电动车-单片机设计.doc

摘摘 要要 本文设计了以 80C51 单片机为控制器的电动自行车 设计中采用 PWM 技术对无 刷直流电机进行调速 用开关器件 继电器控制电机停和转 并通过霍尔传感器 测量转速 其转速通过八段数码管动态显示 用 protel99se 绘制了系统的硬件电路 图 控制器与电机驱动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 实 现了信号采集 电机控制和转速显示 关键词 单片机 永磁无刷直流电动机 脉宽调制 动态显示 Abstract The single chip microcomputer SCM 80C51 is used as the control center of the design of electric bicycle The speed is regulated through Pulse Width Modulation PWM accordi ng to the characteristics of permanent magnet brushless direct current DC motor The motor is controlled by a relay used as switching devices to started up and stopped The speed is measured through a hall sensor and then displayed dynamically in 8 led digital tube The hardware circuit diagram of the system is drew with the protel99se software Control center is completely isolated from motor drive circuits by an optical coupler OC to avoid i nterference Time division multiplex access TDMA is adoptted to control for data acq uisition motor control and speed display Keywords SCM permanent magnet brushless DC motor PWM dynamic display 目 录 第一章 绪 论 1 第二章 系统功能需求分析 3 2 1 电动自行车的工作原理 3 2 2 功能分析 4 第三章 硬件电路设计 7 3 1 电源电路 7 3 1 1 电源电路设计 7 3 1 2 三端式稳压器 78L05 7 3 2 控制电路 8 3 2 1 控制电路设计 8 3 2 2 单片机 9 3 2 3 模数转换器 14 3 3 驱动电路 16 3 3 1 驱动电路设计 16 3 3 2 继电器 JQC 3FF 17 3 3 3 光电耦合器 17 3 3 4 无刷直流电动机 19 3 3 5 PWM 调速原理 22 3 4 测速电路 25 3 4 1 测速电路设计 25 3 4 2 速度传感器 25 3 5 显示电路 27 3 5 1 显示电路设计 27 3 5 2 八段 LED 数码显示器 28 3 6 超速报警电路设计 29 第四章 软件设计 31 4 1 主程序设计 31 4 2 INT0 中断服务程序设计 32 4 3 TO 中断服务程序设计 32 参考文献 33 致 谢 35 附录 37 第一章第一章 绪绪 论论 人类与环境共存和全球经济的可持续发展使人们迫切希望寻求到一种既能代替 人力又低排放和有效利用资源的交通工具 电动车是一种安全 经济 清洁的绿色 交通工具 在能源 环境方面有其独特的优越性和竞争力 它以蓄电池发出的电能 作为驱动能源 以电动机作动力 具有无废气污染 零排放 无噪音 轻便美观 等特点 特别适合在人口较集中的大中城市中使用 因此 使用电动车无疑是一种 很有希望的方案 电动自行车 以下简称电动车 是以蓄电池 锂电池等电能作为辅助能源 具 有两个车轮 能实现人力骑行 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 但是主要的是 它是在普通自 行车的基础上 安装了电机 控制器 电池 转把等操纵部件和显示仪表系统的机 电一体化的个人交通工具 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 电动自行车一般由动力部分 传动部分 行车部分 操纵制动部分 电气仪表 部分等五部分组成 不同类型的电动自行车 其电池安装位置 控制形式等有所不 同 电动自行车各部分组成的作用 1 动力部分 电动自行车动力部分通常由蓄电池和电动机组成 它是电动自行车的动力来源 2 传动部分 电动自行车传动部分主要由变速器 后传动装置组成 它的作用是将动力部分 输出的功率传递给驱动轮 驱使电动自行车行驶 通过变速器或调速器 使电动自 行车获得行驶所需要的驱动力和速度 并保证电动自行车平稳起步和停车 3 行车部分 电动自行车行车部分主要由车架 前叉 前减振器 前后轮 座垫等组成 它的作用是使电动自行车构成一个整体 支撑全车的总重量 将传动部分传递的转 矩转换成驱动电动自行车行驶的牵引力 同时承受吸收和传递路面作用于车轮上的 各种反力 确保电动自行车正常 安全行驶 4 操纵制动部分 电动自行车操纵部分主要由车把 控制器 制动装置 调整手把等组成 它的 作用是直接控制骑行方向 速度 制动等 以确保电动自行车行驶安全 5 电气仪表部分 电气仪表装置主要由数据显示装置 充电器灯和仪表等组成 它是保证车辆安 全行驶并反映车辆运行状态的主要装置 它使骑行者能正确 有效的对车辆行驶适 时地进行控制 基于自动化专业所学的知识 本文仅对电动自行车传动部分 操纵部分 和仪 表部分进行了设计 第二章第二章 系统功能需求分析系统功能需求分析 2 1 电动自行车的工作原理 单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动自行车等小功率的工作 情况 该系统具有调速性能好 功率因数高 节能 体积小 重量轻等优点 电动自行车控制系统的硬件电路主要有六个部分 1 电源电路 2 控制电路 3 驱动电路 4 测速电路 5 显示电路 6 超速报警电路 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电耦合器完全隔离以避免干扰 光电耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用 使两个系统的电源相互独立 消除 地电位不同所产生的影响 控制上采用分时复用技术 仅用一块单片机就可以实现 信号采集 电机控制和转速显示 如图 2 1 所示 超速报警电路 直流电动机驱动电路单片机显示电路 控制电路 测速电路 图 2 1 电动车控制系统框图 其整体工作过程为 打开电源后 单片机上电复位后 数码管显示车速为 00 0 电动车开始行进 人通过拧动手把来调节车速时 A D 转化器采集手把处的模拟电压信号并经过 A D 转化后传输给单片机 单片机将接受到的数字信号经过处理输出相应的 PWM 波形 用来驱动安装在后轮的无刷电机转动并调节其转速 此时 车轮每转一圈 安装在后轮附近的测速电路就向单片机发出信号 单片 机通过计时和计算得出车速 然后通过动态扫描的方式在数码管上显示出来 一旦 车速超过 20km h 开始报警 示意驾车人减速 单片机 A D 转换器等芯片 光耦等器件所需要的 5V 电压由电动车的电源经 过电源电路转化而得到 这样 只需要用一个电源 就能够满足电动机与各个芯片 与器件的供电需求 2 2 功能分析 2 2 1 电源电路 主控制器中的各个芯片及数字逻辑器件所的正常工作电压为 5V 远小于无刷 电机的额定电压 为了方便电源的配置和保护控制电路中的元器件 需要设计一个 电源电路 使电机的额定电压经过转化后 输出一个所需的 5V 电压 并且其输出 电压不随着电源电能的消耗而降低 能够保持稳定的 5V 以供控制器部分正常运 行 这样 电动自行车只需要用一个电源 就能够满足电动机与各个芯片的供电需 求 2 2 2 控制电路 控制电路是人主观调节车速的部分 体现了人对车的控制 手把处安装一个电 位器 人转动手把即是在控制此电位器的电压 这个模拟电压作为 A D 转换器的 输入信号 它决定着单片机输出什么样的驱动信号 决定着电机的转速即电动车的 车速 这是控制信号的采集 A D 转化结束后 转换器以总线形式将数字信号传输给单片机 单片机将这个 数字信号处理成为一系列相应占空比的方波信号 即 PWM 波形 并输出 作为控 制驱动电路通断的控制信号 以便调节电机的转速 这是控制信号的输出 2 2 3 驱动电路 驱动电路的输入为控制信号 输出为电机转速 由于转速的改变需要时间 不 能够突变 我们可以通过改变在一小段时间内的平均速度来调节 控制信号是一系 列等幅不等宽的方波信号 驱动电路中的开关器件会根据控制信号来进行频繁的开 关动作 则驱动电路就会频繁的通和断 控制信号的占空比较大时 驱动电路开通 时间长 电机转速就比较高 相反 控制信号的占空比较小时 驱动电路开通时间 断 电机转速就比较低 2 2 4 测速电路 骑车人需要明确车速大小以便对其进行调节 所以 测速电路和显示电路的设 计是十分必要的 将转速传感器安装在电机附近 每当电机转一圈 传感器向单片 机发出一个脉冲信号 单片机根据收到的脉冲个数和轮圈周长等数据计算出电动车 的速度 并输出给显示电路 2 2 5 显示电路 单片机将计算出的车速用动态扫描数码管的方式显示出来 由于电动自行车最 高车速不得超过 20km h 所以显示器用 3 个八段 LED 数码管即可 2 2 6 超速报警电路 鉴于 时速 20 公里以上的电动自行车 将称为轻便电动摩托车或电动摩托车 划入机动车范畴 的规定 也出于对安全的考虑 有必要设计一个超速报警电路 当车速超过 20km h 时 蜂鸣器发出响声报警 示意骑车人应该手动减速 直到车 速低于 20km h 才停止报警 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计 本章对第二章中的各个模块进行了设计 并用 protel99se 软件绘制了硬件电 路图 3 1 电源电路 3 1 1 电源电路设计电源电路设计 图 3 1 电源电路 24V 直流电源经三端稳压器 74L05 的输出即为单片机所要求的 5V 电源 电路中接入电容 C1 C2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 D1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 C3两端电压作用于二级管的 PN 结 造成二极管 PN 结击穿而损坏 3 1 2 三端式稳压器三端式稳压器 78L05 稳压管用于控制板电路的稳压 以防止电压过高烧毁电路 在这里 78L05 的作 用是提供 5V 的工作电压给各个芯片与器件 三端稳压器 主要有两种 一种输出电压是固定的 称为固定输出三端稳压器 另一种输出电压是可调的 称为可调输出三端稳压器 其基本原理相同 均采用串 联型稳压电路 在线性集成稳压器中 由于三端稳压器只有三个引出端子 具有外 接元件少 使用方便 性能稳定 价格低廉等优点 因而得到广泛应用 在使用时必须注意 VI 和 Vo 之间的关系 该三端稳压器的固定输出电压是 5V 而输入电压至少大于 7V 这样输入 输出之间有 2 3V 及以上的压差 使调 整管保证工作在放大区 但压差取得大时 又会增加集成块的功耗 所以 两者应 兼顾 即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和 又不至于功耗偏大 另外一般在三端稳压器的输入输出端接一个二极管 用来防止输入端短路时 输出端存储的电荷通过稳压器 而损坏器件 图 3 2 三端稳压器的典型接法 图 3 2 是应用 78L05 输出固定电压 VO 的典型电路图 正常工作时 输入 输 出电压差应大于 2 3V 电路中接入电容 C1 C2 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 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 3 2 控制电路 3 2 1 控制电路设计控制电路设计 图 3 3 控制电路 XTAL1 和 XTAL2 两个时钟引脚外接晶体与片内的反响放大器构成了一个振荡 器 它为单片机提供了时钟控制信号 由于 ADC0809 片内无时钟 可利用单片机提供的地址锁存允许信号 ALE Pin30 来获得 ALE 脚的频率是 8051 单片机时钟频率的 1 6 但要注意的 是 每当访问外部数据存储器时 将少一个 ALE 脉冲 单片机所采用的时钟频率 为 12MHz 则 ALE 脚的输出频率刚好为 500kHz 恰好符合 ADC0809 对时钟频率的 要求 由于 ACD0809 具有输出三态锁存器 其 8 位数据输出引脚可直接与数据总 线相连 打开系统电源后由电位器 R1 控制电动机转速 IN0 IN6 线上哪一路模拟电压 被转换成数字量由 A B C 线上的地址决定 A B C 悬空 则 ADC0809 内部 地址锁 存与译码 电路便将 IN7 上模拟电压送入 8 位 A D 转换器 将 P2 7 作为片选信号 在启动 A D 转换时 由单片机的写信号和 P2 7 控制 ADC 的地址锁存和转换启WR 动 由于 ALE 和 START 连在一起 因此 ADC0809 在锁存通道地址的同时 启动 并进行转换 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 0INT 在读取转换结果时 用低电平的读信号和 P2 7 脚经一级或非门后 产生的正脉RD 冲作为 OE 信号 用以打开三态输出锁存器 以便可以从 D0 D7 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 当执行指令 MOVX DPTR A 时 单片机的信号有效 从而产生一个启WR 动信号给 ADC0809 的 START 引脚送入脉冲 开始对选中通道转换 当转换结束 后 ADC0809 发出转换结束 EOC 高电平信号 反相后作为单片机发出的中断请 求信号 当执行指令 MOVX A DPTR 时 单片机发出读控制信号 OE 端RD 由高电平 且把经过 ADC0809 转换完毕的数字量读到 A 累加器中 3 2 2 单片机单片机 a 主控制器的选择主控制器的选择 MCS 51 系列单片机由于其具有集成度高 处理功能强 系统结构简单 价格 低廉 易于使用等优点 已在工业控制 智能仪器仪表 办公室自动化 家用电器 等诸多领域得到广泛的普及和应用 8051 是 MCS 51 系列单片机的典型产品 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 8051 单片机与 80C51 单片机从外形看是完全一样的 其指令系统 引脚信号 总线等完全一致 完全兼容 也就是说在 8051 下开发的软件完全可以在 80C51 上应用 反过来 在 80C51 下开发的软件也可以在 8051 上应用 这两种单片机外 形及内部结构都一样 它们之间的主要差别在于芯片的制造工艺上 80C51 的制造 工艺是在 8051 基础上进行了改进 8051 系列单片机采用的是 HMOS 工艺 高速度 高密度 80C51 系列单片机采用的是 CHMOS 工艺 高速度 高密度 低功耗 也 就是说 80C51 单片机是一种低功耗单片机 所以本设计中选用了 80C51 单片机 b 单片机介绍单片机介绍 80C51 单片机作为主控制器所做的工作为 接收经过 A D 转化的控制信号 将 控制信号转化为 PWM 方波并输出 检测速度传感器送来的脉冲信号 计算自行车 车速并输出给显示电路 检测车速是否需要报警且输出 下面就所用到的功能对单片机进行介绍 1 单片机的内部结构 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 如图 3 1 1 所示 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 图 3 4 MCS 51 单片机内部结构 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 2 数据存储器 RAM 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元 它们是 统一编址的 专用寄存器只能用于存放控制指令数据 用户只能访问 而不能用于 存放用户数据 所以 用户能使用的的 RAM 只有 128 个 可存放读写的数据 运 算的中间结果或用户定义的字型表 3 程序存储器 ROM 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM 用于存放用户程序 原始数据或表格 4 定时 计数器 ROM 8051 有两个 16 位的可编程定时 计数器 以实现定时或计数产生中断用于控制 程序转向 有四种工作方式 5 并行输入输出 I O 口 8051 共有 4 组 8 位 I O 口 P0 P1 P2 或 P3 用于对外部数据的传输 6 全双工串行口 8051 内置一个全双工串行通信口 用于与其它设备间的串行数据传送 该串 行口既可以用作异步通信收发器 也可以当同步移位器使用 7 中断系统 8051 具备较完善的中断功能 有两个外部中断 两个定时 计数器中断和一个 串行中断 可满足不同的控制要求 并具有 2 级的优先级别选择 8 时钟电路 8051 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路 用于产生整个单片机运行的脉冲时 序 但 8051 单片机需外置振荡电容 单片机的结构有两种类型 一种是程序存储器和数据存储器分开的形式 即哈 佛 Harvard 结构 另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合 二为一的结构 即普林斯顿 Princeton 结构 INTEL 的 MCS 51 系列单片机采用的 是哈佛结构的形式 图 3 5 是 MCS 51 系列单片机的内部结构示意图 图 3 5 MCS 51 系列单片机结构框图 2 MCS 51 的引脚说明 MCS 51 系列单片机中的 8031 8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构 图 3 6 是它们的引脚配置 40 个引脚中 正电源和地线两根 外置石英 振荡器的时钟线两根 4 组 8 位共 32 个 I O 口 中断口线与 P3 口线复用 现在我 们对这些引脚的功能加以说明 Pin20 接地脚 Pin40 正电源脚 正常工作或对片 内 EPROM 烧写程序时 接 5V 电源 Pin19 时钟 XTAL1 脚 片内振荡 电路的输入端 Pin18 时钟 XTAL2 脚 片内振荡 电路的输出端 图 3 6 MCS 51 系列单片机引脚图 8051 的时钟有两种方式 一种是片内时钟振荡方式 但需在 18 和 19 脚外接 石英晶体 2 12MHz 和振荡电容 振荡电容的值一般取 10p 30p 另外一种是外部时 钟方式 即将 XTAL1 接地 外部时钟信号从 XTAL2 脚输入 如图 3 7 所示 本设 计采用内部时钟方式 图 3 7 8051 单片机的时钟方式 Pin9 RESET Vpd复位信号复用脚 本设计中仅用到复位功能 高电平有效 当 8051 通电 时钟电路开始工作 在 RESET 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高 电平 系统即初始复位 初始化后 程序计数器 PC 指向 0000H P0 P3 输出口全 部为高电平 堆栈指钟写入 07H 其它专用寄存器被清 0 RESET 由高电平下降 为低电平后 系统即从 0000H 地址开始执行程序 在单片机正常工作时 此引脚 应为小于 0 5V 的低电平 8051 的复位方式可以是自动复位 也可以是手动复位 本文中将单片机设计为自动复位 Pin30 ALE 为地址锁存允许信号 当单片机上电正常工作后 PROGALE ALE 引脚不断输出正脉冲信号 不访问外部锁存器时 ALE 端由正脉冲信号输出 此频率为时钟振荡器频率的 1 6 本设计中单片机所采用的时钟频率为 12MHz 则 ALE 脚的输出频率为 500kHz 输入输出 I O 引脚 Pin39 Pin32 为 P0 0 P0 7 输入输出脚 Pin1 Pin8 为 P1 0 P1 7 输入输出脚 Pin21 Pin28 为 P2 0 P2 7 输入输出脚 Pin10 Pin17 为 P3 0 P3 7 输入输出脚 其中 P30 P3 7 的可以作为第二功能使用 其第二功能定义如下 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 外部中断 0 输入 0INT P3 3 外部中断 1 输入 0INT P3 4 T0 定时器 0 外部计数输入 P3 5 T1 定时器 1 外部计数输入 P3 6 外部数据存储器写选通输出 WR P3 7 外部数据存储器读选通输出 RD 本设计中用到的了 外部中断 0 输入 T0 定时器 0 外部计数输入 0INT 外部数据存储器写选通输出 外部数据存储器读选通输出 等功能 WRRD 3 2 3 模数转换器模数转换器 a ADC0809 的选择的选择 A D 转换器的作用就是把模拟量转换成数字量 以便于计算机进行处理 随着 超大规模集成电路技术的飞速发展 A D 转换器的新设计思想和制造技术层出不穷 为满足各种不同的检测及控制任务的需要 大量结构不同 性能各异的 A D 转换 芯片应运而生 逐次比较型 A D 转换器 在精度 速度和价格上都适中 是最常用的 A D 转 换器件 双积分式 A D 转换器 具有精度高 抗干扰性好 价格低廉等优点 但 转换速度慢 考虑到电动车采用脉冲宽度调速 PWM 对精度要求不高 且需要 实时采集要求较快的转换速度 则本设计中选用逐次比较型 A D 转换器 ADC0809 b ADC0809 工作原理工作原理 ADC0809 是采样分辨率为 8 位的 以逐次逼近原理进行模 数转换的器 件 其内部有一个 8 通道多路开关 它可以根据地址码锁存译码后的信号 只 选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A D 转换 图 3 8 ADC0809 的结构框图 1 内部结构 ADC0809 的结构框图如图 3 8 左图所示 ADC0809 是采用逐次比较的方法完 成 A D 转换的 由单一的 5V 电源供电 片内带有锁存功能的 8 路选 1 的模拟开 关 由 C B A 的编码来决定所选的通道 0809 完成一次转换需 100us 左右 输 出具有 TTL 三态锁存缓冲器 可直接连到 MCS 51 的数据总线上 通过适当的外 接电路 0809 可对 0 5V 的模拟信号进行转换 2 引脚功能 ADC0809 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 如图 3 8 右图所示 下面 说明各引脚功能 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 DB0 DB7 8 位数字量输出端 A B C 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE 地址锁存允许信号 输入高电平有效 START A D 转换启动脉冲输入端 输入一个正脉冲 至少 100ns 宽 使其启 动 脉冲上升沿使 ADC0809 复位 下降沿启动 A D 转换 EOC A D 转换结束信号 当 A D 转换结束时 此端输出一个高电平 转换 期间一直为低电平 OE 数据输出允许信号 高电平有效 当 A D 转换结束时 此端输入一个高 电平 才能打开输出三态门 输出数字量 CLK 时钟脉冲输入端 要求时钟频率不高于 640KHZ Vref Vref 参考电压输入端 Vcc 电源 5V GND 地 3 ADC0809 的工作过程 首先输入 3 位地址 并使 ALE 1 将地址存入地址锁存器中 此地址经译码 选通 8 路模拟输入之一到比较器 START 上升沿将 ADC0809 复位 下降沿启动 A D 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转换正在进行 直到 A D 转换完成 EOC 变为高电平 指示 A D 转换结束 结果数据已存入锁存器 此 EOC 信号可用 作中断申请 当 OE 输入高电平 时 输出三态门打开 转换结果的数字量输出到 数据总线上 3 3 驱动电路 3 3 1 驱动电路设计驱动电路设计 常用的继电器大部分属于直流电磁式继电器 也称为直流继电器 图 3 9 为型 号为 JQC 3FF 的继电器的接口电路 图 3 9 驱动电路 继电器的动作由单片机的 P2 3 端控制 P2 3 端输出低电平时 继电器 J 吸合 P2 3 端输出高电平时 继电器 J 释放 采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位 时不吸合 继电器 J 由晶体管驱动 其可以提供 300Ma 的驱动电流 适用于继电器线圈工 作电流小于 300mA 的场合 Vc 的电压范围是 6 30V 这里取电源电压 24V 光电耦合器是为 TIL117 TIL117 有较高的电流传输比 最小值为 50 晶体管 9013 的电流放大倍数大于 50 继电器线圈工作电流为 300mA 时 光电耦合器需要 输出大于 6 8mA 的电流 其中 9013 基极对地的电阻分流约 0 8mA 输入光电耦合 器的电流必须大于 13 6mA 才能保证向继电器提供 300mA 的电流 光电耦合器的 输入电流由 7407 提供 电流约为 20mA 二极管 D 的作用是保护晶体管 T 当继电器 J 吸合时 二极管 D 截止 不影 响电路工作 继电器释放时 由于继电器线圈存在电感 这是晶体管 T 已经截止 所有会在线圈的两端产生较高的感应电压 这个感应电压的机型是上负下正 正端 接在 T 的集电极上 当感应电压与 Vc 之和大于晶体管 T 的集电结反向耐压时 晶 体管 T 就有可能损坏 假如二极管 D 后 继电器线圈产生的感应电路由二极管 D 流过 因此不会产生很高的感应电压 晶体管 T 得到了保护 3 3 2 继电器继电器 JQC 3FF 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又称输出回路 通常应用于自动控制电路中 它实际上是用较小的电流去控制 较大电流的一种 自动开关 故在电路中起着自动调节 安全保护 转换电路等作 用 图 3 10 继电器图形符号 继电器是具有隔离功能的自动开关元件 广泛应用于遥控 遥测 通讯 自动 控制 机电一体化及电力电子设备中 是最重要的控制元件之一 继电器一般都有能反映一定输入变量 如电流 电压 功率 阻抗 频率 温 度 压力 速度 光等 的感应机构 输入部分 有能对被控电路实现 通 断 控制的执行机构 输出部分 在继电器的输入部分和输出部分之间 还有对输入 量进行耦合隔离 功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构 驱动部分 在本设计中驱动信号接继电器 JQC 3FF 左边的两个脚 右边的脚连接电机和电 源 驱动信号控制继电器的通断状态来改变电机的工作状态 驱动信号时方波信号 则继电器时开时关 驱动电路也时通时断 驱动电路通电时 电机在 24V 电压下正 常工作 驱动电路断电时 电机依靠惯性继续减速转动 3 3 3 光电耦合器光电耦合器 a 线性光耦合器的选取线性光耦合器的选取 光耦合器的主要优点是 信号单向传输 输入端与输出端完全实现了电气隔离 输出信号对输入端无影响 抗干扰能力强 工作稳定 无触点 使用寿命长 传输 效率高 光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件 现已广泛用于电气绝缘 电平 转换 级间耦合 驱动电路 开关电路 斩波器 多谐振荡器 信号隔离 级间隔 离 脉冲放大电路 数字仪表 远距离信号传输 脉冲放大 固态继电器 SSR 仪器仪表 通信设备及微机接口中 在单片开关电源中 利用线性光耦合器可构成 光耦反馈电路 通过调节控制端电流来改变占空比 达到精密稳压目的 由于光耦种类繁多 结构独特 优点突出 因而其应用十分广泛 主要应 用以下场合 1 在逻辑电路上的应用 光电耦合器可以构成各种逻辑电路 由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能 比晶体管好 因此 由它构成的逻辑电路更可靠 2 作为固体开关应用 在开关电路中 往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离 对于一般的 电子开关来说是很难做到的 但用光电耦合器却很容易实现 3 在触发电路上的应用 将光电耦合器用于双稳态输出电路 由于可以把发光二极管分别串入两管发射 极回路 可有效地解决输出与负载隔离地问题 4 在脉冲放大电路中的应用 光电耦合器应用于数字电路 可以将脉冲信号进行放大 5 在线性电路上的应用 线性光电耦合器应用于线性电路中 具有较高地线性度以及优良地电隔离性能 6 特殊场合的应用 光电耦合器还可应用于高压控制 取代变压器 代替触点继电器以及用于 A D 电路等多种场合 TIL117 是小功率电机驱动电路中常用到的光耦 其引脚图为引 图 3 11 til117 引脚图 b 光耦的工作原理光耦的工作原理 耦合器以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电信号有良好的隔离作用 所 以 它在各种电路中得到广泛的应用 目前它已成为种类最多 用途最广的光电器 件之一 光耦合器一般由三部分组成 光的发射 光的接收及信号放大 输入的电 信号驱动发光二极管 LED 使之发出一定波长的光 被光探测器接收而产生光电 流 再经过进一步放大后输出 这就完成了电 光 电的转换 从而起到输入 输 出 隔离的作用 由于光耦合器输入输出间互相隔离 电信号传输具有单向性等特 点 因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力 又由于光耦合器的输入端属于电流 型工作的低阻元件 因而具有很强的共模抑制能力 所以 它在长线传输信息中作 为终端隔离元件可以大大提高信噪比 在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔 离的接口器件 可以大大增加计算机工作的可靠性 3 3 4 无刷直流电动机无刷直流电动机 a 无刷直流电动机的选择无刷直流电动机的选择 电机是电动自行车的心脏 是关键部件 电机要适应频繁起动 频繁变速又考 虑到薄形安装特点 目前大都采用盘式结构 同时为了适应道路使用和环境特点 电机通常设计成全封闭结构形式 具有可靠防护性能 从当前市场上销售的电动自 行车看主要是用直流永磁印制绕组电机和直流无刷电机 印制绕组电机关键是印制 转子的制造工艺 而且需引进部分设备如转子片叠好后外圆点和内孔点的氩弧焊点 焊机 一旦转子工艺突破 该电机的批量生产即不成问题了 直流无刷电机存在质 量可靠性问题 控制器较复杂成本较高 这些问题一旦解决推广使用则更广 总之 上述二种电机用于电动自行车是较为理想的 鉴于电动车对电动机的基本要求 本 设计采用永磁无刷直流电动机 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 既有一般直流电机良好的调速起动性能 又具有寿命长 没有换向火花 没有无线 电干扰 运行可靠 维修简便及噪声低等优点 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 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 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 所选电机规格 名称额定电压额定转速额定功率额定扭矩效率 轮毂电机24 V2750 r min250 W12 N m90 b 无刷直流电机的结构及工作原理无刷直流电机的结构及工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成 是一种典型的机电一体化产品 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法 同三相异步电动机十分相似 电动机 的转子上粘有已充磁的永磁体 为了检测电动机转子的极性 在电动机内装有位置 传感器 驱动器由功率电子器件和集成电路等构成 其功能是 接受电动机的启动 停止 制动信号 以控制电动机的启动 停止和制动 接受位置传感器信号和正反 转信号 用来控制逆变桥各功率管的通断 产生连续转矩 接受速度指令和速度反 馈信号 用来控制和调整转速 提供保护和显示等等 无刷直流电动机的原理简图如图 3 12 所示 主电路是一个典型的电压型交 直 交电路 逆变器提供等幅等频 5 26KHZ 调制波的对称交变矩形波 永磁体 N S 交 替交换 使位置传感器产生相位差 120 的 U V W 方波 结合正 反转信号产生有 效的六状态编码信号 101 100 110 010 011 001 通过逻辑组件处理产生 T1 T4 导通 T1 T6 导通 T3 T6 导通 T3 T2 导通 T5 T2 导通 T5 T4 导通 也 就是说将直流母线电压依次加在 A B A C B C B A C A C B 上 这样 转子每转过一对 N S 极 T1 T6 功率管即按固定组合成六种状态的依次导通 每种 状态下 仅有两相绕组通电 依次改变一种状态 定子绕组产生的磁场轴线在空间 转动 60 电角度 转子跟随定子磁场转动相当于 60 电角度空间位置 转子在新 位置上 使位置传感器 U V W 按约定产生一组新编码 新的编码又改变了功率管 的导通组合 使定子绕组产生的磁场轴再前进 60 电角度 如此循环 无刷直流 电动机将产生连续转矩 拖动负载作连续旋转 正因为无刷直流电动机的换向是自 身产生的 而不是由逆变器强制换向的 所以也称作自控式同步电动机 图 3 12 无刷直流电动机原理图 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁 场轴线位置 所以不论转子的起始位置处在何处 电动机在启动瞬间就会产生足够 大的启动转矩 因此转子上不需另设启动绕组 由于定子磁场轴线可视作同转子轴 线垂直 在铁芯不饱和的情况下 产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比 这正是 他励直流电动机的电流 转矩特性 在一定的 时 改变占空比 就可以线性 地改变电动机的电磁转矩 得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和 机械特性 无刷直流电动机的转速设定 取决于速度指令 V 的高低 如果速度指令 最大值为 5V 对应的最高转速 那么 5V 以下任何电平即对应相当的转速 n 这就 实现了变速设定 当 V 设定以后 无论是负载变化 电源电压变化 还是环境温度变化 当转速 低于指令转速时 反馈电压 Vfb 变小 调制波的占空比 就会变大 电枢电流变 大 使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度 直到电动机的实际转速与指令转 速相等为止 反之 如果电动机实际转速比指令转速高时 减小 Tm 减小 发 生减速度 直至实际转速与指令转速相等为止 可以说 无刷直流电动机在允许的 电压波动范围内 在允许的过载能力以下 其稳态转速与指令转速相差在 1 左右 并可以实现在调速范围内恒转矩运行 3 3 5 PWM 调速原理调速原理 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 MODULATION PWM 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 脉冲信号 t T 转速 Vmax VD 图 3 13 电机转速范围 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 5 1 所示 Vmax 为电动机的最大转速值 Vmin 为电动机的最小转速值 VD 为二者的平均值 VD 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 3 14 图 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 1 一种双向式 VD 平均速度 图 3 14 平均转速与占空比的关系 在一个脉冲周期内 T Ta Tb 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 Ta Tb 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 脉冲宽度调制的优点 PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的 无需进行 数模转换 让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小 噪声只有在强到足 以将逻辑 1 改变为逻辑 0 或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时 也才能对数字信号产生 影响 对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点 而且这 也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因 从模拟信号转向PWM 可以极 大地延长通信距离 在接收端 通过适当的RC 或 LC 网络可以滤除调制高频 方波并将信号还原为模拟形式 总之 PWM 既经济 节约空间 抗噪性能强 是一种值得广大工程师在许 多设计应用中使用的有效技术 3 4 测速电路 3 4 1 测速电路设计测速电路设计 图 3 17 测速电路 把小磁铁固定在被测的转动的车轮边缘 小磁铁与霍尔传感器的相对位置在车 轮转动过程中发生变化 当小磁铁转动到霍尔传感器附近时 传感器的输出端 Vout 产生一个低电平 将此低电平接到单片机的 T0 P3 4 引脚 编程决定当单片机 被第一个信号触发中断后 T0 计数一次 并且立刻启动定时器 T1 计时 而当车轮 转动一圈后使得小磁铁第二次靠近霍尔传感器 传感器把第 2 个霍尔信号发到单片 机上的 T0 P3 4 引脚 停止计时 这时候单片机记录下定时器所计数的时间 这个 时间就是车轮转动一周的时间 用这个时间除轮圈周长就得出了电动车的速度 3 4 2 速度传感器速度传感器 a 霍尔传感器霍尔传感器 A3144 的选择的选择 图 3 18 A3144 结构框图 当前市场上的大多数电动车都采用霍尔传感器来测速 常见的为 A3144 霍尔 传感器 A3144 的结构如图 3 18 所示 它的优点有 自动化或工业应用中稳定性好 工作电压为 4 5V 24V 不需 提供准确工作电压 集电极输出 25mA 电流 兼容数字逻辑 具有反向保护电池功 能 触发电压小 可用永磁体 外形小 重量轻 易于安装 使用方便 抗外磁场 干扰能力强 缺点是容易损坏 目前 无霍尔传感器技术是未来电动自行车发展的方向 也是一个有待突破的 瓶颈 b 霍尔传感器介绍霍尔传感器介绍 1 霍尔传感器的原理 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的传感器 根据霍尔效应 人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件 它具有对磁场敏感 结构简单 体积小 频率响应宽 输出电压变化大和使用寿命长等优点 因此 在 测量 自动化 计算机和信息技术等领域得到广泛的应用 由于霍尔元件产生的电势差很小 故通常将霍尔元件与放大器电路 温度补偿 电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上 称之为霍尔传感器 图 3 19 霍尔传感器 霍尔传感器也称为霍尔集成电路 其外形小巧 使用方便 如图 3 19 所示 是其中一种型号的外形图 如 3 20 所示 在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢 霍尔传感器放在靠近 圆盘边缘处 圆盘旋转一周 霍尔传感器就输出一个脉冲 从而可测出转数 计数 器 若接入频率计 便可测出转速 图 3 20 霍尔传感器测转速或转数 如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上 当装在运动车辆 上的永磁体经过它时 可以从测量电路上测得脉冲信号 根据脉冲信号的分布可以 测出车辆的运动速度 3 5 显示电路 3 5 1 显示电路设计显示电路设计 显示电路采用 LED 动态显示方式 在多位 LED 显示时 为简化硬件电路 将 所有位的段码线相应地并联在一起 由一个 8 位 I O 控制 而各位的共阴极分别由 相应的 I O 线控制 形成各位的分时选通 图 3 21 显示电路 图 3 21 是一个 3 位 8 段 LED 动态显示电路 其中段码线占用一个 8 位 I O 口 P0 而位选线占用一个 3 位 I O 口 即将 P2 0 P2 1 和 P2 2 分别作为三位 LED 显 示管的片选端 由于各位的段码线并联 8 位 I O 口输出的断码对各个显示位来说 都是相同的 因此 在同一时刻 如果各位的位选线都处于选通状态的话 3 位 LED 将显示相同的字符 若要各位 LED 能够同时显示出与本为相应的显示字符 就必须采用动态显示方式 即在某一时刻 只让某一位的位选线处于选通状态 而 其他各位的位选线处于关闭状态 同时 段码线上输出相应位要显示的字符的断码 这样 在同一时刻 4 位 LED