一、谐波定义
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。

二、谐波源
向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，称为该电路的特征谐波。对称三相变流电路的网侧特征谐波次数为：…（正整数）
式中p为一个电网周期内脉冲触发次数（或称脉动次数）。除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如果5，7，11，13次等。对于p脉动的变流电路，假定直流侧电流为理想平滑，其网侧n次谐波电流与基波电流之比为：
式中为换流重叠角。，估算时可取。如直流侧电流波纹较大，则5次谐波幅值将增大，其余各次谐波幅值将减少。当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量（最多可达20）进入电网。

三、谐波传输
对于多电压等级的电网，其谐波阻抗的特点是Zn（高压侧）Zn（低压侧）。谐波电流由低压侧流向高压侧，其大小基本上与高压侧参数无关，可视为恒流源。谐波电压由高压侧传输到低压侧，可视为恒压源。在进行谐波分析时，就是根据这个原则构造电网的谐波等效电路。
1.电网元件的频率特性
在谐波频率范围内，由于涡流和漏磁场的作用，电网元件的谐波参数要考虑长线效应，即变压器和导线的等效电阻R随频率的上升而增加，等效电感L随频率的上升而降低。电缆、导线和电容器的电容C基本不随频率变化而保持恒定。负载阻抗与频率的关系依负载的不同而异（见图1：负载有功电导频率关系图）。电机类负荷在简化分析时可只考虑其漏感。电机漏感Lsn的频率特性与变压器相似。
2.电网等效电路
电网可以由电网各元件的谐波参数Rn，Ln和Cn组成等效网络。三相对称电网的等效电路图通常采用单相表示（见图2：电网及其等效电路和阻抗矢量轨迹图）。根据等效电路计算各频率下的节点导纳矩阵Yn，求出阻抗Zn=，计算谐波电压Un=ZnIn。
电网在某些谐波频率下会发生并联谐振，导致谐波电流大幅度增加。

电网的并联谐振频率按下式计算：
式中Sk为节点B的短路功率（MVA）；
Sc为电网充电功率（包括并联电容器的功率，MVA）。
谐振回路品质因数Q的大小取决于谐振频率和电网的负荷率，负荷率下降，品质因数升高。低压电网的品质因数为2~3，高压公用电网为2~5，高压工业电网约为10。低压电网无并联电容器时，其谐振频率一般不在谐波范围内。

四、谐波限值
为使电网谐波电压保持在允许值以下，必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数工业发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则，即在一个共同的电磁环境中，电气设备既能正常工作，又不得过量地干扰这个环境（见图3：电磁相容性）。

我国已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量：公用电网谐波》，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值（见表1及表2）。
电压或电流的正弦波形受谐波影响而畸变的程度用谐波电压或电流含有率表示：
HRVn=（Un/U1）100
HRIn=（In/I1）100
式中Un、In为第n次谐波电压、电流有效值；
U1、I1为基波电压、电流有效值。
表1公用电网谐波电压（相电压）极限值

电网标称电压
kV
电压总谐波畸变率

各次谐波电压含有率
奇次偶次
0.385.04.02.0
6（10）4.03.21.6
35（66）3.02.41.2
1102.01.60.8

表2注入公共连接点的谐波电流允许值

标准
电压
kV基准短路
容量
MVA谐波次数及谐波电流允许值（A）
234567891011121314151617181920
0.381078623962264419211628132411129.7188.6167.8
610043342134142411118.5167.1136.16.85.31.4.79.04.3
10100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.1326.02.85.42.6
3525015127.7125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.61.73.21.5
6650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.62.03.81.83.41.6
110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.71.51.52.81.32.51.2

五、谐波危害
谐波增加电气设备的热损耗，干扰其功能甚至引发故障。另外谐波可对信息系统产生频率藕合干扰。
1.电动机
谐波电压在电动机短路阻抗上产生的谐波电流和电动机负序基波电流I一起使设备产生附加热损耗，并且在电动机起动时容易发展成干扰力矩。谐波电流和负序基波电流有效值之和一般不得大于电动机额定电流Ie的5~10，即
如果电动机不是按额定功率连续运行，可以允许短时超出上述限值。
2.电容器
谐波可使电容器过流发热。在畸变电压下电容器的电流有效值为：
有关规程规定电容器长期工作电流不得超过1.3倍额定电流（Ic=CUn）。位于谐波源附近的电容器或者滤波电容器通常按较高的电流有效值特殊制造。
3.电子装置
谐波电压可使晶闸管触发装置发生触发错误，甚至导致设备故障。谐波也会对电网音频控制系统和计算机产生不良影响。
4.通讯系统
在2.5kHz以下导线间电感电容藕合作用随频率呈近似线性上升，特别是较高次谐波会对通讯及信息处理设备产生干扰。

六、谐波测量
测量谐波电流使用低感分流器（约L/R）和电子式电钳，测量谐波电压使用电阻分压器或电容式分压器。
谐波测量设备基于快速傅立叶分析原理，由模拟滤波器和模拟（数字）相关器或者计算机组成。
谐波阻抗测量是使用一个可控式电源向电网注入谐波频率电流，然后分别测量谐波电压的幅值和相位。

七、谐波抑制
将三相桥式电路的脉动数从6提高到12，可消除5，7次谐波。将多个谐波源接于同一段母线，利用谐波的相互补偿作用也可降低电网谐波含量。
当谐波量超出规程允许值或者电网在谐波范围内有谐振时，通常设置单调谐滤波器吸收特征谐波。对于13次及以上的谐波，可设置一个高通滤波器。滤波回路也会吸收电网原有谐波并可能性导致过负荷。一般通过调整失谐率，降低品质因数或者通过附加电子装置控制电流值来避免过负荷。
电容器可通过串联电抗器形成谐波阻塞回路，以防止电容器谐波过负荷。一般将串联谐振频率定在250Hz以下。

交流接触器短路环作用：磁机构的磁通是交变的,当磁通为零时,吸力也为零,这时候衔铁在弹簧的反力作用下被拉开,磁通过零后吸力再逐渐增大,吸力大过弹簧反力时衔铁又吸合,在如此反复循环的过程中衔铁产生强烈的振动和噪音,振动使电器寿命缩短,并使触点接触不良.磨损.或溶焊,装了短路环后将气隙磁通一分为二,一部分磁通穿过短路环,将在环内产生感应电动势.感应电流,产生磁通,此磁通分别与线圈电流产生的磁通不仅相位不同而且幅值也不一样,有这两个磁通产生的电磁力就不再同时过零点,这时,合成磁力就相当平稳,只要最小吸力大于反力,那么衔铁将会牢牢地吸住,不会产生振动和噪音.

交流接触器是一种电磁式自动开关，它主要用于远距离控制功率较大，启动频繁的电动机及其它负载，是电力系统中最常用的控制电器；它故障时易造成设备与人身事故，须设法排除。
原因处理及分析方法
下面就交流接触器几种不同的故障现象，加以分析，并给出相应的处理方法，如下：

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摘要：方波驱动的无刷直流电机由于力矩大，运行可靠，在电动车控制器中广泛应用，方波驱动最大的缺点在于换相时的电流突变引起的转矩脉动，导致噪声较大，但好的控制策略可以大大改善换相噪声。电动车控制器设计的难点在于电流控制，本文就电动车控制器设计的一些关键地方加以描述。

关键词：电动车控制器 直流无刷电机 换相 同步整流

1. 概述

电动自行车上使用的电机普遍采用永磁直流电机.所谓永磁电机，是指电机线圈采用永磁体激磁，不采用线圈激磁的方式。这样就省去了激磁线圈工作时消耗的电能，提高了电机机电转换效率，这对使用车载有限能源的电动车来讲，可以降低行驶电流，延长续行里程。

永磁直流电机按照电机的通电形式来分，可分为有刷电机和无刷电机两大类，有刷电机由于采用机械换相装置导致可靠性和寿命降低，因此逐渐退出电动车市场。

无刷电机又可分为有传感器和无传感器两类，对于无位置传感器的无刷电机，必须要先将车用脚蹬起来，等电机具有一定的旋转速度以后，控制器才能识别到无刷电机的相位，然后控制器才能对电机供电。由于无位置传感器无刷电机不能实现零速度启动，所以现在生产的电动车上用得较少。目前电动车行业内使用的无刷电机，普遍采用有位置传感器无刷电机。

有位置传感器永磁直流无刷电机按照内部传感器的安装位置不同，又可分为60度电机和120度电机。在120°的霍尔信号中，不可能出现二进制000和111的编码，所以在一定程度上避免了因霍尔零件故障而导致的误操作。因为霍尔组件是开漏输出，高电平依靠电路上的上拉电阻提供，一旦霍尔零件断电，霍尔信号输出就是111。一旦霍尔零件短路，霍尔信号输出就是000，而60°的霍尔信号在正常工作时这两种信号均会出现，所以一定程度上影响了软件判断故障的准确率。因此目前市面马达已经逐渐舍弃60°相位的霍尔排列。

2. 永磁直流电机基本原理

2.1. 主回路电路

图1

图中ABC表示电机的3相绕组，采用星形接法，V1~V6表示功率场效应管，如果将V1~V6用如下的时序波形驱动，则3相绕组会按照AB-AC-BC-BA-CA-CB顺序通电(AB表示电流由A相流向B相)，产生一个旋转的磁场，牵引外转子(永磁体)旋转。

导通顺序

图2

3. 电动车控制器功能要求

* 功能性要求：

1. 电子换相

2. 无级调速

3. 刹车断电

4. 附加功能

A. 限速

B. 1+1助力

C. EBS柔性电磁刹车

D. 定速巡航

E. 其它功能(消除换相噪音，倒车等)

* 安全性要求：

1. 限流驱动

2. 过流保护

3. 堵转保护

4. 电池欠压保护

5. 降低温升

6. 附加功能(防盗锁死，温升限制等)

7. 附加故障检测功能

从上面的要求来看，功能性要求和安全性要求的前三项用专用控制芯片用加上适当的外围电路均不难解决，代表芯片是摩托罗拉的MC33035，早期的控制器方案均用该集成块解决。但后来随着竞争加剧，很多厂商都增加了不少附加功能，一些附加功能用硬件来实现就比较困难，所以使用单片机来做控制的控制器迅速取代了纯硬件的专用控制芯片。

但是硬件控制和软件控制有很大的区别，硬件控制的反应速度仅仅受限于逻辑门的开关速度，而软件的运行则需要指令执行时间。要使软件跟得上电机控制的需求，就必须要求软件在最短的时间内能够正确处理换相，电流限制等各种复杂动作，这就涉及到一个对外部信号的采样频率，采样时机，信号的内部处理判断及处理结果的输出，还有一些抗干扰措施等，这些都是软件设计中需要仔细考虑的东西。

在本方案中，我们采用了一颗集成PWM发生器的8位单片机SH79F081，采用优化的单机器周期8051内核，内置16k Flash存储器，兼容传统8051所有硬件资源，采用JTAG仿真方式，内置16.6MHz振荡器，同时扩展了如下功能：

* 双DPTR指针。 16位 x 8乘法器和16位/8除法器。

* 3通道带死区控制PWM，6路输出，输出极性可设，提供周期溢出功能

* 集成故障检测功能，可瞬时关闭PWM输出。

* 提供硬件抗干扰措施。

* 集成高速10bit ADC。

* 提供Flash自编程功能，可以模拟用做EEROM，方便存储参数。

这颗IC由于CPU运行速度和AD采样速度都很快，PWM功能强大，硬件抗干扰功能多，非常适合作电动车控制器。

4. 软件实现

下面我们挑选对控制器性能和安全比较重要的功能来讨论编程中应该注意的问题。

4.1. 减小换相噪声

上文已提过，无刷直流电动机方波驱动最大的缺点是换相时电流不能持续，导致有转矩脉动，因此衡量控制器好坏很大程度上是取决于换相是否能做好。

在电动车刚刚起步的时候我们会发现换相时电机会发出很大的突突声，这是由于电机起步时电流比较大，而电机是个感性负载，换相后由于电机线圈电流不会一下增大到换相前的水平，这样就造成换相前后电流反差非常大，从而导致牵引力的急剧变化，这种变化便会引起电机强烈振动，这种振动噪声不能完全消除，但可以采取一些措施减小噪声

方法1：在换相后的一段时间使PWM脉冲占空比达到100%来使电流增长快一点，从而减轻振动噪声。需要提醒的是在这个过程中我们需要随时监测电流变化，电流一达到换相前的水平就可以恢复换相前的PWM占空比。

方法2：延迟关闭换相MOS管，方波驱动直流无刷电机是6步驱动，定子励磁每隔60度电角度跳跃一次，保证定子磁动势方向和转子磁动势方向夹角在60°到120°之间运行，因为夹角在90°时转动力矩最大，夹角为0°或180°时没有转矩，现假设电机正转，AB导通要切换到AC导通，此时AB绕组通电产生的定子磁势和转子磁势夹角为60°，如果正常切换到AC导通，则AC绕组通电后，定子磁势和转子磁势夹角变为120°，由于切换到AC通电后电流要从0开始爬升，因此此时定子磁势幅值很小，导致转矩降低，但如果此时不关闭B，同时将下桥C打开，则定子磁势和转子磁势的夹角变为90°，而且由于AB相电流基本没有变化，而C相电流还很小，因此换相前后转矩变化很小，但要注意，等C相电流爬升后要将B相关闭，否则3相导通的合成力矩比2相导通力矩大，也会发生转矩波动。

4.2. 电子刹车：

电子刹车其实是将电动机当做发电机机运行，因此会产生电磁制动转矩，检测到电子刹车信号后，cpu将上三路PWM关闭，将下三路同时打开，占空比设为某一固定值，这样，电机相当于工作在发电机状态，给蓄电池充电，充电电流和下三路占空比有关，占空比越大，则充电电流越大，剎车制动能力越强，由于目前电动车上装配的电子剎车都是开关信号，使用者无法调整剎车力矩，完全由控制器决定，不过由电动机的特性， 即使占空比固定，电子剎车时转速越高，发电机感生电压越高，回馈充电能力越强，剎车力矩越大， 当然，最好是装配线性剎车传感器，使用者会更方便。

4.3. 恒流驱动

电流信号经康铜丝采样之后分两路，一路送至放大器，一路送至比较器。放大器用来实时放大电流信号，放大倍数大约6.5倍，放大后的信号提供给单片机进行AD 采样转换，转换所得数字用来控制电流不超过我们所允许的值。另一路信号送至比较器，当电流突然由于某种原因大大超过允许值，比如一只MOSFET击穿或误导通时，比较器翻转送出低电平，送给79F081的FLT引脚，无需单片机执行程序，IC硬件会自动关闭PWM输出，从而保护MOSFET避免更大伤害。

电流采样时间点很重要。因为使用PWM脉冲驱动，这种脉冲驱动导致的直接结果是放大后的电流信号与PWM脉冲频率相同，相位上滞后一定时间的脉动电流波形，这种波形如果没有经过滤波处理，将会类似于一个梯形，如果我们要获得准确的电流AD转换值，最好的办法就是在梯形波的上边中间采样电流信号，这样所获得的电流AD值才能较为准确地反应电流的实际大小。在SH79F081中AD转换的采样由ADCON中的GO/DONE启动， 完成一次ADC转换分为采样和保持两段时间，采样时间内，外部仿真输入信号将ADC内部采样电容充满， 保持时间内，IC内部逐次比较得出A/D结果。在应用中ADC采样的时间一般为2μS，而转换时间为12μS。

AD采样启动与PWM中断同步，进入PWM中断处理城市后，先执行一些PWM事件的处理，然后开启AD采样，这样采样点刚好落在电流梯形波的上边， 即使由于PWM占空比很小时，开启时间小于一次ADC转换时间也没有影响，只要保证大于采样时间即2μS即可，转换时间内即使外部输入仿真量变化了也不会影响ADC转换结果。

这样采样出来的结果实际上是PWM有效期间(为高)时的电流，电流控制实际是控制平均电流。(FLT 短路保护是控制瞬态电流)。因此需要乘上PWM占空比得到平均电流，因为理论上，PWM周期内无效(低电平)期间主回路上是没有电流的。

根据电流采样的结果来实时调整PWM的占空比，实现电流闭环，理论上电流闭环的时间常数可以做到一个PWM周期时间(60us左右)。
4.4. 同步整流

电机是电感性负载，采用PWM开关驱动，在功率管关断期间由于电流不能突变，必须要有续流回路，功率MOSFET一般内置有续流二极管，但是续流二极管压降在1V左右，而电动车工作电流可能达到20A，此时续流二极管消耗的功率会很大，很容易导致发热烧毁。因此必须另外提供续流回路。

我们知道功率MOSFET，源级和漏级是可以互换的，因此可以将互补的桥臂驱动开启建立续流回路，从而大大降低功耗。但需注意，上桥在关断后，下桥不能立即开启来实现续流，而是需要插入一个死区时间以避免上下桥臂直通造成电源短路。79F081有6路pwm输出，内部集成上下桥死区控制，因此实现同步续流非常方便。

5. 总结

采用上述方案做成的电动车控制器，无需外加门电路，CPU执行速度和ADC转换速度都足够满足电流闭环速度要求，PWM六路输出直接控制3相全控桥的6个晶体管。集成死区控制功能，因此很适合用在电动自行车控制器上， 此方案实际测试效果不错，目前已经量产。

附：方案原理图

图3：方案原理图。
 

　　法则1：电动机的力矩是与一定时间内通过的电流与电压的乘积成比例、并在启动时(未转动时)取得最大值。(根据这个，通常因为电压一定，所以只和电流量成比例)
　　法则2：要增大电流，可以通过加粗线圈减少电阻、或减少线圈数(线圈的总长度)。或者，增加负荷。
　　法则3：线圈线加粗了就不要增加线圈数(不减少的话转子里收不进去)，相反线圈线改细而不增加线圈数的话，纯粹提高转速会使力矩减小而无法使用，因此请注意。
　　法则4：一般来说，线圈数越少、转子的电阻越低，导致电流变大、转速提高。
　　法则5：一般来说，线圈数越少力矩越小，话虽这么说，说到底这是对于做完全相同线径而线圈数不同的转子而言。现实中，因为是低线圈数配合大线径，这样转子的内部阻抗减小，使更多的电流通过，所以力矩、转速都提高，这是常识了。还有，电机的输出和磁铁的磁性有很大的关系，近年来和线圈数的多少相比，磁铁的磁强、转子中的线径(转子内阻)等也是需要注意的。(特别是TAMIYA的电机，需要注意的是磁铁强度、转子长短因各个型号不同多种多样。)
　　法则6：相同的线圈数的话，依一重、二重、三重、四重、五重、六重的顺序，线径变细，线圈的密度增高。(所谓的多重线圈，就是同时用多根线绕成。Double=二重，也就是用2根线同时在转子的芯上绕成。一般而言，虽然是同样的线圈数多重绕线的电感(浅显的说就是线圈的反抗)增加、因此冲击减少，会有柔和的感觉。相反，多数情况下耗电量减少。转子说到底就是线圈，在切换极性时，会包含交流成分。与直流电的“直流阻抗”不同，会有另一种形式的阻抗。详细请参考高频电路的教科书。)
　　法则7：总的来说一定程度上多重绕线的话，容易做出动平衡良好、旋转平稳的转子。(但是一般只做到四重“Quart”绕线，再往下就是看各位的兴趣了。)
　　法则8：进角不象线圈数那样对耗电量、输出有影响。(如果改变进角而导致耗电量急剧恶化，那是齿数比的责任。通过改变进角可以使空载转速大幅改变，但作为电机基本特性的力矩、输出等不会意外改变。)
　　法则9：相同的转子，磁铁的磁力强的话，转速、力矩都会提高。
　　法则10：磁力大小和相距距离的平方成比例，因此即使使用相同的磁铁，和转子间的距离(所谓的air gap)不同的话、力矩和效率就会变动。(一般的，虽说air gap小可以使电动机达到高性能，但如果过窄的话，芯子和磁铁可能会发生摩擦。作为对策，2001年的时候开始，对23圈的stock电机做切削以增加圆度的厂商开始出现(HPI/Orion，Kawada(川田模型)等)。另外，Off road的情况下，由于小石子嵌入而导致失速的危险性很高，本来合适的air gap可能对于off road来说就不对了。 )
　　法则11：由于电流的影响，正极的电刷比负极损耗快。
　　法则12：温度对电动机的性能有很大的影响。
　　所谓的“过热”就是，电机的电阻及电刷的摩擦而带来的温度上升，伴有线圈的电阻增加及磁铁磁性降低等重叠发生的现象。
　　法则13：无道理的油门动作是电机发热的根本原因。
　　法则14：再出色的电机，也不能防止驾驶失误。
　　<力矩和电机负荷的关系>
　　正如法则1所写的，电动机的最大特点是，“启动时产生最大力矩”。这是和内燃机构的发动机最根本的不同点，就算头脑里已经知道了，现在还是时常被忘记。顺便提一句，对于内燃机构，所谓的力矩因为是“燃料燃烧的程度”，所以一定程度上即使转速提高(力矩)也可以发挥出来。