电动自行车驱动控制系统本科毕设论文Word文档下载推荐.docx
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致谢22
附录1原理图23
附录2PCB图24
附录3程序清单25
1、定时器程序25
2、延时程序26
3、LCD显示程序26
4、PWM程序30
5、电动机调速程序32
6、主程序35
电动自行车驱动控制系统设计
1、概述
1.1研究现状综述
20世纪70年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。
整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进[1]。
同时，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。
使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。
直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代[1]。
早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低[2]。
随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。
由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。
所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。
直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。
采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；
采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。
现阶段，我国还没有自主的全数字化直流调速控制装置生产商，而国外先进的控制器价格昂贵，且技术转让受限，为此研究及更好的使用国外先进的控制器，吸收国外先进的数字化直流电机调速装置的优点，具有重要的实际意义和重大的经济价值。
1.2研究方法
1.2.1直流电机调速原理
直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。
不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。
但是对于直流电动机的转速有以下公式：
其中：
U—电压；
R内—励磁绕组本身的电阻；
f—每极磁通（Wb）；
Cc—电势常数；
Cr—转矩常量[3]。
由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。
磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制[4]，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差[5]。
所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。
图1-1直流电机的工作原理图
电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。
传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大[6]。
随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。
如：
由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；
脉宽调制（PWM）调压等等。
调压调速法具有平滑度高，能耗少，精度高等优点。
在工业生产中广泛使用其中脉宽调制（PWM）应用更为广泛。
脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图
根据图1-2，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为：
D*Vmax=V*D，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的[7]。
1.2.2直流调速系统实现方式
（1）基于晶闸管作为主电路的调速系统
晶闸管的调速系统是采用分离元件设计的调速系统占用的空间大，控制角难于调整，且模拟器件的固有缺陷如：
温漂、零漂电压等，导致电机的调速无法达到满意的结果。
晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难，性能较差，自动化控制程度差，调速过程较为复杂，不利于工业生产和小功率电路中采用。
另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。
（2）基于PWM为主控电路的调速系统
与传统的直流调速技术相比较，PWM（脉宽调制技术）直流调速系统具有较大的优越性：
主电路线路简单，需要的功率元件少；
开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；
低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；
系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；
主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。
基于单片机类由软件来实现PWM：
在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
改变占空比D的值有三种方法：
A、定宽调频法：
保持t1不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变[7]。
（图1-2）
B、调宽调频法：
保持t不变，只改变t1，这样使周期（或频率）也随之改变[7]。
C、定频调宽法：
保持周期T（或频率）不变，同时改变t1和t[7]。
前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。
利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。
1.3电动自行车驱动控制系统设计意义
现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数字化控制，电动自行车驱动控制系统系统通常采用直流调速技术，经过二十几年的发展，已达到一个很高的技术水平。
特别是采用了微处理器及其他先进电力电子技术，使数字式直流调速装置在精度的准确性、控制性能的优良性和抗干扰的性能有很大的提高和发展，在国内外得到广泛的应用。
数字化直流调速装置作为目前最新控制水平的传动方式显示了强大优势。
全数字化直流调速系统不断升级换代，为工程应用和工业生产提供了优越的条件。
2、系统总体方案论证
2.1系统方案比较与选择
方案一：
采用专用PWM集成芯片、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心，现在市场上已经有很多种型号，如Tl公司的TL494芯片，东芝公司的ZSK313I芯片等。
这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。
这种专用PWM集成芯片可以减轻单片机的负担，工作更可靠，但其价格相对较高，难于控制工业成本不宜采用。
方案二：
采用MC51单片机、功率集成电路芯片L298构成直流调速装置。
L298是
双H高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。
其驱动电压为46V，直流电流总和为4A。
该方案总体上是具有可行性，但是L298的驱动电压和电流较小，不利于工业生产应用，无法满足工业生产实践中大电压、大电流的直流电机调速。
方案三：
采用STC12C5A60S2增强型单片机、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心实现对直流电机的调速。
STC12C5A60S2具有两个定时器T0和T1[9]。
通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现从任意端口输出不同占空比的脉冲波形。
STC12C5A60S2控制简单，价格廉价，且利用STC12C5A60S2构成单片机最小应用系统，可缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。
IR2110是专门的MOSFET管和IGBT的驱动芯片，带有自举电路和隔离作用，有利于和单片机联机工作，且IGBT的工作电流可达50A，电压可达1200V[10]，适合工业生产应用。
综合上述三种方案，本设计采用方案三作为整个系统的设计思路。
2.2系统构成
本系统以STC12C5A60S2为控制核心，配以4键盘和LCD液晶显示屏，通过STC12C5A60S2内部PCA计数器对主干驱动电路进行速度采集，并通过A/D转换进行速度显示。
同时将STC12C5A60S2产生的PWM信号经过逻辑延迟电路后加载到以IR2110为驱动核心，IGBT构成的H桥主干驱动电路上实现对直流电机的控制和调速。
框图如下图2-1
图2-1系统整体框图
3、驱动控制系统硬件电路设计
3.1控制电路
本系统采用STC12C5A60S2控制输出数据，产生PWM信号，送到驱动电路，驱动直流电机，直流电机通过测速电路，将速度数据通过PCA送回单片机，在LCD液晶显示屏上显示占空比和电机转速的变化，并依据按键电路下达的指令对数据进行处理，实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。
主控芯片STC12C5A60S2
图3-1控制电路框图
STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗和超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），适用于电机控制，强干扰场合。
STC12C5A60S2系列单片机有2路可编程计数器阵列PCA/PWM，即P1.3与P1.4口（通过AUXR1寄存器可以设置PCA/PWM从P1口切换到P4口）。
PCA含有一个特殊的16位定时器，有2个16位的捕获/比较模块与之相连。
每个模块可编程工作在4种模式下：
上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出。
本课题用到两个模式，即捕获模式和脉宽调节模式（PWM）。
当PCA模块用于捕获时，其保存各个模块的16位捕捉计数值，用于电机测速，捕捉电机转动时产生的电信号频率；
当PCA模块用于PWM模式时，可以控制输出的占空比，从而对电机进行调速控制。
3.2信号处理电路
PWM作为速度信号,和方向信号Dir（P1.2）一起要经过信号处理电路,产生4路满足功率驱动电路要求的时序信号。
为了避免驱动电路短路,信号处理电路要对输出时序有互锁保护功能,功率驱动电路实现弱电控制强电的功能。
电机速度信号PWM和方向信号Dir,通过如图3-3所示电路,产生IR2110所需的控制信号HIN1、HIN2、LIN1、LIN2。
Dir经与非门产生相反信号DIRX,由与门74LS08和与非门74LS00将PWM和Dir或DIRX进行逻辑运算,实现输出信号互锁保护,使HIN1和LIN2不能同时为高,HIN2和LIN2不能同时为高。
Dir=1时,电机正转；
Dir1=0时,电机反转。
图3-1信号处理电路
逻辑运算结果如下：
HIN1=PWM1·
DirLIN1=
HIN2=PWM1·
LIN2=
3.3驱动电路方案及参数描述
功率驱动部分采用2片IR2110驱动4片IRF3205构成H桥控制电路（如图3-2所示）。
IR2110驱动IGBT构成的H桥电路的特点显著，具有调速性能好，调速频带宽，可以工作在1~100kHz范围内工作[12]。
所要求的控制信号简单，只需要加入PWM信号即可。
IR2110设计保护电路性能良好，安全性高，无控制信号时，电机处于刹车状态，可用于很多工业领域。
在本设计中（图3-2），IR2110的自举电容采用了两个不同大小的电容并联使用。
在频率为20kHz左右的工作状态下，可选用1.0μF和0.1μF电容并联。
并联高频小电容可吸收高频毛刺干扰电压。
电路中为了防止Q1、Q3导通时高电压串入Vcc端损坏芯片，在设计采用快恢复二极管IN4148，其快速恢复时间为500ns[13]可有效地隔断高压信号串入IR2110。
由于VB高于VS电压的最大值为20V，为了避免VB过电压，电路中增加了10V稳压二极管D2、D3控制VB端电压在12V左右防止VB过压。
由于密勒效应的作用，在开通与关断时，集电极与栅极间电容上的充放电电流很容易在栅极上产生干扰[14]。
针对这中现象，本设计在输出驱动电路中的功率管栅极限流电阻R6、R7、R8、R9上反向并联了二极管D4、D5、D6、D7。
为了避免马达的反电动势的危害，需要在晶体管两端接二极管，因为马达线圈在电路开闭瞬间产生的反向电动势通过会高过电源，这样对晶体管和电路会有很大的影响甚至烧毁零件。
图3-2驱动电路
3.3.1IR2110驱动电路中IGBT抗干扰设计
对于任何CMOS器件，使这些二极管正向导通或反向击穿都会引起寄生的可控晶闸管（SCR）锁定，锁定的最终后果难以预料，有可能暂时错误地工作到完全损坏器件。
若在“理想的自举”电路中，Vcc由一个零阻抗电源供电，并通过一个理想的二极管给Vb供电。
负过冲电压将引起自举电容过充电。
图3-3IR2110部分寄生二极管示意图
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）是电压驱动型器件，由于是容性输入阻抗，故要求驱动电路提供一条小阻抗通路，将栅极电压限制在一定安全数字内[17]。
如果电路的负载为感性负载，则在功率管开关瞬间、电源短路以及过电流关断时，di/dt将比较大，功率管就会产生过冲电压，从而使VS端电压低于COM端。
实际上，该电压是不能低于-4V，超出该极限电压就会引起高端通道工作的不稳定。
3.3.2IR2110功率驱动介绍
（1）IR2110内部结构原理图及管脚说明
IR2110是IR公司生产的高压,高速的功率MOSFET[18]，IGBT专用驱动芯片，具有独立的高、低端输出双通道。
门电压需求在10~20V范围，悬浮通道用于驱动MOSFET的高压端电压可以达到500V[18]。
图3-3IR2110内部结构图
图3-3中引脚10（HIN）及引脚12（LIN）双列直插式封装，分别驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的输入驱动信号输入端，当输入脉冲形成部分的两路输出，范围为（Uss-0.5V）~（Ucc+0.5），图3-3中Uss和Ucc分别为引脚13（Vss）及引脚8（Vcc）的电压值。
引脚11（SD）端为保护电路信号输入端。
当该引脚为高电平时，IR2110的输出被封锁，输出端HO（7脚）、LC（1脚）恒为低电平。
而当该脚为低电平时，输出跟随输入变化。
用于故障（过电压、过电流）保护电路。
引脚6（VB）及引脚3（Vcc）分别为上下通道互锁输出级电源输入端。
用于接输出级电源正极，且通过一个较高品质的电容接引脚2。
引脚3还通过一个高反压快速恢复二极管与引脚6相连。
（2）IR2110的自举电路
在驱动电路设计中，IR2110的自举电路可以有效的保护IGBT。
IR2110自举电路的结果原理图如图3-4所示：
图3-4IR2110自举电路原理图
图3-4中C1及VD1分别为自举电容和快速恢复二极管,C2为VCC的滤波电容。
当S1在关断期间，C1已经充满电，即VCC=VC1。
在VM1开通，VM2关断期间,VC1通过电阻Rg1与S1的栅射极间电容Cg1放电。
在VM1关断，VM2开通期间，S1栅电荷经Rg1和VM2快速释放。
在经过死区时间后，S2开通VCC经过VD1、S2给C1充电。
这就是IR2110的自举电路原理。
如果自举电容C选取的过大,可能使S2关断时电容两端还没有达到要求的电压，而电容选择较小则会导致电容存储的能量不够维持栅源电压在S1导通时间内为一定值。
在选择自举电容C1最好选择非电解电容，电容应尽可能的靠近芯片。
一般情况下为保证自举电容将栅源电压持续一段时间，选电容为其最小值的15倍左右。
综合考虑在设计驱动电路时采用1uf的电容为IR2110的自举电容。
3.3.3H桥驱动电路原理
自举电路输出端电源VCC是12V,输人信号端电源VDD是5V,C7、C8是自举电容,D1、D2是二极管,C9、C10是滤波电容,Q2、Q3、Q4、Q5是场效应晶体管.当Q2、Q5导通时,电机正转；
当Q3、Q4导通时,电机反转；
当Q4、Q5导通时,电机两极与地短接,电机刹车制动。
根据自举原理,上桥Q2的导通必须要以下桥Q4的导通为前提,给自举电容充电。
理论上,Q2是不能实现占空比导通的,只能达到97%。
Q5始终导通,接通不同占空比u可实现电机正转调速。
当Q2导通时,电机全速正转；
Q4导通时,电机两端都接地,电机刹车。
同理,Q4的不同占空比可实现电机反转调速。
图3-2H桥驱动电路
3.4稳压电源
因为系统需要的不同电压值较多，且由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，如果只用一组电源难以防止干扰，为此在设计时采用了两组可调的稳压电源为系统控制单元和驱动单元单独供电。
在设计时首先考虑到使用三端可调稳压集成芯片LM7805、和LM7905。
LM7805系列稳压器输出连续可调的正电压，LM7905系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V~37V，最大输出电流为1.5A。
稳压器内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。
其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。
再利用LM7805、LM7905三端稳压芯片即可形成一个1.2V~18V可调和5V固定输出的稳压电源。
具体设计电路图如下（图3-3）当220V交流电压经过变压器转换成双18V的交流电压，利用B2整流桥实现整流后，利用了3300uf大电容C1、C2整流，因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入103瓷介质小容量电容C3、C4用来抵消电感效应，抑制高频干扰，利用LM317、LM337稳压器实现18V和-18V可调，最后在经过470uf电解电容C7、C8滤波后给LM7805、LM7905稳压后再通过C9、C10滤波后输出5V直流固定电压。
图3-3稳压电源电路
3.5光电测速电路
本光电测速模块的设计主要采用型号为H42B6光电传感器。
模块的工作原理如下，当码盘上的缝隙转到光电传感器所在的位置光敏晶体管接收到光线而导通，此时原理图中a点输出为低电平0，当圆孔缝隙离开光电传感器所在的位置光敏晶体管因接收不到光线而截止，此时a点输出为高电平1。
图中LM358和电阻R4、R5组成电压比较器，起滤波整形的作用。
经过LM358的电压信号通过PCA口送至单片机进行频率测量。
a
图3-5光电测速模块原理图
4、系统软件设计
系统程序为一个主程序（包括若干功能模块），中断子程序，以及若干个子程序，共计三大部分构成。
按照任务的定义，每个功能模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能，如测量、计算、显示、键盘扫描、输出控制等。
本设计的总程序设计流程图及其部分主要子程序流程图如图4-1系统总体流程图。
图4-1系统主体流程图
4.1电动机驱动和速度控制程序设计
#include<
reg51.h>
#include"
motor_ctr.h"
#include"
timer.h"
PWM.h"
unsignedcharPWM0_TEMP=128;
//占空比设置，赋初值0x8050%占空比
unsignedcharduty_cycle;
unsignedcharKEY1_F,KEY2_F,KEY3_F,KEY4_F;
//按键标志位
unsignedcharSTART_F=0;
//设置完成，启动标志位
voidMotor_Ctr_Int（void）
{
DIR=0;
//初始化方向设IR=1正DIR=0反
PWM_DIS;
//初始化时不输出PWM
}
voidPID_Adjust（void）//PWM调节函数
if（START_F==1）
{
PWM_DAC（PWM0_TEMP）;
//更新PWM参数，改变输出占空比
duty_cycle=PWM0_TEMP*100/255;
//占空比计算
}
voidKey（void）
staticunsignedintkey1_cnt,key2_cnt,key3_cnt,key4_cnt;
//按键有效计数
if（KEY1==0）
++key1_cnt;
//按键去抖
if（key1_cnt==5）
{
KEY1_F=1;
}
elsekey1_cnt=0;
if（KEY2==0）
++key2_cnt;
if（key2_cnt==5）
KEY2_F=1;
elsekey2_cnt=0;
if（KEY3==0）
++key3_cnt;
if（key3_cnt==5）
KEY3_F=1;
elsekey3_cnt=0;
if（KEY4==0）
++key4_cnt;
if（key4_cnt==5）
KEY4_F=1;
elsekey4_cnt=0;
voidKey_symbol_process（void）
staticunsignedcharkey4_flag;
//按键状态标志
if（KEY1_F）
KEY1_F=0;
PWM0_TEMP++;
//加速
if（KEY2_F）
KEY2_F=0;
PWM0_TEMP--;
//减速
if（KEY3_F）
KEY3_F=0;
DIR=~DIR;
//方向切换
if（KEY4_F）
KEY4_F=0;
key4_flag++;
//通过标志位，设置个十百千设置
if（key4_flag==1）//KEY4-P3^5-ET1按第1次
PWM_EN;
//启动
START_F=1;
}
if（key4_flag==2）//KEY4-P3^5-ET1按第2次
START_F=
升级会员 