基于单片机的电动车速度控制系统研究.docx

1、基于单片机的电动车速度控制系统研究 目 录 摘要 IABSTRACT II第一章 绪论 11.1课题的研究背景及发展状况 11.1.1能源与环境问题 11.1.2电机控制技术的发展 21.1.3功率半导体器件与驱动电路的发展 21.1.4电机控制器的发展 31.1.5电机控制理论的发展 31.2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 62.1蓄电池特性分析 62.2电机特性分析 62.2.1稀土永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理 62.2.2无刷直流电机的数学模型分析 92.2.3电机的运行特性分析 112.2.4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

2、略研究 173.1控制系统的整体构成 173.2系统主要控制策略概述 183.2.1位置检测信号处理单元 183.2.2电流检测信号处理单元 183.2.3速度调节方案 193.2.4速度检测方案 223.2.5起动与换相控制方案 233.2.6蓄电池检测方案 243.2.7驱动、逆变电路控制方案 253.2.8故障检测与系统保护 263.3核心控制器件的选择 273.3.1单片机概述 273.3.2 Atmega8特性介绍 28第四章 系统硬件设计 304.1信号检测电路设计 304.1.1位置检测 304.1.2电流检测 314.1.3转子位置检测电路 324.2电机转速控制电路 324.

3、2.1测速电路 324.2.2换向调速电路 324.2.3速度检测 334.2.4速度给定环节 344.2.5系统软件控制 354.3三相全桥逆变电路及其功率驱动的设计 364.4 PWM波的控制单元 374.4.1PWM信号的产生 374.4.2 PWM波的输出控制 394.5电池电压检测单元 404.6系统硬件可靠性设计 404.6.1电源与集成芯片去藕 404.6.2隔离技术 414.6.3电磁兼容设计 41第五章 系统软件设计 425.1主程序的设计 425.2各功能模块的设计思想 435.2.1位置检测模块 435.2.2换相控制模块 455.2.3 A/D采样模块 455.2.4双

4、闭环控制模块 475.3软件的可靠性设计 495.3.1采用模块化程序设计方法 495.3.2合理安排中断 495.3.3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

5、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

6、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Study on the Electric-Bike Control System Based onthe MicrocontrollerABSTRACT In recent years, the waste gas from the gasoline-automobiles has

7、 caused severe pollution problems in cities. So, its more and more important to develop the so called green-automobiles. Considering our countrys status, to develop the electric-bike will be helpful to solve the pollution problem. With the virtues of flexibility, slimness and zero waste-gas, electro

8、-bike is more and more popular. By enhancing the driving-motor technology and power devices technology, the control system developed quickly. But nowadays, most of the electric-bicycle products in the markets adapt low-integration degree devices in their control system. The problem is that the funct

9、ion of these devices is too simple to fully utilize the systems potential and to solve some specific but meaningful control questions. In this project, ATmega8 an MCU product of ATMEL company has been used. The consideration between low-cost and good-controlling performance has been well balanced by

10、 choosing this central-controlling unit. The following works have been presented in this project. Firstly, the characteristic of the systems driving source-the Brushless-DC-Motor has been analyzed based on the mathematical model. Furthermore, the controlling strategy has been designed in detail base

11、d on the characteristic of MCU. This part includes the following works. The current is measured indirectly by using a shunt- resistor. In order to guarantee the velocity modulations precision and quick-response, a double closed-loop control for current and velocity has been adopted and the control s

12、trategy is realized by the software using PI algorithm. To the measurement of the velocity, a hardware-softening method has been adopted and the motors soft-starting method has been designed. In order to drive the MOSEFET full-bridge rectifying circuit, the high-performance driving-IC IR2131S has be

13、en used and PWM driving strategy has been adopted. The PWM waves controlling and the system protection issues are integrated into the central controlling unit. This helps to increase the reliability of the whole system. At the last, the whole systems hardware and software have been designed based on

14、 the systems control strategy and the reliable-designing question has been discussed in the paper. From the work which has been done in this project, the conclusion can be draw that the electric-bike control system based on the MCU has the virtues of high-performance, high-reliability and easy to fu

15、rther developing. This paper presented an experimental base for the futher research。KEY WORDS: Microcontroller Control system Brushless-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