無刷電機控制器的發展方向標準化問題

www.gzyongxun.cn 來源：寧波北斗科技有限公司　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2004-5-10

寧波北斗科技有限公司控制器總工程師——薛德賢電動助動車無刷電機控制器是電動車無刷電機系統中相對復雜和相對容易出故障且又是一個十分重要的部分。無刷電機系統由無刷電機、控制器、相應的車身車架三大部分組成，忽視了其中的任一部分，都會影響系統的性能發揮。電動助動車無刷電機控制器的發展方向，主要歸結為標準化、結構化模塊化、高安全高可靠、簡單化與低成本、智能化與多功能等五個方面，在不同的應用中體現出不同的側重。在從事電動助動車行業無刷電機及控制器推廣工作的過程中，我們接觸到了這樣一個有趣的現象：很多大力提倡電動車無刷電機系統的專家學者，很多長期從事電動自行車生產的企業主管，他們中的大部分沒有明確的無刷電機系統的相對一致的標準，這對電動自行車無刷電機系統的發展和推廣相當不利。究其原因，可能有以下幾個方面：自身需求不明確或不急迫；產品不成熟、故障概率較高，系統相對脆弱；系統安裝相對復雜，聯接件沒有明確規范；系統功能沒有層次概念，必須功能和輔助功能混為一談；購置過程復雜，無法象家電一樣隨意購買或更換，不同的車型，不同廠家的產品不能相互兼容；價格偏貴。出現這一現象，顯示了巨大市場(Rialto)前景面前行業基礎工作的不成熟：標準化工作滯后，行業割踞嚴重。另外，無刷電機系統產品鏈中的社會化服務滯后，也是造成目前狀況的一個重要原因。標準化——行業發展的必由之路目前，中國境內的無刷電機系統產品很多，據估計有數百個品種，小至三、五個人的小公司，大至幾千人的國企，都有人涉足無刷電機系統產品的研發、生產。于是，中國就產生了幾百個互不兼容的標準，至今還沒有一個能夠占領國內市場(Rialto)20%的無刷電機系統系統產品。隨著市場(Rialto)競爭的加劇，大部分中小企業會被迫退出這個市場(Rialto)，但他們已推銷在各地的的產品將變成“孤兒”，受害者當然是用戶。這將是一種十分可怕的情景。由此可見，推進標準化進程是電動自行車行業的必由之路，也是當務之急。（1）模式分析及性能定位　　我們所碰到的難題是，服務對象多是一些有自主權的個體，無法實現統一的模式（城市、鄉村、山區等），因此，如何在個性生活中提煉出共性模式將是一大難點。不分析人們的生活模式，就制造不出有價值的實用的無刷電機系統。根據對有刷大量電機和山區、鄉村，城市等道路(Strada)和客戶生活模式，期望要求，購買能力和性價比分析，參照有關國際國內標準,在大量實驗數據的支持下，我們建立了相對完善的抽象系統模型，在此基礎上，對電機的啟動力和啟動轉矩、限流值與啟動力、啟動轉矩與啟動力、平均電流與峰值電流等核心指標進行了認真的研究分析，作為我廠產品的理論依據。電機的啟動力和啟動轉矩啟動力是指在零速啟動時能夠加載的最大阻力，當超過這一阻力時，電機便不能啟動，相應的電機所產生的轉矩為啟動轉矩。本廠出品的電機與控制器的匹配啟動力應不小于100N(牛頓),即F0(pldc36)>=100N 本廠生產的電機支持時速定標為20km/h、23km/h、26km/h、28km/h四種，支持的輪徑定標為16、18、20、22(英寸)四種。限流值與啟動力電機與控制器匹配后，啟動力與輪徑無關，即不管多種輪徑，應確保相同的啟動力。啟動功率與車速成正比，與輪徑的大小無關。 Po0=F0(pldc36)×V Pi0=I0×E Po0=Pi0×η F0(pldc36)×V= I0×E×η I0=( F0(pldc36)×V)/(E×η) 式中：Po0為輸出啟動功率，F0(pldc36)為啟動力，V為車速，Pi0為輸入啟動功率，I0為啟動電流（電機線圈中的電流），E為供電電壓，η為系統效率。上式表明，當F0(pldc36) 、E、η一定時，I0與V成正比與電機的效率成反比。即在同樣的電流下，電機效率越高，其輸出功率越大，其啟動力也越大。令Kiv0= F0(pldc36) /(E×η), 則 I0= Kiv0×V 根據電機的曲線，可得23km/h的電機，其作功動力為60N時，所需的I0=12A 當達到啟動力為100N時，其所需電流為I0M=12×100/60=20A Kiv0=I0M/V=20/23=0.86(AH/km)----(安時/公里) 因此啟動電流（限流）I0為 I0=0.86×V…………………….式1.1 啟動轉矩與啟動力由于不同的車速具有相同的啟動力，即啟動力與車速無關，因此，啟動轉矩與車速也無關。啟動力與輪徑成正比，即 M0=F0(pldc36)×r……………………….式1.2 M0= 0.0127×F0(pldc36)×D 式中：M0為啟動轉矩(Nm0)，F0(pldc36)為啟動力(N)，r為車輪半徑(米),D為車輪直徑(英寸) 當F0(pldc36)=100N時 M0= 1.27×D 平均電流與峰值電流驅動的平均電流與峰值電流之比kI定義為驅動電流的矩形糸數，當電機處在非限流狀態時，這一數值越接近于1，說明電機負載的電流特定越理想，電機的轉矩波動越小，對驅動功率管的要求最低。一般情況下很難做到1，大部分在0.6≈0.9之間。當電機處于限流態運行時，特別是堵轉時，驅動功率管處于高頻斷通狀態。此時，驅動的平均電流與峰值電流之比kI等于驅動電壓的占空比。即： Iid=KI×I0M 堵轉時電機的輸入功率Pid為 Pid=E×Iid=E×KI×I0M 電機的消耗功率P0d約為 P0d=I0M×I0M×Rd 式中，KI為驅動的平均電流與峰值電流之比；I0M為峰值電流，堵轉時等于限流值；Iid為堵轉時輸入的平均電流；Rd為堵轉時的電機等效電阻。根據能量守恒定律，有輸入功率應等于電機的消耗功率，即 Pid=P0d E×KI×I0M=I0M×I0M×Rd E×KI = I0M×Rd KI= I0M×Rd/E 當電源電壓一定時，在相同啟動力（I0M相同），堵轉時的電機等效電阻Rd越小，KI也越小，堵轉輸入的平均電流越小，消耗的電源功率越小，也越省電；在相同的堵轉輸入的平均電流下，即KI相同，堵轉時的電機等效電阻Rd越小，允許的I0M越大，電機的啟動力也越大。為此，堵轉時的電機等效電阻Rd是衡量電機啟動性能的十分重要指標。（2）產品的統一功能平臺和接口　　多種產品充斥在市場(Rialto)上，如果沒有通一的功能平臺和標準的接口是很難想象的。在統一的功能平臺和接口的條件下，去發展個性化產品，正是我們追求的目標。標準化的工作有兩個方面：其一，我們將無刷電機系統看作是一種產品，但與普通單體電器的標準概念不同；第二，我們追求的是它們的外部特征，而不是全部制造標準。這樣，我們將在尊重原不同行業標準成為事實的基礎上發展無刷電機系統標準。根據我公司對國內市場(Rialto)的調查研究，在建立的相對完善的抽象系統模型的此基礎上，按照必須功能和輔助功能分層次產品實現的原則，我們確定了無刷電機控制器的基本功能定位。　　主要功能 ● 軟啟動功能：電機從零速經3秒鐘左右達到額定轉速 ● 啟動/停止功能 ● 轉速調節功能 ● 恒轉矩功能 ● 輕過載軟保護功能：驅動器在電機額定負載、轉速下運行，當電機出現1.5-2倍額定負載的輕過載時，驅動器，進入軟保護運行狀態，此時驅動器根據驅動電流的大小，自動調節控制電壓，以達到最佳轉矩和驅動電流的匹配，防止驅動器過載損壞。 ● 重過載保護和保護狀態自復位功能：驅動器在電機額定負載、轉速下運行，當電機驅動電流大于極限值的重過載時，驅動器直接進入保護狀態，并間歇性檢測電機驅動電流，當電機驅動電流回到正常工作值后，自動進入正常運行狀態。 ● 測速驅動功能精確的測速能夠給用戶提供車速指示，測速驅動器能夠驅動大于500歐姆的多種速度(Tempo)表。 ● 26km/小時、20km/小時限速功能 ● 過電壓、欠電壓保護功能 ● 過熱保護功能使用環境 ● 使用溫度： -25℃-60℃ ● 使用濕度： 40%-80% ● 保存溫度： -20℃-+65℃ ● 使用場合：盡量避免粉塵,油霧及腐蝕性氣體 ● 冷卻方式：自然冷卻助動車控制器接口控制器與車輛結束語電動車無刷電機系統標準化問題是一個十分重要和十分艱巨的工作，我們所做的工作也剛剛開始，許多的問題也都在研究中。我們希望行業的領導們及管理部門、；希望包括無刷電機、控制器、車身車架及儀表盤等研發生產的同仁們、希望市場(Rialto)開拓、維修維護服務的同仁們，共同攜起手來，建立和不斷完善我們的產品標準，推動無刷電機系統的發展和應用推廣，開創我們事業的新的輝煌。