CN101562386B - 一种电动自行车用无刷直流永磁电机机电一体化结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动自行车用无刷直流永磁电机机电一体化结构，包括由定子、转子、机壳，其特点在于还包括设置于定子内部的控制器电路模块芯片。本发明创造性地将控制器嵌套在轮毂电机内部，使得霍尔元件传感器与电机连线大大缩短，使得采样转子位置信号最为准确，可靠性更高；同时使得控制器与电机定子的连线也大大缩短，使得干扰最小，热损耗最小，进而提高了系统的效率与可靠性。

Description

一种电动自行车用无刷直流永磁电机机电一体化结构

技术领域

本发明涉及电动车控制器技术领域，具体涉及一种电动自行车用无刷直流永磁电机机电一体化结构。

背景技术

电动车简而言之就是以电力为驱动，以电力为能源的交通工具。现代常见的电动车有电动自行车、电动摩托车和电动汽车等形式。目前电动自行车广泛采用的是直流永磁电机，直流永磁电机按照是否采用电刷换向可分为有刷电机和无刷电机两种，有刷电机是直流电机的主流产品，目前绝大多数电动自行车电机都是有刷电机。无刷电机是一种特殊的直流电机，它采用内置磁性传感器(霍尔元件)外加电子换向器的方法进行电子换向，无刷电机主要是为了消除电刷的磨损，以及电刷接触所产生的噪声。

现有的电动自行车用永磁无刷直流电机机电结构，包括由定子、转子、机壳等构成的电机，其中定子靠轮毂式支撑铝件固定套设于车轴，线圈绕组设置于定子上，转子套设在定子外圈并在转子外侧套设固定车轮，转子上设置有多对永磁磁极，机壳固定在转子上可随转子旋转，并将定子包盖于其内；另外还包括设置于电机壳体外部的控制器，所述控制器主要由控制器壳体与其内的电路模块芯片构成，控制器的线路通过设置于电机机壳中间的轴承内圈接入并与定子相连，其中包括所述控制器与设置于定子上的霍尔元件传感器之间的连接线路，所述控制器是用于电机的换相、电流控制，实现对电机加速、减速、巡航、电子差速、能量回馈制动控制等功能。

但是，现有的电动自行车用永磁无刷直流电机机电结构形式，存在以下不足：

1、霍尔元件与控制器之间的线路、电机定子与控制器之间的线路均较长，使得线路损耗较大，线路受干扰影响严重，降低了系统可靠性。

2、控制器设置于电机外部会占据更多空间，且影响车体美观。

3、控制器线路复杂，成本较高。

4、控制器可靠性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的上述不足，而提供一种系统可靠性更强、集成化程度高和成本低，并且占据空间小，可使得车体整体更美观的电动自行车用无刷直流永磁电机机电一体化结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种电动自行车用无刷直流永磁电机机电一体化结构，包括定子、转子、机壳，其特征在于，还包括设置于定子内部的控制器电路模块芯片。

进一步，所述控制器电路模块芯片外形为与定子内部腔室匹配的弧型，并安装固定于电机定子内部的支撑铝件上。

本发明是在背景技术中所述的现有的电动自行车用永磁无刷直流电机机电结构的基础上所作改进，其改进点就在于将控制器的电路模块芯片设置于了电机定子内部，从而取消了原控制器构件。具体地说，是在设计轮毂电机控制器时，设计成永磁无刷直流电机与控制器一体化结构，按轮毂电机定子内部尺寸，将控制器硬件电路板(即上述控制器电路模块芯片)设计成与定子内部腔室匹配的弧形，嵌入并安装固定于轮毂电机内的定子内部的支撑铝件上。这样，在外观方面，可以省掉电机控制器在电动自行车上的安装位置，外形更加美观，而且结构简洁；在可靠性方面，由于控制器嵌入在轮毂电机内，霍尔元件与电机连线最短，采样转子位置信号的抗电磁干扰能力更强，检测更为准确，而电机绕组与控制器直接连接，连接线最短，对外界的干扰最小，连接线的发热损耗最小，也会提高系统的效率。

作为本发明的进一步改进，还设置有散热铝基板，所述散热铝基板一侧与所述控制器电路模块芯片紧贴相连，另一侧连接固定于支撑铝件上，这样，可进一步利用电机铝件增加控制器电路模块芯片的散热效果，避免其因为过热而烧坏，提高了装置安全性。

与现有的外置控制器的结构形式相比较，本发明具有以下优点：

1、控制器由于嵌套在轮毂电机内部，使得霍尔元件传感器与电机连线大大缩短，使得采样转子位置信号最为准确，可靠性更高；同时使得控制器与电机定子的连线也大大缩短，使得干扰最小，热损耗最小，提高了系统效率与可靠性。

2、本技术方案中将控制器电路模块芯片设置于定子内部，由于转子在旋转时，转子上的磁极之间的棱槽会造成空气流动，从而在定子内部形成风流，使得本结构设计的控制器电路模块芯片散热效果良好，而且可以进一步将所述棱槽斜向设置，以增大风流，增强散热效果；同时作为本发明的优化设计，还增设有散热铝基板进行散热，可进一步提高对控制器电路模块芯片的散热效果，避免其因为过热而烧坏，提高了装置安全性。

3、本技术方案中将控制器电路模块芯片设置于定子内部，使得电机与控制部分之间的结构更紧凑，其一体化程度更高，占据空间更小，且使得车体外观更具美感。

4、控制器电路模块芯片结构更简单，成本更低，可靠性更高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图中，机壳部分已卸下，具体装配时，需将机壳安装固定于转子上，同时，由于散热铝基板位于控制器电路模块芯片和支撑铝件之间，故图中将控制器电路模块芯片剖掉一个边角，以显示出其下方的散热铝基板。

图2为本发明中控制器的电路模块芯片的电路模块框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种电动自行车用无刷直流永磁电机机电一体化结构，包括定子1、转子2、机壳3等构成的电机，其中定子1靠轮毂式支撑铝件4固定套设于车轴5，线圈绕组6设置于定子1上，转子2套设在定子1外圈并在转子2外侧套设固定车轮7，转子2上设置有多对永磁磁极8，机壳3固定在转子2上可随转子2旋转，并将定子1包盖于其内，还包括设置于定子1内部的控制器电路模块芯片9。改动了芯片的外型，将其设置为与定子1内部腔室匹配的弧形，嵌入并安装固定于定子1内部的支撑铝件4上，为增强其散热效果，还设置有散热铝基板10，所述散热铝基板10一侧与所述控制器电路模块芯片9紧贴相连，另一侧连接固定于支撑铝件4上。在所述机壳的中部还设置有轴承11，在安装时，所述控制器电路模块芯片及定子的线路可从所述轴承11的内圈接出到电机外部。

下面对控制器电路模块芯片9的具体实施方式做详细介绍：

一种电动自行车用永磁无刷直流电机电子差速控制器，控制系统选用PIC18F1330为主控芯片，其电动车控制器电路模块框图如附图2所示。主要包括主控芯片、逆变电路及驱动电路、电流采样电路、转子位置信号采集电路、电压检测电路、开关量输入输出电路、RS232通信模块等部分。通过霍尔位置传感器检测电子转子位置，位置检测电路用来检测三路霍尔位置传感器三路相互差120°的方波信号，使用PIC18F1330电平中断引脚，产生电平变化中断，在电平变化中断服务子程序中，通过PWM模块输出改写寄存器OVDCON来控制驱动芯片IR2136，从而控制三相全桥逆变电路中开关管的通断，从而实现电机的换相，同时在每个PWM周期对电流和电压数据进行准确性、完整性检测，保证电机的安全运行。下面对几个重要模块进行简要介绍。

1.主控芯片PIC18F1330

PIC18F1330是Microchip公司推出的一款8位单片机芯片。

①电机控制PWM模块：可以将MCPWM模块配置为多种模式，在此选用最常见的模式，PWM工作于中间对齐方式，调制频率选择为10kHz，文献认为该频率可使能量密度、噪声及电磁干扰同时达到最优。来自处理器内置的6相PWM发生器产生的PWM调制信号，经集成驱动电路，控制器件的开通和关断；

②4路10位A/D转换通道：用来在每个PWM周期中同时对手柄信号(油门给定)、母线电压、电流检测、过电压保护和巡航功能等模拟信号的检测，且采样与PWM时基同步；

③3个电平变化中断：来自霍尔传感器的位置信号发生电平变化时会产生电平变化中断，在电平变化中断服务子程序中，实施电机换相、辨别转向及计算转速；

④定时器2：定时器2工作于周期计数模式下，以记录相邻两个周期产生的间隔，用来换算转速；

⑤RS232通信模块：用于实现两控制器间的串行通信，在此选用MAX232芯片作为通信接口芯片。

⑥数字I/O口：PIC18F1330具有13个可编程数字I/O引脚，这些引脚一般都与某些外部功能部件复用，即可以作为一般I/O引脚，也可以作为某些特殊功能的输入输出；刹车等信号则可以通过直接连接到I/O口进行处理。

2.三相全桥驱动电路IR2136

功率半导体专家国际整流器公司(简称IR)推出的IR2136是专用的三相逆变器驱动器，它带有3个独立的高压侧和低压侧输出通道，可输出6路驱动脉冲，而只需要一个15V直流工作电源。并融合多元化的保护功能(欠压保护和过流保护功能等)它还有助于简化电机驱动器设计，减少使用元件的数量。单片机与IR2136除了6路驱动信号连接外，还能输出关断信号。在电机起动时，由于转速为零，反电动势为零，而电机电枢回路电阻很小，所以电机起动时，电枢的冲击电流很大，因此非常有必要对系统进行过电流保护。而IR2136内部具有过电流保护电路，将流过主回路的母线电流信号转化成电压信号输入到IR2136的ITRIP引脚，如果主回路中的电流过大，使得ITRIP引脚的电压信号高于0.5V，则IR2136内部的电流比较器迅速翻转，发生故障信号，使IR2136关闭6路驱动输出，从而实现过电流保护。

3.电流检测电路

由永磁无刷直流电机的特性公式可知，电磁转矩与相电流成正比，只需控制无刷直流电机的相电流，就可以控制无刷直流电机的转矩。为了提高无刷直流电动机的加速性能以及减少转矩脉动，有必要引入电流闭环控制，从而需要检测电机绕组的电流。

流检测电路由电流传感器、运算放大器和A/D转换器组成。由无刷直流电机运行的基本原理可以知道，在导通期间相电流与母线电流相等，因此本设计中只检测主电路的母线电流，因此电流检测时只需要一个电流传感器检测母线电流。此处没有使用传感器进行电流检测，而是采用在COM端串联一个康铜丝电阻来检测电动机的相绕组电流，康铜丝电阻为0.01欧姆。采样得到的电流将通过低通滤波过滤并通过运算放大器LM358放大10倍输入模数转换引脚AN1，由PIC18F1330处理，由此既可以防止过电流操作，又可以对电机的转速进行控制。

4.电压检测电路

相电压信号经过分压后，同样通过低通滤波过滤后，又通过由运算放大器LM358组成的电压跟随器输入模数转换引脚AN2，由PIC18F1330处理。检测电压与所设的基准电压比较后，若远低于基准电压时即处于欠压状态，若远高于基准电压则为过电压状态，此时单片机将屏蔽PWM模块。

5.位置信号检测电路

为了保证得到恒定的最大转矩，就必须要不断地对其行换相，掌握好恰当的换相时间，可以减小转矩的波动。采用霍尔位置传感器检测电机转子位置以保证功率器件进行适当的换相，成本低，检测电路简单，可靠性较低。

永磁无刷电机在工作时，需要离散的位置信号来指示PWM模块输出改写寄存器OVDCON来实现电机的换相控制。本系统中位置信号检测电路用来检测由三路霍尔位置传感器发出的三路相位互差120°的方波信号，使用PIC18F1330电平变化中断引脚功能将有效简化位置信号检测电路的设计，理论上只需将三个位置信号的输出直接与相应的电平变化中断引脚相连即可，实际工作中，在靠近PIC18F1330侧并联一个0.1uF去耦电容来消除过长信号传输线传输过程中可能耦合的高频干扰信号。在换相中断服务子程序中，将根据当前驾驶员指令及车辆的工作状态通过装载OVDCON输出改写寄存器来起动不同的换相策略或关闭PWM输出，将OVDCON寄存器清零可以使六个PWM输出引脚工作在高阻态。PIC18F1330电平变化中断引脚(KBI0～KBI3)来自电机霍尔传感器的位置变化电平变化时会产生电平变化中断，在电平变化中断服务子程序中，实现电机换相，辨别电机转向以及计算转速。

6.系统电源设计

对于该系统，需要电源转换模块来获得不同电压等级的多路电源以满足各种器件及模块的需求。

选用的电源转换模块有LM7815和LM7805。5V供电选用LM7805芯片，它能将12.5V到25V范围的输入电压转换成5V电压输出，可提供高达500mA的输出电流。基本上能满足控制器及其他芯片的供电需求。15V供电选用LM7815芯片，它能将20V到50V范围的输入电压转换成15V电压输出，可提供高达1A的输出电流，以供MOSFET集成驱动芯片工作。

7.RS232通信

控制器通过使用RS-232电平转换芯片，提供了一个RS-232接口。RS-232电平转换器把SCI UART的+3.3V信号电平转换为RS-232兼容的信号电平。通过PIC18F1330芯片，从而两芯片间通信，通过软件编程实现电子差速控制。

8.最终硬件成品

印刷电路板的左半部分是强电信号，用于驱动无刷直流电机；印刷电路板的右半部分属于弱电信号，用于控制PWM信号及其他信号处理技术。如图1所示，将整个硬件成品镶嵌在电机内的定子上，恰好吻合，达到了简单快速的装配要求。进行整机调试时，只需将电机内部霍尔元器件信号线和电机的A、B、C三相绕组连线以及直流供电电源线接在印刷电路板的相应位置即可，然后将所需的控制信号线通过定子轴承连接出来。如此一来，整个系统显得格外精巧干净，方便操作。

本发明机电一体化结构将霍尔元件置于轮毂电机内部，这样与电机连线最短，采样转子位置信号更加准确，可靠性更高。永磁无刷电机电动车控制器嵌套在轮毂电机内部，与电机实现一体化结构，这样控制器与电机间的连线最短，干扰最小，热损耗也最小(导线短，电阻小，电流值为30A左右)，提高了系统的工作效率。控制器采用铝基板散热方式，可以增加控制器中MOSFET的散热，从而减少所使用的MOSFET数量。利用电机定子内部空间，由于外转子表面铸造了的棱槽，会在转子旋转过程中，不停地空气流动形成了风，而控制器固定在定子上，这样就可以增加控制器的散热，提高电机的功率等级。

Claims (3)

1.一种电动自行车用无刷直流永磁电机机电一体化结构，包括定子、转子、机壳，其特征在于，还包括设置于定子内部的控制器电路模块芯片；所述控制器电路主要包括主控芯片PIC18F1330、逆变电路、驱动电路、电流检测、低通滤波、霍尔位置传感器、电压检测、I/O输入输出电路、RS232通信模块；霍尔位置传感器用来检测电机转子位置，输出三路相互差120°的方波信号，使用PIC18F1330电平中断引脚INT，产生电平变化中断，在电平变化中断服务程序中，通过PIC的PWM模块控制MOSFET驱动芯片IR2136，从而控制逆变电路中的MOSFET管通断，以实现电机的换相，同时在每个PWM周期对电流和电压数据进行检测。

2.如权利要求1所述的电动自行车用无刷直流永磁电机机电一体化结构，其特征在于，所述控制器电路模块芯片外形为与定子内部腔室匹配的弧型，并安装固定于电机定子内部的支撑铝件上。

3.如权利要求1所述的电动自行车用无刷直流永磁电机机电一体化结构，其特征在于，还设置有散热铝基板，所述散热铝基板一侧与所述控制器电路模块芯片紧贴相连，另一侧连接固定于支撑铝件上。

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