电动自行车调速系统的设计.docx

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电动自行车调速系统的设计

电动自行车调速系统设计

内容摘要：

随着科学技术的不断发展，单片机被广泛应于电动自行车领域。

单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动自行车等小功率的工作情况。

并能将多余的电能回溃。

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。

本文从系统要求分析入手，将整个系统分成四个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。

系统各部分的控制电路基于Intel公司的控制芯片8051单片机。

根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽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，通过软硬件的配合，实现了整个系统的设计要求。

关键词：

单片机永磁无刷直流电动机设计

Abstract：

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,SCMiswidelyusedinthefieldofelectricbicycle.ThespeedcontrolsystemofpermanentmagnetbrushlessDCmotorcontrolledbysinglechipmicrocomputercanbeappliedtotheoperationofelectricbicycleandothersmallpower.Andwillbeabletoreturntheexcesspower.Thesystemhastheadvantagesofgoodspeedperformance,highpowerfactor,energysaving,smallsize,lightweightandsoon.Inthispaper,fromthesystemrequirementsanalysis,thewholesystemisdividedintofourparts,analysisanddiscussionofthevariouspartsofthecircuitprinciple,controlstrategy,implementationmethod.ControlcircuitofeachpartofthesystemisbasedonthecontrolchipofIntelcompany8051.AccordingtothepermanentmagnetcharacteristicsofBrushlessDCmotorPWMcontrolandthespeedsensorbyeightdigitaltubedynamicdisplayofspeed,togetherwiththehardwareandsoftwaretoachievethedesignrequirementsofthewholesystem.

Keywords:

singlechipmicrocomputerpermanentmagnetbrushlessDCmotordesign

1.引言

电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。

后来，由于燃油汽车技术的迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破，从20世纪20年代初至60年代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。

进入70年代以来，由于中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。

近几十年来，主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力，电动车的各项相关技术也取得了重大的进展。

尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能。

当前能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。

为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发的投资力度，加快电动车的商品化步伐。

虽然目前电动车在能源和行驶里程方面还未能尽如人意，但已足以满足人们的基本需要。

从技术发展的角度来看，在走过了漫长而艰难的发展历程之后，电动车正面临着重大的技术突破，有望成为21世纪的重要交通工具。

人类与环境共存和全球经济的可持续发展使人们迫切希望寻求到一种既能代替人力又低排放和有效利用资源的交通工具，电动车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，因此使用电动车无疑是一种很有希望的方案。

现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多种高新技术的综合产品。

整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。

电动车的电机驱动系统一般由四个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。

目前电动车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。

2.系统要求

2.1电动自行车车对电动机的基本要求

电动自行车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。

因此，对驱动系统的要求是很高的。

电动车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为，加速性能好，使用寿命长的特点。

电动自行车用电动机应具有宽广的调速范围，在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。

电动自行车用电动机应能够在车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机的摩托车上是不能实现的，电动车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高一次充电的续驶里程。

另外还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，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的电动机。

它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有与组成的机械接触结构。

加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：

发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，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，运行可靠，维修简便。

此外，它的转速不受机械换向的限制，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行。

永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动车中有着很好的应用前景。

典型的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行在恒转矩区域。

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

控制电路主要有电源电路、电机驱动电路、单片机接口电路、显示电路四个部分。

考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离。

传感器的电源直接使用24V蓄电池，单片机的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输出即为单片机所要求的+5V电源。

电路中接入电容C1、C2是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。

大容量的C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3形成一个放电通路，防止C3的两端电压作用于调整管，造成调整管击穿而损坏。

显示部分采用单片机串口通讯，以节省单片机的端口，单片机通过中断的方式为显示服务。

直流电动机的额定转速为190转每分大约需要三位数码显示。

驱动器采用74LS164串接510欧的限流电阻。

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线上那一路模拟电压被转换成数字量由ADDA-ADDC线上的地址决定。

ADDC0809内部“地址锁存与译码”电路便能把IN0线上模拟电压送入8位A/D转换器此时，若单片机使STAR线处于高电平，则ADC0809便开始A/D转换，一旦A/D转换完成，ADC0809一方面把A/D转换后的数字量送入它的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请求。

单片机检测和响应该中断请求后就通过使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转换后的数字量。

单片机根据A/D转换后的数字量输出相应的巨型脉冲信号。

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的调速方法一般有两种。

一种线性型：

使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距的运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。

另一种脉宽调制型：

脉宽调速（PULSEWIDEMODULATION——PWM）较常用的一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转的等优点。

因此决定采用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。

直流电机的具体调速过程是：

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此而再次加速。

不断的给电枢两端送入脉动电压源（即脉动信号）就可以使电动机的转速控制在指定的范围内。

如下所示：

脉冲信号：

t

T

转速：

VMAX

VD

VMAX为电动机的最大转速值。

VMIN为电动机的最小转速值。

VD为二者的平均值。

VD=D*VMAX式中D=t/T称为占空比。

D越大VD就越大反之亦然。

平均转速和电枢上的脉冲占空比D之间的关系如图：

VD（平均速度）

00.51D（占空比）

由图可知，平均转速与占空比并非完全的线性关系，但可以近似的看成是线性关系。

因此电动机的平均转速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:

在一个脉冲周期内（T=Ta＋Tb），T1和T3导通的时间为Ta，T2和T4导通的时间为Tb，这样在Ta这段时间内，电机通过的是正向电流，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

单向式:

单向式的电路更双向式相同。

不同的是，在电机正转时，Tb这段时间内不通过反向电流，电机反转时，Ta内不通过正向电流。

其调速原理基本与双向式相同。

单向式与双向式相比，三极管的开关频率少一半，比较不容易发生上下三极管导通而造成电源短路的情况,故可靠性有所提高，但控制性能比双向式稍差，外特性、低速性能也不如双向式好。

4.主要器件性能及原理

4.1MCS-51单片机内部结构

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理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的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中