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.ThespeedcontrolsystemofpermanentmagnetbrushlessDCmotorcontrolledbysinglechipmicroputercanbeappliedtotheoperationofelectricbicycleandothersmallpower.Andwillbeabletoreturntheexcesspower.Thesystemhastheadvantagesofgoodspeedperformance,highpowerfactor,energysaving,smallsize,lightweightandsoon.Inthispaper,fromthesystemrequirementsanalysis,thewholesystemisdividedintofourparts,analysisanddiscussionofthevariouspartsofthecircuitprinciple,controlstrategy,implementationmethod.ControlcircuitofeachpartofthesystemisbasedonthecontrolchipofIntelpany8051.AccordingtothepermanentmagnetcharacteristicsofBrushlessDCmotorPWMcontrolandthespeedsensorbyeightdigitaltubedynamicdisplayofspeed,togetherwiththehardwareandsoftwaretoachievethedesignrequirementsofthewholesystem.
Keywords:
singlechipmicroputerpermanentmagnetbrushlessDCmotordesign
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X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X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X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X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断用于控制程序转向。
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。
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。
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。
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。
下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图。
4.2永磁无刷直流电动机
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。
4.3三端式稳压器78L05的工作原理
三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。
在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压V1接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。
因此，必须用启动电路给恒流源的BJTT4、T5提供基极电流。
启动电路由T1、T2、DZ1组成。
当输入电压V1高于稳压管DZ1的稳定电压时，有电流通过T1、T2，使T3基极电位上升而导通，同时恒流源T4、T5也工作。
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相等的稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。
与此同时，T2因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路的联系，从而保证T2左边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源。
上图是应用78L05输出固定电压VO的典型电路图。
正常工作时，输入、输出电压差应大于2～3V。
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。
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的be结，造成调整管be结击穿而损坏。
三端稳压器的参数如下：
参数
单位
7805
输出电压X围
V
4.8~5.2
最大输入电压
V
35
最大输出电流
A
1.5
△V0（I0变化引起）
mV
100（I0=5mA~1.5A）
△V0（Vi变化引起）
mV
50（Vi=7~25V）
△V0（温度变化引起）
mV/℃
±0.6（I0=500mA）
器件压降（Vi-V0）
V
2~2.5（I0=lA）
偏置电流
mA
6
输出电阻
mΩ
17
输出噪声电压（10~100kHz）
μV
40
集成转速传感器具有灵敏度高、测量X围宽、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，是传统的分立式转速传感器的升级换代产品。
下面是KMI15系列磁阻式集成转速传感器的工作原理与典型应用。
转速属于常规电测参数。
测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的，亦可用耳塞机改装而成。
但这种传感器存在一些缺点：
第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙（亦称磁感应距离）只有零点几毫米；第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直的数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且外围电路比较复杂；第四，它无法测量非常低（接近于零）的转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。
目前，转速传感器正朝着高灵敏度、高可靠性和全集成化的方向发展。
ＫＭＩ１５－１芯片内含高性能磁钢、“磁敏电阻”传感器和ＩＣ。
它利用ＩＣ来完成信号变换功能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为７ｍＡ～１４ｍＡ。
由于其外围电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。
ＫＭＩ１５－１器件的测量X围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率X围是０～２５ｋＨｚ，而且即使在转动频率接近于零时，它也能够进行测量。
传感器与齿轮的最大磁感应距离为２．９ｍｍ（典型值），由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。
该传感器抗干扰能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。
另外，芯片内部还有电磁干扰（ＥＭＩ）滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素的影响。
ＫＭＩ１５－１的体积较小，其最大外形尺寸为８×６×２１ｍｍ，能可靠固定在齿轮附近。
ＫＭＩ１５采用＋１２Ｖ电源供电（典型值），最高不超过１６Ｖ。
工作温度X围宽达－４０～＋８５℃。
KMI15-1型集成转速传感器的外形如图１所示，它的两个引脚分别为ＵCC（接＋12V电源端）和Ｕ－（方波电流信号输出端）。
为使信号变换器ＩＣ处于较低的环境温度中，设计时专门将ＩＣ与传感元件分开，以改善传感器的高温工作性能。
其内部主要包括以下六部分：
“磁敏电阻传感器”；前置放大器A1；施密特触发器；开关控制式电流源；恒流源；电压控制器。
实际上，该传感器是由4只“磁敏电阻”构成的一个桥路，可固定在靠近齿轮的地方。
当齿轮沿Ｙ轴方向转动时，由于气隙处的磁力线发生变化，磁路中的磁阻也随之改变，从而可在传感器上产生电信号。
此外，该传感器具有很强的方向性，它对沿Ｙ轴转动的物体十分敏感，而对沿Ｚ轴方向的振动或抖动量很不敏感。
这正是测量转速所需要的。
工作时，传感器产生的电信号首先通过ＥＭＩ滤波器滤除高频电磁干扰，然后经过前置放大器，再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号ＵＫ，并将其加到开关控制式电流源的控制端。
KMI15-1的输出电流信号ＩCC是由两个电流叠加而成的，一个是由恒流源提供的7ｍA恒定电流ＩH，另一个是由开关控制式电流源输出的可变电流1K。
5.结束语
在系统的设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑抗干扰性能的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。
因此设计时从抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能等方面采取各种措施来提高系统性能。
在抗干扰设计中，软件抗干扰是被动措施，而硬件抗干扰是主动措施，只要认真分析系统所处环境的干扰来源以及传播途径，采用两者相结合的方法，就能保证系统长期稳定可靠地运行。
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致
本论文是在XXX老师的谆谆教诲和指导下完成的，论文从选题、构思到定稿无不渗透着导师的心血和汗水；教授渊博的知识和严谨的学风使我受益终身，在此表示深深的敬意和感谢。
我还要感谢含辛茹苦、任劳任怨、望子成龙、不图回报的父母的养育之恩，他们给予我的爱和支持让我顺利地完成了自己的学业。
最后，因本人水平有限，在文中难免有不足之处，恳请各位老师批评指正。
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