电动自行车调速系统设计样本.doc

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《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的设计
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。并能将多余的电能回溃。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。
本文从系统要求分析入手, 将整个系统分成四个部分, 分析和讨论了各个部分的电路原理、 控制策略、 实现方法。详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况, 并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。系统各部分的控制电路基于Intel公司的控制芯片8051单片机。根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制, 并经过转速传感器测量转速经过八段数码管动态显示转速, 经过软硬件的配合, 实现了整个系统的设计要求。

方案及原理
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。   
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(3～4), 加速性能好, 使用寿命长的特点。   
　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。
　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。   
　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。   
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 。  
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。另外, 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, 能够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。   
 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能够采用弱磁控制。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。
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。
方案及原理
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, 可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

直流电动机
单片机
显示部分
转速传感器
控制电路
驱动

图 3-1

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, 因此, 电机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离。传感器的电源直接使用24V蓄电池, 单片机的电源则经过三端稳压器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。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。

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ADC0809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经过使rd非变为低电平而使OE线变高, 以便能够从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。

驱动电路及原理
下面主要对驱动电路进行一下介绍:
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, 经过电阻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) 较常见的一种调速方式, 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, 还能够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) 就能够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: t
T
转速: VMAX
VD
VMIN

图 4-4-1
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的线性关系, 但能够近似的看成是线性关系。因此电动机的平均转速VD就能够有占空比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, 电机经过的是正向电流, 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时电机反转。
另一种单向式
单向式的电路更双向式相同。不同的是, 在电机正转时, Tb这段时间内不经过反向电流, 电机反转时, Ta内不经过正向电流。其调速原理基本与双向式相同。单向式与双向式相比, 三极管的开关频率少一半, 比较不容易发生上下三极管导通而造成电源短路的情况,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。
综合以上两种方式的优缺点, 并考虑到电动自行车对调速精度要求不太高, 以及省电, 器件损耗等各方面因素, 决定采用单向式PWM。考虑到编程时可能会产生使T1、 T2、 T3、 T4都导通的情况, 以至电源短路, 烧毁器件。由于采用单片机控制电机, 如果单片机的电源采用与电机同一电源, 虽然经过稳压、 滤波, 可是单片机依然容易受到电机以及继电器的干扰, 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光耦一般需要2mA以上的驱动电流, 由于单片机的输出电流只有几百微安, 故需要先接74LS245或者接一个三极管增加驱动能力( 74LS245的高电平驱动能力为15mA) 。光耦的输出再接给达林顿管, 考虑到电机的短路电流有2A, 故选用TIP132型号的达林顿管( 允许经过的最大瞬时电流为8A) 。另外在达林顿管的C极和电源的正极之间接一个耐流为2A的二极管, 这样在关断电源后, 使继电器反相, 能够让电机放电, 这样停车时车不至于因为惯性滑行太远而浪费能源。因此时以关断了电源, 要将电动车停下来而采取的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, 距离控制的要求不高, 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控制就能够实现自行车的功能。
脉冲信号 Ta

Tb

工作时Ta为高电平, 经过光耦驱动复合管T导通, 此时Tb为高电平经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。经过改变Ta 、 Tb的占空比即可改变转速。

参考文献:
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