电动自行车调速系统设计

无锡职业技术学院毕业设计说明书1第一章 引言电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。后来，由于燃油汽车技术的迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破，从 20 世纪 20 年代初至 60 年代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。进入 70 年代以来，由于中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。 近几十年来，主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力，电动车的各项相关技术也取得了重大的进展。尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能处于世纪之交的今天，能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发的投资力度，加快电动车的商品化步伐。虽然目前电动车在能源和行驶里程方面还未能尽如人意，但已足以满足人们的基本需要。从技术发展的角度来看，在走过了漫长而艰难的发展历程之后，电动车正面临着重大的技术突破，有望成为 21 世纪的重要交通工具。 现代电动车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。电动车的电机驱动系统一般由 4 个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。目前电动车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。无锡职业技术学院毕业设计说明书2第二章 系统要求2. 1 电动车对电动机的基本要求电动车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的。 2.1.1 电动车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为(34)，加速性能好，使用寿命长的特点。 2.1.2 电动车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。2.1.3 电动车用电动机应能够在车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机的摩托车上是不能实现的。 2.1.4 电动车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高 1 次充电的续驶里程。 另外还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。 2.2 鉴于电动车对电动机的基本要求采用永磁无刷直流电动机 。 2.2.1 永磁无刷直流电动机的基本性能 。 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动车中有着很好的应用前景。 2.2.2 永磁无刷直流电动机的控制系统 。 典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型 SPWM 法来完成。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。 2.2.3 永磁无刷直流电动机的不足 。 永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机无锡职业技术学院毕业设计说明书3的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。无锡职业技术学院毕业设计说明书4第三章 总体规划对于电动自行车控制系统设计主要有三个方面：一、控制电路的设计；二、传感器选择以及安放设计；三、显示电路的设计；四、程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量，但是又必须能使车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。控制核心采用 51单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，电机控制和转速显示。如图 3-1 所示图 3-1电动自行车的基本原理是：由蓄电池提供电能，电动机驱动自行车。直流电动机 单片机 显示部分转速传感器控制电路驱动无锡职业技术学院毕业设计说明书5第四章 电路设计控制电路主要有电源电路、电机驱动电路、单片机接口电路、显示电路四个部分。考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离。传感器的电源直接使用 24V 蓄电池，单片机的电源则通过三端稳压器 78L05 将 24V 电源转换到 5V。 41 电源电路24V 直流电源经三端稳牙器 74L05 输出即为单片机所要求的+5V 电源。电路中接入电容 C1、C 2是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。大容量的 C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D 是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器 C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的 be 结，造成调整管 be 结击穿而损坏。图 4-1-142 显示电路显示部分采用单片机串口通讯，以节省单片机的端口，单片机通过中断的方式为显示服务。直流电动机的额定转速为 190 转每分大约需要三位数码显示。驱动器采用74LS164 串接 510 欧的限流电阻。 见图 4-2-143 控制电路打开系统电源后由电位器控制电动机转速，IN0-IN6 线上那一路模拟电压被转换成数字量由 ADDA-ADDC 线上的地址决定。ADDC0809 内部“地址锁存与译码”电路便能把IN0 线上模拟电压送入 8 位 A/D 转换器此时，若单片机使 STAR 线处于高电平，则Vin3GND2+5V 178L05C10.33F C20.33FC310F24V 5V无锡职业技术学院毕业设计说明书6ADC0809 便开始 A/D 转换，一旦 A/D 转换完成，ADC0809 一方面把 A/D 转换后的数字量送入它的三态输出缓冲器另一方面又使 EOC 线变为高电平向单片机提出中断请求。单片机检测和响应该中断请求后就通过使 rd 非变为低电平而使 OE 线变高，以便可以从2-1-2-8引线上取走 A/D 转换后的数字量。单片机根据 A/D 转换后的数字量输出相应的巨型脉冲信号。脉冲信号经 74LS245 放大后经光电藕荷控制继电器。 见附图 4-3-1 。44 驱动电路及原理 下面主要对驱动电路进行一下介绍：电动自行车使用 24V 直流电机， 对于这种小功率直流电机的调速方法一般有两种。一种线性型：使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻 R 的电流大，发热厉害，损耗大。另一种脉宽调制型：脉宽调速（PULSE WIDE MODULATIONPWM）较常用的一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转的等优点。因此决定采用 PWM 方式控制直流电机。永磁式直流电机脉宽调速原理 永磁式直流电动机电机转速由电枢电压 UD决定，电枢电 UD越高电机转速越快，电枢电压 UD降为 0V，电机就停转。直流电机的具体调速过程是：先让它启动一段时间，然后切断电源，电动机因惯性而降速转动。在转速降到一定限度时使电动机再次接通电动机因此而再次加速。不断的给电枢两端送入脉动电压源（即脉动信号） 就可以使电动机的转速控制在指定的范围内。如图 4-4-1 所示：脉冲信号： tT转速： VMAXVDVMIN无锡职业技术学院毕业设计说明书7图 4-4-1VMAX为电动机的最大转速值。V MIN为电动机的最小转速值。V D为二者的平均值。V D=D * VMAX 式中 D=t/T 称为占空比 D 越大 VD就越大反之亦然。平均转速和电枢上的脉冲占空比 D 之间的关系如 4-4-2 图：VD（平均速度）0 0.5 1 D（占空比）图 4-4-2由图可知，平均转速与占空比并非完全的线性关系，但可以近似的看成是线性关系。因此电动机的平均转速 VD 就可以有占空比 D 加以控制。PWM 调速分为双向式和单向式两种双向式：在一个脉冲周期内(T=TaTb)，T1 和 T3 导通的时间为 Ta，T2 和 T4 导通的时间为 Tb，这样在 Ta 这段时间内，电机通过的是正向电流，在 Tb 这段时间内为反相电流。当 Ta=Tb 时电机停转，TaTb 时电机正转， Ta Tb 则电动机正转。通过改变 Ta 、Tb 的占空比即可改变转速。4.5 总电路图见附图 4-5-1无锡职业技术学院毕业设计说明书10第五章 主要器件性能及原理电动车的性能指标一般包括：驱动性能、驾驶性能、车载能源系统性能三部份，其中驱动性能取决于电机功率因素，车载能源系统性能取决于电池的容量，驾驶性能指标主要包括：加速性能、最大爬坡性能、刹车性能及驾驶里程性能等驾驶模式，驾驶性能指标的优劣取决于控制系统驾驶模式的技术51 MCS-51 单片机内部结构 8051 是 MCS-51 系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：5.1.1 中央处理器 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。5.1.2 数据存储器(RAM) 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单