一、引言
众所周知，电动自行车开发中的“瓶颈”是蓄电池和驱动电机的性能。驱动电机是电动自行车的心脏，坚固可靠、高效率、低噪音是对其基本的要求。目前，采用机械换向的印刷绕组盘式电机作为一种高性能的直流伺服电机被广泛用于电动自行车的驱动，采用功率电子开头电路取代机械换向器的直流无刷电机在电动自行车中也有较多的应用。随着电力电子技术和交流调速技术的发展，融新的电动机结构——开关型磁阻电动机（Switched Reluctance Motors,简称SR电机）与现代电力电子技术、控制技术为一体的新型机电一体化交流调速系统——开关磁阻调速电动机（Switched Reluctance Motor Drives,简称SRD）在电动车辆（Electrical Vehicle）驱动中的应用开始受到重视。SR电机系凸极变磁阻电动机，其定、转子凸极均由具有高磁导率的硅钢片叠成，转子既无绕组亦无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联（或并联）构成一“相”。SR电机可设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同搭配。作者认为SR电机在电动自行车驱动中具有明显优势，这是因为：
1、SR电机坚固、制造工艺简单、成本低。突出优点是转子无任何绕组亦无永磁体，定子线圈嵌装容易，端部短而牢固，适用于环境恶劣场合。
2、转矩方向与相电流方向无关。只要控制各相在不同电感区域内的瞬时电流，即能方便地实现四象限运行，无须辅助电力电子开关器件，故可降低系统成本；相电流的单向流动，使得其功率主电路结构简单，且具有普通交流电机系统及无刷直流电机系统所没有的优点：相绕组与主开关是串联的，从结构上排队了短路故障的可能。
3、动转矩大，在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率，具有显著的节能效果。
4、制参数多，控制方式灵活，可方便地实现四象限运行和无级调速。
鉴于以上认识，我们开展了电动自行车驱动用SR电机的研究和开发工作。
二、动自行车驱动用SR电机的设计指标
我们通过对电动自行车市场的调研并且基于研究开发SRD的经验，提出如下SR电机的设计指标：
(1)额定电压：36V(DC)；
(2)额定电流6A；
(3)额定功率150W；
(4)额定转速190转/分；在0转/分至210转/分范围内无级调速；
(5)额定效率>75%；
(6)额定转矩>5.8Nm,过载倍数>2.5；
(7)噪音<53dB；
(8)外型为圆盘型，直径×轴向尺寸控制在180mm×40mm之内；
(9)载重90公斤。
采用电压PWM控制实现SR电机无级调速，控制器具有如下基本功能：
(1)电池容量显示；
(2)级调速；
(3)起动电流缓冲；
(4)过载限流及保护；
(5)欠压保护；
(6)刹车制动。
设计推荐选用36伏7安时的铅酸免维护电池。
三、电动自行车用SR电机及控制器研制实践
(1)SR电机设计
SR电机可设计成多种不同相数结构，且定转子的极数多种不同的搭配。相数多，利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。研究表明，低于三相的SR电机没有自起动能力。综合考虑，选用三相(6/4)SR电机结构。
由于SR电机内部磁场的非线性及由非线性开关电源供电，其电磁转矩精确解析很困难。 Lawrenson等以线性化方法为基础提出的SR电机极数、相数、极弧设计准则可用于SR电机电磁设计的初步计算：此外，类比法也是SR电机初步设计阶段行之有效的估算方法。
第一台140W实验样机定子外径为150mm，铁芯叠长为20mm，采用DR510—50，0.5mm硅钢片叠压。
(2)功率变换器设计
功率变换器在整个SRD成本中占有主要比重，而且其性能的好坏对系统性能指标有直接影响，因此，功率变换器设计是提高性能/价格比的关键之一。围绕处理放电绕组磁场能量问题，已出现多种不同的主电路结构形式，如不对称半桥电路、双绕组功率变换器、双极性直流电源功率变换器、带贮能电容的功率变换器、Miller功率变换器等，经综合比较和实验研究，确定采用六管不对称半桥线路。
四、电路的特点是：
(1)各主开关管的电压定额为Us。
(2)由于主开关管的电压定额与电机绕组的电压定额近似相等，所以这种线路用足了主开关管的额定电压，有效的全部电源电压可用来控制相绕组电流。因为采用36V的DC电源，若采用双极性直流电源电路，只有一半的电源电压(18V)加到相绕组两端，会引起电流增大。
(3)由于每相绕组接至各自的不对称半桥，在电路上，相与相之间的电流控制是完全独立的；
(4)可给相绕组提供三种电压回路，即上、下主开关同时导通时的正电压回路；一只主开关保持导通另一只主开关关断时的零电压回路；上、下主开关均关断时的负电压回路。这样，采用斩波调速方式运行时可采用能量非回馈式斩波方式，即在斩波续期间，相电流在“零电压回路”中续流，避免了电机与电源间的无功能量交换，这对增加转矩、提高功率变换器容量的利用率、抑制电源电压波动、降低转矩脉动都是有利的；
(5)每相需两只主开关，未能充分体现单极性的SR电机功率变换器较其它交流调速系统变流器固有的优势。
考虑到应用场合为低压小功率，故选用Power MOSFET 为主要开关器件。主开关器件在关断状态所承受的最小正向阻断电压为Us+△U1，其中△U1为考虑引线电感导致关断时的电压尖脉冲所加的裕量，△U1与漏电感、换相电流、电机工况及轴上机械能、滤波电容大小均有关，难以精确确定。考虑到现在器件定额值指的已是安全极限值，超过即会损坏器件，安全系数应为2左右，耐压定额Ur应满足：Ur≥（1.8~2.2）Us。因为Power MOSFET电流峰值/有效值额定较大，故有效值电流定额将是决定功率变换器容量的主要参数。但精确确定电流定额困难很大，一般近似计算。
经计算选用的Power MOSFET 为2SK1389，续流二极管选用快恢复二极管MUR460。
(6)控制系统设计
作者采用电压PWM方式实现SR电机转速控制。研制的用MOSFET斩波器控制相电压的SR电机闭环调速系统原理，给定速度与反馈速度的偏差经速度调节器、ASR输出后，作为PWM电路的输入控制信号，控制一定频率的输出方波脉冲宽度，宽度被调制的方波脉冲加到基极驱动电路，利用GRT的开关作用，便将施加到SR电机相绕组上的直流电源电压斩波成对应频率和占空比的方波电压，从而改变相绕组两端电压的有效值，实现SR电机转速控制。
安装在SR电机上的三个转子位置光电传感器输出的三个位置信号，送至逻辑控制电路，以准确、及时地产生对应的“开”、“关”信号，控制对应相绕阻的通、断。因转子位置检测信号的频率与电机转速成正比。因此，位置检测信号通过F/V集成电路得到速度反馈信号。
脉冲宽度调制由线性PWM集成电路SG3524实现，其为定频脉冲宽调制电路，斩波频率fT由外接电容CT和外接电阻RT决定。从减小电机负载电流脉动，减小电机噪声方面考虑，以增大fT为宜；但从降低MOSFET开关损耗、换相损耗及改善低速特性，fT亦不宜太大。当然fT过小，还可能使起动困难，或影响低速性能，故fT的合理设计对系统整体性能提高有重要意义，一般可在1~2.5kHz内选取。
为使系统具有优良的动、静态性能，速度调节采用PI调节器。
五、运行实验结论
按上述设计，已研制出第一台实验样机，并且在实验室中进行了负载运行试验。所用的负载CZ(10Nm)磁粉制动器，性能测试采用ZJⅡ型(10Nm)转矩转速传感器和ZJYW1型转矩转速测量仪。测试结果为：在SR电机(定子外径为150mm，铁芯叠长为20mm的实验样机)输出功率为140W左右的一些运行点上，其直接输出转矩(不经减速齿轮放大)已达1Nm左右。当然，这样的出力，如不通过一级减速齿轮放大仍然不够。但是现在SR电机外径仅为150mm，铁芯叠长为20mm，其尺寸还有增大的余地，随着径向尺寸和铁芯叠长的增大，其输出转矩将成比例增大。经第一台实验样机负载运行试验，我们获得了一些经验，正在修改设计数据，增加铁芯叠长，研制新的样机。作者相信：经过不断的努力，SR电机在电动自行车产业的发展中将发挥重大要作用。
(编辑：中国电动车网)
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