1、毕业设计（论文）报告题目基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计系别电子工程学院专业应用电子技术班级1203学生姓名学号100120076指导教师2015年4月无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计I基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计摘要近代社会，随着电能的广泛利用，电动机为机电能量转换装置，被广泛利用与国民经济的各个领域和人们的日常生活，成为人们生活中不可或缺的一部分。那么如何才能使得电能的利用率更高，使用范围更加广泛呢各国科研工作者们一直致力于新型电动及其调速系统的研制，以期缓解经济发展与能源相对短缺之间的矛盾。一个新的双凸极永磁电机驱动出现以来
2、吸引了越来越多的关注,由于明确的结构简单的优点,功率密度高、效率高。本文在分析常规DSPM电机的结构及设计原理的基础上，针对该类电机磁路存在一定的不对称和对控制和输出特性带来一些不利影响的问题，提出了一种改进的换位设计方法，并设计制造了一台新型DSPM电机，通过时步有限元法计算比较，并进行实验验证，得出如下结论1现有DSPM电机存在各相磁路偏差，导致反电势波形不对称等问题。本文从电机设计角度提出了换位设计原理，从根本上解决了上述不对称的问题。2通过有限元方法对一台常规DSPM电机与一台采用换位设计的DSPM电机的比较分析,采用换位设计的DSPM电机可以有效减小齿槽转矩；每相绕组相邻线圈的自感变
3、化存在互补，从而可以较大程度地削弱磁阻转矩，并最终有效减小转矩脉动，但与此同时也会降低部分力能指标，具体设计时应通过计算综合考虑。3设计制造了一台采用换位设计的新型DSPM电机。实验表明其空载反电势及电流波形要优于常规结构DSPM电机，各相反电势波形严格对称，电流波形上下半周也较为对称，因此更加适合于传统直流无刷电机的运行模式。关键词新型DSPM电机换位设计有限元方法无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计IIBASEDONTHEELECTRICBICYCLEWITHANEWTYPEOFDOUBLYSALIENTPERMANENTMAGNETMOTORDES
4、IGNABSTRACTINMODERNSOCIETY,WITHTHEWIDEUSEOFELECTRICITY,MOTORFORELECTROMECHANICALENERGYCONVERSIONDEVICE,ISWIDELYUSEDANDTHEVARIOUSFIELDSOFNATIONALECONOMYANDPEOPLESDAILYLIFE,BECOMEANINDISPENSABLEPARTOFPEOPLESLIFESOHOWTOMAKETHEELECTRICITYUTILIZATIONRATIOISHIGHER,USEMOREWIDESPREADNATIONALSCIENTIFICRESEAR
5、CHWORKERSHAVEBEENCOMMITTEDTOTHEDEVELOPMENTOFNEWELECTRICANDITSSPEEDCONTROLSYSTEM,INORDERTOALLEVIATETHECONTRADICTIONBETWEENECONOMICDEVELOPMENTANDRELATIVEENERGYSHORTAGEANEWDOUBLYSALIENTPERMANENTMAGNETDSPMMOTORDRIVEHASATTRACTEDMOREANDMOREATTENTION,DUETOTHEADVANTAGESOFSIMPLESTRUCTURE,HIGHPOWERDENSITYANDH
6、IGHEFFICIENCYBASEDONTHEANALYSISOFCONVENTIONALDSPMMOTORONTHEBASISOFTHESTRUCTUREANDDESIGNPRINCIPLE,AIMINGATTHISKINDOFMOTORMAGNETICCIRCUITHASCERTAINASYMMETRYANDSOMEADVERSEINFLUENCEONTHECONTROLANDOUTPUTCHARACTERISTICSOFTHEPROBLEM,ANIMPROVEDMETHODOFTRANSPOSITIONDESIGNANDDESIGNANDMANUFACTUREANEWTYPEOFDSPM
7、MOTOR,COMPARISON,THROUGHTHECALCULATIONOFTIMESTEPFINITEELEMENTMETHODFEMANDEXPERIMENTVALIDATION,THEFOLLOWINGCONCLUSIONS1THEEXISTINGDSPMMOTORMAGNETICCIRCUITINDEVIATION,RESULTINGINASYMMETRICBACKEMFWAVEFORMINTHISPAPER,FROMTHEANGLEOFTHEMOTORDESIGNPRINCIPLESTRANSPOSITION,FUNDAMENTALLYSOLVETHEPROBLEMOFTHEAS
8、YMMETRYOFTHEABOVE2THROUGHTHEFINITEELEMENTMETHODFEMOFACONVENTIONALDSPMMOTORANDACOMPARATIVEANALYSISOFTRANSPOSITIONWASADOPTEDTODESIGNTHEDSPMMOTOR,TRANSPOSITIONWASADOPTEDTODESIGNTHEDSPMMOTORCANEFFECTIVELYREDUCETHECOGGINGTORQUEEACHPHASEWINDINGCOILSELFINDUCTIONCHANGEARECOMPLEMENTARY,ADJACENTTOGREATLYWEAKE
9、NTHEMAGNETICRESISTANCETORQUE,ANDEVENTUALLYREDUCETHETORQUERIPPLE,BUTATTHESAMETIMEALSOCANREDUCESOMEFORCEINDEX,SPECIFICDESIGNSHOULDBECONSIDEREDBYCALCULATION无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计III3DESIGNANDMANUFACTUREOFATRANSPOSITIONWASADOPTEDTODESIGNTHENEWDSPMMOTOREXPERIMENTSSHOWTHATTHENOLOADBACKEMFA
10、NDDSPMMOTORCURRENTWAVEFORMISSUPERIORTOTHECONVENTIONALSTRUCTURE,THEOPPOSITEVOLTAGEWAVEFORMSYMMETRYSTRICTLY,CURRENTWAVEFORMANDAHALFWEEKSARESYMMETRICAL,THEREFOREMORESUITABLEFORTHETRADITIONALOPERATIONMODEOFTHEBRUSHLESSDCMOTORKEYWORDSTHENEWDSPMMOTORTRANSPOSITIONDESIGNTHEFINITEELEMENTMETHOD无锡科技职业职业学院毕业设计（
11、论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计IV目录前言错误未定义书签。第一章【新型双凸极永磁电机的概述概述】111【发展概况】212【国内外研究情况】2第二章【项目设计】321【课题背景】322【新型DSPM电机】4第三章【采用换位设计的新型双凸极永磁电机】531【空载磁场分布、磁链、反电势及齿槽转矩】732【自感与互感】833【磁阻转矩与电磁转矩】10第四章【新型DSPM电机的设计和实验验证】1141【换位设计】1242【实验验证】13第五章【STM8S单片机原理与应用设计】1451【STM8S903K3单片机特点】1552【STM8S单片机应用设计】1553【基于STM8S903K电动
12、车控制器设计】17第六章【自动电行车控制器】1861【自动电行车控制器工作原理】1962【电动车控制器的辅助功能】20第七章【电动自行车工作原理】2171【结构与系统原理】2172【控制器电气规格】2273【无刷直流电机控制器的图】2274【电动车控制器各部分线路和工作原理】23无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计V致谢24参考文献25附录31无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计1前言随着社会经济的快速发展，能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。在此背景下被誉为绿色交通工具的电动车
13、受到了广泛的重视，并已开始进入人们的现实生活。为使电动车能够与传统燃油汽车相竞争，对电机驱动系统的要求是在宽广的速度范围内具有最优效率，高功率密度，高可控性，高可靠性和免维等。新型双凸极永磁电机把永磁体放在定子齿表面，随着转子旋转，定子上集中绕组交链的永磁磁通改变极性，即磁通反向，这比传统的磁通脉振的双凸极永磁电机产生更大的磁通变化。因此，一定的定子磁势会产生更大转矩。由于该电机的绕组利用高、电感小、容错力好、结构简单、转动惯量小、适用于高速运转，可应用于汽车制造业、航天航空、工业等领域，其高功率密度尤其可作为汽车发动机。新型双凸极永磁电机作为一种应用前景看好的无刷电机，是由RPDEODHAR
14、等人提出的，目前国际上对新型DSPM电机的研究还很不全面，仅停留在初步理论和样机实验阶段，关于电机参数计算、模型建立、分析方法、控制策略等有待探讨和研究。本文对该电机的发展和研究现状作一综述。在研究DSPM结构的基础上提出了DSPM电机的换位设计思想，在此基础上设计了一台新型DSPM电机。从电机设计角度严格保证了磁路的对称，并且最大程度上削弱了转矩脉动。无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计2第一章新型双凸极永磁电机的概述11发展概况随着稀土永磁材料与功率器件的不断革新，在20世纪90年代LIPOTA教授正式提出了双凸极永磁电机的概念并将其用于实践。该电机
15、既具有开关磁阻电机的鲁棒性，又能通过绕组电流的双极性控制有效改善转矩密度。与转子型永磁电机相比，其在结构可靠性方面也具有一定的优势。新型双凸极永磁电机的永磁体放置在定子齿表面,永磁体安装简单且适用于高速运转定子集中绕组中的磁通呈双极性变化,其功率密度比传统的DSPM电机要高。12国内外研究情况近年来，国内外相继对双凸极永磁DOUBLYSALIENTPERMANENTMAGNET，DSPM电机展开了研究并取得了一系列研究成果。在理论分析上建立了等效磁网络、特性拟合等方法，并针对常规DSPM结构归纳出了行之有效的设计步骤；在结构上提出了很多不同的拓扑形式。理想情况下DSPM电机各相永磁磁链呈线性变
16、化，因此反电势呈适合于直流无刷运行的梯形波。但实际上由于铁心饱和及齿间漏磁的影响，每相反电势波形存在一定的畸变。而且常规DSPM电机大都采用了定子上每个永磁体对应整数倍的相绕组的设计，造成了各相磁路，每相最大与最小磁链处的变化率不一样，由此导致了各相反电势的偏差及每相反电势的左右不对称。这些不对称因素一定程度上会使电机性能变差。此外，每相绕组的各个串联线圈与转子齿槽的相对位置时刻保持同步，使得各个线圈的自感随转子位置呈同方向变化，加剧了每相自感的波动程度，从而导致了磁阻转矩及转矩脉动的增加。为此，国内外学者围绕如何改善电势电流波形和削弱转矩脉动等方面进行了相关研究，其中从电机结构上削弱磁阻转矩
17、的研究主要是通过合理选择转子极弧和磁钢参数或轴向分段错开90电角度来实现，但是前者削弱程度有限，后者不可避免地会增加轴向漏磁、端部电感等不利因素；在控制策略上针对DSPM电机转矩脉动偏大的问题从控制算法上提出了改进，则对由磁路不对称引起的电流的不对称从而引起分裂电容中点电压漂移的问题，采取了调整导通角的措施，从而有效改善了电流波形。无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计3第二章项目设计21课题背景近代社会，随着电能的广泛利用，电机作为机电能量转换装置，被广泛应用于国民经济的各个领域和人民的日常生活，成为人民生活中不可或缺的一部分。那么如何才能使得电能的利用
18、率更高、使用范围更加广泛呢各国科研工作者们一直致力于新型电机及其调速系统的研制，一期缓解经济发展与能源相对短缺之间的矛盾。近年来随着电力电子技术、微电子技术和微机技术的发展，新型永磁材料的出现，现代控制技术的应用，人民在传统电机的基础上研制出现无刷直流电机、开关磁阻电机，永磁电机等各种新型电机。22新型DSPM电机图1为该新型DSPM电机的剖面示意图。外转子排列有28个齿，内定子分为电枢齿槽和永磁体2层。每个永磁体对应4个齿槽，依次放置3相集中绕组。永磁体之间的开槽既起到隔磁、减轻重量的作用，也可以放置直流绕组图1新型DSPM电机剖面图图2为电枢槽矢量图。假设从图1所示的A1线圈开始排布，则按
19、照矢量图逆时针依次放置AX,YB，CZ，XA，第二块永磁体由于极性反向，因此对应线圈反向连接为YB，ZC，AX，BY，其余依次类推。可以看到,该电机具有180反周无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计4期对称条件，半模型内每相绕组的4个线圈分别占据4个不同的电枢槽位置，严格保证了各相串联线圈的总磁路完全一样。图3为对应的三相绕组连接图。表2为该新型DSPM电机的主要结构参数。图3三相电枢绕组连接图表2新型DSPM电机的结构参数无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计5第3章采用换位设计的新型双凸极永磁电机特性分析31空载
20、磁场分布、磁链、反电势及齿槽转矩为了进一步分析该新型DSPM电机的特性，本文采用时步有限元法16对电机进行了详细计算。图4、5分别为计算得到的该电机空载磁场分布和相应的气隙磁密分布。双凸极结构电机的运行是依靠定转子齿之间的作用力，从图4、5可以看出，该电机磁通集中在齿对齿的位置，气隙磁密的分布很不规则，谐波分量很大。图4空载磁场分布图5空载气隙磁密分常规设计的DSPM电机15每个串联线圈与转子相对位置均保持同步，每相磁链的最大值和最小值分别位于定子齿与转子齿中心和槽中心对齐的位置，由于铁心饱和，经过齿中心时磁链的变化幅度比经过槽中心时要小，由此导致了反电势波形的左右不对称及标准通电模式下电流波
21、形的畸变。另一方面，由于与直流槽的相对位置不同，中间一相与两边两相也存在差异，这可以从图6所示的有限元计算结果看出。图6常规设计方法的磁链波形无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计6采用换位设计方法后，虽然该DSPM电机的每一个永磁体下的2个同相线圈反向串联，但是由于与转子齿的相对位置正好相反，匝链的磁通基本呈同方向变化，这使得串联起来的绕组的反电势并没有相互抵消。该DSPM电机的三相空载磁链和半模型中组成A相4个不同位置的线圈A1A4的磁链计算波形如图7所示。需要指出的是，虽然各相绕组的串联线圈由于不同的相对位置在相位上存在微小的相位差，但是正由于各串联
22、线圈与转子的相对位置存在互补，从而严格保证了磁链变化的上下对称。此外，虽然三相绕组的磁链波形呈现双极性特点，但这与定子永磁型电机的另一典型代表磁通切换FLUXSWITCH电机17的双极性有着本质的区别。后者是由于每个定子齿内嵌了一块永磁体，因此当转子转过每一个齿时，匝连到线圈的磁通极性都会反向，而本文所述DSPM电机的每个线圈的磁通始终保持单极性，因此从本质上来说本文提出的新型DSPM电机的磁链仍然属于单极性。图7换位设计磁链波形图8空载反电势波形比较无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计7图8为常规设计的DSPM电机15和采用换位设计的新型DSPM电机的
23、空载反电势波形的比较。2台电机每相串联绕组匝数相同，转速均设定为600R/MIN。可以看到，NR28的DSPM电机由于磁链波形具有很宽的上升和下降的线性变化范围，产生的反电势的平顶部分同样宽广，因此，该DSPM电机非常适合直流无刷运行模式。图9为齿槽转矩的比较。常规DSPM电机的一个齿槽周期为15，采用换位设计后的约为43。由图9可以看出，NR28的新型DSPM电机的齿槽转矩峰值远小于常规设计NR24的DSPM电机。图9齿槽转矩波形比较32自感与互感常规结构DSPM电机理想状态下的自感变化曲线呈三角形，当磁路比较饱和时中间尖顶会出现凹坑，从而呈马鞍形。这是由于随着定转子齿面耦合程度增加造成磁路
24、的饱和，而同一相的各个子线圈与转子相对位置的一致性又加剧了这种变化。本文所设计DSPM电机由于同一相中相邻线圈与转子的相对位置正好相反，因而其自感特性有很大区别。为了分析这种特性，本文采用考虑永磁体作用的电感计算方法17，具体按下式求得式中LAA相自感；LAB为A、B相之间的互感；AA为由永磁体和A相电流共同作用的A相磁链；AB为由永磁体和B相电流共同作用的A相磁链；PM为仅由永磁体作用的A相磁链。图10为线圈A1与A2的自感曲线。随着电流的增加，A1线圈磁路达到饱和而电感逐渐减小。对于A2线圈，由于与A1反向串联，因此其对永磁磁场起无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸
25、极永磁电机的设计8去磁作用，电流增加对其影响很小。另外，从图10也可以看出，电感曲线A1关于中心存在不对称性，并且随饱和程度的增加而愈发明显。这是其正好处在永磁体边缘的非对称位置上而引起的。图10线圈A1和A2自感曲线图11为求解域内通215A电流时串联线圈A1到A4的自感以及A、B之间的互感曲线。可以看出，由于采用集中绕组，与互感相比，自感很小，基本可以忽略，而每相相邻线圈自感变化的互相补偿使得自感曲线随转子位置变化幅度很小。图12为常规DSPM电机新型DSPM电机5A直流电时的自感曲线的比较。可以看出，新型DSPM电机的自感曲线的波动明显小于常规DSPM电机。图11自感A1A4与互感A、B
26、曲线图12自感波形比较无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计933磁阻转矩与电磁转矩DSPM电机的电磁转矩TEM1可表示为5式中L为自感；I为相电流；R为转子位置；TR、TPM分别为磁阻转矩和永磁转矩。从式5可知，只要在永磁磁链增加时通正向电流，减小时通负向电流，DSPM电机就可以在正负半周均得到正向永磁转矩，与开关磁阻电机相比可以成倍提高输出转矩。另一方面，从式5可知，这种双凸极结构电机的磁阻转矩虽然平均值接近于0，但是在正负半周来回震荡，会加剧电机的转矩脉动，而造成磁阻转矩的原因是自感曲线的变化。本文所设计的DSPM电机正是从削弱自感曲线变化的本质上来
27、减小磁阻转矩。式5是DSPM电机静态转矩的解析表达式，实际瞬态时电感与电流均在不断变化，很难用解析方法准确计算。因此，本文的转矩计算采用了时步有限元法，其中磁阻转矩是去除永磁体作用后计算所得的，也就是没有考虑永磁体所引起的饱和作用。另外，计算电磁转矩时采用了标准的直流无刷120导通模式，由电压源驱动。图13给出了2种设计方法的磁阻转矩计算波形。从图中可以看出，采用换位设计方法后的磁阻转矩约为常规方法的035倍。图14为2种设计方法的电磁转矩计算波形。定义转矩脉动系数为波形最大与最小值之差比上平均值，改进后的电磁转矩脉动系数约为02，而常规设计的则达到约11。无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）
28、基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计10图13磁阻转矩波形比较图14电磁转矩波形比较无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计11第四章新型DSPM电机的设计和实验验证41换位设计常规DSPM电机15一般采用集中绕组设计，定子上每个永磁体对应整数倍的相绕组，组成每相绕组的线圈均处于同一电枢槽位置，这就使得中间一相的磁路与两边的磁路存在偏差，造成各相绕组的不对称。为了使各相磁路完全对称必须保证组成每相绕组的线圈能够占据所有不同的电枢槽位置，即各相绕组的线圈应互相交换位置，也就是换位设计概念。首先，要保证各线圈占据不同的位置，每个永磁体就不能对应整数倍的相绕组
29、，因此存在一个关于极槽数的约束条件，具体应满足如下关系式中M为相数，由于两相DSPM不存在相与相磁路不对称的情况，此处M3；NP为永磁体块数；NS、NR分别是定、转子的齿数；为槽距角，取为0360；K1为1M1的整数；K2、K3为任意正整数。式1表征了定子齿数与永磁体之间的匹配关系；式2是关于槽距角的计算。对于双凸极结构电机，每转过一个转子齿即为一个电周期，相邻电枢槽放置不同相的集中绕组，因此槽距角就是相邻相之间的间隔角度，如果是3相，就取60或者120，如果是5相，则取72或者144。表1列出了满足上述约束关系的三相DSPM电机的参数匹配。表1三相DSPM电机的参数设计如果从提高绕组短距因数
30、考虑，应该选择转子齿数为32的120槽距无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计12角，但此时NR，NP的最小公倍数与NR，NS的最小公倍数相同，气隙磁场中的的基波分量及调制分量产生的定位转矩相互叠加，将大大增加齿槽转矩幅值，因此如果从减小转矩脉动出发，60极槽组合有一定优势。为了与一台现有的常规设计的DSPM电机15进行比较，设计方案同样采用外转子结构，充分利用内定子轭部空间放置永磁体。因此，在上述参数中选择定转子齿数分别为24、28。42实验验证为了验证本文的设计方法，根据表1中的参数，制造了一台如图15所示的样机。永磁体采用了铝镍钴ALNICO材质，相
31、邻永磁体之间绕制了直流绕组，因此也可以作为双凸极记忆电机18运行。图15电机实物图图16为实测的样机三相反电势波形，转速为200R/MIN，可以看出各相波形及每相波形的左右部分都比较对称，平顶部分也较为宽广，与计算波形较为吻合，验证了该设计方法的可行性。常规设计的DSPM电机的电流上下半周分别无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计13对应转子齿进入和离开定子齿的啮合面，磁路饱和趋势相反，造成电流波形上下半周不对称，中点电压漂移，带来转矩波动增加，运行效率降低等问题14。采用换位设计后这种不对称得到了有效抑制，图17、18分别为样机开环和滞环状态下的相电流实
32、测波形，可以看出其上下波形较为对称，非常接近于传统永磁直流无刷电机的特性。图17开环相电流实测波形图18滞环相电流实测波形无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计14第五章STM8S单片机原理与应用设计51STM8S903K3单片机特点本系统采用意法半导体（ST）公司的8位单片机STM8S903K3，此单片机的特点有1功耗相对较低，在供电电压VDD5V，工作频率为16MHZ，采用内部RC振荡器，正常工作模式时，内核电流消耗为45MA适用于采用电池供电的场合。当然，在电源消耗要求更高的场合，此单片机不适用，应采用其他低功耗单片机，如MSP430系列。2内部自带
33、RC振荡器，最高振荡频率16MHZ。频率可设置。节约了外围器件。当然，频率稳定度没有外接晶体振荡器高，在频率稳定度要求高的场合需外接晶体振荡器。如串口通信时。3带7通道10位AD转换。满足此系统需求。4带大量外部中断无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计155LINESONPORTAPA628LINESONPORTBPB708LINESONPORTCPC707LINESONPORTDPD60都可以作为外部中断，给设计带来了很大的灵活性。其中PD的中断优先级最高且支持4种中断模式，如1FALLINGEDGEANDLOWLEVEL2RISINGEDGEONLY
34、3FALLINGEDGEONLY4RISINGANDFALLINGEDGE5官网提供BLDC控制器解决方案52STM8S单片机应用设计今以应用最广泛的以STM8为控制中心，350W的整机电路为例,整机电路如图53基于STM8S903K电动车控制器设计在电动机发展过程中，控制器、无刷直流电机、蓄电池一直是制约电动车发展的重要因素。本文通过设计出一款用于控制无位置传感器无刷直流电机的纯电无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计16动车控制器来改善电动车和性能。控制器是电动车电器系统的核心（1）。控制器需要接受电动自行车检测到的各种控制信号（如电机位置检测信号、刹
35、车信号、转把调速信号、报警信号等），然后根据接收到的信号对无刷直流机（BLDCM）的运转进行调控。控制器中重要的系统就是无刷直流机的控制系统（2）。无刷直流机分为有位置检测传感器和无位置检测传感器BLDCM（3）。目前大多数生产电动车的公司使用有位置检测传感器的BDCM，但位置传感器不易安装和维护且增加生产电机成本；同时。霍尔传感器存在一定的磁不敏感区；其次过多的传输线使控制系统易受干扰且可靠性降低；再次，在某些恶劣的环境中，位置传感器很容易失灵造成交通事故。若改为使用无感无刷直流机控制，能降低电机成本，提高控制器的可靠性。文献（4）针对无位置传感器BLDCM，利用软件设计实现电机的启动，确定
36、电机转子的位置及时换相。其选用的芯片STM32价格昂贵，若其作为电动车主控芯片，其许多功能都未能使用到。这不仅仅提高控制器成本也造成了一定的资源浪费。近年来意法半导体发布了针对工业应用和消费电子开发的微控制器STM8S903K3，其是一款超高性价比的8位单片机，具有低价格、很高性能、低功耗的优异性能（5）。本文以低成本、低功耗、可靠性高，适用于无位置传感器直流电动机控制的电动车控制器为研制背景，尝试采用该款芯片作为核心器件设计出一款实用型电动车控制器。如图1所示电动自行车控制器系统主要由逆变电路、功率驱动电路、过电流保护电路、反电动势检测电路、单片机及其外围控制电路组成。图1电动车控制系统结构
37、图无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计17电源电路和逆变电路由48V的蓄电池直接供电，电源电路将蓄电池的48V电压降压为5V、15V,分别供给STM单片机和功率驱动电路。STM8S903K3根据A/D转换端口接收到的转把信号和助力信号，产生三路适当频率的PWM波形传递给功率驱动电路，功率驱动电路将信号进行整形、放大后控制无刷直流电机的运转。对无位置传感器的BLDCM。系统通过硬件获取反电动势零点系统通过硬件获取电动势过零点，软件延时的方法确定电机转子的位置，实现自动捡相换相。电动车行驶过程中STM8S903K3的I/O端口若接收到刹车信号、过电流、欠压信
38、号时会立即停止产生PWM波形，使电机停转。该系统不仅满足了电动车控制器的电池欠压电压保护、过电流保护、自动检测等一系列功能，而且具有结构简单、稳定可靠、体积较小、成本较小等诸多优点。该系统中芯片的选择是保障系统整体性能的关键，本文采用意法半导体公司的STM8S903为核心器件，主要是考虑到该芯片市场价格仅两元左右，比一般8位单片机便宜许多，但功能却很强大。保证了加入少量元器件即可搭建电动车控制器，使控制器体积小，成本低。无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计18第六章自动电行车控制器61自动电行车控制器工作原理简略地讲控制器是由周边器件和主芯片或单片机组成
39、周边器件是一些功能器件,如执行、采样等,它们是电阻、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单片机也称微控制器,是在一块集成片上把存贮器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输入输出端口等集成在一起,而构成的计算机片这就是电动自行车的控制器的设计品质、特性、所采用的微处理器的功能智能控制器它是以“傻瓜”面目出现的高技术产品、功率开关器件电路及周边器件布局等,直接关系到整车的性能和运行状态,也影响控制器本身性能和效率不同品质的控制器,用在同一辆车上,配用同一组相
40、同充放电状态的电池,有时也会在续驶能力上显示出较大差别目前,电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近,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、开关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别元器件和电路上的差异,构成了控制器性能上的不大相同控制器从结构上分两种,我们把它称为分离式和整合式。1、分离式所谓分离,是指控制器主体和显示部分分离后者安装在车把上,控制器主体则隐藏在车体包厢或电动箱内,不露在外面这种方式使控制器与电源、机间连线距离缩短车体外观显得简洁。2、一体式控制部分与显示部分合为一体,装在一个精致的专用塑料盒子里盒子安装在车把的正中,盒子的面
41、板上开有数量不等的小孔,孔径45MM,外敷透明防水膜孔内相应位置设有发光二极管以指示车速、电源和电池剩余电量控制器的保护功能是对控制器中换相功率管、电源免过放电,以及电动机在运行中,因某种故障或误操作而导致的可能引起的损伤等故障出现时,电路根据反馈信号采取的保护措施电动自行车基本的保护功能和扩展功能如下1、制动断电电动自行车车把上两个钳形制动手把均安装有接点开关当制动时,开关被推押闭合或被断开,而改变了原来的开关状态这个变化形成信号传送到控无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计19制电路中,电路根据预设程序发出指令,立即切断基极驱动电流,使功率截止,停止供
42、电因而,既保护了功率管本身,又保护了电动机,也防止了电源的浪费。2、欠压保护这里指的是电源的电压当放电最后阶段,在负载状态下,电源电压已经接近“放电终止电压”,控制器面板或仪表显示盘即显示电量不足,引起骑行者的注意,计划自己的行程当电源电压已经达到放终时,电压取样电阻将分流信息馈入比较器,保护电路即按预先设定的程序发出指令,切断电流以保护电子器件和电源。3、过流保护电流超限对电机和电路一系列元器件都可能造成损伤,甚至烧毁,这是绝对应当避免的控制电路中,必须具备这种过电流的保护功能,在过流时经过一定的延时即切断电流。4、过载保护过载保护和过电流保护是相同的,载重超限必然引起电流超限电动自行车说明
43、书上都特别注明载重能力,但有的骑行者或未注意这一点,或抱着试一下的心理故意超载如果没有这种保护功能,不一定在哪个环节上引起损伤,但首当其冲的就是开关功率管,只要无刷控制器功率管烧毁一只,变成两相供电后电动机运转即变得无力,骑行者立即可以感觉到脉动异常若继续骑行,接着就烧毁第2个、第3个功率管有两相功率管不工作,电动机即停止运行,有刷电机则失去控制功能因此,由过载引起的过电流是很危险的但只要有过电流保护,载重超限后电路自动切断电源,因超载而引起的一系列后果都可以避免5、欠速保护仍然属于过流保护范畴,是为不具备0速起步功能的无刷控制系统而设置。6、限速保护是助力型电动自行车独有的设计控制程序车速超
44、过某一预定值时,电路停止供电不予助力对电动型电动自行车而言,统一规定车速为20KM/H,车用电动机在设计时,额定转速就已经设定好了,控制电路也已经设好电动自行车只能在不超过这个速度状态下运行控制器的位置不会影响到性能,主要视设计者的意图但有几项原则1在运行操作允许时2在整体布置允许时3在线路布设要求时4在配套设施要求时。62电动车控制器的辅助功能无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计201助力是指在没有旋转调速车把，电动车电池打开时，电动车会根据骑行者的骑行速度提供11助力。2电子刹车就是指在刹车时能做到让电机的驱动MOS管上臂（或者下臂）全部导通而下臂（
45、或者上臂）截止，电机三相接线全部短接，能使电机产生阻力，达到刹车的效果。3自动巡航是指把调速车把转到所需的角度，电动自行车达到相应车速后，在5S时间可变内调速车把不转动，则电动自行车就保持在这个速度行驶，这时骑行者可以松开调速车把，免去手一直拧着调速车把之累。自动巡航后只有松开调速车把，并重新旋转调速车把，才可以再次调节电动自行车的行驶速度4堵转断流是指电动自行车超载时，或是在爬坡时电流过大或者是阻力过大时,导致电机停止转动，系统能检测到这种现象，停止对电机的输出，起到保护作用。发生堵转断流后，只要满足倒转，复位调速车把或电源关闭后再重新打开，三个条件中的一个，系统会重新检测是否有堵转，如果恢
46、复正常，系统会重新正常工作。5智能过流保护一是指在高速时平坦的道路上，最大电流不可以超过15A；二是速度很低时，尤其是在爬坡时电流不可以超过23A，过流保护的参考极限电流跟当前车速有关。6智能欠压保护当蓄电池电压降至额定值的90，36V电池降为315V时，电池自动停止供电，从而防止蓄电池放电过深，受到损害。系统会自动检测电池是否欠压，欠压会停止继续工作。在电池欠压停止工作时，会出现电池电压短时间回升，虽然超过欠压的电压值，但系统应不工作，只有当电池电压稳定到额7休眠省电当系统在通电状态下，无任何操作，5分钟后会进入到休眠模式，人为转动车轮便可以唤醒系统，继续正常工作。无锡科技职业职业学院毕业设
47、计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计21第七章电动自行车工作原理71结构与系统原理电动自行车是具有电力驱动、脚踏驱动、电力和脚踏并用等功效的绿色环保交通工具。电动自行车的原理和结构都不复杂，可以认为是在自的加一套电机驱动机构组成见图。蓄电池经过一个控制器给一个电机送电，电机放在后车轮中，电机的旋转带动自行车的行进。电动自行车的控制器连接一个调速手柄，在脚踏中轴上装有助力传感器，转动调速手柄可以让控制器检测到不同的电压值，控制器根据电压值大小，模拟调节输送给电机电压的高低，从而控制了电机的转速。电动自行车控制方框图72控制器电气规格无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车
48、用新型双凸极永磁电机的设计22型式直流无刷额定功率240W额定电压36V额定转速210R/MIN额定扭矩85NM欠压保护31505V过流保护151A73无刷直流电机控制器的图74电动车控制器各部分线路和工作原理无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计23无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计24致谢大学三年的时间大多在学习理论基础知识，实践并不是太多。经过这次毕业设计，我接触到了更多元器件以及相关的使用调试经验，从中发现了自己很多不足之处，并体会到了所学理论知识的重要性。理论知识结合实践操作加深了对理论知识的理解，而知识
49、掌握得越多，设计的会更好，更全面。在设计过程中，通过针对性的查找资料，了解了一些电子机械方面的材料，既增长了自己的见识，补充了最新的专业知识，又提高了自己的应用能力。在毕业论文的完成过程中，我首先要感谢我的母校无锡科技职业学院，是她为我们提供了学习知识的土壤，是我们在这里茁壮成长。其次要感谢学院里的老师们，他们在平时不仅教会我们专业方面的知识，而且教会我们做人做事的道理，尤其要感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的指导教师老师。在论文的写作过程中，我的导师老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲到一遍又一遍地指出论文中具体问题，严格把关，循循善诱。在此我向他表示诚挚的谢意。此外，我还要感谢在毕业论文写作时给与我帮助的各位同学。正因为有了他们，我才能克服各种困难，顺利完成毕业设计和论文。正是有了他们，我才能在各方面取得显著的进步，在这里向他们表示我由衷的谢意最后，再次向各位领导、各位老师致以崇高的敬意和最衷心的感谢无锡科技职业职业学院毕业设计（论文）基于电动自行车用新型双凸极永磁电机的设计25参考文献1潘永雄STM8S系列单片机原理与应用M西安西安电子科技大学出版社，20112天津自行车行业生产力促进中心专家库成员电动自行车实用技术M北京人民邮电出版社，20083龚宇，崔巍，章跃进，江建中，刘春华
