电动自行车调速专业系统设计.doc

《自动控制系统》课程设计任务书

课题：电动自行车调速控制电路设计
姓名：蔡嘉伦
学号：118002
目录

概 述..……………………………………..…..…….................2

方案及原理………………………………………………..........…....2

总 体 规 划.……………………………………….….........................3

电 路 设 计…………………………………………...........................3

参 考 文 献……………………………………………..................….9

概述
单片机控制永磁无刷直流电动机调速系统合用于电动自行车等小功率工作状况。并能将多余电能回溃。该系统具备调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等长处。
本文从系统规定分析入手，将整个系统提成四个某些，分析和讨论了各个某些电路原理、控制方略、实现办法。详细讨论了系统各种工况及信号传递状况，并得到了系统各个某些在不同工况工作状态。系统各某些控制电路基于Intel公司控制芯片8051单片机。依照永磁无刷直流电动机特性实行脉宽PWM控制，并通过转速传感器测量转速通过八段数码管动态显示转速，通过软硬件配合，实现了整个系统设计规定。

方案及原理
电动车对电动机基本规定
  　电动车运营，与普通工业应用不同，非常复杂。因而，对驱动系统规定是很高。   
电动车用电动机应具备瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为(3～4)，加速性能好，使用寿命长特点。   
　电动车用电动机应具备辽阔调速范畴，涉及恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，规定低速运营时具备大转矩，以满足起动和爬坡规定；在恒功率区，规定低转矩时具备高速度，以满足车在平坦路面可以高速行驶规定。
　电动车用电动机应可以在车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电汽车具备最佳能量运用率，这在内燃机摩托车上是不能实现。   
　电动车用电动机应在整个运营范畴内，具备高效率，以提高1次充电续驶里程。   
  　此外还规定电动车用电动机可靠性好，可以在较恶劣环境下长期工作，构造简朴适应大批量生产，运营时噪声低，使用维修以便，价格便宜等。   
鉴于电动车对电动机基本规定采用永磁无刷直流电动机 。  
永磁无刷直流电动机基本性能 。 　永磁无刷直流电动机是一种高性能电动机。它最大特点就是具备直流电动机外特性而没有刷构成机械接触构造。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热电枢绕组又装在外面定子上，散热容易，因而，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，运营可靠，维修简便。此外，它转速不受机械换向限制，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营。永磁无刷直流电动机机系统相比具备更高能量密度和更高效率，在电动车中有着较好应用前景。   
 永磁无刷直流电动机控制系统 。 典型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营在恒转矩区域，普通采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完毕。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磁链。
永磁无刷直流电动机局限性 。 永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺影响和限制，使得永磁无刷直流电动机功率范畴较小，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，其导磁性能也许会下降或发生退磁现象，将减少永磁电动机性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必要严格控制，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，需要一套复杂控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机驱动系统造价很高。
方案及原理
对于电动自行车控制系统设计重要有三个方面：一、控制电路设计；二、传感器选取以及安放设计；三、显示电路设计；四、程序设计。从总方面来考虑，传感器使用应当尽量减少单片机信号解决量，但是又必要能使车行驶自如。控制电路要依照选用电机和传感器来设计，重要考虑稳定性，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

直流电动机
单片机
显示某些
转速传感器
控制电路
驱动

图 3-1

电路设计
控制电路重要有电源电路、电机驱动电路、单片机接口电路、显示电路四个某些。考虑到电机起动电流和制动时比较大，会导致电源电压不稳定容易对单片机和传感器工作产生干扰，因此，电机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离。传感器电源直接使用24V蓄电池，单片机电源则通过三端稳压器78L05将24V电源转换到5V。
电源电路

图 4-1-1
24V直流电源经三端稳牙器74L05输出即为单片机所规定+5V电源。电路中接入电容C1、C2是用来实现频率补偿，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入高频干扰。大容量C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3一种放电通路，防止C3两端电压作用于调节管be结，导致调节管be结击穿而损坏。

打开系统电源后由电位器控制电动机转速，IN0-IN6线上那一路模仿电压被转换成数字量由ADDA-ADDC线上地址决定。ADDC0809内部“地址锁存与译码”电路便能把IN0线上模仿电压送入8位A/D转换器此时，若单片机使STAR线处在高电平，则ADC0809便开始A/D转换，一旦A/D转换完毕，ADC0809一方面把A/D转换后数字量送入它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祈求。单片机检测和响应当中断祈求后就通过使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转换后数字量。单片机依照 A/D转换后数字量输出相应巨型脉冲信号。脉冲信号经74LS245放大后经光电藕荷控制继电器。

驱动电路及原理
下面重要对驱动电路进行一下简介：
一种线性型：使用功率三极管作为功率放大器输出控制直流电机。线性型驱动电路构造和原理简朴，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运营时，通过电阻R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）较惯用一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调节平滑、调速范畴广、过载能力大，能承受频繁负载冲击，还可以实现频繁无级迅速启动、制动和反转等长处。因而决定采用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。直流电机详细调速过程是：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而而再次加速。不断给电枢两端送入脉动电压源（即脉动信号） 就可以使电动机转速控制在指定范畴内。如图4-4-1所示：
脉冲信号： t
T
转速： VMAX
VD
VMIN

图 4-4-1
VMAX为电动机最大转速值。VMIN为电动机最小转速值。VD为两者平均值。VD=D * VMAX 式中D=t/T称为占空比 D越大VD就越大反之亦然。平均转速和电枢上脉冲占空比D之间关系如4-4-2图：

VD（平均速度）

0 0.5 1 D（占空比）
由图可知，平均转速与占空比并非完全线性关系，但可以近似当作是线性关系。因而电动机平均转速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：
一种双向式
在一种脉冲周期内(T=Ta＋Tb)，T1和T3导通时间为Ta，T2和T4导通时间为Tb，这样在Ta这段时间内，电机通过是正向电流，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时电机反转。
另一种单向式
单向式电路更双向式相似。不同是，在电机正转时，Tb这段时间内不通过反向电流，电机反转时，Ta内不通过正向电流。其调速原理基本与双向式相似。单向式与双向式相比，三极管开关频率少一半，比较不容易发生上下三极管导通而导致电源短路状况,故可靠性有所提高，但控制性能比双向式稍差。外特性、低速性能也不如双向式好。

如上图4-4-5左所示为双向式调速方式下速度与占空比关系曲线，图3-1-5右为单向式调速方式曲线。
综合以上两种方式优缺陷，并考虑到电动自行车对调速精度规定不太高，以及省电，器件损耗等各方面因素，决定采用单向式PWM。考虑到编程时也许会产生使T1、T2、T3、T4都导通状况，以至电源短路，烧毁器件。由于采用单片机控制电机，如果单片机电源采用与电机同一电源，虽然通过稳压、滤波，但是单片机依然容易受到电机以及继电器干扰，为了避免干扰，采用光电隔离，单片机和电机采用两套电源。4N26光耦普通需要2mA以上驱动电流，由于单片机输出电流只有几百微安，故需要先接74LS245或者接一种三极管增长驱动能力（74LS245高电平驱动能力为15mA）。光耦输出再接给达林顿管，考虑到电机短路电流有2A，故选用TIP132型号达林顿管（容许通过最大瞬时电流为8A）。此外在达林顿管C极和电源正极之间接一种耐流为2A二极管，这样在关断电源后，使继电器反相，可以让电机放电，这样停车时车不至于由于惯性滑行太远而挥霍能源。因而时以关断了电源，要将电动车停下来而采用无谓制动不能将电能回馈给蓄电池。
考虑到电动自行车对电机转速，距离控制规定不高，为了简化程序和外接电路，因此没有考虑采用闭环PWM控制，用开环PWM控制就可以实现自行车功能。
脉冲信号 Ta

Tb

工作时Ta为高电平，通过光耦驱动复合管T导通，此时Tb为高电平通过光耦使三极管导通，继电器各线圈被短路。K1、K3为长闭触点，因此电动机加正向电压。当Tb为底电平时所有继电器得电，常开触点闭合常闭触点打开，K1、K3 断开K2、K4导通。电动机加反向电压。如果保证Ta>Tb则电动机正转。通过变化Ta 、Tb占空比即可变化转速。

参照文献：
[1] 胡汉才 编著《单片机原理及其接口技术》清华大学出版社.7
[2] 余永权 李小青 陈林康 编著〈〈单片机应用系统功率接口技术〉〉北京航空航天大学出版社 1992年9月第1版
[3]王晓明 编著〈〈电动机单片机控制〉〉北京航空航天大学出版社 5月
[4] 赵晶， 编著 《电路设计与制版Protel 99高档应用》 人民邮电出版社
[5] 孙涵芳 徐爱卿，《MCS-51/96系列单片机原理及应用》（修订版） 北京航空航天大学出版社
[6] 吴金戍 沈庆阳 郭庭吉，《8051单片机实践与应用》 清华大学出版社
[7] 上海交通大学：钱真彦 苏稚英 走迷宫机器人——控制系统设计
[8] 沙占友主编 KMI15系列集成转速传感器原理与应用
[9]实用电子电路手册（模仿某些）. 高等教诲出版社.1992.10
[10]实用电子电路手册（数字某些）.张端.高等教诲出版社.1992.10
[11]陈小华．当代继电器实用技术手册．北京．人民邮电处版社．1998