电动助力车电机驱动系统设计文档格式.docx

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（2）完成系统的硬件电路的设计，包括电机驱动电路与转速采集电路以及调速电路的设计，单片机控制模块的设计与显示电路的设计。

（3）编写系统软件程序并对各个模块进行调试。

制作硬件样机，并进行系统性能的分析。

关键词：

单片机；

电机驱动；

PWM调速；

LCD显示；

转速测量

Abstract

Inthecaseofoilresourceshortagesandenvironmentalpollution,electricbicycleasa"

green"

meansoftransportisreceivedmuchattention.Becauseofitscheap,pollution-free,lownoise,easyoperationandsoon,electricbicycleseemstohavebecomethepreferred.AtpresentmostlyusedDCmotorforelectricbicycleasthedrivingforce,thequalityofmotordrivesystemoperationandreliabilityarecloselyrelated.

Thissubjectintroducestheelectricbicyclemotor-drivenprinciplesandinfraredandhallsensors,andtheperformanceandcharacteristicsofAtmelSTC12C5A60S2microcontroller,designedwithSTC12C5A60S2microcontrollercontrolmoduleasthecore,controlledbysingle-chipmicrocomputerdriveandcontrolsystemformotor.Motorfunctionofthesystemiscomplete,easytouse,economicalandpractical,reliable,fast,easyreal-timecontrolspeed,andspeedisdisplayed.Thecontentsofthissubjectaremainlythefollowingaspects:

（1）Describedmotordriveforelectricbicycle-relatedtechnology;

describedoncontrolofDCmotorbyusingsingle-chipmicrocomputerprinciple;

describedonelectricbicyclemotordrivensystemdesign.

（2）Describedhardwaredesign,includingmotordrivecircuitandspeeddataacquisitioncircuitsandspeedcontrolcircuitdesign,anddesignofsingle-chipcomputercontrolmodulecircuitdesign

（3）Writingsystemsoftwareprogramanddebugeachmodule,producedahardwareprototype,andanalysisperformanceforthesystem.

KeyWords:

MCU;

Motordrive;

PWMspeedcontrol;

LCDdisplay;

speedmeasurement

1绪论

1.1课题背景，目的和意义

近年来，作为一种新型的“绿色”代步工具——电动助力车正逐渐兴起。

随着全国城市地区面积日益扩大，使得人们的出行活动区域更加宽阔，那么使用自行车作为骑行工具就比较费力，尤其是路途较远的地方，再加上可能会遇到顶风、爬坡的状况。

由于当前我国居民的收入普遍不高，汽车普及各个家庭还不太现实，况且还有燃料、环保以及停车场地等诸多方面因素的制约，汽车都难以成为大多数人用得上代步工具。

虽然摩托车现在仍是许多地方比较常见的交通工具，但由于驾驶摩托车易引发交通事故和摩托车尾气造成的许多城市的环境污染，所以近几年来，一些大中城市都出台了相应了交规法规来限制摩托车的驾驶。

伴随现代文明的发展，科学技术的进步，人们环保意识的提高，不污染环境、噪音影响小、使用简单、速度较为合适的居民交通代步工具——电动助力车，作为一种理想的“绿色”交通工具，为人们出行活动带来了便利。

而且电动助力车集普通自行车和摩托车各优势于一身：

轻巧便利、绿色无污染、噪声低且价格相对便宜，无疑是解决城市居民日常代步的重要发展方向。

无刷直流电机是现在比较广泛应用的作为众多机械设备驱动的电机，目前市面上的电动助力车大多数采用这种电机作为动力源。

无刷直流电机指在电机结构中不存在机械电刷及换向器的电机，它的原理是通过自身换向而不用电刷和换向器。

因为有刷直流电机的电刷产生的环流而使得电刷摩擦造成损坏，容易产生火花且引发噪声，对周围环境带来了恶劣的影响，而无刷直流电机能明显改善这些缺陷，同时具备有刷直流电机很多优点。

无刷直流电机回馈系统简易，功率密度足够大，拥有足够大的负载转矩，操作起来更加人性化；

对冲击负载有更大的承载能力，能多次无级迅速起动、制动和反转；

让电机和逆变器能发挥本身的机能，并且调速性能优秀、容量小、惯性力矩小、质量低，不会有励磁损耗，能适应自动化生产过中各种不同情况的操作要求。

交流电机的诸多优点在无刷直流电机中得到体现，如构成比较简易、能安全稳定地运行、定期维修保养便利等。

同时不会造成因为换向器和机械电刷的存在使得有刷直流电机所带来的不良影响，如刺耳噪声、摩擦电火花、电波扰动以及寿命短等，且制造成本不高，电机维修简单方便。

电动助力车的电机驱动系统的主要功能是对电机进行调速控制，让助力车能获得稳定的速度和方便灵活的控制。

随着现代科学技术的提高，以及制造工艺的要求，通过调节电枢回路中的电阻大小来进行调速、改变电压高低调速等技术已经跟不上当前时代的需求。

那么这时候，以PWM方式控制直流电机调速的方法由此而生。

使用PWM控制技术后，模拟电路不易随时间飘移，减少一些不必要的热量损耗，以及降低噪声等，实现了数字式控制模拟信号，能大幅降低成本以及功耗。

随着我国经济和生产事业的发展，在诸多情况下，都需要用直流电机PWM调速系统来进行调速，而PWM调速系统不用过多的元器件、系统组成精简、操纵随性、可调范围大和使用期限长等，因此在多个领域受到了广泛应用。

1.2直流电机驱动系统的现状

目前直流电机驱动的方法主要有以下几种：

第一：

在早期的调速系统中，一般选择的供电方式为直流电压，改变电枢回路的阻值来调节直流电机的转速。

这种控制电路较为简单，操纵简便，开发和制造难度不高。

然而这种方法调速精确性较低，转速控制偏差较大。

第二：

发电机——电动机调速，这种驱动方法是通过闸流管，电机放大器和电磁放大器实现的，因而在调速时有良好的性能，不存在初期调速系统中调速不精确以及调速过程不稳定的缺点。

然而，在该系统中电力设备，电子元器件繁多，线路连接太过繁琐，致使空间占用过大，增加成本。

第三：

汞浆变流器为核心的调速系统，该方式能显著提升调速性能，而且调速精确性高，响应迅速。

但这种调速方式也并不完美，由于该系统是基于汞浆变流器的，所以变流器中含有的汞极易挥发对人的身体造成不良影响。

从前几年开始，PWM驱动控制技术作为新型的控制技术发展迅猛，使直流电机的控制技术在应用上有更广阔的前景。

在半导体中直流电压是可以随其通断来改变的，当半导体的开关处于开通状态时，直流电压为高电平；

当半导体的开关为断开状态时，直流电压变成低电平。

简单来说，利用半导体的特性来控制直流电压的输出就是PWM技术简要应用。

直流电压信号随着半导体开关的通断时间的变化而呈现脉宽或是频率的形式，以此来改变并输出平均直流电压值。

近代以来许多有关直流电机控制的各种技术发展日益成熟，在微处理器的选择上具有重大意义，采用单片机控制有很大趋势。

在直流电机控制中，使用单片机来发生PWM脉冲信号，在逻辑电路的控制上有深远意义。

单片机体积和重量都很小，比较容易操控而且成本也十分低廉，而且在程序开发中编程语言实现的难度不高，所以在直流电机调速系统中，通常选择单片机作为微控制器。

在PWM调速控制下，有诸多优点：

直流电机驱动系统能源消耗显著降低，工作性能稳定效率明显，因此更多的研究的热点朝直流电机控制方向发展。

1.3直流电机驱动技术的发展方向

近年来，电力电子、自动控制、微处理器等发展快速的新型技术越来越多应用到了直流电机驱动技术中去。

精度高、响应快、稳定性好、成本低、能耗小等成为直流电机驱动技术发展的新要求。

电机分为同步电机和异步电机。

同步电机调速有调极和调频两种，然而它们的缺点也尤为突出：

调极方式调速不平滑，调速不够稳定；

调频方式调速范围小，电机工作电压限制在很小范围，只能为单一功率设备提供动力。

异步电机调速有变极调速和交流变频调速两种。

交流变频调速是利用晶闸管对三相电压变流，输出类似正弦波的电压，是电机获得类似正弦波变化的电压，从而实现调速[3]。

变极调速设备简易、操作难度低，但无法平滑稳定调速；

交流变频调速能实现平滑调速，但是设备庞杂，价格昂贵。

而PWM驱动方式不会出现上述调速方法的缺点，该驱动方式调速范围很宽、能趋于线性平滑稳定地调速、调速响应回馈及时迅速。

采用微处理器能对电动机驱动系统进行自我调控，可以说促进了电气自动化发展。

而且在电动自行车市场经济上有不少的优势，由于整个调速系统体积小、结构简单，这样不会很笨重。

而且可靠性高、操作维护方便，便于长期使用和保养。

电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，这样人在骑行的时候就会感到十分平稳，在普及上有广阔的市场前景。

1.4本章小结

本章为本文的开篇总括描述，主要介绍了本课题的背景、目的以及意义，介绍了直流电机调速系统的现状以及直流电机调速技术的发展方向。

阐述了利用PWM调速技术作为电动助力车电机驱动系统的调速控制手段的优越性。

为下文的具体研究做了充分的铺垫。

2直流电机驱动系统

2.1直流电动机

电动助力车的动力源采用的是直流电机，是一种能将直流电能转换为机械能的转动装置。

电动机的定子部分用来产生磁场，固定机身的作用，直流电源向电枢的绕组提供电流，换向器使电枢电流和电磁形成的转矩方向维持不变。

直流电