电动自行车的电系统讲义.doc

第一章 电动自行车的电系统 电动自行车是在自行车的基础上发展而来的，它保留了自行车原有的人力驱动系统，增加了由电池供电、直流电机驱动的电系统。电动自行车的电系统可用下面的框图表示： 图 1-1 电动车电系统框图 通常把电机、控制器、电池和充电器称为电动自行车的四大件。以下对电系统中的各个部分做一概要的介绍。 调速转把 调速转把实际上是个可调节的电压输出器，它由控制器供电，再输出一个电压给控制器作为控制电机转速的信号。手把在初始位置时，有一个最低输出电压(约1V)，控制器禁止输出。随转动角度的增加，输出电压也增加，到了某一值后(1.5V左右)，控制器就指挥电机启动和调速了。 能做可调电压输出器的器件或装置很多，比如可变电阻等。但可变电阻是接触式的，有磨损快或耗能大的缺点；而其它装置或是过于复杂，或不易做成转把式结构。因此用的最多的是线性霍耳集成电路，它是利用霍耳效应做成的器件。霍耳效应可用图1-2来说明： 一块长方形半导体材料，沿长度L方向流过电流IH，垂直放入磁场B中，运动的电荷受到磁力作用，会在材料的两侧边堆积，形成电压E，叫霍耳电压。电流IH越大，或是磁感应强度越大，霍耳电压E越大。实际上，E只有微伏或毫伏级，要放大以后才能使用。将半导体材料与放大器集成在一起，就构成了霍耳集成器件，简称霍耳。 图1-2 霍耳效应原理图 图1-3是它的外型和内部电路框图。 图1-3霍耳集成元件外观和内部电路框图 转动调速转把的过程，就是将磁钢移向霍耳的过程，其内部半导体材料上产生的霍耳电压经放大器放大后输出为U0。磁钢靠霍耳越近，霍耳电压越高，放大器输出电压也越大（线性放大器），直至达到饱和状态（U0不再增加）。调速转把的内部结构如图1-3。顺便指出，磁钢移向霍耳的时候，磁极极性要符合规定，否则元件不能工作。 图中，1为小磁柱，2为霍耳器件，3为手柄芯，4为手柄转套。 图1-4调速转把 U0的最大值与磁柱的磁感应强度和供电电压有关。常用调速转把在5伏供电时, U0的范围在1.1 -4.2伏之间。设计控制器时，此电压范围十分重要，因为控制器只利用其中的一部分，例如1.5-3.6V，并在设计时就已确定了。这样，无论是更换转把或控制器，都可能造成不匹配。常见现象是，转把转过较大角度电机才启动，或是转把在后段无效调节的范围过大。出现此类现象时要告之控制器厂或调速转把厂解决。 二、刹（闸）把 刹把的作用相当于一个开关，可用机械开关，也可用电子开关。一般的，不捏合刹把时，开关是断开状态；反之，开关闭合。电子开关使用一种开关型霍耳元件，其内部放大器是比较放大器而不是线性放大器，输出只有两种状态，或是0状态，或高电平状态。即：捏合刹把，开关连通；反之，输出端呈高电阻状态，相当于开关断开。控制器根据开关状态决定是否禁止电机的输出。 三、控制器 控制器最主要的功能是，接收调速转把的输出电压，对电机进行无级调速。除此之外，控制器的基本功能还包括欠压保护和限流保护。由于电机种类不同，控制器可分为有刷控制器和无刷控制器两大类。 几年前，控制器的控制电路多用硬件电路做成，而现在，单片机（又称MCU）则获得了更广泛的运用。这是因为：1、可以根据需要对单片机编程，经济、方便地实现多种功能或调整参数；2、有利于防止产品被抄袭；3、单片机的性价比很适当。在单片机使用的基础上，如今的控制器增加了许多功能，比如，电机堵转保护，功能自检，能耗制动刹车、提供车速显示输出，等等。 控制器功率电路中的功率管主要用在大电流的开关状态，是控制器中负担最重，损坏率最高的器件，价格占总成本比率也很高。现在使用的功率管是一种电压控制型器件，叫金属氧化物场效应管，简称MOS管。它的工作频率高，驱动能耗低，导通后管压降很小，能并联使用，是20年前左右由国外公司研发出来的，我们现在也只能进口。如果没有这种器件，我们今天的控制器体积将增大不少，可靠性会下降很多，甚至做不出满足需要的控制器。除选用质量高的管子外，根据工作电压和电机功率选用适当规格的管子也十分重要，必要时，可以并联使用，以增大输出电流。 有刷控制器只有一路功率开关，一个功率管，而无刷控制器有三路开关，每一路都有两个开关管。它比有刷控制器多了位置传感器的译码和换向功能，也多了两路驱动电路和升压电路。所以无刷控制器线路复杂，元器件多，价格一般为同功率等级有刷控制器的三倍左右。 控制器应具有较好的结构设计，能防水、散热快，以及便于安装和拆卸等。 选用控制器一般要注意以下几点： 应将