电动自行车调速系统的设计.doc

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内容摘要： 1
核心词： 1
Abstract 1
Key words： 1
1.引言 2
2.系统规定 2
2.1电动自行车车对电动机基本规定 2
2.2采用永磁无刷直流电动机 3
3.电路设计 3
3．1电源电路和显示电路 4
3．2控制电路 4
3.3驱动电路及原理 5
4.重要器件性能及原理 7
4.1MCS-51单片机内部构造 7
4.2永磁无刷直流电动机 7
4.3三端式稳压器78L05工作原理 8
5.结束语 11
参照文献 12
致 谢 13

电动自行车调速系统设计

内容摘要：随着科学技术不断发展，单片机被广泛应于电动自行车领域。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。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。
核心词：单片机 永磁无刷直流电动机 设计
Abstract：With the development of science and technology，SCM is widely used in the field of electric bicycle. The speed control system of permanent magnet brushless DC motor controlled by single chip microcomputer can be applied to the operation of electric bicycle and other small power. And will be able to return the excess power. The system has the advantages of good speed performance，high power factor，energy saving，small size，light weight and so on. In this paper，from the system requirements analysis，the whole system is divided into four parts，analysis and discussion of the various parts of the circuit principle，control strategy，implementation method. Control circuit of each part of the system is based on the control chip of Intel company 8051. According to the permanent magnet characteristics of Brushless DC motor PWM control and the speed sensor by eight digital tube dynamic display of speed，together with the hardware and software to achieve the design requirements of the whole system.
Key words：single chip microcomputer permanent magnet brushless DC motor design
1.引言
电动车发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。日后，由于燃油汽车技术迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程研制上长期未能获得突破，从20世纪代初至60年代末，电动车发展进入了一种沉寂期。进入70年代以来，由于中东石油危机爆发以及人类对自然环境日益关注，电动车才再度成为技术发展热点。近几十年来，重要工业化国家为电动车开发投入了大量人力和财力，电动车各项有关技术也获得了重大进展。尽管电动车在能源和行驶里程研制方面，至今尚未获得突破性进展，但是电动车美好前景依然勉励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改进其性能。
当前能源和环境对人类压力越来越大，规定尽快改进人类生存环境呼声越来越高。为了适应这个发展趋势，世界各国政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发投资力度，加快电动车商品化步伐。虽然当前电动车在能源和行驶里程方面尚未能尽如人意，但已足以满足人们基本需要。从技术发展角度来看，在走过了漫长而艰难发展历程之后，电动车正面临着重大技术突破，有望成为21世纪重要交通工具。人类与环境共存和全球经济可持续发展使人们迫切但愿谋求到一种既能代替人力又低排放和有效运用资源交通工具，电动车是一种安全、经济、清洁绿色交通工具，不但在能源、环境方面有其独特优越性和竞争力，因而使用电动车无疑是一种很有但愿方案。当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各种高新技术综合产品。整体运营性能、经济性等一方面取决于电池系统和电机驱动控制系统。电动车电机驱动系统普通由四个重要某些构成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。当前电动车中使用电动机普通有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。
2.系统规定
2.1电动自行车车对电动机基本规定
电动自行车运营，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，加速性能好，使用寿命长特点。电动自行车用电动机应具备辽阔调速范畴，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。电动自行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，以提高一次充电续驶里程。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。
2.2采用永磁无刷直流电动机
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与构成机械接触构造。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。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。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。
3.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。
3．1电源电路和显示电路

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形成一种放电通路，防止C3两端电压作用于调节管，导致调节管击穿而损坏。显示某些采用单片机串口通讯，以节约单片机端口，单片机通过中断方式为显示服务。直流电动机额定转速为190转每分大概需要三位数码显示。驱动器采用74LS164串接510欧限流电阻。
3．2控制电路
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。

3.3驱动电路及原理
电动自行车使用24V直流电机， 对于这种小功率直流电机调速办法普通有两种。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，电枢电压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。如下所示：
脉冲信号： t
T
转速： VMAX
VD

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。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 特性、低速性能也不如双向式好。
4.重要器件性能及原理
4.1MCS-51单片机内部构造
中央解决器(CPU)是整个单片机核心部件，是8位数据宽度解决器，能解决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工作，完毕运算和控制输入输出功能等操作。8051内部有128个8位顾客数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址，专用寄存器只能用于存储控制指令数据，顾客只能访问，而不能用于存储顾客数据，因此，顾客能使用RAM只有128个，可存储读写数据，运算中间成果或顾客定义字型表。8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存储顾客程序，原始数据或表格。8051有两个16位可编程定期/计数器，以实现定期或计数产生中断用于控制程序转向。8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据传播。8051内置一种全双工串行通信口，用于与其他设备间串行数据传送，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。8051具备较完善中断功能，有两个外中断、两个定期/计数器中断和一种串行中断，可满足不同控制规定，并具备2级优先级别选取。8051内置最高频率达12MHz时钟电路，用于产生整个单片机运营脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
单片机构造有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开形式，即哈佛(Harvard)构造，另一种是采用通用计算机广泛使用程序存储器与数据存储器合二为一构造，即普林斯顿(Princeton)构造。INTELMCS-51系列单片机采用是哈佛构造形式，而后续产品16位MCS-96系列单片机则采用普林斯顿构造。下图是MCS-51系列单片机内部构造示意图。
4.2永磁无刷直流电动机
无刷直流电动机由电动机主体和驱动器构成，是一种典型机电一体化产品。动机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。电动机转子上粘有已充磁永磁体，为了检测电动机转子极性，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：接受电动机启动、停止、制动信号，以控制电动机启动、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”各功率管通断，产生持续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调节转速；提供保护和显示等等。无刷直流电动机位置传感器编码使通电两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，因此无论转子起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大启动转矩，因而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，在铁芯不饱和状况下，产生平均电磁转矩与绕组电流成正比。
4.3三端式稳压器78L05工作原理
三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调节电路和保护电路等某些构成。在集成稳压器中，经常采用许多恒流源，当输入电压V1接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因而，必要用启动电路给恒流源BJT T4、T5提供基极电流。启动电路由T1、T2、DZ1构成。当输入电压V1高于稳压管DZ1稳定电压时，有电流通过T1、T2，使T3基极电位上升而导通，同步恒流源T4、T5也工作。T4集电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压，当DZ2达到和DZ1相等稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。与此同步，T2因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路联系，从而保证T2左边浮现纹波与噪声不致影响基准电压源。

上图是应用78L05输出固定电压VO典型电路图。正常工作时，输入、输出电压差应不不大于2～3V。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。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形成一种放电通路，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。
三端稳压器参数如下：
参 数
单位
7805
输出电压范畴
V
4.8~5.2
最大输入电压
V
35
最大输出电流
A
1.5
△V0(I0变化引起)
mV
100(I0=5mA~1.5A)
△V0(Vi变化引起)
mV
50(Vi=7~25V)
△V0(温度变化引起)
mV/℃
±0.6(I0=500mA)
器件压降(Vi-V0)
V
2~2.5(I0=lA)
偏置电流
mA
6
输出电阻
mΩ
17
输出噪声电压(10~100kHz)
μV
40
集成转速传感器具备敏捷度高、测量范畴宽、抗干扰能力强、外围电路简朴等长处，是老式分立式转速传感器升级换代产品。下面是KMI15系列磁阻式集成转速传感器工作原理与典型应用。转速属于常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，老式磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成，亦可用耳塞机改装而成。但这种传感器存在某些缺陷：第一，敏捷度低，传感器与转动齿轮最大间隙（亦称磁感应距离）只有零点几毫米；第二，在测量高速旋转物体转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生是幅度很低且变化缓慢模仿电压信号，因而，需要通过放大、整形后变成沿口陡直数字频率信号，才干送给数字转速仪或数字频率计测量转速，并且外围电路比较复杂；第四，它无法测量非常低（接近于零）转速，由于这时磁阻式传感器也许检测不到转速信号。当前，转速传感器正朝着高敏捷度、高可靠性和全集成化方向发展。ＫＭＩ１５－１芯片内含高性能磁钢、“磁敏电阻”传感器和ＩＣ。它运用ＩＣ来完毕信号变换功能，其输出电流信号频率与被测转速成正比，电流信号变化幅度为７ｍＡ～１４ｍＡ。由于其外围电路比较简朴，因而很容易配二次仪表测量转速。ＫＭＩ１５－１器件测量范畴宽，敏捷度高，它齿轮转动频率范畴是０～２５ｋＨｚ，并且虽然在转动频率接近于零时，它也可以进行测量。传感器与齿轮最大磁感应距离为２．９ｍｍ（典型值），由于与齿轮相距较远，因而使用比较安全。该传感器抗干扰能力强，同步具备方向性，它对轴向振动不敏感。此外，芯片内部尚有电磁干扰（ＥＭＩ）滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素影响。ＫＭＩ１５－１体积较小，其最大外形尺寸为８×６×２１ｍｍ，能可靠固定在齿轮附近。ＫＭＩ１５采用＋１２Ｖ电源供电（典型值），最高不超过１６Ｖ。工作温度范畴宽达－４０～＋８５℃。KMI15-1型集成转速传感器外形如图１所示，它两个引脚分别为ＵCC（接＋12V电源端）和Ｕ－（方波电流信号输出端）。为使信号变换器ＩＣ处在较低环境温度中，设计时专门将ＩＣ与传感元件分开，以改进传感器高温工作性能。其内部重要涉及如下六某些：“磁敏电阻传感器”；前置放大器A1；施密特触发器；开关控制式电流源；恒流源；电压控制器。事实上，该传感器是由4只“磁敏电阻”构成一种桥路，可固定在接近齿轮地方。当齿轮沿Ｙ轴方向转动时，由于气隙处磁力线发生变化，磁路中磁阻也随之变化，从而可在传感器上产生电信号。此外，该传感器具备很强方向性，它对沿Ｙ轴转动物体十分敏感，而对沿Ｚ轴方向振动或抖动量很不敏感。这正是测量转速所需要。工作时，传感器产生电信号一方面通过ＥＭＩ滤波器滤除高频电磁干扰，然后通过前置放大器，再运用施密特触发器进行整形以获得控制信号ＵＫ，并将其加到开关控制式电流源控制端。KMI15-1输出电流信号ＩCC是由两个电流叠加而成，一种是由恒流源提供7ｍA恒定电流ＩH，另一种是由开关控制式电流源输出可变电流1K。
5.结束语
在系统设计中，为了少走弯路和节约时间，应充分考虑抗干扰性能规定，避免在设计完毕后再去进行抗干扰补救办法。因而设计时从抑制干扰源，切断干扰传播途径，提高敏感器件抗干扰性能等方面采用各种办法来提高系统性能。在抗干扰设计中，软件抗干扰是被动办法，而硬件抗干扰是积极办法，只要认真分析系统所处环境干扰来源以及传播途径，采用两者相结合办法，就能保证系统长期稳定可靠地运营。
参照文献
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致 谢
本论文是在XXX教师谆谆教诲和指引下完毕，论文从选题、构思到定稿无不渗入着导师心血和汗水；专家渊博知识和严谨学风使我受益终身，在此表达深深敬意和感谢。
我还要感谢含辛茹苦、任劳任怨、望子成龙、不图回报父母养育之恩，她们予以我爱和支持让我顺利地完毕了自己学业。
最后，因本人水平有限，在文中难免有局限性之处，恳请各位教师批评指正。