电动自行车控制器的设计.docx

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电动自行车控制器的设计

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题目：

电动自行车控制器的设计

系别：

专业：

2013年5月18日

毕业论文（设计）作者声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本毕业论文内容不涉及国家机密。

论文题目：

电动自行车控制器的设计

年月日

摘要1

引言2

1.现状及存在问题2

1.1电动自行车的现状2

1.2无刷直流电动机的发展现状3

1.3电动自行车控制器的研究现状及存在的问题4

2.电动自行车控制器的设计原理及硬件电路5

2.1主要元件的选取5

2.2系统设计的原理依据8

2.3整体硬件系统框图9

2.4模块电路的设计10

3.系统软件设计14

3.1软件整体设计方案14

3.2子模块设计15

3.3抗干扰设计18

4.结果与分析18

5.展望20

参考文献21

致谢21

电动自行车控制器的设计

摘要：

针对目前电动自行车控制器的结构复杂、可靠性低、难以维护以及不易升级拓展的缺点，本设计提出了基于AT89S52单片机为主控芯片的无刷直流电机控制的设计方案。

由霍尔传感器采集的信号计算出转速，单片机通过PWM方式实现速度闭环控制；同时对电机相电流采样进行电流闭环控制；组成“速度-电流”双闭环控制系统。

利用无刷系统电子换向的特点，根据能量回馈制动原理实现柔性电子刹车。

结合高效的编程算法简化了系统结构，降低了系统成本，增强了系统性能，提升了骑行舒适度，可以满足不同应用场合的需求。

关键词：

单片机；无刷直流电动机；双闭环控制；柔性电子刹车

DesignofElectricBicycleController

Abstract:

Thispaperpointsatthedisadvantagesofelectricbicyclecontrollerofcomplicatedstructure,lowreliability,difficultmaintenance,putsforwardaprojectbasedonAT89S52singlechipmicrocomputerasthemaincontrolchipofbrushlessDCmotorcontrol.Speediscalculatedbythesignalacquisitionofbrushlesssystem.Combinedwiththeprogrammingalgorithmefficientsimplifiesthesystemstructure,reducesthesystemcost,enhancesthesystemperformance,andenhancetheridecomfort,whichcanmeettherequirementsofdifferentapplicationoccasions.

Keywords:

MCU;Brushlessdirectcurrentmotor;Doubleclosed-loopcontrol;Electricabsorptionbrakingsystem

引言

步入二十一世纪，是呼唤绿色环保的时代，环境保护和能源问题成为最突出的两大主题。

随着工业的飞速发展，人民生活水平的提高，汽车的使用越来越普及，石油资源严重匮乏。

从环境保护角度讲，石油的使用造成的大气污染不断加重。

此外，石油燃烧产生的二氧化碳虽然对人体健康没有太大危害，但是造成的温室效应却破坏了大自然的生态平衡，对生态环境造成严重影响。

在当前工业面临能源问题和环境问题的巨大挑战的现状下，发展清洁能源，实现能源动力系统的电气化，推动传统产业的战略转型，已经成为当前发展的目标[1]。

目前，我国已出台许多优惠政策，扶持并引导电动车行业的快速健康发展。

电动车的发展进入关键时期，机遇与挑战并存。

这不但要求人们节约能源，更要求人们注重环境保护，以实现人与自然的和谐可持续发展。

我国石油资源相对比较贫乏，尾气的排放又是目前大中城市大气污染的主要原因。

为此发展电动车辆无疑是未来发展的必然趋势，也符合绿色环保的需求。

1.现状及存在问题

1.1电动自行车的现状

近几年来，电动车以环保、低能耗的特点，成为短距离出行的最好交通选择。

电动自行车以较快的速度进入市场，逐渐取代自行车成为不可或缺的交通工具。

人们环境保护意识的提高、对能源问题的关注以及高新科学技术的不断发展，也有力的促进了电动车产业的飞速发展。

与发达国家相比，我国电动车的研究起步较晚，因此技术相对落后。

我国有广泛的人口资源，在小城市以及乡镇大部分人都以自行车代步，电动车的市场潜力十分巨大。

随着我国城乡一体化进程的推进及农村道路状况的不断改善，自行车的使用逐渐被电动车所代替，所以对电动车的需求量会逐渐增大。

目前，我国市场上电动车品种规格很多，动力多采用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为24V36V或48V，功率在150W~450W之间；蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为12Ah，充电时间在3~8小时左右，充电一次行驶里程约50KM；车速低于20KMH，爬坡能力在12o上下；车型有普通型和豪华型，车重约35KG，载重量约75KG[2]。

近年来，随着电力电子技术和自动控制技术等的发展，电机的应用也得到了快速发展。

由于不断地改进技术，电机的控制变得更加灵活，效率也更逐渐提高。

由过去简单的起动停止控制、以提供驱动为目的应用，转变为对其速度、转子位置、转矩等精确的控制，以及对这些被控量的逻辑综合控制，使被控制的机械运动更符合预想要求。

因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展。

1.2无刷直流电动机的发展现状

1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利标志着无刷电动机的诞生。

1978年MAC的无刷直流电机及其相应驱动器的出现使无刷直流电机开始真正进入实用阶段。

从而引发了对无刷直流电机研究的小高潮，之后研制成功方波无刷直流电机和正弦波无刷直流电机。

近几十年以来，随着永磁新材料、集成电子技术、自动控制理论以及电子技术尤其是大功率开关器件的快速发展，使得直流无刷电机得到了长足的发展。

无刷直流电机在运动控制领域受到广泛的应用得益于其优良的转矩特性，以往的直流电动机由于没有电刷而需要机械换相，造成可靠性较低，而且电刷容易出现问题需要经常维护；在换相时会产生电磁间干扰，噪声较大，从而影响了普通直流电机在自动控制系统中的发展应用。

以电子换相取代机械换相的无刷电机克服了机械换相带来的缺点，得到了广泛应用和快速发展[3]。

无刷直流电机在保持了传统直流电机的良好动、静态调速特性的同时，还具有构造简单、运行可靠、易于控制、不产生火花、电磁噪声低、效率高、转矩特性优异等优点。

其应用从最初的军事工业，快速向民用行业以及工业自动化领域迅速扩展。

与有刷直流电机不同，无刷直流电机的电枢为定子绕组，励磁绕组被永磁材料所取代。

根据流入定子绕组的激励电流波形的不同来划分，直流无刷电机可以分为方波直流电机（BLDCM）和正弦波直流电机（PMSM）。

BLDCM用电子换相克服了以前直流电机机械换相的缺点，用永磁材料做转子省去了电刷；而PMSM是用永磁材料代替普通电机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和碳刷。

在相同的条件下，驱动电路获得方波相对比较容易，并且控制比较简单，因此BLDCM的应用要比PMSM广泛的多。

无刷直流电动机的典型应用一般由一台同步电机、一组转子位置检测器和一套受位置检测器控制的逆变器组成。

中小型电机的逆变器一般由晶体管组成；大型电机的逆变器通常采用晶闸管构成，称为晶闸管电动机。

运行时，霍尔位置传感器获得电机转子位置信息，经过处理后输入控制器进行逻辑综合，之后控制器输出PWM波使功率逆变驱动电路中的开关管有序的导通和截止，从而实现电子换流，驱动直流电机可靠稳定运转。

1.3电动自行车控制器的研究现状及存在的问题

电动车控制器是用来控制电动自行车电机的运行、速度以及其它电子部件的核心器件，它就是电动自行车的大脑，是电动车上最重要的部件。

不同车型所对应的控制器因性能不同而各具特点。

电动车控制器从结构上可以分两种：

分离式和整体式。

电动车控制器的设计应兼顾蓄电池和电机的实际使用情况，合理分配蓄电池、控制器和电机之间的关系，将其作为一个整体系统来设计，这样才能得到较为匹配的电动车控制器。

目前来看，电动自行车控制器的控制系统主要有以下几类：

（1）模拟控制系统：

由大量分立元件配合少量集成芯片组成的模拟电路构成；

（2）专用控制系统：

由控制无刷直流电机的专用高集成度芯片配以外围功能电路构成；

（3）数模混合控制系统以及全数字控制系统：

以单片机、高速DSP芯片以及ARM芯片为核心加以外围功能电路构成[4]。

模拟控制系统中的大量分立元件存在着不可消除的参数漂移，而且模拟电路排布复杂、不便于调试，因此电机的可靠性稳定性受到影响，性能难以高效率发挥，在现在的电动车控制器中已经很少采用了。

由专用集成电路为核心的控制系统采用无刷直流电机专用控制集成芯片如MC33033、MC33035为主要控制器件，这样可以有效减轻分立元件带来的参数漂移的危害，而且使控制电路的总体体积减小、可靠性提高，但是这类控制器一旦成型，后续功能往往难以扩展，升级不便。

这类控制器在初期的电动车中采用较多。

近年来DSP和ARM的迅速发展，也为电机控制核心芯片的选择开辟了一种新的途径，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C2xx系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，这些都是由一个以DSP为基础的核心，并结合电机控制所需的外部功能电路，集成在单一芯片内，使控制器整体体积大大缩小、各部分结构紧凑、易于使用、可靠性提高。

较为先进的DSP还可以提供专用的事件管理模块用于电机控制，这样一来它在电机矢量控制以及矩阵变换等方面具有显著的优势。

未来应用DSP作为电动车控制器的主控芯片是一种势不可挡的趋势。

但是目前来看这些专用集成芯片价格较为昂贵，外围电路设计复杂造成维修困难，所以在广大的民用市场难以大规模推广。

由于控制器非常注重成本，而DSP和ARM的控制策略的理论研究还不够成熟。

因此，在一定时期内这类控制器还不会大规模应用于潜力巨大的民用市场。

数模混合控制系统和全数字控制系统采用数字电路和单片机组成硬件系统，控制由主要依靠硬件实现偏向由软件实现，控制比较灵活、功能方便扩展且易实现复杂的控制算法。

所以目前这类电动自行车控制器得到广泛的关注和研究。

2.电动自行车控制器的设计原理及硬件电路

2.1主要元件的选取

现在市场上大部分电动车生产厂商采用Motorola公司的MC330xx系列无刷直流电机专用集成控制芯片，该芯片包含了无刷电机控制系统必需的基本控制功能。

本设计的主控芯片采用AT89S52单片机，不仅能够实现专用集成控制芯片MC33035可以实现的所有功能，而且更容易对系统进行后续升级拓展。

2.1.1控制芯片的选取

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flas