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--电力拖动自动控制系统课设报告课设题目：电动自行车调速控制电路的设计小组成员：--目录摘要一、概述二、电动车电机的调速及电路设计（一）永磁无刷直流电机结构及基本工作原理（二）永磁无刷直流电机调速系统设计（三）驱动设计（四）无刷直流电机接线图--摘要电动车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，因而具有广阔的发展前景。随着永磁材料和功率电子元器件的不断进步,永磁无刷直流电动机得到了快速的发展,它们被广泛地用于变速驱动、伺服驱动、兵器、航空、航天和工业自动化等各个领域。因此,合理正确地设计永磁无刷直流电动机是一个越来越重要的课题。从本期起分期介绍无刷直流电动机的设计,主要有:无刷直流电动机的结构和工作原理,以及连接方式;分数槽绕组;磁路计算;电路系统的计算等内容。关键字：电动车、无刷直流电机、双闭环直流调速系统、控制器系统。一、概述人类与环境共存和全球经济的可持续发展使人们迫切希望寻求到一种既能代替人力又低排放和有效利用资源的交通工具，电动车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，因此使用电动车无疑是一种很有希望的方案。现代电动车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。电动车的电机驱动系统一般由4个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。目前电动车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。二、系统要求2.1电动车对电动机的基本要求电动车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的。主要有如下几大方面：1电动车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为(3～4)，加速性能好，使用寿命长的特点。2电动车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩--区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。3电动车用电动机应能够在车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机的摩托车上是不能实现的。4电动车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。另外还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。2.2鉴于电动车对电动机的基本要求采用永磁无刷直流电动机。2.2.1永磁无刷直流电动机的基本性能。永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动车中有着很好的应用前景。2.2.2永磁无刷直流电动机的控制系统。典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。2.2.3永磁无刷直流电动机的不足。永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的--驱动系统造价很高。三、电动车电机的调速控制系统及制动设计3.1无刷直流电机硬件设计逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。如下电压逆变电路：电压型逆变电路的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(3)阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管如下电流型逆变电路：直流电源为电流源的逆变电路——电流型逆变电路。一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源。--电流逆变电路电流型逆变电路主要特点：(1)直流侧串大电感，相当于电流源。(2)交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流功率开关电源电路域逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一--3.2无刷直流电机调速系统设计3.21调速系统的设计原理霍耳转把输出电压的大小，取决于霍耳元件周围的磁场强度。转动转把，改变了霍耳元件周围的磁场强度，也就改变了霍耳转把的输出电压。然后把这个电压输入控制器，控制器再根据这个信号的大小进行PWM脉宽调制。从而控制功率管的导通关闭的比例以控制电机转速的大小。开环调速系统不能满足较高的性能指标要求。根据自动控制原理，为了克服开环系统的缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统。在闭环系统中，把系统的输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统具有提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中3.22单闭环调速系统(1)单闭环原理图图9闭环系统方框图(2)单闭环调速系统的抗干扰分析通过这一环节可以抑制转速的下降，虽然不能做到完全阻止转速下降，但比开环转速的程度会大大降低，从而保证转速的相对稳定性(3)单闭环调速系统的静特性静特性方程：--电机转速与负载电流之间的关系称之为闭环调速系统的静特性对于有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差，或根本达不到稳态，也就谈不上是否满足稳态要求。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且有足够的稳定裕量。但是采用PI调节器之后的系统稳态性能是否满足当时并未提及。通过下面的讨论我们将看到，将比例调节器换成比例积分调节器之后，不仅改善了动态性能，而且还能从根本上消除静差，实现无静差调速。323.双闭环直流调速(1)双闭换调速系统原理图图10双闭换调速系统原理图(2)静态结构图图11静态结构图①两个调节器，一环嵌套一环；速度环是外环，电流环是内环②两个PI调节器均设置有限幅；一旦PI调节器限幅（即饱和），其输出量为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和；即饱--和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开。而输出未达限幅时，调节器才起调节作用，使输入偏差电压在调节过程中趋于零，而在稳态时为零③电流检测采用三相交流电流互感器④电流、转速均实现无静差。由于转速与电流调节器采用PI调节器，所以系统处于稳态时，转速和电流均为无静差。转速调节器ASR输入无偏差，实现转速无静差(3)双闭调速系统的抗干扰性图12动态结构图(4)抗负载扰动作用由双闭环调速系统抗负载扰动作用的动态结构图可以看出，负载扰动作用在电流环之外，转速环之内，所以双闭环调速系统在抗负载扰动方面和单闭环调速系统只能依靠转速环来进行抗扰调节。（5）抗电网电压扰动--图13动态结构图由动态结构图知：电网电压扰动在电流环之内，电压扰动尚未影响到转速前就已经为电流环所抑制。因而双闭环系统中电网电压扰动引起的动态速降（升）比单闭环小得多。3.24.双闭环调速系统优点：①具有良好的静特性(接近理想的“挖土机特性”)。②具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快)，超调量也较小。③系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差④由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环)，调整方便。闭环系统静特性比开环系统机械特性的硬度大大提高。在相同负载下两者的转速降落分别为--它们的关系是显然，当开环放大系数K很大时，要比小得多，即闭环系统的特性要硬得多。当理想空载转速相同，即时，闭环系统的静差率要小得多。闭环系统的静差率为开环系统的静差率为:由于，而相同负载下，所以Scl和Sop之间的关系为（3）当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高。假如电动机的最高转速相同，对静差率的要求也相同，那么，根据式（8.8），当开环时闭环时再考虑到式，得（4）当给定电压相同时，闭环系统的理想空载转速为--开环系统的理想空载转速为两者的关系为闭环系统的理想空载转速大大降低。如果要维持系统的运行速度不变，使，闭环系统所需要的要为开环系统的（1+K）倍。因此，如果开环和闭环系统使用同样水平的的给定电压，又要使运行速度基本相同，闭环系统必须设置放大器。因为在闭环系统中，由于引入了转速反馈电压Un，偏差电压必须经放大器放大后才能产生足够的控制电压Ucl。开环系统中，和Ucl属于同一数量级的电压，可以不必设置放大器。而且，上面提到闭环调速系统的三项优点，都是K越大越好，也必须设置放大器。（三)驱动系统及电路的设计脉宽调速（PULSEWIDEMODULATION—PWM）较常用的一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用PWM方式控制直流电机。永磁式直流电机脉宽调速原理：永磁式直流电动机电机转速由电枢电压UD决定，电枢电压UD越高电机转速越快，电枢电压UD降为0V，电机就就停转。直流电机的具体调速过程是：先让它启动一段时间，然后切断电源，电动机因惯性而降速转动。在转速降到一定限度时使电动机再次接通，电动机因此而再次加速，不断的给电枢两端送入脉动电压源（即脉动信号）就可以使电动机的转速控制在指定的范围内。--图脉冲信号图Vmax为电动机的最大转速值，Vmin为电动机的最小转速值，VD为二者的平均值。VD=D*max式中D=t/Tc称为占空比，D越大VD就越大反之亦然。平均转速和电枢上的脉冲占空比D之间关系如图3.6所示：由图可知，平均转速与占空比并非完全的线性关系，但可以近似的看成是线性关系。因此，电动机的平均转速VD就可以有占空比D加以控制。图3.6VD/D关系图PWM调速分为双向式和单向式两种：双向式：在一个脉冲周期内（T=Ta+Tb）,T1和T3导通时间为Ta,T2和T4导通时间为Tb，这样在Ta这段时间内，电机通过的是正向电流，在Tb这段时间内为反相电流。当Ta=Tb时电机停转，TaTb电机正转，TaTb电机反转。单向式：单向式的电路和双向式相同，同的是在电机正转时，Tb这段时间内不通过反相电流；电机反转时，Ta内不通过正向电流。其调速原理基本与双向相同，单向式与双向式相比，三极管的开关频率少一半，比较不容易发生上下三极管导通而造成电源短路的情况，故可靠性有所提高，但控制性