了得網工業技術_電動汽車第3輯

編輯推薦

本科、高職高專院校的電機、電子、汽車相關專業，電動車行業，創客、創新比賽的參考用書

內容簡介

《電動汽車第3輯》是《電動汽車》技術專輯的第3輯，主題是EV電機控制編程，主要內容包括：電機的工作原理、無刷電機的逆變器驅動電路、電機控制原理與PWM編程、無傳感器矢量控制、電子負載的原理與應用等，還介紹了往屆節能EV比賽的技術訣竅與參賽經驗。

目錄
專題EV電機控制編程
有刷電機與無刷電機的轉動原理一樣嗎？ 001
——從感覺上理解電機的工作原理
無刷電機的逆變器驅動電路 015
——電源電流與相電流及其測量
電機控制原理與PWM編程 021
——讓EV卡丁車跑起來！
引入矢量控制提高電機效率 038
——RX62T評估繫統+無刷電機
無傳感器矢量控制的實現 055
——電流誤差估算法
RX/V850集成開發環境“CS＋” 066
——高效地開發電機控制程序
技術評論
電子負載的原理與應用 073
——電源及電池的必要評測
節能EV比賽取勝之道 089
——獲獎賽車的技術分解
連載講座
材料的特性 104
——進行EV設計前必須知道的那些事兒
特記EV制作挑戰
使用電機設計軟件，更改減速比，行駛距離比上屆長了20%！ 115
——2015年“CQEV卡丁車袖浦賽”冠軍感言
秋田自制EV比賽“WEM”綜述 123

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專題 EV電機控制編程
有刷電機與無刷電機的轉動原理一樣嗎？
——從感覺上理解電機的工作原理
〔日〕籐澤幸穂執筆|羅力銘譯
在《電動汽車第1輯》中，我們主要探討了直流無刷電機的特性是由什麼決定的。在本輯中，我們將講解電機的控制編程。為此，我們先簡要回顧電機的結構和轉動原理。先看直流有刷電機，它的轉動原理相對簡單一點。
（編者按）
直流有刷電機（以下簡稱有刷電機）從構造上可分為定子（靜止部分）和轉子（旋轉部分）兩部分。定子上有3相線圈（數量是3的倍數）。轉子上有永磁體（數量是2的倍數）。對定子3相線圈換流—改變每相的電流方向，也就是輸入交流電，就能讓轉子轉動。
在無刷電機中，直流電經逆變器調制後產生線圈所需的交流電。為了隨時產生*合適的波形，逆變器中配備了可以進行高速運算的微處理器。可以說，無刷電機控制的關鍵在於通過正確的運算和編程，隨時產生*合適的波形。
因此，本輯的主題為無刷電機控制編程。
直流電機是如何轉動的？
在考察無刷電機的轉動原理之前，先來看看我們比較熟悉的有刷電機。
無刷電機和有刷電機的主體結構幾乎是一樣的，都由旋轉的轉子和靜止的定子、永磁體（磁鐵）和電磁鐵（線圈）組成。
但是，兩者的區別很明顯。
有刷電機：轉子電磁鐵；定子永磁體。
無刷電機：轉子永磁體；定子電磁鐵。
有刷電機的轉動原理
接下來，我們來看看電機的轉動原理。對此熟悉的讀者可以跳過這段內容。如果對電機的轉動原理理解得不夠透徹，那麼編程就無從談起。這是關於動能、電能、磁能之間的轉換的話題。聽起來簡單，但是理解起來卻有點麻煩。我們先從感覺上理解，然後逐步深入探究。
右手螺旋定則、洛倫茲力和左手定則
我們所熟知的四驅玩具車等模型上使用的有刷電機，接通干電池等直流電源便會立即轉動。接下來，我們通過幾個物理定則對它的轉動進行說明（圖1）。
（1）右手螺旋定則
圖1（a）表示的是通過銅線等導體的電流和電流激發磁場（磁感線）之間的關繫的定則。磁感線表示磁感應強度和方向。垂直穿過磁場單位面積的磁感線數量（磁通量），與磁感應強度成正比。
（2）洛倫茲力
在磁場（磁感線）中，放入通電導體，導體上產生的力，被稱為洛倫茲力（電磁力），如圖1（b）所示。洛倫茲力F 可表達為
F＝B×I×L
式中，B表示磁感應強度；I表示通過導體的電流；L表示導體長度。
這是計算電機轉矩的重要公式，後面會詳細講解。
（3）弗萊明左手定則
通過這一定則，我們可以更好地理解洛倫茲力的作用方向。將左手擺出圖1（c）所示的形狀。這時，食指指向磁場的方向，中指指向電流的方向，大拇指指向洛倫茲力的作用方向。
圖1 弗萊明定則與洛倫茲力
圖2 有刷電機的結構
圖3 電機原型的轉子部分的結構
切換電流方向即可改變轉子兩端磁場的極性
電機的結構
為了更好地理解電機的工作原理，我們將電機定子上的永磁體設為2個（內側為N極和S極），轉子上的電磁鐵設為1個，並對這個極其簡單的有刷電機進行考察，如圖2（a）所示。
2個永磁體內側的N 極和S 極設置為相反方向（2極）。電流通過電磁鐵（線圈）時，鐵心兩端（2槽）分別形成N 極和S極。如果電流方向相反，電磁鐵兩端的磁極也會轉換。實際玩具上使用的電機多為3槽結構，如圖2（b）所示。
電機的轉動原理
電機是利用永磁體與電磁鐵之間的排斥力和吸引力來轉動的。如圖3所示，鐵心上纏繞的線圈通電後變成電磁鐵，並以其兩端為中心形成磁場（N極和S極）。改變流過線圈的電流的方向，就能改變兩端磁場的極性。
在纏繞線圈的鐵心中心部位設置一個旋轉軸，鐵心就變成了轉子。同時，在不干涉鐵心旋轉的附近位置，放置兩個與旋轉軸相對且極性相反的永磁體，永磁體就是定子。轉子和定子組成電機的原型，電機的轉動原理如圖4所示。
從圖4中可以看出，轉子線圈（電磁鐵）兩端產生的磁場與定子的永磁體磁場極性不同而相吸，致使轉子轉動。但是，當電磁鐵（轉子）轉動到距永磁體*近的位置時，就會停止轉動。
這時，如果線圈中流過與原來電流方向相反的電流，那麼轉子線圈與定子的永磁體就會因磁場極性相同而相斥。在**的時間點切換電流方向（換流），就可以使轉子連續轉動。
圖4 直流電機的轉動原理
轉子線圈中流過直流電，如果根據電機的旋轉位置進行換流，電機就會持續轉動
電機換流的結構
電機中存在著一個可以改變電流方向的換流結構。實際上，有刷電機和無刷電機的換流結構是不同的（這也是兩者在工作原理上的區別）。
（1）有刷電機
在有刷電機中，換流是通過換向器（整流子）和電刷的簡單組合實現的（圖2）。
（2）無刷電機
換流即改變電流的方向，實際上也可以理解為產生交流電。然而，50Hz/60Hz的市電頻率是不變的，無法滿足電機的換流需要。為此，我們通過逆變器產生可以讓電機轉動的交流電。
2極2槽的局限性與3槽的必要性
電機是靠恰當地利用磁力來實現轉動。然而，大家看了圖4就會產生疑問：事實真是這樣嗎？如果轉子線圈從停止位置重新通電，也有可能出現與原方向相反的轉動（反轉）。可是玩具中使用的電機並沒有出現這樣的現像。
為了防止反轉，玩具中使用的電機中設置了3個互成120°的線圈（2極3槽），而不是2個線圈。而且，同一時刻僅讓電流流過其中的2個線圈，而不是1個線圈或全部3個線圈。這樣，就能確保電機隻朝一個方向轉動了（專欄A）。
電機的特性—對轉矩與轉速的考量
產生的轉矩
轉矩是用來表示電機的轉動性能的參數，是產生轉動的力的力矩（力×轉動半徑）。這裡所說的“力”，就是前面提到的洛倫茲力。也就是說，電機的轉矩來源於洛倫茲力。接下來，我們引入洛倫茲力方程來表示轉矩。
作為轉矩來源的電磁力：
電磁力F＝磁通密度B×導體長度l×（電流I×sinθ）
導體單位長度上的力F′＝磁通密度B×（電流I×sinθ）
與前面的公式有些不同，“ 電流I ” 變成了“I×sinθ”。
圖5 關於弗萊明定則的更嚴謹的說明
線圈與磁場的位置關繫，如果遵循弗萊明左手定則，保持並固定在90°，則得到F′＝B×I。
如果導體與磁場的角度為θ，那麼導體看起來就變短了，它的實際有效長度是l×sinθ。
前面公式中，括號裡是電流I，而不是導體長度l。的確，I和l長得很像，很容易混淆。這個公式中隻有乘法計算，因此，括號放在式中任何位置都不影響結果。那麼，“I×sinθ”代表什麼意義呢？
這就是重點！
探究電流與θ的關繫
圖5是關於弗萊明定則的更嚴謹的說明。我們用矢量的概念來解釋三維空間中力之間的關繫。這裡的角度？d 與前面提到的θ是相同的。
實際上，當θ為90°時，線圈中流過的電流都會產生電磁力；當θ為0°時，電流方向與磁場方向平行，電磁力為0。如圖5所示，電流方向與磁場方向的角度都在θ為0°~90°的坐標軸範圍內。
也就是說，電流是由產生電磁力的電流分量Iq和不產生電磁力的勵磁電流Id兩部分組成的。
這一概念，實際上是矢量控制的基礎。
對電機轉矩的考量
轉矩是電機的重要參數。如前所述，轉矩T是由電磁力F在轉動半徑r上產生的，用“F×r”表示。對於同一電機，r是相同的。所以，這裡將轉矩等同於電磁力F來講解（暫不考慮嚴謹性）。
永磁體的磁通密度是不變的，而電流產生的磁通密度是變化的，進而轉矩也是變化的。電流增大時，磁通密度變大，轉矩增大。相反，如果電流保持不變，則永磁體的磁通密度越大，轉矩越大。
因此，要想增大電機轉矩，有兩個選擇：
增大電流
使用磁通密度高的線圈
這個結論十分重要。換言之，就是
轉矩與電流成正比
轉矩與磁通密度成正比
要獲得大的轉矩，取多少線圈匝數？
想要增大轉矩時，線圈匝數越多越好嗎？
這裡有兩個問題。一是物理上的限制。線圈匝數越多，體積越大。線圈體積太大，必定會超過電機的容納量。因此，線圈匝數是不能隨心所欲地增加的。二是銅損。雖說是銅，但它本身也有電阻。其電阻的大小與長度成正比，與截面積成反比。因此，線圈匝數越多，電阻越大，發熱越嚴重。這裡產生的熱量是電能轉換而來的。也就是說，這導致了電能的消耗，是不可取的。
另外，增加線圈匝數也會帶來轉速的問題。線圈匝數與電機轉速成反比。線圈匝數越多，越容易成為低速電機。
線圈匝數越多，越容易成為低速電機的原因
有些人可能認為，匝數越多，線圈的磁力越大，轉速越高。
眾所周知，在不通電的狀態下轉動電機，電機就相當於發電機。但是，僅限於在不通電的情況下轉動，電機纔會發電（反電動勢）。
按圖6連接玩具用的有刷直流電機的定子電路，實際用手轉動一下，便可觀察到電機作為發電機的工作情況。這時應該可以測得與轉速成正比的電壓。
電機通電轉動時，其自身也因轉動而發電。當發電電壓與電源（電池）電壓相等時，電流為。但是，實際上它永遠也不會是，因為轉子轉動是要消耗能量的。
線圈匝數增加會引起反電動勢增大，電機轉速下降。那麼，究竟轉速會降低多少呢？在電源電壓不變、空載的情況下，電機轉速與線圈匝數成反比。例如：
線圈匝數：100→轉速：1000r/min
線圈匝數發生如下變化時，轉速也會隨之發生變化。
線圈匝數：200→轉速：500r/min
線圈匝數：20→轉速：5000r/min
（以電機的基本性能所能支撐的轉速為前提）
圖6 有刷電機內部等效電路與發電計算
不同規格的電機的“電源電壓÷空載轉速”都是一定的，即反電動勢常數是一定的。
反電動勢常數＝電源電壓/空載轉速
電機**轉速（空載轉速）是反電動勢常數決定的。這個值可以從電機特性圖中獲得（圖7）。
線圈匝數/線徑與轉矩的關繫
改變線圈匝數，可以改變電機的轉矩和轉速，大家對這一特性應有所了解了。
如圖8所示的特性圖，我們可以將線圈匝數與電機特性的關繫總結為以下幾點。
線圈匝數越多，空載（**）轉速越低。
線圈匝數越多，獲得相同轉矩所需的電流越小（轉矩常數越大）。
無論線圈匝數如何變化，**轉矩不變。
同樣，線徑與電機特性的關繫如圖9所示，總結如下。
線徑變化時，空載（**）轉速不變。
線徑變化時，獲得某一轉矩所需的電流相同（轉矩常數不變）。
線徑變大時，**轉矩變大。
根據用途選擇電機
接下來，我們來考量不同用途的EV電機特性。不同用途的電機的轉速與轉矩的關繫如圖10 所示。可以看出，因用途不同，電機負載轉矩有很大差異。
圖7 電機特性圖與反電動勢常數（以TUSKASA電工TG-85R為例）
圖8 不同匝數的電機的特性（萬寶至馬達）
圖9 不同線徑的電機的特性（萬寶至馬達）
圖10 不同用途的電機、負載特性
圖11是電機的各種特性關繫的總結。
EV電機產生的轉矩如圖10（b）所示。在停止時（正確來說應該是從靜止狀態啟動的瞬間），電機通過**電流，產生**轉矩。對於汽車，人們都很重視低速時的加速性能，這與電機的特性相符（電機的特性是，轉速越大，轉矩越小。發動機正好相反）。
但是，汽車行駛

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