毕业设计（论文）-基于单片机的电动自行车控制系统设计.doc

河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 I 摘 要 随着现代社会的不断进步 环境和能源问题越来越受到人们的重视 由于 燃油车辆的废气造成的环境污染 噪声污染以及石油资源的危机 无污染 低 噪声和节能的电动交通工具已经成为世界各国研制开发的热点 电动自行车作 为最简单的电动车辆近几年在世界各地尤其是亚洲地区取得了巨大进展 电动自行车的运行 与一般的工业应用不同 对驱动系统的要求较高 要 求电动自行车车用电动机可靠性好 能够在较恶劣环境下长期工作 直流无刷 电机采用逆变器驱动 进行电子换向 具有没有换向火花 抗干扰性强 运行 可靠 维护简便 使用寿命长等优点 电动自行车一般采用永磁无刷直流电机 作为驱动电机 电动自行车控制系统的设计对电动自行车运行起着非常重要的作用 利用 单片机为控制核心的电机控制器比以往用模拟电路 数字电路 专用芯片所做 成的控制器 在功能和整体性能上都有很大提高 本文所设计电动自行车控制 系统以 ATMEL 公司的 AT89C2051 单片机作为控制核心 由霍尔调速手柄 由 A D 转换器 刹车装置 电机驱动电路和欠压 过流保护电路等组成 通过硬 件和软件的综合设计 设有欠压保护 过流保护 刹车断电等多种保护功能 关键词 电动自行车 永磁无刷直流电机 控制系统 过流保护 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 II Abstract With the constant advancement of modern society the environment and energy issues more and more people s attention As fuel vehicle emissions caused by environmental pollution noise pollution and oil resources of the crisis non polluting low noise and the electric energy saving modes of transport has become the world s hot spots developed countries Electric bicycles as the most simple of electric vehicles in recent years around the world especially in the Asian region has made tremendous progress The operation of electric bicycles and general industrial applications different the drive system of higher demand for electric bicycle motor vehicle reliability and in a harsh environment of long term work Brushless DC motor drive inverter used for the conduct of electronic switch with no change to spark strong anti interference reliable operation maintenance is simple long life and other advantages of using permanent magnet electric bicycles in general as BLDCM Electric drives Electric Bicycle control system designed to run electric bicycles played a very important role SCM used for the control of the motor controller core than ever before with analog circuits digital circuits ASIC caused by controllers the functions and overall performance has greatly improved In this paper designed by Electric Bicycle control system to ATMEL s AT89C2051 SCM control as the core from Hall governor handles from A D converter brakes motor driven and under voltage circuit overcurrent protection circuits and other groups 10 Through the integrated hardware and software design with under voltage protection overcurrent protection brake power and other protection Key words Electric bicycles Eermanent magnet brushless DC motor Control system Overcurrent protection 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 III 目 录 1 绪论 1 1 1 课题的背景和意义 1 1 2 国内外电动车研究现状 2 1 3 电动自行车的结构 6 1 4 电动自行车驱动控制的相关技术 8 1 4 1 电动机 9 1 4 2 电池 9 1 4 3 驱动及控制系统 10 1 5 本文内容结构 11 2 永磁无刷直流电机结构与工作原理 12 2 1 永磁无刷直流电机的结构 12 2 1 1 永磁无刷直流电机驱动系统构成 13 2 1 2 电机本体 14 2 1 3 转子位置传感器 15 2 1 4 逆变器电路 17 2 2 永磁无刷直流电机的运行原理 19 2 2 1 基本运行原理 19 2 2 2 永磁无刷直流电机的数学模型 20 2 3 永磁无刷直流电机的 PWM 控制 26 2 3 1 PWM 控制技术原理简介 26 2 3 3 PWM 调制与电机转速 27 3 控制系统硬件电路设计 29 3 1 控制系统系统硬件结构框图 29 3 2 AT89C2051 单片机简介 29 3 3 单元电路设计 31 3 3 1 电源电路 31 3 3 2 单片机时钟及复位电路 32 3 3 3 霍尔调速手柄电路 33 3 3 4 刹车电路 34 3 3 5 欠压保护电路 35 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 IV 3 4 系统过流保护电路 36 3 5 电动机驱动电路 37 3 6 系统总体电路图 39 4 控制系统软件设计 41 4 1 软件设计中应考虑的问题 41 4 2 软件结构框图 41 4 2 1 主程序框图 41 4 2 2 中断服务程序框图 43 5 总结与展望 44 5 1 控制系统总结 44 5 2 未来的展望 44 致 谢 45 参考文献 46 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 1 1 1 绪论绪论 1 1 课题的背景和意义 随着现代社会的不断进步 环境和能源问题越来越受到人们的重视 由于 燃油车辆的废气造成的环境污染 噪声污染以及石油资源的危机 其被 零污 染 高效率和能源来源广泛的新型电动车代替已成为一个不可逆转的趋势 与燃油车相比 电动车具有节能 可消除空气污染且能源广泛 可来自火力 煤炭 石油 天然气 水力 风力 地热 潮汐 原子能发电 等众多优点 因此电动车的研究己成为世界各国的研究热点之一 电动车是以电动机作为行驶驱动的原动机 以车载电源作为动力能源的车 辆 如 电动自行车 电动摩托车 电动汽车等 回顾电动车的发展历史 可 以发现电动车是燃油车的先驱 早在约亨利 J Henry 发明了直流电动机后不 久的 1831 年 诞生了世界上第一部电动车 而第一部真正具有实际意义的电 动车是由苏格兰人德文波特 T Davenport 于 1834 年发明的 这部电动车采用 的能源是不可充电的简单玻璃封装蓄电池 1895 年到 1915 年是早期电动车黄金时代 美国经济正处于扩张时期 急 需寻找新型工业 以刺激经济进一步发展 电动车正是在这样的情况下发展起 来的 这个时期的电动车代表了当时车辆制造技术的精华 高雅的四轮轿车 双轮轻便车 运货车都可以随时起动 加速时完全没有噪音 可以以 40km h 的速度行驶 1912 年是电动车的全盛时期 全美国注册的电动车达到了 3 4 万辆 当 时一辆电动轿车大约需要 5000 6000 美金 相当于今日一辆豪华劳斯莱斯的 价格 电动车日渐衰落原因是多方面的 当时的三大主要部件技术都很落后 电动机性能差 效率低 笨重 电池不仅笨重 而且性能太差 寿命和容量都 很低 控制系统的技术自然也很落后 可以采用的电子器件在当时尚未出现 电阻控速效率很低 它本身也要消耗太多的电能 美国人凯特林发明的燃油汽 车电起动器也是对电动车的重大打击之一 电动车不敌燃油车还有一个原因是 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 2 当时无法进入乡村 因为当时很多乡村地区没有电力供应 于是在 1924 年全 关汽车展中 电动车销声匿迹了 燃油汽车迎来了黄金时代 一直延续到 60 年代末 直到 20 世纪 70 年代石油危机时期 美 英 法 日开始投巨资研制电动 车 我国清华大学钱伟长等教授上书总理周恩来 建议开发电动车 得到了周 恩来总理的支持 拨百万巨款进行研究 在 80 年代 由于石油供应充沛 油 价逐步回落至 70 年代初的水平 汽车的燃油效率在政府的督促之下也大大改 善了 因而电动车研发的动力大大的减少了 其步伐明显放慢了 90 年代 在 能源和环境的双重压力下 电动车的研究再次进入一个活跃期 新材料 新技 术的发展 为电动车的发展注入了新的活力 纵观电动车的发展历史 尽管电动车的出现早于燃油车 但是它的研究力 度与后者相比要小得多 在性能上 如 动力性能 续程性能 安全性和经济 性 还有待于进一步提高 这些性能与车辆的电力驱动系统都有紧密关系 就 电力驱动系统的功率等级和需要考虑的因素来讲 电动汽车与小型两轮电动车 有着一定的差异 然而从电力驱动系统中具体构成来讲 传动机构 使用的电 机以及电机对应的控制方式 二者基本一致 彼此的技术可以相互借鉴 由于 蓄电技术没有获得实质性的突破 目前的蓄电技术还仅适用于小型两轮电动车 小型两轮车辆在当今全球占据绝大多数 有着广大的用户 因此无论从目前的 技术条件还是从市场来讲 对小型两轮电动车进行研究都有非常便利的条件 容易较快地取得有效的技术进步 而且取得的成果对今后电动汽车的研究也有 着重要的参考价值 我国是世界上最大的自行车生产和使用王国 开发小型两 轮电动车对节省人们日常行车时间和改善生活环境有着非常重要的意义 鉴于 以上这些因素 本文选择以电动自行车为研究对象进行研究 进行相应电动自 行车驱动电机控制系统的简单设计 1 2 国内外电动车研究现状 八十年代至今 电动车的相关技术如电力电子 微电子 计算机控制 电 机等技术的迅速发展为其开发研制提供了良好的条件 以欧 美 日为代表的 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 3 发达国家的科研机构 车辆公司在政府的支持下纷纷投巨资开始研制 并成功 推出了一批性能良好的概念车 与此同时 世界上其它一些国家与地区同样关 注电动车的发展 我国也投入了大量的人力 物力进行研发 1 欧洲电动车研究现状 欧洲的主要国家德 法 英 意 瑞典等均进行了电动汽车的研究 但是 各国研究的侧重点不同 对德国而言 它木身电力驱动技术力量十分强大 目 前它的研究重点是质子交换膜的燃料电池 PEMFC proton exchange membrane fuelcells 的开发 而且己开发出示范型电动车 如戴姆勒 奔驰公司的 NECar3 燃料电池电动轿车是使用甲烷为燃料 电池采用高功率密度 结构紧凑 的 50kW 质子交换膜燃料电池 使用 40L 甲烷可以一次行驶 400km 最高时速可 达 145km h 燃料添加快而方便 而且只排放无污染的纯水 在电力驱动技术 方面 德国主要选用交流感应电机与永磁无刷直流电机 英国使用开关磁阻电 机 德 法 意对电动车车队进行跟踪测试 瑞典 法国等纷纷为本国的电动 车发展策略进行较为深入的研究 欧洲今后的主要研究活动包括电池试验和标准 EV 和 HEV FC 汽车新结 构 未来燃料 汽车生命周期分析等 电动自行车的发展也越来越受到重视 由于受油价上涨和环保意识等因素的影响 预计未来 3 至 4 年内 电动自行车 将成为欧洲自行车商下一阶段推出的主要产品 仅欧洲市场每年的销量就可在 300 万至 400 万辆 欧盟委员会在欧洲 10 国赞助一项 E Tour 计划 推动电动 车辆的发展 此计划以电动自行车为主 通过将 1300 辆电动自行车发给大城 市 藉此刺激欧洲大城市环保交通工具的使用 德国为目前欧洲电动自行车主 要市场之一 目前每辆电动自行车价格平均在 2500 马克左右 电动自行车进 入德国市场之初 曾有专家表示 多数德国人皆视自行车为运动工具 因此销 量十分有限 并无太大市场潜力 孰料 1998 年该类产品销量竟然直线上升 据统计 1998 年德国电动自行车总销量为 1 5 万辆 因此目前加入电动自行车 生产的国家及制造商已越来越多 就连原来已制造摩托车为主的意大利著名厂 商 Piaggio 以及 Malaguti 亦加入到这个行列中 如此足见其市场具有相当的 潜力 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 4 2 美国电动车研究现状 在美国政府的积极支持下 美国三大汽车集团公司通用 GM 福特 FORD 戴姆克莱斯勒 CHRYSER 成为美国开发与推广电动车的主力成员 在具体的技 术实现方面 美国主要集中力量开发基于交流异步电动机为主的电力驱动系统 技术 该项技术在美国已达到实用的要求 目前 美国正集中力量重点研究蓄 电池技术 十分看好基于质子交换膜的燃料电池 为此美国福特公司 戴姆克 莱斯勒公司与加拿大巴拉德 Ballard 电力系统公司联手推广基于燃料电池为 动力能源的电动车 基于燃料电池的样车 NECAR 于 1994 年推出 NECAR5 也于 2004 年推出 除此之外 美国还在整车性能分析设计方面 市场预测方面也做了大量的 研究工作 在小型两轮电动车上 各种运动型的车辆在美国占有广泛的市场 1999 年美国电动自行车市场仅有 6 5 万辆 到了 2000 年 超过了 12 万辆 电 动自行车及相关产品的生产制造已经引起了美国各大公司的兴趣 如戴姆克莱 斯勒汽车公司 通用汽车公司 尤尼克公司均参与电动自行车市场的产品开发 及竞争 美国 EVRider 的电动自行车为美国所设计 但绝大部分为中国大陆制 造 市场价位低 Zap 公司生产的马达包括双马达装备可安装在绝大多数的自 行车或三轮车上 据国外专家估计 美国电动自行车年需求量在一百万辆左右 3 日本电动车研究现状 日本电动车的生产及技术都占世界领先地位 在电力驱动系统方面 上个 世纪 70 年代至 80 年代前期 主要使用永磁直流电机系统 之后开始使用交流 异步电动机系统 近年来又开始使用永磁无刷直流电机系统 并以永磁无刷直 流电机系统为主 日本学者通过研究认为采用优化的矢量控制技术控制异步机 所得的效率高于普通矢量控制的控制系统 而优化的矢量控制系统的效率还是 低于永磁无刷直流电机的效率 除此之外 日本在整车设计方面及在车辆的控 制策略上都进行了精心的研究和试验 日本除了在电动汽车上投入了较大的人 力 物力外 还加大了对电动自行车 电动摩托车的投入和研究 使其性能以 及年生产力逐年提高 商品化的电动自行车由日本雅马哈公司率先于 1994 年 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 5 推出 并随着本田 三洋 松下等知名公司的参与 生产规模日益扩大 日本 还对电动自行车的使用管理采取了严格限制 只允许智能型电动自行车上路 并对智能型电动自行车的要求制定了严格规定 具体有 1 在任何路况情况下 速度小于 15km h 时 人力 电助力1 即电助力 不允许大于人力 但电助力接近于人力 2 在任何路况情况下 速度15km h 时 速度每增加 lkm h 电助力下 降 1 9 3 速度24km h 时 整车电助动系统关闭 4 人力蹬踏开始后 1 秒钟之内 电助动系统按上述开始要求工作 人力 蹬踏停止后 1 秒钟之内 整车电助动系统关闭 5 为了节约电能 智能型电助自行车停止运行一定时间 一般为 3 5 分 钟 后 整车处于休眠状态 6 必须保证骑行的连续性 电助力不能有断断续续的现象 4 国内电动车研究现状 我国电动车与欧 美 日等发达国家相比起步较晚 大约在上个世 90 年 代进入开发研制高潮 主要集中在上海 北京 广东和武汉四个地区 涉及大 专院校 科研院所以及部分车辆厂 到了 90 年代后期 基本覆盖全国主要经 济发达地区如江苏 浙江 山东等省 据有关部门统计目前从事电动车开发和 制造的厂家已经有 400 家左右 有 60 个机构在从事燃料电池的研究 这些机 构中的大多数为研究所 研究的重点是质子交换膜技术 其中有四分之三工作 是针对车辆进行的 例如 SAIC 打算今年在路上投放少量示范车 同济大学要 在今后几年研制出 5 至 7 辆燃料电池汽车 该计划得到了政府的资助 2001 年 我国首辆超级电容无轨电动车在哈尔滨试验成功 该车时速为 60 公里 小时 具有充电快 能量大 寿命长 无污染等优点 我国技术人员 自主开发的第一辆以大功率锂离子电池为动力的电动车 EV 3 由深圳雷天公司 开发成功 它的一次充电续驶里程数超过 400 公里 同年 我国第一辆以 凤 凰 命名的氢燃料电池电动车在上海诞生 这辆根据别克 GL8 原型车设计的凤 凰燃料电池概念车 功能和性能与传统汽车相当 该车可乘 5 人 总重 2500 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 6 公斤 最高时速 113 公里 0 112 公里 小时的加速时间仅 13 秒 在国内 电动自行车的生产与销售也呈逐年上升趋势 1998 年我国电动 自行车产量仅为 5 45 万辆 1999 年为 12 6 万辆 2000 年又翻一番多 达到 27 6 万辆 据中国自行车协会预测 我国电动自行车高速增长期将一直持续到 2010 年 届时我国电动自行车年产量将达 100 万辆 随着电动自行车需求量的 增加 许多厂家瞄准了这一市场 其中 天津松正机电技术有限公司 福奇电 子有限公司 上海安乃达驱动技术有限公司和沈阳时运科技发展有限公司等生 产的电动自行车控制器及相关配件都得到了广泛的应用和推广 对电动自行车 的研究在国内己经达到了实用阶段 但其电力驱动技术水平与国外还存在一定 的差距 有待进一步提高 1 3 电动自行车的结构 电动自行车是以蓄电池作为辅助能源 具有两个车轮 能实现人力骑车 电 动或电助动功能的特种自行车 它虽然具有普通自行车的外表特征 甚至具有 摩托车的外表特征 但主要的是他是在普通自行车的基础上 安装了电机 控制器 蓄电池 转把 闸把等操作部件和显示仪表系统的 机电一体化的个 人交通工具 不同种类的车 其电池置放位置 控制器形式等有所不同 电动自行车电气部分的配合关系如框图所示 其中虚线表示有些电动车没 有此配合关系如下图 1 1 所示 电池 控制器 电机 充电器 灯具 显示仪表 转把 闸把 助力传感器 图 1 1 电动自行车车电气部分的配合关系 Figure 1 1 Relationship of electric bicycles with electrical part 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 7 1 充电器 充电器是给电池充电能的装置 一般分二阶段充电模式与三阶段充当模式 两种 二阶段充电模式 先恒压充电 充电电流随电池电压的上升逐渐减小 等电池电量补充到一定程度以后 电池电压会上升到充电器的设定值 此时转 换为涓流充电 三阶段充电模式 充电开始时 先恒流充电 迅速给电池补充 能量 等电池电压上升以后 转为恒压充电 此时电池电能缓慢补充 电池电 压继续上升 达到充电器的充电终止电压值时 转为涓流充电 以保养电池和 供给电池的自放电电流 充电器设计采用恒流 恒压 浮充三阶段自动转换方 式 对电池产生保护 有效地延长电池寿命 2 电池 电池是提供电动车能量的随车能源 目前的电动车主要采用铅酸电池组合 用于电动自行车的电池主要有三类 即小型密封式免维护铅酸蓄电池 镍镉电 池和镍氢电池 3 控制器 控制器是控制电机转速的部件 也是电动车电气系统的核心 设计有多项 保护功能控制系统 具有无级调速 软启动 欠压 限流或过流保护功能 控 制器是电动车能量管理与各种控制器信号处理的核心部分 保护电机和电池 可使电流有控制地输出 产生所需动力 又不烧坏电机 4 转把 闸把 助力传感器 转把 闸把 助力传感器等是控制器的信号输入部件 转把信号是电动车 速度控制信号 闸把信号是当电动车刹车时 闸把内部电子电路输出给控制器 的一个电信号 控制器接受到这个信号后 就会切断对电机的供电 从而实现 刹车断电功能 助力传感器是当电动车处于助力状态时检测骑行脚蹬力矩或脚 蹬速度信号的装置 5 电机 电机是将电池电能转换成机械能 驱动电动车轮旋转的部件 在电动车上 使用的电机有许多种 常见的有 有刷有齿轮毂电机 有刷无齿轮毂电机 无 刷无齿轮毂电机 无刷有齿轮毂电机 侧挂电机 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 8 6 灯具 仪表 灯具 仪表部分是提供照明并指示电动车状态的部件组合 仪表一般提供 电池电压显示 骑行状态显示 灯具状态显示等 智能型仪表还能显示整车各 电气部件的故障情况 中国是一个自行车王国 据报道全国自行车拥有量为 4 5 亿 随着我国城 市化进程加快 用电动自行车替代摩托车 燃油助动车和自行车 一方面可以 缓解城市中大气污染问题 另一方面也可以提高人们的生活节奏 因此电动自 行车的社会需求市场巨大 据专家预测 本世纪初 我国电动自行车年需求量 将达到 100 万辆以上 目前 我国市场上国产电动自行车的品种规格较多 驱 动多数用有刷或无刷的轮式直流电机 工作电压为 24V 36V 或 48V 功率在 150W 400W 之间 蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池 容量为 12Ah 充电时 间在 3 8 小时左右 充电一次行驶里程约 50Km 左右 车速低于 20Km h 爬坡 能力在 4 度上下 车型有普通型和豪华型 车重约 35Kg 载重量约 75Kg 百 公里耗电量 IKwh 左右 如下图 1 2 所示 某国产电动自行车外形结构 图 1 2 电动自行车外形结构 Figure 1 2 Form of electric bicycles 1 4 电动自行车驱动控制的相关技术 电动自行车的核心技术包括三方面 电动机 电池技术和驱动与控制系统 涉及电气 电力电子 控制 机械 材料和化工等诸多学科 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 9 1 4 1 电动机 电动机属于驱动系统元件 包括新型交流电动机 新型直流电动机 直接 驱动电动机 直线电动机 专用小功率电动机等等 直流电动机只是其中一个 重要的分支 目前由于技术水平所限 电动车暂时只能采用直流电动机 目前 较多使用的是永磁无刷直流电机 而且要持续一个相当长的时期 待逆变技术 交流电动机技术进一步成熟 交流电动机有望成为电动车的动力主流 目前 大部分电动自行车厂家所用的电动机为永磁直流电动机 主要原因 是 直流电动机是发展历史最悠久的电机 它的制造技术己相当成熟 具有高 的运行可靠性 极好的调速性能 极大的过载能力 简单的控制方法 但直流 电动机由于电刷的存在而产生的机械磨损较大 功率密度也偏低 无法实现高 速大容量 而无刷直流电动机既有直流电动机的优越的性能 又依靠电子换向 免去了机械式电刷和换向器门 消除了机械磨损 提高了功率密度 最高转速 以及容量 随着无刷直流电动机的性价比不断提高 其应用前景将越来越广泛 1 4 2 电池 电池是电动车的能源 也是目前电动车研究中的一个世界性难题 自从电 动车 19 世纪末诞生以来 速度慢 价格高 重量重 续程短等缺点就一直是 制约其发展的关键因素 尽管这些年来与电动车相关的电机 电子 蓄电 控 制 检测等技术水平有了较大的提高 使其某些动力性能如启动性能 加速性 能和爬坡性能已可与燃油车辆相比 但是由于蓄电技术没有获得实质性的突破 致使伴随其多年的缺点没有得到根本性的改进 当前 电动自行车中采用较多的是密封的铅酸蓄电池 这种电池的能量密 度较低 造成电动车续驶里程短 车载能量少 只能采用小功率电机 并使得 电动车在最高时速 最大加速能力 最大爬坡能力等方面受到诸多限制 电池 的能量密度低是电动车发展的一个瓶颈 但同时也为电动车的研发提供了很大 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 10 的机遇 国内外已研制了一些新型的电动车用蓄电池 主要有镍氢电池 铿离 子电池和铿聚合物电池 与铅酸电池相比 这些电池显著提高了能量密度和功 率密度 寿命较长 充放电谏度和效率高 但是价格比较贵 此外燃料电池的 研发也是一个热点 已经有很多国家和企业投入到此领域中 电池的过充电和过放电均会缩短电池的寿命 大电流放电还会引起控制器 功率驱动管温度急剧上升 损坏驱动管 以致于损坏控制器 因此 控制器必 须有这项保护功能 控制器设计应确保工作在正常电流范围内 允许有一定的 过载能力和大电流自动保护功能 以保护电池和驱动功率器件 为了防止过放 电 控制器要对供电电压随时进行检测 一旦低于阈值 关闭控制器输出 1 4 3 驱动及控制系统 驱动系统为电动自行车提供所需的动力 是衡量电动自行车性能好坏的关 键 常见的驱动方式有四种 轮毅电机直接驱动式 中轴式 旁挂式 摩擦式 由于摩擦式靠摩擦轮胎推进 对轮胎的磨损较为严重 此外由于泥水等因素造 成的打滑现象 给雨雪天气安全行车带来了困难和危险 因此除了在极少应用 场合下使用外 这种方式已经逐渐被放弃 当前我国极大多数厂商的产品都采 用轮毅电机直接驱动方式 采用这种方式的好处是电动车制造商可以不对车型 作大的改动 即可装车 这种方式比较容易在试制阶段被接受 但是从电动自 行车本身的两个功能电动和人力骑行来看 采用轮毅电机直接驱动方式 由于 磁阻造成的力矩 以及人力骑行时的电机发电问题 使人力骑行时感到费力 中轴式对机械的设计和制造水平要求较高 它通过采用双飞结构 解决了人力 骑行困难问题 旁挂式相对要求较低 只是在后轮上增加了一条链条来驱动 而且骑行时电机不转动 因此不存在磁阻转矩以及发电问题 减轻了人力骑行 时的阻力 控制系统即控制器 概括的讲是一个中枢系统 它将各种有用信号转变为 控制或保护指令 监督电动机和电路的运行状态 采样 对比分析并将信号转 化为控制指令 对于电动自行车的控制器而言 就是将给定速度信号 传感器 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 11 检测到的电动机转子位置信号 转速信号和电动机定子的电压 电流反馈信号 转变为控制或保护指令 监督电动机和控制电路的运行状态 采样 对比分析 并将信号转化为控制指令 来控制电动机的启停 加减速的运行状态 电动自行车控制系统可以视为以控制器为核心 包括转把 刹把 仪表以 及相关的传感器 开关按钮等器件的集成 其中控制器决定了电动车的操控性 能 因此控制器功能的提高 完善及合理发挥尤为重要 电动自行车中的控制 器一般必须具备三大功能 一是速度调节 二是过电流控制 三是欠电压保护 1 5 本文内容结构 电动自行车车用电机需要高效率 高功率密度 大输出转矩和在较宽范围 内调速的的性能 这样的驱动性能要求从系统的角度对电动自行车控制系统的 控制方法和电机系统进行综合设计 本文围绕电动自行车驱动电机控制和过流 保护为中心 着重于电动自行车车用无刷直流电动机原理介绍 对电动自行车 控制器进行分析和设计以及控制系统欠压 过流保护等相关电路的分析设计 围绕这一基本思想 本文主要从以下两方面进行相应介绍 1 分析了电动自行车车用无刷直流电动机结构及工作原理 2 采用 AT89C2051 芯片为控制核心 设计电动自行车驱动电机控制系统 的硬件电路和相应软件设计 相应的各章内容概述如下 第一章 主要介绍了课题的背景和意义以及国内外电动车尤其是电动自行 车的发展情况 并对电动自行车驱动控制的相关技术做了简要介绍 第二章 对电动自行车用无刷直流电动机结构及工作原理做了详细的分析 简要介绍了 PWM 控制技术 第三章 以 AT89C2051 芯片为控制核心 进行电动自行车驱动电机控制 系统的硬件电路设计及各单元电路分析 第四章 系统软件程序结构框图设计 第五章 总结与展望 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 12 2 2 永磁无刷直流电机结构与工作原理永磁无刷直流电机结构与工作原理 电动自行车的运行 与一般的工业应用不同 对驱动系统的要求很高 电 动自行车用电动机应具有以下特点 1 电动自行车用电动机应具有瞬时功率大 过载能力强 加速性能好 使用寿命长的特点 2 电动自行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 3 电动自行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 4 电动自行车用电动机应在整个运行范围内 具有高的效率 以提高 一次充电的续驶里程 另外还要求电动自行车用电动机可靠性好 能够在较恶劣环境下长期工作 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 鉴于 电动自行车对电动机的基本要求采用永磁无刷直流电动机 2 1 永磁无刷直流电机的结构 直流无刷电机是在直流有刷电机的基础上发展起来的 由于直流有刷电机 的换向器和电刷在电机高速运转时容易产生火花 引起火灾 爆炸等事故 因 此许多环境限制了直流有刷电机的应用 随着科学技术的发展 开关型晶体管 的研制成功 为直流电机的发展带来生机 经过不断的研究和实践 人们终于 找到了用位置传感器和电子换向线路来替代直流有刷电机的机械换向装置 六 十年代初出现了用霍尔元件传感器的直流无刷电机 七十年代初出现了比霍尔 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 13 元件传感器灵敏度高许多倍的磁敏二极管换流的直流无刷电机 随着人们的不 断努力 又发现了不用位置传感器 而依靠电机绕组在运转时产生的反电势来 获得位置信号实现换向的直流无刷电机 通常把这种利用检测绕组反电势获得 位置信号的直流无刷电机称为反电势法无刷直流电机或直流无刷无位置传感器 电机 2 1 1 永磁无刷直流电机驱动系统构成 永磁无刷直流电动机的控制器与电机本体紧密结合 是典型的机电一体化 器件 由电动机本体 控制器和转子位置传感器三部分组成 下面是永磁无刷 直流电机的构成 如图 2 1 所示 直流电源控制与驱动电路电动机本体 位置传感器 转矩输出 图 2 1 永磁无刷直流电机的构成框图 Figure 2 1 Diagram of the PM BLDCM 下面是三相全波逆变状态的永磁无刷直流电机的构成框图 如图 2 2 所示 T1 T4 U D5 D2 T5 T2 D1 T3 D3 T6 D6 D4 电机本体 转子位置 传感器 控制 驱 动电路 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 14 图 2 2 永磁无刷直流电机的构成框图 三相全波逆变状态 Figure 2 2 Diagram of PM BLDCM three phase full wave inverter state 2 1 2 电机本体 永磁无刷直流电机本体结构与永磁同步电机相似 电机本体主要包括转子 和定子 永磁无刷直流电机转子上装配高性能永磁材料制成的永磁体 常用的 有三种结构形式 如图 2 3 所示 其中图 2 3 a 结构是转子铁心外圆粘贴瓦 片形永磁体 图 2 3 b 结构是在转子铁心中嵌入矩形板状永磁体 图 2 3 a 和 图 2 3 b 结构的永磁无刷直流电机的转子外径套有一个紧圈 以防止电机在 高速运行时离心力将永磁体甩出 同时在盐雾等恶劣的环境中也对永磁体起保 护作用 紧圈的材料通常用不导磁不锈钢 也可用环氧无纬玻璃丝带缚扎 图 2 3 c 结构是在转子铁心外套上一个整体粘结永磁体环 适用于体积和功率 较小的永磁无刷直流电机 该种结构的转子的制造工艺性较好 永磁无刷直流电机的定子结构与普通的同步电机及异步电机相同 铁心中 嵌放对称多相绕组 绕组可接成星形或三角形 并分别与逆变器中各开关管相 连接 除了上述基本结构形式外 还有一种外转子式结构 即带有永磁极的转 子在外嵌有绕组的定子在里 电机运行时 外转子旋转 这种结构形式主要用 于电动车的驱动 c 环形径向磁化 b 矩形切向磁 化 a 瓦形径向磁化 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 15 图 2 3 电机本体转子结构形式 Figure 2 3 Motor rotor body structure 2 1 3 转子位置传感器 转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件 它对电机转子位置进行 检测 其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断 使电机定子各相绕组 按顺序导通 保证电机连续工作 转子位置传感器也由定 转子组成 其转子 与电机本体同轴 以跟踪电机转子的位置 其定子固定于电机本体定子或端盖 上 以感应和输出转子位置信号 转子位置传感器的主要技术指标为 输出信 号的幅值 精度 响应速度 工作温度 抗干扰能力 损耗 体积重量 安装 方便性以及可靠性等 其种类包括磁敏式 电磁式 光电式 接近开关式 正 余弦旋转变压器式以及编码器等 其中最常用的有以下几种 1 霍尔元件式位置传感器 霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种 它是一种半导体器件 是利用霍尔效应制成的 当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中 即输出 霍尔电势信号 当其不受外磁场作用时 其输出端无信号 用霍尔元件作转子 位置传感器通常有两种方式 第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面 靠近霍尔元件并与之有 一小间隙处 安装着与电机轴同轴的永磁体如图 2 3 所示 对于两相导通星形 三相六状态无刷直流电机 三个霍尔元件在空间彼此相隔 120 电角度 永磁 体的极弧宽度为 180 电角度 这样 当电机转子旋转时 三个霍尔元件便交 替输出三个宽度为 180 电角 相位互差 120 电角的矩形波信号 第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧 靠铁心处 利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体 根据霍尔元件 的输出信号即可判断转子磁极位置 将信号放大处理后便可驱动逆变器工作 霍尔元件式位置传感器结构简单 体积小 价格低 可靠 但对工作温度 有一定要求 同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体 否则输出信号电平太低 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 16 不能正常工作 因此在对性能和环境要求不是很高的永磁无刷直流电机应用场 合 大量使用霍尔元件式位置传感器 霍尔元件式位置传感器结构如下图 2 4 所示 Ha Hb Hc S 1 2 3 图 2 4 霍尔元件式位置传感器结构 1 永磁体架 2 永磁体 3 霍尔元件 Figure 2 3 Hall element position sensor 1 permanent magnet planes 2 permanent magnet 3 Hall element 2 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器的定子由磁芯 高频激磁绕组和输出绕组组成 转子由 扇形磁芯和非导磁衬套组成 电机运行时 输入绕组中通以高频激磁电流 当 转子扇形磁芯处在输出绕组下面时 输入和输出绕组通过定 转子磁芯耦合 输出绕组中则感应出高频信号 经滤波整形和逻辑处理后 即可控制逆变器工 作 这种传感器具有较高的强度 可经受较大的振动冲击 故多用于航空航天 领域 电磁式位置传感器输出信号较大 一般不需要经过放大便可直接驱动开 关管 但此输出电压是交流 必须先整流 由于这种传感器过于笨重复杂 因 而大大限制了其在普通条件下的应用 3 光电式位置传感器 光电式位置传感器由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上 的遮光板所组成 几个光电耦合开关沿圆周均布 每只光电耦合开关由相互对 着的红外发光二极管和光敏三极管组成 遮光盘处于发光二极管和光敏三极管 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 17 中间 盘上开有一定角度的窗口 红外发光二极管通电后发出红外光 当遮光 盘随电机转子一同旋转时 红外光间断的照在光敏三极管上 使其不断导通和 截至 其输出信号反应了转子的位置 经过放大后去驱动逆变器开关管 光电 式位置传感器轻便可靠 安装精度高 抗干扰能力强 调整方便 因此获得了 广泛的应用 近年来 无位置传感器的永磁无刷直流电机发展比较快 它省去了转子位 置传感器 因而电机结构简单 体积小 可靠性高 当电机体积较小 位置传 感器难以安装时或电机工作在恶劣环境中以致于位置传感器工作的可靠性难以 保证时 这种无位置传感器的永磁无刷直流电机更显示出其独特的优越性 无 位置传感器的无刷直流电机的主要弱点是起动转矩比较低 一般只适用于空载 或轻载条件下起动 当电机转子采用永磁体励磁时 永磁体的强磁场使得电机 在较低速度时就可以检测到电枢绕组反电动势 在较低转速下实现电机的自同 步运行状态切换 从而加快电机的起动过程 实现宽的调速范围 2 1 4 逆变器电路 永磁无刷直流电机中的逆变器电路起到类似于传统直流电机中换向器的作 用 逆变器电路形式主要有桥式和非桥式两种 图 2 5 和图 2 6 分别给出了三 相星形三状态 三相半波 逆变器电路和三相星形六状态 三相全波 逆变器 电路 及其对应输出的方波电流 图 2 5 电路简单 但每项绕组仅通电 120 电角度 绕组利用率差 图 2 6 桥式逆变电路向电机绕组提供宽为 120 电角 度的三相对称方波电流 每相绕组通电 240 电角度 与图 2 5 相比提高了绕 组利用率 由下一节的永磁无刷直流电机的运行原理分析可知 三相六状态电 路中 定子磁场步进角为 60 电角度相较三相三状态电路的定子步进磁场 120 电角度小 降低了转矩脉动 事实上 应用最广泛的就是三相星形六状 态的逆变器电路 三相星形六状态的逆变电路如图 2 6 所 示功率开关管 T1 T6 通常为功率晶体管 GTR 功率场效应晶体管 MOSFET 绝缘栅晶体管 IGBT 可关断晶闸管 GTO 以及 MOS 栅控晶闸管 MCT 等功率电子器件 晶闸管 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 18 适用于中大功率电机 晶体管适用于中小功率电机 各种晶体管由于容量 开 关频率 价格等不同应按电机的实际工作状况进行合理选取 AB C T1 T2T3 ia ib ic 2 3 2 3 4 3 4 3 2 图 2 5 三相半波 三相星型三状态 逆变器电路 Figure 2 5 Three phase half wave three phase three star status inverter circuits T1 T4 u C T5 T2 T3 T6 A B ia ib ic 2 3 5 3 3 4 3 2 3 2 图 2 6 三相星形六状态 三相全波 逆变器电路 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 19 Figure 2 6 Three phase six star status three phase full wave inverter circuits 2 2 永磁无刷直流电机的运行原理 2 2 1 基本运行原理 永磁无刷直流电机是在传统直流电机基础上发展起来的 其内部发生的电 磁过程与普通直流电机类似 以两相导通星形三相六状态永磁无刷直流电机为 例说明其工作原理 A Z B X C Y S N Fa Ff A Z B X C Y S N Ff Fa a b 图 2 7 永磁无刷直流电机工作原理示意图 Figure 2 7 Work Principle of PM BLDCM 当转子永磁体位于图 2 7 a 所示位置时 转子位置传感器输出磁极位置信 号 经过控制电路以及驱动电路处理后 导通功率开关管 T1 T6 即绕组 A B 通电 且电流方向为 A 进 B 出 电枢绕组在空间的合成磁势为 Fa 此时 定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动 电流流经路径为 电源正极 T1A 相绕组B 相绕组T6电源负极 当转子转过 60 电角度到达图 2 7 b 所示位置时 转子位置传感器输出位置信号改变 再经过控制电路及驱 河南理工大学本科毕业设计 论文 说明书 20 动电路处理后使 T6 截至 T2 导通 T1 仍然导通 则绕组 A C 通电 且电流 方向为 A 进 C 出 电枢绕组在空间合成磁场如图 2 7 b 此时 定转子磁场 相互作用使转子继续沿顺时针方向转动 电流流经路径为 电源正极T1A 相绕组C 相绕组 T2电源负极 依此类推 当转子继续沿顺时针每转过 60 电角度时 逆变器中功率开关管的导通逻辑为 T3T2T3T4T5T4T5T6 T1T6 则转子磁场始终受定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转 动 在图 2 7 a 到 2 7 b 的 60 电角度范围内 转子磁场顺时针连续转动 而定子合成磁场 Fa 在空间保持不动 只有当转子磁场转过 60 电角度到达图 2 6 b 中的 Ff 的位置时 定子合成磁场才从图 2 7 a 中的 Fa 位置 顺时针 跃变至 2 7 b 中的 Fa 位置 可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场 而是一种跳跃式的磁场 每个步进角是 60 电角度 每当转子转过 60 电角 度时 逆变器开关管之间就进行一次换流 定子磁状态就改变一次 可见电机 在 360 电角度内有 6 个磁状态 每一状态都是两相导通 每相绕组中流 过电流的时间相当于转子旋转 120 电角度 每个功率开关管的导通角为 120 电角度故称之为 120 导通型 两相导通星形六状态无刷直流电机的三相 绕组通电与各开关管导通逻辑如表 2 1 电机逆时针旋转时的分析与顺时针相同只是逆时针旋转的开关管导通逻辑 与顺时针时相反 如下表 2 1 所示 表 2 1 逆变器开关管导通逻辑 Table 2 1 Inverter switch on logic 磁状态123456 HaHbHc110010011001101100 通电绕组A BA CB CB AC AC B 顺时针T1T6T1T2T3T2T3T