Разработка установки электропривода на велосипед, выбор электронных компонентов, проектирование принципиальной схемы и разработка печатной платы

РЕФЕРАТ


Пояснительная записка 59 стр., 34 рис., 6 табл., 18 ист., 2 прил.


МОТОР-КОЛЕСО, ЭЛЕКТРОПРИВОД, КОНТРОЛЛЕР, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, САПР P-CAD, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА.

     Объектом исследования является система управления электроприводом мотор-колеса.

     Цель работы – разработка установки электропривода на велосипед, выбор электронных компонентов, проектирование принципиальной схемы и разработка печатной платы.

     В данной выпускной квалификационной работе выполняется разработка контроллера с частотным управлением электроприводом. Спроектированная система в дальнейшем дает возможность использовать ее в лабораторных стендах. Рассчитывается и составляется принципиальная схема контроллера и проектируется печатная плата.

СОДЕРЖАНИЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ	8
ВВЕДЕНИЕ	9
1 Обзор информационных источников	10
1.1 Модель системы мотор-колесо	10
1.2 Классификации мотор-колес по их назначению	10
1.2.1 Мотор-колеса применяемые в автомобилях	11
1.2.2 Мотор-колеса применяемые в двухколесном транспорте	14
1.2.3 Мотор-колеса применяемые в уличных транспортных средствах	19
1.2.4 Мотор-колеса применяемые в луноходах	21
1.2.5 Мотор-колеса применяемые в самолетах	22
1.2.6 Мотор-колеса применяемые в робототехнике	23
1.3 Классификация мотор-колес по способу передачи момента на колесо	23
1.3.1 Редукторные мотор-колеса	24
1.3.2 Безредукторные мотор-колеса	25
1.4 Классификация мотор-колес по способу питания	27
1.4.1 Питание мотор-колес от контактной сети	27
1.4.2 Питание мотор-колес от бортового источника	28
1.5 Векторная ШИМ	29
2 Выполнение работы	30
2.1 Расчет мощности двигателя мотор-колеса	30
2.2 Расчет силового модуля управления 3-х фазной обмоткой статора	32
2.3 Подбор микроконтроллера для системы управления двигателем	35
2.4 САПР P-CAD	37
2.4.1 Создание условного графического обозначения компонента	38
2.4.2 Создание посадочного места компонента	39
2.4.3 Создание компонента	40
2.4.4 Проектирование принципиальной электрической схемы	41
2.4.5 Проектирование печатной платы	44
3 Экономическое обоснование	46
3.1 Концепция	46
3.2 Трудоемкость и календарный план выполнения ВКР	46
3.3 Расчет себестоимости разработки проекта	47
3.3.1 Затраты на материалы	48
3.3.2 Расходы на основную заработную плату	49
3.3.3 Расходы на дополнительную заработную плату	50
3.3.4 Отчисление на социальные нужды	50
3.3.5 Накладные расходы	51
3.3.6 Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования	51
3.3.7 Услуги сторонних организаций	52
3.3.8 Амортизационные отчисления	52
3.3.9 Калькуляция себестоимости ВКР	54
3.4 Вывод по разделу	54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	55
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ	56
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА	58
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА	59

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ


ВКР – выпускная квалификационная работа; КПД – коэффициент полезного действия;
САПР – система автоматизированного проектирования
УГО – условные графические обозначения; ШИМ – широтно-импульсная модуляция; ЭДС – электродвижущая сила;
     IGBT	–	Insulated-gate	bipolar	transistor	(Биполярный	транзистор	с изолированным затвором)

ВВЕДЕНИЕ


     В настоящее время, вопрос использования индивидуального электропривода расположенного непосредственно внутри колеса, становится все более актуальным. Так называемые мотор-колеса нашли свое применение во многих сферах различного вида транспорта. Причинами этому являются:
* Небольшие габариты и компактность;
* Возможность организации индивидуального управления каждым колесом системы, что увеличивает управление и безопасность;
* Необходимость рекуперации энергии для повышения экономично- сти в гибридном виде транспорта;
* Как заключительное звено электромеханической передачи.
     Бесколлекторные вентильные двигатели и асинхронные машины являются наиболее перспективными типами электродвигателей подходящих для использования их в мотор-колесах.
     Для того что получить хорошие динамические характеристики и организовать рекуперативное торможение необходимо использовать частотное регулирование.
     На данный момент контроллеры, работающие по принципу частотного регулирования, являются достаточно сложной и дорогостоящей системой. Однако с развитием микропроцессорной техники решение данной задачи становится более доступной.
     В данной работе подробно рассматриваются все существующие виды мотор-колес. На основе собрано материала составляется классификация по различным признакам.
     Основной целью данной работы является разработка собственной системы управления.
     Для реализации поставленной цели решаются задачи по подбору необходимых электронных компонентов, разработка принципиальной схемы управления и проектирование печатной платы контроллера.

1 Обзор информационных источников


1.1 Модель системы мотор-колесо


     Мотор-колесо представляет собой комплексную взаимосвязанную систему, объединяющую в себе колесо, состоящее из металлического диска и резиновой покрышки, с встроенным в него тяговым  электродвигателем, силовую передачу и тормозную систему. Таким образом, в системе мотор- колесо реализован индивидуальный привод.
     Устанавливается система мотор-колесо на закрепленным к раме крон- штейне, если колесо не выполняет функцию руления. В том случае, если колесо выполняет функцию одновременно управляющую и ведущую, то оно должно устанавливается в поворотной цапфе подшипнике [6].

Рисунок 1 Система мотор-колесо


     На рисунке 1 приняты следующие обозначения: 1 – вал электродвигателя; 2 редуктор; 3 цапфа; 4 дисковый тормоз; 5 зубчатый венец колеса.

1.2 Классификации мотор-колес по их назначению

     Система мотор-колесо благодаря своей компактности, хороших техниче- ских характеристик и экономических преимуществ, нашла широкое примене- ние во многих отраслях промышленности и различных типах транспорта.

     Система мотор-колесо в различных транспортных средствах может выполнять роль как основного движителя, так и вспомогательного или управлять каким-то отдельным колесом.
     Мотор-колеса, в зависимости от их назначения, применяются в следующих типах транспорта:
* Автомобили;
* Двухколесные транспортные средства;
* Уличные электрические транспортные средства;
* Луноходы;
* Самолеты;
* Самодвижущиеся платформы;
* Роботы.

1.2.1 Мотор-колеса применяемые в автомобилях


     В последние несколько лет область применения различного вида систем мотор-колес как в автомобилях, так и специализированном транспорте непрерывно расширяется. Это можно объяснить тем, что реализация индивидуального привода автомобиля, как представлено на рисунке 2, на каждом колесе, даёт возможность для создания принципиально новых, технологичных, безопасных и одновременно экологичных автомобилей.

Рисунок 2 Система мотор-колесо современного гибридного автомобиля

     В случае использования системы мотор-колесо в автомобиле, можно выделить ряд существенных преимуществ, а именно:
* Отсутствие потери мощности при передачи крутящего момента от двигателя на колеса, которое происходит в трансмиссии;
* 	Компактное размещение тягового двигателя непосредственно внутри колеса, что в некоторых случаях является единственно возможным вариантом решения;
* Возможность преобразования кинетической энергии автомобиля в электрическую методом рекуперативного торможения;
* Получение высокого КПД.
     Однако, такая компоновка, когда тяговый двигатель располагается внутри обода колеса (рисунок 3), существенно увеличивает неподрессоренную массу автомобиля, что негативным образом сказывается на управляемости автомобиля, комфортности езды, ускорение и безопасности, а также ведет к усиленному износу рычагов подвески автомобиля и амортизаторов. Для уменьшения этого негативного явления, необходимо использовать более прочные рычаги большего размера, добавлять новые элементы, что в свою очередь ведет к удорожанию автомобиля.

Рисунок 3 Расположение двигателя в ведущем колесе транспортного средства

     В легковых автомобилях, как правило, применяются мотор-колеса в которых двигатель имеет обращенную конструкцию, статор с обмотками возбуждения располагается внутри ротора. На роторе расположены постоянные неодимовые магниты большой силы.
     Мотор-колеса давно нашли свое широкое применение в большегрузной технике. Одной из ведущих компаний и единственной в СНГ по производству карьерных самосвалов с мотор-колесом является холдинг «БелАЗ». На рисунке
4 представлен вид на заднюю ось мотор-колес большегрузного карьерного самосвала «БелАЗ».

Рисунок 4 Мотор-колесо самосвала «БелАЗ»


      В случае, когда необходимо организовать привод  многотонных грузовиков весом порядка 400 тонн, реализация электромеханической передачи является единственным верным и возможным решением данной задачи. Применение электромеханической передачи обусловлено тем, что тяговый электродвигатель обладает высоким крутящим моментом при пуске, а также хорошими динамическими характеристиками на малой скорости вращения.
В настоящее время ведутся разработки по внедрению мотор-колес в

военную технику. На рисунке 5 представлен прототип мотор-колеса для военного бронетранспортера. Компактность, надежность и возможность легкого обслуживания, необходимые факторы для применения колес в различных видах военной техники.

Рисунок 5 Мотор-колесо для бронетехники


     Система мотор-колесо также успешно применяется в автобусах, троллейвозах, троллейбусах и другой автомобильной технике. В троллейбусах, например, питание на тяговые электродвигатели подводится от контактной городской сети, а электроэнергия, выработанная при рекуперативном торможение, отдается обратно в сеть. Это экологично и экономически выгодно.

1.2.2 Мотор-колеса применяемые в двухколесном транспорте


     В последнее время набирает широкую популярность самостоятельная модернизация простых и легких велосипедов системой мотор-колесо и

аккумуляторными батареями. Также можно переоборудовать и такие двухколесные транспортные средства как скутер и мотоцикл, мотороллер и другие.
     Среди последних разработок в области движителей для двухколесных транспортных средств можно выделить мотор-колеса, запатентованные изобретателями В.В. Шкондиным и Д.А. Дуюновым.
     Эти двигатели имеют обращенную конструкцию и, как правило, устанавливаются в заднее колесо велосипеда (рисунок 6) или скутера, имея компактные габариты.

Рисунок 6 Расположение мотор-колеса в велосипеде


     Русский изобретатель Д.А Дуюнов использовал за основу своего мотор- колеса обычный асинхронный двигатель с короткозамкнутыми кольцами (рисунок 7). При этом отпала необходимость в использование дорогостоящих редкоземельных постоянных магнитов.
     Ротор, применяемый в двигателе, медный паяный. Он располагается снаружи статора. Состоит ротор из стержней и двух  замыкающих колец, которые припаяны к стержням. Верхний слой ротора обработан токарным станком, что положительно сказывается на массогабаритных показателях самого колеса и уменьшает вес неподрессоренной массы транспортного средства. Такая конструкция и дает возможность использования его в автомобилях.


Рисунок 7 Мотор-колесо Д.А. Дуюнова


     Главной особенностью разработки является смешанная обмотка возбуждения статора, которая называется «Славянка» (рисунок 8) [8].

Рисунок 8 Схема смешанной обмотки возбуждения статора «Славянка»


     В работе Ю.М Агрикова, Е.Д. Дуюнова, В. Л. Блинова и Яковлев И. Н. указано: Эта обмотка состоит из двух взаимозависимых трехфазных обмоток, соединенных одна в звезду, другая - в треугольник при соотношении чисел их витков, равном 3, причем на каждую фазу приходится равное число пазов, фазные катушки уложены в пазы так, что результирующие векторы индукции магнитных потоков соседних фаз (то есть индуцируемых следующими друг за другом по окружности статора фазными катушками) равны по величине

амплитуды и образуют между собой угол в 30 эл. градусов. Устройство управления содержит p контроллеров, один из которых может быть ведущим, другие - ведомыми. При этом каждая пара полюсов запитана от отдельного контроллера [7].
     В результате использование смешанной обмотки возбуждения мотор- колеса, можно получить ряд существенных преимуществ по отношение к обычной обмотке асинхронного двигателя, а именно:
* Повышение КПД, что в свою очередь позволяет снизить расход электроэнергии и получить увеличение максимального запаса хода велосипеда на аккумуляторных батареях;
* Существенное	увеличение	крутящего	момента	создаваемого двигателем;
* Значительное увеличение пускового момента;
* Снижение пусковых токов в 2 раза;
* Значительное понижение уровня шума;
* Понижение температуры обмоток статора.
     Главной составляющей системы мотор-колеса В.В. Шкондина (рисунок 9) является импульсно-инерционный электродвигатель с внешним ротором.

Рисунок 9 Мотор-колесо В.В. Шкондина


     Сам статор состоит из кругового магнитопровода на котором закреплено четное количество постоянных магнитов с одинаковым шагом. Ротор отделяется

от статора воздушным зазором и на нем устанавливается четное число обмоток возбуждения, которые расположены попарно напротив друг друга и имеют по две катушки с последовательно встречным направлением обмотки.
     В работе В.В. Шкондина поясняется: на корпусе статора закреплен распределительный коллектор, на котором расположенные по окружности токопроводящие пластины. Пластины должны быть соединенны с учетом чередования полярности с постоянным источником тока. Токосъемники, установлены таким образом, чтобы была возможность контакта с пластинами коллектора, причем каждый из токосъемников должен быть подключен к одноименному выводу обмоток соответствующих обмоток  возбуждения статора. Каждая обмотка возбуждения имеет по две катушки с последовательно встречным направлением обмоток, причем обмотки катушек смежных электромагнитов соединены последовательно, а выводы обмоток противоположных электромагнитов, не подключенные к токосъемникам, соединены между собой.
     Количество постоянных магнитов статора, равное n и количество электромагнитов ротора равное m, подбирают таким образом, чтобы они удовлетворяли соотношениям:
n=10+4k, где k — целое число, принимающее значения 0, 1, 2, 3 и т.д.  m=4+2L, где L — любое целое число, удовлетворяющее условию 0<=L<=k [9].
     В результате, использования такого соотношения числа обмоток возбуждения статора и соотношения постоянных магнитов, их взаимное расположение и используемая схема коммутации мотор-колеса, приводит к резонансу токов протекающих через обмотки возбуждения, которые диаметрально расположены относительно друг друга. Как следствие уменьшаются скачки напряжения при пуске и разгоне электродвигателя. Также такая конструкция позволяет максимально эффективно  рекуперировать энергию торможения за счет возникновения противоЭДС на холостом ходе [9].
     На рисунке 10 изображен с щеточно-коллекторный механизм, который использовал в своем колесе В.В. Шкондин.


Рисунок 10 Мотор-колесо В.В. Шкондина с щеточно-коллекторным узлом и расположением статора внутри ротора

     При такой схеме конструкции имеется возможность исключить щеточно- коллекторный узел и взамен установить использовать силовые ключи. Для этого используются тиристоры или силовые транзисторы с изолированным затвором. Такая модернизация существо повысит надежность и повысит КПД установки. Снизит шум и вибрацию, а также уберет необходимость периодической замены трущихся частей механизма.

1.2.3 Мотор-колеса применяемые в уличных транспортных средствах


     В последние несколько лет становятся очень популярными различные уличные транспортные средства. Особенно эти транспортные средства популярны среди молодежи и туристов. Их небольшие габариты, относительно небольшой вес при хороших динамических и скоростных показателях, дают возможность использования, как на улице, так и внутри помещений. Существуют различные виды и модификации уличного транспорта, где применяются мотор-колеса.

Условно их можно выделить в следующие группы:
* Гироскутер;
* Моноколесо;
* Сегвей;
* Коляска, предназначенная для людей с ограниченными возможностями.
     Как правило, в большей части выпускаемых транспортных средств, ис- пользуется система мотор-колесо с прямым приводом (рисунок 11). Двигатель бесколлекторный постоянного тока, ротор располагается снаружи статора. На роторе закреплены постоянные редкоземельные магниты. В пазах статора рас- положена трехфазная обмотка и дополнительно на статоре закрепляется датчик холла, для того, чтобы отслеживать положение ротора и измерять скорость вращения.

Рисунок 11 Статор и ротор мотор-колеса гироскутера в разобранном состоянии

1.2.4 Мотор-колеса применяемые в луноходах


     В советский период в 60-е годы ХХ века был разработан единый, полностью герметизированный модуль мотор-колеса (рисунок 12), который включал в себя: электромотор (коллекторный двигатель постоянного тока), понижающий редуктор, тормозную систему и необходимые датчики. Применение мотор-колеса позволило обеспечить равную нагрузку не все колеса планетохода, эффективно использовать его мощность в сложных условиях эксплуатации (неровности ландшафта, камни и зыбкий грунт) и в случаях вывешивания одного или нескольких колес в воздухе [13].

Рисунок 12 Мотор-колесо советского лунного вездехода "Луноход-1" 1970г.


     На сегодняшний день ведутся разработки по созданию новых планетоходов. Применение мотор-колес, которые позволяют обеспечить индивидуальный привод на каждое колесо, представляется единственно возможным решением для организации движения по неопределенным участкам других планет.

1.2.5 Мотор-колеса применяемые в самолетах


     На сегодняшний день основную часть перемещений по взлетным полосам, к стоянкам аэропортов и ангаров самолеты выполняют с помощью специальных буксировочных машин. Эти буксировщики имеют системы сцепления с передней стойкой шасси, что даёт возможность парковать самолеты в ангар, подводить их к посадочным рукавам или совершать другие необходимые манёвры. Такие перемещения самолеты самостоятельно могут производить только при использование основного маршевого реактивного двигателя, что в свою очередь приводит к высокому  расходу топлива. Реактивные двигатели самолетов, в силу своей конструкции и принципа действия, не могут обеспечить точность маневрирования и езду задним ходом.
     Использование мотор-колеса, установленного как в передней стойки самолета (рисунок 13), так и в задней части шасси, решает данную проблему. При этом отпадает необходимости запускать реактивные двигатели, увеличивается точность маневров и обеспечивается безопасность судна при этих перемещениях. Дополнительно важно отметить, что при этом уменьшается количество выбросов отработавших газов в зоне аэропорта, что приводит к уменьшению загрязнения воздуха и окружающей среды в зоне аэропорта[14].

Рисунок 13 Мотор-колесо WheelTug для передней стойки самолета

1.2.6 Мотор-колеса применяемые в робототехнике


     Компактные мотор-колеса широко применяются в  робототехнике (рисунок 14). На данный момент существует огромное количество различных видов мотор-колес и компоновок  применяемых для создания роботов. Как правило, используются двигатели постоянного тока малой мощности. Внутри мотор-колеса установлен редуктор для увеличения момента создаваемого двигателя и уменьшения частоты вращения колес.

Рисунок 14 Мотор-колесо редуктор с двигателем постоянного тока и встроенным энкодером

     1.3 Классификация мотор-колес по способу передачи момента на колесо

     В настоящие время существуют различные варианты размещения двигателя внутри колеса. Если рассматривать мотор-колесо с точки зрения передачи крутящего момента непосредственно с ротора электродвигателя на обод колеса и обратно (в случаи организации рекуперативного торможения), то в таком случае мотор-колеса условно можно подразделить на следующие группы:

* Редукторные мотор-колеса;
* Безредкуторные мотор-колеса (прямой привод).

1.3.1 Редукторные мотор-колеса


     Редуктор - это механизм, который  преобразует и передает крутящий момент с одного вращающегося вала на другой. При этом редуктор имеет одну или несколько механических передач. К основным характеристикам редуктора относится - КПД, максимальные угловые скорости валов, количество ступеней и передач, количество ведущих и ведомых валов и передаваемая мощность.
     Обычно в мотор-колесах применяется редуктор, который  преобразует высокую угловую скорость вращения входного вала электродвигателя в более низкую скорость вращения на выходном валу. В результате, значительно повышается крутящий момент создаваемый двигателем. Редуктор, который преобразует высокую угловую скорость в более низкую, называют демультипликатором.
     Как правило, в мотор-колесах используется один из классов механиче- ских редукторов — планетарный (рисунок 14). Основой такого редуктора явля- ется планетарная передача с закрепленным водилом [11].

Рисунок 15 Планетарная передача

     Применение редукторного мотор-колеса (рисунок 16) в велосипедах имеет ряд особенностей:
* Ограничивается его максимальная скорость в пределах 30 км/ч;
* Мотор-колесо не создает дополнительного сопротивления при отключения двигателя благодаря обгонной муфте;
* Малые габариты и вес;
* Низкий шум;
* Низкая себестоимость по отношению к прямому приводу;
* Необходимость периодического обслуживания пластмассовых шестеренок.


Рисунок 16 Редукторное мотор-колесо для велосипеда


1.3.2 Безредукторные мотор-колеса


     Мотор-колеса, в которых отсутствует какой либо редуктор и в случаях, когда вращающийся ротор напрямую связан с ободом колеса, называются без- редкуторные мотор-колеса или колеса с прямым приводом (рисунок 17). Статор с обмотками возбуждения жестко закреплен на оси колеса. Ротор, на котором располагаются постоянные магниты, расположен снаружи статора. Ротор в

этом случае крепится к валу колеса с помощью подшипников. Подшипники в данной конструкции являются единственными трущимися деталями, которые подвержены износу. Таким образом мотор-колесо с прямым приводом оказыва- ется простой и надежной конструкцией. Однако это повышает его стоимость, при одинаковой мощности, по сравнению с редукторным мотор-колесом.

Рисунок 17 Мотор-колесо с прямым приводом


     Безредукторное мотор-колесо с прямым приводом, по сравнению с редукторным, обладает рядом существенных преимуществ, а именно:
* Простота и надежность конструкции;
* Повышение КПД всей системы выше за счет отсутствия редуктора;
* Возможность торможения двигателем в рекуперативном режиме;
* Значительное  увеличение максимальной скорости	(в среднем до 100 км/ч).
     Однако, использование колеса с прямым приводом не всегда целесообразно. Надо исходить из поставленных целей, задач и технических характеристик. Сравнивая оба типа колес, можно выделить ряд особенностей для мотор-колёс с прямым приводом по сравнению с редукторным:

* При одинаковой мощности мотор-колесо с прямым приводом стоит дороже редукторного колеса;
* Общие габариты и вес получаются значительно больше;
* Двигатель мотор-колеса оказывает сопротивление при вращению с отключенным питанием;
* Более	низкий	пусковой	момент	при	одинаковой	мощности двигателя.

1.4 Классификация мотор-колес по способу питания


1.4.1 Питание мотор-колес от контактной сети


Питание электрифицированного транспорта от контактной сети (рисунок
18) применяется в троллейбусах и троллейвозах. Контактная сеть троллейбуса состоит из сегментов. Эти сегменты изолированы друг от друга с помощью секционных изоляторов. Посредством воздушных или подземных фидерных линий каждый сегмент может подключаться к одной или нескольким подстанциям. Такая схема позволяет отключить отдельную секцию в том случае, когда она является поврежденной. Как правило, в России тяговые подстанции питают контактную сеть постоянным напряжением порядка 600 вольт [10].

Рисунок 18 Штанги троллейбус подключенные к контактной сети

1.4.2 Питание мотор-колес от бортового источника


     Бортовым источником питания для мотор-колес могут выступать аккуму- ляторные батареи или генератор. Генератор является частью электрической передачи. Такой тип питания используется на большегрузных автомобилях в тех случаях, когда организация механической трансмиссии очень трудозатрат- на. Электрическая передача обеспечивает передачу тягового усилия от основ- ного двигателя (чаще всего двигателя внутреннего сгорания) к движителю пу- тем соединения в единую группу генератора и тягового электродвигателя. Электрическая передача постоянного тока (или с промежуточным звеном по- стоянного тока), обеспечивает независимость частоты вращения движителя с частотой вращения первичного двигателя. Такая система создаёт удобство при трогании с места, при изменении направления вращения и полное использова- ние мощности двигателя во всём скоростном диапазоне.
     В качестве аккумуляторов в этом случае чаще всего применяются литий- ионные батареи [12]. Это широко распространенный тип источника энергии в электромобилях, велосипедах, уличных транспортных средствах и другой тех- нике.
К плюсам литий-ионных аккумуляторов можно отнести:
   * Возможность подзарядки по мере необходимости;
   * Высокую ёмкость;
   * Небольшую массу;
   * Очень низкий показатель саморазряда;
   * Возможность быстрого заряда. Минусы:
* Высокая стоимость;
* Ограниченный срок службы;
* Существенная потеря емкости при отрицательных температурах.

1.5 Векторная ШИМ


     Векторная ШИМ один из способов управления электродвигателем. В его основе лежит преобразователь частоты, использующий для преобразования энергии полупроводниковые элементы. При использовании векторной модуляции определяется необходимый  момент открытия вентиля с целью формирования заданного вектора напряжения (рисунок 19).
     Использование данного метода управления позволяет снизить потери в силовых ключах на синфазную помеху, так как происходит минимально необходимое количество открытий силовых ключей за один  период коммутации. Также улучшается гармонический состав генерируемого напряжения.
Рисунок 19 – Базовые вектора напряжений 3-х фазного инвертора при векторной ШИМ

     Из рисунка 19 мы видим все базовые векторы коммутации (V0-V7). В каждый момент времени должен быть открыт хотя бы один из силовых ключей на одной из фаз. Также на рисунке 19 показ формируемый вектор напряжения Vref и его максимальная амплитуда Vref_MAX в зоне линейной модуляции [3].

2 Выполнение работы


2.1 Расчет мощности двигателя мотор-колеса


     Исходя из заданных нами требований приблизительно рассчитаем требуемую мощность двигателя мотор-колеса для велосипеда:
     Возьмем среднюю массу человека равную 80 кг. mч=80 кг. Прибавим к этой массе массу самого велосипеда, мотор-колеса, аккумуляторных батарей и прочего. Получим общую массу системы равную m=100кг.
     Для комфортного перемещения в городских условиях, а главное организации безопасного дорожного транспортного движения, примем максимальную скорость велосипедиста равную Vmax=50км/ч=13,8м/c.
     Допустим, что мы хотим достичь максимальной скорости движения за время равное t=14c.
     При условии, что ускорение равноускоренное, рассчитываем требуемое ускорение велосипеда по формуле:
            
(1)
где – начальная скорость движения равная; t – требуемое время разгона.
По формуле 1 получаем:

                     с 

     Отталкиваясь от полученных данных, посчитаем силу , которую необходимо приложить к велосипеду для движения с необходимым ускорением в идеальных условиях по формуле:
 ид         
где m – масса системы; a – требуемое ускорение каретки.
По формуле 2 получаем:
      

 ид	с 
(2)
     Рассчитаем пройденный путь велосипедистом за время t с постоянным ускорением по формуле:

   

             
(3)
Используя формулу 3 получаем:

    с         
   	      
 

     Исходя	из	полученных	данных,	рассчитаем	работу	силы	ид	на расстояние		при условии, что косинус угла между направлением силы и
перемещением равен 90 градусов, по формуле:
     ид      
(4)
Исходя из формулы 4 получаем:
      

с		с 
     Зная работу силы, посчитаем необходимую  мощность двигателя в идеальных условиях необходимую для разгона велосипедиста до заданной скорости по формуле:
 

      
(5)


По формуле 5 получаем:

    
   


       с 

    
     Рассматривая китайский рынок мотор-колес для велосипеда с учетом запаса мощности, для наших целей подойдет безредукторное мотор-колесо. Основу такого колеса составляет бесколлекторный вентильный двигатель с внешним ротором на постоянных магнитах 46SH и мощностью 750 Вт, который рассчитан на номинальное напряжение 96 Вольт и имеет крутящий момент в среднем значении:15-35 Н?м.
     Оптимальный диаметр D колеса для современного велосипеда вместе с покрышкой составляет в среднем значении: 600 миллиметров. Заданная нами скорость движения велосипеда - 14 м/c. Для того, чтобы рассчитать необходи- мую скорость вращения ротора двигателя в минуту на заданной скорости, ис- пользуем общепринятую формулу:

 
           
(6)
где S-пройденное расстояние велосипедом за 1 секунду; D-полный диаметр колеса велосипеда.
Получаем исходя из формулы 6:
            
      о     и 


2.2 Расчет силового модуля управления 3-х фазной обмоткой статора


     Для того чтобы иметь в возможность управлять, а следовательно плавно регулировать скорость вращения ротора вентильного двигателя или асинхронного двигателя, необходимо подавать на обмотку возбуждения каждой фазы синусоидальной напряжение различной частоты. Синусоиды напряжения должны быть смещены по времени относительно друг друга на угол 120 градусов (рисунок 20).
     Если принять начальную фазу равную нулю, то система уравнений дейст- вующих напряжений может быть записана в виде:
U1=Umax sin( t) U2=Umax sin( t-1200) U3=Umax sin( t-2400)
Рисунок 20 – 3-х фазное синусоидальное напряжение

     Плавно изменяя частоту вращающегося магнитного  поля  можно добиться необходимой частоты вращения ротора.
     Для того чтобы организоваться силовую часть управления и генерировать 3-х фазное напряжение различной частоты, необходимо шесть силовых транзи- сторов с изолированным затвором (рисунок 21). Транзисторы должны быть включены попарно на каждую фазу.

Рисунок 21 Мостовая схема включения транзисторов


     Как правило, в современных схемах используются IGBT транзисторы. Они состоят одновременно из биполярного и полевого транзистора. В сумме такой комплекс представляют собой биполярный транзистор с изолированным затвором.
     Для расчета номинального тока протекающего через фазу заданного двигателя, используем стандартную формулу:
 	 	    

   	                    
(7)
где	о    –	это	мощность	электродвигателя;	о	–напряжение;	? –	это коэффициент полезного действия; – это коэффициент мощности.
Из формулы 7:
      
                                 
     Исходя из расчета, воспользуемся готовым модулем IRAMX16UP60A (рисунок 22), содержащим шесть IGBT транзисторов, который предназначен

для реализации управления трехфазным электродвигателем. Данный модуль подходит для управления, как трехфазным асинхронным двигателем, так и бесколлекторным вентильным двигателем на постоянных магнитах.
Рисунок 22 Модуль IRAMX16UP60A


Таблица 1 Номинальные данные модуля IRAMX16UP60A


Характеристики

Р, кВт
I0, А
Pd, Вт
Fшим, кГц
  Размеры корпуса, мм
IRAMX16UP60A
1
16
31
20
62х29х5,5

     Исходя из номинальных данных в таблице 1, этот модуль рассчитан на ток в одной фазе I0 =16А при температуре 250. С учетом использования плавно- го частотного пуска двигателя мотор-колеса, превышение расчетного номи- нального тока будет не значительным. Из полученных расчетов следует, что взятый с запасом более чем в два раза по току модуль, будет полностью удов- летворять нашим условиям [15].
     Данный модуль содержит в себе защиту от перегрузки по току. При про- текание тока выше номинального, срабатывает защита. Также в модуле преду- смотрен встроенный драйвер, который не позволяет открывать одновременно два транзистора на одной фазе. Такое открытие может привести к короткому замыканию, что в свою очередь мгновенно выведет из строя силовые ключи. Управляется данный модуль посредством 6 ШИМ сигналов.



Рисунок 23 Схема подключения модуля к контролеру и двигателю


     На рисунке 23 показана принципиальня схема подключения транзисторного модуля к 3-х фазному двигателю, организация обратной связи по току, а также подключение управляющих сигналов от  микроконтроллера [15].

2.3 Подбор микроконтроллера для системы управления двигателем


     Для организации управления силовым модулем необходим программи- руемый микроконтроллер. Чтобы реализовать плавный пуск двигателя, иметь возможность более точно изменять число оборотов и добиться лучших динами- ческих характеристик за счёт увеличения крутящего момента, необходимо, чтобы контролер имел возможность обрабатывать обратную связь по току или воспринимать информацию о положение ротора с датчиков холла.
     Одним из способов управления вентильным или асинхронным двигателем является векторная широтно-импульсная модуляция. В нашем случае имеется три фазы и по два силовых транзистора, включенных в мостовую. Чтобы

управлять ключами, необходима поддержка микроконтроллером шести различ- ных каналов генерируемых ШИМ сигнал.
     Для наших целей подходит 8-битный микроконтроллер семейства AVR ATmega328P (рисунок 24), который может выполнять большое количество ко- манд за один такт процессора [16].

Рисунок 24 Микроконтроллер ATmega328P


Ключевые технические характеристики контролера:
* 32 kB памяти для программ;
* 2 kB оперативной памяти;
* 1 kB постоянной памяти;
* Два 8-битных таймера/счетчика с модулем сравнения и делителями частоты;
* 16-битный таймер/счетчик;
* Счетчик реального времени с отдельным генератором;
* Шесть каналов ШИМ;
* 6-канальный ЦАП со встроенным датчиком температуры;
* Программируемый последовательный порт USART;
* Последовательный интерфейс SPI;

* Интерфейс I2C;
* Программируемый сторожевой таймер с отдельным внутренним ге- нератором;
* Внутренняя схема сравнения напряжений;
* Блок обработки прерываний и пробуждения при изменении напря- жений на выводах микроконтроллера;
* Сброс при включении питания и программное распознавание сни- жения напряжения питания;
* Внутренний калибруемый генератор тактовых импульсов;
* Обработка внутренних и внешних прерываний;
* Напряжения питания и скорость процессора: 4.5 - 5.5 В при частоте до 20 МГц.

2.4 САПР P-CAD


     P-CAD – это программное обеспечение, основой которого является сис- тема автоматизированного проектирования печатных плат. В ней можно созда- вать многослойные печатные платы для различных электронных устройств. Па- кет программного обеспечения P-CAD содержит в себе модули: графического редактора принципиальных схем, графического редактора печатных плат и дру- гие модули, предназначенные для создания и работы с библиотеками элемен- тов.
Готовый проект печатно.......................