電動自行車調速系統(tǒng)的設計

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1、目 錄 內容摘要： 1 關鍵詞： 1 Abstract 1 Key words: 1 1.引言 2 2.系統(tǒng)要求 2 2.1電動自行車車對電動機的基本要求 2 2.2采用永磁無刷直流電動機 3 3.電路設計 3 3．1電源電路和顯示電路 4 3．2控制電路 4 3.3驅動電路及原理 5 4.主要器件性能及原理 7 4.1MCS-51單片機內部結構 7 4.2永磁無刷直流電動機 7 4.3三端式穩(wěn)壓器78L05的工作原理 8 5.結束語 11 參考文獻 12 致 謝 13 電動自行車調速系統(tǒng)設計 內容摘要：隨著科學技術的不斷發(fā)展，單片機被廣泛

2、應于電動自行車領域。單片機控制的永磁無刷直流電動機調速系統(tǒng)適用于電動自行車等小功率的工作情況。并能將多余的電能回潰。該系統(tǒng)具有調速性能好、功率因數(shù)高、節(jié)能、體積小、重量輕等優(yōu)點。本文從系統(tǒng)要求分析入手，將整個系統(tǒng)分成四個部分，分析和討論了各個部分的電路原理、控制策略、實現(xiàn)方法。系統(tǒng)各部分的控制電路基于Intel公司的控制芯片8051單片機。根據(jù)永磁無刷直流電動機的特性實施脈寬PWM控制，并通過轉速傳感器測量轉速通過八段數(shù)碼管動態(tài)顯示轉速，通過軟硬件的配合，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的設計要求。 關鍵詞：單片機 永磁無刷直流電動機 設計 Abstract：With the development o

3、f science and technology, SCM is widely used in the field of electric bicycle. The speed control system of permanent magnet brushless DC motor controlled by single chip microcomputer can be applied to the operation of electric bicycle and other small power. And will be able to return the excess powe

4、r. The system has the advantages of good speed performance, high power factor, energy saving, small size, light weight and so on. In this paper, from the system requirements analysis, the whole system is divided into four parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit principle,

5、control strategy, implementation method. Control circuit of each part of the system is based on the control chip of Intel company 8051. According to the permanent magnet characteristics of Brushless DC motor PWM control and the speed sensor by eight digital tube dynamic display of speed, together wi

6、th the hardware and software to achieve the design requirements of the whole system. Key words: single chip microcomputer permanent magnet brushless DC motor design 1.引言 電動車的發(fā)展史比燃油汽車更長，世界上第一輛機動車就是電動車。后來，由于燃油汽車技術的迅速發(fā)展，而電動車在能源技術和行駛里程的研制上長期未能取得突破，從20世紀20年代初至60年代末，電動車的發(fā)展進入了一個沉寂期。進入70年代以來，由于中東石油危機的

7、爆發(fā)以及人類對自然環(huán)境的日益關注，電動車才再度成為技術發(fā)展的熱點。近幾十年來，主要工業(yè)化國家為電動車的開發(fā)投入了大量的人力和財力，電動車的各項相關技術也取得了重大的進展。盡管電動車在能源和行駛里程的研制方面，至今尚未取得突破性的進展，但是電動車的美好前景仍然激勵著人們鍥而不舍地開發(fā)新型電動車，改善其性能。 當前能源和環(huán)境對人類的壓力越來越大，要求盡快改善人類生存環(huán)境的呼聲越來越高。為了適應這個發(fā)展趨勢，世界各國的政府、學術界、工業(yè)界正在加大對電動車開發(fā)的投資力度，加快電動車的商品化步伐。雖然目前電動車在能源和行駛里程方面還未能盡如人意，但已足以滿足人們的基本需要。從技術發(fā)展的角度來看，在走過

8、了漫長而艱難的發(fā)展歷程之后，電動車正面臨著重大的技術突破，有望成為21世紀的重要交通工具。人類與環(huán)境共存和全球經濟的可持續(xù)發(fā)展使人們迫切希望尋求到一種既能代替人力又低排放和有效利用資源的交通工具，電動車是一種安全、經濟、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨特的優(yōu)越性和競爭力，因此使用電動車無疑是一種很有希望的方案?，F(xiàn)代電動車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學以及化工技術等多種高新技術的綜合產品。整體的運行性能、經濟性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機驅動控制系統(tǒng)。電動車的電機驅動系統(tǒng)一般由四個主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動機及傳感器。目前電動車中使用的電動機一般有直流電動機、感

9、應電動機、開關磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。 2.系統(tǒng)要求 2.1電動自行車車對電動機的基本要求 電動自行車的運行，與一般的工業(yè)應用不同，非常復雜。因此，對驅動系統(tǒng)的要求是很高的。電動車用電動機應具有瞬時功率大，過載能力強、過載系數(shù)應為，加速性能好，使用壽命長的特點。電動自行車用電動機應具有寬廣的調速范圍，在恒轉矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉矩時具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。電動自行車用電動機應能夠在車減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電汽車具有最佳能量的利用率，這在內燃機的摩托車上是不能實現(xiàn)的，電動

10、車用電動機應在整個運行范圍內，具有高的效率，以提高一次充電的續(xù)駛里程。另外還要求電動車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結構簡單適應大批量生產，運行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。 2.2采用永磁無刷直流電動機 永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有與組成的機械接觸結構。加之，它采用永磁體轉子，沒有勵磁損耗：發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉運行。永

11、磁無刷直流電動機機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動車中有著很好的應用前景。典型的永磁無刷直流電動機是一種準解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機系統(tǒng)非常適合于運行在恒轉矩區(qū)域。為進一步擴充轉速，永磁無刷直流電動機也可以采用弱磁控制。 3.電路設計 控制電路主要有電源電路、電機驅動電路、單片機接口電路、顯示電路四個部分。考慮到電機的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩(wěn)定容易對單片機和傳感器的工作產生干擾，所以，電機驅動電路和單片機以及傳感器電路用光耦隔離。傳感器的電源直接使用24V蓄電池，單片機的電源則通過三端穩(wěn)壓器78L05將24V電源

12、轉換到5V。 3．1電源電路和顯示電路 24V直流電源經三端穩(wěn)牙器74L05輸出即為單片機所要求的+5V電源。電路中接入電容C1、C2是用來實現(xiàn)頻率補償?shù)模煞乐狗€(wěn)壓器產生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。大容量的C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護二極管，當輸入端意外短路時，給輸出電容器C3形成一個放電通路，防止C3的兩端電壓作用于調整管，造成調整管擊穿而損壞。顯示部分采用單片機串口通訊，以節(jié)省單片機的端口，單片機通過中斷的方式為顯示服務。直流電動機的額定轉速為190轉每分大約需要三位數(shù)碼顯示。驅動器采用74LS164串接510歐的限流電阻。

13、3．2控制電路 打開系統(tǒng)電源后由電位器控制電動機轉速，IN0-IN6線上那一路模擬電壓被轉換成數(shù)字量由ADDA-ADDC線上的地址決定。ADDC0809內部“地址鎖存與譯碼”電路便能把IN0線上模擬電壓送入8位A/D轉換器此時，若單片機使STAR線處于高電平，則ADC0809便開始A/D轉換，一旦A/D轉換完成，ADC0809一方面把A/D轉換后的數(shù)字量送入它的三態(tài)輸出緩沖器另一方面又使EOC線變?yōu)楦唠娖较騿纹瑱C提出中斷請求。單片機檢測和響應該中斷請求后就通過使rd非變?yōu)榈碗娖蕉筄E線變高，以便可以從2-1-2-8引線上取走A/D轉換后的數(shù)字量。單片機根據(jù) A/D轉換后的數(shù)字量輸出相應的巨

14、型脈沖信號。脈沖信號經74LS245放大后經光電藕荷控制繼電器。 3.3驅動電路及原理 電動自行車使用24V直流電機， 對于這種小功率直流電機的調速方法一般有兩種。一種線性型：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅動的電路結構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉距的運行時，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。另一種脈寬調制型：脈寬調速（PULSE WIDE MODULATION——PWM）較常用的一種調速方式，這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉的

15、等優(yōu)點。因此決定采用PWM方式控制直流電機。永磁式直流電機脈寬調速原理：永磁式直流電動機電機轉速由電樞電壓UD決定，電樞電壓UD越高電機轉速越快，電樞電壓UD降為0V，電機就停轉。直流電機的具體調速過程是：先讓它啟動一段時間，然后切斷電源，電動機因慣性而降速轉動。在轉速降到一定限度時使電動機再次接通電動機因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號） 就可以使電動機的轉速控制在指定的范圍內。如下所示： 脈沖信號： t T 轉速： VMAX VD VMAX為電動機的最大轉速值。VMIN為電動機的最小轉速值。VD為二者的平均值。VD=D * VMAX

16、式中D=t/T稱為占空比。D越大VD就越大反之亦然。平均轉速和電樞上的脈沖占空比D之間的關系如圖： VD（平均速度） 0 0.5 1 D（占空比） 由圖可知，平均轉速與占空比并非完全的線性關系，但可以近似的看成是線性關系。因此電動機的平均轉速VD就可以有占空比D加以控制。PWM調速分為雙向式和單向式兩種。雙向式:在一個脈沖周期內(T=Ta＋Tb)，T1和T3導通的時間為Ta，T2和T4導通的時間為Tb，這樣在Ta這段時間內，電機通過的是正向電流，在Tb這段時間內為反相電流。當Ta=Tb時電機停轉，Ta>Tb時電機正轉， Ta

17、的電路更雙向式相同。不同的是，在電機正轉時，Tb這段時間內不通過反向電流，電機反轉時，Ta內不通過正向電流。其調速原理基本與雙向式相同。單向式與雙向式相比，三極管的開關頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導通而造成電源短路的情況,故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差，外特性、低速性能也不如雙向式好。 4.主要器件性能及原理 4.1MCS-51單片機內部結構 中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協(xié)調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。8051內部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128

18、個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產生中斷用于控制程序轉向。8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。8051內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中

19、斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。8051內置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。 單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。下圖是MCS-51系列單片機的內部結構示意圖。 4.2永磁無刷直流電動機

20、無刷直流電動機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制“逆變橋”各功率管的通斷，產生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉子磁場軸線位置，所以不論轉子的起始位置處在何處，電動

21、機在啟動瞬間就會產生足夠大的啟動轉矩，因此轉子上不需另設啟動繞組。由于定子磁場軸線可視作同轉子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產生的平均電磁轉矩與繞組電流成正比。 4.3三端式穩(wěn)壓器78L05的工作原理 三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調整電路和保護電路等部分組成。在集成穩(wěn)壓器中，常常采用許多恒流源，當輸入電壓V1接通后，這些恒流源難以自行導通，以致輸出電壓較難建立。因此，必須用啟動電路給恒流源的BJT T4、T5提供基極電流。啟動電路由T1、T2、DZ1組成。當輸入電壓V1高于穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓時，有電流通過T1、T2，使T3基極電位上升而導通，同時恒流源T4

22、、T5也工作。T4的集電極電流通過DZ2以建立起正常工作電壓，當DZ2達到和DZ1相等的穩(wěn)壓值，整個電路進入正常工作狀態(tài)，電路啟動完畢。與此同時，T2因發(fā)射結電壓為零而截止，切斷了啟動電路與放大電路的聯(lián)系，從而保證T2左邊出現(xiàn)的紋波與噪聲不致影響基準電壓源。 上圖是應用78L05輸出固定電壓VO的典型電路圖。正常工作時，輸入、輸出電壓差應大于2～3V。電路中接入電容C1、C2是用來實現(xiàn)頻率補償?shù)模煞乐狗€(wěn)壓器產生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護二極管，當輸入端意外短路時，給輸出電容器C3形成一個放電通路，防止

23、C3的兩端電壓作用于調整管的be結，造成調整管be結擊穿而損壞。 三端穩(wěn)壓器的參數(shù)如下： 參 數(shù) 單位 7805 輸出電壓范圍 V 4.8~5.2 最大輸入電壓 V 35 最大輸出電流 A 1.5 △V0(I0變化引起) mV 100(I0=5mA~1.5A) △V0(Vi變化引起) mV 50(Vi=7~25V) △V0(溫度變化引起) mV/℃ 0.6(I0=500mA) 器件壓降(Vi-V0) V 2~2.5(I0=lA) 偏置電流 mA 6 輸出電阻 mΩ 17 輸出噪聲電壓(10~100kHz) μV 40 集成轉

24、速傳感器具有靈敏度高、測量范圍寬、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優(yōu)點，是傳統(tǒng)的分立式轉速傳感器的升級換代產品。下面是KMI15系列磁阻式集成轉速傳感器的工作原理與典型應用。轉速屬于常規(guī)電測參數(shù)。測量轉速時經常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進行非接觸性測量，傳統(tǒng)的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構成的，亦可用耳塞機改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點：第一，靈敏度低，傳感器與轉動齒輪的最大間隙（亦稱磁感應距離）只有零點幾毫米；第二，在測量高速旋轉物體的轉速時，因安裝不牢固或受機械振動，容易與齒輪發(fā)生碰撞，安全性較差；第三，這種傳感器所產生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號，因此，需要經過放大、

25、整形后變成沿口陡直的數(shù)字頻率信號，才能送給數(shù)字轉速儀或數(shù)字頻率計測量轉速，而且外圍電路比較復雜；第四，它無法測量非常低（接近于零）的轉速，因為這時磁阻式傳感器可能檢測不到轉速信號。目前，轉速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發(fā)展。ＫＭＩ１５－１芯片內含高性能磁鋼、“磁敏電阻”傳感器和ＩＣ。它利用ＩＣ來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉速成正比，電流信號的變化幅度為７ｍＡ～１４ｍＡ。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉速。ＫＭＩ１５－１器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉動頻率范圍是０～２５ｋＨｚ，而且即使在轉動頻率接近于零時，它也能夠進行測量。傳感器與齒

26、輪的最大磁感應距離為２．９ｍｍ（典型值），由于與齒輪相距較遠，因此使用比較安全。該傳感器抗干擾能力強，同時具有方向性，它對軸向振動不敏感。另外，芯片內部還有電磁干擾（ＥＭＩ）濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。ＫＭＩ１５－１的體積較小，其最大外形尺寸為８６２１ｍｍ，能可靠固定在齒輪附近。ＫＭＩ１５采用＋１２Ｖ電源供電（典型值），最高不超過１６Ｖ。工作溫度范圍寬達－４０～＋８５℃。KMI15-1型集成轉速傳感器的外形如圖１所示，它的兩個引腳分別為ＵCC（接＋12V電源端）和Ｕ－（方波電流信號輸出端）。為使信號變換器ＩＣ處于較低的環(huán)境溫度中，設計時專門將ＩＣ與傳感

27、元件分開，以改善傳感器的高溫工作性能。其內部主要包括以下六部分：“磁敏電阻傳感器”；前置放大器A1；施密特觸發(fā)器；開關控制式電流源；恒流源；電壓控制器。實際上，該傳感器是由4只“磁敏電阻”構成的一個橋路，可固定在靠近齒輪的地方。當齒輪沿Ｙ軸方向轉動時，由于氣隙處的磁力線發(fā)生變化，磁路中的磁阻也隨之改變，從而可在傳感器上產生電信號。此外，該傳感器具有很強的方向性，它對沿Ｙ軸轉動的物體十分敏感，而對沿Ｚ軸方向的振動或抖動量很不敏感。這正是測量轉速所需要的。工作時，傳感器產生的電信號首先通過ＥＭＩ濾波器濾除高頻電磁干擾，然后經過前置放大器，再利用施密特觸發(fā)器進行整形以獲得控制信號ＵＫ，并將其加到開關

28、控制式電流源的控制端。KMI15-1的輸出電流信號ＩCC是由兩個電流疊加而成的，一個是由恒流源提供的7ｍA恒定電流ＩH，另一個是由開關控制式電流源輸出的可變電流1K。 5.結束語 在系統(tǒng)的設計中，為了少走彎路和節(jié)省時間，應充分考慮抗干擾性能的要求，避免在設計完成后再去進行抗干擾的補救措施。因此設計時從抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能等方面采取各種措施來提高系統(tǒng)性能。在抗干擾設計中，軟件抗干擾是被動措施，而硬件抗干擾是主動措施，只要認真分析系統(tǒng)所處環(huán)境的干擾來源以及傳播途徑，采用兩者相結合的方法，就能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運行。 參考文獻 [1]李胤昌,鄭日榮.

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