基于单片机的电动车速度控制系统研究.docx

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基于单片机的电动车速度控制系统研究

目录

摘要I

ABSTRACTII

第一章绪论1

1.1课题的研究背景及发展状况1

1.1.1能源与环境问题1

1.1.2电机控制技术的发展2

1.1.3功率半导体器件与驱动电路的发展2

1.1.4电机控制器的发展3

1.1.5电机控制理论的发展3

1.2电动自行车的组成部分及其特点4

第二章关键部件的特性分析6

2.1蓄电池特性分析6

2.2电机特性分析6

2.2.1稀土永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理6

2.2.2无刷直流电机的数学模型分析9

2.2.3电机的运行特性分析11

2.2.4机械特性和调速特性分析15

第三章基于单片机的系统控制策略研究17

3.1控制系统的整体构成17

3.2系统主要控制策略概述18

3.2.1位置检测信号处理单元18

3.2.2电流检测信号处理单元18

3.2.3速度调节方案19

3.2.4速度检测方案22

3.2.5起动与换相控制方案23

3.2.6蓄电池检测方案24

3.2.7驱动、逆变电路控制方案25

3.2.8故障检测与系统保护26

3.3核心控制器件的选择27

3.3.1单片机概述27

3.3.2Atmega8特性介绍28

第四章系统硬件设计30

4.1信号检测电路设计30

4.1.1位置检测30

4.1.2电流检测31

4.1.3转子位置检测电路32

4.2电机转速控制电路32

4.2.1测速电路32

4.2.2换向调速电路32

4.2.3速度检测33

4.2.4速度给定环节34

4.2.5系统软件控制35

4.3三相全桥逆变电路及其功率驱动的设计36

4.4PWM波的控制单元37

4.4.1PWM信号的产生37

4.4.2PWM波的输出控制39

4.5电池电压检测单元40

4.6系统硬件可靠性设计40

4.6.1电源与集成芯片去藕40

4.6.2隔离技术41

4.6.3电磁兼容设计41

第五章系统软件设计42

5.1主程序的设计42

5.2各功能模块的设计思想43

5.2.1位置检测模块43

5.2.2换相控制模块45

5.2.3A/D采样模块45

5.2.4双闭环控制模块47

5.3软件的可靠性设计49

5.3.1采用模块化程序设计方法49

5.3.2合理安排中断49

5.3.3程序“跑飞”与“死锁”的解脱50

第六章结束语51

参考文献52

致谢53

基于单片机的电动车速度控制系统研究

摘要

近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成了城市空气的严重污染。

于是发展绿色交通工具已成为一个重要的课题。

考虑到我国目前的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义。

而且灵活、轻巧、“零排放”、价格低廉等优点，将使电动自行车迅速得到普及。

随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的控制器发展迅速。

但是目前，市场上大多数的电动自行车产品均采用低集成度元件控制装置。

其缺点是功能过于简单，不能充分发挥系统的潜力及处理一些特殊的控制问题。

本课题采用ATMEL公司的单片机ATmega8作为控制芯片，兼顾成本与性能要求，做了以下方面的工作:

首先，在数学模型的基础上对系统动力源—无刷直流电机的特性进行了研究;

其次，根据单片机的特点详细设计了系统的控制策略:

将电流检测设计成分流电阻间接测流;将调速系统设计为电流、速度双闭环控制，以保证调速的精度和响应速度，并在软件中分别用PI算法来实现;对于速度的检测采用了“硬件软化”的思想;制定了电机“软起动”控制方案;采用了高性能的驱动集成电路IR2131S来驱动MOSFET组成的全桥逆变电路，驱动形式为单极性PWM调制;将PWM波的发生及系统保护等功能采用主控芯片集中处理，增加了系统的可靠性;

最后，依据控制策略设计了系统软、硬件，并讨论了可靠性设计问题;

由此得出结论:

本课题设计的基于单片机的电动车控制系统具有运行性能良好，可靠性高、升级换代容易的特点，为后续的研究工作提供了一定的基础。

关键词:

单片机控制系统无刷直流电机

StudyontheElectric-BikeControlSystemBasedon

theMicrocontroller

ABSTRACT

Inrecentyears,thewastegasfromthegasoline-automobileshascausedseverepollutionproblemsincities.So,it'smoreandmoreimportanttodevelopthesocalled"green-automobiles".

Consideringourcountry'sstatus,todeveloptheelectric-bikewillbehelpfultosolvethepollutionproblem.Withthevirtuesofflexibility,slimnessandzerowaste-gas,electro-bikeismoreandmorepopular.

Byenhancingthedriving-motortechnologyandpowerdevicestechnology,thecontrolsystemdevelopedquickly.Butnowadays,mostoftheelectric-bicycleproductsinthemarketsadaptlow-integrationdegreedevicesintheircontrolsystem.Theproblemisthatthefunctionofthesedevicesistoosimpletofullyutilizethesystem'spotentialandtosolvesomespecificbutmeaningfulcontrolquestions.Inthisproject,ATmega8anMCUproductofATMELcompanyhasbeenused.Theconsiderationbetweenlow-costandgood-controllingperformancehasbeenwellbalancedbychoosingthiscentral-controllingunit.Thefollowingworkshavebeenpresentedinthisproject.

Firstly,thecharacteristicofthesystem'sdrivingsource-theBrushless-DC-Motorhasbeenanalyzedbasedonthemathematicalmodel.

Furthermore,thecontrollingstrategyhasbeendesignedindetailbasedonthecharacteristicofMCU.Thispartincludesthefollowingworks.Thecurrentismeasuredindirectlybyusingashunt-resistor.Inordertoguaranteethevelocitymodulation'sprecisionandquick-response,adoubleclosed-loopcontrolforcurrentandvelocityhasbeenadoptedandthecontrolstrategyisrealizedbythesoftwareusingPIalgorithm.Tothemeasurementofthevelocity,ahardware-softeningmethodhasbeenadoptedandthemotor'ssoft-startingmethodhasbeendesigned.InordertodrivetheMOSEFETfull-bridgerectifyingcircuit,thehigh-performancedriving-ICIR2131ShasbeenusedandPWMdrivingstrategyhasbeenadopted.ThePWMwave'scontrollingandthesystemprotectionissuesareintegratedintothecentralcontrollingunit.Thishelpstoincreasethereliabilityofthewholesystem.

Atthelast,thewholesystem'shardwareandsoftwarehavebeendesignedbasedonthesystem'scontrolstrategyandthereliable-designingquestionhasbeendiscussedinthepaper.

Fromtheworkwhichhasbeendoneinthisproject,theconclusioncanbedrawthattheelectric-bikecontrolsystembasedontheMCUhasthevirtuesofhigh-performance,high-reliabilityandeasytofurtherdeveloping.Thispaperpresentedanexperimentalbaseforthefutherresearch。

KEYWORDS:

MicrocontrollerControlsystemBrushless-DC-Motor

第一章绪论

1.1课题的研究背景及发展状况

1.1.1能源与环境问题

二十一世纪是“绿色环保”的世纪，环境保护和能源节约问题已成为新世纪最为突出的两大主题。

随着工业的发展，城市汽车数量急剧上升，石油资源严重匾乏。

研究表明，目前世界石油蕴藏量按照现在的消耗速度仅可供使用50到70年。

自1993年开始，我国已变为石油净进口国，2000年我国石油进口量为7000万吨，预计2005年后将超过1.5亿万吨。

近年来，石油价格猛涨，2004年，石油最高达到了每桶54.9美元。

而石油与国家安全密切相关，其作为一种战略物质大量进口则必然受制于人，该问题已引起各国的极大重视[1]。

再从环境角度讲，石油燃烧造成的大气污染日益严重。

在世界环境污染最为严重的十大城市中，我国就占了7个，形势的严峻可见一斑。

汽车排出的CO、H2S、NO2和微尘颗粒等，会对人类的身体健康造成危害;另外汽车排出的二氧化碳虽然对人体健康无害，但它造成的温室效应破坏大自然的生态平衡，对大气造成严重影响。

因此，这两大问题成为了“绿色交通工具”研究