有刷直流电机驱动的电动自行车运行特性及系统优化探导研究.pdf

有刷直流电机驱动的电动白行车运行特性及系统优化探导 有刷直流电机驱动的电动自行车运行特性及系统优化探导 覃江华张新柱 厦门特贸金轮电动自行车有限公司 攮要；本文分析了采用P、^强t控制调速的有刷直流电机驱动的电动自行车的稳态运行特性， 提出了基于效率优化的机电系统整合方法及高效节能的设计探导。 1 前言； 随着电力电子技术及相关材料科学、制造工艺的发展，功率开关器件水平也不断地得到 提高，使脉宽调制(PwM)技术在电机控制领域得到越来越广泛的应用。特别是在中小功 率直流电机的无级调速方面，PwM以其简单、经济、高效倍受青睐，如在近几年兴起的电 动自行车，其有刷直流驱动电机均采用PwM控制。 在伺服控制领域，系统的设计往往着重于位移、速度等控制量的精确控制而忽视系统的 效率；而在驱动领域。特别是能源有限的驱动系统，效率则成了系统的重要指标，电动自行 车便是这样的一个系统。下面将通过对电动自行车的稳态运行特性的分析，提出以效率优化 为目标的系统整合方法及基于高效节能的变结构系统设计方案。 2 有刷直漉电机驱动的电动自行车的稳态运行特性 2．1系统模型的建立 为了便于分析，这里的系统模型为理想模型。驱动系统的模型如图1所示。图中： (，——屯源电压，为恒定值 ‰———电枢电压 十 屯l+也IJ_I 恐——屯枢电阻，为恒定值 2 L——龟枢电感，为恒定值 巧琴‰ l{岛l8 f——_反电动势，看作受控电压源 铎骝乏-一c，L意U即” 厩——屯机杂散损耗等效电阻，为恒定值 n——功率开关管，为理想开关 一巧I 玢——续流二极管，为理想二极管 f，、如——电源输出电流，电机输入电流 n——车轮转速。则电压平衡方程为： 图1驱动系统模型 ‰=凡b+厶訾+勋 ……(1) 通过受力分析，褥出在平路状态下整车的运动方程： 焉如了一c驸’窨，誓 …吨， 式中：．厂_—讲加阻力及系统损耗阻力总和；蜀——屯机转矩常数；，——车轮半径；而’ =山z，30为两轮的视在惯量(山为两轮惯量)；m——整车及骑行者的质量和 式(1)、(2)组成了系统的理想数学模型。(如果考虑上、下坡，需在式(2)左边加上 一重力分量mgsill口，上坡取口0，下坡取口0；如考虑离合器脱开的情况，刚式(2)需 重新分析建立，这里暂不考虑这些因数。) 2．2稳毒运行特性 稳态运行时，整车的阻力不变，在一个嗍开关周期r内，初速度和末态速度相等， 这时动量变化为零，于是有： 心me卅护。 r ， 霹；MF：。{，m商lT 上式为稳态运行转矩条件，可描述为；平均电磁转矩等于阻力转矩。 又：％=局如 Kt 氍以MFlfKt0Irl0 有刷直流电机驱动的电动自行车运行特性及系统优化探导 厶、厶、厶分别为电源、电机及续流二极管的平均电流，由巧的单向特性知厶≤0，也即 厶≥乃·可见PwM控制下，较小的电源电流能提供较大的转矩。但这只是表象，不能以此 说明“好”、“坏”。 由稳态条件及数学模委!可得稳态机械特性： Ⅳ：旦一些丝 …．．(≈1 … 一丘丘臣 Ⅳ、矾、^磊分别为周期r内的平均转速、平均电机电枢电压及平均电磁转矩。当以为常数 时，Ⅳ．—一磊的关系是线性的，在占空比为a的PwM信号控制下分析以： 若在巧关断时间内，厶的自感电势总大于电机反电动势，则玛中的电流k在该时间段 总是小于零，电机端电压将被虼箝位于零，而如在r内总是连续。这时 以=口U a为常数时以