电动自行车调速系统的设计毕业设计论文.docx

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电动自行车调速系统的设计毕业设计论文

论文题目：

电动自行车调速系统的设计

完成日期：

指导教师签字：

答辩小组成员签字：

摘要

随着科学技术的进步，人们生活水平得到普遍提高，人们对出行似乎也有了更高的要求,社会上相继出现了摩托车、小轿车等许多的燃油汽车，其排放的气体对城市空气造成严重污染。

面对当今世界的发展需要和社会的舆论，一些城市通过制定相关法规来限制燃油汽车的使用，进而减轻汽车尾气对空气的污染。

所以短距离绿色交通工具的研制已经逐渐成为当今世界的主流。

本文主要研究永磁无刷直流电机控制的电动自行车的调速系统，该调速系统主要从硬件的选择和设计、电路的设计和系统的程序设计等方面进行设计，该调速系统的基本原理是根据选择电动机的特性实施单向式开环PWM控制，并通过转速传感器测量转速，通过显示电路的控制，用八态数码管动态显示转速，通过软硬件的配合，实现整个系统的设计要求。

本次设计的核心是永磁无刷直流电机的选择。

永磁无刷直流电机的优势是该电动机用电子换向取代了机械换向，消除了传统电机的机械磨损同时增大调速范围。

关键词：

8051单片机；永磁无刷直流电动机；脉宽调速系统；转速传感器

ABSTRACT

 Withtheprogressofscienceandtechnology，people'slivingstandardshavegenerallyimproved，peopletravelseemstohavehigherrequirements，thecommunityhaveappearedinmotorcycles，carsandmanyotherfuelcars，theiremissionsofgasescausingseriousurbanairpollution，inthefaceoftoday'sworlddevelopmentneedsofsocietyandpublicopinion，someofthecitythroughthedevelopmentofrelevantlawsandregulationstorestricttheuseoffuelvehiclestoreducepollutionoftheair．Therefore，thedevelopmentofshort-distancegreentransporthasgradualbecomethemainstreamoftheworldtoday．

ThispaperstudiestheelectricbicyclespeedcontrolsystemofpermanentmagnetbrushlessDCmotorcontrol,thespeedcontrolsystemismainlybasicprinciplesofdesign，thespeedcontrolsystemhardwareselectionanddesign，circuitdesignandsystemprogramming，etc．Selectthemotoraccordingtothecharacteristicsoftheimplementationofone-wayopen-loopPWMcontrolandaspeedsensormeasuringspeedbythedisplaycontrolcircuit，withtheeight-statedigitaldynamicdisplayspeedbyhardwareandsoftwaretogethertoachievethedesignrequirementsofthesystem．ThecoredesignisthechoiceofpermanentmagnetbrushlessDCmotor．TheadvantagesofpermanentmagnetbrushlessDCmotorwhichiselectronicallycommutatedmotorsreplacemechanicalcommutation，eliminatesthetraditionalmechanicalwearofthemotorandaverywidespeedrange．

Keywords:

8051；permanentmagnetbrushlessDCmotor；PWMspeedcontrolsystems；speedsensors

1.概述

1.1电动自行车的发展现状

当今世界，面对全球经济的可持续发展，人们迫切希望能够找到一种既能有效利用资源又不污染环境的交通工具。

电动自行车是一种运用可回收能源进行提供动力，又不会排放尾气的交通工具。

因为其独特的设计原理，不仅能够保证人们的出行方便，又顺应了当今世界的需求。

所以电动自行车的研制越来越紧迫。

电动自行车作为一种绿色环保的短距离交通工具，很快就顺应当今世界的发展潮流，它在人们的日常生活中越来越受到人们的喜爱。

现代电动自行车的研制过程极其复杂，它是运用电工电子技术和机械设计等多种方法而制成的综合产品。

目前电动自行车中最常用的电动机是有刷直流电动机。

电动机的种类有很多，例如感应电动机和永磁无刷电动机等[1]。

下面从国内和国外两个方面分别介绍其发展现状。

国内方面：

电动自行车产业的出现已经有了十多年的历史，在这十多年里我国电动自行车产业也得到了迅速发展，按照南北地区的气候存在很大差异，根据差异在电动自行车行业内基本形成了以江苏无锡、浙江、天津、山东、河南、安徽等电动车制造的产业聚集地。

从生产规模的大小来看，主要分为简易款和豪华款，一款是以四大直辖市之一的天津为领头羊，主要以简易款电动自行车作为它们生产制造的核心；另一款以制造豪华款为主的江苏无锡、常州则成为重要的产业制造基地。

然而，在我国电动自行车快速增长的同时，也面临着制造行业出现的一系列问题，大部分企业仍然把重点放在低端产品上，同时仍停留在价格战的时代。

他们这些企业为了追求自己的利益，经常用一些劣质产品来服务于消费者，最终使得电动车制造技术止步不前。

另外企业在电动自行车生产的过程中仍然存在很多问题，行业标准不一、电池安全性不高、城市限制政策等因素都在影响着电动自行车产业的健康发展。

国外方面：

海外电动自行车的发展虽然没有我国的时间长，但自从电动自行车出现

之后，也在迅猛发展。

国外最早出现电动车的国家要数日本，日本拥有生产电动自行车水平的最先进技术，随着电动自行车产业的不断兴起，这一产业也很快传入了德国等欧洲一些发达国家。

近几年，电动自行车才传入了美国，美国的技术虽不是最好，但我们要清楚在经济上美国是霸主的地位不会轻易改变。

由于能源的过度利用和清洁能源的匮乏，各个国家对新能源产业的推进步伐加快，另外绿色、环保、低碳经济成为当今世界的发展方向，所以原来传统电动自行车的设计技术需要转变，要逐渐向世界主题靠拢，所以在未来的5年之内，电动自行车将成为全世界的热门产业。

总体来看，世界的自行车产业形成三大格局，欧洲市场最为成熟，充当世界电动自行车产业的领头羊，日本次之，美国还有待开发。

1.2研究的目的和意义

电动自行车调速系统的设计实际上是对电动机进行选择和设计，所以电机的选择成为本次课题的关键。

现在有刷直流电动机的使用非常广泛，几乎应用于机械产品的各个方面。

有刷直流电机内部带有霍尔传感器，霍尔元件是通过信号的转换可以将转速信号反馈出来。

而现在我的论文设计选用的是永磁无刷直流电机，之所以选择永磁无刷直流电机因为它通过电子换向取代了机械换向，采用电子换向永远消除了机械磨损，更进一步能提高电动机的使用寿命。

1.3电动自行车对电机的基本要求

（一）基本要求

（1）电动自行车所使用的电动机应具有比较大的瞬时功率大，能够承载较大载荷，能够方便快捷进行加速和减速，同时还要有较长的使用寿命。

（2）电动自行车所用电动机应具有宽广的调速范围，必须满足两个基本要求：

在恒转矩区，因为起步和爬坡时需要较大动力才能实现，所以要求在低速行驶时具有较大转矩；在恒功率区，当电动自行车在平坦道路上行驶时，虽然只要较低转速就可完成但又必须保证具有高的转速。

（3）电动自行车所用电动机应能够在车遇到紧急情况下，可以通过无刷直流电机实现再生制动，这种再生制动功能进一步减少了交通事故的发生，另外将回收多余的电能反馈给蓄电池，使得能量能够得到充分利用。

（二）基本性能

永磁无刷直流电动机是一种高性能且运用很广的电动机，它的转子采用永磁体材料制成，永磁材料的特性使得该电动机没有励磁损耗；发热的电枢绕组又装在外面的定子上，电枢发热时热量也容易散去。

此外，它的转速可以根据我们选择的电机轴承进行调节，如果采用磁悬浮轴承，它的转速甚至每分钟可以达到几万转到几十万转；如果采用普通的轴承，转速可能每分钟只能达到几百转。

1.4无刷直流电动机在电动自行车上的应用

随着时代的发展，人们对电动自行车的要求也越来越高，因此一些人性化的设计相继浮出水面。

由以前的手动调速已经逐步向电子调速的方向转变，这种转变的关键是永磁无刷直流电机的广泛运用，是因为它与传统的有刷直流电动机相比有如下两方面的优势。

（1）寿命长、免维修、可靠性高。

在有刷直流电动机中，通常是用手动调速和换向，一旦遇到地面有坑洼的地段就需要较高转速来提供更大动力，这种情况下电刷和换向器磨损较快，所以其使用寿命也不会太长，因此工作一段时间就需要更换电刷和换向器。

因此无刷直流电机的优势远远大于有刷直流电动机[2]。

（2）效率高、节能。

一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的磨损和调速电路的损耗，效率一般可高于85%，但在实际设计中，一般都会要求用最低价格做出最好的产品，同时也要减少材料消耗，一般设计为76%。

而有刷直流电动机的效率由于机械换向的磨损和离合器的消耗，通常会低于70%。

2.硬件的选择和设计

本章主要介绍调速系统中硬件的选择和设计，首先应该对电动自行车的性能指标以及它们的决定因素进行了解，进而选择相应的元件。

电动自行车的第一大性能指标是动力特征性能，一般来讲是由电动机的功率决定动力，功率越大能够提供的功率也会越大；第二大性能指标是驾驶性能，而控制系统驾驶模式的技术决定其驾驶性能，最后的性能指标是车载能源性能，这一指标的好坏往往取决于电池的容量和储能的时间长短。

2.1单片机的选择和设计

众所周知，单片机的种类虽然很多，但是尤其以8051单片机的应用最为广泛。

它从软件到硬件都有一套完整的控制系统，而且还能进行逻辑运算，功能十分齐全，应用起来比较方便。

因此8051单片机成为本次设计的最佳选择。

8051单片机内部结构如图2-1所示：

图2-18051单片机内部结构

8051单片机的结构非常复杂，它的内部结构主要包括七大单元和三大数据总线，下面我们对单片机的内部结构分别加以说明：

（一）七大单元

（1）中央处理器

中央处理器又称CPU,是整个单片机的核心部分，它主要是处理8位二进制数据，还能对整个单元系统的所有数据进行指挥和调度，同时还能进行算术、逻辑运算和控制输入输出。

（2）数据存储器

8051内部共有256个存储单元，其中128个存储单元用来存放用户数据，这些数据都是可以读写的数据，当然了该存储单元还可用来存储运算的中间结果；另外的128个储存单元则被专用寄存器占用，专用的寄存器只能用于存放控制指令数据。

（3）程序存储器

8051共有4096个8位程序存储器，用于存放用户程序，原始数据和表格。

（4）定时计数器

8051有两个16位的可编程定时计数器，以实现定时或计数功能，另外输入的脉冲信号所产生中断可以用于控制程序转向。

（5）并行输入输出口

8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的输入和输出。

（6）全双工串行口

8051内置一个全双工串行通信口，用于与其他设备间串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当作同步移位器使用。

（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。

（8）时钟电路

8051内置的时钟电路，最高频率期可达到12MHZ，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机内部时钟电路的运行需要外置振荡电路。

2.2A/D转换芯片的选择和设计

从工作原理上讲，A/D转换芯片有多种类型，但ADC0809芯片转换速度快，转换时间固定且不随输入信号的变化而变化，所以采取逐次逼近型的ADC0809芯片。

ADC0809内部结构如图2-2所示：

STARKCLK

　INO　　　　　　　　　　　D7~D0

IN7

C

B

A+VREF-VREFOE

ALEEOC

图2-2ADC0809内部结构

ADC0809芯片是一种目前应用比较广泛的模数转换芯片，它又叫8位逐次逼近型模数转换器，可以和8051单片机直接连接使用，虽然它只有8个输入信号的通道，但是可以分时对8个通道的输入信号进行模数转换。

2.3电动机的选择和设计

现在有刷直流电机在电动自行车上的应用越来越普遍，由于传统的直流电机内部有碳刷和换向器，会造成机械磨损等不良影响，所以采用永磁无刷直流电机，通过电子换向代替机械换向，从而减少机械磨损，同时也提高了调速范围。

所以我在设计中选择永磁无刷直流电机。

永磁无刷直流电动机由两部分组成，第一部分是电动机主体，该电动机是由永磁体材料制成的，它的定子绕组采用三相对称的星型接法，该种接法正好与三相异步电动

机的接法相似，有时候我们在使用过程中可能会碰到需要判断电动机转子的极性，我们不需要将电动机拆卸来检测这样麻烦，只需要通过电动机内装有的测量位置的传感器来判断即可。

第二部分是驱动器，驱动器相当于我们生活中的电子开关一样，它是通过接受电动机的启动和制动信号，然后将接收到的信号进行转化一系列指令来控制电动机的启动和停止，另外，它同样可以实现电动机的制动功能。

无刷直流电动机的原理简图如图2-3所示:

图2-3无刷直流电动机原理简图

永磁体的南极和北极来回摆动进行不断变化，将会产生磁场，周围的磁感线通过位置的传感器将会产生互成120度的信号波，再结合系统传过来的正反转信号可产生六种不同状态的编码信号，通过具有逻辑功能的组件处理产生六种不同状态的信号，都会使得这六种状态依次导通。

无论在任何正常的状态下，任何一个三相绕组的定子中只有两相绕组能够通电，每两相绕组通电都会使得定子变成不同状态，不同的状态就会不断的切割磁感线，进而形成变化的磁场，定子绕组便会在磁场的作用下受到磁场力的作用，在原来空间位置的基础上转动60度，同时转子跟随定子磁场在磁场力的作用下也会转过60度空间位置，转子得到一个新位置后使的测量位置的传感器U、V、W按照程序定产生一组新的编码信号，新的编码信号又将变换功率管的导通形式，使定子产生的磁场轴再向前前进60度，如此往复下去，无刷直流电动机的不断转动就形成了连续转矩，当这些转矩作用于不同的负载，将会拖动负载连续转动。

2.4稳压器的选择和设计

现在稳压器的种类有很多，因为需要8位输入数据且需要各种保护电路，所以选择74LS164稳压器来实现这一功能。

三端式稳压器由四部分成，由于这四部分的工作原理比较复杂，下面分别介绍这四个部分。

电路如图2-4所示：

图2-4电路图

（一）启动电路

在集成稳压器中，经常采用许多恒流源，当输入电压V1接通后，由于这些恒流源的电压不能满足其导通的条件，而这些恒流源很难在自己的电流下自行导通，所以要想通过这些恒流源来建立输出电压是很困难的。

任何稳压器要想正常工作必须达到它的启动电压，因为这些恒流源不能建立输出电压，所以我们要提高输入电压，当输入电压V1高于稳压管Dz1的稳定电压时，就会达到需要的启动电压，电流通过T1、T2，使T3基极电位上升而导通，同时恒流源T4、T5也达到自己的正常工作的电流，T4的集

电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压，当DZ2达到和DZ1一样的电压值时，就会达到正常工作的启动电流，此时整个电路就会正常工作。

与此同时，T2两端的电压为零，切断了启动电路与放大电路之间的联系，这样当T2左边出现噪声时，也不会影响基准电压源。

（二）基准电压电路

基准电压电路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2组成，电路中的基准电压为：

VREF=[（VZ2—3VBE）/（R1+R2+R3）]×R1+2RBE对于电路的设计，在通入启动电流时，往往会伴随一些温度的变化，这样就会影响某个元件的正常工作。

因此在基极电压电路的设计中，往往会运用一些可以调节温度变化的器件，如图中所示，具有正温度系数的R1、R2、DZ2形成的高温可以对具有负温度系数的T3、D1、D2发射结形成的低温互相中和，可使可以正常工作的基准电压VREF基本上不受温度的影响。

同时，对稳压管DZ2采用恒定电流的电源供电，由于使用恒定电流的电源供电，就会使得输入电压不会发生波动，这样基准电流就不会发生变化，从而保证了整个电路的顺利进行。

（三）取样比较放大电路

这部分电路由T4~T11组成，其中T10、T11组成复合调整管；R12、R13组成复合取样电路；T7、T8和T6组成带恒流源的差分放大电路；T4、T5组成的电流源作为它的有源负载。

T9、R9的作用如下：

如果没有T9、R9，恒流源管T5的电流Ic5=Ic8+IBID,当调整管满载时IBIO最大，而Ic8最小；当负载开路时I0=0，IBID也趋于零，这时Ic5几乎全部流入I8，使得Ic8的变化范围大，这对比较放大电路来说是不允许的，为此接入由T9、R9组成的缓冲电路。

（四）减流式保护电路

减流式保护电路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4组成，R11为检流电阻。

保护的目的主要是使调整管不超过其最大工作电流，使其能在安全区以内正常工作，这种限流保护电路的不足之处是只对输出电流有所限制，能将输出电流限制在额定值以内。

但是这种保护电路却忽略了电压的影响。

因此我们在对减压式保护电路的设计时，既考虑它的电流又要考虑它的管压降值，只有双管齐下，才能完成对该保护电路的完整设计，才能对整个电路进行全面保护。

（五）过热保护电路

过热保护电路由DZ2、T3、T14和T13组成。

在常温时，R3上的压降仅为0.4V左右，T14、T13是截止的，对电路工作没有影响。

当过载或环境升温使芯片的温度上升到某一极限值时,R3上的压降随DZ2的工作电压升高而升高，而T11的发射结电压VBE14下降，导致T14导通，T13也随之导通。

调整管T10的基极电流IBI0被T13分流，输出电流I0下降，从而达到过热保护的目的。

2.5转速传感器的选择和设计

集成转速传感器的种类有很多，但KMI15-1转速传感器调节范围比较广，可根据不同的转速传感器来设计电动自行车的调速范围，另外对外界的影响变化不大，面对外界的突发事件，可以灵活的处理。

所以我选择KMI15-1转速传感器[3]。

下面我们来介绍KMI15-1系列磁阻式集成转速传感器的工作原理。

KMI15-1的工作原理

该传感器的简化电路如图所示，其内部主要包括以下六部分：

磁敏电阻传感器；前置放大器；斯密特触发器；开关控制式电源；恒流源；电压控制器。

该传感器的简化电路和测量原理如图2-5和图2-6所示：

图2-5传感器简化电路

图2-6测量电路

由于右端的磁钢与左端的齿轮相对，在这两者之间会不断有磁感线穿过，当齿轮沿着Y转动时，齿轮与传感器之间间的磁感线会不断的增加或减少，相应的齿轮对磁钢的磁阻作用也在不断地增强或减弱，这种变化可在传感器上产生电信号[4]。

此外，该传感器对磁感线的方向识别能力很灵敏，它只对沿Y轴转动的磁感线情有独钟，而对沿Z轴方向的磁感线振动量视而不见。

正是它的这种特性能够满足测量的需要。

工作时，传感器产生的电信号错综复杂，首先通过EMI滤波器进行过滤，如果检测的信号是高频信号，可以滤去高频信号对该电路的干扰，如果检测的信号是低频信号，则会经过A1前置放大器进行放大，将放大后的低频信号利用斯密特触发器进行整形，进一步获得可利用的控制信号UK，并将其加到由开关的开断来控制电流源的通断的控制端。

2.6译码器的选择和设计

译码器是实现组合逻辑的功能部件。

它的作用是把输入的二进制的代码通过转化翻译变成相应的状态，输出的则是一组高低信号，每输入一组不同代码，则输出端只有一个呈现有效信号，其他输出端则不显示有效信号。

译码器不仅能够用于代码的转换，还可将数据进行分配和对组合控制信号的转换。

不同的功能可以不同种类的译码器。

我们根据该系统的功能选择74LS164译码器。

74LS164为串行移位译码器，它主要由时钟线控制，时钟线每输入一个高电平的脉冲信号，数据线将会向里移动一位数进去，通过高低电频的转换，当出现8次数据线移动时就一进去一个字节，相应的可在数码管上显示出来。

译码器是可以同时进行多次输入和输出，还可以实现多种逻辑组合的程序运算。

它的工作原理是通过输入二进制的代码，通过A/D转换器转化输出一组高低电平信号，当输入端输入一组不同代码，则所有输出端只有一个呈现有效信号，其他输出端则不显示有效信号。

74LS164的工作原理如表2-1：

表2-174LS164工作原理

允许

方向控制

操作

低电平

低电平

B数据到A数据线

低电平

高电平

A数据线到B数据线

高电平

悬空

隔离

3.电路设计

调速系统控制电路主要有四部分组成，由于这四部分的设计过程较为复杂，下面我们分别对这四个部分进行详细介绍。

3.1电源电路的设计

稳压电源电路中的不同元件需要的电源大小是不同的，直流电机需要24V的直流电源，而单片机所需电源则需要将24V的经过三端稳压器74L05降压输出+5V的电源。

电路中一般会接入两种不同种类的电容C1、C2来进行频率补偿的，三端稳压器产生高频振荡而影响正常的工作，同时也可抑制电路中因外界因素而引入的高频干扰。

大容量的C3是电解电容，以减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频率的干扰[5]。

电路图3-1如图所示：

图3-1电源电路图

3.2显示电路的设计

显示部分采用单片机单口进行显示，这样可以节省单片机的输出端口，单片机是用高电平的信号来进行中断显示[6]。

如果显示结果由三位代码组成，则该代码表示直流电机的中断显示。

驱动器采用74LS164串接510欧姆的限流电阻。

3.3控制电路的设计

打开系统电源后是通过电位器来控制电动机转速，ADDC0809内部电路便能把输入的模拟电压信号进行传输，当这些信号被后送入A/D转换器进行转换，我们则会根据转换后的输出信号的电平高低进行控制。

若此时输出的信号使得单片机处于高电平，则ADC0809便开始进行A/D转换，当转换完成时，ADC0809就会把转换后的数据送入它的三端输出缓冲器[7]。

若此时输出的信号使得