电动助力车的驱动与控制系统的设计Word格式文档下载.docx
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无刷直流电机；
8051单片机；
电动助力车
I
Abstract
Inrecentyears,thefuelvehiclesbecauseofemissionsproblemshavecausedtheseriousairpollutionincities.Withthedevelopmentofeconomy,traditionalfuelvehiclesfuelconsumptionincreasedsharply,theenergycrisisisbecomingincreasinglyserious,anddevelopgreentransportationhasbecomeanimportantissue,electricbicycle,asagreenvehicle,thesystemhasgoodspeed,highpowerfactor,energysaving,smallsize,lightweightandsoon.Andbodyoccupyspacesinsmall,greatlyimprovingtheefficiencyofnon-motorvehicles,idealforshorttripswithinthecity,soelectricbikesasanenvironmentallyfriendlymeansoftransportpopular.
ThisdesignusesapermanentmagnetbrushlessDCmotordrive,centeredaroundMCS-518051seriesMCUcontrolchips,andwithappropriateinterfacecircuitdesignoffunctionalityneededtasks,includingtorquemeasurementcircuit,PWMpulsewidthmodulationcircuit,motordrivercircuit,whilesystemisundervoltage,overcurrentprotection,under-voltagealarmandprotectionfunctions.
Keywords:
BrushlessDCmotor;
8051MCU;
forelectricbicycle
II
1.1设计的技术背景..............................................................................................................................1
1.1.1国外电动助力车发展现状....................................................................................................1
1.1.2国内电动助力车发展现状..................................................................错误！
未定义书签。
1.2设计任务.........................................................................................................................................2
1.3主要技术参数与性能指标..............................................................................................................3
1.4主要设计内容及章节安排..............................................................................................................3
第2章系统方案的设计..................................................5
2.1方案的比较与选择..........................................................................................................................5
2.2系统工作原理..................................................................................................................................8
第3章硬件电路设计...................................................11
3.1控制器的设计.................................................................................................................................11
3.2主电路的设计................................................................................................................................16
3.2.1电动机的选择.....................................................................................................................16
3.2.2控制电路的设计.................................................................................................................19
3.2.3转速控制电路的设计..........................................................................................................22
3.2.4过流保护电路的设计.........................................................................................................23
3.2.5整形电路的设计.................................................................................................................25
3.2.6欠压报警电路的设计..........................................................................................................26
3.2.7电源的设计.........................................................................................................................27
3.2.8功率放大电路的设计..........................................................................................................29
3.2.9缓冲电路的设计................................................................................................................30
3.2.9欠压保护电路的设计..........................................................................................................31
第四章软件的设计.....................................................32
4.1软件结构与软件设计思想.............................................................................................................32
4.2程序流程图...................................................................................................................................32
第五章设计总结........................................................36
致谢...................................................................38
参考文献...............................................................39
附录A.................................................................40
附录B.................................................................41
第1章设计任务和要求
1.1设计的技术背景
1.1.1国内外电动助力车发展现状
世界上电动助力车拥有总量1.3亿辆，年生产约3000万辆。
目前世界上已经有40万辆各式电动助力车，电动助力车的潜在市场巨大，估计到2000年总数将达到200万辆。
下面主要介绍日本、美国和欧洲一些国家的电动助力车发展状况。
日本作为电动助力车辆研究和实用化最早的国家之一，电动助力车不论就技术还是市场规模而言，都最为成熟。
自从93年雅马哈公司的PAS（能量辅助系统，该方式下辅助力矩和脚踏力矩保持一定比例）进入市场以来，电动助力车在日本已逐渐成为居民短距离交通工具的主流。
日本电动助力车主要以妇女、老年人和上班族为市场目标。
蓄电池一般为镍铬、镍氢电池为主，容量在5-10安时之间，充电一次里程为25-40千米。
驱动系统多为永磁无刷电机，工作电压为24伏或36伏，功率在180-250瓦之间。
日本的控制器都采用PAS系统。
美国有代表性的电动助力车生产厂家有ZAP公司以及由GT自行车公司和AeroVironment两家组建的ChargerBicycle助力车公司，这两公司的产品约占美国电动助力车市场的60%。
GT和AreoVironment合作开发的传动系统采用了独创的双缝条直接驱动方式，电机、助力车的变速齿轮及后轮组成一套独立的驱动系统。
其优点是可以增大助力车的启动力矩、提高加速性能、增强爬坡和迎风骑行的能力、减小电机噪音，关闭助力系统后，还可以和普通自行车一样使用。
在1:
1方式下，正常速度、路面和普通体重的情况下一次充电可行驶20千米左右。
充电部分是一个可以在4小时内将2组12伏7安时密封免维护铅酸电池充满的快速充电系统，最大充电电流可达6安培；
在行车过程中由一个简单电池管理系统监控电池的状态；
通过转换开关可以很方便的察看每一1
兰州工业学院毕业论文个电池的剩余电量，预计可行驶里程。
该电池管理系统还可以对电池的简单故障给出诊断和报警。
欧洲是电动助力车最早的发源地，但主要精力集中在电动汽车上，截至1996年已经有9家公司生产电动助力车，它们很多是引进日本的生产技术，德国和法国已经将日本的PAS制式作为电动助力车国家标准。
台湾的美利达（Merida）和Elebike公司的产品已经进入欧洲市场。
96年统计数据显示：
当年欧洲共销售了13000辆电动助力车，97年的预计销售额为50000辆。
随着改革开放的深入和生活水平普遍提高，人们希望获得轻巧便捷的交通工具。
因此，当90年初推出燃油助力车时，市场获得很大的成功，但燃油助力车的发展带来了严重的环境污染。
北京、上海都被列入世界大气污染最严重的十大城市之一。
各地相继制定政策措施，限制燃油助力车的销售和使用。
作为燃油助力车替代品的电动助力车有着广阔的前景。
下面介绍国内发展状况。
我国内地虽然潜在有巨大的电动助力车市场，研究开发电动助力车的厂家、高校和科研单位也不少，有的单项技术水平也不低，但整车质量也不高，尚未形成强有力联合开发、开发和市场化方面已经具有一定规模。
目前上海的道路建设跟不上车辆的发展，车辆行驶速度缓慢，据测平均速度不到12Km/h。
车辆行驶慢时，污染物排放比正常行驶时更多。
市区中心的一氧化碳、碳氢化合物总量的90%来自机动车排放的污染物。
1.2设计任务
电动助力车具有集锻炼与代步二者为一体的特点，近年来市场上对智能助力电动车的需求也越来越多，电动助力车具有功率较小，车速低，性能要求不高，可以充分利用现有成熟技术通过传感器感知人踩自行车踏脚上力的大小,徇情控制电机的输出功率，合理调整电机驱动力和人踩驱动力的比例,实现人机合力带动自行车运行,即所谓的智能型电动自行车,或称为具有1∶1功能的电动自行车。
助力电动自行车具有集锻炼与代步二者为一体的特点，同时它具有延长续程的功能，因此近年来市场对智能助力电动车的需求也越来越多，电动自行车一般由带有力矩传感器的轮毂永磁直流电机驱动，力矩传感器结构及原理示意图1,图2中单数磁钢位置均匀固定在360。
的轮毂上，双数磁钢在弹簧的作用下可以左右移动，这样电机每转1周，将会产生8个脉冲。
在没有脚踏作2
用下，磁钢2在1，3磁钢中间，当脚踏时，磁钢发生一定转向的位置偏移，造成1，2间的距离与2，3间的距离不等（本电机经过实测最大摆幅为10°
），根据其差值，系统可以判断出脚踏的力矩，根据此值施加一定助力策略下助力。
图1力矩传感器结构及原理示意图
1.3主要技术参数与性能指标
最高时速不小于20km/h
整车质量小于40kg
在一次充电续驶里程大于25km。
骑行距离不小于7km
最高时速状态下，电动、助力
具有良好的脚踏性能，脚踏匀速骑行时噪声小于62dB
一百公里耗电量小于1.2kw.h
电动机连续输出功率不大于240W
1.4主要设计内容及章节安排
本文首先介绍了国内外电动助力车的发展状况和几种典型的控制方式。
针对目前控制方式的不足之处，提出本设计采用脉宽调制（PWM）配以单片机为中心控制单元的调速系统。
利用霍尔传感器实现传统的调速。
从而进行电动助力车驱动与控制系统硬件和软件的设计，论文各章节安排如下：
3
第2章系统方案的设计
第3章硬件电路设计
第4章软件设计
第5章设计总结
本次设计主要是熟悉电动助力车工作原理，深入分析电气控制原理,选择驱动电机，确定设计方案，完成系统原理方框图，选定单片机，完成硬件设计和软件设计，根据题目的要求，选择恰当一款合适的单片机作为微控制器，电动机选用无刷直流电动机，系统还设计了欠压保护、欠压报警和过电流保护护功能，能够实现对电动助力车电量不足和电流过大时进行保护。
系统包括硬件部分和软件部分。
主要内容有以下几部分：
MCS-51系列单片机控制电路。
检测电路。
刹车电路。
过电流保护电路。
欠压保护电路。
报警电路。
4
2.1方案的比较与选择
电动助力车与传统的电动自行车有一个显著区别,传统的电动自行车是通过调速手把进行单项控制车速，而电动助力车是个双向智能系统，包括电池、电机、控制器、力矩传感器、车架等部分，控制器通过力矩传感器检测骑车人施加在踏板上的力矩得到目前的车辆行驶状态，并且根据当前状态自动调节电机功率输出，使得无论在平地还是在倾斜路面上，骑行始终如在平路上骑普通自行车一样轻松舒畅，电动助力车真正做到人车合一。
电动车作为新型绿色交通工具，具有节能和环保的优点。
电动车有蓄电池、充电系统、调速系统、车体等部分组成，其中调速系统是电动助力车的重要组成部分。
因此，设计电动助力车驱动与控制系统，拟采用的方案有：
方案一:
设计以MCS—51系列单片机与电机一体化的永磁直流电机为主要执行部件的助力驱动系统工作原理来实现设计要求。
该方案的主要特点如下：
8051作为控制器中的主控芯片，担负着脚踏输入量、助力力矩测量、电机电流检测及其保护，总线电压的检测及欠压报警输出、PWM输出占空比的改变等工作任务。
其原理图如2-1所示，从图中可以看出其主要由过流保护、欠压保护和欠压报警输出电路、PWM脉宽驱动电路，力矩传感器脉冲信号输入电路等部分构成。
5
图2-1方案二:
助力电动自行车具有集锻炼与代步二者为一体的特点,同时它具有延长续程的功能,因此近年来市场对智能助力电动车的需求也越来越多,本文介绍了一种基于摩托罗拉公司最新推出一款高性价比8位单片机:
MC68HC908QT2单片机和集力矩传感器与电机一体化的永磁直流电机为主要执行部件的助力驱动系统工作原理,并给出其中若干问题的解决方法,骑行和试验结果都证明了其良好的控制效果。
图2-2是NC68HC907QT2单片机引脚复合功能图，其主要性能参数有：
内部晶体振荡器一个3.2MHz、外部中断请求资源1个、有低电压监视、看门狗、运行正常等保护功能，有6个I/O口、4路A/D转化器、2路16位计数器及PWM生成电路、4K闪存、128字节RAM、具有代码加密功能、低功耗运行模式，6路键盘中断。
6
图2-2MC68HC908QT2引脚与功能图
方案三:
无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、位置检测器、电子开关和控制器等组成。
位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号根据输入信号的要求，以一定的顺序触发功率开关器件，将电源按一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。
因此，无刷直流控制器的设计，关键是根据位置信号确定电子开关的通断顺序和通断时间。
AVR单片机具有高速度和低功耗；
具备高度保密功能，Flash具有多重密码锁死功能，无法对其进行解剖，有利于保护设计成果；
内置看门狗，防止程序飞走，具有较强的抗干扰性能；
有8位和16位计数器/定时器，提供PWM控制。
因此AVR单片机适合作为电动助力的控制系统CPU。
图2-3是采用AVR单片机组成的电动助力车无刷直流电动机的原理图
图2-3单片机控制无刷直流电动机原理图
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综合上述三种方案，本设计采用方案一作为整个系统的设计思路。
2.2系统工作原理
单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动助力车等小功率的工作情况。
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。
电动助力车控制系统的硬件电路主要有4部分:
1）检测部分2）控制部分3）保护部分4）欠压报警部分。
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，但是又必须能使车行驶自如。
控制电路要根据选用电机和传感器来实现，
控制核心采用8051单片机，方案提出采用速度传感器和力矩传感器采集人力脚踏速度和扭矩，并利用8051单片机作为信号处理单元,已完成对人力脚踩输出功率的计算，实现真正意义上的智能助力。
如图2-1所示。
图2-1系统的工作流程叙述如下：
选用8051单片机P1作为输出口，通过驱动器控制全桥驱动电路上桥臂的P沟8
道MOSFET,通过与门控制下桥臂的N沟道MOFET.8051的P0.0口作为PWM输出口，控制直流电动机的转速，P0.4-P0.6作为输入口，连接位置检测器输出的控制信号，8051的所有输出口都接上拉电阻，与-5V负载电平相匹配。
由位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的信号。
而这些信号根据输入信号的要求，以一定的顺序触发功率开关器件，将电源按照一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。
由于本设计中电动助力车采用带有力矩传感器的轮毂永磁直流电机驱动，电机每转动一周，霍尔传感器将会产生8个脉冲信号。
这些脉冲信号源连接在8051单片机的计数器定时器口，然后采取定时测脉冲的方法求的电动助力车的行驶速度。
采集到力矩传感器的输入信号以后，可以由8051求出脚踏的输出功率，然后根据直流驱动电动机的输入输出特性。
8051单片机在P0.0口（8051的P0.0口作为PWM的输出口）输出不同占空比宽度的矩形脉冲信号，以实现直流驱动电机的调速控制。
为了防止电动机启动，过流或异常运行时，大电流对控制电路，功率逆变器和电动机本体造成损害，设计了过电流
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