单片机控制电动自行车调速系统毕业论文附CAD图 精品.docx
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单片机控制电动自行车调速系统毕业论文附CAD图精品
电动自行车调速系统的设计
摘要
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。
详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。
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。
本文主要是让更多的人正确的认识电动自行车和对电动自行车的主要器件的保养，便与延长电动自行车的寿命。
关键词：
单片机；脉宽调速系统；电动机；传感器；蓄电池
ElectricBicycleSpeedControlSystemDesign
Abstract
Author:
ChenYan
Tutor:
LiXiuying
SCMcontrolofpermanentmagnetbrushlessDCmotorspeedcontrolsystemapplicabletoelectricbicycles,andotherlow-powerwork.Redundantpowerandcanreturntocollapse.Thesystemhasgoodspeedperformance,highpowerfactor,energysaving,smallsize,lightweight,andotheradvantages.
Thispaperanalyzestherequirementsfromthesystem,thewholesystemwillbedividedintofourparts,analysisanddiscussionofthevariouspartsofthecircuitofthecontrolstrategy,implementationmethod.Discussedindetailthestatusofthevarioussystemsandsignaltransduction,andhavethesystemindifferentpartsofthestatethestatusofthework.PartofthesystemcontrolcircuitbasedonIntel's8051chipmicrocontroller.AccordingtothepermanentmagnetbrushlessDCmotorcontrolofthePWMpulsewidth,speedsensorandpassedthrougheighthspeeddigitaldynamicdisplayofspeed,throughhardwareandsoftwaresupport,fortheentiresystemdesignrequirements.Thispaperisdesignedtoallowmorepeopletothecorrectunderstandingofelectricbicycles,andelectricbicyclesonthemaindevicemaintenance,andwouldextendthelifeofelectricbicycles.
Keywords:
SCM;pulsespeedcontrolsystem;motor;speedsensor;battery
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日期：
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日期：
年月日
目录
1绪论…………………………………………………………….……………...……1
2系统要求……………………………………………………….……………...……2
3总体设计……………………………………………………………….…...….……4
4硬件选择和设计……………………………………………...………….…..……5
4.1MCS-51单片机内部结构………………………………………...……………5
4.2A/D转换芯片……………………………………………………….……….…8
4.3永磁无刷直流电动机…………………………………………………….……9
4.4三端式稳压器78LM05………………………………………………...…...…12
4.5集成转速传感器KMI15-1…………………………………………….…...…15
4.6译码器……………………………………………………………………...…18
4.7电动自行车的核心蓄电池…………………………………………...………19
4.8控制器与保护功能……………………………………………………………20
5系统电路设计……………………………………………………….…...…...……23
5.1电源电路………………………………………………………………..…….23
5.2显示电路……………………………………………………………….……..23
5.3控制电路…………………………………………………………………...…23
5.4驱动电路及原理……………………………………………………...…...….24
结论…………………………………………………………………………...…...…28
致谢………………………………………………………………………………..…29
参考文献……………………………………………………………………......……30
附录…………………………………………………………………………......……31
附录A ……………………………………………………………………..……33
附录B………………………………………………………………………...…34
1绪论
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80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
处于世纪之交的今天，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。
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4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 电动车对电动机的基本要求
电动车的运行，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。
2.1.1 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（3～4），加速性能好，使用寿命长的特点。
2.1.2 电动车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。
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。
2.1.3 电动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。
2.1.4 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1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鉴于电动车对电动机的基本要求采用永磁无刷直流电动机
2.2.1永磁无刷直流电动机的基本性能
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刷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。
2.2.2 永磁无刷直流电动机的控制系统
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，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。
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。
弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。
2.2.3永磁无刷直流电动机的不足
永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。
永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。
永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。
3总体设计
对于电动自行车控制系统设计主要有四个方面：
一、控制电路的设计；二、传感器选择以及安放设计；三、显示电路的设计；四、程序设计。
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的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。
控制核心采用51单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。
控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，电机控制和转速显示。
如图3-1所示:
图3-1
电动自行车的基本原理是：
由蓄电池提供电能，电动机驱动自行车。
4硬件选择和设计
电动车的性能指标一般包括：
驱动性能、驾驶性能、车载能源系统性能三部份，其中驱动性能取决于电机功率因素，车载能源系统性能取决于电池的容量，驾驶性能指标主要包括：
加速性能、最大爬坡性能、刹车性能及驾驶里程性能等驾驶模式，驾驶性能指标的优劣取决于控制系统驾驶模式的技术。
4.1MCS-51单片机内部结构
8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。
8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：
4.1.1中央处理器
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。
4.1.2数据存储器（RAM）
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。
4.1.3程序存储器（ROM）
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。
4.1.4定时/计数器（ROM）
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断用于控制程序转向。
4.1.5并行输入输出（I/O）口
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
4.1.6 全双工串行口
8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
4.1.7中断系统
8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
4.1.8时钟电路
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
图4-1是MCS-51系列单片机的内部结构示意图:
图4-1MCS-51内部结构示意图
图4-2PDIP
4.1.9MCS-51的引脚说明
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接PDIP结构，图4-2是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明：
·Pin20:
接地脚。
·Pin40:
正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。
·Pin18:
时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。
8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。
另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明：
·Pin20:
接地脚。
·Pin40:
正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。
·Pin19:
时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。
·Pin18:
时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。
8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。
另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。
·输入输出（I/O）引脚，Pin39-Pin32为P0输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，P-Pin-P3.7输入输出脚，这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。
·Pin9:
RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如表4-1：
表4-1
特殊功能寄存器
初始态
特殊功能寄存器
初始态
A
00H
B
00H
PC
00H
SP
07H
4.2A/D转换芯片
ADC0809芯片是最常用的8位模数转换器。
它的模数转换原理采用逐次逼进型，芯片由单个＋5V电源供电，可以分时对8路输入模拟量进行A／D转换，典型的A／D转换时间为100微妙左右。
在同类型产品中，ADC0809模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位置。
内部逻辑结构，如图4-3所示:
图4-3ADC0809内部结构
引脚功能说明：
·D7～D0：
8位数字量输出，A/D转换结果。
·IN0～IN7：
8路模拟电量输入，可以是：
0～5V或者－5V～＋5V或者－10V～+10V。
·+VREF：
正极性参考电源。
性参考电源。
·START：
启动A/D转换控制输入，高电平有效。
·入的工作时钟，典型频率为500KHz。
·ALE：
地址锁存控制输入，高电平开启接收3位地址码，低电平锁存地址。
·CBA：
3位地址输入，其8个地址值分别选中8路输入模拟量IN0～IN7之一进行模数转换。
C是高位地址，A是最低位地址。
·OE：
数字量输出使能控制，输入高有效，输出A/D转换结果D7～D0。
·EOC：
模数转换状态输出。
当模数转换未完成时，EOC输出低电平；当模数转换完成时，EOC输出高电平。
EOC输出信号可以作为中断请求或者查询控制。
·Vcc：
芯片工作电源＋5V。
·GND：
芯片接地端。
4.3永磁无刷直流电动机
4.3.1稀土永磁无刷直流电动机的基本工作原理
无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。
电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。
驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：
接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。
无刷直流电动机的原理简图如图4-4所示:
图4-4电动机原理图
主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。
永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：
101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T六种状态的依次导通。
每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。
正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。
无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。
由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。
电动机的转矩正比于绕组平均电流：
Tm=KtIav（N·m）
电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度：
ELL=Keω（V）
所以电动机绕组中的平均电流为：
Iav=（Vm-E为每相绕组电阻。
由此可以得到直流电动机的电磁转矩：
Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）－Kt·（Keω/2Ra）
Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速Vc（max）那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。
当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比δ就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，δ减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。
可以说，无刷直流电动机在允许的电压波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。
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