汽车节能超高速飞轮控制系统设计毕业论文.doc

中国石油大学（华东）本科毕业设计汽车节能超高速飞轮控制系统设计毕业论文目 录第1章 前 言11.1 超高速飞轮的课题目的11.2超高速变频飞轮的国内外现状21.3 超高速变频飞轮的目前存在的问题以及如何解决问题21.4超高速变频飞轮的未来发展方向31.5 本文研究的主要内容3第2章 超高速飞轮控制系统功能42.1超高速飞轮控制系统的要求42.2 超高速飞轮控制系统实现的功能42.2.1 发动机储能42.2.2 超高频驱动电机调速62.2.3 飞轮释放能量72.2.4 制动能量的回收82.2.5 真空泵的压力检测102.2.6 温度检测112.3 小结11第3章 控制系统的组成123.1 电路元器件简介及功能123.1.1 AT89C51单片机简介123.1.2 LM7805线性稳压源143.1.3 7407简介143.1.4SA4828简介153.1.5 TLP250驱动电路153.1.6 IGBT功用163.2 控制系统的PROTEL电路设计163.2.1 飞轮转速传感器的数字显示电路163.2.2 调速电路173.2.3 真空泵压力检测电路183.2.4 温度检测电路193.3 小结20第4章 控制系统仿真214.1 仿真软件设计214.1.1 Keil C51简介214.1.2 PROTEUS 软件简介224.1.3 仿真实现过程224.2 PROTEUS仿真结果224.3 控制系统流程结构图264.4 小结27第5章 结论285.1 控制系统设计总结285.2 个人总结285.3 超高速飞轮未来前景29致 谢30参考文献31附 录34附录A34附录B37附录C41附录D47附录E50附录F55中国石油大学（华东）本科毕业设计第1章 前 言1.1 超高速飞轮的课题目的 随着世界能源危机和环境污染问题的日益严重，人们对汽车节能和减排的要求越来越高，采用储能飞轮进行汽车功率和能量的调节是一种有效的解决办法。近年来高强度的复合材料、低功耗磁轴承、先进的电力电子控制等一系列关键技术的发展，使得飞轮储能系统在汽车上的应用成为可能。详细介绍了飞轮储能系统的结构、原理和特点，总结了飞轮储能技术在汽车上的应用发展现状，指出了车用高速飞轮储能系统的应用存在的关键问题，为进一步研究提供参考。由于原油储量的不断减少和汽车尾气排放对环境污染的日益严重，能量储存和再利用技术已成为一个世界性问题。储能飞轮具有使用寿命长、储能密度高的优点，在储能量一定的情况下，其质量比超级电容更轻、体积更小，因而更加有利于在汽车上布置安装。而 Flybrid Systems LLP公司研制的超高速飞轮，飞轮质量仅为5kg，极限转速60000rpm,最大功率60kw,最大扭矩130牛米，最大储能400千焦，系统总重量仅为24kg，广泛应用于F1赛车1。KERS整体结构如图11所示。图1-1 KERS整体结构图1.2超高速变频飞轮的国内外现状美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。日本已经制造出在世界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统(容量26.5MVA ,电压1100V ,转速510690r/min ,转动惯量710t·；m2) 。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统。飞轮重172.8kg, 工作转速范围11, 61046, 345rpm, 破坏转速为48, 784rpm, 系统输出恒压110240V , 全程效率为81%。经济分析表明, 运行3 年时间可收回全部成本。飞轮储能技术在美国发展得很成熟,他们制造出一种装置,在空转时的能量损耗达到0. 1 %每小时。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。目前国内从事与飞轮研究相关的单位有:清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所(由中科院电工所、天津核工业理化工程研究院等组成) 、北京航空航天大学、南京航空航天大学、中国科大、中科院力学所、东南大学、合肥工业大学等,主要集中在小容量系列，其中，北航针对航天领域研制的“姿控/储能两用磁悬浮飞轮”已获得2007年国家技术发明一等奖。华北电力大学和中国科学院电工研究所、河北省电力局合作, 已经开始就电力系统调峰用飞轮储能系统的课题进行研究, 预计能够取得可喜的成果。1.3 超高速变频飞轮的目前存在的问题以及如何解决问题目前国内外超高速飞轮中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时候，作为电动机给飞轮加速，在放电时候，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。内置电机它没能解决飞轮释放能量的具体控制过程，这也是问题存在的关键所在。驱动电机调速方案具体过程如下：在此结构的基础上进行改进，将超高频驱动电机接在CVT的一个输入端，利用超高频驱动电机对CVT进行调速，驱动电机的转速变化控制了CVT转速的变化快慢，从而解决了飞轮转速变化的控制过程。而详细的控制过程将在接下来的章节进行介绍。KERS系统结构如图12所示。图1-2 KERS系统结构图1.4超高速变频飞轮的未来发展方向由于超高速飞轮的体积和质量相对来说较小，储能密度较高，在现有的技术水平和大众可以接受的价格范围内，可以在未来的汽车上广泛应用，有效地减少了发动机的功率输出，同时既节能又减排。在当前能源短缺的情况下，如果超高速飞轮能够广泛应用到小型汽车上，这将大大解决能源短缺问题。 1.5 本文研究的主要内容本文所研究的内容是利用超高频驱动电机SPWM调速从而控制飞轮转速的变化，实现飞轮的释放能量和制动能量的回收过程以及利用发动机给飞轮储能。除此之外，飞轮真空腔的真空度也是本文的一个重点，超高速飞轮在真空环境下工作，以降低风阻损耗，降低飞轮的摩擦升温效果，所以利用真空泵去实现真空腔的标准真空度以及真空腔中的压力检测是飞轮工作过程的主要环节。磁悬浮轴承利用磁流体去密封，在高速工作过程中，磁流体的温度会升高，因此，本文主要对磁流体正常工作状态条件下的一个温度检测。4中国石油大学（华东）本科毕业设计第2章 超高速飞轮控制系统功能2.1超高速飞轮控制系统的要求超高速飞轮的的控制过程是飞轮工作过程的一个重要环节，一套完整的控制系统对飞轮的工作过程至关重要，控制过程的精确，准时决定了飞轮的工作状态。而此控制系统主要包括以下内容：超高频驱动电机的调速控制，真空泵的压力检测控制，以及磁流体密封轴承处的温度检测控制。对于控制系统的实现过程需要有相关的程序和设计电路以及系统图。2.2 超高速飞轮控制系统实现的功能控制系统所实现的功能主要分为三部分，第一利用超高频驱动电机去调速，控制飞轮转速的变化，从而实现能量的释放和回收过程。第二是对真空泵的压力检测控制，检测飞轮真空腔内部的工作压力是否符合规定的压力值。第三是磁流体密封轴承处的温度检测控制。这三个大的环节构成控制系统的核心。其次控制过程中还应该包括利用发动机给飞轮储能2.2.1 发动机储能首先解决汽车起步之前飞轮储存能量，如果利用飞轮内置电机给飞轮加速储能必然耗费较大的电能，经济上不合算，所以采用发动机在至少180s时间内给飞轮提供能量。为解决动力的传输和中断问题，在CVTT和主减速器之间加上一个可以传递大扭矩的万向联轴器。在汽车起步之前，发动机以某一恒功率运转，电磁离合器和发动机离合器要保持接合，万向联轴器处于断开状态，这样才能将动力通过CVTT差动轮系传递给飞轮，为飞轮提供能量，此过程需要控制系统完成。具体控制过程如下：首先发动机离合器处于结合状态，而电磁离合器结合是通过单片机控制系统设置的独立键盘“开始”按键来实现的，当按下“开始”时候，电磁离合器处于结合状态，通过加速踏板，变速器，分动器，CVTT(无极变速器差动变速轮系),GGB(行星齿轮箱),当飞轮达到极限转速60000rpm时，电磁离合器通过预先存储在单片机的程序自动进行控制断开过程，飞轮储能过程完毕。这样就实现了在180s时间内飞轮加速到60000rpm。飞轮储能整体结构如图所示。图21 整体模式图程序流程如图22所示。程序详见附录A。图2-2 发动机储能程序流程图2.2.2 超高频驱动电机调速由于伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.所以选取安川SGMJV04ADD6E永磁无刷交流伺服电机，这种电机配线更简易可靠，在恶劣环境下可以安心使用等优点。安川SGMJV04ADD6E的功率为400W。因为对于超高频电机的选取，额定功率不能过大，一般小于0.5KW左右。图23伺服电机转矩转速特性曲线由于永磁无刷交流电机转速不随负载而改变，只是根据外界电网频率而改变，所以通过调节驱动电机的速度变化而控制飞轮转速的变化的快慢。我们所研究的储能系统是发动机和飞轮组成的混合动力系统，二者属于并联关系。超高速飞轮处于高速运转时，转矩很小，所以必须将转矩进行放大才能提供给汽车后轴，通过驱动电机转速的变化控制飞轮转速的变化，根据理论力学中动量矩G=J, 俩边求导后转矩M=J，J=E其中，, E分别是角速度，角加速度,飞轮转过的角度和能量的变化，根据此公式可以得出，如果角速度变化越快，即角加速度越大，力矩就越大，所以驱动电机的转速变化越快，飞轮在快速降低的同时释放的力矩也就越大，具体说就是如果飞轮在一次释放总能35%的情况下，飞轮转速变化由60000rpm45000rpm左右时，如果时间越短，转矩变化就越大。 安川伺服电机采用双极性SPWM调速，双极性控制则是指在输出波形的半周期内，逆变器同一桥臂中的两只元件均处于开关状态，但它们之间的关系是互补的，即通断状态彼此是相反交替的。这样输出波形在任何半周期内都会出现正、负极性电压交替的情况，故称之为双极性控制，与单极性控制方式相比，载波和控制波都变成了有正、负半周的交流方式，其输出矩形波也是任意半周中均出现正负交替的情况。图2-4 双极性双极性调速适用于高性能场合，对于超高频驱动电机调速选择双极性调速。所以改变控制信号Ur（fr）的频率，则输出电压的基波频率亦随之而改变，这样就实现了调频的目的。n=60fr/p,fr为电网的频率，p为磁极对数，取1。通过改变频率的变化从而也就实现了驱动电机转速的变化。因为改变fr，三角载波的频率Uc不变，在双极性调速中，输出波形的频率必然要改变，从而实现了驱动电机的SPWM调速。2.2.3 飞轮释放能量汽车在公路起步行走时，车速在10s时间由0加速到到100km/h，发动机以恒功率和恒扭矩输出，通过飞轮释放能量来减少发动机的功率输出。首先通过单片机控制系统的按键使电磁离合器结合，这时候发动机和飞轮一起向外输出动力，使得汽车前进，飞轮转速一旦降到系统预设的45000rpm时，电磁离合器通过存储在单片机里的程序就会使其断开，剩余的能量以待以后行进时多次释放。根据双极性调速，使得外界电网频率发生一系列降低改变，从而驱动电机转速降低。外界电网的频率由83HZ连续降到50HZ，驱动电机转速就由由5000rpm到3000rpm。所以飞轮由60000rpm降到45000rpm，,这样就实现了飞轮释放能量的控制过程。程序流程如图25所示。程序详见附录B。图2-5 释放能量程序流程图2.2.4 制动能量的回收对于1.5t的轿车，设计的动力驱动与能量回收高速飞轮，在车速60km/h时4s完全制动，理论上可以回收90%以上的制动动能；在车速100km/h时，3.5s内完全制动时，能够回收45%的制动动能。汽车在60km/h时开始制动，首先通过单片机设定好的按键程序，按“开始”键，使得电磁离合器结合，这时将制动踏板快速踏下，汽车开始制动，飞轮开始回收能量，但是飞轮转速不能超过60000rpm，一旦达到这个数值，电磁离合器通过单片机控制程序就会断开。这是回收能量的一个极限情况。而回收能量的快慢要通过伺服电机调速的变化快慢来实现飞轮的转速变化，以实现在短时间内急剧回收能量。在60km/h，驱动电机会根据单片机内部的程序对驱动电机进行SPWM进行调速，使得外界电网的频率由50HZ连续升到67HZ，驱动电机转速由3000rpm到4000rpm，这时候飞轮转速由45000rpm增加到53000rpm。汽车在100km/h时开始制动，和汽车在60km/h时开始制动时候控制过程是一样的，驱动电机的调速都是通过存储在单片机调速程序自动改变电网频率，从而实现SPWM调速。但是此时飞轮回收能量很少，大部分都通过制动时以热量的形式散发掉了。飞轮转速由45000rpm到55000rpm,这时候电磁离合器就要断开，飞轮回收的能量等待下次汽车行驶时候释放。驱动电机转速由3000rpm到4500rpm。程序流程如图26所示。程序详见附录C。图2-6 制动能量回收程序流程图总之，无论飞轮释放能量还是制动能量的回收过程，飞轮转速的变化都是通过驱动电机进行调速的，根据存储在单片机里的SPWM调速程序，在这俩种工况下，外界电网的频率就会连续的改变，从而驱动电机的转速也会连续的改变，这样就实现了飞轮能量的释放和回收过程。2.2.5 真空泵的压力检测主要控制真空飞轮内部压力保持在一定范围内，通过控制系统检测压力的变化，通过现有技术保证飞轮内部一定的真空度，以实现较少产热和风阻的影响。数字大气压力传感器将检测到数字信号送给单片机，单片机经过计算和分析，检测压力的变化，如果飞轮腔真空部分压力不符合正常工作的标准绝对大气压力20kpa时候，继电器就会控制真空泵的电路通断来实现真空的工作，当飞轮内部的压力达到标准20kpa压力时，继电器就会断开。程序流程如图27所示。程序详见附录D。 图2-7 压力检测流程图2.2.6 温度检测由于飞轮高速旋转，安装飞轮轴处的磁流体密封轴承必须要进行冷却，所以需要温度检测。主要通过DS18B20数字温度传感器进行检测，将数字信号给单片机，从而达到温度检测的目的。程序流程如图28所示。程序详见附录E。 图2-8 温度检测程序流程图2.3 小结 本章节主要介绍了发动机的储能过程，驱动电机调速控制飞轮释放能量和回收能量过程，以及压力检测控制和温度检测控制。每个控制都有相关的程序，并且用流程图详细表达了具体控制过程。在控制系统中，除了程序外，还应该有相关的控制电路图。所以下一章节将详细介绍控制电路的原理与设计，以及如何实现控制。58中国石油大学（华东）本科毕业设计第3章 控制系统的组成3.1 电路元器件简介及功能3.1.1 AT89C51单片机简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和flash存储单元。 图3-1 AT89C51引脚图 并行I/O接口：P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 VCC：供电电压，一般工作电压为5V。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 LM7805线性稳压源三端稳压集成电路lm7805（线性稳压管）输出正5V直流电压的稳压电源电路。7805系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高34V还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为915V之间。由于汽车电源是12V直流电源，所以不需要整流。只需要在lm7805的输入端1和输出端3加上滤波电容即可。这样输出端输出的就是5V电压了，可以提供给单片机。图3-2 LM7805电路图3.1.3 7407简介7407是集电极开路六正相高压驱动器，用于共阴极驱动发光二级管。图3-3 7407逻辑图1进2出，3进4出，5进6出，9进8出，11进10出，13进12出，7接地，14接高电平。 3.1.4 SA4828简介SA4828是英国MITEL公司研制出的一种专门用于三相SPWM信号发生和控制的集成电路芯片。图3-4 SA4828引脚图（1）与单片机的接口信号ADOAD7 、WR、RD、ALE可直接与地址/数据复用的单片机相连。此时，总线选择信号MUX接+5V，地址/数据引脚RS不用。（2）输入信 CS 片选信号，CLK时钟信号，RESET复位信号，SET TRIP关断信号，高电平时可快速关断全部SPWM信号。（3）输出信号RT、YT、BY控制三相逆变桥的三个上桥臂的开关管。RB、YB、BB控制三相逆变桥的三个下桥臂的开关管。ZPPR输出调制波的频率，WSS输出采样波形。TRIP 封锁状态，SET TRIP有效时，该引脚为低电平表明输出已被封锁，可接LED指示灯。3.1.5 TLP250驱动电路Amp1k5 25V10V86 ,7352TLP2500 SA4828输出的6路控制信号是TTL电平的，它不能直接驱动IPM中的6个IGBT。必须使用TLP250驱动IGBT。图3-5 TLP250驱动电路3.1.6 IGBT功用IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。因此在调速电路选择IGBT作为控制开关。3.2 控制系统的PROTEL电路设计 控制系统的电路设计主要以AT89C51作为控制核心，LM7805线性稳压源，7407，SA4828，TLP250驱动电路等作为电路的主要组成部分。本控制系统一共使用四块AT89C51芯片，芯片之间通过串口连接实现同步工作。第一块芯片是用来实现显示飞轮传感器数字变化，第二块是用来实现驱动电机的调速功能，第三块是用来实现压力检测的控制过程，第四块是用来实现温度检测的控制过程。以下将详细分开介绍各控制电路。3.2.1 飞轮转速传感器的数字显示电路在此电路中，主要包括微控制器AT89C51，复位电路，时钟电路，独立键盘，霍尔转速传感器，7407驱动部分，继电器驱动电磁离合器，数码管，以及上拉电阻。AT89C51是整个系统的核心，负责采集霍尔转速传感器的数据，然后在数码管上显示，由于单片机的引脚驱动能力较弱，所以要利用驱动部分7407和上拉电阻提高驱动能力，在整个控制系统中电磁离合器的接合与通断就是通过自动开关继电器驱动的。复位电路和时钟电路是单片机的最小系统，保证单片机正常工作。独立键盘是控制电磁离合器接合，实现系统工作的过程。在超高速飞轮工作的过程中，无论是发动机给飞轮储能，还是飞轮释放能量和制动能量的回收过程，霍尔转速传感器都会将数字信号送入单片机，然后通过电路在数码管上动态显示。如果飞轮达到极限转速60000rpm，单片机输出低电平使得继电器断开从而实现电磁离合器的断开。数字显示电路如图36所示。图3-6 数字显示电路以上就是电路各部分的主要功能以及工作过程各部分功能的实现过程。其中数码管动态仿真在下一章介绍。3.2.2 调速电路在调速电路中主要包括微控制器主要包括微控制器AT89C51，复位电路，时钟电路，SA4828芯片，TLP250驱动电路，三相PWM变频器，而三相PWM变频器主要有整流电路，滤波电路，逆变电路。微控制器AT89C51是整个调速系统的核心，复位电路和时钟电路是单片机的最小系统，SA4828芯片用于三相SPWM信号发生和控制，由于SA4828芯片驱动能力较弱，不能直接驱动IGBT，所以选择TLP250驱动IGBT。在三相PWM变频器中，整流电路是经过三相整流桥全波整流成直流，滤波电路是将整流后的直流变成更加平滑的直流，而逆变电路是把直流电逆变成频率可调的三相交流电，所以最终实现了变频的目的。在超高频驱动电机过程中，存储在单片机的程序把频率信号写入到SA4828控制寄存器，然后启动SA4828，从RT到BB六个引脚就会输出相应频率的SPWM控制信号，经过驱动电路，分别控制功率开关器件IGBT的导通和截止，最后在三个输出端产生对称的三相SPWM电压，最终驱动超高频驱动电机运转。调速电路如图37所示。图3-7 调速电路根据程序中所设定的可变频率，就会将信号写入SA4828控制寄存器，在SA4828的RT到BB六个引脚就会连续输出可变频率的SPWM控制信号，从而驱动电路驱动IGBT，IGBT就会以较高的频率连续导通和截止，这样在三相电压的输出端就会使得驱动电机按照程序中的频率设定连续的使转速发生改变，这样就真正的实现了超高频驱动电机在连续时间内的连续调速，从而满足了控制系统的要求。3.2.3 真空泵压力检测电路在压力检测电路中，主控制核心仍是AT89C51，其次复位电路，时钟电路，7407驱动部分，MS5561C大气压力传感器，以及继电器驱动电路。在压力检测电路中，大气压力传感器将数字信号送入单片机，在数码管上显示压力数值，单片机经过分析与存储在单片机程序里的真空腔标准压力数值进行比较，如果不符合，单片机控制继电器接合实现真空泵的工作，直到达到标准压力值继电器就会断开，这就是整个电路的工作原理。压力检测电路如图38所示。图3-8 压力检测电路3.2.4 温度检测电路在温度检测电路中，主控制核心仍然为AT89C51，其次复位电路，时钟电路，7407驱动部分，数字温度传感器DS18B20。温度检测电路如图39所示。图3-9 温度检测电路在超高速飞轮工作过程中，磁悬浮轴承采用磁流体密封，磁流体温度一般不高于105，高速运转的过程中磁流体的温度会升高，所以要进行温度检测。数字温度传感器将温度信号送入单片机，单片机经过分析和处理，将温度信号在数码管上显示，这样就可以看到磁流体此时的工作温度了。如果温度过高就要进行冷却。3.3 小结 本章主要介绍了电路元器件的功能，电路设计原理，以及数码管显示电路，调速电路，压力检测电路，温度检测电路所实现的功能，每一部分都详细介绍了电路的具体工作过程，在接下来的章节主要介绍电路仿真的结果。中国石油大学（华东）本科毕业设计第4章 控制系统仿真4.1 仿真软件设计4.1.1 Keil C51简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。图4-1 Keil 软件程序编译窗口本设计中的所有程序都是经过Keil C51软件编译，然后调试。在调试窗口查找错误和警告，根据软件本身的功能特点，找到相关错误的位置，然后进行改正，继续编译、调试，直到程序没有错误为止。4.1.2 PROTEUS 软件简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。4.1.3 仿真实现过程第一步：在Keil中将编写好C语言程序，然后编译当前文件，创建HEX目标文件，重建所有目标文件。第二步：在Proteus中选择元器件绘制好原理图（复位电路和时钟电路等一些电路元件可以省略）。第三步：将创建HEX目标文件通过Proteus下载到其中，然后运行，这时候就可以看到原理图的动态模拟过程。4.2 PROTEUS仿真结果在图4-2仿真电路中，发光二极管灯灭代表电磁离合器断开，发动机给飞轮加速到60000rpm，储能过程结束。图4-2 发动机储能过程仿真在图4-3中发光二级管绿灯亮起过程模拟飞轮释放能量电磁离合器结合的过程。图4-3 飞轮释放能量过程在图4-4发光二极管灯灭时候代表飞轮释放能量结束，电磁离合器断开。图4-4 飞轮释放能量结束在图4-5中发光二级管黄灯亮起过程模拟继电器接合，真空泵正在工作。图4-5 真空泵工作过程在图4-6中发光二级管灭代表真空泵工作结束，继电器断开的过程。图4-6 真空泵工作结束图4-7 温度检测仿真图在温度仿真电路中，数码管显示的就是温度传感器DS18B20检测的磁流体工作温度的模拟过程。4.3 控制系统流程结构图在系统图包括了发动机储能过程，飞轮释放能两和制动能量的回收过程，驱动电机调速，压力检测，以及温度检测。系统结构如图48所示。图4-8 系统结构图发动机储能：首先按下键盘按键，单片机给高电平时电磁离合器接合，发动机经离合器，传动装置给飞轮加速，达到60000rpm时候，单片机给低电平电磁离合器断开，飞轮储能完成。驱动电机调速释放能量：按下独立键盘按键，单片机给高电平电磁离合器接合，驱动电机开始实现SPWM调速，通过单片机里的程序，启动SA4828，经TLP250驱动电路，控制PWM变频器中的IGBT开关的通断，频率改变，驱动电机转速持续下降，飞轮的转速也会对应着下降，降到到55000rpm,单片机给低电平，电磁离合器断开，能量释放结束。驱动电机调速回收能量：按下独立键盘按键，单片机给高电平电磁离合器接合，驱动电机开始实现SPWM调速，通过单片机里的程序，启动SA4828，经TLP250驱动电路，控制PWM变频器中的IGBT开关的通断，频率改变，驱动电机转速持续上升，飞轮的转速也会对应着上升，由45000rpm升到55000rpm,单片机给低电平电磁离合器断开，回收能量结束。真空泵压力检测：压力传感器给单片机送入压力数值，如果和程序中的飞轮真空腔的标准压力不符合，单片机给继电器高电平，继电器接合，真空泵开始工作，直到检测的压力数值和标准压力一致，单片机给继电器低电平，电磁离合器断开，压力检测控制结束。温度检测：温度检测是利用DS18B20数字温度传感器进行检测，针对磁流体密封处的温度检测，DS18B20将温度信号送入单片机，这样就可以看到磁流体工作的当前的温度了。4.4 小结本章主要介绍了使用keil软件和proteus软件仿真的过程，针对每个仿真过程详细介绍了所实现的功能，包括飞轮转速的变化仿真，压力检测，温度检测等的仿真。最后通过系统流程结构图对整个控制过程再一次详细介绍了控制系统的工作过程，使得控制过程简单明了。中国石油大学（华东）本科毕业设计第5章 结论5.1 控制系统设计总结 控制系统是设计是超高速飞轮整体设计的重点之一，通过控制系统可以具体控制飞轮的工作过程，包括汽车在行驶时飞轮释放能量和回收能量等过程，解决了汽车在水平城市公路走走停停发动机输出功率过大的问题，飞轮释放能量使得汽车前进，发动机的功率输出减小，汽车制动过程，飞轮回收制动能量，减少能量的损失。 本控制系统的设计首先确定需要控制的部分，然后有一个整体结构，在整体结构中包含了每一部分子控制，每一部分子控制通过程序和电路去实现控制，最后通过简单的仿真模拟控制过程。此控制系统还很不完善，仍需要较大的提高。一套完整的控制系统对超高速飞轮的工作过程至关重要，每一部分的精确控制也是控制系统的重点。目前超高速飞轮在国内外的研究很广泛，如果在控制系统方面能够做到更加完美，这将是未来超高速飞轮的一个重点的发展。本课题所研究的超高速飞轮控制系统，主要针对城市路面的小型汽车，它们在繁华拥挤的道路上走走停停，能够在汽车行驶过程中控制飞轮在一定时间内释放能量和制动能量的回收。如果飞轮控制系统完善的话，在节能减排方面将会有更大的提高。从节约能源的角度来看，超高速飞轮的发展将是未来汽车节能化小型化的一个主要发展方向。5.2 个人总结本次毕业设计的课题是汽车节能超高速飞轮控制系统，在该设计中主要包括控制理论，机电一体化，机械参数控制，单片微机原理系统设计与应用，51单片机及其C语言程序开发实例，Protel 99 SE电路设计基础与典型范例，零起步轻松学Protel 99 SE电路设计，基于Proteus的51系列单片机设计与仿真，单片机原理及应用 基于Proteus与Keil C等多门学科，在近四个月的学习和设计过程中，使我对控制系统有了很深的了解，让我对一些非专业课程有了初步的学习，为以后从事机电系统行业也打下了基础。在本次设计中让我更加深入的了解到机械和控制相互结合的重要性，先进的机械技术离不开精确的控制，它们是相辅相成的，虽然本次学到了很多新的知识，但是还是缺乏严谨的思维过程，有待于进步的提高，希望在以后的工作中能够在控制系统设计方面不断的提高自己，学到更多的控制知识。5.3 超高速飞轮未来前景飞轮储能技术是当前一个主要发展方向，由于飞轮相对尺寸小，重量轻，储能密度大，使用寿命长，低损耗，低维护，工作温度范围宽等优点。所以在很多方面都有广泛的应用，例如飞轮电池应用于太空领域，交通运输，不间断电源，军用战斗车辆等方面。目前最新的飞轮储能就是在飞轮混合动力方面，例如F1赛车上的KERS动能回收系统，飞轮质量仅为5千克，系统总重为24千克，系统体积13升，最大储能400千焦。从以上数据可以看出，飞轮储能系统更趋向小型化，紧凑化，高效化等特点，如果能在汽车上广泛应用，将会为世界能源短缺方面解决一个大的问题。中国石油大学（华东）本科毕业设计致 谢本次毕业设计首先感谢我的导师王玉新老师精心的指导，让我在这次毕业设计中学到了很多知识，受益匪浅，老师治学的严谨态度让我非常敬佩，每次老师细心的指导都给了我大的学习信心，虽然在设计中遇到了很多困难，不过每次经过老师的悉心教导，一些问题都迎刃而解了，这次设计也为以后工作奠定了基础，给了我们一个自己独立解决问题的空间，在这里再次感谢我的导师王玉新老师的栽培，谢谢您让我学到了很多。同时在这里也要感谢那些在学习上帮助过我的同学，有了你们的帮助，我在学习上的一些困难很快就解决了，谢谢你们在我遇到困难时候帮助我，大学四年，同学间的友情永远是真的，希望你们在未来的道路上越走越好。最后，感谢我的父母，是他们培养了我，给了我接受高等教育的机会，让我在高等学府不仅学会了知识，更学会了如何和群体相处，在今后的学习工作中一定努力向上，不辜负父母的寄托，报答父母的养育之恩！参考文献1 文少波，蒋书运.飞轮储能系统在汽车中的应用研究(东南大学 机械工程学院)J南京 211189,南京工程学院 车辆工程系，南京 211167）.2 张建成飞轮储能系统及其运行控制技术研究D保定：华北电力大学(博士学位论文)，2001.43 刘怀喜，马润香，张恒飞轮储能技术的发展与应用J能源技术，2003，24(1)：10-134 汤双清，杨家军，廖道训飞轮储能系统研究综述J三峡大学学报(自然科学版)，2002，24(1)：78825 杨志轶飞轮电池储能关键技术研究D合肥：合肥工业大学(博士学位论文)，2002：1-126 何瑞金飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究D东华大学(硕士学位论文)，2004：1-147 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