产生的，并通过动轮与路面的相互作用力而引起的外力。它与电动自行车的运动方向相同，其大小由开车的人决定。 W电动自行车运行阻力它是由电动自行车运行时由多种原因引起的阻止电动车运行的外力，其大小是不可以控制的。 电动自行车的制动力它是由机车和车辆上的制动装置所产生的，并通过轮与钢轨的B 相互作用而引起的外力，用来使电动自行车减速或停车。它与电动自行车的运行方向相反。 C这三种力以不同的方式形成作用于电动自行车上形成的合力: C,F,W牵引运行时:合力; C,,W惯性运行时:合力; C,,(W，B)制动时:合力。 电动车运行方程是把电动车当作一个平移的钢体，表示电动车在不同运行状态时，作用在电动车上诸力的关系式。在工程上用它计算电动车运行时所需要的制动力、惯性力。 电动车在运行时状态有三种: 牵引状态，电动车在电动机的牵引力作用下，起动，加速或等速运行; 惯性运行，电动车在运行中牵引电动机断电后靠惯性运行; 制动运行，电动车在运行中切断牵引电动机的电源，并且施加机械或电气的制动力，减速运行。 FF电动车在牵引等速状态下，沿运行方向作用在电动车上的力有牵引力、静阻力和0 W惯性力。根据静法原理，可列出如下方程 a FFW,,,0 式(2.1) 0a 这就是牵引等速运行状态下的基本方程。 ---------------------------------------------- 2.2 电动自行车的行驶力学 2.2.1 车辆模型 驱动系统的动力输出特性与车子的动力性能直接相关。驱动系统的动力输出更该满足车子的动力性能要求。在设计电动自行车驱动系统时，为了使电动自行车达到要求的动力性能指标，首先必须建立电动自行车的力学模型，对电动自行车行驶过程中力与功率的平衡进行分析，以得到电动自行车的需求特性。电动自行车的动力传动系统主要是由能量存储系统和动力驱动系统组成。能量存储系统包括蓄电池和能量管理系统，动力驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统。 电动自行车在行驶过程中，由动力蓄电池输出电能给电动机，电动机输出功率，用于克服电动自行车本身机械装置中的内部阻力以及行驶条件决定的外部阻力消耗的功率，外部阻力即电动自行车的行驶阻力。从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立直线行驶方程式，是分析电动自行车直线行驶性能的基础。 图 2-1 车轮行驶时的受力分析 电动自行车运行时的阻力系数为: , d 式(2.2) ,,，KufD 式中: KK ——车轮与地面之间的滚动摩擦系数，取0.02; ff D —— 车轮直径，; mm d —— 轴承的直径，; mm —— 轴承的摩擦系数，取0.002; u 所以阻力系数: ---------------------------------------------- 10 ,,0.02，0.002，,0.0205400 K需要说明的是车轮与地面之间的滚动摩擦系数是随着路面状况的不同，其数值也f [27]在不断改变。参考文献给出正常行驶的不同路段的滚动摩擦系数表2-1。 -1 不同路面的滚动摩擦系数 表2 K路面特征 f 全新坚硬的柏油、混泥土、小方石块路面 0.01-0.02 经压轧的坑洼波动的碎石路，混泥土路面 0.02-0.03 压坏的柏油路面 0.03-0.04 良好路面 0.045 一般的土路 0.05-0.15 松沙路面 0.15-0.3 2.2.2 电动车阻力计算 电动自行车的静阻力主要是基本阻力和坡道阻力，空气阻力因车速不高，计算时可以 不予考虑。 基本阻力是电动车经常受的阻力。基本阻力用阻力系数求得，电动车的基本阻力用下 式计算: F,Mg,,(m，m)g, 式(2.3) 112 mmkg式中 ——人的质量，=70; 11 mmkg——电动自行车空载时的质量，=50。 22 所以基本阻力为: F,(50，70)，10，0.02005,24.06N 1 ,坡道阻力是电动自行车载坡道上运行时，电动车的重力沿坡道倾斜方向的分力。设 F为坡道的倾斜角，这时坡道的阻力为: 2 F,,(m，m)gsin, 式(2.4) 212 式中的“”符号表示:上坡运行时取“+”，下坡运行时取“-” , 所以电动自行车的静阻力为: FFFmmg,，,，,()(sin),, 式(2.5) 01212 若电动自行车在水平地面上行驶时电动车的静阻力为: F,(50，70)，10，(0.02005，0),24.06N 0 ---------------------------------------------- 2.2.3 空气阻力 车子向前进，必须借助一定的力量。骑车人每踏蹬的力量叫前进力，也叫向前推力。前进力与用力、传动比、曲柄(即中轴到脚蹬的连杆)长以Y代表前进力，Q代表踏蹬力量，I代表曲柄长度，D代表传动比，它们之间的关系用公式表示则为: Y,Q/D 式(2.6) 前进力与踏蹬力量，曲柄长度成正比，与传动系数则成反比。 人们骑着自行车前进时，即使在无风天也会感到有风从耳边飞过，速度越快人感觉到的风力越大，阻碍前进的效果越明显。因为人们不是在真空中骑车，而是四周始终被空气包围着。从物理学观点来讲:人骑车行进时，人和车给前方空气以挤压力，而空气给人和车以反作用力，即空气阻力。经过测量，风速在40公里每小时的情况下，垂直于风向每平方米面积受到的压力为11公斤。不论风速40公里每小时或是每小时40公里的速度骑行时，它们垂直于风向的每平方米面积上所受到的空气压力都是11公斤。 人们骑车前进时，必须突破空气阻力，这就需要力量。不同风级所产生的风速和垂直风向每平方米所受到的压力均不相同，只有克服这些因素，车子才能向前行驶。 2.2.4 电动车惯性力的计算 电动车的惯性力除了平移之外，还有车轮、电机转子等螺旋部件的旋转部件的旋转惯性矩。为了简化计算，将这些旋转惯性矩折算成平移移动的惯性力。这样电动自行车惯性力即为: Wmmammamma,，，，,，，()()(1)(),, 式(2.7) a121212 WN——电动自行车的惯性力，; a ,—— 旋转惯性系数，参照矿用机车的数据，电动自行车取0.075; 2ms/—— 电动自行车的加速度，启动时的加速度取0.03-0.05。 a ,将值代入式(2.6)得: Wmma,，1.075() 式(2.8) a12 将式(2.5)、式(2.7)带入式(2.1)整理后得到电动自行车牵引运行时需要机车给出的牵引力为: Fmmga,，,，()(sin0.1075),, 式(2.9) 12 将数据带入得: F,(50，70)，10，(0.0205，0.1075，0.05),31.05N 电动车在惯性运行的状态下牵引电动机断电，牵引力消失。电动自行车依靠已具有的---------------------------------------------- 能量克服阻力继续运行，如果轨道坡度不大，电动自行车是减速运行的，在这种情况下， WaFF沿运行方向作用在电动自行车的力只有静阻力和惯性力。令式(2.1)中的等于零，可得到惯性运行状态下的基本方程为: ,,,FW0 式(2.10) a 将式(2.5)、式(2.7)带入式(2.9)，可以得到惯性运行时列车的加速度的表达式: 1 式(2.11) ,,,,agw(sin)1.075 sin,,,a,0由上式可以看出，电动自行车上坡或沿水平运行时，及下坡时，，电动 sin,,,自行车减速运行;只有在下坡运行时，电动自行车是加速运行的。 2.2.5 电动车的牵引力计算 现在分析牵引电动机给出的转矩怎样转化成自行车的牵引力，牵引力与哪些因素有关。 m电动自行车的后轮，是牵引电动机的主动轮。设电动自行车的质量为，作用在该轮2 MFN对上的力见图2-2。为牵引电动机传递到该轮上的转矩;为运行阻力，为地面的0 F11M支持力。将转矩用一个作用在轮轨接触点和轮心的等效力偶代替，则力偶的大小为: 2M 式(2.12) F,11D FFF,F当轮胎接触点处的时，摩擦与力偶力总是大小相等方向相反，车轮在11fmaxf FFC点处无滑移，在轮心处的作用下，车轮以C点为瞬心，向前滚动前进。轮心处力，11 FF即为一个轮上的牵引力，与阻力平衡。 11 图2-2 电动自行车牵引力分析 FF,若时，车轮在C点受力不平衡，车轮将克服路面的摩擦阻力空转而不前进。 fmax 实际上，由于车轮的圆度误差不均与磨损以及轨面状况等因素的影响，车轮在C点处不可能保持理想的无滑动滚动、免不了有滑移。为考虑这一因素影响，将摩擦系数值取低---------------------------------------------- 一点。理论上把这个系数称为粘着系数;车轮与路面之间的摩擦力相应得称为粘着力;这种牵引方式称为粘着牵引。 ,表2-2 不同路面状况的粘着系数 ,路面特征 粘着系数 全新坚硬的柏油、混泥土(干) 0.015 柏油路面(湿) 0.01 混泥土路面(湿) 0.009 泥土路面(干) 0.045 泥土路面(湿) 0.1 松沙路面 0.1 冰面 0.001 影响粘着系数的因素很多，其中主要有: 1、车轮与路面的状态 带有花纹的轮面或干燥的路面，粘着系数较大，路面潮湿，有冰、血、霜或油垢的路面粘着系数较小。 2、运行速度的高低 随着运行速度增加,加剧了车轮与路面的纵向和横向的滑动及机车振动，粘着系数减小。 3、电动自行车特性的差异，车轮直径的大小不同，各车轮间的负载分布不均、电动 [27]机的分布等都对粘着系数有影响。参考文献得到表2-2。 2.3 电动自行车的动力性能 电动自行车因为以蓄电池存储的电能为能量来源，所以衡量电动自行车性能的一项重要指标是最大续驶里程，而且，电动自行车采用的是电机驱动系统，其输出特性和一般自行车也不相同。 电动自行车的电机驱动系统将蓄电池输出的电能转化为车轮的旋转动能，从而驱动电动自行车运行。它决定了电动自行车的动力性能，它的能量转化效率也直接影响到电动自行车的最大行驶里程。由此可见，研究电动自行车驱动系统对提高电动自行车性能具有重要意义。 另外，电动自行车因为采用电机驱动系统，可以利用电动机的逆向工作性能，制动时的能量进行回馈，增强其制动性能。 电动自行车的动力性能值是自行车在良好路面上直线行驶时由自行车受到的纵向外 [29]力决定的，所能达到的平均行驶速度。下面介绍自行车的主要动力性能指标:最高车速、加速时间、最大爬坡度。 ---------------------------------------------- 自行车的最高车速:在水平良好的路面上，自行车所能达到的最高行驶车速。 自行车的加速时间:常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明自行车的加速能力。原地起步加速时间是指汽车由低档起步，并以最大的加速度逐步换至最高档后到预定的距离或预定速度所需的时间。超车加速时间，是指用最高档由较低车速全力加速到高速所需的时间。 自行车能爬上的最大的坡度是指用满载时自行车在良好路面上的最大爬坡度表示的。 2.3.1 自行车基本参数介绍 a.整车整备质量:包括动力蓄电池，不包括乘员或装载质量，随车工具，车载充电器。 b.功率:指物体在单位时间内所做的功。功率越大转速越高，自行车的最高速度也越高，常用最大功率来描述自行车的动力性能。最大功率一般用马力或千瓦来表示，1马力等于0.735千瓦。 c.扭矩:扭矩是使物体发生转动的力。发动机的扭矩就是指从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发电机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了自行车在一定范围内的负载能力。 d.最大总质量(kg):自行车满载时的总质量。 最大装载质量(kg):自行车在道路上行驶时的最大装载质量。 e.轴距(mm):通过车辆两车轮的中心，并垂直于车辆纵向对称平面的二垂线之间的距离。简单的说，就是自行车前轴到后轴的距离。 轮距(mm):车的左右轮胎面中心线间的距离。 2.4 制动系统 2.4.1 电动自行车刹车分类 传统的电动自行车只是机械式刹车,使很多的能量在不知不觉中浪费,而现在我们做的电动自行车带有了能量反馈节约了能量。带有制动能量再生系统电动自行车的制动过程与传统的电动自行车的制动有着不同之处。再生制动力是利用在电磁场中旋转的磁极将会产生的电磁转矩，电磁转矩的旋转方向与车轮行驶的方向相反，从而产生对电动自行车的制动。但是这种制动方式在遇到紧急情况时将不能应付，因为他不能在短时间内使自行车停下来。因此在做电动自行车制动时，既用了再生制动也使用了传统的带式制动器，使电动车的刹车更有效，也能尽量减少不必要的损耗，电池一次充电行驶的路程最长。因此在求制动力时，我们分紧急情况与正常情况。 紧急情况指的是在同一时间内既有手制动也有再生制动。 正常状况指的是只有再生制动一种情况。 2.4.2 制动力的分析与求解 ---------------------------------------------- 图2-3为良好的硬路面上制动时车轮受力情况: TT图中，是车轮制动器中的摩擦力矩;是再生制动力矩，即制动时再生制动系统作ure FF用于自行车车轮的阻力矩，为车子的阻力，为车轴对车轮的推力。有力矩平衡得: 1p TT，ure 式(2.13) F,1/2D由于制动力不可以大于粘着力,即: FFF,,, 式(2.14) 1,z FF,式中，粘着力;为粘着系数;为地面对车轮的法向反作用力。 ,z 将式(2.12)代入(2.13)得: TT，ure ,,Fz/2D 整理得: TFDT,,/2, rezu 在制动器中，有: Tu F,u/2D F——为机械刹车时制动器的制动力。 u 图2-3 制动时车轮受力 这里以正常状态下计算为例，在正常情况下，只有再生能量制动。车轮制动器中的摩 T,0擦力矩，那么 u TFDNM,,/23.6., rez 本设计的电动车使用了制动能量回收技术，制动系统在原有的制动基础上增加了能量 回收，制动力矩再生制动过程与传统的制动过程的不同。 2.4.3 手动制动器的设计 ---------------------------------------------- 电动自行车的制动器正常多数采用带式制动，带式制动器已经标准化。根据电动轮上的刹车轮的直径为43，所以选择的带式制动器的型号为ZBJ8501-1989，额定制动力矩 mm T,250N,m。 e 制动带总成:内径为45，带宽为12; mmmm 制动带板:带长为142.3，带宽为12; mmmm 制动衬片:内径45，展开长度为24。 mmmm [13]参考文献，各基本尺寸见表3-1。 表3-1 简单制动器的各基本尺寸 d e1 e2 B a1 a2 0045 0.6 0.9 15 1515 选好制动器以后，应该按照配套主机的要求对制动力矩、发热情况进行验算。由于电动自行车的工作环境比较好，散热条件也比较优越，因此在校核时不考虑发热对制动器的影响只验算制动力矩。根据制动器的运转情况计算制动轴上的负载力矩。并考虑一定的安 ,T全设备(安全系数，可查表获得)求出制动力矩。再参照制动器的额定制动力矩使TeT,T。 e 根据制动对象的运动情况可以分为平移动制动和垂直移动制动两种类型。平移制动指的是被制动的是惯性质量;而垂直制动被制动的是有惯性质量和垂直负载，且垂直负载是主要的，如提升设备制动。 计算制动力矩时，平移制动按照: T,T,T 式(2.15) uf TN,m——负载力矩此处为换算到制动轴上的传动系统的摩擦力矩，; u N,mT——换算到制动轴上的总摩擦力矩，。 f 垂直制动按照: T,T, 式(2.16) u TN,m——换算到制动轴上的负载力矩，; u ,T1, Tu, TN,m——换算到制动轴上的总摩擦力矩，。 1 ——转化效率。 , 电动自行车制动的是惯性质量属于平移制动，根据2.14计算。这里需要说明的是电---------------------------------------------- 动自行车除了摩擦力矩还有直流电动机的再生制动。所以需将公式2.14改为: T,T,T,T 式(2.17) ufre TT——再生制动力矩。上章节已经计算出了的取值范围。 rere T,(m，m)gwD/2f12 ,(50，70)，10，0.0205，0.4/2,4.92N,m T,(m，m)gD/2u12 ,(50，70)，10，0.4/2,240N,m T由于是一个范围值,那么就可以求出制动力矩的一个最大与最小的范围.最小是Tre T3.6N,m再生制动力矩达到最大,此时 re T,T,T,T,240,4.92,3.6,231.48N,m ufre T最大是再生制动力矩达到最小为0,此时 re T,T,T,T,240,4.92,0,235.08N,m ufre 231.48,T,235.08N,mTT,所以刹车的制动力矩，满足，即选择的带式制动器满足e 要求可以使用。 2.5 蓄电池的种类和结构 蓄电池是电动自行车的能源载体，是电动自行车的核心部件之一，主要分为阀控密封铅酸蓄电池、胶体电池、锂离子电池、镍氢电池和燃料电池等。电动车对蓄电池的要求是容量大，寿命长，重量轻，价格廉。铅酸蓄电池的优点是价格最低，内电阻小、电压稳定，具有良好的防振性能和密封性能;锂离子电池和镍氢电池虽然重量轻，寿命长，但是价格昂贵。在电动自行车的电源广泛采用铅酸蓄电池。但铅酸蓄电池的比能量和比功率都很低，随着科技的发展近年来又使用了新型的蓄电池如镉-镍电池。 NiOOHNiOH()NiOH()镉-镍电池放电时，正极还原为，充电时，又被氧化成22NiOOH，电极反应表示为: 放,,,, NiOOHHOeNiOHOH(),,,,,,22充 负极海绵状镉放电时氧化生成氢氧化镉，充电时氢氧化镉还原为镉，电极反 应表示为: 放,,,,, CdOHe22Cd(OH),,,,,2充 电池的总反应的表示式为: 放,,, 222()()NiOOHCdHONiOHCdOH,,,,,,222充 ---------------------------------------------- 镉-镍电池体系以氢氧化钾或氢氧化钠水溶液为液，加入适当的氢氧化锂可以延长电池的寿命。氢氧化钾(或钠)不参加反应，但是放电时消耗水，充电时生成水。氢氧化物只起导电的作用，在充电过程中密度和组成没有明显的变化。 [6]参考文献，选择的型号为:GNY-12 A,h其中:G——镉为负极 ，N——镍为正极，Y——圆柱形，12——额定容量为12。 W,h/KgW,h/Kg参考文献镉-镍电池理论比能量为214.3，实际比能量为:35。 说明:电池的容量是指电池工作，即电池放电时能提供的电量，有理论容量，实际容 Ah,mAh,量，额定容量(或公称容量)之分，常以或为单位。为了比较不同系列的电池， Ahkg,/常用比容量的概念即单位质量或单位体积的电池所能给出的电量来衡量，公别以AhL,/或表示。在表中列出了各种电池体系的理论比容量。 2.6 动力传动系统设计 现有电动自行车车大致可以分为以下几个主要部分:蓄电池、电池管理、充电系统、驱动系统整车管理系统及车体等。驱动系统为电动车提供所需的动力,负责将电能转换成机械能。无论何种电动车的驱动系统,均具有基本相同的结构,都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分,其中电气驱动子系统是电动车的心脏,主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分。 2.6.1 驱动方式对两轮电动车性能的影响 目前两轮电动车主要有三种:一是全电动型自行车，二是电动助力自行车(PAS),三是电动摩托车。全电动自行车完全依靠电力就可以行驶，电动助力自行车电机的出力是需要人力的驱动为前提的,人力和电力的比通常为1:1,即所谓的1+1系统,这种系统在日本较为通常采用。无论它们两者有这样那样的区别,至少有一点是共同的,这就是要求人力能够正常骑行,而电动摩托车无需考虑人力骑行问题。由于受当前电池技术的限制以及电动自行车对蓄电池容量要求不高,当前发展电动自行车以及电动助力车是较为适宜的。根据国家质量技术监督局1999年10月1日颁布实施的《电动自行车通用技术条例》规定,电动自行车的最高时速不得超过20km。由于这个速度较低,永磁直流电机、永磁无刷直流电机、开关磁阻电机及交流异步电机这四种电机都能够胜任,但考虑到成本、机械加工以及技术复杂程度等因素,目前两轮电动车主要采用永磁直流电机以及永磁无刷直流电机。而开关磁阻电机以及交流异步电机主要用在电动汽车。永磁直流电机以及永磁无刷直流电机当前都有质量较好的产品,如上海新联的永磁直流有刷电机,采用轮毂电机直接驱动方式,由于磁阻造成的力矩,以及人力骑行时的电机发电问题,实际使人力骑行时感到十分费力。中轴式对机械的设计和制造水平较高。通过采用双飞结构,解决了人力骑行困难问题。旁挂式相对要求较低,只是在后轮上增加了一条链条来驱动,而且骑行时电机不转动,因此不存在磁阻转矩以及发电问题,可减轻人力负担问题,如果在造型上下点功夫。无疑旁挂式将是电动自行车非常好---------------------------------------------- 的驱动方式。值得一提的是上述的驱动方式还可以进一步划分,如除了轮毂直接驱动方式外,轮毂电机还有带减速齿轮(减速比为1:7和1:22两种)以及同步带减速齿轮(减速比为1:25);中轴式可以继续划分为同轴式(减速比为1:50)以及非同轴式(减速比为1:35)。用于电动自行车的电机功率70~235W,主要为135~180W。按照转速可以归为三类:一是低速电机,主要用于轮毂直接驱动方式,电机转速为174rpm(240);二是中速电机,800~1800rpm,轮毂式齿轮减速以及1级减速的旁挂式(减速比为1:5);三是高速电机。2400~4500rpm,主要用于轮毂式同步带减速或齿轮减速,中轴驱动、2级减速的旁挂式(减速比为1:22)以及摩擦式(减速比为1:17)。 2.6.2 电动自行车驱动系统的构成 [4]电动自行车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两个部分。其中,机械传动部分因电动自行车驱动系统布置方式不同而不同。电动自行车对其驱动系统有特殊要求能够频繁地起动、停车,加、减速,对转矩控制的动态性能要求高，电动自行车驱动的速度、转矩变化范围大,既要工作在恒转矩区,又要运行在恒功率区,同时还要求保持较高的运行效率能在恶劣工作环境下可靠地工作。正因为电动自行车对其电机驱动系统有这些特殊要求,所以在电动自行车电机驱动系统设计中,驱动电机的选择及整流器、控制器的设计,都必须考虑到这些特殊的要求。直流电机驱动系统为电动自行车的驱动系统之一,它结构简单,具有优良的电磁转矩控制特性。与直流驱动电机相匹配的变流器是斩波器,它将固定的直流电压变成可调的直流电压,调速方法主要是调压调速和调磁调速。采用直接转矩控制的电机驱动系统,转矩给定值的确定非常重要,它是直接转矩控制的转矩目标值,理想情况下,电动机的输出转矩就等于该时刻的转矩给定值。所以,转矩给定值应该能够满足负载的动力需求。因此在电动自行车的电机驱动系统设计中,首先要按照电动自行车的性能要求,对电机驱动系统的载荷进行分析,也就是对电动自行车行驶所需的的牵引力进行分析,得出合理的电动机直接转矩控制的转矩给定值。 2.6.3 无刷直流电动机驱动系统 永磁无刷电动机系统可以分为两类,一类是方波驱动的无刷直流电动机系统(BDCM),另一类是永磁同步电动机系统(PMSM),也称之为正弦波驱动的无刷直流电动机系统。BDCM系统不需要绝对位置传感器,一般采用霍尔元件或增量式码盘,也可以通过检测反电动势波形换相。PMSM系统一般需要绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器。从磁铁所处不同位置的结构上看,永磁无刷电动机可以分成表面型、镶嵌型、深埋式等结构型式,在电动自行车中也有采用盘式结构或外转子结构的。深埋式永磁同步电动机因其有高的功率密度、有效的弱控制及方便的最大效率控制而在电动车应用领域倍受青睐,是当前电动车电动机研发的热点。用在电动车上的永磁同步电动机是将磁铁插入转子内部,得到可同步旋转的磁极。深埋式转子结构如下图所示,这种电动机在结构设计方面主要有两个---------------------------------------------- 特征:转子磁铁使用埋入式、采用多极化设计。这种设计具有显著的优点: (1)与将永磁体贴在转子表面的情况相比,将永磁体植入转子内部,则即使高速旋转,永磁体也不会飞散,为此就使设计10000r/min以上的超高速电动机成为可能。 (2)对于要求的最大转矩而言,采用下图所示的转子结构,永磁电动机能做得更小。 图2,4 正弦波驱动的无刷直流电机的结构简图 ---------------------------------------------- 3 电动自行车的运行控制 在实际中发电机的构造与电动机是相同的，都是通过定子与转子的磁场作用力产生电力的。导体线圈在磁场中运动就能产生电流，导体线圈通电在磁场中就能旋转。两者的不同点就是通电与不通电，由于电动机与发电机有着相同的构造，如果把电动机转动起来，就像发电机一样发电。但是，这时的发电电流方向与电动机旋转时的电流方向相反的。电 车轮是旋转的，只要停止向电动机供电此时的电动机变成了发电动自行车在正常行驶时， 机为蓄电池充电。一段时间后给电机供电就又变为了电动机，将电能转化为机械能使电动自行车能够行驶。 3.1 电动机的选择 在所有已有的电动机中,综合性能最好的是直流电动机。过去开发的电动车主要采用有刷直流电动机,有刷直流电动机系统调速方便,改变其输入电压或励磁电流就可对其转矩实现独立的控制,进行平滑的调速,所以有刷直流电动机调速系统具有良好的动态特性和调速品质。但是有刷直流电动机系统由于电刷和换向器的存在而导致以下两方面的缺点:第一,必须进行经常性的维修和保养;第二,无法实现高速大容量。这两方面的缺点使其在电动车驱动系统中的应用受到了限制。而无刷直流电动机则克服了有刷直流电动机的缺点,它既有有刷直流电动机的优越的性能,又依靠电子换向,免去了机械式电刷和换向器。本系统选用无刷直流电动机。无刷直流电动机,就其基本结构而言,可以认为是一台有电子开关线路，永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的。电动机系统,它借助反映转子位置的位置信号,通过驱动控制电路,驱动逆变电路的功率开关元件,使电枢绕组依一定次序馈电从而在气隙中产生步进式旋转磁场,拖动永磁转子旋转。随着转子的转动,转子位置信号依一定规律变化,从而改变电枢绕组的通电状态,实现无刷直流电动机的机械能量转换。 3.1.1 直流电动机的特点 有刷直流电动机带有整流子与电刷，而整流子与电刷根据转子位置不同而自动切换连接位置，从而改变转子电流方向，这是一个很巧妙的组合。有了它，电动机一接通电源就能旋转。但是实际应用中，这种结构还存在着一些由整流自与电刷之间的机械连接所产生的缺点。 1、磨损问题。整流子的材料大多采用硬质合金。电刷则使用光滑而又易接触的金属与炭化物，这种金属与碳的化合物具有相类似的润滑性。但是，无论采用多么耐磨损的整流子材料，他们接触面之间的磨损总是会随着转子的旋转而产生，所以必须定期更换损坏的电刷。 2、噪声问题。无论怎么精工制作，整流自娱电刷间的接触面都不会天衣无缝，噪声是必然会产生的。 ---------------------------------------------- 3、旋转中整流子与电刷磨擦是将由电器噪声产生。这种电器噪声会使电动机周围的电器设备产生无动作，对电动自行车的电器设备产生不良影响。 正对以上缺点，在电动机选用时选用了一种以电子线路进行电流切换，而无需整流子与电刷的无刷直流电动机，避免了以上的缺点提高了电动车的耐用度。但是无刷直流电动机必须与一定的电子换向电路配套使用从而总的成本增加，但从控制的角度看更具有了灵活性.利用低电平信号可方便的控制电路的切换，电动机的起停，调节转速与转矩。 3.1.2 电动机容量选择的原则 电动自行车在传动系统中选择一台合适的电动机是极为重要的。电动机的选择主要是容量的选择，电动机的容量选小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障。如果电动机的容量选大了，则会使设备投资费用增加。 选择电动机容量应根据以下两项基本原则进行。 ,(1)发热:电动机在运行时，必须保证电动机的实际最高工作温度等于或略小于max ,,电动机绝缘的允许最高工作温度 ,即。 ,amaxa, (2)过载能力:电动机在运行时,必须具有一定的过载能力.特别是在短期工作时,由于 ,电动机的热惯性很大,电动机在短期内承受高于额定功率的负载功率时仍可保证 ,max, ,故此时,决定电动机容量的主要因素不是发热而是电动机的过载能力.即所选电动机的a 最大允许电流I必须大于运行过程中可能出现的最大负载电流I 。 maxLmax 3.1.3 电动机的发热与冷却 电动机是由多种金属(铜、铝、铁、硅钢片)和绝缘材料等组成，它在运行时，不断地把电能转变成机械能，在能量的变换过程中必然有能量损耗，这些损耗包括铜损、铁耗和机械损耗，其中铜耗与电流的平方成正比地变化，而铁耗与机械损耗则几乎是不变的。这些损耗都变成了热能而使电动机发热、温度升高。其发热的过程如下: 0,,,刚开始工作的时候，电动机的温度与周围介质的温度(规定取,，40C)之M00 ,,差(-)很小，而热量的发散是随温度差递增的，所以，这时只有少量的热量被散发出M0 去，大部分热量都被电动机吸收，因而温度升高较快，随着电动机温度的逐渐升高，它和周围介质的温差也相应地加大，发散出去的热量逐渐增加，而被电动机吸收的热量则逐渐 ,,减少，温度的升高逐渐缓慢。温升,,是按指数规律上升的。当温度升高到一定数,M0 值时，电动机在一秒内发散出去的热量正好等于电动机在他一秒内由于损耗所产生的热量，这时电动机不再吸收热量，因此温度不再升高温度趋于稳定，达到最高温升。值得指出的是热惯性比电动机本身的电磁惯性、机械惯性要大得多，一个小容量的电动机也要运行(2,3)小时，温升才趋于稳定，但温升上升的快慢还与散热条件有关。 在切断电源或负载减少时，电动机温度要下降而逐渐冷却，在冷却过程中，其温度降---------------------------------------------- 低也是按指数规律变化的，而冷却过程是进行的很慢的。 电动机运行时，温度若超过一定的数值，首先损坏的是绕组的绝缘，因为电动机中的绝缘材料是耐热最弱的部分，目前，常用的绝缘有E、B、F、H四级。如果电动机的工作温度超过了绝缘材料允许的最高工作温度，轻则加速绝缘老化过程，缩短电动机寿命，重则绝缘材料碳化变质，也就损坏了电动机。据此规定了电动机的额定容量，电动机长期在 ,,此容量下运行时，应不超过绝缘材料所允许的最高温度。所以， 是保证电动机长,Ma期安全运行的必要条件，也就是按发热条件选择电动机功率的最基本的依据。 由于电动机的温升和冷却都有一个过程，其温升不仅取决于负载的大小，而且也和负载的持续时间有关，也就是与电动机的运行方式有关。或者说，电动机额定功率的大小与电动机的运行方式有关。 3.1.4 选择步骤: 第一步，计算负载功率P。 L 第二步，根据负载功率，预选电动机的额定功率和其它。 第三步，校核预选电动机。一般先校核发热温升，再校核过载能力，必要时校核启动能力。在满足生产机械要求的前提下，电动机额定功率越小越经济。 3.1.5 无刷直流电动轮毂的选型计算 电动自行车正常行驶时所需要电机的功率为: FvP 式(3.1) ,3600,m kw式中: ——电动车的功率，; P km/h——电动自行车的车速，; v ,——电动机的效率，取0.9; m,1——电动机的台数，。 m 将数据带入: 31.0520， Pkw,,0.17636000.981，， 电机的工作电流: P3，10I 式(3.2) ,U VVU由于电池的电压为36，所以电动自行车的工作电压为36。将与的数据带入P IA,4.8求得工作电流。 转速为: ---------------------------------------------- 60v ,n,D ms/式中:——表示转速，; v D——表示车轮直径，; m 带入数据得: 10006020，，3600 nr,,265/min403.14，100 选择的无刷直流电动轮毂的型号为170SN-J05F。 V额定电压36 额定电流5 A 180W额定功率 280/minr空载转速 在电池选择时也应该根据公式(3.1)计算的结果选择电池的容量。 3.1.6 电动自行车的续行距离 电动车一次充电后在某一速度下续行的距离等于电池能量与该车在该速度下耗能率 kw,h/km之比。能耗率正比于行驶阻力，故设计电动自行车时可以由下式估算续行距离: [9]参考文献。 KGbS, 式(3.3) 12K(mm)kAv，，ra1221 K式中:——决定于所用电池能量密度及电动自行车的传动效率系数，对镍镉电池 K,100; GG,10kg——蓄电池的质量, ; bb krN/kg——旋转阻力系数,取0.1,0.2; k——空气阻力系数; a 2A,0.1m——电动自行车受空气阻力的面积,取; A km/hv——车速，。 [6]k对于参考文献，前面较陡的非线型车取1.0，小客车取0.5，完全流线型车取0.2。a 电动自行车没有给出，但是由于电动自行车的空气阻力的受力面主要为人的身体比较不规 k,1.0则，因此取。 a 将数据带入: ---------------------------------------------- 100，10 S,,37km120.2，120，，1.0，0.1，2021 S由公式(3.3)可见，提高续行距离的有效途径是减轻车的质量，同时尽量增加电池的 K容量(主要提高)。当今电动车选用的高能量密度的电池，直接将电动机与车轮合为一体(电动轮)以提高传动效率，即提高了电动自行车的续行距离。 在行驶中刹车把电动车的动能转化为热能，使实际续行距离减少。用电机再生制动取代机械式制动可以减少这种损失，而且简化了结构，减轻了质量。这也就是本设计的研究意义所在.节省能量，一次充电行使距离最远。 3.2 无刷电动机的调速控制系统 3.2.1 直流电动机的机械特性 直流电动机的定子通常有励磁绕组,当励磁绕组通以直流电时产生磁场。转子又称电枢，它的作用就是产生电磁转矩和电势，实现机电能量变化。当电枢旋转时，电枢绕组中将产生交变感应电势。忽略电机电感时，电枢电流I为 a UE, I,aRa 式中:U为电枢电压; E为电枢反电动势; R为电枢电阻。 a 直流电动机的机械特性方程式为 U,I(R，R)at 式(3.4) n,C,e R式中: ——电枢电阻; a R——励磁回路电阻 t U——工作电压; C——电机构成常数; e ——磁通量。 , 由式(3.4)可以看出，改变电机的电压、磁通和电枢电阻均可以改变电机的转速。 1、改变电枢两端的电压调速:给励磁绕组加上额定电压，使主磁通不变;调节施加在电枢上的电源电压在额定以下变动，直流电动机的转速就会降低。这种调速方法稳定、平滑，但是转速只能降低。 于恒功率调速。电枢串电阻调速时电机的运行效率较低，只在小功率或特殊场合使用。 2、改变电枢回路串联电阻调速:改变电枢回路串联的调速电阻Rt,实际上就是改变电---------------------------------------------- 枢端电压。增大电枢串联电阻，等于降低电枢端电压，电枢转速必定下降。这种调速方法转速不稳定，转速只能降低，消耗能量。 3、改变励磁回路电阻调速:当励磁电压为恒值时，调节励磁回路串联电阻，即改变了励磁电流，也就改变主磁通，使电动机的转速改变。这种调速方法调速范围大，调速平稳，转速稳定。 当改变电机的电压进行调速时，电机的机械特性为一组平行直线。当增加电机电压达到电机的额定电压时，因为电机的绝缘强度的限制不能继续增加电压提高电机的转速，改变可以减小电机的磁通以提高电机的转速。改变电枢电压调速属于恒转矩调速;弱磁调速属于恒功率调速。电枢串电阻调速时电机的运行效率较低，只在小功率或特殊场合使用。 3.2.2 脉宽调制(PWM) 目前，直流电动机控制中应用最多的方法就是PWM(pulse width modulation)控制。 这是用“开关方式”控制电压的一种方法。从开关导通到下一次导通的时间间隔称为“开关周期”。当开关周期一定时，在开关周期的宽度内改变导通的时间就控制了电压。 导通时间相对于开关周期的比例称为“占空比”。当占空比较小时，导通时间短，加到电动机上的电压低，电动机低速旋转。如果加大占空比，加到电动机上的电压高，电动机就会高速旋转。 一秒时间内开关动作的次数称为“PWM频率”。一般工业用直流伺服电动机的PWM 频率大约是20kHz。即一秒种内开关导通/关断2万次。两次开关导通之间的开关周期仅为 ,s短短的50。在这段时间内调节导通的时间，就可以控制电压。 PWM控制巧妙地利用了电动机线圈的电感。PWM控制使用电力控制的三极管作为开关。当三极管导通时，电感阻碍突然产生的大电流瞬间涌入三极管，避免出现超过允许值的电流而损坏三极管。另外，电动机两端还装有只能单方向导电的半导体二极管。当开关关断时，电感会使电流持续地流动，让这个电流通过二极管反方向流过，就可以有效地利用电动机旋转的能量。 3.2.3 传感器 (1)传感器的定义及组成 传感器是指感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。它是有敏感元件、转换元件、电子线路组成。传感器输出的信号在机电一体化中一般为电信号。在日常生活中传感器的别名有变换器、探测器、换能器、一次仪表等。 磁敏式位置传感器是指它的某电参数按一定的规律随周围磁场变化的半导体敏感元件。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏传感有霍二元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。 传感器的种类很多，在做电动自行车发电反馈系统设计时采用的是位移与位置传感器---------------------------------------------- 中的位置开关霍尔式。它的特点是非接触测量，动态响应特性好;但是对临近物体的材料特性和表面的性质有一定的要求。 (2)霍尔式传感器的各种原理 霍尔式传感器是基于金属或半导体材料的霍尔效应制成的传感器。如图3-1所示的金属或半导体薄片。若在它的两端通以控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为 UHB的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这中现象叫霍尔效应。霍尔效应的产生是薄片内运动电荷受磁场中洛伦磁力作用的结果。在此力的作用下，电子向一侧偏移并形成积累，另一侧则积累正电荷，于是又产生的电场。该电场阻止运动电荷的继续偏移，当该电场中的作用在电子上力与洛伦磁力相等时，电子积累达到了动态平衡，此时霍尔电势为: UKIB,HH KH式中:——霍尔元件的灵敏度; I ——控制电流; B ——磁感应强度。 UHIB基本输入控制电流或磁感应强度，霍尔电势将正比变化，霍尔传感器就`是基于这一原理制成的。基本的测量电路如图3-2所示。 图3-1 霍尔式传感器 图3-2 测量电路 3.3 电动车控制系统设计 3.3.1 控制系统的组成 控制器是由周边器件和集成块组成。周边器件是实现系统输入、输出功能的器件， 它们是放大器、传感器、桥式开关电路,以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的器件; 在控制系统设计中,利用脉宽调制原理控制直流无刷电机的速度。同时，应用了回馈制动的技术，将制动能量回馈到电网对蓄电池进行充电,从而大大节省了能源，提高了利用效率。 3.3.2 控制系统设计方案 ---------------------------------------------- 1、控制芯片MC33035 MC33035是24脚的双列直插窄式集成电路块,其内部结构如图3所示。其主要功能有:(1)转子位置译码器 接受转子位置检测器的信号,处理后生成6路输出驱动信号控制逆变桥的正确换流;(2)故障与处理 包括欠压、过热、误码、过流等;(3)正反转控制 改变6路输出驱动信号的顺序,以改变定子绕组的电流方向,从而改变电机转向;(4)制动 封锁所有上桥臂的驱动信号,使电机与电源隔离,同时打开所有下桥臂的驱动信号,短接电机的电动势,使电机迅速减速;(5)内部振荡器 决定PWM的调制频率;(6)转速给定 包括1个误差放大器和1个PWM比较器,给定的转速信号与振荡器的输出锯齿波相比较,产生PWM控制信号;(7)内部基准电压 不仅用于内部比较器和振荡器的电源,还输出作为转子位置检测器的电源。 图3,3 MC33035 电路示意图 2 控制系统电路设计 以MC33035为核心构成的电动车控制系统采用PWM方式控制电机的转矩和转速,采用电机内置的霍尔传感器检测转子位置。由MC33035接收霍尔传感器的位置信号,并对其进行译码,以决定由哪个电极换相。采用三相全桥驱动，由人根据车速的快慢来调节控制车速电位器,使车加速或减速。 (1)转子位置检测电路 无刷直流电动机定子绕组采用三相Y 型接法,三个霍尔位置传感器的空间间距为60?, ---------------------------------------------- 即120?电角度。3个霍尔感应器的输出SA、SB、SC 分别接到的4、5、6脚, 设置芯片的这3个引脚响应方式均为电平跳变触发, 当霍尔脉冲发生由高而低或者由低而高的电平跳变时, 均会触发中断, 六种组合分别对应一个周期中6个状态, 以查表方式确定换相。 图3—4 转子位置检测电路 (2)欠压保护 MC33035的第17脚的输入电压低于9.1V时,由于第17脚的输入连接内部一比较器的同相输入端。该比较器的反相输入为内部的9.1V标准电压,此时MC33035通过与门将驱动下桥的三路输出全部封锁下桥的3个功率三极管全部关断,电机停止运行,起欠压保护的作用。 (3)系统电路图 下图是运用MC33035,IR2103设计的36V直流无刷电机控制线路图，受控制的无刷直流电机为一轮毂电机，额定电压为36V，额定功率为180W，最大允许电流为5A，要求电动车的额定转速为20km/h。系统采用3块额定电压为12V的个镉,镍免维护蓄电池供电，考虑到MC33035所需的电压范围为10,30V，用稳压块7815给其供电。系统的PWM信号频率可以由外部电路调节，只需要在MC33035的外围加一个电容、一个电阻和一个可调电位器即可产生所需要的脉宽调制信号。IR2103芯片是为了驱动MC33035，MC33035将产生的PWM信号输送给IR2103，而IR2103是将其控制信号进行处理，进而将其放大。 MC33035的第7脚为使能端，高电平有效，只要将其输入电平设置为低，即可实现能耗制动刹车，另外也可经通过调节控制车速的电位器，从而改变PWM信号的占空比，实现无级调速;当占空比为零时，电机转速为零，实现刹车。 ---------------------------------------------- 图3-5 MC33035芯片控制线路图 ---------------------------------------------- 4 电动自行车的能量回收 在提高电动自行车性能中，改善能量的利用率十分重要。车辆在减速或制动时，将其中一部分能量转化为电能的过程称为制动反馈。电动自行车采用电制动时，通过将驱动电机处于发电状态，使车辆产生制动力矩，同时利用所产生电能反充到蓄电池，从而有效地回收制动能量，延长行驶里程。 4.1 制动模式与能量的分析 [10]电动自行车制动的方法可分为机械制动和电气制动两大类。制动方式应考虑机械制动与电气制动的结合，尽可能多的用回馈发电方式取代机械式制动。当电动自行车高速行驶时，其驱动电机一般是在恒功率状态下运行，驱动力矩与驱动电机的转速或车辆速度成反比。因此，恒功率下电机的转速越高，能量回收能力越低。当电动自行车中低速时，由于制动能量回收力矩通常保持在负荷状态，所以能量的回收能力随着车速降低而减小。通过能量回馈，既可减少机械制动系统的损耗，又能提高整车能量的使用效率，达到节约能源和改善续驶里程的目的。如下图所示: 图4-1 电动自行车能量应用模式 电动自行车制动可分为三种，对不同情况应用不同控制策略。 (1)紧急制动:应用于自行车制动加速度大的过程。 (2)中轻度制动:应用于自行车在正常工况下的制动过程，可分为减速过程与停止过程。电制动完成减速过程，机械制动完成停止过程。两种制动的过渡点由电机发电特性确定。应避免充电电流过大，或充电时间过长。 (3)下长坡时制动:应用于制动力压球不大时，可完全由电制动提供，充电特点为回馈电流小，充电时间长。 在电动自行车上，并非所有机械能或制动能量都可再生，制动力从地面与轮胎表面传送到车轮与半轴，然后由再生制动控制进行制动力的分配，决定前后轮摩擦制动和再生制动的多少。只有驱动轮上的制动能量可沿着与之相连接的驱动轴传送到能量存储系统，另一部分的制动能量将由车轮上的摩擦制动而以热的形式散失与大气中。同时，在制动能量---------------------------------------------- 回收的过程中，能量传送环节和能量存储系统的各部件也会造成能量损失。在再生制动时，制动能量通过电动机转化为电能，而电动机吸收制动能量的能力依赖于电机速度，在其速度范围内制动时，可再生的能量与速度成正比，当所需的制动能量超出能量回收系统的范围时，电机可吸收的能量将保持不变。超出的这部分能量就被摩擦制动系统吸收。故传统的摩擦制动也是必须的，只有将再生制动与摩擦制动有效结合，才有可能产生一个高效的制动系统。 4.2 能量回馈的控制策略 能量回馈控制策略直接影响了能量回馈效率、制动安全性、骑车感觉等，是基于常规自行车制动系统的能量回馈控制方式的核心技术，需要综合考虑各种因素。在回馈控制方式中，制动力矩实际包括机械制动力矩与能量回馈辅助制动力矩。由于机械制动力矩闸瓦决定，能量回馈控制系统无法干预。因此，如何在这样的系统约束条件下获得最高能量回馈效率，同时确保制动安全性以及过渡的柔顺性，是能量回馈控制策略的设计要点。在控制逻辑中将能量回馈辅助制动力矩设计为车速的函数，车辆当前的运行状态经过判断是否进入能量回馈控制过程以及是制动能量回馈模式还是滑行能量回馈模式。 1)柔顺性控制 在车辆制动工况，能量回馈对车辆产生的辅助制动力矩将影响驾驶柔性，需对制动能量回馈力矩的大小进行优化控制。通过动态调节制动能量回馈力矩的大小，确保实施能量回馈作用后的制动加速度、加速度变化率趋势与原车制动的效果相近，从而使在能量回馈作用时制动感觉与常规自行车相近。在实际系统中，还涉及许多其它控制参数，各控制参数可通过标定工具随车在线标定与优化。 2)能量回馈效率寻优 在车辆的制动能量回馈工况中，保持驾驶柔顺性是首要考虑的，而对于滑行工况能量回馈，能量回馈效率与驾驶柔顺性须同时兼顾。能量回馈效率的优化是个动态寻优过程，不仅需要使电机发电效率、逆变器工作效率、动力蓄电池充电效率均处于高效区，而且还与车辆动力学有关，同时还必须满足车辆控制实时性的要求。 4.3 电动自行车能量的消耗评价方法 1)能量消耗率:有两种计算方法:一种是以每公里电动自行车消耗的电网交流电量评价。这种方法由于充电设备效率不同，可以导致相同的行驶工况不同的能耗效率;另一种是以平均每公里消耗的电池组直流电量评价，不把充电设备和电动自行车作为整体考虑，能较直接和客观地反映电动自行车的实际性能。 2)比能耗:是在能量消耗率的基础上除以车辆的总质量，以得到单位车质量的能量消耗情况，该数值便于不同车型之间进行能耗水平比较。 ---------------------------------------------- 4.3.1 能量流分配关系及能量测量 电动自行车作为一个能量系统，主要包括能量存储系统、主驱动系统。主驱动系统是主要能耗系统，也是电动自行车行驶的动力传递途径。有电池内阻损耗、机械摩擦损耗、电器部件损耗以及制动损耗等。 在能耗中，主驱动系统占大部分，这种关系是在电动自行车的行驶过程中，随着使用时间的增加，逐步增加到基本稳定的过程。电动自行车的驱动效率在车辆行驶初期，需要完成电池预热，即车辆进入良好工作状态需要消耗一部分能量。 4.3.2 能耗影响因素分析 1)车身构造对能耗的影响:电动自行车的车身的要求与普通自行车基本一致，在满足刚度和强度要求的情况下，应力求车身的轻量化。一般空气阻力是车辆高速行驶时能耗的重要因素，空气阻力与空气阻力系数和迎风面积成正比，所以降低风阻系数是降低空气阻力的重要手段。 2)工况对能耗的影响:在同一时间段，不同路段的车流量和人流量有很大的不同，因此电动自行车能量消耗也随之有相应的变化。车辆大致平均车速20(km/h)，接近车辆经济车速。 3)环境温度对能耗的影响:电动自行车的能耗也与环境因素有关。首先，各种电池都有最佳工作温度，而且在不同温度时，电池放出的能量及内阻等有很大的差别。其次，温度对车辆个部分都有影响。 4)能量损耗对能耗影响:主要包括3个方面即电池内阻损耗、机械摩擦损耗、制动损耗。 4.4 制动效能及制动能量回收的约束条件 4.4.1 自行车的制动效能 可以用制动减速度和制动距离来评价。 1.制动减速度 制动减速度是指制动时速度减少的快慢程度。减速度越大，制动所需要的时间和制动距离越短，制动性能就越好。自行车在干燥平坦路面上紧急制动时，最大减速度可达2, 23m/s。在实际应用中，考虑到骑车人的安全性和舒适性以及负荷转移等因素，最大制动减 2速度一般远较上述数值为低。制动减速度如果超过2m/s将使骑车人不舒服。只有在紧急情况下才允许使用。 2.制动距离 自行车制动距离是骑车人开始刹车到自行车完全停止的距离。制动距离比制动减速度更能表明制动系统的工作效率，所以被广泛采用。但制动距离的长短不仅却决于自行车制---------------------------------------------- 动系的构造和路面质量，而且决定于制动初速与骑车人反映快慢，所以制动距离是较为客观的参数。 在制动过程中车速随时间的变化曲线，如下图所示: 图4-2 车速随时间的变化曲线 由于车速与电动机转速成线性关系，故电动机在各种不同制动方式的机械特性下可得出在制动过程中电动 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 动力随时间变化的关系曲线。 随着车速的下降电动机的转速也随之下降，由于电动机制动是靠电子控制实现的，因此电磁制动的作用时间与刹车同步，不存在滞后时间，加快了制动力的响应速度。由于电动自行车在制动时部分动能被电动机转化为电能，从而提高了制动器的制动效能。 4.5 制动能量回收控制算法 4.5.1 制动能量回收的约束条件 制动能量回收的约束条件实用的能量回收系统应满足以下要求: 1、满足刹车的安全要求，符合驾驶员的刹车习惯。刹车过程中，对安全的要求是第一位的。需要找到电刹车和机械刹车的最佳覆盖区间，在确保安全的前提下，尽可能多地回收能量。具有能量回收系统的电动自行车的刹车过程应尽可能地与传统的刹车过程近似，这将保证在实际应用中，系统有吸引力，可以为大众所接受。 2、考虑驱动电机的发电工作特性和输出能力。电动自行车中常用的是永磁直流电机或无刷永磁直流电动机，应针对不同的电机的发电效率特性，采取相应的控制手段。 3、确保电池组在充电过程中的安全，防止过充。电动自行车中常用的电池为镍氢电池、锂电池和铅酸电池。充电时，避免因充电电流过大或充电时间过长而损害电池。 由以上分析可得能量回收的约束条件: 1) 根据电池放电深度的不同，电池可接受的最大充电电流。 2) 电池可接受的最大充电时间。 ---------------------------------------------- EU,3) 充电的电压必须大于电池的额定电压。 4.6 永磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理 4.6.1 永磁无刷直流电机及其基本工作原理 永磁无刷直流电机是近年来随着电力电子器件及新型永磁材料而迅速发展成熟的一种新型电机。永磁无刷直流电机与永磁同步电机的结构相似。定子结构与普通的同步电机及异步电机相同，铁中心嵌放对称多相绕组，绕组可结成星型或三角形;转子采用永磁结构。这种结构的电机根据磁路结构和永磁体的形状不同，其气隙磁场波形可以是方波、梯形波或者正弦波，电机运行时对应的反电动势波形也为方波、梯形波以及正弦波。通常，反电动势为正弦波的电机叫做永磁同步电机，反电动势为方波或梯形波的电机称为永磁无刷直流电机。 如果把电机、逆变器以及转子位置传感器作为一个整体，则逆变器相当于直流电机的换向器，转子位置传感器相当于直流电机的电刷，永磁体代替了原来直流电机的定子励磁绕组以及铁心，两者的区别在于定转子位置互换了。从逆变器直流侧看，电流为直流，因此称为无刷直流电机。无刷直流电机既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便，又具有直流电机那样良好的调速性能而没有机械式换向的优点。由于采用了永磁结构，无刷直流电机没有励磁损耗，比传统的交流电机体积小、效率高。并且永磁无刷直流电机能够很好地满足电动自行车频繁地启动、加速、制动，故是理想的电动自行车用驱动电机之一。 图4-3 控制系统主电路结构图 永磁无刷直流电机一般由电动机本体(包括定子和转子)、位置传感器以及电子换向线路三大部分组成。永磁无刷直流电机的工作原理就是，利用电机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动永磁电机转子旋转。同时，随着电机转子的转动，转子位置传感器又不断送出位置信号，以不断的改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变，这样电机就旋转起来了。 ---------------------------------------------- 图4-4 无刷直流电机的组成 4.6.2 直流电动机的制动方式 直流电动机的电磁制动方式与拖动系统的电气制动方式一般有能耗制动、反接制动和 [30][31]回馈制动。 (a)能耗制动原理如下图所示:制动时电动机将电枢回路与外电源断开，在电枢回路串联一个制动电阻R。使电枢回路经电阻R闭合，使电机处于发电状态，电枢电流改变方向，电磁转矩与驱动时相反，将系统的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上。 图4-5 电机能耗制动原理图 (b)反接制动有两种不同的接线方式:(1)在电动机制动时将电枢电流经反响开关反接，反接电源并串接一制动电阻。使得电源电动势与感应磁场所产生的电动势作用方向一致，电流方向与驱动时相反，共同产生电枢电流，电磁转矩与驱动时相反，称为制动转矩。如图4—6所示;(2)在电动机制动时将电动机励磁电源经反向开关反接，励磁电流反向，此时电枢电压与感应电势方向相同。共同产生电枢电流，电磁转矩与驱动状态相反，变为制动转矩，接线如图4—7所示: ---------------------------------------------- 图4-6 电机反接制动原理图(a) 图4-7 电机反接制动原理图(b) 两者由动能转换来的电功率以及由电源输入的电功率一起消耗在电枢回路中，不能反馈电能。但在机械特性上是相同的。 (c)回馈制动:其接线如下图所示。工作时首先将电动机的电枢驱动电流断开，电枢两端接入一个开关电路，使其工作于高频状态。由于电机属于感性器件，感应电势与E I感应电流有如下的关系: diE,,L 式(4.1) dt 式中:——电机电枢的电流 L K当开关闭合时，电机感应电势引起的感应电流经经过开关形成回路，感应电流为制动电流，有: E 式(4.2) I,,1RR，ab R式中: —— 电枢电阻; a R —— 制动限流电阻; b I —— 制动电流; 1 —— 感应电动势。 E diKEU,当开关断开时，迅速上升，导致感应电势迅速上升，直到时，实现能||Edt I量反馈，回馈电流为制动电流: 2 EU, 式(4.3) I,2RR，ac R——电流回馈电路的等效电阻。 式中:c ---------------------------------------------- 图 4,8 电机回馈制动原理图 就电动自行车而言，能量回收时回馈制动所需的三个条件是可以满足的，电机在制动前做电动机运行，磁场已经建立。制动开始的瞬间剩磁存在，定子两端接在蓄电池两端。对电池充电，即把输入的机械能转换为电能。电动自行车制动时，转子轴上产生制动转矩，同时定子端会建立起电压。如果定子端接蓄电池，当定子两端电压大于蓄电池电压时，电池处于充电状态。随着制动的进行转子的转速减小，相应转子绕组切割同步磁场的速度也减小，即转差率的绝对值减小，转差率在电机发电时为负，因此充电电流也减小。为了尽量回收制动能量，当然希望充电电流保持在较高的值。如果减少旋转磁场的频率，则同步磁场的转速也会降低，则抓差率的下降速度不致很快，从而使充电电流的下降趋势变缓。 4.6.3 永磁无刷直流电机能量回馈制动原理 从制动的角度来说，只要使电机的电枢电流反向就可以实现。实现电流反向最简单的方法是使电源极性反接，也就是在电机正转过程中，控制逆变器的开关管，通入和电势反相的方波电流。虽然这种方式可以产生制动性质的电磁转矩，但并不能将能量回馈到电源，如果控制不好，还可能使电机反转(在低速时)。电动自行车电气制动显然不能这样简单地采用电源极性反接的方式。电动自行车电气制动具有特殊的要求:由于电池能量有限，因而要求将制动的能量回馈到电池，且要求回馈的效率尽量高;能够有效地控制充电电流的大小，以满足电池特性的要求;能够有效地控制制动转矩的大小，使电动自行车能够很好地控制制动速度的快慢。电磁制动，同时这里采用了一种称为低速能量回馈制动的电气制动方式。低速能量回馈制动在电机转速低于额定转速时可实现向电源回馈能量，这种控制方式制动效果较好，能量回馈效率高，控制方便、安全，是一种良好的电气制动方式。电动自行车在运行中回馈有两种方式。 (1)下坡时为防止速度过高的制动控制方式。当自行车下坡时带动电机作发电运行，电机三相线电压经各二极管(D1,D6)整流后对电池充电，同时电机的力矩对自行车起制动作用。 EEV,36设蓄电池的空载额定电压，取电动状态下理想空载每相电势为: DD ---------------------------------------------- E36D 式(4.4) eV,,,18m22 当转速进一步提高时电机过渡到发电状态。近似的认为相电压为正弦波，其最大值为e，经整流后电压为: m0 Ue,1.65 Dm0 UE,向电池充电必须，即: DD eE,/1.65 mD0 具体分析:电动自行车在平地或上坡时行驶，负载转矩起阻碍作用;下坡时，负载转矩相反，变成帮助电动车往下行驶。在制动转矩和负载转矩的共同作用下，转速加快。到达理想空载转速时，制动转矩为零，但负载转矩小于零，即其与转速方向相同，在负载转矩作用下，电机继续加速，越过理想空载转速继续加速。这时制动转矩反向并逐渐增大，最终达到等于负载转矩数值，电动车恒速下移。从转数大于理想空载转速后，电机过渡到 UE,发电状态。近似地认为相电压为正弦波。经过整流后电压，再生制动力矩的产生DD 需要电机转速高于理想空载转速。故增加励磁可控制制动力矩，降低车速。 驱动电机不超过最高转速时的减速制动控制方式。即低速回馈制动，其目的在于:在电机转速低于空载转速时，把自行车的动能转化为磁能存储在电感中，再通过逆变器作用，自行车的动能及前期存储在电感中的磁能一起转化为电能，通过电感升压作用，向蓄电池回馈能量。同时由于电机电流方向在整个周期内与电动运行时相反，故可得到制动性电磁转矩，实现自行车的电气制动。低速能量回馈制动只对处于相同半桥上的3个元件(如Q2、Q4、Q6)有PWM开关动作，而另半个桥上的3个元件则总是截至的。以对下半桥进行PWM控制为例，当某相反电势处于正向最大的120度的区间内，对该相的下桥臂开关元 e件进行PWM控制，则可以产生可调的制动电磁转矩。本控制原理是升压斩波器原理。以a e为正， 为负的60度电角度区间段为例，也就是电动状态时的Q1、Q4的导通区间，此b ee,时对Q2进行PWM控制。当Q2导通时，反电势()通过Q2、D4，将能量存储到ab 电机绕组中，其等效电路如图(a)所示，此时，绕组内的电流方向与反电势方向相同，因而是制动性质的。Q2关断时，其等效电路如图(b)所示，电机绕组中的电流经D1、D4及电池续流，向电池充电，电机绕组中的能量回馈到电池。图(c)是将图(a)和图(b)合并起来的完整的等效升压变换电路，图(d)是图(c)的简化。由升压斩波器的原理可知，充电电流越大，占空比越大充电电流也越大。因此，在反电势一定的条件下，调节功率开关器件的占空比，就可以控制充电电流的大小。 ---------------------------------------------- (a)Q2导通时的等效电路 (b)Q2关断时的等效电路 (c) Q2 斩波时的等效电路 (d)Q2斩波时的简化等效电路 图4,8 低速能量回馈制动原理图 从低速能量回馈制动的原理可以看出，电机仍然工作在两相导通状态，只是电流方向和原来相反，因而工作在制动状态。同时，低速能量回馈还具有下列特点: (1)可以实现能量的回馈; (2)可以调节PWM占空比，可以控制充电电流以及制动转矩的大小; (3)制动转矩和反电势成比例，当电机转速下降时，制动的作用将减弱; (4)采用这种控制方式产生的转矩只可能为制动性质，也就是说，反电势的方向决定了制动转矩的方向，电机在这种情况下不可能反转。因此，这种低速能量回馈制动的方式适合于电动自行车制动。 具体分析:逆变桥6个功率开关元件中只有处于相同半桥上的3个元件有PWM开关动作，另一半桥上的3个元件则处于截止状态。通过在 T4 管脉宽调制时，分析一个周期内电流与能量关系 图4,9 电机控制原理图 如上图:由(a-d-e-b-g-a,a-d-f-c-g-a)所示:VT4导通时，从如下等效图得回路电压方---------------------------------------------- 程: 图4,10 回馈制动VT4导通时的等效电路 dieeeRiLM,,,，,22() 式(4.5) abdt ii式中: 为一个开关周期内包含A，B绕组的回路电流。 ，，L 忽略电阻消耗则存储在电感中的能量为: 11 式(4.6) Wiudteidt,,LLl,,00 tt,tt,在期间由动能转化得到磁场能量。在时，VT4截止，从如下等效图得 011 图4-11 回馈制动VT4截止的等效电路 回路电压方程为: di 式(4.7) 22()eeuRLMeu,,，，,,，abdiddt VT4截止期间，蓄电池吸收能量为: 222 式(4.8) Weuidtuidtiudt,，，,,()()BdLLab,,,111 上式等式右边第一项是经电机电磁功率作用而转化为电能的自行车动能，第二项为电 感在同一时间释放的磁场能量，故电磁释放的磁能: 22' 式(4.9) Wiudteuidt,,，()Labd,,11 'tt,tt,WW,设稳定运行，吸收的能量等于内释放的能量，即: 0112LL 221 式(4.10) iudteuidteidt,，，()abd,,,110 22 iuudteidt(),,abd,,10 uu,,0由上式是有可能的，故选择好一定的需求，可实现能量回馈。 abd ---------------------------------------------- 结论 随着世界能源与环境问题的日益突出，人们对节能环保电动自行车的研发不断深入。电动自行车在这样的背景下逐步展现活力。本文研究了电动自行车的发展状况，电动自行车驱动系统、动力电池充放电性能、电动自行车动力性能及续驶里程。通过本文的研究得到以下经验与结论: 对电动自行车传动系统的数学模型进行了研究，主要介绍了电动自行车整车行驶的数学模型、直流电动机的性能、蓄电池的模型并进行了较为深入的研究。通过研究我们可以知道电驱动车型设计是可行的。动力性好并且通过控制优化可以得到明显改善动力系统，总效率也有提高。蓄电池成本低，技术成熟，在现阶段更为使用。 在我国有将近6亿人口以自行车代步，自行车的市场非常大，随着我国城市规模的迅速扩大及农村道路的日益改善，长期依靠脚踏自行车的人们将会把目标转向电动自行车，再加上燃料电池、太阳能电池的日益完善，将使得电动自行车行业蓬勃发展。 ---------------------------------------------- 致谢 本次设计是在尊敬的熊永超教授帮助和指导下完成的。从课题的选择到设计定稿，整个过程都得到了熊永超教授的悉心指导，他严谨的治学态度和认真负责的工作精神，让我学会了很多、体会了很多。在此，我首先向熊永超教授表示真诚的感谢，并致以崇高的敬意。 在课题的研究和方案选择阶段，得到了舍友的大力支持，让我在选择总体方案时有了清晰的设计。同时在我绘图时也给予了我很大的帮助，帮我解决了很多问题。在此，我向他们表示衷心的感谢。 在即将毕业之际，我向帮助过我、支持过我的老师和同学们表示由衷的感谢，祝他们永远幸福，谢谢～ ---------------------------------------------- 参考文献 [1] 张端.实用电子电路手册[M].北京:高等教育出版社,1992. 陈全世、杨宏亮等.混合动力电动骑车结构分析.汽车技术.2001年09期，6-11. [2] [3] 沈鸿.电机工程手册[M].北京:机械工业出版社. [4] 张俊谟.单片机中级教程[M] .北京:北京航空航天大学出版社. [5] 高鹏.电路设计与制板[M].北京:人民邮电出版社. [6] 邱宣怀.机械设计[M].北京:高等教育出版社. [7] 李兴虎.电动汽车概念.北京理工大学出版社.2005.8. [8] 于学谦.矿山运输机械[M].徐州:中国矿业大学出版社. [9] 李槟,陈全世.开展混合动力电动汽车的研究刻不容缓[J].汽车技术, 1997,(5). [10] 周明衡.离合器、制动器选用手册[M].北京:化学工业出版社 2003. [11] 孙逢春、张承宁、祝嘉光.电动汽车——21 世纪的重要交通工具[M].北京:北京理工大学出版社 1997. [12] 王勇、李建勇、张欣、耿聪.混合动力汽车的控制策略研究[J].北京汽车, 2004. [13] 罗玉涛、俞明、陈炳坤、陈统坚.电动车制动能量再生反馈控制研究[J].机床与液压，2002,(5). [14] Niels J.Schouten，Mutasim A. Salman，Naim A. Kheir， Energy management strategies for parallel hybrid vehicles using fuzzy logic[,]:Control Engineering Practice 11 (2003) 171–177. [15] 耿聪.混合动力电动公交汽车(HEB)再生制动的控制策略与性能仿真[J]. 高技术通讯，2004, (8)( [16] 何洪文(混合动力驱动车辆动力传动系合理匹配研究[J].吉林工业大学汽车工程学院，2000( [17] 杨启梁、严运兵.具有 ABS 的汽车制动性能实验模拟系统[J] .汽车科技， 2003, (7)( [18] 张俊智、卢青春、王丽芳.汽车混合动力传动的能量流动与比较[J].机械科学与技术，2001, (5). [19] 朱松然.蓄电池手册.天津大学出版社.1998年. [20] 陈清泉、孙逢春等.现代电动汽车技术北京理工大学出版社.2002年. ---------------------------------------------- 附件图纸 刹车把装配图 ---------------------------------------------- ---------------------------------------------- 链轮盖 ---------------------------------------------- 链轮底座 ---------------------------------------------- 控制线路图 ---------------------------------------------- 制动器装配图 ---------------------------------------------- 电动自行车原理图 ---------------------------------------------- 飞轮 ---------------------------------------------- 后轮装配图 ---------------------------------------------- 电动车框架图 ---------------------------------------------- 谢谢朋友对我文章的赏识～充值后就可以下载此设计说明书,不包含CAD图纸,。我这里还有一个压缩包～里面有相应的word说明书,附带:外文翻译,和CAD图纸。需要压缩包的朋友联系QQ客服1:1459919609或QQ客服2:1969043202。需要其他设计题目直接联系::: ----------------------------------------------