畢業(yè)設計（論文）-電動助力車電機驅動系統(tǒng)設計.docx

編號： 畢業(yè)設計說明書題 目：_ 電動助力車電機驅動 _ 系統(tǒng)設計 學 院： 機電工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學生姓名： 學 號： 指導教師： 職 稱： 題目類型：理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā)2016 年 6 月 3 日桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 III 頁摘 要電動助力車在當前石油資源短缺和環(huán)境污染的加劇的情況下，作為一種理想的“綠色”代步工具，其發(fā)展收到了人們的重視。電動助力車因其廉價、無污染、噪音低、操作簡單等特點，儼然成為人們出行的優(yōu)選。目前的電動助力車大多采用直流電機作為動力，其操作性和可靠性的優(yōu)劣與電機驅動系統(tǒng)密切相關。本課題詳細介紹了電動助力車的電機驅動原理和霍爾傳感器，以及STC公司的STC12C5A60S2單片機的性能和特點，并設計以STC12C5A60S2單片機控制模塊為核心，由單片機控制電機驅動和操縱系統(tǒng)。該系統(tǒng)電機設計功能齊備、使用方便、經濟實用、工作可靠、檢測速度快、容易做到實時控制轉速，并顯示轉速。本課題的研究內容主要有一下幾個方面：（1） 介紹了電動助力車電機驅動的相關技術，分析利用單片機對直流電機進行控制的基本原理，分析利用傳感器技術進行轉速測量的方法；闡述電動助力車電機驅動系統(tǒng)的設計方案。（2） 完成系統(tǒng)的硬件電路的設計，包括電機驅動電路與轉速采集電路以及調速電路的設計，單片機控制模塊的設計與顯示電路的設計。（3） 編寫系統(tǒng)軟件程序并對各個模塊進行調試。制作硬件樣機，并進行系統(tǒng)性能的分析。關鍵詞：單片機；電機驅動；PWM調速；LCD顯示；轉速測量全套設計加扣3012250582AbstractIn the case of oil resource shortages and environmental pollution, electric bicycle as a green means of transport is received much attention. Because of its cheap, pollution-free, low noise, easy operation and so on, electric bicycle seems to have become the preferred. At present mostly used DC motor for electric bicycle as the driving force, the quality of motor drive system operation and reliability are closely related.This subject introduces the electric bicycle motor-driven principles and infrared and hall sensors, and the performance and characteristics of Atmel STC12C5A60S2 microcontroller, designed with STC12C5A60S2 microcontroller control module as the core, controlled by single-chip microcomputer drive and control system for motor. Motor function of the system is complete, easy to use, economical and practical, reliable, fast, easy real-time control speed, and speed is displayed. The contents of this subject are mainly the following aspects:(1) Described motor drive for electric bicycle-related technology; described on control of DC motor by using single-chip microcomputer principle; described on electric bicycle motor driven system design.(2) Described hardware design, including motor drive circuit and speed data acquisition circuits and speed control circuit design, and design of single-chip computer control module circuit design(3) Writing system software program and debug each module, produced a hardware prototype, and analysis performance for the system.Key Words: MCU; Motor drive; PWM speed control; LCD display; speed measurement桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 目錄目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 課題背景，目的和意義11.2 直流電機驅動系統(tǒng)的現(xiàn)狀21.3 直流電機驅動技術的發(fā)展方向21.4 本章小結32 直流電機驅動系統(tǒng)42.1 直流電動機42.2 PWM控制技術42.2.1PWM脈寬調制技術42.2.2PWM脈寬調制原理52.3 直流電機PWM調速的基本原理52.3.1直流電機基本工作原理52.3.2PWM電機調速原理62.3.3采用PWM控制的電機調速方法72.4 直流電機調速的PID算法72.5 總體方案設計72.6 本章小結83 硬件系統(tǒng)設計93.1 單片機最小系統(tǒng)93.1.1單片機系統(tǒng)概述93.1.2單片機STC12C5A60S293.1.3復位電路和時鐘電路113.2 供電電路123.3 顯示電路133.4 電機驅動電路143.4.1L298電機驅動模塊143.4.2光電隔離保護電路163.5 轉速測量模塊183.6 按鍵控制電路193.7 本章小結204 系統(tǒng)軟件設計214.1 主程序設計214.2 PID算法子程序214.3 LCD顯示子程序224.4 本章小結225 硬件制作和調試235.1 硬件制作過程235.2 硬件調試235.3 本章小結246 結論25致 謝26參考文獻27附錄一 基于單片機電動助力車電機驅動系統(tǒng)電原理圖28附錄二 基于單片機電動助力車電機驅動系統(tǒng)PCB圖29附錄三 基于單片機電動助力車電機驅動系統(tǒng)C語言源程序30附錄四 元件清單34桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 36 頁 共35頁1 緒論1.1 課題背景，目的和意義近年來，作為一種新型的“綠色”代步工具電動助力車正逐漸興起。隨著全國城市地區(qū)面積日益擴大，使得人們的出行活動區(qū)域更加寬闊，那么使用自行車作為騎行工具就比較費力，尤其是路途較遠的地方，再加上可能會遇到頂風、爬坡的狀況。由于當前我國居民的收入普遍不高，汽車普及各個家庭還不太現(xiàn)實，況且還有燃料、環(huán)保以及停車場地等諸多方面因素的制約，汽車都難以成為大多數(shù)人用得上代步工具。雖然摩托車現(xiàn)在仍是許多地方比較常見的交通工具，但由于駕駛摩托車易引發(fā)交通事故和摩托車尾氣造成的許多城市的環(huán)境污染，所以近幾年來，一些大中城市都出臺了相應了交規(guī)法規(guī)來限制摩托車的駕駛。伴隨現(xiàn)代文明的發(fā)展，科學技術的進步，人們環(huán)保意識的提高，不污染環(huán)境、噪音影響小、使用簡單、速度較為合適的居民交通代步工具電動助力車，作為一種理想的“綠色”交通工具，為人們出行活動帶來了便利。而且電動助力車集普通自行車和摩托車各優(yōu)勢于一身：輕巧便利、綠色無污染、噪聲低且價格相對便宜，無疑是解決城市居民日常代步的重要發(fā)展方向。無刷直流電機是現(xiàn)在比較廣泛應用的作為眾多機械設備驅動的電機，目前市面上的電動助力車大多數(shù)采用這種電機作為動力源。無刷直流電機指在電機結構中不存在機械電刷及換向器的電機，它的原理是通過自身換向而不用電刷和換向器。因為有刷直流電機的電刷產生的環(huán)流而使得電刷摩擦造成損壞，容易產生火花且引發(fā)噪聲，對周圍環(huán)境帶來了惡劣的影響，而無刷直流電機能明顯改善這些缺陷，同時具備有刷直流電機很多優(yōu)點。無刷直流電機回饋系統(tǒng)簡易，功率密度足夠大，擁有足夠大的負載轉矩，操作起來更加人性化；對沖擊負載有更大的承載能力，能多次無級迅速起動、制動和反轉；讓電機和逆變器能發(fā)揮本身的機能，并且調速性能優(yōu)秀、容量小、慣性力矩小、質量低，不會有勵磁損耗，能適應自動化生產過中各種不同情況的操作要求。交流電機的諸多優(yōu)點在無刷直流電機中得到體現(xiàn)，如構成比較簡易、能安全穩(wěn)定地運行、定期維修保養(yǎng)便利等。同時不會造成因為換向器和機械電刷的存在使得有刷直流電機所帶來的不良影響，如刺耳噪聲、摩擦電火花、電波擾動以及壽命短等，且制造成本不高，電機維修簡單方便。電動助力車的電機驅動系統(tǒng)的主要功能是對電機進行調速控制，讓助力車能獲得穩(wěn)定的速度和方便靈活的控制。隨著現(xiàn)代科學技術的提高，以及制造工藝的要求，通過調節(jié)電樞回路中的電阻大小來進行調速、改變電壓高低調速等技術已經跟不上當前時代的需求。那么這時候，以PWM方式控制直流電機調速的方法由此而生。使用PWM控制技術后，模擬電路不易隨時間飄移，減少一些不必要的熱量損耗，以及降低噪聲等，實現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號，能大幅降低成本以及功耗。隨著我國經濟和生產事業(yè)的發(fā)展，在諸多情況下，都需要用直流電機PWM調速系統(tǒng)來進行調速，而PWM調速系統(tǒng)不用過多的元器件、系統(tǒng)組成精簡、操縱隨性、可調范圍大和使用期限長等，因此在多個領域受到了廣泛應用。1.2 直流電機驅動系統(tǒng)的現(xiàn)狀目前直流電機驅動的方法主要有以下幾種：第一：在早期的調速系統(tǒng)中，一般選擇的供電方式為直流電壓，改變電樞回路的阻值來調節(jié)直流電機的轉速。這種控制電路較為簡單，操縱簡便，開發(fā)和制造難度不高。然而這種方法調速精確性較低，轉速控制偏差較大。第二：發(fā)電機電動機調速，這種驅動方法是通過閘流管，電機放大器和電磁放大器實現(xiàn)的，因而在調速時有良好的性能，不存在初期調速系統(tǒng)中調速不精確以及調速過程不穩(wěn)定的缺點。然而，在該系統(tǒng)中電力設備，電子元器件繁多，線路連接太過繁瑣，致使空間占用過大，增加成本。第三：汞漿變流器為核心的調速系統(tǒng)，該方式能顯著提升調速性能，而且調速精確性高，響應迅速。但這種調速方式也并不完美，由于該系統(tǒng)是基于汞漿變流器的，所以變流器中含有的汞極易揮發(fā)對人的身體造成不良影響。從前幾年開始，PWM驅動控制技術作為新型的控制技術發(fā)展迅猛，使直流電機的控制技術在應用上有更廣闊的前景。在半導體中直流電壓是可以隨其通斷來改變的，當半導體的開關處于開通狀態(tài)時，直流電壓為高電平；當半導體的開關為斷開狀態(tài)時，直流電壓變成低電平。簡單來說，利用半導體的特性來控制直流電壓的輸出就是PWM技術簡要應用。直流電壓信號隨著半導體開關的通斷時間的變化而呈現(xiàn)脈寬或是頻率的形式，以此來改變并輸出平均直流電壓值。近代以來許多有關直流電機控制的各種技術發(fā)展日益成熟，在微處理器的選擇上具有重大意義，采用單片機控制有很大趨勢。在直流電機控制中，使用單片機來發(fā)生PWM脈沖信號，在邏輯電路的控制上有深遠意義。單片機體積和重量都很小，比較容易操控而且成本也十分低廉，而且在程序開發(fā)中編程語言實現(xiàn)的難度不高，所以在直流電機調速系統(tǒng)中，通常選擇單片機作為微控制器。在PWM調速控制下，有諸多優(yōu)點：直流電機驅動系統(tǒng)能源消耗顯著降低，工作性能穩(wěn)定效率明顯，因此更多的研究的熱點朝直流電機控制方向發(fā)展。1.3 直流電機驅動技術的發(fā)展方向近年來，電力電子、自動控制、微處理器等發(fā)展快速的新型技術越來越多應用到了直流電機驅動技術中去。精度高、響應快、穩(wěn)定性好、成本低、能耗小等成為直流電機驅動技術發(fā)展的新要求。電機分為同步電機和異步電機。同步電機調速有調極和調頻兩種，然而它們的缺點也尤為突出：調極方式調速不平滑，調速不夠穩(wěn)定；調頻方式調速范圍小，電機工作電壓限制在很小范圍，只能為單一功率設備提供動力。異步電機調速有變極調速和交流變頻調速兩種。交流變頻調速是利用晶閘管對三相電壓變流，輸出類似正弦波的電壓，是電機獲得類似正弦波變化的電壓，從而實現(xiàn)調速3。變極調速設備簡易、操作難度低，但無法平滑穩(wěn)定調速；交流變頻調速能實現(xiàn)平滑調速，但是設備龐雜，價格昂貴。而PWM驅動方式不會出現(xiàn)上述調速方法的缺點，該驅動方式調速范圍很寬、能趨于線性平滑穩(wěn)定地調速、調速響應回饋及時迅速。采用微處理器能對電動機驅動系統(tǒng)進行自我調控，可以說促進了電氣自動化發(fā)展。而且在電動自行車市場經濟上有不少的優(yōu)勢，由于整個調速系統(tǒng)體積小、結構簡單，這樣不會很笨重。而且可靠性高、操作維護方便，便于長期使用和保養(yǎng)。電動機穩(wěn)態(tài)運轉時轉速精度可達到較高水平，這樣人在騎行的時候就會感到十分平穩(wěn)，在普及上有廣闊的市場前景。1.4 本章小結本章為本文的開篇總括描述，主要介紹了本課題的背景、目的以及意義，介紹了直流電機調速系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及直流電機調速技術的發(fā)展方向。闡述了利用PWM調速技術作為電動助力車電機驅動系統(tǒng)的調速控制手段的優(yōu)越性。為下文的具體研究做了充分的鋪墊。2 直流電機驅動系統(tǒng)2.1 直流電動機電動助力車的動力源采用的是直流電機，是一種能將直流電能轉換為機械能的轉動裝置。電動機的定子部分用來產生磁場，固定機身的作用，直流電源向電樞的繞組提供電流，換向器使電樞電流和電磁形成的轉矩方向維持不變。直流電動機又分為兩類：一類是有刷直流電動機，另一類是無刷直流電動機。主要是根據(jù)是否配置有機械電刷和換向器來判斷。以差異的供電方式來劃分的話，無刷直流電機可分為兩類：方波無刷直流電動機和正弦波無刷直流電動機。第一類電動機，其反電動勢和供電電流均由矩形波來提供，正因如此這類電動機也被叫做矩形波永磁同步電動機；而第二類電動機，其反電動勢和供電電流這兩種波形都由正弦波來支持。最近，隨著微處理器、自動化技術、電力電子等技術的大力發(fā)展還有高開關頻率、大功率低功耗的電力電子元器件的普及，和高磁能級、成本更低的新永磁材料的出現(xiàn)，使無刷電動機處于理想的發(fā)展環(huán)境。現(xiàn)在，無刷直流電動機已不僅單純地能進行電子換向，還包含有刷直流電機負載特征。目前無刷直流電機已經十分成熟，調速特性經過多年的改良變得很完善，并且無滑動接觸，換向時不會產生火花，操作更為安全，使用期限長噪聲低等優(yōu)點，因而在各個相關領域都獲得了廣泛的應用。不僅是應用在最初的軍事工業(yè)上，在現(xiàn)代中的數(shù)控機床、機械重工、醫(yī)療設備、航天航空、電動汽車、工業(yè)自動化領域和家用電器等方面都迅速發(fā)展。因而在電動助力車的驅動系統(tǒng)中，直流電機是一種不錯的選擇。2.2 PWM控制技術2.2.1PWM脈寬調制技術驅動電路是調速電路的重要組成部分，電機調速系統(tǒng)采用微機完成數(shù)字化控制。脈沖寬度調制（PWM）技術與開關功率電路已是電氣傳動中的潮流，多年之間，直流電機以其良好的線性特性，出眾的調速范圍，低成本等優(yōu)點成為絕大部分調速控制系統(tǒng)和閉環(huán)位置式系統(tǒng)的優(yōu)先選用。因此，基于PWM的直流電機調速技術在在現(xiàn)代電氣傳動系統(tǒng)中被廣泛運用，在電動助力車的驅動系統(tǒng)中也大多采用PWM技術。脈寬調制的全稱為脈沖寬度調制，英文名稱為Pulse Width Modulator，簡稱PWM，是一種利用微處理器來完成對模擬電路控制的一種技術。簡單的說，就是利用微處理器來調整一系列脈沖的寬度，輸出的波形是人們想要的形狀和幅值。這項技術運用簡單，靈活操作，響應敏感，這些特點使得人們在直流電動機控制中，經常使用這門技術進行調速。市場上有售賣的調速器大多數(shù)利用脈寬調制（PWM）原理制作的電機調速器。PWM調速器不僅在工業(yè)直流電機調速、工業(yè)傳送帶調速上十分普遍，在生活應用中如燈光照明調節(jié)、計算機電源散熱、直流電扇等也得到了廣泛的應用。由于PWM脈寬調制廣泛的適用性，為了適應時代發(fā)展的潮流，電動助力車的驅動系統(tǒng)同樣也采用PWM控制技術。2.2.2PWM脈寬調制原理PWM脈寬調制，就是靠調節(jié)脈沖的寬度來輸出想要的電壓，通過改變脈沖的周期來控制其脈沖輸出的頻率。這樣，使調壓和調頻兩個作用能夠配合一致，避開中間與之不相關的直流環(huán)節(jié)，對加快調節(jié)的速度和改善動態(tài)性能方面有重要意義。脈寬調制的好處是從微處理器到受控制的系統(tǒng)全為數(shù)字式信號，因此不再需要通過A/D轉換，這樣信號會始終維持數(shù)字形式，克服模擬信號中噪聲的影響。相對于模擬控制，PWM抗噪能力更具優(yōu)勢，這也是在某些通信領域采用PWM的主要原因。簡而言之，PWM經濟性已得到足夠體現(xiàn)，不需要占用太多空間而且能明顯降低噪聲的影響，是一種值得開發(fā)并且在諸多應用設計中得到運用的技術。由于使用恒定直流電源提供電力就可以輸出等幅的脈沖，因此可用不可控整流器取代相控整流器，有效改善功率因數(shù)。2.3 直流電機PWM調速的基本原理2.3.1直流電機基本工作原理直流電機的工作原理通過圖2-1表示，從圖中我們可以看出，Ea為電機的電樞電動勢，其正方向與Ia電樞電流的方向相反；電磁轉矩T的正方向與轉速n的方向相同，是拖動轉矩；軸上的機械負載轉矩T2及空載轉矩T0均與n相反，是制動轉矩。圖2-1 直流電機的工作原理根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得出電樞電壓電動勢平衡方程式(2-1)： (2-1)式中，Ra為電樞回路電阻；Rc是外接在電樞回路中的調節(jié)電阻。直流電機的感應電動勢公式為： (2-2)式中，Ce為電動勢常數(shù)，是磁通量。由式(2-1)和式(2-2)得： (2-3)由式(2-3)可以看出，對于一個已經制造好的電機，有三種調節(jié)電機轉速的方法：調節(jié)電樞供電電壓U；改變磁通量；改變電樞回路外接電阻Rc。在一定范圍內無極平滑調速系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式最好。2.3.2PWM電機調速原理在PWM驅動控制的調速系統(tǒng)中，通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速4。也正是因為如此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。圖2-2 PWM信號的占空比如圖2-2所示，假如電機一直和電源接通時，電機的最高轉速為Vm，設占空比為D=t1/T，則電機的平均轉速為Vd=Vm*D,其中Vd指的是電機的平均轉速；Vm是指電機在接通電源時能達到的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上述公式可知，當我們改變占空比D=t1/T，就能獲得電機不同的平均速度Vd即轉速，這樣就實現(xiàn)到電機的調速。但嚴格來說，平均速度Vd與占空比D并非嚴格的線性關系。圖2-3 占空比與電機轉速的關系由圖2-3可以看出，轉速與占空比D的關系并非完整的線性（如圖2-2中的曲線），原因是電樞本身有內阻。但是對于普通直流電機來說內阻都較小，所以在一般非嚴格要求的應用中，在精度要求不高時可將兩者的關系近似的看成是線性關系。2.3.3采用PWM控制的電機調速方法基于單片機的電機調速由軟件來實現(xiàn)PWM，在PWM調速系統(tǒng)中，當電源電壓恒定時，占空比的大小決定著電機的電樞端電壓的平均值。所以通過改變占空比D的值可以改變電樞端電壓的平均值，從而達到調速的目的。改變占空比的值有三種方法：定頻調寬、調寬調頻、定頻調寬。前兩種方法在調速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，容易引發(fā)振蕩，因此常采用頂寬調寬法來改變占空比大小，從而改變直流電動機電樞兩端電壓5。采用定頻調寬方式能讓電動機穩(wěn)定的運轉，并且在單片機上用軟件實現(xiàn)產生PWM信號也比較方便。用定時器作為脈寬控制的定時方式，產生的脈沖寬度十分精確，誤差在幾個微秒內。2.4 直流電機調速的PID算法PID經典算法被廣泛應用在工業(yè)控制領域中，在直流電機驅動控制系統(tǒng)中PID算法也有至關重要的作用。直流電機的調速控制有開環(huán)和閉環(huán)控制，開環(huán)控制控制精度不高，穩(wěn)定性不足；與之相比，閉環(huán)控制性能大大提高，靜差率更小，調速范圍更寬。本系統(tǒng)采用位置式數(shù)字PID算法，其模型如圖2-4所示。圖2-4 位置式數(shù)字PID模型在單片機中要實現(xiàn)PID調節(jié)，需要利用位置傳感器輸出的脈沖信號來反應電機的轉速，與電機速度設定值比較從而得到速度偏差，偏差經過PID系統(tǒng)傳遞函數(shù)后轉化為單片機輸出PWM信號，來控制驅動電路，達到對電動機速度控制的目的。2.5 總體方案設計根據(jù)本課題系統(tǒng)設計的功能的要求，初步選定以下兩種設計方案。方案一：采用一塊單片機做系統(tǒng)主控芯片，輸出PWM控制信號，控制系統(tǒng)電機的驅動，通過按鍵來控制電機的加、減速，同時具有轉速測量和LCD顯示轉速的功能。方案二：采用兩塊單片機，其中一塊單獨作為電機驅動控制芯片，專門輸出PWM控制信號來控制電機的驅動；另一塊則作為系統(tǒng)的主控芯片，完成電機速度的按鍵設定、轉速測量、LCD顯示轉速，并向電機驅動控制系統(tǒng)提供設定值和測量值，設定PWM信號來控制轉速。在上述兩種設計方案中，方案一的優(yōu)點是系統(tǒng)硬件簡單，控制及時有效，功能完備，使用一塊單片機足以完成處理程序的任務，處理難度不大。而且在資源有限的情況下能節(jié)約成本，在日常設計和應用生產中比較具有性價比。方案二與方案一相比，硬件增加，在程序的設計上相對復雜，加大設計成本。雖然優(yōu)化了按鍵、顯示以及其它擴展功能，但是在能達成相同的要求下，使用最少的資源更佳。因此通過比較，本系統(tǒng)設計選擇方案一。單片機主控芯片采用那個51系列的STC12C5A60S2單片機，此單片機是一款國產的芯片，低功耗、廉價、工作性能穩(wěn)定各方面都極具性價比，使用以后可以簡化電路、簡化編程、節(jié)約成本，同時也是在我們學習的單片機課程設計中常使用的控制芯片。系統(tǒng)框圖如圖2-5所示：圖2-5 電機調速系統(tǒng)框圖系統(tǒng)通過獨立按鍵向單片機輸入控制指令，單片機在軟件控制下，通過定時不間斷地給電機驅動芯片發(fā)送占空比受數(shù)字PID算法控制的PWM信號，從而控制電機得電與失電，讓驅動電路完成直流電機的加速和減速控制。軟件采用定時中斷進行設計。當給單片機接通電源后，系統(tǒng)進入初始化狀態(tài)。當按動啟動按鈕后，可用加速和減速按鈕，增加或者減小高低電平時的設定值，從而獲得不同占空比的輸出信號，進而控制直流電機電壓的大小，達到調節(jié)電機轉速的目的。接著利用霍爾傳感器將電機的轉速信號變成脈沖頻率的形式發(fā)送到主控芯片中，構成閉環(huán)控制調速系統(tǒng)，單片機經過PID運算后改變PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)轉速實時控制?？刂瞥绦驊糜陔妱訖C的加減速，單片機不間斷地將PWM脈寬調制占空比傳輸?shù)絃CD液晶顯示器，并顯示電機當前的轉速。整個系統(tǒng)電路結構簡單，可靠性高。2.6 本章小結本章對直流電機驅動系統(tǒng)的基礎理論進行了介紹，包括直流電動機與PWM控制技術，直流電機PWM調速的基本原理，分析了采用PWM控制的調速方法，給出了系統(tǒng)的總體設計方案。3 硬件系統(tǒng)設計硬件電路是系統(tǒng)的核心，電路設計的合理性，工作性能的穩(wěn)定性，是整個系統(tǒng)設計的主要關鍵，這關乎系統(tǒng)的硬件部分能否穩(wěn)定安全地工作。倘若沒有良好硬件電路，即使有再好的軟件程序也無濟于事。在本章中，將闡述電動助力車電機驅動系統(tǒng)的硬件部分的各個模塊，主要包括核心控制模塊STC單片機，電機驅動模塊，顯示模塊，按鍵控制模塊。3.1 單片機最小系統(tǒng)所謂的單片機最小系統(tǒng)就是有單片機和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機控制系統(tǒng)，也叫做單片機最小應用系統(tǒng)。最小系統(tǒng)的組成包括單片機，晶振電路和復位電路。3.1.1單片機系統(tǒng)概述單片機（Single-Chip-Microcomputer）又稱為單片微控制器，其基本結構是將微型計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器、輸入接口、輸出接口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等全部集成在一個半導體芯片上。單片機結構上的設計，在硬件、指令系統(tǒng)及I/O能力等方面都有獨到之處，具有較強而有效的控制能力7。一塊單片機控制芯片就如同一臺具有一定規(guī)模的微型計算機，因此只要在單片機外圍加上必要的器件，內部結合適當?shù)能浖?，就可以以構成完整的計算機硬件控制系統(tǒng)。單片機內部結構如圖3-1所示：圖3-1 單片機內部結構3.1.2單片機STC12C5A60S2STC12C5A60S2是宏晶科技公司生產的一種單時鐘/機器周期的單片機，作為新一代的8051單片機，其優(yōu)點是處理速度快、低功耗、可抗靜電干擾。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但是速度更快。STC12C5A60S2片上集成1280字節(jié)RAM、8K到64K的Flash存儲空間，支持更大的外部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，工作頻率范圍在035MHz之間，相當于普通8051的0420MHz。片內資源有4組I/O控制端口、4個16位定時器、3個時鐘輸出口、2路PWM輸出口，看門狗和外部掉電檢測電路?？梢栽?.5V到5.5V寬電壓范圍內正常工作。單片機功能引腳如圖3-2所示。圖3-2 單片機功能引腳圖部分引腳功能說明P1.0P1.7：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向輸入/輸出口，同時也是地址/數(shù)據(jù)總線復用口，還可作為ADC輸入通道。在按鍵檢測中，由于內部上拉電阻的存在，按鍵電路不用再外接上拉電阻。P1.3和P1.4能作為高速脈沖輸出和脈寬調制輸出，用來產生可控制的PWM波形，P2.0P2.7：P2口內部有上拉電阻，既可作為輸入/輸出口，也可作為高8位地址總線使用(A8A15)。當P2口作為輸入/輸出口時，P2是一個8位準雙向口。在顯示電路的設計中，可以用P2口來作為LCD控制端，對顯示屏進行顯示控制操作。P3.0P3.7：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向輸入/輸出口。P3.0和P3.1能分別作為串口1的數(shù)據(jù)接收端和發(fā)送端，單片機軟件程序的燒寫就是通過這兩個端口來實現(xiàn)的。P3.2能作為外部中斷0，實現(xiàn)下降邊沿中斷和低電平中斷，在本系統(tǒng)中轉速測量的脈沖通過該端口來觸發(fā)，實現(xiàn)外部中斷。P3.4提供定時器/計數(shù)器0，兩種模式只能二選一不能同時使用。 XTAL1：內部時鐘電路反向放大器輸入端，接外部晶振的一個引腳。當直接使用外部時鐘源時，此引腳是外部時鐘源的輸入端。XTAL2：內部時鐘電路反向放大器輸出端，接外部晶振的一個引腳。當直接使用外部時鐘源時，此引腳可以懸空，此時XTAL2實際將XTAL1輸入的時鐘進行輸出。RST：復位引腳。VCC：電源正極。GND：電源負極，接地。3.1.3復位電路和時鐘電路復位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行狀態(tài)的基本模塊。單片機復位方式通常分為兩種情況：上電復位和手動復位。假如我們的單片機在執(zhí)行程序的時候，突然斷電了，此時單片機內部有的區(qū)域數(shù)據(jù)會丟失，有的區(qū)域數(shù)據(jù)可能還沒丟失，那么我們再次打開設備的時候，為了保證單片機的正常運行，所以在上電后，單片機會進行一個內部初始化的過程，這個過程可理解為上電復位。上單復位保證單片機每次都從一個固定的相同狀態(tài)開始工作，這個過程就像我們電腦開機的過程一樣。當單片機在運行程序時，如果遭受外部的意外干擾而導致程序死機，或者出現(xiàn)程序跑飛的時候，長時間失去響應，我們可以通過按下復位按鍵，讓程序重新初始化重新運行，這個過程就叫做手動復位，如同電腦的重啟鍵一樣。手動復位就是使用按鍵讓復位電路接通來獲得低電平，以此來使系統(tǒng)進行復位。在實驗編程中，調試時可能要頻繁使用手動復位，因此在該最小系統(tǒng)設計中采用手動復位電路，如圖3-3所示。圖3-3 手動復位電路晶體振蕩器，簡稱晶振。它的作用是為單片機系統(tǒng)提供基準時鐘信號，單片機內部所有的工作都是以這個時鐘信號為步調基準來進行工作的，所以要讓晶振有規(guī)律的運行，避免程序運行時可能會出現(xiàn)的誤差。單片機有兩個晶振引腳XTAL1和XTAL2，與一個12M的晶振連接，為了幫助晶振順利起振，在時鐘電路中并聯(lián)了兩個30pF的陶瓷電容，消除干擾實現(xiàn)濾波并維持振蕩信號的穩(wěn)定。時鐘電路如圖3-4所示。圖3-4 時鐘電路單片機，時鐘電路和復位電路構成了單片機最小系統(tǒng)的三要素，也就是說，一塊單片機只要具備了這三條件，就可以運行下載的程序了。其它的比如液晶、數(shù)碼管、按鍵傳感器等設備都屬于單片機的外部設備，即外設。利用單片機最小系統(tǒng)我們可以通過單片機編程來控制各種外部設備。3.2 供電電路在系統(tǒng)中單片機、LCD和驅動芯片等由于工作電壓很小，而且需要直流供電，所以不能直接接220V的工頻交流電，所以在供電單元中，要將220V交流電變成系統(tǒng)所想獲得的低壓直流電，并且穩(wěn)定輸出。要實現(xiàn)這一要求，就要設計直流穩(wěn)壓電路，通過穩(wěn)壓芯片對整流后的電壓進行降壓和穩(wěn)壓處理，來獲得所需要的直流電。直流穩(wěn)壓電路是一種將220V工頻交流電轉換成穩(wěn)定直流電壓輸出的電路，它的工作需要經過四個過程才能完成：變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓。其中，整流電路是利用單導向的電氣元件如二極管，把50Hz的正弦交流電轉變成脈動的直流電。濾波電路可以將整流部分中輸出電壓的交流部分加以濾掉，通常使用對電路中交流電有阻礙作用的元件，如電容。穩(wěn)壓電路是利用穩(wěn)壓芯片使輸出的穩(wěn)定直流電壓，不隨交流電網(wǎng)電壓，負載和電路參數(shù)的變化而改變。在本電機驅動系統(tǒng)中，直流電機采用的是12VDC供電，顯示方式則選用LCD液晶顯示屏，為了使系統(tǒng)能正?？煽康墓ぷ?，所以穩(wěn)定輸出的電壓為12VDC和5VDC。在電路中要用到LM7812和LM7805這兩種穩(wěn)壓芯片，輸出電流最大能達到1.5A，滿足系統(tǒng)要求。圖3-5 供電單元電路圖圖3-5為供電單元電路圖。220V交流電經過變壓器變壓轉化成15V交流電，15V交流電在經由整流橋整流后變成脈動直流，之后經濾波電容C3濾波形成直流電，供電電路中的由12V的三端穩(wěn)壓集成電路LM7812進行穩(wěn)壓后輸出12V的直流電，為直流電機供電，之后并聯(lián)的兩個電容是為了提高電源質量再次濾波。輸出端接二極管IN5819，該二極管高頻性能好，耐壓值高，用作高頻整流。經過濾波高頻整流的12V直流電，在經過三端穩(wěn)壓集成芯片LM7805進行穩(wěn)壓后輸出5V的直流電，供整個系統(tǒng)包括LCD顯示屏，單片機以及驅動芯片等用電，再次濾波后輸出穩(wěn)定的5V直流電。最后串接的發(fā)光二極管用作電源指示燈，電源插頭通電后二極管發(fā)光，顯示已上電。3.3 顯示電路本系統(tǒng)采用LCD液晶顯示屏來顯示電機的轉速，目標轉速和占空比。液晶顯示器具有厚度很薄，能顯示彩色的文字團，在大規(guī)模的集成電路中可以直接驅動。目前的個人電腦、數(shù)字相機、移動通信工具等眾多領域被廣泛應用著。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，調節(jié)電壓能控制顯示屏顯示范圍，通電就能顯示，這樣既能顯示圖形又能顯示字符和漢字。而且顯示屏的接口方式靈活且簡單，指令操作方便，電壓要求不高而且功耗低。和相似功能的點陣液晶顯示模塊比較，不需要復雜的電路設計，顯示程序的編寫更為簡化，價格也更為便宜。表3-1 主要引腳接口說明表引腳號引腳名稱引腳說明引腳號引腳名稱引腳說明1VSS電源地6CLK使能信號2VCC電源正15PSB串口方式3V0對比度調整17/RESET復位端4CS模組片選端19A背光源正極5SID串行數(shù)據(jù)輸入端20K背光源負極常用的LCD液晶顯示屏型號有LCD1602和LCD12864。1602LCD的顯示容量為162個字符，該顯示器比較容易控制，電路設計也簡單，能顯示字符，但屏幕小不能顯示漢字；LCD12864的顯示容量為12864個字符，該顯示器功率低，驅動方法和硬件不是很復雜，而且顯示屏幕夠大，能顯示字符和漢字。根據(jù)系統(tǒng)的顯示要求，要同時顯示轉速，目標轉速和占空比，需要顯示包括漢字以及較多參數(shù)，顯然LCD1602的顯示容量不能滿足本系統(tǒng)的設計要求，因此選用顯示容量更大且能顯示字符的12864LCD作為顯示模塊。LCD12864的主要引腳接口說明如表3-1所示。圖3-6 LCD12864接口電路圖LCD12864的接口電路圖如圖所示。LCD12864是整個系統(tǒng)電路的顯示部分，單片機通過P2端口來實現(xiàn)與LCD12864的通信，單片機的P2.0、P2.1、P2.2分別與LCD的控制端CS、SID、CLK相連，以此來控制LCD12864的顯示。單片機與LCD12864的接口電路如圖3-6所示。其中LCD12864的2引腳是電源引腳，接5V電壓。19引腳為背光源正極，上電后開啟背光燈，假如低于5V則可能會使LCD顯示背光亮度偏暗。17引腳為復位端（低電平有效），而且模塊的內部有上電復位電路，在本顯示模塊中不需要經常復位，所以可將該引腳接高電平。15引腳采用串口通信方式，由于該引腳為低電平有效所以此處接地。使用串口通信能減少連線，簡化電路，節(jié)省端口。3引腳是LCD的對比度調整，通過改變此引腳的電壓高低，能改變對比度，所以在此處外接一個10K的電位器來調節(jié)該引腳的電壓值，以此來調整顯示屏的亮度。3.4 電機驅動電路電機驅動電路是電動助力車驅動系統(tǒng)中的重要部分，該電路設計的好壞直接影響驅動系統(tǒng)的性能，尤其是對調速性能的影響，所以電機驅動電路的設計就十分重要。電機的驅動系統(tǒng)要求電機驅動系統(tǒng)具有高轉矩重量比、寬調速范圍、高可靠性。而且電機的轉矩轉速特性受電源功率的影響，所以這要求驅動的高效率區(qū)盡可能寬。主控系統(tǒng)的控制脈沖信號，經過驅動電路對脈沖進行處理，處理過后的脈沖信號能直接驅動并控制直流電機。3.4.1L298電機驅動模塊在一般的關于電機的設計中，我們通常使用的是直流電機，主要用到永磁直流電機、伺服電機和步進電機這三種。直流電機性能優(yōu)秀，而且控制起來十分簡單，供電采用直流電源，電源部分比較容易實現(xiàn)。直流電機的驅動以及控制一般都用到電機驅動芯片來進行驅動，比較常用的電機驅動芯片有L298，MC33886，ML4428等。在本次系統(tǒng)設計中，采用的是L298驅動芯片，這是目前在市場上比較容易買到的直流或步進電機驅動芯片，不需要考慮過多的硬件電路設計。下面是對L298芯片的資料和電路設計應用的一些介紹。（1）L298驅動芯片L298是由SGS公司生產的驅動芯片，內部包含4通道邏輯驅動電路，可驅動二相和四相電機，內部含有兩個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器。L298的內部原理圖如圖3-7所示。圖3-7 L298的內部原理圖L298可接收標準的TTL邏輯電平信號，可驅動的最高工作電壓為46V，能持續(xù)工作的電流為2A，最大瞬時電流看達到3A，額定功率25W，適合控制一般的中小型電機。能利用單片機的I/O口作為控制輸出，芯片構成的電路簡單，應用方便，散熱性能良好。（2）L298引腳符號及功能L298芯片一共有15個引腳，其中SENSA和SEBSB分別是芯片內的兩個H橋的電流反饋腳，一般這兩個引腳很少用到，所以直接接地即可；ENA和ENB是驅動使能端，用來給驅動芯片輸入PWM信號，可直接與單片機的I/O相連；IN1、IN2、IN3、IN4為電機輸入控制端，輸入的是邏輯電平信號，可接受脈沖信號；OUT1、OUT2、OUT3、OUT4是電機輸出控制端，輸出與對應的輸入端邏輯相同的電平信號，用來控制負載；VSS是邏輯控制電源，用來控制電機狀態(tài)，工作電壓范圍4.57V，在本驅動模塊中采用5V；VS是電機驅動電源，為電機提供動力電源，接12V的直流電壓；GND是接地，同時起到散熱的作用。L298的引腳圖如圖3-8所示。圖3-8 L298引腳圖（3）L298的邏輯功能表3-2是L298的邏輯功能表，從表中可以看出，當驅動使能端ENA為低電平時，無論輸入端IN1和IN2是何種電平信號，電機都不會轉動；當驅動使能端ENA為高電平，輸入端IN1為PWM信號，IN2為低電平信號時，電機順時針轉動，反之電機逆時針轉動。在對電機端的調壓控制中，L298采用開關驅動方式，該方式能讓L298在開關狀態(tài)下工作，通過PWM信號來控制電機電壓，從而改變電機轉速。表3-2 L298邏輯功能表IN1IN2ENA電機狀態(tài)XX0停止101順時針011逆時針000停止111停止（4）驅動模塊連接圖3-9中L298有兩路電源，分別為12V的動力電源和5V的邏輯電源，J3接入動力電源，J2接入邏輯電源，由供電單元提供。J1接驅動使能端，直接和5V邏輯電源相連，也就是讓電機的使能ENA和ENB一直保持在工作狀態(tài)。J5和J7為電機輸出控制端，與電機的正負極相連接，為電機提供動力。IN1和IN2用來輸入PWM脈沖信號實現(xiàn)電機調速，當IN1為PWM信號，IN2為低電平信號時，電機實現(xiàn)正轉。在加速過程中，脈沖輸出的占空比慢慢提升；在減速過程中，脈沖的輸出占空比慢慢降低。1腳和15腳在此電路中不會用到，只需將這兩腳接地。在驅動電路中所使用的電機為線圈式的，具有較大的感性，導致電流不能突變。所以在電機穩(wěn)定運轉時，如果突然斷電導致電機停轉，會產生很大的反向電流。由于驅動芯片不能承受過大的反向電流，會燒壞芯片。因此，在電路中加入了8個續(xù)流二極管，利用二極管的單向導通性，對產生反向電流的時候進行泄流，防止燒壞芯片，保護芯片安全。選用的二極管必須要能夠快速恢復，還有較大的電流承載能力，這由PWM的頻率和電機的電流決定，一般選擇快速恢復二極管。在兩路電源的正、負極之間，并接兩個小容量電容，濾除直流電源中有害的交流成分高頻交流電，使直流電變得平滑。圖3-9 L298驅動模塊連接圖3.4.2光電隔離保護電路電機驅動系統(tǒng)屬于功率較大的系統(tǒng)，如果將驅動回路和單片機控制回路直接連接，可能增加驅動控制電路對控制電路的干擾，影響電路中信號的傳輸。因此電路中的抗干擾處理就十分必要，采用光電隔離技術能把干擾電路和容易遭受干擾的電路隔離開，讓兩者僅用信號形式維系，沒有電之間的直接聯(lián)系，以此來實現(xiàn)干擾的隔離。而要實現(xiàn)隔離干擾，就必須相應的隔離元器件。本系統(tǒng)使用光電耦合器對系統(tǒng)電路進行隔離保護。光電耦合器的特點是可實現(xiàn)電信號的隔離傳輸，即輸入端和輸出端之間既能傳輸電信號，又具有電的隔離性，同時能有效抑制尖脈沖和各種雜訊干擾。光電耦合器由于輸入阻抗小，外部擾動信號阻抗很大，根據(jù)分壓原理，輸入端的因為分壓很小，只能形成十分微小的干擾電流，不足以驅動二極管導通發(fā)光，這樣尖脈沖和雜訊就不會干擾到信號傳輸。而且光電耦合器在信號傳輸時，響應延遲的時間極短，幾乎不影響電路信號在驅動電路中的實時控制。圖3-10 光電耦合器應用電路光電耦合器在電路中的主要功能是實現(xiàn)隔離控制。圖3-10為光電耦合器應用電路，當按下開關SB時，3V的電源經過電阻R1加載至光電耦合器的輸入端形成回路，輸入端的發(fā)光二極管由于有電流通過而發(fā)光，輸出端的光敏三極管在接受光源后導通，產生輸出電流，使雙向晶閘管VS導通，電動機M得電運轉。這樣，只需控制3V低壓直流電就可以間接控制交流220V電源，這就是光電耦合器的隔離作用的應用。圖3-11 光電隔離保護電路在本系統(tǒng)中的光電隔離保護電路如圖3-11所示。L298驅動芯片的IN1、IN2、IN3、IN4引腳與分別與四個光電耦合器PC817的輸出端相連，光電耦合器的輸入端和J4、J6連接。J4和J6是電機控制端，與單片機的I/O相連，當單片機發(fā)送一個PWM信號給J6的2腳時，由于二極管的單向導通特性，光電耦合器輸入端的發(fā)光二極管截止不發(fā)光，輸出端的光敏三極管由于沒接受光照不會導通，輸出端維持在高電平；當輸入低電平的時候，輸入端的發(fā)光二極管導通發(fā)光，光敏三極管經受光照而導通，輸出端維持在低電平。也就是說，光電耦合器實現(xiàn)的是“電-光-電”的轉換，傳輸?shù)臄?shù)字信號不變，避免了上下兩級電路的直接連接而產生的干擾，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖中的四個LED小燈起到指示作用，燈亮表示輸出低電平，燈滅表示輸出高電平，能直觀地看出輸出電平的變化。單片機發(fā)生的PWM控制信號，經過光電耦合器隔離輸送到驅動芯片的電機輸入控制端，從而控制電機兩端電壓，進而達到控制轉速的目的。通過加速和減速鍵，PWM控制信號也隨之改變，電動機的轉速就會發(fā)生變化。3.5 轉速測量模塊測速是工業(yè)生產中經常需要用到的，比如發(fā)電機、電動機、機床主軸等旋轉設備的實驗運轉和控制中，要求達到定位精度要求的轉速，所以既要通過測量出轉速來進行控制。為了達到精確測量轉速以及進行實時測量的目的，就必須能測出瞬時速度。在本文的電動助力車電機驅動系統(tǒng)中，為了能更加方便地對電機進行調速控制，需要把設定值與當前實際轉速進行偏差計算，完成閉環(huán)控制。因此就必須對電機轉速進行實時采集。采樣是測速的重要環(huán)節(jié)。在模擬技術中時，常使用對發(fā)電機測速的方法，就是把測速發(fā)電機的轉軸和待測軸相連，測速發(fā)電機的電壓高低直接反映了轉速的快慢。而使用單片機來測速，測量方法相對簡單，例如脈沖計數(shù)法，轉軸旋轉一秒會產生的多個脈沖，這些脈沖被傳輸至單片機中，通過內部程序進行計數(shù)，經過計算后就能反映出電機的轉速。而要獲得脈沖信號，就需要利用傳感器。比較常用的測速傳感器有霍爾傳感器、光電傳感器等。霍爾傳感器是對磁敏感的元件，常用于開關信號的采集，